松软煤层瓦斯低成本高效抽采是世界性技术难题，根源在于煤层渗透率极低且增透难度极大。针对这一难题，我国采矿界近20 a来研发成功保护层卸压煤与瓦斯共采一体化模式及其配套工艺技术[1-4]，探索了声震[5]、超声波[6-7]、深孔预裂爆破[8-9]、水射流钻割一体化[10]等增透新方法，推动了我国矿井瓦斯抽采效率的大幅度提高。然而，抽采工艺复杂、成本高的问题并未真正解决。2010年以来，笔者基于前期核技术领域的研究基础，提出了可控冲击波增加煤层渗透率的设想[11]，研究了可控冲击波与煤层相互作用机理[12-19]，在神东集团保德煤矿进行了井下煤层增透先导性试验。此后，以贵州水城中井煤矿10903采煤工作面为示范对象进行批量钻孔作业，在国际上首次成功实现井下松软煤层可控冲击波增透，取得了技术创新、抽采效率的双突破。

1示范工程区瓦斯抽采地质条件

中井煤矿位于贵州省西部六盘水市水城县，属于水城煤业集团格目底矿业公司，面积4.77 km2。含煤地层为上二叠统龙潭组，是一套以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主夹煤层的海陆交互相含煤地层，厚度410～420 m;含煤一般80余层，煤层总厚度16.85～54.48 m;可采及局部可采煤层9层，累计平均厚度15.66 m;稳定可采煤层3层，分别编号为K9，K18，K40煤层[20-21]。

K9煤层为可控冲击波作业的目标层，显微煤岩组成以镜质组为主，矿物含量在15%左右，属于中灰煤;镜质组油浸最大反射率平均值2.34%，为贫煤[21]。在井田范围内，该煤层厚度0.56～3.44 m，平均2.23 m;泥岩夹矸一般1～2层，少数3～5层，厚度0.01～0.91 m，平均0.12 m[20]。K9煤层的煤体结构为碎粒煤～糜棱煤，坚固性系数只有0.34，属于极软煤层[22]。2009—2010年，中井煤矿分别在抽采巷煤层掘进、石门揭煤和运输巷掘进过程中发生3起煤与瓦斯突出事故，突出煤量200～240 t，涌出瓦斯量(1.01～4.8)×104m3。根据2012年度矿井瓦斯等级鉴定结果，矿井瓦斯绝对涌出量61.9 m3/min、二氧化碳涌出量1.57 m3/min，单条掘进巷瓦斯绝对涌出量平均7.01 m3/min。据K13和K18两个煤层井下实测资料，煤层瓦斯压力和透气性系数变化大，钻孔瓦斯流量衰减系数变化于0.030～0.084 d-1，平均0.057 d-1(表1)。

可控冲击波作业区为10903回采区，埋深200 m左右，走向长度806 m，倾向长度约200 m;走向长壁采煤法后退式回采，采用全部冒落法管理顶板;K9煤层倾角15°，厚约3.0 m，夹矸1～3层，瓦斯平均含量10.99 m3/t，透气性系数0.111 5 m2/(MPa2·d)，存在煤与瓦斯突出的危险性;运输巷和回风巷沿K9煤层回采工作面走向方向掘进。该矿井常规瓦斯顺层抽采孔间距为2 m。

表1 玉舍煤矿两个煤层实测瓦斯参数(引自参考文献[23])
Table 1 Gas parameters measured in two coal seams of Yushecoal mine cited from Reference[23]

煤层测压地点埋深/m瓦斯压力/MPa瓦斯含量/(m3·t-1)透气性系数/(m2·(MPa2·d)-1)钻孔流量衰减系数/d-1K13距回风井476 m的风巷内1340.350.047距回风井384 m的机巷钻场内2471.52——0.08011采区中车场1140.508.1615.8380.030K18距回风井190 m的机巷内1770.7010.045.3410.045距回风井354 m的机巷钻场内2891.3513.942.3860.084

