封面基于本篇论文的学术思想，以煤层瓦斯抽采钻孔中可控冲击波装置在煤层中的致裂煤体效果为背景，辅以冲击波在煤体中的演化规律曲线，放大局部重点突出煤层基质中瓦斯运移规律，既展示了可控冲击波对煤体的作用方式，又展示了煤体冲击后促进煤层瓦斯解吸强化瓦斯抽采效果。
煤层气又称瓦斯，是诱发瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害的主要危险源，煤层瓦斯抽采是治理瓦斯问题的最直接有效的手段，抽采的瓦斯还可以当作清洁能源利用。随着煤炭开采深度增加，煤层渗透率普遍降低，严重影响了瓦斯抽采效率，对煤层进行有效的改造增透为保障煤矿安全生产的首要技术难题。许多学者发现通过高压放电产生冲击波对煤层进行增透可有效促进煤层瓦斯抽采，改变放电击穿介质可有效控制冲击波的能量大小，通过充能可在钻孔中进行多次致裂。可控冲击波致裂过程属于冲击物理过程，不需要注入过多的化学物质能够有效防止煤层二次污染，并且对比其他致裂技术施工工艺的时间和经济成本更低。目前，可控冲击波致裂煤层强化瓦斯抽采技术还处于试验阶段并没有大规模应用，本文从该技术的基本原理、实验研究、数值模拟和现场应用四个方面分析了现阶段研究进展，为煤层增透强化瓦斯抽采技术研究提供参考。
可控冲击波产生机理方面：可控冲击波技术根据电极间负载介质不同可分为三类：液电效应、金属丝爆炸和引爆金属丝激发含能材料。可控冲击波产生的两个重要过程：击穿介质相变过程（包括激发含能材料）和等离子通道膨胀过程。可控冲击波致裂煤层机理方面：可控冲击波致裂煤层主要依靠冲击波和气泡脉动共同作用，冲击波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、高弹性波扰动等作用于煤储层。气泡脉动会楔入已有裂隙中，同时其强大的膨胀作用还会推动钻孔中的水进入已有裂隙中，形成水楔作用，使裂隙进一步扩大。重复可控冲击波的施加，进一步造成煤储层力学性质疲劳效应。
图1 不同类型可控冲击波形成的物理过程
图2 可控冲击波致煤体机理
实验室实验主要研究不同因素对煤体致裂效果的影响，主要从冲击能量、冲击次数和地应力三个因素对可控冲击波致裂煤体效果进行分析。①冲击能量影响：煤层在冲击波强度超过阈值后出现损伤，可控冲击波的能量对压裂效果的影响存在一个最优范围，超载会对煤储层结构造成破坏，破碎后的煤粉会增加冲击波传播过程中的波阻抗和衰减，降低致裂增渗效果。②冲击次数影响：未超载时冲击波能量越高，煤体的裂纹数量越多，裂缝长度、宽度和面积越大。煤体损伤的积累与冲击次数成正比。③地应力影响：地应力会抑制冲击作用产生的裂隙的扩展，并且冲击波作用产生的裂隙优先沿最大主应力方向扩展。
当含瓦斯煤层受到可控冲击波作用时，将会诱发内部微裂纹萌生、扩展和贯通，煤体出现损伤破裂。损伤在造成煤体力学性能退化的同时，也会造成其渗透率的显著改变；此外，煤体力学强度和渗透率的变化将影响着瓦斯和水在煤体中的渗流行为，进而对煤体中有效应力和孔隙压力的分布造成影响；反过来，煤体应力和孔隙压力的改变会导致有效应力的变化，进而导致煤体内部损伤的进一步发展，这种渗流、应力和损伤之间相互影响、相互耦合的作用即为煤体应力-损伤-渗流耦合关系。
图3 煤体损伤-应力-渗流耦合关系
根据对现有的可控冲击波致裂煤层强化瓦斯抽采的现场试验数据进行分析，目前存在的问题如下：①可控冲击波增透钻孔布置方案需要进一步优化，布置两个相邻可控冲击波增透孔会在抽采初期出现了负压互拉现象，导致两个钻孔的抽采量呈相反的变化规律。②煤层条件与冲击强度、冲击次数的关系需要进一步研究，冲击力度过小会导致不能有效增透煤层，冲击力度过大会破坏煤体结构堵塞钻孔抑制瓦斯抽采。
可控冲击波致裂煤体强化瓦斯抽采技术兼具高效、绿色、低成本的优点，但在现场应用过程中还需要进一步研究。通过研制新型的含能材料种类，进一步提高可控冲击波的应用和降低工程成本。研究不同地质条件对可控冲击波致裂煤体强化瓦斯抽采技术的影响，优化增透钻孔设计方案，进一步提高可控冲击波技术的使用效率。
范超军，工学博士，教授，博士生导师，美国宾夕法尼亚州立大学访问学者。入选中国科协青年人才托举工程、辽宁省“兴辽英才”青年拔尖人才、辽宁省“百千万人才工程”万层次人选、全国矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才，获全国煤炭青年五四奖章、辽宁省优秀博士学位论文奖。担任International Journal of Coal Science & Technology科学编辑、Rock Mechanics Bulletin青年编委、Geohazard Mechanics青年编委、《煤炭科学技术》青年编委。致力于煤与瓦斯突出预测与防治、瓦斯（煤层气）强化抽采、CO2地质封存、废弃矿井资源开发等领域研究。主持国家自然科学基金（面上和青年项目）、中国博士后科学基金（特别资助和面上资助）、辽宁省自然科学基金重点项目以及企业合作项目14项。在Energy、Fuel《煤炭学报》《中国矿业大学学报》等刊物上发表论文69篇，其中第一或通讯作者发表SCI检索论文32篇（ESI热点2篇、高被引5篇），担任Fuel、Rock Mechanics and Rock Engineering等国内外30余个SCI期刊审稿专家；申请/授权发明专利24项，获省部级科技奖励9项，出版专著1部，起草已执行地方标准2部。
孙浩，在读博士生。本科毕业于福州大学，2024年获得辽宁工程技术大学工学硕士学位。参与国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金等课题7项，在International Journal of Coal Science & Technology、Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources、ACS Omega期刊发表SCI检索论文3篇。致力于煤层注气驱替和卸压增透强化瓦斯抽采等方面的研究。
引用格式：Fan, C., Sun, H., Li, S. et al. Research advances in enhanced coal seam gas extraction by controllable shock wave fracturing. Int J Coal Sci Technol 11, 39 (2024). https://doi.org/10.1007/s40789-024-00680-2
