《防治煤与瓦斯突出规定》要求在石门揭煤工作面距离煤层最小法向距离7m以前实施区域防突措施^[1]。近年来贵州省煤矿开采的大多数是高瓦斯近距离煤层群，在不具备开采保护层的条件下，当相邻煤层间距在7m以内时，石门揭穿多层煤层时，需将多层煤层作为同一煤层进行管理、消突。由于目前煤层群石门揭煤防突技术主要采用的方式是密集钻孔预抽煤体瓦斯^[2-5]，而这种方法卸压不充分，瓦斯抽采效果不理想，同时控制多层煤层时，钻孔数量多，使得前方岩柱的强度降低，增加危险性，在煤层群瓦斯治理中难以发挥效用，严重地影响了矿井安全建设进度^[6-8]。

水射流割缝防突技术是针对卸压增透所采取的有效方法。林柏泉等^[9]开发了高压磨料射流割缝防突技术并且在煤层巷道掘进工作面进行了较好的实际应用。李晓红等^[10]基于高压水射流冲击破碎煤岩特性提出高压脉冲水射流割缝技术，并成功应用于穿层钻孔割缝抽放瓦斯。但水射流割缝防突技术在近距离煤层群的应用还未有报道。为解决石门揭穿近距离煤层群存在的问题，笔者提出在近距离煤层群石门揭煤中使用水射流割缝防突技术对揭煤工作面前方多煤层进行统一消突，一次性对各煤层一体卸压、增加各煤层的整体透气性、提高瓦斯抽采效果，实现快速消突，快速安全揭煤的新思路^[11]。以贵州雷公山矿区近距离煤层群石门揭煤为例，利用数值模拟软件研究了不同缝槽布置方式以及缝槽间距对煤层群割缝卸压防突的影响，根据模拟结果，优化该技术在煤层群应用中的钻孔缝槽布置方式，并在雷公山1185运输石门进行了现场试验。

1 水射流割缝防突技术原理

煤层群采用高压水射流穿层钻孔割缝防突技术时，是使钻孔一次性穿透所有煤层，再向后退并逐一对各煤层进行水力割缝。高压水射流冲割煤体时，由于冲击动载作用使煤体发生损伤破坏，随着时间推移，水射流会在煤体表面产生拉应力，此时煤体产生较多垂直裂纹，裂隙形成和汇交后，水射流就进入裂隙空间，在水楔作用下，裂隙尖端产生拉应力集中，使裂隙迅速发展和扩大，致使煤体破碎^[12-14]。

高压水射流对每层煤层煤体进行切割后，形成扁平圆缝槽空间。这一缝槽相当于在局部范围内开采了一层薄的保护层，其结果是能使缝槽上下的煤体在一定范围内得到较充分的卸压，提高煤层透气性；同时，缝槽周围的煤体与岩体在地应力的作用下向缝槽产生空间移动，顶底板产生位移变化，使煤层群之间受扰动影响，另外当从一层煤退回到另一层煤的割缝过程中会对煤层群整体产生相互影响，使煤层群整体多次再受扰动卸压，使煤层群中的裂隙进一步扩大，从而一次性对各煤层统一增透、提高瓦斯抽采半径、抽采浓度，提高煤层群整体透气性，改善煤层内部瓦斯流动状况，从而提高瓦斯抽采效率，实现快速消突，安全快速揭煤^[14-16]。水流割缝系统装置如图 1示。

2 数值模拟分析 2.1 试验地点概况

试验地点选在雷公山煤矿1185运输石门揭煤工作面，1185运输石门位于雷公山煤矿首采区，标高+1 185 m水平，煤层埋深500 m。根据设计，巷道向前掘进将揭露5^#和9^#煤层。5^#煤层位于煤系上段上部，平均厚度3 m。9^#位于煤系上段下部，上距5^#煤层底板5m，平均厚度3 m。该区域内井田构造形态均属单斜构造，倾角25°~34°掘进区域属高瓦斯区域，按突出危险区域管理。

2.2 数值模拟分析

由于煤层群石门揭煤采用穿层钻孔水射流割缝技术还未曾报道，而穿层钻孔同时穿透各煤层，缝槽可单个布置于各煤层的煤孔中部，故需研究在煤层群中不同缝槽布置方式对揭煤工作面前方控制区域卸压效果的影响，以贵州雷公山煤矿为计算依据建立模型，模型计算范围为27 m×25 m，5^#、9^#煤层厚度分别为3 m。分析4个穿层钻孔内不同缝槽布置方式：①缝槽布置于5^#煤层中部；②缝槽布置于9^#煤层中部；③两煤层煤孔中部交错布置一个缝槽；④两煤层煤孔中部均布置一个缝槽。通过比较，选择合理的缝槽布置方式。模型左右边界及厚度边界均采用水平位移约束，下方边界采用竖直位移约束，顶面施以均布载荷，其垂直应力为7 MPa，如图 2所示，煤层及顶板、底板力学参数如表 1所示。根据现场的地质条件及割缝工艺，取缝槽半径0.8 m，高度0.05 m。笔者使用摩尔库伦弹塑性本构模型模拟煤体的力学变形，使用NULL本构模型模拟割缝施工。

