CO2相變爆破增裂技術在煤巷順層預抽鉆孔中的應用

牛德草

（河南能源化工集團貴州豫能投資有限公司黔金煤礦，貴州 畢節 551700）

0 引言

瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理的主要技術手段，通過對煤層內的瓦斯進行超前預抽，不僅能夠防止煤炭開采過程中發生瓦斯災害事故，還能將抽采出的瓦斯作為能源加以利用，減少瓦斯排放造成的環境污染[1]。但在低透氣性煤層內進行瓦斯抽采過程中，抽采效率低、成本高是該類煤層瓦斯治理的主要難題。我國大部分井田煤層均屬低透氣性煤層，解決低透氣性煤層的瓦斯抽采主要技術手段是增透卸壓抽采，通過多年來的現場研究實踐，產生諸如深孔爆破、穿層鉆孔水力沖孔、水力割縫、開采保護層等增透卸壓技術[2]，并在全國大范圍礦井實施，取得了較好效果，但這類技術在實施過程中存在治理周期長、成本高、達不到預期效果等難題，對礦井安全生產、經濟效益、采掘接替等造成較為嚴重的影響。為不斷提高煤層瓦斯抽采技術水平，需不斷優化、更新低透氣性煤層的增透卸壓技術。近年來，隨著CO2相變爆破增裂機理的研究，將CO2相變爆破增裂技術納入低透氣性煤層的瓦斯抽采是一種新的實踐方法，采用CO2相變爆破增裂法具有成本低、預抽效果好、安全系數高等特點[3]，該技術通過在常村煤礦1213回風順槽現場實踐后取得了良好效果。

1 CO2相變爆破增裂原理及特點

1.1 CO2相變爆破增裂技術原理

CO2相變爆破增裂技術是將液態下的CO2經加熱致快速膨脹，瞬間產生高壓氣體形成氣爆，致使煤巖體產生炮震裂隙，從而達到增加煤巖體透氣性及卸壓的目的[4]。

煤巷順層預抽鉆孔CO2相變爆破增裂技術原理，是在已施工的煤巷順層預抽鉆孔內放入多個CO2爆破管，并將爆破管發熱片連接至外部電起爆器，起爆期間發熱片瞬間加熱，爆破管中的液態CO2在10～30 ms內壓力劇增至20～60 MPa，高壓液態CO2沖破定壓剪切片迅速轉化為氣態，體積膨脹600多倍，瞬間釋放的氣體膨脹能使鉆孔周邊煤巖體致裂，從而增加煤巖體透氣性，提高瓦斯抽采效率。

1.2 CO2相變致爆過程

CO2氣體在一定的高壓下可轉變為液態，通過高壓泵將液態的CO2壓縮至圓柱體容器（爆破筒）內，并裝入破裂片、導熱棒和密封圈，擰緊合金帽即完成爆破前的準備工作。將爆破管和電起爆器及電源線攜至爆破現場，把爆破管插入鉆孔中固定后，連接起爆器電源。當微電流通過高導熱的發熱片時，產生高溫擊穿安全膜，瞬間將液態CO2氣化，急劇膨脹產生高壓沖擊波致泄壓閥自動打開形成爆破。

1.3 CO2相變爆破的特點與優勢

1）安全。CO2屬于非易燃易爆的惰性氣體，爆破過程就是體積膨脹的過程，屬物理爆破，液態CO2體積膨脹過程會吸收大量的熱量，能有效降低致裂范圍內的煤巖體溫度，爆破后不產生任何有害氣體，不產生電弧和電火花，比傳統化學爆破更安全。因CO2相變爆破過程屬相變膨脹的物理爆破，在卸壓增透方面彌補了水力沖孔、水力割縫和深孔爆破致裂增透方面的缺陷，且不會將煤巖體過度粉碎，不致過度破壞煤體骨架的完整性，降低爆破誘導煤與瓦斯突出的概率。

2）高效。CO2相變爆破從起爆至結束整個過程只需30 ms，爆破準備時間短，組裝、充裝操作簡單,且爆破后不需要驗炮即可進人，有效提高工作效率。

3）便捷：在灌注二氧化碳之前所有材料皆非爆品，減少繁雜的報批審核程序和相應的管理限制。通過不同的CO2填充量,更換不同型號的定能泄壓片和發熱片可控制膨脹系統的工作壓力,從而適應不同的工作環境，可適用于鉆孔卸壓瓦斯抽采、煤巷快速掘進、綜采面提前放頂等工作環境。