2可控冲击波煤层增透工程设计与实施

2.1可控冲击波煤层增透技术原理

可控冲击波(Controllable Shock Wave，简称CSW)以幅值、冲量、作用区域和作业次数方便控制为特点，在煤层钻孔中以“单点多次、多点连续”的方式对煤层进行冲击增透[19]。置于孔中的设备在煤层钻孔内的水中产生高压脉冲应力波，进而以机械能形式作用于煤层，达到激励和改造煤层的目的[13,24]。

该技术以冲击波作为动力源，具有单点多次重复作业的优点，有别于水力压裂的传统静压力煤层改造技术以及声波、射流、爆破等整体改造的物理技术。该技术不需要向煤层注入任何其他物质，不会对煤层造成二次污染和伤害;可通过调控冲击波的作用范围、单点重复次数，实现煤层分段的精细改造;通过提高能量释放速度来实现高功率和高聚能，具有节能环保的优势[11]。同时，可控冲击波伴生的电磁辐射，具有促进煤层瓦斯解吸的作用[14-15];脉冲放电在煤层中产生的强电磁或弹性波场，可以改变煤层表面静电场的分布，减少气水的流动阻力[13]。

煤层中的水介质有利于冲击波的传播，也为冲击波装备提供了矿井安全作业的环境。可控冲击波借助水介质耦合到煤层，煤层既是冲击波作业的对象，也是传播冲击波的介质，释放的能量依次在煤层中形成冲击波带、压缩波带和弹性波带，通过破裂、撕裂、高强弹性波扰动等模式作用于煤层，从而改善煤层渗透性，促进煤层瓦斯解吸[12,14]。重复施加冲击波可进一步形成煤层力学性质疲劳效应[15]，加载相对较低的能量就可使煤层裂缝不断生长、孔隙不断破裂，进而形成裂隙网络[17]，增强煤层渗透性，有效沟通孔隙和裂缝，有利于煤储层中吸附气的解吸、扩散和渗流。此外，较低能量的单点重复作业可保证煤层结构整体的完整性，防止孔壁破碎坍塌。

基于上述技术原理，作者自主研发了可控冲击波增透煤层装备和作业工艺技术流程。可控冲击波装备由供电电池、脉冲功率驱动源、能量转换器和聚能棒推送器组成一个直径90 mm长达6 m的圆柱体(图1)，脉冲功率驱动源驱动能量转换器中的聚能棒产生冲击波，由聚能棒推送器不断补充聚能棒重复产生冲击波，重复作业。实施中，由钻机将可控冲击波装备推送到钻孔中，防爆电脑通过中心通缆式钻杆的电缆控制孔内设备的运行。针对不同煤层的性质，作者研发了专用于煤层增透的聚能棒，并通过聚能棒的制作工艺控制输出冲击波的强度，作业中，还可通过不同的作业次数优化增透效果。针对松软煤层，作者采用了幅值60～80 MPa，冲量2 400～3 000 P·s的可控冲击波。作业流程包括如下主要步骤:① 采用定向钻机顺煤层施工直径133 mm的钻孔;② 在钻孔中下入玻璃钢筛管;③ 用通缆钻杆将冲击波设备送至孔底第1个增透作业点;④ 借助法兰对孔口进行简易密封;⑤ 通过通缆钻杆连接孔内设备和孔外的控制器;⑥ 向孔内注入清水，然后开启电源完成设定次数的冲击波作业;⑦ 利用定向钻机将冲击波设备回退至孔内第2个、第3个、…、第n个作业点位，密封孔口，注入清水，开启电源完成该点位的冲击作业;⑧ 完成该孔最后1个作业点的增透作业，起出冲击波发生设备，接入管道进行抽采(图2)。

图1 可控冲击波产生器
Fig.1 Controllable shock wave device

图2 可控冲击波矿井煤层增透作业现场示意
Fig.2 Field sketch of coal seam permeability enhancement operation in mine with CSW method

2.2可控冲击波煤层增透工程设计

参考冲击波增透煤层技术前期理论和先导性试验成果[7,14-16,19]，配合回采工作面准备工程需要，设计了本次现场试验方案，在10903工作面布置顺层钻孔20个，其中可控冲击波增透孔12个、常规未增透孔6个和辅助抽采孔2个(图3)。

