基于低透氣性煤層的二氧化碳爆破增透技術試驗研究

孫珍平

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧省撫順市，113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧省撫順市，113122)

抽采煤層瓦斯是治理礦井瓦斯的治本措施，但由于受煤層自身透氣性和煤層自然條件的限制，抽采原始煤層瓦斯效率甚低，特別是低透氣性煤層瓦斯抽采技術仍是世界各國在積極攻關解決的技術難題。面對低透氣性煤層難抽采的問題，大部分礦井因缺乏抽采技術手段而處于被動局面，只能是靠增大巷道斷面提高風量、降低煤炭產量等措施維持生產，嚴重制約了煤礦企業的經濟發展。為提高低透氣性煤層瓦斯抽采率，降低煤層瓦斯涌出，保證礦井安全生產，開展低透氣性煤層瓦斯抽采增效技術研究已是當務之急。

1 理論研究

1.1 爆生氣體致裂作用

二氧化碳爆破增透機理為液態二氧化碳在引爆管的媒介作用下瞬間使得二氧化碳被氣化，體積瞬間膨脹，使該作用力作用在煤體上，當該空間內的壓力達到臨界值時，使得煤體間的裂隙被撐開，煤體裂隙充分發育，達到增加煤體裂隙的目的。液態二氧化碳瞬間釋放的能量極大，產生極強的應力波，周圍的煤體均被破壞，周圍煤體的應力平衡被打破，應力將會重新分布，在此過程中煤體出現的是塑性變形，并伴隨著諸多裂隙產生。

當液態二氧化碳被瞬間氣化，產生的能量作用在煤體表面時，在應力波的沖擊下，煤體的表面會形成一個類似于圓的應力分布范圍，如圖1所示。圖中pm可以近視認為是二氧化碳作用在圓心處的動壓；pr可以看作壓力分布區域范圍內各點的壓力，且這些點的壓力隨著距壓力分布區域中心的徑向距離的增大而減小，直至壓力變為零。

圖1 煤體表面受力分布情況圖

用量綱法對二氧化碳產生沖擊范圍內各點的壓力pr進行分析，其計算公式為：

式中：λ——量綱為1的徑向距離；

R——二氧化碳射流最大半徑，m；

r——二氧化碳射流最小半徑，m；

pm——近視認為是二氧化碳作用在圓心處的動壓，MPa；

pr——壓力分布區域范圍內各點的壓力，MPa。

量綱為1的函數f(λ)應滿足以下邊界條件：

(3)

根據泰勒公式和上式計算得到：

f(λ)=13λ2+2λ3

(4)

因為二氧化碳爆破具有軸對稱性，將式(1)和式(2)代入式(4)中積分得：

(5)

式中：ρ——二氧化碳的密度，kg/m3；

Q——二氧化碳射流流量，m3/s；

v——二氧化碳射流速度，m/s；

α——常數。

同時，裂隙發育范圍內，在爆炸應力波和二氧化碳沖擊波雙重力作用下，二氧化碳氣體順著裂隙方向進入煤體，從而使得煤體的裂隙進一步張開，使得煤體裂隙重復發育，這樣極大地提高了煤體的透氣性。

1.2 二氧化碳氣體驅替置換作用

煤體的形成過程中，在煤體內部會產生大量的發育成熟的裂隙，而裂隙中存在一些氣體，如甲烷、二氧化碳等，具有一定的吸附能力，根據試驗研究，煤體對氣體的吸附能力不盡相同，煤體對二氧化碳的吸附能力最強，甲烷次之，氮氣最弱。因此，當二氧化碳進入煤體后，對煤體中吸附的甲烷具有競爭驅替作用，使得甲烷被擠出，實現增透的目的。

由于在煤體形成過程中，伴隨著瓦斯等氣體的產生，對煤體進行二氧化碳爆破后，煤體中的瓦斯等氣體被二氧化碳氣體置換出來，由式(6)可以得出，當二氧化碳進入煤體后，煤體的空間總體積一定，總氣體量增加，從而甲烷等原始氣體的壓力下降，進而使得煤體中甲烷被解析出來，使得煤體達到新的壓力平衡。

(6)

