我国煤矿水射流卸压增透技术进展与战略思考

卢义玉，黄 杉，葛兆龙，周 哲，刘文川，管娅蕊

(1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.重庆大学 复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400044；3.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044)

2021年，我国煤炭消费量占一次能源消费量比例56.0%，煤炭作为主体能源将继续承担国家能源安全和经济持续、健康发展的重任。2021全国能源工作会议定调：要充分发挥煤炭“压舱石”作用，“将能源的饭碗端在自己手里”。然而，我国煤层条件复杂，具有低渗透性(<0.001×10m)、高瓦斯压力(高达6.5 MPa)、煤质松软(<0.5)、构造发育等特点，且瓦斯在煤层中以吸附态为主要赋存形式，占80%～90%。随着我国煤炭开采逐渐向深处进军，煤与瓦斯突出风险性不断增加，严重制约着煤炭安全高效开采。如何解决新形势下煤层安全、高效增透问题，对推动我国煤炭产业健康发展、保障国家能源安全具有重大战略意义。

过去20 a以来，包括水力割缝、水力冲孔、水力压裂等在内的煤层水力化卸压增透技术因其清洁、高效等特点，逐渐成为了煤储层卸压增透、强化瓦斯抽采的主要技术方法，相关论文数量逐年增加，技术现场应用效果显著(图1)。根据增透机理，水力化措施可以大体分为2类：一类是增压类，即水力压裂，以注入高压水的方式致裂煤体，促进裂隙发育，增加透气性；一类是卸压类，包括水力冲孔、水射流割缝、水射流扩孔、水力疏松、水力掏槽等多种技术，此类技术利用高压水射流技术破碎煤体，形成自由面，为煤体提供变形空间，通过卸压的方式增透煤层。水射流技术起源于采矿业，随着近年技术装备精进，经过现场探索实验、高压装备研发、理论及工艺迭代、技术多样化与智能化、精准化5个阶段的发展，已发展为一种技术门类齐全、应用范围广、能量转化率高且清洁的实用技术，在我国强化煤层瓦斯开采领域取得了丰硕的现场应用成果，是煤层增透强化瓦斯抽采的有效途径。基于此，笔者梳理了我国水射流技术卸压增透煤层研究历程及最新进展，提出了未来水射流强化瓦斯开发理论与技术重点发展趋势以及展望。

图1 我国近20年瓦斯事故数据[5]及水力化技术瓦斯治理相关论文数量

1 水射流煤层增透理论与技术进展

20世纪初，苏联和中国将水射流技术应用于采煤。随着近年来各国学者对各种射流理论及其应用技术的深入研究，空化射流、磨料射流等技术得到了进一步发展，高压水射流技术的应用由单纯的采矿工业扩大到冶金、航空等众多领域。水射流在冲击破碎岩石材料的过程中具有高效、清洁、低热和低振动等特点。高速水射流到达岩石表面时首先产生水锤压力，使岩石破碎，萌生剪切裂隙。同时，抗拉强度较低的岩体在拉应力作用下产生大量拉裂纹。此后，由于滞止压力的持续作用，岩石进一步破碎剥落，形成冲蚀坑。水射流破岩具有脆性岩石应变率大、喷嘴结构敏感性高、破碎模式及机制复杂等特点，导致学界很难精确表征水射流破岩的内在机理与真实物理过程，从而严重制约了水射流破岩技术的发展。近几十年来，许多学者对高压水射流破碎煤岩体的机理进行了多角度的解释和论证，形成了一系列经典理论，促进了高压水射流技术的创新和发展。

