水力化煤層增透技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

王耀鋒,何學(xué)秋,王恩元,李艷增

(1．中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2．煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧沈陽 110016;3．華北科技學(xué)院,北京 101601)

水力化煤層增透技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

王耀鋒1,2,何學(xué)秋1,3,王恩元1,李艷增2

(1．中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2．煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧沈陽 110016;3．華北科技學(xué)院,北京 101601)

增加煤層透氣性是解決低透氣性煤層瓦斯抽采難題的關(guān)鍵。煤巖體結(jié)構(gòu)改造是煤層增透的核心問題,水力化煤層增透技術(shù)是煤巖體結(jié)構(gòu)改造的有效途徑?；谇捌谘芯考拔墨I(xiàn)調(diào)研,回顧了水射流和水力壓裂技術(shù)的發(fā)展歷程,綜述了國內(nèi)水力化煤層增透技術(shù)的研究進(jìn)展。分析了理論研究和工程應(yīng)用中存在的問題,指出增透機(jī)理尚未客觀揭示、單項增透技術(shù)存在局限性、配套裝備(特別是安全保障系統(tǒng))不完善、效果考察體系不健全等因素制約了技術(shù)的推廣。對總體發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望,認(rèn)為水力化煤層增透技術(shù)正朝著集成化、多元化和智能化的方向發(fā)展,加強(qiáng)理論研究、盡快完善裝備、發(fā)展定向壓裂等綜合增透新技術(shù)、建立增透效果考察體系等方面是未來主要研究方向。

水力化煤層增透技術(shù);瓦斯抽采;水射流;水力壓裂

煤層氣(煤礦瓦斯)是與煤伴生且主要以吸附狀態(tài)儲集于煤層中的一種非常規(guī)天然氣,在我國儲量豐富,其開發(fā)和利用對于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善煤礦安全和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有舉足重輕的作用。

中國多數(shù)煤層具有非均質(zhì)性、低壓力、低滲透率和低含氣飽和度等特點[1]。煤層的低滲透率和非均質(zhì)性造成用常規(guī)方法難以有效抽采瓦斯,而如何增加煤層的滲透率已成為制約礦井瓦斯抽采的瓶頸。水力化技術(shù)是增加巖(煤)體滲透率的有效途徑,美國是開展水力壓裂和水射流研究較早的國家,中國、前蘇聯(lián)、德國、日本等也開展了此類研究[2-4]。我國煤層賦存和巷道布置的復(fù)雜多樣,造成現(xiàn)有的水力化技術(shù)與裝備在工程應(yīng)用中存在不配套、不完善等問題,該技術(shù)的大范圍推廣需要突破許多技術(shù)瓶頸?；诖?筆者介紹了水力化增透技術(shù)的研究進(jìn)展,分析了理論研究和實際應(yīng)用中存在的問題,并對其總體發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 水力化儲層增滲技術(shù)的發(fā)展歷程

煤層和油層等儲層都屬于非貫通裂隙巖體[5],其內(nèi)部存在大量不同尺度水平上的裂隙與孔洞,屬于極其不連續(xù)、各向異性、非彈性的損傷材料,力學(xué)特性也非常復(fù)雜。要提高儲層的滲透率,就必須對它進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,這是解決許多化石燃料開采困難的共性科學(xué)問題。自20世紀(jì)80年代以來,裂隙巖體變形等方面的研究已成為巖土工程界的前沿研究方向。從非貫通裂隙巖體的結(jié)構(gòu)出發(fā),研究其破壞模式,是深入研究儲層改造的重要途徑。

儲層增滲技術(shù)是從20世紀(jì)30年代開始,伴隨著石油、煤炭等礦藏的開采而發(fā)展起來的,一般可分為力學(xué)方法和物理化學(xué)方法。力學(xué)方法從改變儲層應(yīng)力入手,使之產(chǎn)生不均勻的變形與破壞,張開原生裂隙,產(chǎn)生新裂隙,并使它們在儲層內(nèi)形成相互貫通的裂縫網(wǎng)絡(luò),增加流體介質(zhì)的流動通道,從而提高儲層滲透性,如造穴技術(shù)、水力壓裂、水射流擴(kuò)孔(或割縫)、松動爆破和層內(nèi)爆炸等。物理方法是指使聲、電等物理場作用于儲層來增滲,如超聲波、液電脈沖、人工地震、壓力脈沖等。化學(xué)方法是指向儲層注入化學(xué)解堵劑溶解堵塞雜質(zhì),如酸性處理、注入表面活性劑等[6-7]。

水力化技術(shù)是以高壓水作為動力,使儲層內(nèi)原生裂隙擴(kuò)大、延伸或者人為形成新的孔洞、槽縫、裂隙等,促使巖體產(chǎn)生位移,達(dá)到儲層卸壓、增滲的目的,如水射流割縫(或擴(kuò)孔、鉆孔)、水力壓裂等。自1947年美國開始第1次水力壓裂[8]以來,歷經(jīng)60余年的發(fā)展,水力化技術(shù)從理論到應(yīng)用都取得了驚人的進(jìn)展,成為石油、天然氣、頁巖氣及礦井瓦斯等增產(chǎn)的有效途徑。

1.1 水射流技術(shù)

水射流技術(shù)起源于采礦業(yè),經(jīng)過探索試驗、高壓設(shè)備研制、技術(shù)突飛猛進(jìn)、技術(shù)多樣化和智能化與精準(zhǔn)化等5個階段[3]的發(fā)展,已成為一種應(yīng)用范圍廣、技術(shù)門類齊全、能量轉(zhuǎn)化率高且環(huán)保的實用技術(shù)。

20世紀(jì)30年代,美國第1次使用水射流沖洗礦石中的泥土。50年代初,前蘇聯(lián)采用壓力105～210 MPa的純水射流在花崗巖地層進(jìn)行了鉆井試驗。60年代,海灣石油公司采用磨料射流進(jìn)行了硬巖鉆進(jìn)試驗,鉆速達(dá)常規(guī)方法的2～3倍。1971年,美國制造出世界第1臺超高壓純水射流切割機(jī)。1973年,美國的Manurer等開始了射流輔助PDC鉆頭破巖的鉆井試驗[9],鉆速比常規(guī)鉆井提高了3倍左右。70年代末,從單純提高水射流壓力轉(zhuǎn)向如何充分發(fā)揮水射流的潛力,形成了脈沖射流、高溫射流、磨料射流和擺振射流等多種技術(shù)。80年代,美國開展了高壓水射流鉆徑向水平井的研究[10]。1983年,西德的Vecker等使用自旋轉(zhuǎn)式噴嘴在煤層中進(jìn)行了鉆孔試驗。1984年,美國的Joneson V E Jr等[11]成功地把自振氣蝕射流用于石油鉆井。1987年,美國開始進(jìn)行用錐形水射流鉆孔。至90年代中期,先后出現(xiàn)了前混合磨料水射流、后混合磨料水射流、空化水射流及自激振蕩水射流等技術(shù)。中國石油大學(xué)對淹沒旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行了研究,并將其成功應(yīng)用于鉆徑向水平井。1997年,在遼河油田錦45-04-19井首次鉆出了長15．86 m、直徑120～140 mm的水平井眼,使產(chǎn)量提高7倍以上[12]。90年代后期,逐步向切割的智能化和精準(zhǔn)化方向發(fā)展。2003年,李根生等研制了自振空化射流鉆頭,鉆井速度比普通中長噴嘴鉆頭提高10．5%～49．3%[13]。

在水射流設(shè)備研制和應(yīng)用技術(shù)研究的同時,還對水射流沖擊下物體的破壞開展了大量理論研究,形成了多種學(xué)說,如氣蝕破壞作用、水射流的沖擊作用、水射流的動壓力作用、脈沖負(fù)荷引起的疲勞破壞作用、水楔作用等,但目前大部分學(xué)說尚處于假說階段。

1.2 水力壓裂技術(shù)