由图 3可见，4种方式都以缝槽为中心，竖直方向出现出了不同程度的卸压，但卸压区有较大差异。通过比较可知，由于两层煤之间夹有岩层，因此，方式①②卸压范围只能覆盖本煤层而不能影响到另一层煤层，说明缝槽对松软的煤体产生了明显的卸压效果，而对于硬度较大的岩体卸压影响较小。方式③在竖直方向有部分卸压区连接在一起，但在同一煤层中，相邻两个缝槽之间存在卸压盲区，说明交错割缝在同一煤层中的缝槽距离已经超过了单一缝槽的卸压影响距离，没有充分发挥水力割缝整体卸压优势。方式④割缝卸压区基本覆盖整个煤层群，卸压率小于20%的区域彼此能够连接在一起，具有较大的整体卸压效果。说明方式④才能对揭煤工作面前方煤层群整体卸压。

确定了缝槽在煤层群中的布置方式后，缝槽间距的合理取值决定了钻孔的布置数量，根据文献[15]单个钻孔的抽放影响半径约为钻孔半径的2.5倍，当缝槽半径为0.8 m时，抽放影响半径约为2 m，因此对同一煤层内缝槽分别以3、4、5 m间距布置进行了数值模拟，从图 4可以看出，间距为3 m时，卸压程度较高，但是影响范围相对较小；间距为4 m时，影响范围相对较大，且卸压区域连接成整体；当间距为5 m时，割缝孔周围也出现了卸压现象，但是没有形成整体卸压，说明5 m间距超过了缝槽的卸压影响范围。因此综合考虑卸压效果及工程量等因素，实际应用中可以选择缝槽间距为4 m。

通过上面的数值模拟得出，两煤层煤孔中部均布置一个缝槽，同一煤层内缝槽间距4 m, 石门揭煤工作面前方控制范围内煤层群的整体卸压效果能达到80%，可以大幅度地提高煤层群的透气性，对煤层群石门揭煤的安全高效提供足够的保障。

3 现场应用

现场试验地点选在贵州雷公山煤矿1185运输石门工作面。为进行对比试验，选择1165石门作为对比石门，其位置、所揭煤层以及煤层赋存情况与1185运输石门相同。根据模拟试验，对1185运输石门布置钻孔，终孔间距选为4 m，控制9^#煤石门巷道轮廓线外12 m, 考虑到此时同时穿透两层煤的割缝钻孔未能控制5^#煤轮廓线外12 m，另外施工两排割缝钻孔控制到5^#煤轮廓线外12 m，这两排钻孔只穿透5^#煤0.5 m，两煤层煤孔中部均布置一个缝槽，布置如图 5所示。

高压水射流割缝完成后，采用钻屑瓦斯解吸特征指标法对割缝效果进行了检验，共施工5个检验钻孔，在施工检验钻孔过程中，5个钻孔均未出现超标、喷孔现象。测得K₁=0.42，S_max=4 kg，详见表 2。

由表 2可以看出, 瓦斯解吸指标K₁值、钻屑量S_max均不超标，说明水射流割缝技术在煤层群中具有较好的消突效果。煤层群石门揭煤采用高压水射流割缝技术之后，如表 3所示，预抽达标时间从1165运输石门的65 d缩短为1185运输石门的26 d，缩短了39 d，达标时间缩短了60%。钻孔减少35个，钻孔工程量减少610 m，工程量减少35%。在揭煤过程中，1165运输石门预测指标K₁值超过突出临界值多达6次，最大达0.9 mL/(g·min^1/2)，而1185运输石门没有1次超过突出临界值指标。由此可见，穿层钻孔水力割缝后对煤层群区域进行大面积卸压，增加多煤层透气性，加速斯解吸和排放，有效地提高了石门在煤层群中的掘进速度。

4 结论

1) 石门揭近距离煤层群防治煤与瓦斯突出，既要考虑本煤层的突出危险性，又要考虑邻近煤层的突出危险性。针对此问题，提出采用高压水射流穿层割缝技术对多个煤层同时采取消突措施，按照同一个煤层进行管理，起到快速消突的效果。

2) 以雷公山煤矿为例，煤层群中不同缝槽布置方式卸压效果数值模拟表明：两煤层煤孔中部均布置一个缝槽，同一煤层内缝槽间距4 m，工作面前方煤层群可以整体卸压80%。

3) 现场应用表明：近距离多煤层通过割缝后，提高了煤层瓦斯抽采率，煤层预抽达标时间缩短约39 d，钻孔工程量减少700 m，钻孔数量减少35个，解决了近距离煤层群石门揭煤防治煤与瓦斯突出工作量大、危险性高的问题。