1.1 水射流破岩理论

准静态弹性破碎理论：运用弹性力学判断岩石的破坏，揭示了静态冲击力与射流滞止压力的关系，认为当射流产生的应力大于岩石强度时，岩石将发生破坏。其中，较有代表性、认可度较广的理论为密实核-劈拉破岩理论(图2(a))：将射流破碎岩体的过程视作刚体以一定的速度压入半无限体空间，随着高压射流的持续作用，高压水在裂隙尖端产生应力集中，当水射流达到峰值压力时开始发生破坏。随着流体动能的增大，裂纹不断向深部延伸直至贯穿整个试件。在断口的顶端，岩粉快速熔合、穿透并最终扩展到冲击接触面，被剥离形成一个致密的岩心，作为射流和岩体之间的“岩垫”，并沿着自由面方向致裂岩石。应力波破碎理论(图2(b),(c))：认为水射流冲击作用下，岩石内部所产生的应力波在岩石破坏行为中占有主导地位。受高压水射流形成的强压缩波影响，岩体的冲击区处于绝对压力下，液滴接触岩石表面时，径向向外流动使固液表面的压力从水锤压力下降为滞止压力，压力的急剧下降使岩体的内部压缩波被反射并形成强烈的径向拉力，当拉力值超过岩石的破裂强度时就会产生裂纹。拉伸-水楔破碎理论(图2(c))：认为岩体中发育诸多天然节理、微裂隙。在水射流的持续冲击下，裂缝中的水压持续升高，甚至接近射流在煤岩体表面形成的冲击力，导致裂隙逐渐变大并加速扩展。因裂缝的形成过程类似于嵌入煤体中的刚性楔子，因此称之为拉伸-水楔破碎理论。该理论综合考虑了煤体的大量天然裂纹和冲蚀坑的形成，很好地解释了生产实际中的一些现象，得到了许多学者的认同。空化(气蚀)破碎理论：认为水射流中存在大量气泡，当它们冲击到煤体表面时，空泡溃灭形成微射流，高速打击岩面致使破裂发生(图2(d))。

图2 水射流冲击破碎岩体机理

相比于其他储层岩石来说，煤岩非均质性高，具有双重孔裂隙结构、低强度、低弹性模量和高泊松比的特点。其力学性质、岩体结构、水射流冲击下的断裂机制均不同于砂岩和页岩。CAO等以砂岩、页岩和煤等典型储层岩石样品进行了超高压水射流(UHP-WJ)冲击破碎实验。分析了UHP-WJ冲击后岩石的损伤机制，相比而言，煤岩表现为水平环形裂纹和垂直裂纹两种破坏模式，随着射流压力的增加，煤样中水平环形裂纹数量逐渐减少，逐渐显现为单个垂直裂纹的破坏特征。煤岩具有应力波效应和水楔效应双重断裂特征，破碎块大小介于砂岩和页岩之间。在水楔效应作用下，煤中孔转化为大孔和裂缝，导致中孔减少，大孔增加。穆朝民等基于Bridgman方程以及J-H-C本构模型，数值模拟了高压水射流冲击煤体破坏过程。通过分析各影响因子与损伤程度之间的关系得到了各个参数变化时损伤破坏情况及相应的变化规律。研究结果对于进一步认识煤岩体变形规律具有一定意义。结果表明，压缩应力波和拉伸应力波共同作用是高压水射流冲击破坏煤岩的主要因素。葛兆龙等开展了连续高压水射流冲击作用下不同储层岩石破坏特征研究。相比而言，煤体冲蚀坑深度最深，以纵向劈裂破坏为主，损伤随深度的变化不大。煤体破坏以水楔作用下的拉伸破坏为主，不同于页岩(应力波破坏为主)及砂岩(射流剥蚀及剪切破坏为主)。

目前的射流破岩理论虽然从多个角度揭示了水射流破岩机理，但受制于研究测试手段和设备的制约，无法全面捕捉冲击破碎过程，且储层岩石自身组构和物理力学特性差异大，响应机制不尽相同，亟待开展深入的、针对性强的水射流冲击破岩理论研究

1.2 水力冲孔

1.2.1 增透机理

水力冲孔通过高压水射流破坏孔壁周围煤体，在钻孔内诱导小型突出，利用水流冲出煤体所产生的空间，使煤体应力得以释放，渗透性得以提高(图3(a),(b))，可以有效解决煤层透气性差、瓦斯抽采难度大等问题。该方法射流压力较低，流量较大，可以排出软煤层冲孔过程中的大量落煤，是一种较为适合松软煤层的卸压增透手段。

图3 水力冲孔卸压机理及效果

1.2.2 发展历程

国际社会对水力冲孔的研究始于20世纪70—80年代。1968—1972年，苏联的马凯耶夫科煤矿安全研究院率先提出了沿巷道周边开卸压槽的防突措施水力冲孔技术。20世纪80年代，美国圣胡安盆地煤层气开发工程现场首次开展了水力冲孔应用，该盆地4 000多口井中约1/3采用水力冲孔完井，相比而言产量增加了3～20倍。我国水力冲孔研究起步较早，1958年重庆南桐矿务局率先开展了水力冲孔防突工作：根据1958—1959年北票、焦作、南桐等地区的水力冲孔试验，对冲孔工艺、设备和系统及效果检测方法作了初步总结。此后，水力冲孔技术逐步在全国范围得到推广。

