水力化技術(shù)防治煤與瓦斯突出研究現(xiàn)狀及展望

曹垚林

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

煤炭是我國的主體能源和重要的工業(yè)原料。目 前全國共有煤礦5 695 處，其中煤與瓦斯突出煤礦757 處，高瓦斯煤礦1 024 處[1]，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占比較高，使得煤礦安全形式十分嚴(yán)峻。我國煤層的普遍具有煤質(zhì)松軟、透氣性差、瓦斯含量高、地應(yīng)力大等特點(diǎn)，并且隨著煤礦開采深度的不斷增加，瓦斯壓力和地應(yīng)力將繼續(xù)增大，煤層滲透率將進(jìn)一步降低，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性將持續(xù)增加，防治煤與瓦斯突出的難度增大。對(duì)于突出礦井而言，經(jīng)區(qū)域預(yù)測為突出危險(xiǎn)區(qū)的煤層必須采取區(qū)域防突措施并進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)。而《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中明確：區(qū)域防突措施包括開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯2 類。而不具備開采保護(hù)層條件的和保護(hù)層開采保護(hù)范圍外的突出危險(xiǎn)區(qū)的煤層必須采用預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施并進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)。突出煤層透氣性差導(dǎo)致常規(guī)的鉆孔預(yù)抽很難達(dá)到消突效果。常用的卸壓增透技術(shù)措施包括水力壓裂、水力沖孔、水力割縫、松動(dòng)爆破、深孔預(yù)裂爆破等技術(shù)，按照作用機(jī)理可分為為機(jī)械力、爆破力和水力，而機(jī)械力措施和爆破力措施操作復(fù)雜、易產(chǎn)生火花且卸壓范圍有限，應(yīng)用范圍較?。凰胧┬Ч黠@、效果持續(xù)時(shí)間長，安全性較好，近年來國內(nèi)科研單位和煤礦企業(yè)對(duì)水力化卸壓增透措施的研發(fā)和應(yīng)用處于蓬勃發(fā)展階段。基于此，結(jié)合煤與瓦斯突出機(jī)理，回顧了水力化卸壓增透措施的發(fā)展歷程，簡要介紹水力化卸壓增透措施的作用機(jī)理、工藝及適用條件，分析了水力化卸壓增透措施存在的問題，并對(duì)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 煤與瓦斯突出機(jī)理研究進(jìn)展

煤與瓦斯突出的過程包括準(zhǔn)備、激發(fā)、發(fā)展和終止4 個(gè)階段，煤與瓦斯突出機(jī)理是指導(dǎo)制定防治瓦斯突出技術(shù)措施的前提，大量地國內(nèi)外科研人員對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理開展了大量的研究和大膽假設(shè)[2-3]，形成了單因素假說、綜合假說、現(xiàn)代假說及其他假說。

2 水力化技術(shù)防治煤與瓦斯突出研究現(xiàn)狀

針對(duì)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層，水力化措施是防治煤與瓦斯突出的有效途徑，通過改變煤巖體中的瓦斯和地應(yīng)力等煤與瓦斯突出影響因素來實(shí)現(xiàn)防治煤與瓦斯突出。例如可以通過煤層注水增加煤體含水率，改變煤的力學(xué)性質(zhì)，改變煤體的壓力分布狀態(tài)；水力割縫、水力沖孔可以破碎煤體并經(jīng)鉆孔排出，擴(kuò)大鉆孔直徑，鉆孔周圍煤體向鉆孔中心方向移動(dòng)，改變鉆孔周圍應(yīng)力狀態(tài)，使鉆孔周圍卸壓范圍增大，擴(kuò)展、連通煤層內(nèi)裂隙通道，促進(jìn)煤層瓦斯解吸滲流，提高煤層瓦斯抽采效果；水力壓裂可以形成若干宏觀裂隙和分支裂隙，使得應(yīng)力重新分布，提高煤層含水率，同時(shí)為煤層瓦斯解吸滲流提供通道，從而消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

2.1 單項(xiàng)水力化卸壓增透技術(shù)措施

2.1.1 煤層注水防治煤與瓦斯突出技術(shù)

