二氧化碳炮增透防突技術研究

廖文濤

摘 要：二氧化碳炮增透是二氧化碳氣化產生物理爆炸，改變鉆孔周邊煤體物理力學特征，使一定范圍內的煤體卸壓，產生并擴展煤體原始裂隙和初始裂隙，形成瓦斯運移通道；同時高濃度的二氧化碳與瓦斯競爭吸附，煤體瓦斯加快解析，瓦斯含量降低。試驗表明：礦井采用二氧化碳炮增透后，鉆孔抽采瓦斯流量提高1.2～5.3倍，有效抽采影響半徑提高。

關鍵詞：二氧化碳炮；鉆孔抽采瓦斯流量；增透；有效抽采影響半徑

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A

0.引言

我國煤礦開采水平每年以10m～20m的速度向深部延伸，礦井地應力、瓦斯含量及瓦斯壓力不斷增大，煤層瓦斯災害日趨嚴重。中國多數煤層具有非均質性、低壓力、低滲透率和低含氣飽和度等特點。煤層屬于非貫通裂隙巖體，內部存在大量不同尺度水平上的裂隙與孔洞，屬于極其不連續“各向異性”非彈性的損傷材料，力學特性非常復雜。特別是松軟低透高瓦斯、突出煤層瓦斯吸附力強、解析速度慢，瓦斯在煤層中運移困難，常規抽采鉆孔內瓦斯流量小，抽采效果差。

高瓦斯、突出礦井瓦斯災害防治的治本措施是瓦斯抽采。強化抽采防突技術核心是如何加大瓦斯抽采量，降低煤層瓦斯含量、瓦斯壓力，使煤層卸壓，改變煤體物理力學特征。

1.二氧化碳炮增透機理

二氧化碳炮增透利用二氧化碳在溫度高于31℃或壓力低于7.35MPa時，瞬間（20ms內）氣化急劇膨脹（最高可達600多倍）產生高壓氣體（最高可達270MPa），當壓力達到致裂器爆破片極限強度（可設定）時，致裂器爆破片破斷，高壓氣體釋放切割鉆孔壁煤體和高效滲透，鉆孔煤壁周邊一定范圍內發生破裂變形，同時在爆炸應力波和CO2共同作用下，煤體原有裂隙得以擴展，增加煤體裂隙，直至裂隙內氣體壓力與煤體應力達到動態平衡，裂隙停止擴展。

煤體對不同氣體的吸附能力不同，煤體對CO2的吸附能力大于CH4，當CO2氣體進入煤體后，將驅替置換出一定的CH4氣體，這部分CH4氣體即從吸附態轉化為游離態。

CO2炮在爆破鉆孔周圍形成大量透氣性高、裂隙發育的區域，且CO2氣體置換出一定的CH4氣體，使爆破鉆孔周邊一定范圍內煤體得到充分的卸壓，大量地吸附瓦斯解析出來并得以抽采，降低了煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，達到安全高效抽采瓦斯的目的。

2.二氧化碳炮試驗研究

2.1試驗礦井概況

試驗煤礦位于貴州省畢節市金沙縣。該礦可采煤層4層，現主采9號煤，煤厚平均為2.84m，煤層平均瓦斯含量為12.55 m3/t。礦井為突出礦井。

2.2 試驗方案

2.2.1試驗情況

試驗主要考察二氧化碳炮前后鉆孔自然瓦斯涌出規律、煤層透氣性等。試驗地點在礦井采煤工作面回風巷，礦井設計抽采半徑為1.5m。試驗在回風巷煤壁上布置均為順層爆破孔，實際施工情況如圖1所示。鉆孔孔徑為75mm，孔深100m。試驗嚴格按照事先編制的試驗施工組織及安全技術措施進行。

2.2爆破前后鉆孔瓦斯涌出規律

鉆孔初始瓦斯涌出強度q0與鉆孔瓦斯流量衰減系數a有如下關系：

qt=q0e-at （1）

式中：qt—t時刻鉆孔瓦斯流量，m3/min；q0—t=0時刻鉆孔瓦斯流量，m3/min；a—鉆孔瓦斯流量衰減系數，d -1；t—鉆孔抽采瓦斯時間，d。

爆破前對兩個鉆孔的瓦斯涌出量進行測試，爆破前G1孔的自然瓦斯涌出量為0.067 m3/min。G1孔在爆破兩小時后檢測到提示抽采影響半徑的足量濃度的示警SF6氣體，說明此時影響半徑在4.5m以上，G1孔爆破前鉆孔抽采瓦斯流量q（m3/min）與時間t（天）的擬合結果為q=0.1047e-0.2936t。此后，對該鉆孔進行9天的觀測，鉆孔抽采瓦斯流量q（m3/min）與時間t（天）的擬合結果為q=0.439e-0.078t，爆破前鉆孔瓦斯涌出衰減系數為aq=0.2936d-1，爆破后鉆孔瓦斯涌出衰減系數為ah=0.078 d-1，爆破后鉆孔瓦斯涌出衰減系數是爆破前的0.27倍；爆破后鉆孔抽采瓦斯流量平均為0.399m3/min，比爆破前增大了4.97倍。

同時，G2孔在爆破4小時后檢測到提示抽采影響半徑的足量濃度的示警SF6氣體，則說明此時影響半徑在5.3m以上。G2孔爆破后鉆孔抽采瓦斯流量增加5.3倍，并且鉆孔瓦斯涌出衰減系數減小1.53倍，爆破后瓦斯抽放總量大幅增加。

結論

試驗礦井通過二氧化碳炮使鉆孔周邊煤體裂隙得到擴展，增加了瓦斯流動通道。爆破強化增透過程中，爆破無炮煙，不產生有毒氣體。

（1）二氧化碳炮后9號煤層鉆孔抽采瓦斯流量衰減明顯減小，鉆孔抽采瓦斯流量增大1.2～5.3倍。爆破后鉆孔瓦斯可抽性強，工作面抽采時間縮短。

（2）二氧化碳炮后瓦斯抽采總量增加明顯。礦井采用二氧化碳炮增透技術后，9號煤層采煤工作面抽采鉆孔數量減少大量的工程量，縮減了施工周期，抽采效果優于爆破前，安全可靠，有積極的經濟和社會效益。

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