1.2.3 研究进展

20世纪60年代以来，国内诸多学者针对水力冲孔后孔周应力状态变化、微观孔隙结构演化，水力冲孔形态特征、有效抽采半径(图3(c))等问题开展了研究。水力冲孔技术在我国经历了60余年的应用和发展，在松软煤层瓦斯突出治理中取得了诸多阶段性成果。王恩元等开展了冲孔区域地应力场、渗流场同步监测，发现卸区半径是冲孔孔洞等效半径的10倍多。宝坤等对冲孔周围煤体的应力、位移场分布规律进行数值模拟研究，分析了冲煤量对周围煤体应力和位移变化的影响。王峰等在某煤矿底板回风巷开展水力冲孔试验，结果表明水力冲孔冲煤量及瓦斯抽采效果随钻孔角度的减小而增大。刘晓等以稳态蠕变理论为基础，研究了冲孔前后煤体渗透率的演化规律。魏建平等研究了冲孔有效范围，极大减少了现场钻孔布置成本。袁德铸等针对现场应用水力冲孔增透措施后瓦斯抽采方面存在的问题及对煤巷掘进产生的影响进行分析，探讨了水力冲孔增透合理冲孔煤量的确定方法。许江等开展不同冲孔转速下的水力冲孔物理模拟试验，对孔洞形态、气体压力、冲出煤量等关键参数进行了探讨。

1.2.4 现场应用

谭东升等在某煤矿底抽巷开展现场试验，并进行了冲孔与割缝卸压增透对比试验。结果表明，冲孔后施工时间比水力割缝减少了26.7%。刘英振等在某煤矿现场采用煤层底板巷水力冲孔方法消突后，巷道瓦斯抽采总量提高了2.58倍。徐东方等在某煤矿底板巷实施水力冲孔试验，卸压增透半径最高达到5 m，相比提升至2.0倍，平均瓦斯流量提升至3.43倍。

李雷等开展了“三软”煤层水力冲孔试验，发现瓦斯抽采浓度最大增加了2.4倍、流量最大增加了9.22倍，现场应用效果显著。此外，随着研究趋于深入，众多学者亦提出了一系列复合型技术并开展了现场应用(表1)。

表1 水力冲孔联合增透关键参数

综上，水力冲孔技术作为水力化措施的一个重要分支进行卸压抽采具有显著的应用效果，随着相关理论、技术及装备的不断完善，今后将为煤矿的安全高效生产提供有力的技术支撑。然而，目前水射流冲孔破碎煤岩卸压增透机理研究亟待深入。高压水射流破煤过程中涉及到水射流-煤-瓦斯等相互作用的耦合，破煤过程极为复杂，受多重因素影响以及研究方法的限制，导致高压水射流破煤机理还未深入解释清楚，限制了水力冲孔技术的发展与应用。此外，在复杂地质条件实施水力冲孔作业时，仍有瓦斯喷孔等动力现象显现。因此，对水力冲孔设备开展集成化、智能化方面的系统性研发，具有重要意义。

1.3 高压水射流割缝卸压增透

1.3.1 增透机理

采用密集钻孔等传统增透技术存在钻孔工程量大、单孔抽采范围有限、瓦斯体积分数及抽采效率低等问题，已逐渐难以满足我国井下作业需求。过去几十年，我国学者围绕水力割缝强化瓦斯抽采技术室内试验、数值模拟及现场应用开展了深入的研究。水力割缝强化瓦斯开发技术，是在巷道内向煤层中钻孔，通过高压水射流在抽采钻孔煤层范围内定点径向切割或煤层范围内上、下来回切割(图4(a))，割缝过程中大量瓦斯和破碎煤体沿钻孔排出，在煤层中形成圆盘形缝槽，利用水流将切割下来的煤渣带出孔外，缝槽周围煤体暴露面积增大，煤层内部导流通道数量与连通性(微观裂隙)增加，为煤层内部卸压瓦斯解吸和流动创造了良好的条件。同时，高压水射流所产生的应力波和声振波可减弱瓦斯的吸附力，为瓦斯脱附提供能量(图4(b))；且割缝过后在煤储层中所产生的多组缝槽形成了充分的卸压空间，煤体原始应力状态、裂隙张开度均发生了改变，进而促进储层压力降低(图4(c))。在将突出潜能有效释放的同时可最大限度的缓解局部应力集中、增透煤层。

