煤矿瓦斯灾害一直以来都是威胁煤矿井下安全的第一杀手。根据相关统计数据,自1949年以来,瓦斯灾害导致百人身亡的灾难性事件多达20余起。纵观建国以来的煤矿安全史,瓦斯灾害及瓦斯灾害诱发的重大及特别重大煤矿安全事故时有发生,瓦斯灾害事故尚未得到彻底的根治。为了有效防治瓦斯事故,煤与瓦斯突出灾害防治理论、技术和工程历来都是国家科技重大研究领域的热点。我国煤炭资源量大,但其透气性普遍很低。据有关部门统计,我国93.4%的煤矿可采的是松软煤层,其透气性系数大都小于0.05mD,故而在生产过程中发生瓦斯事故的可能性非常高。近年来,随着“先抽后采”政策的应用以及技术的逐渐成熟,在获得煤炭、煤层气两种能源的同时,对于瓦斯的治理又出现了新的问题,那就是寻找一种在瓦斯含量高,但透气性低的煤层中既能扩大瓦斯抽采范围,又能提高瓦斯抽采率的方法。重庆市中梁山矿区煤层瓦斯含量高、透气性低、煤层f值较低,且煤层为近距离急倾斜薄煤层群,使得其瓦斯抽采难度较大,技术要求较高。本文以中梁山南矿为研究对象,对其煤层的瓦斯赋存条件以及现有抽采方案进行深入分析,同时本着提高瓦斯抽采量、减小瓦斯突出事故风险的原则,展开了快速高效瓦斯抽采理论、技术及设备的研究以及工程应用工作,在水力增透瓦斯抽采技术、装备及工程应用方面取得了创新成果,亦成为本论文核心研究成果。本论文的创新点主要在于借助高压水的动力效应(气蚀、振动、冲击等)诱发煤层应力场及矿岩裂隙发育的动态进程,加速提高高瓦斯煤层的裂隙发育,增大煤层透气性,进而为煤层瓦斯抽采创造有利条件;结合中梁山南矿瓦斯灾害防治工程实践,系统开展了高压水射流割缝与水力压裂在近距离、急倾斜、低透气性薄煤层群中的动力效应及瓦斯灾害控制技术研究;通过理论分析与数值模拟两种方法,推演了高压水射流割裂技术的作用方式,分析水压作用下煤体中的固、液、气三相耦合特性,研究应力场与裂隙场的动态演化规律,从而确定了高压水射流割裂、水力压裂的动力效应以及煤层中的瓦斯运移规律与其透气性之间的动态关系;通过对透气性较差的煤层中的高压水射流割裂技术与水力压裂卸压增透技术的研究,从而实现瓦斯抽采及灾害防治技术成功地应用在中梁山南矿瓦斯灾害防治工程中。论文的主要研究成果如下:一、定向水力压裂机理研究在测定中梁山南矿煤体基本参数的基础上,分析了高压水对煤层的压力致裂机理,揭示了煤层卸压增透的动力学效应。首先明确了水力压裂中钻孔起裂对压裂裂隙控制设计的重要性,而后以此为依据,按照钻孔注水压裂过程的两个主要步骤(钻孔、注水)分别分析了钻孔后的围岩体的应力分布形态,再根据煤体中布置的注水压力孔的不同位置,阐明了考虑煤层厚度和钻孔偏差角情况下的穿层钻孔的起裂原理。二、高压水射流割缝增透原理研究通过采集中梁山南矿煤样,并测定其物理力学特性,结合流体力学、损伤力学等理论基础,分析了中梁山南矿通过采用高压水射流割缝增透的方法提高抽采效率的作用原理:煤体在高压水射流作用下产生割缝,同时发生拉压变形以及剪切变形,使得煤体产生损伤破坏,导致原本存在于煤体中的裂隙发生扩张现象,同时又使煤体产生新的破坏裂隙,降低了地应力,从而既提高煤体的透气性系数,又增大了煤体的暴露面积,有利于吸附在煤体上的瓦斯发生解吸,变为游离态的瓦斯,提高了煤层瓦斯的抽采效率。