煤層注水防止煤與瓦斯突出最早在20 世紀(jì)30年代前蘇聯(lián)煤礦使用，20 世紀(jì)60 年代，我國煤炭科學(xué)研究院撫順分院、北票礦務(wù)局合作采用煤層注水取得了較好的煤與瓦斯突出防治效果[10]。目前已經(jīng)大量應(yīng)用于國內(nèi)外現(xiàn)場實(shí)踐，并作為我國采煤工作面的局部防突措施寫入《防治煤和瓦斯突出細(xì)則》。由于煤與瓦斯突出機(jī)理尚無突破，煤層注水防治煤與瓦斯突出的機(jī)理主要集中在煤巖體力學(xué)性質(zhì)軟塑化導(dǎo)致煤巖體應(yīng)力環(huán)境改變和煤體濕潤吸水對(duì)瓦斯解吸的封堵效應(yīng)。秦文貴、張延松[11]認(rèn)為煤層注水的實(shí)際意義是溝通煤體內(nèi)的孔隙；蔣承林[12]基于煤與瓦斯突出的球殼理論，認(rèn)為煤層注水主要是破化了球殼密封性使得瓦斯提前釋放；王兆豐等[13]、劉明舉等[14]認(rèn)為是煤層注水能增大突出阻力，減小突出能量；大量現(xiàn)場實(shí)踐表明煤層注水有效減少了采掘期間的瓦斯涌出量，印證了瓦斯封堵效應(yīng)。

由于靜壓注水一般不會(huì)改變煤體的結(jié)構(gòu)，且注水范圍十分有限，鉆孔工程量大。高壓注水可以提高煤層注水范圍，但過高壓力會(huì)造成煤體內(nèi)能量攀升導(dǎo)致煤巖體應(yīng)力及瓦斯壓力升高且在煤體內(nèi)無法精確控制，存在誘導(dǎo)突出的風(fēng)險(xiǎn)。脈動(dòng)注水利用注水壓力短時(shí)間內(nèi)的循環(huán)升降使煤體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，增大注水范圍的同時(shí)降低注水能量，但對(duì)設(shè)備和工藝的要求較高。由于水力壓裂等水力化措施對(duì)煤層結(jié)構(gòu)改變等優(yōu)點(diǎn)，煤層注水已有與其它水力化措施融合發(fā)展的趨勢。

2.1.2 水力壓裂防治煤與瓦斯突出技術(shù)

水力壓裂首先應(yīng)用于油氣開發(fā)，1965 年煤炭科學(xué)研究總院撫順分院將該技術(shù)引入煤礦開采領(lǐng)域，其原理是采用水壓致裂改變煤巖體結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)來增加煤層透氣性從而強(qiáng)化瓦斯抽采，以此來防治煤與瓦斯突出。由于構(gòu)造及構(gòu)造應(yīng)力的存在，煤與瓦斯突出具有很大的不確定性，目前的突出危險(xiǎn)性是根據(jù)瓦斯動(dòng)力事故/現(xiàn)象或突出經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)來鑒定，突出機(jī)理尚未完全掌握，過大能量的水力壓裂對(duì)煤巖體應(yīng)力擾動(dòng)及結(jié)構(gòu)改變是否會(huì)誘導(dǎo)突出尚有待進(jìn)一步觀察確認(rèn)，因此目前水力壓裂防治煤與瓦斯突出多用穿層鉆孔進(jìn)行。

第4年 英文學(xué)、歐美史學(xué)、哲學(xué)、政學(xué)及列國交際法[注]東京大學(xué)百年史編集委員會(huì)編：《東京大學(xué)百年史》部局史1，東京：東京大學(xué)出版會(huì)，1986年，第414頁。

具體根據(jù)煤層埋藏深度預(yù)壓裂控制范圍選擇地面壓裂或井下壓裂。井下壓裂防突技術(shù)研究主要集中在松軟低透煤層增透[15-16]技術(shù)及工藝方面，研究手段有理論分析[17]、數(shù)值模擬[18]、現(xiàn)場實(shí)踐[19-20]等，得出了積極的結(jié)論。井下壓裂靈活性強(qiáng)，但是受到井下作業(yè)空間的限制及高壓對(duì)井下作業(yè)空間的生產(chǎn)影響，對(duì)壓裂設(shè)備及工藝的要求更高。地面鉆孔壓裂脫胎于石油及頁巖氣巖層增滲提產(chǎn)，其裝備及工藝相對(duì)成熟，也取得了很好的瓦斯抽采效果[21-22]，但施工成本高。由于煤體是典型的雙重孔隙結(jié)構(gòu)，相較于油氣儲(chǔ)層，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部應(yīng)力環(huán)境差異很大，壓裂效果受構(gòu)造及煤層原生裂隙影響很大，壓裂效果不盡相同；且壓裂方向不確定問題難以解決，存在很大的壓裂空白帶和應(yīng)力集中帶，因此，單純的地面井壓裂防治煤與瓦斯突出控制技術(shù)仍需深入研究[23]。