水力壓裂技術(shù)起源于一種地應(yīng)力測量方法,至今已有近70 a的歷史。1947年,在美國Hugoton氣田的一口垂直井中,首次實施了水力壓裂增產(chǎn)作業(yè)。目前,在全球范圍內(nèi)作業(yè)量已將近250萬次,約60%的新井要經(jīng)過壓裂改造,水力壓裂技術(shù)正逐步發(fā)展成為一項成熟的石油開采技術(shù),在煤炭、天然氣、頁巖氣等行業(yè)也得到了廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)50年代,水力壓裂開始應(yīng)用于前蘇聯(lián)油田開發(fā)中。60年代,水力壓裂以淺層水平造縫為主,發(fā)展了高壓水力壓裂技術(shù),在我國主要用于油田解堵與增產(chǎn)。1964年,德國萊茵普魯士6號中央礦井進(jìn)行了脈沖式高壓煤壁注水。1968—1972年,前蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦安全研究院試驗了水力疏松、水力擠出等防突措施。70年代,開始了高排量高壓水力壓裂。80年代,發(fā)展了液氮泡沫加砂壓裂技術(shù)、復(fù)合壓裂技術(shù)、水平井壓裂技術(shù)。1985年,Giger首次提出了水平井[14]的概念。90年代,出現(xiàn)了水平井分段壓裂技術(shù)[15],隨著國內(nèi)外致密低滲油、氣藏的開發(fā),該工藝得到迅速發(fā)展。1998年,美國的Surjeetamadja首先提出了水力噴射壓裂方法,并在國外得到廣泛應(yīng)用。2002年,Devon能源公司在Barnett頁巖試驗的7口水平井獲得了成功,對水平井鉆井和減水阻壓裂效果的各種改進(jìn)極大地縮短了鉆、完井時間[16]。2005年初,在Barnett頁巖油田第1次在水平井使用水力噴射環(huán)空壓裂技術(shù)。2005年后,開始試驗水平井同步壓裂技術(shù)。同年,江漢機(jī)械研究所完成了水力深穿透定向射孔技術(shù)研究并成功應(yīng)用。2006年,在川西馬井和新都地區(qū)施工16井次定向井壓裂,成功率100%[17]。2007年,在四川白淺110井首次成功實現(xiàn)連續(xù)管水力噴砂逐層壓裂。近年來,在常規(guī)水力壓裂的基礎(chǔ)上,發(fā)展了多種新型壓裂技術(shù)和方法,如直井分層壓裂、多級同步壓裂、變排量壓裂、水平井多段壓裂、復(fù)合壓裂、重復(fù)壓裂等[18]。

伴隨著水力壓裂技術(shù)的飛速發(fā)展,國內(nèi)外在水力裂縫的起裂、擴(kuò)展與延伸機(jī)理方面開展了大量的理論研究,并建立起多種數(shù)學(xué)模型試圖描述壓裂過程。最初,水力壓裂的計算模型幾乎全是二維的,典型的有PK,PKN和KGD模型等。20世紀(jì)80年代以后,在假設(shè)儲層是均勻、彈性介質(zhì)的基礎(chǔ)上,建立了擬三維的P3D模型,繼而提出了PL3D模型。近幾年,人們圍繞建立三維數(shù)值模型來模擬水力壓裂過程做了大量工作。周健等采用大尺寸真三軸試驗系統(tǒng),對多裂縫儲層內(nèi)水力裂縫與多裂縫干擾后影響水力裂縫走向的各種因素進(jìn)行了研究,并對壓力曲線特征進(jìn)行了分析[19]。張廣清等通過建立了三維彈塑性有限元模型研究了定向射孔水力裂縫形態(tài)的影響因素和裂縫的起裂機(jī)理,提出了采用定向射孔技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)向壓裂以形成雙S型裂縫的新方法[20]。李連崇等應(yīng)用并行有限元程序,對壓裂過程進(jìn)行了真三維數(shù)值模擬,實現(xiàn)了對裂縫起裂、擴(kuò)展和擴(kuò)展中的穿層、扭轉(zhuǎn)行為的全過程分析[21]。

1.3 裂縫監(jiān)測技術(shù)

為了評價增滲效果和優(yōu)化技術(shù)方案,需要對裂縫發(fā)展的走向、形態(tài)、數(shù)量、展布范圍及密度等進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測。裂縫監(jiān)測技術(shù)作為儲層增滲的配套技術(shù),自20世紀(jì)60年代起,伴隨著增滲技術(shù)的廣泛應(yīng)用、數(shù)學(xué)模型的不斷完善和計算機(jī)、傳感器技術(shù)的日趨成熟,在經(jīng)歷了定性分析階段后,已向定量描述方向發(fā)展,正在形成一種多學(xué)科相結(jié)合的綜合技術(shù)體系。

微地震方法是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的裂縫監(jiān)測技術(shù)之一,它根據(jù)儲層在結(jié)構(gòu)改造過程中發(fā)生應(yīng)力、應(yīng)變和位移等變化時能引起微小地震的原理,用地震波檢波器探測釋放出的能量,并對微地震事件進(jìn)行處理,確定震源在時間和空間上的分布,實現(xiàn)對裂縫網(wǎng)絡(luò)的成像和監(jiān)測。隨著微地震技術(shù)研究的深入,將微地震事件與地質(zhì)、地球物理、測井?dāng)?shù)據(jù)等信息應(yīng)用于數(shù)值模擬中,還能夠進(jìn)行客觀的產(chǎn)能預(yù)測,并進(jìn)一步指導(dǎo)增滲設(shè)計的優(yōu)化[22]。

美國礦業(yè)局已于20世紀(jì)40年代開始應(yīng)用微地震技術(shù)探測沖擊地壓,但大量應(yīng)用于壓裂監(jiān)測是從1992年開始的,至1997年逐漸商業(yè)化。在國內(nèi),微地震監(jiān)測技術(shù)發(fā)展相對滯后,在學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)并引進(jìn)設(shè)備的前提下,才在大慶、華北等油田進(jìn)行了微地震數(shù)據(jù)的采集和解釋。2013年,中國石化物探院應(yīng)用自主研發(fā)的Frac Listener微地震軟件技術(shù),成功實施了川西須五段頁巖氣儲層水力壓裂地面微地震監(jiān)測。

2 煤層增透與油層增滲的關(guān)系

歸根結(jié)底,煤層增透和油層增滲都是通過貫通與增加儲層內(nèi)流體介質(zhì)的流動通道來增加化石燃料的產(chǎn)量。但是,由于二者存在以下諸多差異[6,23],致使其增滲方式和效果也不盡相同。

(1)產(chǎn)物的賦存特征。

煤層既是生氣層又是儲集層,作為儲集層它與油層相比具有割理發(fā)育、泊松比高、楊氏模量低且各向異性等特點。煤層瓦斯的儲存方式以吸附為主,而石油總量的90%左右呈游離狀態(tài)。

(2)運移規(guī)律。

石油屬于自由流體,能傳導(dǎo)壓力,其運移基本服從達(dá)西定律。而絕大部分煤層瓦斯由于受表面張力的作用處于吸附狀態(tài),它的運移主要是分子熱擴(kuò)散運動。

(3)產(chǎn)出方式。

石油的增產(chǎn)是通過增加、維持儲層能量或改變石油的物理力學(xué)性能來實現(xiàn)的。而煤儲層低壓力的特點,決定了煤層瓦斯的產(chǎn)出是煤層降壓、瓦斯解吸、擴(kuò)散和運移等因素綜合作用的結(jié)果。

(4)實施作業(yè)的地點。

石油增產(chǎn)作業(yè)的地點一般在地面,通過地面鉆孔來實施,受作業(yè)環(huán)境、空間大小等因素的影響較小。煤層增透作業(yè)的地點多數(shù)在井下,空間狹小、光線暗淡、設(shè)備需要防爆,還要考慮實施增透作業(yè)后,對于煤層頂、底板的破壞是否會影響后期煤炭的安全開采,這些因素決定了煤層增透作業(yè)實施難度更大。

(5)增滲作業(yè)的效果及考察方式。

以水力壓裂來說,油層增滲的影響范圍可達(dá)幾十米甚至幾百米。對于煤層增透,首先,由于煤層的松軟及各向異性,有效范圍僅能達(dá)到幾十米;其次,煤層壓裂過程中產(chǎn)生大量的煤碎屑,在抽采負(fù)壓的作用下極易阻塞通道;再者,煤巖吸附壓裂液后會引起煤巖基質(zhì)膨脹而堵塞裂隙;另外,對于突出煤層還要考慮增透作業(yè)影響范圍內(nèi)不能留空白帶。

從增滲效果考察的角度看,由于油層埋深較大,只能通過產(chǎn)油量或者地球物理手段進(jìn)行考察。煤層增透效果的考察相對方便,除可以通過抽采量或地球物理手段考察外,還可以在井下施工鉆孔進(jìn)行煤層透氣性測試。

儲層增滲技術(shù)對石油增產(chǎn)的促進(jìn)作用已是有目共睹,但是基于以上差異,煤層瓦斯抽采不能照搬石油增產(chǎn)技術(shù)。引進(jìn)、消化、吸收并創(chuàng)新,是煤層增透技術(shù)發(fā)展的必由之路,也正是在借鑒與學(xué)習(xí)石油增產(chǎn)、頁巖氣增抽等先進(jìn)的理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上,我國礦井瓦斯抽采也取得了令人矚目的成就。

3 水力化煤層增透技術(shù)在國內(nèi)的研究進(jìn)展

為了提高低透氣性煤層的瓦斯抽采率和防治煤與瓦斯突出,我國科研人員在學(xué)習(xí)石油行業(yè)和前蘇聯(lián)、波蘭等國家技術(shù)及經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,試驗應(yīng)用了多種煤層增透技術(shù),這些技術(shù)多數(shù)是從降低煤層外在應(yīng)力和改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì)入手,主要有：開采保護(hù)層、卸壓帶抽采、深孔松動爆破、交叉鉆孔、大直徑鉆孔和水力化增透措施等。國內(nèi)煤礦應(yīng)用水力化煤層增透技術(shù)開始于20世紀(jì)50年代末,至今大致經(jīng)歷了初期試驗研究、嘗試應(yīng)用和高速發(fā)展這3個階段,正逐漸發(fā)展成為一種適用性強(qiáng)、效果顯著的煤層增透和防突技術(shù)。