式中：V1——甲烷在p1下的吸附量，m3/t；

a1——甲烷的吸附常數，m3/t；

b1、b2——甲烷的吸附常數，MPa-1；

p1——甲烷的分壓力，MPa；

p2——二氧化碳的分壓力，MPa。

2 現場試驗

2.1 試驗區概況

本次試驗區選擇在大斗溝礦20321工作面進行。20321工作面主要開采石炭紀二疊系山2#煤層，煤層厚度為0～6.18 m，平均厚度為2.12 m。煤層傾角為3°～12°，工作面傾向長度200 m，煤種為1/3焦煤和氣煤，礦井產量150萬t/a，煤層賦存較穩定，結構較簡單，區域內大部分可采，試驗區距離切眼200 m，試驗區內無斷層。區域內瓦斯含量2.2 m3/t,煤層透氣性系數0.0233 md，瓦斯衰減系數為0.0695 d-1。

2.2 試驗鉆孔布置

本次試驗分兩個區域進行。第一處試驗區域：在20321工作面回風巷道距離切眼300 m范圍內，布置6個單排抽采鉆孔，鉆孔間距為4 m，鉆孔深度為100 m，鉆孔直徑為89 mm，開孔高度距底板1.5 m，鉆孔編號為1#～6#，在抽采鉆孔中間施工一個二氧化碳增透爆破孔，鉆孔參數和抽采孔參數一致；第二處試驗區域：在第一處試驗區域往切眼方向100 m處施工6個單排抽采孔，鉆孔間距為6 m，其余鉆孔參數和第一處試驗鉆孔參數一致，鉆孔編號為7#～12#，同時也在抽采鉆孔中間施工一個二氧化碳增透爆破孔，鉆孔參數和抽采孔參數一致。試驗區域一、二位置及鉆孔布置如圖2所示。對于二氧化碳增透爆破孔，現場施工采用人工方式將二氧化碳爆破筒送入煤壁，每節爆破筒的長度為1.5 m，在爆破筒的端頭設有螺紋，將爆破筒之間通過螺紋進行連接。

圖2 試驗區位置圖

3 爆破前后抽采效果對比分析

爆破前后瓦斯濃度監測數據見表1。爆破間距為4 m、6 m時爆破前后瓦斯濃度與純量變化如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，致裂爆破后，在抽采孔與爆破孔之間的煤體形成裂紋，宏觀考察抽采孔的單孔瓦斯抽采濃度、瓦斯流量和純量提高效果非常顯著，爆破后單孔瓦斯抽采純量提高6倍左右，鉆孔瓦斯抽采濃度提高5倍左右，在致裂爆破后的160 min后鉆孔瓦斯濃度衰減的較明顯；個別抽采孔的瓦斯濃度明顯高于其他的抽采孔，這是因為煤體屬于不均勻介質，各相不同性，在爆破的過程中裂隙發育的也不均勻，有些抽采孔濃度偏高說明該抽采孔裂隙發育較好，所以抽采效果明顯。

表1 爆破前后瓦斯濃度監測 %

注：表中負值表示爆破前，正值表示爆破后

圖3 抽采孔1#～6#(孔間距4 m)在爆破前后瓦斯抽采效果圖

圖4 抽采孔7#～12#(孔間距6 m)在爆破前后瓦斯抽采效果圖

由圖4可以看出，致裂爆破后單孔瓦斯抽采效果比較明顯，現場考察的結果表明，9#抽采孔的效果有所降低，但爆破后總體單孔瓦斯抽采純量提高4倍左右，鉆孔瓦斯抽采濃度提高4倍左右，在裂爆爆破后的120 min后瓦斯濃度衰減的較明顯。

同時通過表1的對比分析，1#～12#抽采孔的抽采濃度、純量等可以得出如圖3和圖4同樣結果，說明對于該礦2#煤層二氧化碳爆破在短時間內有明顯的效果。

4 結論

(1)通過理論分析，研究了二氧化碳爆破增透技術的作用機理，為低透氣性煤層增透提供了理論基礎。

(2)在20321工作面回風巷道進行二氧化碳爆破增透試驗，通過對孔間距分別為4 m、6 m和爆破前的抽采孔研究，孔間距為4 m處的抽采孔瓦斯抽采濃度提高至5倍，抽采純量提高至6倍，160 min后瓦斯濃度衰減明顯；孔間距為6 m處的抽采孔瓦斯抽采濃度提高至4倍，抽采純量提高至4倍，120 min后瓦斯濃度衰減明顯。說明對于該煤礦2#煤層二氧化碳爆破在短時間內有明顯的效果。

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