1.3.2 试验及模拟研究

张永将等对比现场试验，利用FLAC软件对采煤工作面在射流割缝后应力演化过程进行了研究，发现割缝区域内平均微震事件能量下降18%、瓦斯抽采量提高4.1倍。葛兆龙等通过现场测试及数值模拟方法研究了不同条件煤层的割缝钻孔抽采影响半径。唐巨鹏等以平顶山某煤矿深部突出煤层为例，进行了不同水力割缝布置方式对煤层卸压防突效果影响的数值模拟研究。饶培军等利用ABAQUS软件建立水力割缝模型，模拟水力割缝后煤层内部的应力场、位移场、渗流场及割缝周围瓦斯压力分布情况。李晓红等对自主设计研发的不同结构水力割缝系统过渡过程压力-流量特性进行了深入研究，分析了过渡过程中系统能量耗散规律。

1.3.3 现场应用

煤矿井下水射流割缝技术已经在重庆大学、太原理工大学等单位，平煤、焦煤、淮南矿业、淮北、晋煤、义煤等多个集团公司取得良好经济效益。高亚斌等在某煤矿现场开展割缝卸压现场应用，发现割缝后预抽瓦斯穿层钻孔数减少了32.5%、钻孔长度减少了42.9%。卢义玉等提出了利用自激振荡脉冲水射流在煤层中割缝增透以缩短石门揭煤时间的新思路。通过某矿现场应用表明，割缝后瓦斯释放量提高了44倍，钻孔数量减少了60%，缩短工期达70 d以上，极大缩短了某煤矿石门揭煤时间。李宗福等采用“压裂-割缝”复合增透预抽瓦斯，瓦斯抽采体积分数最高至7倍。陆庭侃等提出了顺层钻孔割缝技术，采用高压(40～60 MPa)水射流割缝在宁夏某煤矿进行应用，使瓦斯抽采效率提高了3～6倍。林柏泉等针对钻孔割缝卸压网络化增透机制开展了现场应用，发现卸压后透气性系数提高了122倍，钻孔抽采流量提高了3.5倍，抽采体积分数提高了2.3倍，预抽达标时间缩短了一半(图4(d))。

图4 水射流割缝卸压增透机理

综上所述，诸多学者针对高压水射流割缝卸压增透煤层理论技术以室内相似试验、数值模拟、现场应用等为手段开展了大量深入的研究，揭示了基于深部煤层多场、多相耦合下高压水射流破碎煤岩机理，研究了复杂地质条件下割缝煤层卸压响应规律，拓展了煤层水力割缝技术卸压增透的应用前景。国内已有多家单位参与水射流割缝卸压技术研究和装备开发，在理论、工艺、工程实践等方面有显著进展。然而，针对高压水射流破煤理论机理仍存在分歧，现有假说难以全周期客观描述破煤过程；在不同的割缝参数及复杂地质条件下，导致高压水射流割缝增透效果产生较大差别的科学问题尚未厘清；此外，基于射流割缝卸压瓦斯抽采多相态-多物理场参数动态响应特征及耦合演化规律尚不明确。因此，如何统筹优化施工参数，针对以上问题开展深入研究，是未来高压水射流割缝卸压增透煤层理论与技术的重要研究方向。

1.4 射流割缝复合压裂

1.4.1 技术背景

水力压裂技术最早在油气田的开发中进行应用，以提高油气井的产量。1965年煤炭科学研究总院沈阳研究院将水力压裂技术应用在煤层强化抽采瓦斯领域。近几十年来，国内众多学者开展了多方面的理论、现场及试验、数值模拟研究，取得了阶段性的进展。然而，考虑到常规水力压裂的裂缝扩展形态无序、主要受制于地应力方向，在煤矿井下应用时，不可避免的会出现增透“空白带”的问题(图5(a))：由于水压裂缝在原始地应力的控制下只会在最大主应力方向扩展，而主裂缝两侧的煤岩体很难受到裂缝影响，因此该部分的煤层渗透率并没有得到显著的改善。煤矿井下水射流割缝复合压裂增透技术，即采用水射流割缝的方法布置压裂孔以及导向钻孔，使煤层中形成深度缝槽。裂隙的形成能够改变煤层受力分布状态，从而降低起裂压力并导向水压裂缝的起裂及延伸，减小因注水压力过大而引起煤层顶底板破坏。该技术能够控制水压裂缝在煤层中均衡扩展，避免裂缝的无序扩展出现瓦斯抽采“空白带” (图5(b))。同时能够降低压裂区域内有效应力，减缓裂缝的闭合、强化裂缝的导流能力，继而达到有效治理瓦斯、高效抽采煤层气的目的(表2)。