2.1.3 水力割縫防治煤與瓦斯突出技術(shù)

水力割縫技術(shù)通過高壓水射流切割破碎煤巖體，增大鉆孔自由面，促使煤體大范圍快速卸壓，從而提高煤層透氣性和減小煤層內(nèi)部壓力，以達(dá)到防治煤與瓦斯突出的目的，適用于煤層較厚、瓦斯含量大、煤體碎軟及低滲的煤層。

20 世紀(jì)70 年代鶴壁六礦、四礦等水采礦井進(jìn)行過大量試驗(yàn)[24]，取得了較好效果。目前，水射流割縫破煤割縫過程中縫槽擴(kuò)展的時(shí)空演化機(jī)理尚未得到揭示，射流參數(shù)與煤體的切割深度、增透量化關(guān)系等方面存在空白[25]，現(xiàn)場應(yīng)用的參數(shù)選擇大多依賴以往經(jīng)驗(yàn)，工藝技術(shù)的完善進(jìn)步缺乏必要的理論指導(dǎo)。低壓力、大流量的純水射流切割方法最為常見，應(yīng)用時(shí)容易造成工作面積水；同時(shí)，在深部高瓦斯低透煤層條件下鉆孔割縫作業(yè)時(shí)容易引發(fā)塌孔，造成鉆孔堵塞、排渣困難等影響成孔長度、消突效果的問題，且需要解決排水、排渣、抽采塌孔問題。近年來重慶研究院研發(fā)出超高壓研制出工作壓力達(dá)100 MPa 的超高壓水力割縫成套裝置[26]，實(shí)現(xiàn)了超高壓狀態(tài)下不退出鉆桿的鉆割一體化工藝和遠(yuǎn)程操作功能，割縫鉆孔平均單刀出煤量為0.32 t，等效割縫半徑達(dá)1.51～2.08 m，割縫后鉆孔瓦斯抽采濃度同比提高了1.44 倍，瓦斯抽采純流量提高了3 倍，有效抽采半徑為對(duì)比普通鉆孔的3.6 倍，鉆孔施工時(shí)間縮短約30%，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短40%左右。應(yīng)用表明，采用超高壓水力割縫增透技術(shù)后，煤層的透氣性明顯改善，達(dá)到了快速卸壓增透的目的。

2.1.4 水力沖孔造穴防治煤與瓦斯突出技術(shù)

水力沖孔是以保護(hù)煤巖巖柱或煤柱作為安全屏障，向利用高壓水沖擊、破壞有自噴能力的突出煤層施工鉆孔，并在孔內(nèi)利用高壓水沖擊、破壞鉆孔周圍煤體，誘導(dǎo)和控制噴孔，形成空洞，周圍煤體在地應(yīng)力和瓦斯壓力作用下發(fā)生徑向位移，鉆孔周邊應(yīng)力重新并產(chǎn)生裂隙，增加煤層透氣性，通過抽采有效降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量；同時(shí)鉆孔周圍煤體濕潤，降低煤體彈性，增加煤體塑性，增大工作面超前卸壓帶長度，進(jìn)而降低煤層突出潛能，達(dá)到防治煤與瓦斯突出的目的。

