CO2爆破技術(shù)在煤礦開(kāi)采中的問(wèn)題及對(duì)策

李可心

摘 要：CO2爆破技術(shù)是替換炸藥，安全應(yīng)用于高瓦斯礦井新一代爆破技術(shù)。為加速發(fā)展及應(yīng)用，對(duì)CO2爆破技術(shù)在煤礦開(kāi)采領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行分析探索，提出建立評(píng)估系統(tǒng)，開(kāi)展學(xué)科建設(shè)，降低生產(chǎn)成本的解決方式。

關(guān)鍵詞：CO2爆破技術(shù)；煤礦開(kāi)采；現(xiàn)狀；問(wèn)題；對(duì)策

中圖分類號(hào)：TD 421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7312（2017）02-0231-04

Abstract：The Carbon dioxide blasting technology is a newgeneration technique which can replace the traditional explosives and be applied safely in high gassy mine.For the purpose of its own acceleration in development and application，the paper first focused on the following researches：an analysis on the applications of carbon dioxide blasting technology in the field of coal mine，the establishment of the evaluation system；and then put forth to carry out the discipline construction and figure out some solutions to reducing production cost.

Key words：carbon dioxide blasting technology；coal mining；current situation；problems and difficulties；strategies and solutions.

由于煤礦開(kāi)采特性，爆破一直采用威力猛的炸藥，爆破過(guò)程產(chǎn)生的高溫和火焰在高瓦斯礦井容易產(chǎn)生煤塵與瓦斯爆炸，而我國(guó)礦井多屬高瓦斯類型，這為煤礦開(kāi)采帶來(lái)很大的潛在的安全隱患。CO2爆破技術(shù)是替換炸藥，通過(guò)液態(tài)CO2受熱迅速氣化膨脹，對(duì)外做功。爆破時(shí)無(wú)煙、無(wú)火花，無(wú)明火，避免引發(fā)瓦斯爆炸，是目前國(guó)際普遍肯定的瓦斯礦井爆破新型技術(shù)。液態(tài)CO2爆破，作用時(shí)間為毫秒級(jí)，釋放的CO2氣體具有降溫、阻燃、阻爆作用，不產(chǎn)生一氧化碳和氮氧化物等有毒有害氣體，有益礦井安全生產(chǎn)和井下施工人員安全。

液態(tài)CO2爆破技術(shù)最早由美國(guó)埃多克斯公司開(kāi)發(fā)，早期用于管道清堵和大型儲(chǔ)罐管壁清理，采石場(chǎng)大規(guī)模開(kāi)挖，因其安全性高，易控制，在其他爆破領(lǐng)域也獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展完善，目前已經(jīng)在歐美國(guó)家的采礦業(yè)、隧道工程、市政工程、水下爆破等領(lǐng)域進(jìn)行廣泛推廣和應(yīng)用。

1 CO2爆破技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

CO2爆破技術(shù)是利用液態(tài)CO2瞬間汽化產(chǎn)生的膨脹力進(jìn)行爆破，它與傳統(tǒng)的炸藥爆破相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)。

1）爆破過(guò)程無(wú)花火外露；

2）低壓起爆（9 V），相比傳統(tǒng)起爆（1 800 V）更安全；

3）不產(chǎn)生具有破壞性的震蕩或震波，減少了誘發(fā)瓦斯突出的幾率；

4）不需要進(jìn)行驗(yàn)炮，爆破后變可進(jìn)入，可連續(xù)作業(yè)；

5）不存在啞炮處理困難的問(wèn)題，啞炮處理安全、簡(jiǎn)單；

6）爆破威力在100～300 MPa之間可進(jìn)行調(diào)控，爆破方向可控。

技術(shù)用途寬廣，前景廣泛，在高瓦斯、突出礦井低透氣性煤層中克服了炸藥深孔預(yù)裂的弊端，傳承了預(yù)裂抽采效果好的優(yōu)點(diǎn)。因此，完全可以代替炸藥進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破。