设计了两类抽采钻孔，以对比不同位置瓦斯抽采效果(图3)。第1类为4个掘进钻孔，从巷道掘进工作面迎头钻进，均开展可控冲击波增透作业。其中，运输巷接替性布置3个孔，用于交替掩护掘进，施工先后顺序为运输巷15孔、运输巷17孔和运输巷22孔:回风巷布置回风巷15孔，用于非采煤帮瓦斯抽采，以降低工作面初采期间瓦斯涌出量。第2类为回采工作面抽采孔，由回风巷向回采工作面方向钻进，钻孔间距40 m，包括8个增透作业孔，6个未增透孔和2个辅助抽采孔，以对比增透抽采效果。此外，为了确保开切眼开拓安全，快速投入生产，在增透的14孔两侧相距5 m处分别布置14-1，14-2两个辅助抽采孔，这两个孔分享了14孔的增透效果，也分流了14孔的流量。

图3 10903工作面煤层瓦斯抽采工程布置
Fig.3 Layout of coal seam gas drainage project in 10903 working face

中井煤矿可控冲击波增透作业的对象是松软煤层，必须解决煤层钻孔垮塌或孔壁稳定性的问题。为此，所有钻孔均采取了在孔中下玻璃钢筛管的保护措施。同时，全部增透钻孔均在孔深0～25 m孔段设置安全距离，安全距离内不进行增透作业。

2.3可控冲击波煤层增透工程实施

抽采现场作业历时15个月(表2)。可控冲击波增透单孔抽采时间46～384 d，孔均抽采180 d;常规未增透单孔抽采时间63～396 d，孔均抽采250 d。12个增透孔累计钻进长度2 497 m，孔均208 m;6个未增透孔和2个辅助抽采孔累计长度1 700 m，孔均213 m。增透作业段累计长度1 440 m，单孔增透长度65～195 m，孔均增透120 m;累计增透作业1 725次，单孔增透作业70～320次，孔均144次;冲击密度(单位长度增透段冲击次数)0.99～1.64次/m，平均1.14次/m。

3可控冲击波煤层增透效果与机理

3.1单孔及整体瓦斯抽采效率分析

可控冲击波煤层增透工程示范效果十分显著，表现为单孔纯瓦斯流量(以下简称抽采量)成倍增大，瓦斯体积分数明显提高，单孔抽采影响半径明显增大，钻孔工程量大幅度减少。需要说明的是，下面对增透效果的分析，主要是以本示范工程中未增透孔抽采效果为基准，而部分未增透孔实际上也受到冲击波增透有效半径的影响，故文中分析结果应为增透效果的下限值。

表2 10903工作面煤层瓦斯抽采工程实施情况统计
Table 2 Statistics on the implementation of coal seam gas drainage project in 10903 mining face

序号钻孔类型钻孔位置钻孔名称实钻长度/m增透作业孔段/m次数冲击密度/(次·m-1)抽采时间开始截止天数抽采瓦斯纯量/m3累计日均日最高1运输巷运输巷15190.0150-301190.992015-12-032016-06-07181540 2662 9857 9172运输巷运输巷17260.0220-253201.642016-07-202017-02-26222113 9425281 5443运输巷运输巷22260.0220-253201.642016-12-092017-02-264649 0001 0652 5694回采工作面回风巷2198.0144-291211.052016-02-072017-02-26384187 6734898645回采工作面回风巷6213.0140-251281.112016-03-162017-02-26318115 3803639656可控冲击波回采工作面回风巷7213.090-25701.082016-06-032017-02-26267245 4829191 6137增透作业回采工作面回风巷8210.595-25751.072016-06-242017-02-26247202 9538221 3398回采工作面回风巷10225.097-25721.032016-11-062017-02-2610976 6947041 2949回采工作面回风巷12207.0155-251301.002016-10-092017-02-2612080 09366797110回采工作面回风巷13205.5150-251251.002017-01-042017-02-265433 80662675511回采工作面回风巷14222.0200-251751.002016-10-092017-02-26141349 4792 4003 87212回风巷回风巷1593.090-25701.082016-05-302016-08-127427 810364518平均208.1144.01.14180168 5489942 01813回采工作面回风巷1214.0——2016-02-042017-02-2638454 0911411 13814回采工作面回风巷3201.0——2016-01-192017-02-2639672 5513651 21015常规未回采工作面回风巷4214.0——2016-03-022016-10-2924122 56518672016增透孔回采工作面回风巷5216.0——2016-03-072016-10-2923755 1402341 02217回采工作面回风巷9210.0——2016-08-302017-02-2618184 04846486418回采工作面回风巷11211.5——2016-12-262017-02-266323 805377647平均211.125052 03329593419辅助抽回采工作面回风巷14-1228.0——2016-10-092016-12-257827 54335375220采孔回采工作面回风巷14-2205.5——2016-10-162017-02-0711540 3283511 510平均216.89733 9363521 131