我國是世界上主要采煤國家中研究和應(yīng)用水力沖孔技術(shù)較早的國家之一，1958 年，重慶煤科院、重慶南桐礦務(wù)局共同進(jìn)行了水力沖孔研究，并在重慶南桐礦務(wù)局魚田堡礦取得水力沖孔試驗(yàn)成功[27]。此后水力沖孔措施在南桐、焦作等礦區(qū)得到推廣應(yīng)用，應(yīng)用表明煤質(zhì)是影響水力沖孔效果的諸多因素中最主要的因素。2010 年，魏建平等[28]、劉明舉等[29]在淮南多地煤礦等地進(jìn)行水力沖孔試驗(yàn)，試驗(yàn)表明淮南礦區(qū)的得出了水為沖孔最佳的破煤壓力、水力沖孔和有效影響范圍。2012 年，彭偉[30]在總結(jié)現(xiàn)有水力沖孔增透技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)水力沖孔水射流動(dòng)力特性、影響水射流破煤因素、一些常見的煤體破壞準(zhǔn)則和水射流破煤機(jī)理等方面做了進(jìn)一步的進(jìn)行了分析和歸納，一致認(rèn)為水力沖孔使煤層得到充分卸壓，促進(jìn)瓦斯解吸和排放。沖孔裝備和工藝尚需進(jìn)一步研究以提高其集成性和易用性。

2.1.5 可控沖擊波增透防治煤與瓦斯突出技術(shù)

瓦斯是煤與瓦斯突出的動(dòng)力來源，抽采突出煤層瓦斯可實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出防治的目的。西安交通大學(xué)張永民等[31]以電脈沖沖擊波為動(dòng)力源，以清水為介質(zhì)耦合到煤層，破壞煤體結(jié)構(gòu)、提高煤層透氣性、降低煤層應(yīng)力并促進(jìn)瓦斯解吸，以此防治煤與瓦斯突出。其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是精細(xì)、均衡、可控，在保德煤礦和中井煤礦等企業(yè)應(yīng)用，鉆孔工程量節(jié)約80%、瓦斯抽采量提高11 倍、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短61%。

2.2 復(fù)合水力化防治煤與瓦斯突出防治措施

單一的水力化煤與瓦斯突出防治技術(shù)特點(diǎn)明顯，各有其針對(duì)性和適用性。由于煤礦井下條件復(fù)雜限制了部分水力化措施的使用，如煤層注水對(duì)低滲透煤層效果有限，水力壓裂難以在高應(yīng)力粉碎煤中產(chǎn)生長久裂隙；且不同的水力化措施在工藝和設(shè)備方面存在共性，如注水泵和高壓膠管等，因此催生了復(fù)合水力化煤與瓦斯突出防治技術(shù)。

1）“鉆-沖-割”耦合卸壓防突措施技術(shù)。針對(duì)在以往的工作實(shí)踐中，水力沖孔和水力割縫均表現(xiàn)出具有局限性，在此基礎(chǔ)上，高亞斌等[32]提出了一種“鉆-沖-割”耦合卸壓防突技術(shù)，結(jié)合水力沖孔和水力割縫的技術(shù)優(yōu)勢，將該技術(shù)應(yīng)用于穿層鉆孔施工中，以“低壓鉆進(jìn)-中壓沖孔-高壓割縫”的耦合形式將沖孔與割縫相結(jié)合，提高卸壓范圍；同時(shí)根據(jù)不同的現(xiàn)場施工條件和煤層賦存條件，將普通鉆孔與卸壓鉆孔的施工布置方式進(jìn)行優(yōu)化，使不同鉆孔之間功能配合更加趨于合理化，效果達(dá)到最優(yōu)。并利用FLAC3D進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：采用“鉆-沖-割”耦合卸壓后，鉆孔周圍的煤體的受到擾動(dòng)范圍和程度均明顯增加，卸壓范圍明顯增大，塑性區(qū)明顯增大，瓦斯流動(dòng)通道增多，有效防治了煤與瓦斯突出。在現(xiàn)場試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果表明：“鉆-沖-割”耦合卸壓防突技術(shù)可以有效優(yōu)化鉆孔施工布置方式，穿層鉆孔數(shù)量減少約32.5%，鉆孔施工總長度減少42.9%，在區(qū)域驗(yàn)證達(dá)標(biāo)后，掘進(jìn)工作面可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)尺，顯著提升了掘進(jìn)速度，同事提高卸壓增透效果。