在煤礦領(lǐng)域可應(yīng)用于以下方面。

1）低透煤層強(qiáng)化瓦斯抽采；

2）區(qū)域消突；

3）局部消突；

4）沖擊地壓解危；

5）采面強(qiáng)制放頂；

6）放頂煤工作面頂煤弱化；

7）上隅角瓦斯治理；

8）煤倉(cāng)清堵；

9）采煤；

10）掘進(jìn)；

11）煤炭自然處理等。

在非煤礦山領(lǐng)域可應(yīng)用于以下方面。

1）采石場(chǎng)采石；

2）水泥、鋼鐵廠清淤清堵；

3）特殊地點(diǎn)爆破；

4）市政工程；

5）隧道爆破；

6）水下爆破；

7）礦山巷道掘進(jìn)；

8）定向爆破等。

近年來(lái)由于炸藥事故頻發(fā)，國(guó)家有關(guān)單位對(duì)炸藥的生產(chǎn)、流通、使用都做出了嚴(yán)格的規(guī)范以及監(jiān)管。2015年2月國(guó)家安全監(jiān)管總局國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)《煤礦井下爆破作業(yè)安全管理九條規(guī)定》和《煤礦井下爆炸材料安全管理六條規(guī)定》的通知，杜絕煤礦在達(dá)不到安全標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下爆破以及使用未經(jīng)批準(zhǔn)的炸藥。

我國(guó)通過(guò)引進(jìn)與自行開(kāi)發(fā)研究CO2爆破技術(shù)，在多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行引進(jìn)與試驗(yàn)，更有企業(yè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功后，引進(jìn)CO2爆破技術(shù)。低透氣性煤層較難抽采難題，晉煤集團(tuán)趙莊礦南蘇風(fēng)井揭煤應(yīng)用CO2爆破技術(shù)來(lái)增加煤層透氣性，取得了良好的效果。2014年底晉煤集團(tuán)將該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用到煤礦立井揭煤代替火藥進(jìn)行爆破，在實(shí)施過(guò)程中無(wú)火花外露，提高了揭煤過(guò)程安全系數(shù)。

2 CO2爆破技術(shù)在煤礦開(kāi)采中應(yīng)用障礙

2.1 CO2爆破技術(shù)障礙

液態(tài)CO2爆破是能量轉(zhuǎn)移、相態(tài)變化的熱力學(xué)過(guò)程，與傳統(tǒng)炸藥建立的致裂增透技術(shù)不同，該技術(shù)建立在彈性、斷裂、巖石等力學(xué)理論基礎(chǔ)上，目前對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的很多機(jī)理還不清楚。由于引入時(shí)間短，相關(guān)研究開(kāi)發(fā)很少，國(guó)外的技術(shù)中國(guó)化水平有限，人們的認(rèn)知受到一定限制，增加了該技術(shù)推廣難度。

我國(guó)CO2爆破技術(shù)的研究還處于起步階段，相應(yīng)的技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)基本空白，數(shù)據(jù)來(lái)源嚴(yán)重不足。從進(jìn)行的試驗(yàn)和使用情況來(lái)看，該技術(shù)的應(yīng)用效果得到了比較廣泛的肯定，但從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，技術(shù)成熟度、可靠性都有待于證實(shí)與確定，再加上信息不暢等因素，嚴(yán)重制約該技術(shù)工業(yè)化、商業(yè)化進(jìn)程，致使參與試驗(yàn)與應(yīng)用的企業(yè)很少，無(wú)法形成市場(chǎng)。

目前，我國(guó)進(jìn)口產(chǎn)品主要是美國(guó)郎艾爾道克斯和德國(guó)某公司，在華銷售也僅為2～3套，售價(jià)每套高達(dá)人民幣800萬(wàn)元。近年來(lái)煤科總院參照國(guó)外產(chǎn)品對(duì)此項(xiàng)技術(shù)展開(kāi)研究，于2013年申報(bào)發(fā)明專利。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)企業(yè)主要有4家，其技術(shù)均源自煤科總院。煤炭科學(xué)研究總院2013年1月，研制開(kāi)發(fā)出我國(guó)第一代CO2開(kāi)采器專利產(chǎn)品，此后，陸續(xù)有北京天高智機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)公司、河北星云航天設(shè)備科技有限公司和郭溫賢、王坤研究開(kāi)發(fā)的開(kāi)采器及相關(guān)專利產(chǎn)品。但國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)企業(yè)主要有4家，其技術(shù)均源自煤科總院，國(guó)產(chǎn)設(shè)備售出量?jī)H為30套左右，且主要應(yīng)用于采石開(kāi)采及市政方面，在煤礦開(kāi)采中應(yīng)用范圍有限。