3.1 初期試驗研究階段

20世紀(jì)50年代末至80年代末,是國內(nèi)水力化煤層增透技術(shù)的初期試驗研究階段,主要是作為局部防突措施應(yīng)用于煤巷掘進(jìn)、石門揭煤等地點。1958年,設(shè)計出了簡易的“輕變型”水力鉆。1965年,用水射流預(yù)先沖刷煤體,安全揭開了具有突出危險的石門。撫順煤炭研究所于1969年在鶴壁六礦進(jìn)行了水射流割縫試驗,擴(kuò)大了鉆孔的卸壓范圍;1977年,在紅衛(wèi)煤礦進(jìn)行了水射流割縫防止煤與瓦斯突出試驗;在1978—1981年期間,先后在鶴壁四礦、二礦及紅衛(wèi)煤礦進(jìn)行了水射流割縫提高瓦斯抽采率的工業(yè)性試驗;1981年研制了液控水射流鉆割機(jī);1970—1985年,在白沙里王廟煤礦、陽泉一礦、撫順北龍鳳煤礦和焦作中馬村煤礦進(jìn)行了水力壓裂、空穴法強(qiáng)化措施開采煤層氣試驗。

3.2 嘗試應(yīng)用階段

20世紀(jì)90年代初至21世紀(jì)初,雖然前期試驗取得了一定效果,但由諸多原因,水力化煤層增透技術(shù)未能得到大范圍的推廣與應(yīng)用。主要原因：首先,當(dāng)時煤炭行業(yè)發(fā)展正處于低谷,現(xiàn)場需求相對較少;其次,未能深入研究煤層卸壓增透機(jī)理,缺乏必要的理論支撐;再次,當(dāng)時能在煤礦井下應(yīng)用的高壓水泵流量小、壓力低,設(shè)備能力不能滿足需要;最后,包括安全防護(hù)在內(nèi)的配套設(shè)施不夠完善。因此,只在撫順、晉城等礦區(qū)的少數(shù)煤與瓦斯突出礦井和瓦斯治理困難的高瓦斯礦井進(jìn)行了小范圍嘗試應(yīng)用。

3.3 高速發(fā)展階段

2003年以后,煤炭市場逐漸復(fù)蘇,在石油等行業(yè)取得多項新突破的激勵下,隨著《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》等相關(guān)國家政策的實施,水力化煤層增透技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展階段,單項水力化增透技術(shù)不斷完善,總體向著集成化、多元化和智能化的方向發(fā)展。以中國礦業(yè)大學(xué)、中國煤炭科工集團(tuán)沈陽研究院和中國石油大學(xué)等為代表的10余家科研機(jī)構(gòu)在水力化增透方面進(jìn)行了廣泛深入研究,形成了水射流和水力壓裂兩大類共10余種技術(shù),包括：水力沖孔、水力掏槽、水射流割縫、水射流擴(kuò)孔、水力擠出、水力疏松、水力壓裂等,在全國30余個礦區(qū)進(jìn)行了試驗及應(yīng)用,作業(yè)區(qū)域也由煤巷掘進(jìn)、石門揭煤等局部地點發(fā)展到地面鉆孔抽采、煤層區(qū)域預(yù)抽、突出煤層消突等,多數(shù)應(yīng)用取得了不錯的效果。其中,水力壓裂是應(yīng)用次數(shù)最多、范圍最廣的煤層增透技術(shù),據(jù)筆者不完全統(tǒng)計,該技術(shù)已在27個礦區(qū)的51個礦井進(jìn)行了應(yīng)用。從地域上看,在華中、華東、西南和華北地區(qū)的應(yīng)用最多,開展過或正在應(yīng)用水力壓裂技術(shù)數(shù)量較多的礦區(qū)依次是兩淮、晉城、平頂山、焦作、松藻、義馬、陽泉、白沙等礦區(qū)。

(1)單項技術(shù)不斷完善。

在水射流方面：劉明舉等對水力沖孔[24]技術(shù)的防突機(jī)理、工藝流程進(jìn)行了研究,在九里山礦應(yīng)用起到了很好地綜合防突作用,使煤巷掘進(jìn)速度提高了2～3倍。魏國營等研究了水力掏槽[25]技術(shù),系統(tǒng)評價了其有效性、適應(yīng)性和安全性,在演馬莊煤礦突出煤層的應(yīng)用結(jié)果表明,可使巷道安全掘進(jìn)速度提高2倍以上。林柏泉等提出了整體卸壓理念,開發(fā)了高壓磨料射流割縫[26]技術(shù),在平煤十二礦的應(yīng)用保障了煤巷掘進(jìn)安全。唐建新等設(shè)計了用于抽放鉆孔中切割煤體的高壓水射流裝置[27],在白皎煤礦的試驗結(jié)果表明,割縫后鉆孔瓦斯抽采率提高了18．8%。盧義玉等對自激振蕩脈沖水射流[28]的形成機(jī)理和對煤體裂隙率和瓦斯解吸率的影響進(jìn)行了研究,將逢春煤礦石門揭煤的工期縮短了70 d以上。張義等從理論上分析了旋轉(zhuǎn)射流和射流旋轉(zhuǎn)各自的流動規(guī)律、破巖過程及破巖機(jī)理,優(yōu)化設(shè)計了4種水力旋轉(zhuǎn)式鉆擴(kuò)孔射流鉆頭[29],在實驗室取得了較好的試驗效果。王耀鋒研制了三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔裝置[30],并對其工藝參數(shù)進(jìn)行了研究,使擴(kuò)孔效率明顯提高。徐幼平等分析了鉆割一體化水力割煤過程中磨料在射流中的受力狀況和速度分布[31],對割縫入射角和割縫方式進(jìn)行了優(yōu)化,在蘆嶺煤礦應(yīng)用后表明能顯著提高設(shè)備割縫能力。

在普通水力壓裂方面：林柏泉等研究了含瓦斯煤體水力壓裂動態(tài)變化特征[32],建立了煤體埋深、瓦斯壓力和水力破裂壓力三者耦合模型。劉建新等研究了煤巷掘進(jìn)工作面水力擠出[33]的防突機(jī)理,認(rèn)為注水后煤體彈性潛能釋放緩慢,集中應(yīng)力帶前移,卸壓帶加長,瓦斯涌出量減小。蘇現(xiàn)波等提出了地面煤層頂板順層水平壓裂井抽采瓦斯方法[34]。馬耕等提出了煤層順層水力壓裂抽放瓦斯的方法[35]。李國旗等研究了煤層水力壓裂的合理參數(shù)[36]。

在脈動水力壓裂方面：張景松[37]利用自主研制的高壓脈動水錘發(fā)生裝置在潘三礦進(jìn)行試驗,結(jié)果表明該技術(shù)有效地提高了煤層透氣性且增透作用較為持久。翟成等開展了煤層脈動水力壓裂卸壓增透技術(shù)研究與應(yīng)用[38],在鐵法煤業(yè)集團(tuán)大興煤礦的試驗結(jié)果表明卸壓增透效果明顯。

在定向水力壓裂方面：王魁軍等提出了穿層鉆孔水力壓裂疏松煤體瓦斯抽放方法[39]。富向提出了井下點式水力壓裂增透技術(shù)[40]。馮彥軍等在王臺鋪煤礦進(jìn)行了定向水力壓裂控頂試驗[41]。李全貴等[4]針對實施水力壓裂后增透方向不確定導(dǎo)致應(yīng)力集中的問題,提出了定向孔定向水力壓裂技術(shù),應(yīng)用結(jié)果表明能使煤巷掘進(jìn)速度提高69%。

(2)綜合增透技術(shù)快速發(fā)展。

將水射流與水力壓裂搭配起來,實現(xiàn)了二者的有機(jī)結(jié)合。黃炳香等[42]提出在鉆孔軸向或徑向預(yù)割出給定方向的裂縫,然后再對其進(jìn)行水力壓裂的定向壓裂技術(shù)。王耀鋒等開展了預(yù)置導(dǎo)向槽定向水力壓穿增透技術(shù)的研究及應(yīng)用[43],提出了利用導(dǎo)向槽和控制鉆孔的共同定向作用將煤體壓穿,并通過高壓水?dāng)y帶出大量煤屑,來實現(xiàn)煤層卸壓和增透的方法。劉勇等開展了降低井下煤層壓裂起裂壓力方法研究[44],提出采用水射流在煤孔中定向射孔來降低起裂壓力。

綜合壓裂技術(shù)取得了一定進(jìn)展。葉建平等[45]開展了氮氣泡沫壓裂技術(shù)的工業(yè)試驗并獲得成功。許耀波提出了基于構(gòu)造煤儲層特點的液氮伴注輔助水力壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)[46],現(xiàn)場應(yīng)用增產(chǎn)效果達(dá)到了50%。劉曉在中馬村煤礦試驗了重復(fù)水力壓裂[47]技術(shù),取得了較好的效果。王保玉等提出了地面壓裂井下水平鉆孔抽放煤層氣方法[48],將地面鉆孔與井下水平定向鉆孔相結(jié)合,實現(xiàn)聯(lián)合抽采。林柏泉等提出了區(qū)域瓦斯治理鉆爆壓抽一體化防突方法[49],實現(xiàn)了松動爆破和定向壓裂綜合增透。

