如何實現采煤之前的瓦斯預抽，達到資源開發利用和煤礦減災雙重目的，一直是人們關注的焦點。隨著煤礦開采深度的增加、資源需求的日益強烈，我國煤礦瓦斯災害治理和煤層氣開發利用等一系列政策出臺，迫切需要一套系統完整的地面與井下相結合的瓦斯抽采工藝。

在這樣的大環境下，河南理工大學能源學院蘇現波、劉曉團隊借鑒油氣開發領域傳統的水力壓裂技術，研發出煤礦井下鉆孔水力壓裂增透抽采瓦斯工藝。該工藝以煤層瓦斯賦存特征為基礎，充分利用井下的采掘巷道空間布置水力壓裂鉆孔，采用水力強化工藝形成多級、多類型的復雜裂隙網絡，實現大區域煤層增透，低滲透煤層瓦斯高效抽采。

2016年12月，煤礦井下鉆孔水力壓裂增透抽采瓦斯工藝獲第十八屆中國專利優秀獎。該工藝曾于2015年獲首屆中國煤炭工業專利一等獎。

據劉曉介紹，該工藝對應的發明專利申請日為2008年11月18日，公開日為2009年4月8日。從專利申請之初到現在，該工藝已在河南能源化工集團、鄭煤集團、重慶能源集團、陽煤集團、河南神火集團等多家煤炭企業應用，并取得了顯著的安全效益和經濟效益。

一點一點摸索，研制出專用井下鉆孔水力壓裂泵組

想第一個吃螃蟹，沒那么容易。由于系統的煤礦井下水力壓裂工藝沒有先例和基礎，所以蘇現波、劉曉團隊在技術、裝備、人員組織管理、現場實施、安全防護等方面都要自主摸索。

筆者了解到，傳統的地面抽采，鉆孔工程量大，施工成本高，消突時間長。

“利用傳統水力壓裂技術在地面實施壓裂，投資規模大、設備占地面積大，壓裂煤巖層物性特征掌握不全面，壓裂增透效果也不甚理想。為此，我們以煤層瓦斯賦存特征為基礎，充分利用井下的采掘巷道空間布置水力壓裂鉆孔，實施壓裂。這樣做，可實現大區域煤層增透，提高抽采效率，同時設備小型化，投資小，見效快，風險低。”劉曉說。

簡單說，井下鉆孔水力壓裂工藝包括八大步驟：一是選取壓裂地點;二是根據煤體類型、構造發育程度、巷道布置情況來確定壓裂類型，可采用頂底板順層(穿層)鉆孔水力壓裂、本煤層順層(穿層)鉆孔水力壓裂;三是確定鉆孔參數(孔長、開孔高度、孔徑、傾角、方位角等);四是設計水力壓裂，確定注入水量、注入壓力等參數;五是洗孔;六是排水;七是檢驗壓裂效果，如符合要求向下進行，如不符合要求，轉向第四步;八是利用管路進行抽采。

2010年4月，他們在陽煤集團寺家莊礦進行了國內首次系統的煤礦井下本煤層水力壓裂試驗。為保障試驗順利進行，他們與寶雞航天動力泵業公司合作研制了國內第一套專用井下鉆孔水力壓裂泵組。“僅解決泵組O型圈密封問題，我們就費了九牛二虎之力。通過不斷與現場人員溝通，我們才把問題解決掉。”劉曉說，“我們的主業是采礦與煤礦安全，泵組配件組裝與制作不是我們的強項。但我們通過一點一點摸索，不斷總結、反復試驗，最終做成了。”

在南方礦井試驗，抽采流量提高20多倍

在西南地區，重慶能源集團渝陽煤礦是首個應用煤礦井下鉆孔水力壓裂增透抽采瓦斯工藝的。

該礦煤層屬于典型的高突低透煤層。為了保障試驗順利進行，該礦和蘇現波、劉曉團隊成立了水力壓裂項目組。

2011年4月19日，在渝陽煤礦試驗當天，在澡堂換衣服下井時，劉曉發現重慶能源集團組織了由其下屬各礦總工程師組成的現場觀摩隊伍。這體現了重慶能源集團對此次試驗的重視，但也給劉曉等人帶來不小的壓力。

當天16時30分，壓裂正式開始。泵組運行正常、瓦斯濃度檢測數據正常、泵壓上升正常，最初幾分鐘一切正常，但隨后出現了異常情況：泵壓一直上升至40兆帕(泵組該擋最大壓力)，但泵注流量近于0。

操作人員停泵檢查，檢查后未發現鉆孔、管道異常。隨后，操作人員再次啟泵壓裂，情況和第一次一樣。后來，操作人員斷斷續續地重啟了兩次泵組，情況依舊如此。將近19時，各礦總工程師帶著遺憾陸陸續續離開現場升井。

“劉老師，該咋辦?”負責組織此次試驗的重慶能源集團科技公司總經理沈大富問。“我們再分析分析，重新試一下。”劉曉說。操作人員重新調整了泵注程序，換了擋位，對鉆孔、管路又認真檢查了一遍，開始了新的壓裂，但情況依舊。

“還有沒有其他辦法?”沈大富問。

劉曉認為是泵的能力不足，需要用時間來彌補，建議繼續壓裂。當這次壓裂時間持續到50分鐘時，泵組開始顯示注入流量，此時時針已指向23時。隨著壓裂的持續，泵入量越來越大，壓裂一直進行到第二天的凌晨2時。隨后，操作人員關閉壓裂鉆孔，升井休息。第二天，操作人員對該鉆孔實施了二次壓裂，壓裂有效半徑達40米，抽采流量提高20多倍，壓裂效果顯著。

后來，蘇現波、劉曉團隊與寶雞航天動力泵業公司合作，對專用壓裂泵組進行了優化，實現了高壓力、大流量泵注。重慶能源集團采用新的專用壓裂泵組在下屬各礦進行水力壓裂，取得了顯著效果。此后，重慶能源集團將該工藝作為治理瓦斯的一項常規技術。

劉曉表示，盡管煤礦井下鉆孔水力壓裂增透抽采瓦斯工藝應用效果顯著，但專用壓裂泵組注入壓力、注入流量和泵組體積的匹配有待進一步優化，設備的安裝、連接、運輸有改進空間;尚沒有高效的壓裂裂縫監測手段，形成縫網的水力強化工藝也亟須進一步研究完善。

“未來，可采用分段壓裂、重復壓裂、吞吐壓裂等技術，實現煤巖層的造縫，積極探索‘以孔代巷’工藝，降低煤礦生產成本，使瓦斯抽采由抽得出、抽得快向抽得好過渡;專用泵組需要繼續完善自動監控、遠程控制等功能，向智能化方向發展。”劉曉明確了未來的努力方向。