2.2 未形成體系，推廣難度大

CO2爆破技術(shù)作為一個(gè)較新的應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)現(xiàn)存的技術(shù)數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)資料、軟件開(kāi)發(fā)資源及相關(guān)技術(shù)專業(yè)人才資源都十分匱乏，領(lǐng)域內(nèi)更是缺少相應(yīng)的技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)交流。國(guó)內(nèi)各類大中專院校課程鮮有涉獵，技術(shù)培訓(xùn)無(wú)法開(kāi)展；相關(guān)教育、質(zhì)量等部門也沒(méi)有制定相應(yīng)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。CO2爆破技術(shù)理論體系化建設(shè)目前從理論到實(shí)踐都未形成，其推廣應(yīng)用受到阻礙。

從市場(chǎng)角度來(lái)看，我國(guó)生產(chǎn)的CO2爆破設(shè)備型號(hào)單一，爆破威力有限，設(shè)備操作較為復(fù)雜且工作量大，自動(dòng)化程度較低，難以滿足各個(gè)行業(yè)的不同需求。目前CO2爆破主要應(yīng)用個(gè)別大型煤礦的開(kāi)采，應(yīng)用層面也很單一，主要在巖層和煤層的爆破、工作面巷道三角區(qū)懸頂?shù)奶幚硪约霸诠艿馈⒘蟼}(cāng)堵塞時(shí)的爆破排堵。

2.3 CO2爆破技術(shù)商業(yè)化成本較高

作為新型的煤層增透技術(shù)，CO2爆破技術(shù)具有爆破不產(chǎn)生火花、壓力可控、易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。但該技術(shù)在商業(yè)化市場(chǎng)運(yùn)作層面卻受到經(jīng)濟(jì)成本過(guò)大，投資效益低的障礙。

1）CO2開(kāi)采器灌裝、接線、封孔等環(huán)節(jié)步驟繁瑣，效率較低。與傳統(tǒng)爆破相比，CO2開(kāi)采器爆破價(jià)格相對(duì)昂貴。傳統(tǒng)炮爆破價(jià)格約為1元/m3，CO2開(kāi)采器爆破價(jià)格約為2～3元/m3，性價(jià)比偏低，爆破成本高。

2）CO2開(kāi)采器爆破威力小，設(shè)備操作工作量大。爆破管串聯(lián)深度淺，對(duì)工作面平整度及懸空面陡峭度要求較高，開(kāi)采速度慢，且設(shè)備安裝、測(cè)量、充氣、拆卸等操作工作量較大。

3）CO2開(kāi)采器雖然不屬于民用危險(xiǎn)爆炸品的范圍，但其在生產(chǎn)、制造、使用等環(huán)節(jié)仍然存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

爆破管在生產(chǎn)環(huán)節(jié)過(guò)程中，需要對(duì)每一根爆破管進(jìn)行壓強(qiáng)為270 MPa的密封性油壓試驗(yàn)，用以檢驗(yàn)爆破管是否合格，不合格的爆破管在試驗(yàn)過(guò)程中有可能會(huì)發(fā)生炸裂的風(fēng)險(xiǎn)。

CO2中毒是長(zhǎng)時(shí)間處于低濃度CO2環(huán)境中或突然進(jìn)入高濃度CO2環(huán)境中引起，情況嚴(yán)重時(shí)可使人缺氧窒息死亡。由于產(chǎn)品灌裝的是液態(tài)CO2，在灌裝作業(yè)前需要CO2沖洗管路，甚至在極端情況下CO2存儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，都會(huì)引起CO2濃度的增高，人在此環(huán)境下工作存在安全隱患。

2.4 管理平臺(tái)建設(shè)滯后，制度銜接不完善

近年來(lái)，國(guó)家安全監(jiān)管總局國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)《煤礦井下爆破作業(yè)安全管理九條規(guī)定》和《煤礦井下爆炸材料安全管理六條規(guī)定》，全國(guó)各地均制定了支持兩項(xiàng)目規(guī)定的實(shí)施方案。但是，禁止煤礦在達(dá)不到安全標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下使用爆破，杜絕使用未經(jīng)批準(zhǔn)的炸藥時(shí)，并未有成熟替代技術(shù)和產(chǎn)品來(lái)替換炸藥，也沒(méi)有對(duì)已有安全的采礦方式建立行之有效的政策監(jiān)管平臺(tái)，致使很多礦山因?yàn)檎ㄋ幈仆Υ蟆⒆饔妹停鴮医恢梗覈?guó)大多數(shù)煤礦屬于高瓦斯井，安全環(huán)境很不適合炸藥爆破，所以近些年礦難事故發(fā)生時(shí)有發(fā)生，造成嚴(yán)重的人員傷害。