4 存在的關(guān)鍵技術(shù)問題

歷經(jīng)60余年的研究,中國水力化煤層增透技術(shù)已經(jīng)取得許多有益的進(jìn)展。但是,由于煤層瓦斯賦存的地質(zhì)條件十分復(fù)雜,煤礦井下巷道布置方式多樣,國內(nèi)現(xiàn)有的水力化增透技術(shù)和裝備在工程應(yīng)用中還存在不配套、不完善等多方面的問題。

4.1 理論研究亟待深入

(1)瓦斯以吸附和游離兩種狀態(tài)儲集于煤層內(nèi),原始煤體是煤、吸附瓦斯和游離瓦斯組成的類三相體,吸附瓦斯和游離瓦斯處于一種動平衡狀態(tài),其中吸附瓦斯約占90%。在割縫(或擴(kuò)孔)這一水射流破煤過程中,煤屑脫離煤體的同時,煤屑與煤體接觸面附近必然會有瓦斯解吸出來,造成水射流破煤體系比水射流破巖更為復(fù)雜,在極短的時段內(nèi)涉及到氣體、流體、固體和多相耦合等諸多學(xué)科,增加了理論分析和實驗研究的難度,使水射流破煤機(jī)理的客觀揭示成為難題,而對高圍壓環(huán)境下水射流切割含瓦斯煤體機(jī)理方面的研究就更少了。這造成了理論研究滯后于實際應(yīng)用,而現(xiàn)場工藝技術(shù)的進(jìn)一步完善也缺乏必要的理論支撐。

(2)含瓦斯煤體的水壓致裂過程,是多孔介質(zhì)下的多相耦合作用過程。對含瓦斯煤體水力壓裂裂縫擴(kuò)展的研究是對流體動力學(xué)、滲流力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)等多學(xué)科的綜合運用,是氣體解吸、流體滲流與巖石變形等相互耦合的科學(xué)問題,水力壓裂裂縫的擴(kuò)展受煤層瓦斯壓力、煤的物理力學(xué)性質(zhì)、圍層的應(yīng)力分布、高壓水泵的壓力和流量等眾多因素的影響。針對水力壓裂裂縫擴(kuò)展這一難題,科研人員采用RFPA,ANSYS,FLAC3D,ABAQUS和COMSOL[50]等軟件開展了大量數(shù)值模擬工作,取得了一些進(jìn)展,但尚未實現(xiàn)對含瓦斯煤體水壓致裂過程的準(zhǔn)確、定量描述,筆者認(rèn)為主要是以下幾方面原因造成的：

①絕大多數(shù)瓦斯以吸附狀態(tài)儲集于煤層中,前期數(shù)值模擬中所建的模型未能充分考慮煤體吸附作用或煤層瓦斯壓力的影響。

②所建立的是基于離散裂縫的模型,預(yù)設(shè)的裂縫不符合煤體內(nèi)原生裂隙的發(fā)育特征,也未能描述煤層裂隙的萌生多是以原生裂隙的張開并進(jìn)一步連通為主導(dǎo)的模式。

③忽視了煤層水力壓裂過程中以原生裂隙的剪切破壞為主,所建立的是基于線彈性斷裂的力學(xué)模型,主要對張拉型裂縫的擴(kuò)展進(jìn)行了計算。

④煤體裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成必然是非平面狀態(tài),而所建立的模型往往是基于平面裂紋假設(shè),通常只能處理縱向和橫向的擴(kuò)展與延伸。

因此,前期的數(shù)值模擬結(jié)果未能客觀描述實際的煤層水力壓裂過程,仍需進(jìn)行深入研究。

(3)煤層的透氣性是瓦斯抽采的一項重要指標(biāo),也是抽采量預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù),它受煤體內(nèi)裂隙的分布、應(yīng)力、水分及溫度等多種因素的影響。原有的煤層透氣性測試技術(shù)是建立在徑向不穩(wěn)定流動理論基礎(chǔ)上的,它要求在巖層內(nèi)打盡量垂直貫穿整個煤層的鉆孔,然后依次測定煤層瓦斯壓力、鉆孔排放瓦斯流量等數(shù)據(jù),用相似模型試驗的方法計算得出煤層的透氣性系數(shù)。煤層增透作業(yè)會使煤層的透氣性產(chǎn)生強(qiáng)烈的變化,且常常不具備施工穿層鉆孔的條件,因此,應(yīng)加強(qiáng)煤層透氣性測定理論的研究,并結(jié)合裂紋擴(kuò)展的研究成果,對比研究實施增透作業(yè)前后煤層瓦斯壓力、含量、抽采量及煤層突出危險性指標(biāo)等參數(shù)的變化,逐步建立起煤層增透效果考察、評價技術(shù)體系,為煤層增透技術(shù)的發(fā)展提供理論支撐。

4.2 核心技術(shù)有待突破

經(jīng)過近十幾年的快速發(fā)展,水力化煤層增透技術(shù)及裝備有了很大進(jìn)步,但多數(shù)技術(shù)仍處于試驗研究階段,尚未達(dá)到可以大面積推廣應(yīng)用的程度。每種單項增透技術(shù)都有其優(yōu)勢,又難免存在自身的局限性。例如：對于水射流割縫(或擴(kuò)孔)來說,在其控制范圍內(nèi)煤體卸壓充分、增透效果明顯,但是它的影響半徑小,僅有幾米。水力壓裂的控制范圍大,影響半徑能夠達(dá)到幾十米,但是以現(xiàn)有的技術(shù)水平,很難保證在它的控制范圍內(nèi)實現(xiàn)煤體均勻卸壓、增透而不留空白帶。采用綜合增透技術(shù),能使不同的增透手段取長補(bǔ)短、優(yōu)勢互補(bǔ),但是怎樣合理配置各種工藝參數(shù)才能真正達(dá)到這一目的,仍需深入探索。另外,要準(zhǔn)確評價增透作業(yè)是否達(dá)到了抽采及防突的要求,還需要有完善的效果考察體系來支撐。

4.3 關(guān)鍵裝備尚需完善

配套裝備是增透技術(shù)實現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ),技術(shù)的進(jìn)步會推動裝備的完善,而裝備的完善也將促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。雖然水力化增透配套裝備的水平已得到了很大提升,但目前仍有很多方面亟待改進(jìn)。

(1)由于需要防爆等原因,煤礦井下用高壓水泵一般體積龐大、重達(dá)數(shù)噸,造成在井下運輸困難、安裝地點受限。而設(shè)備的功率大,也給供電帶來了困難。在松軟、低透氣性煤層中實施水射流割縫(或擴(kuò)孔)時,鉆孔往往排渣困難,堵孔、噴孔等現(xiàn)象時有發(fā)生,還可能造成瓦斯超限,這就迫切需要研制耐壓高、排渣性能好的水射流專用鉆桿。噴嘴、高壓旋轉(zhuǎn)接頭等部件的使用壽命很短,致使水射流增透成本明顯提高。現(xiàn)有的水力壓裂鉆孔封孔裝置,還未滿足耐高壓和回收的需求,尤其是煤層孔的密封,若采用下入鋼管后再用水泥或化學(xué)藥劑封孔,水泥會影響煤質(zhì)而化學(xué)藥劑會污染環(huán)境,孔內(nèi)遺留的鋼管影響后期采掘作業(yè),這也制約著水力壓裂技術(shù)的推廣。

(2)使用高壓水的各種作業(yè)都是有危險的并可能造成傷害,尤其是在煤礦井下復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境和暗淡的光線下,況且還需要工人與高壓設(shè)備及煤體“短兵相接”,更令人擔(dān)心的是在高瓦斯或者突出煤層增透時,還容易出現(xiàn)瓦斯超限、誘發(fā)煤與瓦斯突出、高壓水?dāng)y帶瓦斯噴出等不可預(yù)見的危險,因此,使用高壓水進(jìn)行井下作業(yè)離不開安全保障技術(shù)及裝備的保護(hù)。前期雖已初步開展了這方面的研究,但還遠(yuǎn)未達(dá)到完全防范危險并控制作業(yè)進(jìn)程的程度。

(3)在煤層增透和防突實踐中,為避免破壞煤層頂、底板,實現(xiàn)區(qū)域全面抽采和不留空白帶,經(jīng)常需要控制裂縫的尺度與延展方向,而現(xiàn)有的水力壓裂裂縫擴(kuò)展理論還很難進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確的預(yù)測,這就要求在壓裂過程中能夠?qū)崿F(xiàn)對裂縫的形態(tài)和擴(kuò)展情況進(jìn)行實時監(jiān)測,由于現(xiàn)有監(jiān)測儀器和定位軟件不能達(dá)到精確定位,更缺少適用于煤礦井下的防爆儀器,所以國內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)與裝備很難滿足實時監(jiān)測裂隙發(fā)展的要求。