图5 割缝导向压裂机理及成套装备示意

表2 煤层增透技术对比

割缝复合压裂时，破碎区煤体首先起裂，裂缝在破碎区和塑性区内的起裂方向受缝槽导向；当裂缝进入原岩应力区后，受地应力主导，延伸方向开始转变，为避免其无序发展，施工割缝导向钻孔，使其形成的塑性区和压裂孔裂缝形成的塑性区交接，加速裂缝扩展(图5(d))。基于此，采用水射流在煤层中割缝后压裂，则可以起到控制裂缝扩展方向、扩大压裂范围、提高抽采效率的作用，同时可以减少压裂、抽采钻孔的施工量，缩短煤层瓦斯抽采时间。

1.4.2 研究现状

射流割缝导向水力压裂增透技术已在郑煤、山西焦煤、淮南矿业、中兴煤业等大型煤矿中推广应用，并取得了显著社会经济效益。李栋等提出多孔水射流割缝定向压裂增透方法并应用于渝贵高铁特大断面瓦斯隧道揭煤工程，结果表明压裂后煤层透气性系数提高了35～187倍，平均瓦斯抽采纯量分别提高了4～12倍，揭煤时间比预期缩短了50%。程玉刚开展了割缝导向压裂裂缝起裂及扩展规律室内实验(图6(a)～(c))，揭示了割缝偏差角及水平应力差异系数对割缝导向压裂裂缝定向扩展方向的影响规律；在某煤矿开展了割缝导向压裂现场试验，后发现初抽平均单孔瓦斯纯量提高了0.75倍，汇总浓度衰减趋势较为缓慢(图6(d))。李艳增等在丁集煤矿开展水力割缝复合压裂技术应用，发现抽采效果提升了4倍左右。夏彬伟等在某煤矿现场开展射流割缝复合压裂应用，发现瓦斯抽采纯量提高了11.26倍，抽采体积分数提高了2.12倍。冯仁俊等开展现场试验，发现水射流割缝导向压裂时，增透范围提高了约33%，单孔瓦斯抽采纯量提高10.6倍，瓦斯抽采体积分数提高了2.25倍。王磊等室内相似试验，同时采集压裂孔内压力和表面裂缝数据研究了超临界CO压裂煤岩体的起裂及裂缝扩展规律。刘勇等利用高压水射流在井眼内平行于煤层倾角射孔，最后进行水力压裂。现场试验结果表明，瓦斯抽放量相比而言增加了11.26倍，抽采体积分数增加了2.12倍。黄炳香等在某煤矿进行水射流割缝预开槽，对坚硬顶板水力裂缝的扩展起到了定向作用。黄旭超等将联合压裂增透技术应用于石门揭煤，在新疆某煤矿开展应用，发现日均抽采瓦斯体积分数和瓦斯纯量约提高2.3倍和3.8倍，钻孔工程量大约减少75%，抽采时间缩短约60%，整个工期缩短约70%。