3.1.1抽采量对比分析

平均来看，12个增透孔日均抽采量994 m3/d，6个未增透孔日均抽采量295 m3/d，增透后单孔抽采量平均提高3.37倍，即使增透孔效果最差的回风巷6孔日均抽采量也高于未增透孔平均水平;增透单孔平均抽采总量168 548 m3，未增透孔为52 033 m3，尽管增透孔单孔平均抽采时间略短于未增透孔，但增透抽采效果仍然提高了3.24倍(表2)。在增透孔中，运输巷15孔和回风巷14孔日均抽采量分别为2 985 m3/d和2 400 m3/d，最高可达7 917 m3/d和3 872 m3/d。在未增透的传统抽采孔中，日均抽采量最高的回风巷9孔只有464 m3/d，日抽采量最高的回风巷3孔为1 210 m3/d。对比之下，增透作业后单孔日均抽采量最高提升了6.54倍(图4)。

图4 可控冲击波增透煤层瓦斯钻孔抽采总体效果对比
Fig.4 Contrast of overall gas drainage effect by boreholes in coal seam operated with CSW method

值得关注的是，可控冲击波作业煤层之后，单孔日均抽采量与最高日均抽采量、累计抽采量分别呈现出明显的关联性。单孔日均抽采量增高，最高日均抽采量及累计抽采量均随之增大，两者呈显著的线性关系，日均抽采量越高，线性关系越为显著，而未增透孔则规律不甚明显(图5)。稳定而持续的高流量抽采效果只有在稳定且持续的瓦斯解吸—扩散—渗流场中才能产生，而稳定流场的形成依赖于裂隙网络均一性和连通性。为此，图5显示的效果初步指示可控冲击波有效改造了煤层裂隙网络，通过降低裂隙网络非均质性和增大连通性而有效重构了煤层瓦斯渗流通道。

图5 单孔日均抽采量与最高日均和累计抽采量关系
Fig.5 Plots ofdaily average gas flowtomaximum daily average and accumulated flowsperborehole

3.1.2甲烷体积分数对比分析

增透作业单孔抽采瓦斯甲烷平均体积分数显著高于未增透单孔，前者变化于19.12%～46.63%，平均32.4%，后者为5.54%～21.84%，平均14%(图6)。也就是说，可控冲击波增透后煤层抽采瓦斯的甲烷体积分数平均提高了2.31倍，增透孔甲烷平均体积分数最低值也明显高于未增透孔最高值。

图6 单孔抽采甲烷体积分数平均值对比
Fig.6 Average values of methane concentration in single well

随着抽采过程的进行，甲烷体积分数总体上均呈降低趋势，无论增透与否都是如此。然而，增透作业改变了甲烷体积分数衰减规律，显著提高了甲烷体积分数。增透孔甲烷体积分数衰减率在抽采前期下降极为缓慢，部分孔瓦斯体积分数保持稳定甚至略有升高，抽采后期才有明显下降(图7(a)～(b));未增透孔瓦斯体积分数在抽采前期即开始明显下降，多数孔降至一个低值然后保持稳定到抽采结束(图7(c)～(d))。这一现象指示，与未增透孔相比，增透孔获得了抽采过程中才开始解吸的气源供给，而不仅仅是非增透孔单调下降抽采曲线所显示的抽采前就已基本解吸的游离气源，附加解吸气源来自冲击波致裂以及扰动的半径范围，这是可控冲击波增透煤层的又一独特优势。