5 發(fā)展趨勢與研究方向

隨著煤礦開采深度日益加大,地應(yīng)力和瓦斯壓力都呈現(xiàn)出增大的趨勢,與之相關(guān)的動力災(zāi)害也日趨復(fù)雜和嚴(yán)重,對礦井安全生產(chǎn)的威脅越來越大。作為煤層卸壓、增透的重要手段,水力化煤層增透技術(shù)將面臨更大的需求與挑戰(zhàn),這要求科研人員勇于面對挑戰(zhàn),高水平的研究解決存在的難題,把水力化煤層增透技術(shù)不斷向前推進(jìn)。今后的研究工作應(yīng)著力于以下幾個方面。

5.1 基礎(chǔ)理論研究

數(shù)學(xué)方法、科學(xué)實驗和數(shù)值模擬是最常用、最有效的理論研究方法?？紤]到水射流破煤和水力致裂煤體過程的復(fù)雜性,僅依靠數(shù)學(xué)方法來實現(xiàn)對其真實物理過程的準(zhǔn)確揭示是不可能的。實驗是研究流體力學(xué)的基本方法,其結(jié)果真實可信,是數(shù)值模擬的基礎(chǔ),而數(shù)值模擬能研究難以開展的實驗,二者是相互聯(lián)系、相互促進(jìn)的。縱觀國內(nèi)外文獻(xiàn),針對水力化增透技術(shù)的機(jī)理,人們開展了大量的物理實驗及數(shù)值模擬工作,但筆者分析后發(fā)現(xiàn)：進(jìn)行物理實驗的一般沒有開展數(shù)值模擬,而開展數(shù)值模擬的往往沒有進(jìn)行物理實驗驗證,這些都阻礙了基礎(chǔ)理論的進(jìn)步。

實驗設(shè)備的改進(jìn)、實驗條件的完善、實驗技術(shù)水平的提高、大型商業(yè)化流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件的發(fā)展、計算機(jī)應(yīng)用和傳感器技術(shù)的進(jìn)步,為水力化增透機(jī)理的研究帶來了曙光。今后的研究,應(yīng)將物理實驗和數(shù)值模擬有機(jī)結(jié)合,通過高相似度、可重復(fù)性的實驗,給模擬提供更合理的邊界條件并驗證模擬的有效性,通過數(shù)值模擬獲得更全面的流場信息,優(yōu)化實驗方案,不斷將理論研究向前推進(jìn)。

對于水射流機(jī)理研究,應(yīng)在全面考慮圍壓、淹沒程度等試驗條件的情況下,充分利用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)手段來開展實驗,例如：采用高速攝像技術(shù)、平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)及粒子圖像測速技術(shù)等[51]非接觸式粒子探測技術(shù)開展水射流流速測定和流場分析,利用基于導(dǎo)電橡膠的打擊力分布測試系統(tǒng)等進(jìn)行水射流對煤的打擊力測試等等。在充分考慮煤的非均質(zhì)性和各向異性、力學(xué)性質(zhì)、孔隙率、滲透性、瓦斯的解吸作用等影響因素的情況下,建立其圍壓條件下氣、液、固三相耦合的數(shù)學(xué)模型,采用ANSYS,COMSOL等適合多物理場耦合模擬的軟件來開展數(shù)值模擬研究。

對于水力壓裂機(jī)理研究,應(yīng)將實驗室試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)代測量技術(shù)結(jié)合起來,才能真正實現(xiàn)由定性解釋向定量描述發(fā)展。應(yīng)綜合考慮煤的非均質(zhì)性和各向異性、孔隙和裂隙發(fā)育、滲透率低、煤對瓦斯的吸附作用等特征,建立一套模擬圍壓條件下的大型煤層水力壓裂物理模擬試驗平臺,采用微地震、聲發(fā)射和CT掃描等技術(shù)手段,監(jiān)測和分析水力裂縫擴(kuò)展的物理過程,采用示蹤劑觀察裂縫的延伸形態(tài),繪制出三維可視化的裂縫發(fā)育分布圖,并對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗證。建立能兼顧煤巖的非線性本構(gòu)和各向異性特征的數(shù)學(xué)模型,采用各向異性滲流分析與雙向流固氣耦合技術(shù),對具有節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的煤巖體進(jìn)行水力壓裂數(shù)值模擬。還應(yīng)綜合運用數(shù)值模擬、地球物理和參數(shù)敏感性分析與優(yōu)化等技術(shù),對數(shù)值模型的輸入?yún)?shù)進(jìn)行反演,以確定水力壓裂各種因素的重要性和合理參數(shù),形成對特定工程有效的水力壓裂預(yù)測模型。

5.2 水力化增透技術(shù)的集成化和多元化

如何充分發(fā)揮不同單項技術(shù)的長處并盡量克服其缺陷,是水力化煤層增透技術(shù)發(fā)展必然要面對和解決的問題,這就要求未來水力化煤層增透技術(shù)應(yīng)在不斷完善各單項技術(shù)的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)不同增透手段的集成化和多元化,形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

(1)定向壓裂技術(shù)。

首先,打措施鉆孔并在其周圍一定距離處打控制鉆孔,采用水射流在措施鉆孔內(nèi)對煤體割縫、割槽或徑向鉆孔,沖出大量煤并使縫、槽或徑向鉆孔周圍的局部煤體充分卸壓;然后,對措施鉆孔封孔后實施水力壓裂,預(yù)置的縫、割槽或徑向鉆孔既降低了起裂壓力,又能導(dǎo)控裂隙的擴(kuò)展方向;最后,水力裂縫擴(kuò)展至控制鉆孔處,并通過水流從控制鉆孔帶出大量煤屑,防止煤屑堵塞瓦斯抽采通道。該技術(shù)實現(xiàn)了水射流和水力壓裂技術(shù)的緊密結(jié)合,既汲取了水射流破煤局部卸壓充分和水力壓裂影響范圍大的優(yōu)點,又克服了水射流破煤增透范圍小和水力壓裂后局部出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)[42]的缺陷。

(2)重復(fù)壓裂技術(shù)。

隨著瓦斯抽采的進(jìn)行,常出現(xiàn)鉆孔周圍的裂隙在地應(yīng)力的作用下逐漸閉合現(xiàn)象,致使該鉆孔瓦斯抽采量急劇降低,這時就需要再次采取增透措施。重復(fù)壓裂就是在老孔中再次進(jìn)行水力壓裂,在煤層內(nèi)壓出新裂縫、繼續(xù)延伸原有裂縫或者在與原裂縫呈一定角度方向上造出新裂縫。該技術(shù)已在石油行業(yè)取得了不錯的效果,煤炭行業(yè)應(yīng)對其進(jìn)行借鑒和發(fā)展,實現(xiàn)老孔的修復(fù)增產(chǎn)。

(3)同步壓裂技術(shù)[18]。

美國在沃斯堡盆地Barnett頁巖氣開發(fā)中成功應(yīng)用了同步壓裂技術(shù),它采用更大的壓力對相鄰且平行的水平井交互作業(yè),促使水力裂縫在擴(kuò)展過程中相互作用,增加水壓裂縫的密度和范圍,從而增大改造體積,采用該技術(shù)的頁巖氣井短期內(nèi)增產(chǎn)效果非常明顯。相對于地面鉆孔而言,井下鉆孔具有長度短、更容易控制鉆孔方位、單孔成本低等明顯優(yōu)勢,因此有理由相信采用同步壓裂技術(shù)來增加煤層的透氣性有較好的應(yīng)用前景。

(4)定向水平長鉆孔分段壓裂技術(shù)。

目前,國內(nèi)鉆孔施工技術(shù)取得了長足發(fā)展,順煤層定向鉆進(jìn)的最大孔深已能達(dá)到1 000 m,形成了定向水平長鉆孔、梳狀鉆孔、井下多分枝鉆孔等多項技術(shù)與裝備,這給定向水平長鉆孔分段水力壓裂的實現(xiàn)提供了保障。定向水平長鉆孔分段壓裂技術(shù),就是仿效石油、頁巖氣等行業(yè)的水平井分段水力壓裂技術(shù),利用封隔器或其它材料段塞,在水平長鉆孔內(nèi)一次壓裂一個孔段,逐段逐次對水平長鉆孔進(jìn)行壓裂,以產(chǎn)生更復(fù)雜有效的裂縫網(wǎng)絡(luò)。在美國Arkoma盆地Woodford頁巖氣聚集帶的Tipton-1H-23井,經(jīng)過7段水力壓裂措施改造后,增產(chǎn)效果顯著[18]。定向水平長鉆孔分段壓裂技術(shù)適用于煤層硬度較大、鉆孔穩(wěn)定性好的煤層,該技術(shù)能大幅度延伸鉆孔的抽采范圍,是未來礦井瓦斯抽采的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(5)煤層頂、底板內(nèi)順巖層鉆孔壓裂技術(shù)。

對于極松軟的突出煤層,在打鉆期間常出現(xiàn)噴孔、夾鉆等現(xiàn)象,本煤層鉆孔施工非常困難。即使能施工鉆孔,鉆孔長度短、易塌孔等情況也時有發(fā)生。煤層頂、底板內(nèi)順巖層鉆孔壓裂技術(shù)是從地面或者井下施工定向鉆孔,使鉆孔的水平段位于煤層頂板或底板內(nèi)距目標(biāo)煤層一定距離處,通過在巖層內(nèi)實施水力壓裂,達(dá)到間接壓裂煤層的目的;也可以施工梳狀鉆孔,使鉆孔的水平段位于煤層頂板或者底板內(nèi),其分支鉆孔進(jìn)入煤層,再逐個對分支鉆孔進(jìn)行壓裂。煤層頂、底板內(nèi)順巖層鉆孔壓裂技術(shù)的提出,沖破了常規(guī)方法的束縛,為解決突出煤層壓裂難題提供了思路,具體實施工藝有待深入研究。