3 推進(jìn)CO2爆破系統(tǒng)在煤礦開(kāi)采利用的建議及對(duì)策

3.1 開(kāi)展CO2爆破技術(shù)評(píng)估，建立法律法規(guī)保障平臺(tái)

科技進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，在提高生產(chǎn)力和為人類帶來(lái)福祉的同時(shí)也導(dǎo)致環(huán)境污染、安全事故、資源消耗等系列問(wèn)題，利用炸藥爆破開(kāi)采煤炭已成為影響安全的嚴(yán)重掣肘，而這種影響還會(huì)在一定階段存續(xù)。為了有效推進(jìn)CO2爆破技術(shù)在煤礦開(kāi)采業(yè)的運(yùn)用，解決其在煤礦開(kāi)采利用中的障礙，逐步實(shí)現(xiàn)CO2爆破產(chǎn)品推廣應(yīng)用，建議政府有關(guān)部門組織科研院所、高校及應(yīng)用企業(yè)聯(lián)合對(duì)CO2爆破技術(shù)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，科學(xué)定位其技術(shù)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)效用。

為更好地推廣安全、具有技術(shù)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的爆破開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用，建立和完善礦區(qū)商業(yè)安全生產(chǎn)制度，不僅要從制度的設(shè)計(jì)、推廣和落實(shí)、再到監(jiān)督及管理等方面努力，更要完善相關(guān)配套制度建設(shè)和法律銜接。此外，應(yīng)結(jié)合礦山開(kāi)采現(xiàn)有基礎(chǔ)，逐步制定技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范CO2環(huán)境下生產(chǎn)流程，確保人員的安全。

對(duì)使用該技術(shù)的企業(yè)，適當(dāng)給予補(bǔ)助和政策優(yōu)惠，為CO2爆破技術(shù)在礦山開(kāi)采創(chuàng)造有利的條件和環(huán)境。

3.2 增加CO2爆破技術(shù)的研究力量，開(kāi)展系統(tǒng)學(xué)科建設(shè)

盡管國(guó)內(nèi)一些設(shè)計(jì)院、研究所、高校及一些礦山企業(yè)在CO2爆破領(lǐng)域進(jìn)行研究、開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)應(yīng)用，但設(shè)計(jì)、制造及實(shí)施應(yīng)用一般處于獨(dú)立運(yùn)作的狀態(tài)，各方集成化研發(fā)程度低，缺乏合作，致使研究力量薄弱，研究成果與產(chǎn)品匱乏。政府作為導(dǎo)向，應(yīng)為相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、高等院校及企業(yè)提供政策和經(jīng)費(fèi)支持，科技部、財(cái)政部及能源系統(tǒng)應(yīng)引導(dǎo)鼓勵(lì)科企、校企合作與交流。研發(fā)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新化、標(biāo)準(zhǔn)化，生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、規(guī)范化，最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)模化推廣利用的產(chǎn)業(yè)鏈。

學(xué)科建設(shè)是具有戰(zhàn)略性的基礎(chǔ)建設(shè)，教育部應(yīng)將CO2爆破技術(shù)納入礦山安全生產(chǎn)學(xué)科建設(shè)。通過(guò)教育理論的主導(dǎo)作用，使礦山安全生產(chǎn)，CO2爆破理論和技術(shù)不斷發(fā)展，也為該學(xué)科推廣應(yīng)用培養(yǎng)各類人才。

3.3 降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)安全采礦能力提升

通過(guò)組織科研院所、高校與企業(yè)共同合作，對(duì)CO2爆破技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性研發(fā)，通過(guò)突破關(guān)鍵技術(shù)奠定商業(yè)化、工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。從目前研究發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，CO2爆破設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)將向系列化，自動(dòng)化，定量化、集成化發(fā)展，采用新技術(shù)、新材料、新工藝是降低成本重要因素。如將整個(gè)爆破系統(tǒng)集成于集裝箱內(nèi)，方便運(yùn)輸，就地操作；根據(jù)不同需要，調(diào)節(jié)爆破威力；使用高壓閥門取代破裂片，使用電加熱替代藥劑加熱管；爆破管安裝與打孔機(jī)集成一體化等。

總之，CO2爆破技術(shù)在采礦安全領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，它的使用可以替代炸藥，保障安全生產(chǎn)。CO2開(kāi)采器雖然屬于起步階段，但因容量大，其安全生產(chǎn)不容忽視，而通過(guò)政府導(dǎo)向，科企、校企聯(lián)合研究、開(kāi)發(fā)、推廣，可以大大提升采礦安全。

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（責(zé)任編輯：王 強(qiáng)）