3.1.3影响半径对比分析

可控冲击波作业明显增大了钻孔瓦斯抽采有效影响半径。以运输巷15孔为例，控制半径20 m范围内煤层瓦斯资源量为37.6×104m3，以50%抽采率计算，可抽采资源为18.8×104m3，前60 d累计抽采纯量29.4×104m3，有效影响半径为31.3 m;抽采结束时累计抽采纯量54×104m3，有效抽采半径达到57.5 m。若以70%抽采率计算，可抽采资源为26.3×104m3，有效影响半径在60 d时达22.4 m，抽采结束达41.1 m。换言之，可控冲击波煤层增透有效半径可达40～60 m，后续施工的单孔及邻孔抽采数据均支持了这一结论。

通过可控冲击波技术的改造，煤层瓦斯可抽采性显著改善。国家标准《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》(GB 50471—2018)基于瓦斯流量衰减系数和透气性系数，将煤层瓦斯抽采难易程度划分为3类[25]。其中，衰减系数>-0.050 d-1为较难抽采煤层，-0.003～-0.050 d-1为可以抽采煤层，<-0.003 d-1为容易抽采煤层。中井煤矿传统抽采孔流量平均衰减系数0.057 d-1，为较难抽采煤层(表1)。

经可控冲击波作业后，10903工作面瓦斯流量衰减系数降至+0.003 4～-0.032 1 d-1，平均-0.007 8 d-1，单孔为可以抽采～容易抽采煤层，总体上转变成可以抽采煤层(表3)。12个增透孔中，5个孔为可以抽采煤层，7个为容易抽采煤层;6个未增透孔和2个辅助抽采孔在冲击波影响下，6个达到可以抽采级别，2个转变为容易抽采煤层。值得关注的是，相当一部分增透孔衰减系数转变为正值，意味着抽采过程中瓦斯流量趋于持续增长，并没有呈现出传统抽采孔瓦斯流量单调衰减的一般规律，其特点和机理将在下节讨论。

图7 单孔抽采瓦斯甲烷体积分数衰减曲线
Fig.7 Attenuation curves of methane concentration in extracted gas from single wells

表3 抽采示范工程瓦斯流量衰减特征统计
Table 3 Statistics of gas flow attenuation characteristic for whole demonstration project

流量衰减特征参数增透孔运输巷15运输巷17运输巷22回风巷2回风巷6回风巷7回风巷8回风巷10回风巷12回风巷13全程流量衰减系数/d-1-0.019 1-0.010 6-0.032 1+0.001 9+0.003 4+0.001 4+0.002 1+0.002 6+0.000 2-0.002 3第1阶段流量衰减系数/d-1+0.003 4-0.001 6N+0.001 9+0.003 4+0.001 4+0.003 2+0.002 1+0.000 2-0.002 3第2阶段流量衰减系数/d-1-0.022 9-0.011 3-0.032 1NYANYANYANYANYANYANYA第2阶段衰减系数降低率/%59.8380.1843.68(103.33)(105.97)(102.46)(105.61)(103.68)(100.35)(95.97)全程流量曲线类型Ⅰ1Ⅰ3ⅡⅠ2Ⅰ2Ⅰ2Ⅰ2Ⅰ2Ⅰ2Ⅰ4煤层瓦斯抽采难易程度可以抽采可以抽采可以抽采容易抽采容易抽采容易抽采容易抽采容易抽采容易抽采容易抽采流量衰减特征参数增透孔回风巷14-2回风巷15未增透孔回风巷1回风巷3回风巷4回风巷5回风巷9回风巷11辅助孔回风巷14-1回风巷14-2全程流量衰减系数/d-1-0.007 4+0.000 2-0.006 7-0.002 1-0.008 0-0.016 2+0.000 1-0.022 5-0.012 6-0.021 1第1阶段流量衰减系数/d-1-0.001 5+0.000 2NNNN+0.000 1-0.002 1NN第2阶段流量衰减系数/d-1-0.012 3NYA-0.006 7-0.002 1-0.008 0-0.016 2NYA-0.015 2-0.012 6-0.021 1第2阶段衰减系数降低倍数79.47(100.35)88.2596.3285.9771.58(100.18)73.3377.9062.98全过程曲线类型Ⅰ3Ⅰ2ⅡⅡⅡⅡⅠ2Ⅰ3ⅡⅡ煤层瓦斯抽采难易程度可以抽采容易抽采可以抽采容易抽采可以抽采可以抽采容易抽采可以抽采可以抽采可以抽采