(6)地面壓裂與井下水平鉆孔聯(lián)合抽采技術(shù)[48]。

從地面施工鉆孔至已形成開拓巷道但尚未布置抽采鉆孔的區(qū)域。完井后進(jìn)行水力加砂壓裂,形成高滲透性壓裂影響區(qū)。隨后在井下巷道內(nèi)施工定向水平長鉆孔,使其影響區(qū)域與地面鉆孔壓裂影響區(qū)域溝通,實現(xiàn)對作用區(qū)域內(nèi)瓦斯的井上下立體化聯(lián)合抽采。該技術(shù)用于埋藏深度不大、透氣性中等的煤層,能取得較好的效果。

(7)高能氣體壓裂與水力壓裂聯(lián)作技術(shù)。

自國內(nèi)1985年開展研究以來,高能氣體壓裂技術(shù)已發(fā)展為一項基本成熟的油氣層改造增產(chǎn)技術(shù)。高能氣體壓裂與水力壓裂聯(lián)作技術(shù),是指首先對煤層鉆孔進(jìn)行高能氣體壓裂,使鉆孔周圍形成多條徑向裂縫,降低鉆孔周圍的應(yīng)力集中程度,提高與天然裂縫溝通的可能性;然后實施大規(guī)模的水力壓裂,促使煤層內(nèi)裂縫沿著已有的多條徑向裂縫充分延伸,并在當(dāng)裂縫末端沿與最小主應(yīng)力垂直方向發(fā)展。大慶油田所做的對比試驗[52]表明,采用高能氣體壓裂與水力壓裂聯(lián)作技術(shù)的油井比僅采用水力壓裂的能多增產(chǎn)35%。目前,煤炭行業(yè)已針對高壓空氣致裂爆破和CO2深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)開展了大量研究,而如何在煤礦井下安全、有效的實現(xiàn)高能氣體壓裂和水力壓裂的聯(lián)作增透,是今后亟需深入研究的課題。

5.3 增透裝備的系統(tǒng)化和智能化

作為水力化增透技術(shù)的實現(xiàn)手段,水射流和水力壓裂裝備在很大程度上決定了瓦斯抽采的效率和成本。對于煤礦井下用水射流和水力壓裂裝備,我國雖有一定的研制和應(yīng)用基礎(chǔ),但裝備的可靠性、安全性和實用性遠(yuǎn)不能滿足煤層增透技術(shù)發(fā)展的需要,亟需進(jìn)一步提升這些專用設(shè)備的性能和自主化水平,將實時監(jiān)測、動態(tài)模擬與預(yù)測、作業(yè)過程優(yōu)化、遠(yuǎn)程調(diào)控集成于一體,形成高度系統(tǒng)化、智能化的成套水力化增透裝備。

(1)水射流和水力壓裂成套裝備研發(fā)。

針對煤礦井下用高壓水泵存在的體積和質(zhì)量大、能耗高、對水質(zhì)要求高、故障率高、運輸和安裝不方便等缺陷,應(yīng)不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和外觀設(shè)計,優(yōu)先考慮采用變頻技術(shù)等先進(jìn)技術(shù),實現(xiàn)高壓水泵的小型化、安全和高效。對于高壓水射流部件,應(yīng)在改進(jìn)結(jié)構(gòu)、優(yōu)選材質(zhì)、提高加工精度和改善表面處理方法的基礎(chǔ)上,研制出打擊效率高且耐磨性好的水射流噴嘴、密封性能好且排渣效率高的水射流專用高壓鉆桿和轉(zhuǎn)速高、壽命長的高壓旋轉(zhuǎn)水尾。在水力壓裂方面要加強(qiáng)封孔(特別是煤層孔)裝備的研究,研制出封孔便捷、耐壓好、可回收的專用封孔器,并進(jìn)一步開展分段壓裂封孔裝備的研究。

為使水力化增透作業(yè)人員遠(yuǎn)離危險源,保障人身安全和作業(yè)過程安全可控,今后應(yīng)加大安全保障裝備的研究力度,使裝備除了能實現(xiàn)對高壓水系統(tǒng)和作業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制外,還要對水壓、流量、煤體開裂壓力、注水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測、記錄與分析,實現(xiàn)現(xiàn)場視頻、試驗數(shù)據(jù)的實時傳輸和存儲,并能自動生成數(shù)據(jù)表及相關(guān)曲線,實現(xiàn)異常情況自動斷電等功能,不但為增透技術(shù)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù),還能切實保障增透作業(yè)的安全、高效開展。

(2)增透效果預(yù)測、實時監(jiān)測及考察裝備。

目前,煤層增透效果監(jiān)測設(shè)備呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的局面,微震監(jiān)測系統(tǒng)、電磁輻射監(jiān)測儀[53]、聲發(fā)射(AE)監(jiān)測系統(tǒng)、放射性同位素探測儀等多種監(jiān)測設(shè)備被用于裂隙監(jiān)測和探測中。今后,應(yīng)通過對上述設(shè)備大量的應(yīng)用、比較分析與改進(jìn),針對不同的煤層賦存條件、不同的增透工藝,甄選和研制出最適宜的監(jiān)測方法、解釋方法和監(jiān)測設(shè)備。最終發(fā)展目標(biāo)是：能夠在獲取的大量物探和施工數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,充分利用數(shù)學(xué)和應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)的先進(jìn)成果,達(dá)到儀器設(shè)備的尖端化和智能化,實現(xiàn)解釋方法的三維可視化和對壓裂施工與壓后生產(chǎn)這兩個過程的全三維模擬,實現(xiàn)對裂縫的實時監(jiān)測分析與控制,逐步由同步監(jiān)測和后期檢測轉(zhuǎn)為前期預(yù)測統(tǒng)籌,形成一套真正的科學(xué)技術(shù)與裝備。

6 結(jié) 語

作為礦井瓦斯防治和煤層氣開發(fā)的重要配套技術(shù),水力化煤層增透技術(shù)適應(yīng)國家建立煤炭、煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)機(jī)制的要求,符合煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的需要,已成為煤礦防范瓦斯事故、提高瓦斯抽采率的關(guān)鍵技術(shù)手段,具有較好的應(yīng)用前景。該技術(shù)的持續(xù)、快速發(fā)展必將整體提升中國礦井瓦斯防治和煤層氣產(chǎn)業(yè)科技自主創(chuàng)新能力。前期國內(nèi)大量的研究和應(yīng)用,為技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支撐,隨著增透機(jī)理研究的不斷深入和裝備水平的不斷提高,水力化煤層增透技術(shù)體系將日趨完善,在未來的煤炭開采和煤層氣開發(fā)中將發(fā)揮更大的作用。

[1] 韓金軒,楊兆中,李小剛,等．我國煤層氣儲層壓裂現(xiàn)狀及其展望[J]．重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,14(3)：53-55．

Han Jinxuan,Yang Zhaozhong,Li Xiaogang,et al．Present situation and prospectives of CBM of our country[J]．Journal of Chongqing University of Science and Technology(Natural Sciences Edition), 2012,14(3)：53-55．

[2] 江懷友,李治平,鐘太賢,等．世界低滲透油氣田開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]．特種油氣藏,2009,16(4)：13-17．

Jiang Huaiyou,Li Zhiping,Zhong Taixian,et al．Current situation and prospects of development technology for low permeability oil and gas fields in the world[J]．Special Oil and Gas Reservoirs,2009,16 (4)：13-17．

[3] 靳曉明,郭睿智．高壓水射流技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)的應(yīng)用[J]．中國科技信息,2012(12)：163-164．

Jin Xiaoming,Guo Ruizhi．The application of high pressure water-jet technology in machinery manufacture[J]．China Science and Technology Information,2012(12)：163-164．

[4] 李全貴,翟 成,林柏泉,等．定向水力壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報,2011,31(6)：735-739．

Li Quangui,Zhai Cheng,Lin Baiquan,et al．Research and application of directional hydraulic fracturing technology[J]．Journal of Xi’an University of Science and Technology,2011,31(6)：735-739．

[5] 張志強(qiáng),李 寧,陳方方,等．非貫通裂隙巖體破壞模式研究現(xiàn)狀與思考[J]．巖土力學(xué),2009,30(S2)：142-148．

Zhang Zhiqiang,Li Ning,Chen Fangfang,et al．Review and status of research on failure mode of nonpenetrative fractured rock mass[J]．Rock and Soil Mechanics,2009,30(S2)：142-148．

[6] 易 俊,鮮學(xué)福,姜永東,等．煤儲層瓦斯激勵開采技術(shù)及其適應(yīng)性[J]．中國礦業(yè),2005,14(2)：26-29．

Yi Jun,Xian Xuefu,Jiang Yongdong,et al．The adaptability study and technologies of prompting exploitation in coal-bed methane seams[J]．China Mining Magazine,2005,14(2)：26-29．