图6 割缝导向水力压裂室内试验及现场应用效果

在理论研究与数值计算方面，袁志刚等基于煤岩体变形模型、裂缝面内流体压降模型和裂缝扩展模型及扩展准则，使用ANSYS-APDL语言建立了煤岩体钻孔水力压裂数学模型。闫发志等采用数值模拟及现场试验的方法，分析了水射流割缝钻孔与压裂钻孔协同布置时不同条件下压裂裂缝扩展规律，现场试验表明协同压裂钻孔的瓦斯抽采纯量是压裂钻孔的2.1倍，普通钻孔的5倍。程玉刚等建立了孔隙压力梯度场下的水射流割缝导向压裂数值模型，研究了导向孔的距离、布置方式、控制水压3个主要因素对导向压裂作用效果。朱海燕等建立了套管井定向射孔时孔眼的起裂压力和起裂角的预测模型。富向等选取鸡西城山煤矿现场实例，利用RFPA2D-Flow软件分析了穿煤层钻孔定向水压致裂前后应力、水压的分布与变化规律，研究了损伤区域、卸压区域的形成与扩展过程。宋晨鹏等通过建立水压裂缝遇天然裂缝二维模型，对裂缝扩展规律及天然裂缝破坏机理进行研究。张小东等根据多孔介质孔隙度及水力强化过程中裂缝扩展的分形特征建立了分形煤储层宏观物性参数孔隙度与渗透率的理论关系模型，并基于现场数据进行了矫正。袁学浩等开展了多场耦合数值模拟分析，依托沁水盆地某储层工程背景，分析了水压裂缝起裂及穿层扩展规律。贾文超等以鹤壁煤矿某煤层为工程背景作为参考，使用RFPA-2D数值模拟方法开展研究。模拟了地应力与孔隙压力等因素影响下的裂隙扩展规律。程玉刚等开展了定向水力压裂物理相似模拟实验，揭示了裂缝扩展的控制机理。

综上可见，诸多学者在煤层导向压裂增透机理、技术工艺，瓦斯运移规律等方面取得了创新性的理论及技术成果。然而，面对深部煤层瓦斯动力灾害的突变性，目前割缝导向压裂仍存在技术协同性不够等问题，难以适应开采条件的复杂变化。如何在深部煤岩体复杂地质条件下有的放矢地开展水力割缝导向压裂强化煤与瓦斯共采，是未来相关理论及技术的重要发展方向。

1.5 水力喷射树状钻孔均衡增透

1.5.1 技术背景

对于低透煤层来说，煤层内瓦斯的导流通道数量是决定煤层瓦斯抽采效果的主要因素。常规方法往往通过穿层钻孔采用“线”抽采或“面”抽采的方式开采煤层瓦斯，而树状钻孔增透抽采方法的主要目的是在抽采单元内构造多层次多方向的深长分支孔：首先，以高压水射流为动力，使自进式钻头先在岩层母孔中前进；自进式钻头到达目的层位的预定位置后，使用小曲率自进式拐弯钻孔装置实现分支孔转向，钻凿出树状子孔(图7(a),(b))，卸压诱导煤体破裂形成宏观裂缝并激发原始煤体节理裂隙在分支孔间开裂、扩展，通过微裂缝、诱导裂缝形成大量与主导流通道连通的均衡导流裂隙网络，为煤层瓦斯快速解吸、流出提供通道，达到对煤层瓦斯均衡“体”抽采的目的(图7(c))。此外，重庆大学葛兆龙等提出了煤层树状压裂均衡增透技术，该技术与传统压裂技术的最大区别是压裂前在煤层内直接施工多层定向深长孔(树状支孔)，突破了传统技术仅围绕穿层钻孔“做文章”的思路，解决了煤层全面高效增透的难题(图7(d))。水力喷射树状钻孔煤层增透技术具有高效、安全等特点，且因其不会产生火花与煤尘，在煤层卸压的同时也为作业人员提供了良好的安全保证。此外，能够缩短钻孔总长度、节约钻孔成本、缩短钻孔时间，实现煤层均衡增透。树状压裂技术具有裂缝分布均匀、压裂范围可控、起裂压力低等特点，是当前有望消除水力压裂起裂压力高、存在增透“空白区”等不足并可大范围推广的新技术。

1.5.2 研究现状

笔者团队发明了一种煤矿井下水力喷射树状钻孔复合压裂均衡增透的方法及成套装备(图7(d))，该方法将瓦斯抽采孔作为母孔，将均匀分布的自进式钻孔作为“树状”钻孔子孔，再对该“树状”孔网进行封孔压裂。与常规水力压裂相比能够对低透气煤层进行均匀压裂，增大单个穿层钻孔的压裂范围，实现均匀增透，克服了常规水力压裂穿层钻孔利用率低和单一主裂缝对顶底板造成破坏等缺点。该方法操作简单，增透范围大，增透效果好，为煤矿井下安全生产提供保障。张亮开展了多分支孔卸压煤层多场响应机理研究，利用多尺度多相耦合模型分析了水力喷射树状钻孔储层改造后瓦斯流动规律。葛兆龙等发明了煤矿井下水力喷射树状钻孔组合钻具及导向装备。张澜涛等在某煤矿抽放巷工程现场开展了水力喷射树状钻孔煤层增透技术的研究，平均瓦斯抽采浓度最高提升至1.8倍。左少杰分析了含瓦斯煤层树状压裂裂缝起裂规律，揭示了树状支孔诱导水力裂缝扩展并均匀分布控制机理，研究了树状压裂煤层瓦斯流动特性及增透效果。