三、高压水射流割缝关键参数与瓦斯抽采效果研究在测定中梁山南矿煤体基本参数的基础上,合理分析了高压水射流割缝水力参数,根据crow切割理论,对影响水射流切缝深度的主要因素进行了深入的分析,主要有两个:其一,水力参数(包括射流压力和喷嘴直径),其二,切割条件(包括喷嘴横移速度和重复切割次数)。通过理论分析瓦斯预抽孔有效抽采半径的影响因素,确定了有效抽采半径的试验方法,并在中梁山南矿进行了高压水射流割缝后钻孔抽采半径考察试验,现场考察的结果表明:在25mpa割缝压力下,计算出压水射流割缝半径可达1.57m,自然排放半径可达4.58m,瓦斯抽采有效半径可达9.14m,瓦斯极限抽采时间约为10个月,在误差允许范围内和现场考察结果基本一致。四、水力增透技术的现场试验研究与工程管理创新在分析了高压水对煤层的压力致裂机理基础上,将水力压裂技术及中梁山现有的压裂设备能够应用于中梁山低透气突出煤层的瓦斯抽采。压裂效果表明:采用brw31.5/200型乳化泵在泵压24~27mpa,40min~70min的条件下压裂范围可达15m~25m;采用bzw-200/50型乳化泵泵压35mpa~40mpa,80min~100min条件下压裂范围可达70m~100m。水力压裂技术能够适用于中梁山的煤层,并能取得的较好的抽采效果。进行定向水力压裂试验后,瓦斯预抽孔终孔间距增加了1倍,大幅减少了钻孔工程量,平均单孔瓦斯抽放纯量提高了925%;平均抽采浓度提高了80%,且能进行长时间的瓦斯抽采。每次压裂过程中,乳化泵都处于满流量负荷状态,每次压裂注入水量差异不大,南矿最大压裂半径达到70m,而北矿最小压裂半径仅为10m,中梁山南矿的压裂效果明显比北矿好。通过比较分析南、北矿压裂试验区域地质条件可知,南矿试验区域地质条件相对较好,试验区域内断层、裂隙较少,煤层起裂之后能沿着导向缝槽延展,注入水量流失较少。因此,在选择压裂区域时,应首选地质条件较好的区域。中梁山现有的压裂设备(BZW200/50乳化泵、KJR19×6S-63MPa高压管、高压流量表等)、封孔工艺等基本满足现有的压裂需求。在测定中梁山南矿煤体基本参数的基础上,开发出适用于中梁山矿区的高压水射流割缝工艺。现场工程应用表明:中梁山南矿140NEC4-C5抽采巷,高压水射流割缝孔累计抽采瓦斯量原始钻孔的4.41倍,高压水射流割缝孔平均标准抽采纯量为原始钻孔的4.2倍,达到预期抽采纯量提高50%的目标。中梁山北矿70NEC3和南矿-20NWC0石门钻场,应用高压水射流辅助石门揭煤后,钻孔数量减少40%以上。对比中梁山南矿、北矿水力压裂效果及实验区域煤层地质条件分析得出,对于地质条件较差的区域,主要采取高压水射流割缝进行卸压增透,为今后开展急倾斜、近距离煤层群水力化工程措施总结了经验。按照国家相关的瓦斯抽采方针政策与规范,结合中梁山矿多年来的抽采实际工程经验,本论文总结并全面实施了适合急倾斜近距离薄煤层群的瓦斯抽采工程管理模式,即“密钻孔,严密封,综合抽,长期抽”十二字措施。五、瓦斯突出矿井防突预警技术与管理保障机制建立了中梁山南矿煤与瓦斯突出预警指标体系及预警模型,定制开发了系列专业软件系统,构建了中梁山南矿煤与瓦斯突出实时诊断与预警系统,并建立了预警系统运行保障机制。从而,实现了防突信息的自动化管理,突出灾害的实时监测、在线分析、智能预警,以及突出预警信息的局域网综合管理、即时发布与实时共享,达到煤与瓦斯突出危险性智能预警、辅助决策的目标,提高了矿井安全技术和防突管理水平。