[7] 李根生,黃中偉,張德斌,等．高壓水射流與化學(xué)劑復(fù)合解堵工藝的機(jī)理及應(yīng)用[J]．石油學(xué)報,2005,26(1)：96-99．

Li Gensheng,Huang Zhongwei,Zhang Debin,et al．Block-removing technus using high pressure water jets combined with acidization [J]．Acta Petrolei Sinica,2005,26(1)：96-99．

[8] Yew C H,Schmidt J H．On fracture design of deviated wells [J]．SPE 19722,1989．

[9] Manurer W C,Heilbecke J K,Love W W．High pressure drilling [J]．JPT,1973,255：960-964．

[10] Dickinson W,Anderson R R,Dickinson R W．The ultrashort-radius radial drilling system[Z]．SPE Drilling Engineering,September, 1989：247-254．

[11] Joneson V E Jr,Conn A F．Cavitating and structured jets for mechanical bits to increase drilling rate[J]．Journal of Energy Resources Technology,1984,106：282-288．

[12] 施連海,李永和,郭洪峰,等．高壓水射流徑向水平鉆井技術(shù)[J]．石油鉆探技術(shù),2001,29(5)：21-22．

Shi Lianhai,Li Yonghe,Guo Hongfeng,et al．Radial horizontal drilling techniques with high pressure water jet[J]．Petroleum Drilling Techniques,2001,29(5)：21-22．

[13] 李根生,沈忠厚,張召平,等．自振空化射流鉆頭噴嘴研制及現(xiàn)場試驗[J]．石油鉆探技術(shù),2003,31(5)：11-13．

Li Gensheng,Shen Zhonghou,Zhang Zhaoping,et al．Development and field tests of self-resonating cavitating water jet nozzle for oilwell drilling[J]．Petroleum Drilling Techniques,2003,31(5)：11-13．

[14] Giger F M．Horizontal wells production techniques in heterogeneous reservoirs[J]．SPE 13710,1985．

[15] 陳 作,王振鐸,曾華國．水平井分段壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]．天然氣工業(yè),2007,27(9)：78-80．

Chen Zuo,Wang Zhenduo,Zeng Huaguo．Status quo and prospect of staged fracturing technique in horizontal wells[J]．Natural Gas Industry,2007,27(9)：78-80．

[16] 劉春麗,張慶寬．Barnett頁巖對致密地層天然氣開發(fā)的啟示[J]．國外油田工程,2009,25(1)：14-16．

Liu Chunli,Zhang Qingkuan．The enlightenment to the development of gas in compacted strata by Barnett shale[J]．Foreign Oil Field Engineering,2009,25(1)：14-16．

[17] 刁 素,顏晉川,任 山,等．川西地區(qū)定向井壓裂工藝技術(shù)研究及應(yīng)用[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,31(1)： 111-115．

Diao Su,Yan Jinchuan,Ren Shan,et al．Research and application on hydraulic fracturing technology for directional wells in west Sichuan[J]．Journal of Southwest Petroleum University(Science& Technology Edition),2009,31(1)：111-115．

[18] 王冕冕,郭 肖,曹 鵬,等．影響頁巖氣開發(fā)因素及勘探開發(fā)技術(shù)展望[J]．特種油氣藏,2010,17(6)：12-17．

Wang Mianmian,Guo Xiao,Cao Peng,et al．Influence factors on shale gas development and prospect of its exploration and development technology[J]．Special Oil and Gas Reservoirs,2010,17(6)： 12-17．

[19] 周 健,陳 勉,金 衍,等．多裂縫儲層水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理試驗[J]．中國石油大學(xué)學(xué)報,2008,32(4)：51-54．

Zhou Jian,Chen Mian,Jin Yan,et al．Experiment of propagation mechanism of hydraulic fracture in multi-fracture reservoir[J]．Journal of China University of Petroleum,2008,32(4)：51-54．

[20] 張廣清,陳 勉,趙艷波．新井定向射孔轉(zhuǎn)向壓裂裂縫起裂與延伸機(jī)理研究[J]．石油學(xué)報,2008,29(1)：116-119．

Zhang Guangqing,Chen Mian,Zhao Yanbo．Study on initiation and propagation mechanism of fractures in oriented perforation of new wells[J]．Acta Petrolei Sinica,2008,29(1)：116-119．

[21] 李連崇,梁正召,李 根,等．水力壓裂裂縫穿層及扭轉(zhuǎn)擴(kuò)展的三維模擬分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(1)：3208-3215．

Li Lianchong,Liang Zhengzhao,Li Gen,et al．Three-dimensional numerical analysis of traversing and twisted fractures in hydraulic fracturing[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(1)：3208-3215．

[22] 李 雪,趙志紅,榮軍委．水力壓裂裂縫微地震監(jiān)測測試技術(shù)與應(yīng)用[J]．油氣井測試,2012,21(3)：43-45．

Li Xue,Zhao Zhihong,Rong Junwei．Micro-seismic monitoring test technology and application for hydraulic fracture[J]．Well Testing, 2012,21(3)：43-45．

[23] 吳世躍．煤層氣與煤層耦合運動理論及其應(yīng)用的研究——具有吸附作用的氣固耦合理論[D]．沈陽：東北大學(xué),2005．

Wu Shiyue．Research of methane-coalbed coupling movement theory and its application—gas-solid coupling movement theory with adsorption[D]．Shenyang：Northeastern University,2005．

[24] 劉明舉,孔留安,郝富昌,等．水力沖孔技術(shù)在嚴(yán)重突出煤層中的應(yīng)用[J]．煤炭學(xué)報,2005,30(4)：451-454．

Liu Mingju,Kong Liuan,Hao Fuchang,et al．Application of hydraulic flushing technology in serve outburst coal[J]．Journal of China Coal Society,2005,30(4)：451-454．

[25] 魏國營,郭中海,謝倫榮,等．煤巷掘進(jìn)水力掏槽防治煤與瓦斯突出技術(shù)[J]．煤炭學(xué)報,2007,32(2)：172-176．

Wei Guoying,Guo Zhonghai,Xie Lunrong,et al．Hydraulic slotting technology to prevent coal and gas outburst during heading excavation[J]．Journal of China Coal Society,2007,32(2)：172-176．

[26] 林柏泉,呂有廠,李寶玉,等．高壓磨料射流割縫技術(shù)及其在防突工程中的應(yīng)用[J]．煤炭學(xué)報,2007,32(9)：959-963．

Lin Baiquan,Lü Youchang,Li Baoyu,et al．High-pressure abrasive hydraulic cutting seam technology and its application in outbursts prevention[J]．Journal of China Coal Society,2007,32(9)：959-963．

[27] 唐建新,賈劍青,胡國忠,等．鉆孔中煤體割縫的高壓水射流裝置設(shè)計及試驗[J]．巖土力學(xué),2007,28(7)：1501-1504．

Tang Jianxin,Jia Jianqing,Hu Guozhong,et al．Design and experimentation of high-pressure water jet set applied to incising coal seam in boreholes[J]．Rock and Soil Mechanics,2007,28(7)： 1501-1504．

[28] 盧義玉,葛兆龍,李曉紅,等．自激振蕩脈沖水射流割縫新技術(shù)在逢春煤礦石門揭煤中的應(yīng)用研究[J]．重慶大學(xué)學(xué)報,2008, 31(S1)：98-100．

Lu Yiyu,Ge Zhaolong,Li Xiaohong,et al．Application investigation into uncovering rock cross-cut coal by self-excited oscillation pulsed water jet slotting in Fengchun Coal Mine[J]．Journal of Chongqing University,2008,31(S1)：98-100．

[29] 張 義,周衛(wèi)東,王瑞和,等．煤層水力自旋轉(zhuǎn)射流鉆頭設(shè)計[J]．天然氣工業(yè),2008,28(3)：61-63．

Zhang Yi,Zhou Weidong,Wang Ruihe,et al．Design on hydraulic self-revolving jet bits for CBM drilling[J]．Natural Gas Industry, 2008,28(3)：61-63．

[30] 王耀鋒．三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔與壓裂增透技術(shù)工藝參數(shù)研究[J]．煤礦安全,2012,43(7)：4-7．

Wang Yaofeng．Process parameters study on reaming and fracturing antireflection technology of three dimensional rotational water jetting [J]．Safety in Coal Mines,2012,43(7)：4-7．

[31] 徐幼平,林柏泉,朱傳杰,等．鉆割一體化水力割煤磨料動態(tài)特征及參數(shù)優(yōu)化[J]．采礦與安全工程學(xué)報,2011,28(4)：623-627．

Xu Youping,Lin Baiquan,Zhu Chuanjie,et al．The dynamic characteristic of abrasive and its parameter optimization based on the drilling-cutting integration of high-pressure abrasive water jet[J]．Journal of Mining&Safety Engineering,2011,28(4)：623-627．

[32] 林柏泉,孟 杰,寧 俊,等．含瓦斯煤體水力壓裂動態(tài)變化特征研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報,2012,29(1)：106-110．