2）“鉆-割-壓-抽”綜合防突措施。在實(shí)際工作中出現(xiàn)的煤層構(gòu)造復(fù)雜、質(zhì)地松軟等原因，傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)會(huì)造成水力壓裂方向并不容易控制，水力壓裂效果大打折扣，影響目標(biāo)煤層整體的增透效果。針對(duì)上述所產(chǎn)生的相關(guān)實(shí)際工程問題，王耀鋒等[16，33]提出了一種新型的“導(dǎo)向槽定向水力壓裂”技術(shù)。該技術(shù)通過射流深穿透射孔技術(shù)或水力割縫技術(shù)在煤體中預(yù)先形成導(dǎo)向槽，控制水力壓穿的方向，使鉆孔之間的煤體形成裂隙網(wǎng)，達(dá)到可觀的增透效果。技術(shù)可以總結(jié)為4 步：鉆-割-壓-抽。首先，按照設(shè)計(jì)在煤體中施工鉆孔；然后利用預(yù)置導(dǎo)向槽進(jìn)行割縫；再用高壓水流對(duì)煤體進(jìn)行壓裂；最后連接瓦斯抽放管路進(jìn)行瓦斯抽采。利用數(shù)值模擬方法確定中心鉆孔為常規(guī)孔、周邊孔為擴(kuò)孔且中心孔周邊孔同時(shí)進(jìn)行壓裂的施工方案效果最好。該技術(shù)在河南演馬莊礦進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，鉆孔壓穿數(shù)量高達(dá)65%，單個(gè)鉆孔的水力壓裂增透有效影響范圍提高1 倍，施工后鉆孔的瓦斯抽采濃度提高了1.27 倍，平均百米鉆孔瓦斯抽采流量提高了2.67 倍，使預(yù)抽時(shí)間縮短了22%。在山西屯蘭煤礦開展工業(yè)性應(yīng)用表明：高壓水射流能夠預(yù)置直徑555～696 mm 的導(dǎo)向槽，瓦斯?jié)舛缺葌鹘y(tǒng)鉆孔提升了1.34 倍，瓦斯抽采量對(duì)比傳統(tǒng)鉆孔提升了2.79 倍，措施效果檢驗(yàn)合格，確保煤巷順利掘進(jìn)。

3）“壓-鉆-沖”一體化綜合防突技術(shù)。作為區(qū)域化煤層防突增透技術(shù)，水力壓裂影響范圍大、增透效果好，但由于煤層地質(zhì)條件的影響，裂縫方向不易控制，裂縫發(fā)育不均勻，局部區(qū)域存在壓裂不充分現(xiàn)象，而在壓裂鉆孔影響范圍邊界又容易形成瓦斯富集和應(yīng)力集中區(qū)[34]。為解決這一問題，沈陽研究院提出了“壓-鉆-沖”一體化技術(shù)，結(jié)合了保壓水力壓裂、徑向回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、大直徑分級(jí)沖孔造穴3 技術(shù)，在保壓水力壓裂基礎(chǔ)上通過徑向回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在煤層中形成“十”字型通道增加煤體暴露面積，再通過大直徑分級(jí)沖孔造穴裝置將鉆孔周圍的煤體分多次大量沖出，形成直徑可達(dá)1.8 m 的球型孔洞，大幅度地釋放了煤層中的彈性潛能和瓦斯的膨脹能[35]，解決瓦斯富集和應(yīng)力集中區(qū)的問題?！皦?鉆-沖”一體化綜合防突技術(shù)在沈陽焦煤股份有公司開展了現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，“壓-鉆-沖”一體化單元平均單孔瓦斯抽采量較常規(guī)抽采鉆孔提高了4.07 倍，鉆孔抽采濃度提高了1.64 倍，抽采效果優(yōu)勢明顯，抽采鉆孔施工量減少40.1%；效果檢驗(yàn)中突出危險(xiǎn)次數(shù)相較水力壓裂區(qū)段減少了93.6%，掘進(jìn)速度提高了128.6%，“壓-鉆-沖”一體化措施增透防突效果顯著，為深部突出煤層水力化防突增透提供了新的思路。