注:“N”，缺乏;“NYA”，尚未出现;第2阶段衰减系数降低率对比基准为0.057 d-1，见表1;括号中数字为第1阶段降低率。

3.1.4钻孔工程量对比分析

可控冲击波作业大幅度减少了抽采钻孔工程量。据中煤科工集团重庆研究院2007年煤与瓦斯突出危险性鉴定结果，该矿实测有效抽采半径在抽采30 d时为1.5 m，超过60 d后达2 m[26]。该矿井下常规瓦斯抽采孔间距一般为2 m，按本次40 m抽采孔间距，节省18个钻孔工程量，比常规抽采孔工程量降低9倍。若以瓦斯鉴定结果给出的有效抽采半径2 m(常规孔间距4 m)测算，冲击波增透可减少钻孔工程量4倍。

3.2增透钻孔瓦斯抽采工程设计探讨

表2统计结果显示，12个增透孔抽采效果差异极大。原因在于增透作业方案和钻孔施工先后顺序两个方面，前者包括钻孔设计和冲击波作业参数(次数和冲击点间距)，后者直接受制于煤矿的生产情况。如前所述，增透孔分为掘进钻孔和回采工作面孔两类。掘进钻孔设计目的是检验抽采孔长度和冲击波作业参数对瓦斯抽采效果的综合影响，单孔实钻长度93～260 m，增透作业总次数随增透段长度加大而增多，即实钻长度、增透段长度、增透作业总次数呈比例增加(图8)。回采工作面抽采孔实钻长度差异不大，介于205.5～222.0 m，但增透段长度和作业次数分为3组，目的是检验增透强度对抽采效果的影响(图8～11)。为此，对比掘进、回采工作面两类孔，并在回采工作面孔中分3类不同增透强度进行对比，可为分析增透钻孔工程设计因素对瓦斯抽采效果影响提供依据。

图8 可控冲击波增透钻孔煤层瓦斯抽采工程实施情况
Fig.8 Implementation of coalbed gas extraction project in CSW enhanced-permeability borehole

图9 冲击密度与煤层钻孔瓦斯抽采效果之间关系
Fig.9 Plots of CSW density to effect of coalbed gas extraction from boreholes

增透作业后，掘进孔抽采效果总体上好于回采工作面孔，这是掘进孔未受回采工作面采动影响及受煤巷掘进影响较小的必然结果，但不同孔抽采效果差异极大。运输巷15孔是10903工作面施工的第1个钻孔，日均抽采量、最高日抽采量及累计抽采量均显著高于其他3个孔，但实钻长度(图8)、增透段长度(图9～10)远远低于运输巷17、运输巷22孔，而冲击密度低于回风巷15孔(图11)。其中原因，笔者前期通过大块煤样实验曾做过讨论，即过度冲击产生大量煤粉甚至造成煤体崩溃，导致煤层透气性反而降低，有效增透需根据煤岩力学性质特点确定最佳冲击参数，在单次冲击能量不变前提下体现为增透段长度和冲击密度[13-15]。运输巷15孔增透段长度120 m，冲击密度0.99次/m，运输巷17和运输巷22孔两个参数均为195 m和1.64次/m，回风巷15孔为65 m和1.08次/m(表2)。由此可知，如果冲击段长度足够，则抽采效果取决于冲击密度;运输巷17、运输巷22孔冲击密度过大造成煤层过度改造，回风巷15孔实钻长度过短致使增透段长度不足，抽采效果均不如运输巷15孔。换言之，在目前钻孔直径、冲击能量条件不变的情况下，10903工作面乃至中井煤矿可控冲击波煤层增透的最佳冲击密度在1.0～1.1次/m，增透段长度应大于120 m。

图10 冲击增透段长度与抽采瓦斯量之间关系
Fig.10 Plots of length of CSW operation section to volume of coalbed gas extracted from boreholes