Lin Baiquan,Meng Jie,Ning Jun,et al．Research on dynamic characteristics of hydraulic fracturing in coal body containing gas[J]．Journal of Mining&Safety Engineering,2012,29(1)：106-110．

[33] 劉建新,李志強(qiáng),李三好．煤巷掘進(jìn)工作面水力擠出措施防突機(jī)理[J]．煤炭學(xué)報,2006,31(2)：183-186．

Liu Jianxin,Li Zhiqiang,Li Sanhao．Protection against outburst mechanism of hydraulic extrusion measure in the front of coal road heading face[J]．Journal of China Coal Society,2006,31(2)： 183-186．

[34] 蘇現(xiàn)波,馬 耕,孫 平,等．地面煤層頂板順層水平壓裂井抽采瓦斯方法[P]．中國專利：CN102080526A,2011-06-01．

[35] 馬 耕,蘇現(xiàn)波,張明杰,等．煤層順層水力壓裂抽放瓦斯的方法[P]．中國專利：CN101963066A,2011-02-02．

[36] 李國旗,葉 青,李建新,等．煤層水力壓裂合理參數(shù)分析與工程實踐[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報,2010,20(12)：73-78．

Li Guoqi,Ye Qing,Li Jianxin,et al．Theoretical analysis and practical study on reasonable water pressure of hydro-fracturing technology[J]．China Safety Science Journal,2010,20(12)：73-78．

[37] 張景松．難以抽放煤層高壓脈動水力壓裂技術(shù)項目報告[R]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué),2009：57-58．

Zhang Jingsong．Difficult to draw on the coal seams intermixed high water to fracturing technical report[R]．Xuzhou：China University of Mining and Technology,2009：57-58．

[38] 翟 成,李賢忠,李全貴．煤層脈動水力壓裂卸壓增透技術(shù)研究與應(yīng)用[J]．煤炭學(xué)報,2011,36(12)：1996-2001．

Zhai Cheng,Li Xianzhong,Li Quangui．Research and application of coal seam pulse hydraulic fracturing technology[J]．Journal of China Coal Society,2011,36(12)：1996-2001．

[39] 王魁軍,富 向,曹垚林,等．穿層鉆孔水力壓裂疏松煤體瓦斯抽放方法[P]．中國專利：CN101581231,2009-11-18．

[40] 富 向．井下點式水力壓裂增透技術(shù)研究[J]．煤炭學(xué)報, 2011,36(8)：1317-1321．

Fu Xiang．Study of underground point hydraulic fracturing increased permeability technology[J]．Journal of China Coal Society, 2011,36(8)：1317-1321．

[41] 馮彥軍,康紅普．定向水力壓裂控制煤礦堅硬難垮頂板試驗[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(6)：1148-1155．

Feng Yanjun,Kang Hongpu．Test on hard and stable roof control by means of directional hydraulic fracturing in coal mine[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(6)： 1148-1155．

[42] 黃炳香,程慶迎,劉長友,等．煤巖體水力致裂理論及其工藝技術(shù)框架[J]．采礦與安全工程學(xué)報,2011,28(2)：167-173．

Huang Bingxiang,Cheng Qingying,Liu Changyou,et al．Hydraulic fracturing theory of coal-rock mass and its technical framework[J]．Journal of Mining&Safety Engineering,2011,28(2)：167-173．

[43] 王耀鋒,李艷增．預(yù)置導(dǎo)向槽定向水力壓穿增透技術(shù)及應(yīng)用[J]．煤炭學(xué)報,2012,37(8)：1326-1331．

Wang Yaofeng,Li Yanzeng．The technology and application of directional hydraulic penetration permeability improvement by guided groove[J]．Journal of China Coal Society,2012,37(8)：1326-1331．

[44] 劉 勇,盧義玉,魏建平,等．降低井下煤層壓裂起裂壓力方法研究[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報,2013,23(9)：96-100．

Liu Yong,Lu Yiyu,Wei Jianping,et al．A novel method for decreasing coal seam fracture initiation pressure[J]．China Safety Science Journal,2013,23(9)：96-100．

[45] 葉建平,吳建光．沁水盆地南部煤層氣開發(fā)示范工程潘河先導(dǎo)性試驗項目的進(jìn)展和啟示[A]．2006年煤層氣學(xué)術(shù)研討會論文集[C]．北京：地質(zhì)出版社,2006：47-51．

Ye Jianping,Wu Jianguang．Progress and inspiration of Panhe pilot project of CBM demonstration engineering in south Qinshui Basin [A]．Proceedings of the Symposium on CBM/CMM[C]．Beijing： Geological Publishing House,2006：47-51．

[46] 許耀波．液氮輔助水力壓裂技術(shù)在構(gòu)造煤儲層煤層氣增產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J]．中國煤層氣,2012,9(4)：29-31．

Xu Yaobo．Study on application of liquid nitrogen injection assisted hydro-fracturing technique to enhanced production of structural coal reservoir[J]．China Coalbed Methane,2012,9(4)：29-31．

[47] 劉 曉．井下鉆孔重復(fù)水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研究[J]．煤炭工程, 2013(1)：40-42．

Liu Xiao．Study on application of repeated hydraulic fracturing technology to borehole in underground mine[J]．Coal Engineering, 2013(1)：40-42．

[48] 王保玉,田永東,白建平,等．地面壓裂井下水平鉆孔抽放煤層氣方法[P]．中國專利：CN102493831A,2012-06-13．

[49] 林柏泉,楊 威,郝志勇,等．一種區(qū)域瓦斯治理鉆爆壓抽一體化防突方法[P]．中國專利：CN101666241,2010-03-10．

[50] 李士斌,李 磊,張立剛．清水壓裂多場耦合下裂縫擴(kuò)展規(guī)律數(shù)值模擬分析[J]．石油化工高等學(xué)校學(xué)報,2014,27(1)：42-47．

Li Shibin,Li Lei,Zhang Ligang．The numerical simulation analysis of crack propagation law under riverfrac tretment multi-field coupling[J]．Journal of Petrochemical Universities,2014,27(1)：42-47．

[51] 盧綺玲,陳 剛．多孔紊動射流的數(shù)值模擬與實驗研究進(jìn)展[J]．水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(1)：137-146．

Lu Qiling,Chen Gang．Development in numerical and experimental study of the multiple jets[J]．Advances in Water Science,2008,19 (1)：137-146．

[52] 石崇兵,李傳樂．高能氣體壓裂技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]．西安石油學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,15(5)：17-20．

Shi Chongbing,Li Chuanle．Development tendency of high energy gas fracturing(HEGF)technique[J]．Journal of Xi’an Petroleum Insitute(Natural Science Edition),2000,15(5)：17-20．

[53] 王恩元,何學(xué)秋,竇林名,等．煤礦采掘過程中煤巖體電磁輻射特征及應(yīng)用[J]．地球物理學(xué)報,2005,48(1)：216-221．

Wang Enyuan,He Xueqiu,Dou Linming,et al．Electromagnetic radiation characteristics of coal and rocks during excavation in coal mine and their application[J]．Chinese Journal of Geophysics, 2005,48(1)：216-221．

Research progress and development tendency of the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams

WANG Yao-feng1,2,HE Xue-qiu1,3,WANG En-yuan1,LI Yan-zeng2

(1.School of Safety and Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.State Key Laboratory of Coal Safety,CCTEG Shenyang Research Institute,Shenyang 110016,China;3.North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China)

Taking measures to increase the permeability of coal seams is the key to solve the gas extraction problem in low permeability coal seams．The structure transform of coal-rock mass is the core issue for increasing the permeability of coal seams,while the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams is an effective method to transform the coal-rock structure．On the basis of previous studies and literature review,authors overviews the development of high pressure water jet technology and hydraulic fracturing technology,summarizes the research progress of the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams．Through analyzing the issues in theoretical research and engineering application,the authors found that many factors restrict the wide application of hydraulic technology, for instance,the mechanism of increasing permeability has not been revealed objectively,the single technology for increasing the permeability of coal seams has some limitations,the auxiliary equipments,especially safety guarantee system,is not perfect,the effect investigation system is not robust,etc．The authors outline the general development tendency and suggest that the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams is moving toward integra-tion,diversification and intelligence．The major research direction in the future is to strengthen theoretical research,improve the auxiliary equipment,develop the directional hydraulic fracturing and other new technologies,and make robust effect investigation system,etc．

hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams;high pressure water jet technology;hydraulic fracturing technology

TD712

A

0253-9993(2014)10-1945-11

2014-06-09 責(zé)任編輯：畢永華

“十二五”國家科技重大專項資助項目(2011ZX05041-003);“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B01)

王耀鋒(1972—),男,河北辛集人,研究員,博士研究生。E-mail：wangyaof2008@126．com。通訊作者：李艷增(1982—),男,河北武強(qiáng)人,助理研究員,碩士。E-mail：lyz3144@163．com

王耀鋒,何學(xué)秋,王恩元,等．水力化煤層增透技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J]．煤炭學(xué)報,2014,39(10)：1945-1955．

10．13225/j．cnki．jccs．2014．0760

Wang Yaofeng,He Xueqiu,Wang Enyuan,et al．Research progress and development tendency of the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1945-1955．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2014．0760