4）基于保壓水力壓裂的超聲增透防突技術(shù)。超聲波卸壓增透技術(shù)作為近年來新興的卸壓增透措施，其作用原理是超聲波的機(jī)械振動(dòng)作用使煤巖骨架及顆粒相互摩擦和松動(dòng)產(chǎn)生微裂隙，同時(shí)液體中微小氣泡核在超聲場的作用下空化，沖破裂煤體，從而提高煤體滲透性能[36]。在超聲波致裂煤體過程中水分起著重要作用，水為超聲波提供了足夠的空化核，空化核的快速膨脹收縮和潰滅可以對(duì)煤體內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊波，形成新的孔隙并增加煤體內(nèi)壁的連通性，提高煤體滲透性。實(shí)驗(yàn)表明，超聲波激勵(lì)實(shí)驗(yàn)中高含水率的煤樣新產(chǎn)生的孔隙更多，致裂效果更明顯[37]。基于此，沈陽研究院提出了基于保壓水力壓裂的超聲增透防突技術(shù)。其工藝流程為：采取保壓水力壓裂措施后對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采，當(dāng)鉆孔瓦斯抽采量明顯下降時(shí)，在水力壓裂影響范圍內(nèi)施工超聲波增透鉆孔，在孔內(nèi)送入超聲波換能器和注水管路并封孔注水，后利用大功率超聲波進(jìn)行周期性激勵(lì)作業(yè)，改善周圍煤體透氣性狀況，提高瓦斯抽采量。該技術(shù)在紅陽二礦進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，增透時(shí)間為20 h，抽采濃度由增透前的3.8%提高至6.16%，比值為1.62 倍；在增透后0～24 h、增透后24～50 h內(nèi)濃度基本穩(wěn)定在6%左右。抽采純量由0.077 3 m3/min 提高至0.167 1 m3/min，比值為2.16 倍。

3 水力化防治煤與瓦斯突出措施存在不足及展望

3.1 現(xiàn)有研究存在的不足

歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的研究，我國水力化卸壓增透技術(shù)的研究和應(yīng)用取得諸多有益進(jìn)展。由于煤與瓦斯突出機(jī)理不明、煤礦進(jìn)入深部開采造成煤層瓦斯賦存地質(zhì)條件更加復(fù)雜、煤巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化，突出礦井的開采方式及區(qū)域防突措施各異，以及礦井智能化開采的蓬勃發(fā)展，造成國內(nèi)現(xiàn)有的水力化卸壓增透技術(shù)和裝備在工程應(yīng)用中還存在諸多需要改進(jìn)完善的的地方。

1）煤與瓦斯突出機(jī)理仍然有待進(jìn)一步深入研究。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理的研究取得了豐碩的研究成果，但大多是在綜合假說的基礎(chǔ)上簡化分析得到的，突出發(fā)生的條件、影響因素和發(fā)生、發(fā)展、演化過程仍需要深入研究。已有研究將煤的物理力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力、瓦斯、溫度等和突出條件割裂為多個(gè)因素未進(jìn)行系統(tǒng)研究，導(dǎo)致各因素在煤與瓦斯突出中的作用闡述不清。深部的煤巖力學(xué)性質(zhì)、破壞形式以及瓦斯賦存運(yùn)移規(guī)律發(fā)生重大改變，造成研究成果主要為定性描述煤與瓦斯突出現(xiàn)象，不能確定主要影響因素及具體量化各因素的權(quán)重，影響防治煤與瓦斯突出措施的針對(duì)性和有效性。

2）深部煤巖體動(dòng)力災(zāi)害孕育條件發(fā)生變化。進(jìn)入深部開采后，突出煤層及圍巖的物理性質(zhì)、應(yīng)力條件、瓦斯賦存等發(fā)生顯著改變，圍巖應(yīng)力增大，煤巖體也經(jīng)歷了彈性變形破壞、脆塑性轉(zhuǎn)變和大面積屈服等階段，具有變形大和強(qiáng)流變性的特點(diǎn)，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力增加，開采覆巖擾動(dòng)范圍及動(dòng)靜載荷顯著增大且呈突發(fā)性，煤與瓦斯突出災(zāi)害、沖擊地壓并存，甚至治理過程中出現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化。極高的地應(yīng)力水平、瓦斯和突出煤體將導(dǎo)致深部圍巖大范圍塑性破壞并伴隨大量級(jí)、大規(guī)模的強(qiáng)烈動(dòng)力失穩(wěn)，現(xiàn)有的防突技術(shù)措施已難以適用。