图7 树状钻孔均衡增透机理及成套装备示意

煤矿井下自进式水力喷射树状钻孔技术成孔率高、完整性好、抽采半径大，钻孔数量少，大幅提高了低透气性煤层强化抽采效率，降低了防突工程量，在煤矿现场应用中取得了阶段性成效。然而，由于煤层本身的非均质特性，自进式钻头在煤层内的轨迹很难控制，此外，该技术不适用极松软煤层。我国各处煤矿赋存条件有所差异，煤层深孔钻进的难易程度差别很大，对于松软煤层，煤层气开发极易造成塌孔现象，特别是水的进入，进一步软化煤体，影响技术实施成功率。

2 战略思考

随着浅部煤炭资源日趋枯竭，我国大量矿井进入深部开采，瓦斯灾害威胁极其严重。虽然国内多家研究机构对水力化技术的研究促进了该类技术的迅速发展，并在部分煤矿取得了初步效果，但是面对深部煤层瓦斯动力灾害的复杂性、特殊性和突变性，目前水射流强化瓦斯开发技术仍然没有形成成熟的体系，尚存在技术协同性不够等问题，难以适应开采条件的复杂变化。

2.1 深化交叉学科理论研究

瓦斯以吸附和游离2种状态储集于煤层内，原始煤体是煤、吸附瓦斯和游离瓦斯组成的类三相体，吸附瓦斯和游离瓦斯处于一种动平衡状态，其中吸附瓦斯体积分数占80%～90%。在复杂地质条件下水射流破煤的过程中必然会涉及到瓦斯解吸、运移、煤岩损伤、裂缝扩展等多场多相耦合过程，相比于射流破岩而言更为复杂，极大提高了理论和实验研究的难度；且现场实验成本高、周期长，井下环境条件复杂﹐得出的结论并不具备普适性。这造成了理论研究滞后于实际工程应用，使水射流破煤机理的客观、全面揭示成为难题。未来的射流破煤理论研究，应动用多学科交叉(岩石力学、渗流力学、地质学、化学等)资源，着力于将现场实验和数值模拟有机结合，以现场多场-多相耦合地质条件为参考、以客观还原原位破煤机理为导向开展研究。

2.2 增透装备一体化、无人化

由于煤层瓦斯赋存的地质条件十分复杂，煤矿井下巷道布置方式多样﹐国内现有的水射流增透技术和装备在工程应用中还存在不配套、不完善等多方面的问题，煤矿井下打钻及水射流成套装备普及度不高。此外，由于现阶段煤矿井下打钻与割缝、冲孔多为不同设备，导致设备数量多、移动不便、施工周期长、人力物力消耗量大等问题。应针对煤矿井下用高压水射流装备存在以上问题针对性优化其结构、材质和外观设计，整合多方资源推进成套设备研发。将射流方式和喷嘴结构及理论研究有机组合，增强水射流切割能力，提高施工效率。此外，以信息化、智能化、自动化为手段，降低煤矿井下作业人员数量，在充分提高作业效率的同时保障员工人身安全。推进水射流增透装备一体化、无人化，是响应国家保障能源稳定安全供应、增强绿色发展支撑力战略目标的关键，也是未来矿井智能化发展的必然。

2.3 技术工艺集成化、系列化

各水力化措施在实践中均有各自独特的优势，也都存在相应局限性。对于树状钻孔而言，由于煤层本身的非均质特性，树状钻孔自进式钻头在煤层内的轨迹很难控制，且不适用极松软煤层。割缝导向压裂的局限性在于，面对深部煤层瓦斯动力灾害的复杂性，目前仍存在工艺优化(导向孔排布、缝槽参数等)、协同性、针对性不足等问题，难以适应开采条件的复杂变化。