回采工作面增透孔实钻长度在198～225 m，冲击强度1.0～1.11次/m，各孔差别不大。然而，单位增透长度日均抽采量变化范围为3.16～14.14 m3/d，极差达到4.48倍，抽采效果变化极大(图8)。除回风巷14孔外，其他7个孔抽采效果相对集中为3组，且与时间序列有一定关联。抽采最早的第1组为回风巷2孔和回风巷6孔，增透段长达115 m，但日均和单位增透长度日均抽采量均最低，可能是工作面两侧巷道开拓引起瓦斯提前泄压逸散所致(图8～9)。第2组包括回风巷7、回风巷8、回风巷10孔，3个孔增透段长度只有65～70 m，但日均和单位增透长度日均抽采量在3组增透孔中最高;夹于两侧多个增透孔之间的回风巷9孔在非增透孔中累计抽采量也是最高的(表2)，指示回风巷7孔～回风巷10孔之间形成了流场相互干扰，增透作用最大限度扩展了瓦斯泄压渗流范围。最后为第3组回风巷12孔和回风巷13孔，增透段长度125～130 m，冲击密度1.0次/m，日均抽采量和单位增透长度日均抽采量居中，原因可能为回风巷15孔和运输巷22孔提前或同时增透抽采造成的泄压逸散。回风巷14孔位于回风巷开拓方向末端，受掘进和其他孔抽采的影响最小，抽采效果仅次于运输巷15孔，该孔即是本示范工程的一个特例，同样也为上述认识提供了一个典型实例。小结上述，在相似冲击密度条件下，回采工作面孔增透效果主要与抽采开始时机、周围抽采环境有关，巷道掘进帮暴露越晚以及增透相互干扰越明显，抽采效果越好，增透段长度反而不是决定性因素。

3.3增透作业后的煤层瓦斯流场变化

进一步分析钻孔瓦斯流量曲线，发现可控冲击波作业改变了传统抽采孔幂指数单调衰减形式的流量曲线形态，可归纳为“两类五型”(表3)。

第1类(Ⅰ)曲线按流量总体变化趋势明显表现为“两段式”形态，根据第1段流量曲线形态以及第2段出现与否，进一步划分为4型。Ⅰ1型只有运输巷15孔，第1阶段流量曲线出现一个类似于煤层气地面井排水降压产气的流量“峰”，阶段流量总体上呈增长趋势，衰减系数为正值，第2阶段流量单调衰减(图12(a))。Ⅰ2型包括回风巷2、回风巷6、回风巷7、回风巷8、回风巷10、回风巷12以及回风巷9七个孔，流量总体上持续增长，衰减系数为正值，相当于Ⅰ1型的第1阶段，Ⅰ1型的第2阶段尚未出现，指示该类孔抽采潜力大，抽采结束时，增透效果仍未充分发挥，是Ⅰ1型曲线的不完全体现形式(图12(b))。其中，回风巷9孔虽然没有增透，但由于两侧多个邻孔增透效果波及该孔，导致可抽采性得到明显改善(图2)。Ⅰ3型有运输巷17、回风巷14、回风巷11三个孔，“两段式”流量曲线明显，两个阶段流量均呈递减趋势，但第1阶段流量衰减速率显著低于第2阶段，其中未增透的回风巷11孔共享了两侧邻孔增透效果(图12(c))。Ⅰ4型只有回风巷13孔，为Ⅰ3型曲线的不完全体现形式，即抽采期间只出现了Ⅰ3型的第1阶段，衰减系数极低，煤层瓦斯容易抽采。

图11 冲击密度与钻孔瓦斯抽采量关系
Fig.11 Plots of CSW density to volume of coalbed gas extracted from boreholes

第2类(Ⅱ)曲线与传统抽采孔瓦斯流量曲线形态相似，总体上呈现为指数单调衰减规律(图12(d))。该类型是未增透孔流量曲线的主体形态，6个未增透孔以及增透的运输巷22孔具有这种形式(表3)。Ⅱ型曲线形态尽管与传统孔相似，但瓦斯流量衰减系数大为降低，未增透的6个孔流量衰减系数变化在-0.006 7～0.021 1 d-1，平均只有-0.011 1 d-1，总体上较对比基准降低了81%，抽采效率明显提高，体现出邻孔甚至间孔可控冲击波增透作业的波及影响。