3）現(xiàn)有卸壓增透措施難以滿足智能化開采的要求。我國煤礦開采作業(yè)環(huán)境惡劣和開采條件危險(xiǎn)，導(dǎo)致煤炭開采對(duì)機(jī)器替代人有天然的渴求。隨著數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)、先進(jìn)制造裝備技術(shù)與煤炭開采的深度融合，使得煤礦實(shí)現(xiàn)智能化無人開采成為可能。2014 年以來，我國在薄煤層、中厚煤層、大采高及特厚煤層綜放智能化開采技術(shù)與裝備等方面取得了多項(xiàng)成果，但對(duì)于突出煤層而言，瓦斯治理仍需要煤礦工人井下打鉆施工，煤層卸壓增透措施需要煤礦工人近距離實(shí)際操作或者遠(yuǎn)程操作，卸壓增透措施達(dá)到智能化開采需要時(shí)間長，不能滿足智慧礦山和智能化開采的需求。

4）現(xiàn)有水力化卸壓增透措施工程量大，瓦斯治理時(shí)間長。目前的綜合水力化防突措施工程量巨大，施工工期長，需要充足的瓦斯治理時(shí)間；不同水力化措施都有各自的局限性，例如水力壓裂作用范圍大，但產(chǎn)生的裂隙仍較小，沖、割等技術(shù)增大了局部煤體孔隙、裂隙，但增大的范圍仍顯不足；缺乏水力化措施效果實(shí)時(shí)評(píng)估和評(píng)價(jià)手段，特別是水力壓裂的壓裂影響范圍的邊界仍缺乏有效手段進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

3.2 水力化防治煤與瓦斯突出措施展望

1）進(jìn)一步開展煤與瓦斯突出機(jī)理研究。進(jìn)一步研究突出發(fā)生的條件、影響因素和發(fā)生、發(fā)展、演化過程，把煤的物理力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力、瓦斯、溫度和突出條件作為整體研究，明確各因素在突出中的作用機(jī)理。針對(duì)深部煤巖特點(diǎn)，研發(fā)大尺寸、大煤量的煤與瓦斯突出模擬裝置，綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、煤體強(qiáng)度、瓦斯含量及施工過程等影響因素下的不同煤質(zhì)、不同礦區(qū)的突出現(xiàn)象進(jìn)行定量模擬分析。

2）開展深部煤巖體復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化技術(shù)研究。針對(duì)深部煤巖體復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害，需要同時(shí)治理煤與瓦斯突出、沖擊地壓災(zāi)害，開展深部煤巖體復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測研究，明確災(zāi)害類型，針對(duì)不同災(zāi)害類型，在采前、采中、采后的整個(gè)生產(chǎn)過程中采取有針對(duì)性的消減瓦斯內(nèi)能和釋放煤巖彈性能措施，根本上實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的一體化防治。

3）開展智能化水力卸壓增透技術(shù)及裝備研究。隨著我國智慧礦山、智能化采煤工作面如火如荼的建設(shè)，加強(qiáng)水力化卸壓增透技術(shù)及裝備與數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)、先進(jìn)制造的深度融合，使得智能化水力卸壓增透成為可能。對(duì)于突出煤層而言，研制智能化鉆機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種鉆孔的無人化、智能化施工；研發(fā)新的卸壓增透技術(shù)或者對(duì)現(xiàn)有的水力化煤層卸壓增透措施進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)無人化、智能化卸壓增透，降低瓦斯治理時(shí)間，滿足智慧礦山和智能化開采的需求。

4 結(jié) 語

1）總結(jié)分析了煤與瓦斯突出機(jī)理的研究進(jìn)展，并基于煤與瓦斯突出綜合假說分析了水力化防突措施的技術(shù)原理。

2）介紹了我國應(yīng)用廣泛的單項(xiàng)水力化卸壓增透技術(shù)，指出復(fù)合水力化防治煤與瓦斯突出防治措施是水力化防突技術(shù)措施發(fā)展方向。重點(diǎn)介紹了“鉆-沖-割”耦合卸壓防突措施、“壓-鉆-沖”一體化綜合防突措施、基于水力壓裂的超聲波增透防突等綜合措施，為水力化技術(shù)防治煤與瓦斯突出指出新思路。

3）總結(jié)分析了水力化卸壓增透措施與深部煤巖體動(dòng)力災(zāi)害防治、智能化開采、精準(zhǔn)卸壓增透等現(xiàn)實(shí)需求之間的差距，指明了下一步應(yīng)該重點(diǎn)開展煤與瓦斯突出機(jī)理、深部煤巖體復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化防治、智能化水力卸壓增透技術(shù)及裝備研發(fā)等方面的研究。