对此，笔者团队提出了“地面定向井+水力割缝”卸压方法：在地面定向井钻井完井之后，开展分段水力割缝煤层增透(图8)。在深部煤层中割缝形成多个盘状缝槽之后提高储层渗透率，增加煤层气井产量。此方法通过地面井及水力割缝卸压，避免了水力压裂过程中高压注入流体导致应力向煤层深部传递，更适应深部煤层高地应力条件。同时，规避了进行常规压裂作业时压裂液对储层造成伤害的可能。对于传统地面定向井钻井技术而言，由于钻孔孔径往往较大，对松软煤层适应性较低。而此方法对不同煤质适应性较强，在软煤层中的应用效果更为显著。此外，此方法卸压空间远大于传统水力喷射孔眼和径向水力钻孔孔眼尺寸，有望为深部煤层气资源地面开发开辟新的途径。

图8 煤层气水平井+水力割缝卸压方法示意[24]

针对水力化增透措施协同性不够等问题，笔者团队提出了“复杂难增透构造区割缝卸压-简单易增透区导向压裂增透”模式，即在复杂构造煤层进行水力割缝形成卸压空间，诱导产生塑性破坏裂隙，连通煤层中弱面结构形成复杂的裂隙网络；简单构造区煤层进行导向压裂，控制压裂裂隙有序扩展沟通天然裂隙，形成大规模渗流缝网。极大地增强了面对深部矿井复杂储层地质条件下水力化增透措施的适应性，有助于高效开展针对性工程实践。

总之，要充分发挥不同单项技术的长处并形成优势互补，在深部煤岩体复杂地质条件下有的放矢地开展卸压增透强化瓦斯开发。水射流技术工艺集成化、系列化是未来的重要发展趋势，亦是必经之路。

2.4 评估系统可视化、智能化

我国不同产煤区域地质条件及瓦斯赋存情况具有很大差异性。由于地下环境复杂，有关瓦斯的信息资料不准确，制约着水力化措施的针对性开展。为了解决这一问题，必须进行煤与瓦斯突出预测及增透效果监测研究，通过对现场采集到的原始数据进行科学处理，从而得到适合该地区实际情况的预测模型和参数。实现对工作面开采过程中的动态监控。目前，煤矿建设的大部分系统都是独立运行的，各系统的数据不能得到有效的利用和深度的融合。应充分运用大数据等数字化手段，综合考虑煤层瓦斯赋存的主要特征参数，搭建煤层气赋存风险识别和增透效果量化分析平台，形成针对性的水射流增透措施对不同变质程度的煤岩、应力条件、瓦斯压力等复杂地质环境适用性标准，提高水射流煤层增透技术实施成功率。

3 结 语

回顾过去，历经60余年的研究，我国水射流煤层增透技术已经取得许多阶段性进展。水射流技术适应国家建立煤炭﹑煤层气协调开发机制的要求，符合煤矿瓦斯抽采达标的需要，已成为煤矿瓦斯治理、提高瓦斯抽采率的关键技术手段，具有良好的应用前景。该技术的持续、快速发展必将整体提升我国矿井瓦斯防治和煤层气产业科技自主创新能力。前期国内大量的研究和应用，为技术的发展提供了有力的支撑，取得了一批阶段性成果。随着增透机理研究的不断深入和装备水平的不断提高，水射流煤层增透技术体系将日趋完善，在未来的煤炭开采和煤层气开发中将发挥更大的作用。

展望未来，如何统筹优化施工参数，以理论研究为基石、现场试验为指导、数值模拟为延伸，针对我国深部矿井煤炭开采的高应力、高瓦斯、强吸附性、低渗透性等特征开展深入研究，是未来高压水射流卸压增透煤层理论与技术的重要研究方向。要开展地面和井下相结合的煤与瓦斯共采模式，持续研究针对不同地质条件下的深部煤矿瓦斯抽采关键技术及装备；同时，探索形成以技术为主导、市场为向导、政策为引导的产业融合发展新构想，不断完善技术及装备适用条件并形成标准体系。总之，水射流强化瓦斯开发是为我国提供矿山安全保障的重要环节。要深刻认识新形势下保障国家能源安全的极端重要性，切实发挥煤炭的兜底保障作用，形成高校、科研院所、煤炭企业协作共赢的合力，真正实现煤层高效增透、瓦斯安全开发，为我国煤矿安全保驾护航。