上述增透效果，受控于可控冲击波影响下煤层波-流-固耦合作用导致的流场改变[27]:

其一，可控冲击波有效影响范围包括煤层采动裂隙场和冲击裂隙场。在井巷掘进采动诱导的煤层裂隙范围内，煤层水基本上已经疏干，瓦斯呈单相气流状态产出，体现为Ⅰ型第2段流量曲线的幂函数单调衰减趋势，这也是传统抽采孔流量曲线的基本形式。可控冲击波叠加在采动裂隙场之上，一方面强化了采动裂隙渗流网络，另一方面使煤层致裂半径有效扩展，扩展半径内的煤层状态类似于地面煤层气井，地层流体包括煤层水和瓦斯，瓦斯产出过程类似于地面井的“排水—压降—解吸—产出”过程，整个过程经历“水单相流-气水混相流-气体单相流”3个阶段，典型特征就是出现一个产气高峰。进一步而言，以冲击波增透孔为中心向外，煤层流场依次由采动流场向冲击波改造流场过渡，使得可控冲击波有效影响范围远远超出了煤层采动破裂范围。

其二，冲击波改造流场为抽采影响范围的流场提供了更为充足的瓦斯气源。冲击波改造流场中煤层瓦斯保存条件良好，基本上没有受到采动影响而解吸逸散。可控冲击波的激励，使得上述两个流场范围内的煤层形成一个统一的裂隙渗流网络，扩展的流场带可以得到冲击波改造流场中煤层瓦斯的不断补充，长时间保持较低瓦斯流量衰减系数，抽采效率显著提高。具体来说，Ⅰ型第2段流量曲线尽管形式上与传统幂函数单调衰减模式相似，但冲击波改造流场中煤层瓦斯的不断补充导致流场范围内煤层瓦斯含量长时期处于一个较高的动态，有效阻滞了瓦斯流量衰减系数的快速降低，这是增透孔乃至增透波及孔瓦斯流量衰减系数降低缓慢的根本原因。

图12 典型孔瓦斯流量曲线及衰减趋势
Fig.12 Gas flow curves and attenuation trend in typical boreholes

4结 论

(1)本次示范作业是直接为生产服务，各孔的抽采时间受生产限制，所得数据还没有充分显示可控冲击波增透的效果。

(2)可控冲击波有效改造了煤层裂隙网络，显著提高了抽采效果。一是增透后单孔日均瓦斯抽采量最高提升了6.54倍，平均提高3.37倍，增透单孔平均抽采总量提高了3.24倍;二为煤层可控冲击波增透后抽采瓦斯浓度平均提高了2.33倍;三是可控冲击波作业使得掘进孔抽采影响半径增大到40～60 m;四是可控冲击波将原来的较难抽采煤层转变为可以抽采～容易抽采煤层。五是可控冲击波作业大幅度减少钻孔工程量达4～9倍。

(3)在钻孔直径、冲击参数条件相同的情况下，示范工程可控冲击波煤层增透的最佳冲击密度在1.0～1.1次/m。

(4)增透孔抽采效果主要与抽采开始时机、周围抽采环境有关。巷道掘进帮暴露越晚以及增透孔相互干扰越明显，抽采效果越好。

(5)可控冲击波作用下的煤层波-流-固耦合导致了瓦斯流场的改变。一是以钻孔为中心向外，煤层流场依次由采动流场向冲击波改造流场过渡，使得可控冲击波有效影响范围远远超出了煤层采动破裂范围;二是冲击波改造流场为抽采影响范围流场提供了更为充足的瓦斯气源，有效阻滞了瓦斯流量衰减系数的快速降低，这是增透孔瓦斯流量衰减系数降低缓慢的根本原因。

(6)受增透作业的影响，未增透孔流量曲线的主体形态不变，但衰减系数总体上也较对比基准降低了81%，并进一步证明增透作业影响半径大于40 m。

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