2 工程概況

常村煤礦主采3號煤層，煤層均厚6.73 m，煤層原始瓦斯壓力0.65 MPa，原始瓦斯含量6.85～7.53 m3/t，煤層透氣性系數0.16～11.35 m3/(MPa2·d)，屬典型高瓦斯、低透氣性煤層，瓦斯抽采難度大，常規抽采方法效率較低。

1213回風順槽位于-325水平12采區中部，巷道設計工程量830 m，巷道標高-278～-307 m，地面標高+425～478 m，巷道埋深712～775 m。巷道采用綜合機械化掘進，36U型鋼架棚支護，棚距600 mm，斷面寬5.6 m，高3.5 m，凈斷面16.2 m2。巷道掘進期間瓦斯治理方法為迎頭先抽后掘、鉆場內持續抽采。掘進期間，因局部瓦斯含量較高，采用常規預抽鉆孔抽采瓦斯效率較低，預抽時間較長，導致月單進水平較低（預抽鉆孔深度80 m，保留20 m超前距后，循環允許掘進距離60 m，迎頭停掘施工預抽鉆孔+預抽時間平均為8 d，每月1.5個預抽循環，月平均進尺90 m），巷道頂底板柱狀圖如圖1所示。

圖1 巷道頂底板柱狀圖

3 鉆孔布置及抽采方案

3.1 鉆孔布置方案

根據工作面防突措施要求，預抽鉆孔需控制掘進巷道前方不小于60 m、兩側各不小于30 m范圍，同時根據預抽鉆孔影響半徑及CO2相變爆破致裂影響半徑（6～8 m），共設計3個預抽孔用于超前煤層賦存探測及瓦斯預抽，另設計5個CO2相變爆破增裂孔用于瓦斯抽采，鉆孔布置方案如下（見圖2）：

圖2 鉆孔布置平面圖

1）鉆場及抽采鉆孔布置：為減少掘進迎頭停掘進行瓦斯抽采的時間，在每個掘進循環（60 m）掘進到位后，在迎頭向后5、10 m處巷道兩側各施工一個鉆場，鉆場深度4.5 m，支護規格同主巷一致，2個鉆場前后錯位5 m布置（避免應力集中）。在1號鉆場內布置1號抽采孔、4號增裂抽采孔，在2號鉆場內布置2號抽采孔、5號增裂孔。

2）迎頭抽采鉆孔布置：迎頭布置1個抽采孔（3號）、3個增裂孔（1、2、3號）。

3）鉆孔孔深80～95 m，鉆孔直徑113 mm，采用兩堵一注封孔法，封孔長度12 m。鉆孔參數見表1。

表1 鉆孔參數

3.2 鉆孔施工及抽采方案

為提高鉆孔施工及抽采效率，迎頭停掘后，立即掘進2個鉆場，鉆場掘進期間，采用2部鉆機施工迎頭1個抽采孔及3個增裂孔。先施工抽采孔，探清前方煤層賦存情況后，再施工3個增裂孔，鉆孔施工完畢后，立即對抽采孔進行封孔、聯網抽放，對3個增裂孔采用CO2相變爆破增裂技術進行增裂后封孔、聯網抽放。2個鉆場施工完畢后，均先施工抽采孔，再施工增裂孔后進行CO2相變爆破增裂、封孔、聯網抽放。鉆孔封孔期間必須保證封孔效果，并安裝匯流管、孔板，便于抽采期間測量抽采參數。

采用CO2相變爆破增裂期間，每個增裂孔內安裝8根CO2爆破管，從里向外每隔8～10 m固定1根，孔口以里12 m范圍內不得放置爆破管（封孔段不增裂）。單孔含液態CO20.8 kg，每次進行1個增裂孔CO2相變爆破，經計算CO2相變爆破后巷道回風流最高CO2濃度為0.5%，遠低于巷道內CO2濃度不得超過1.5%的規定，滿足安全施工要求。

4 數據觀測及效果對比

為分析采用CO2相變爆破增裂技術后的抽采效果，統計持續預抽7d內的普通預抽鉆孔和增裂孔瓦斯濃度及瓦斯純量，對比2種鉆孔的抽采效果，并統計采用CO2相變爆破增裂技術后的掘進進度情況。

4.1 抽采數據觀測

將抽采期間每天的數據變化情況繪制成曲線圖進行對比分析，圖3為7 d內瓦斯抽采濃度變化曲線圖，圖4為7 d內瓦斯抽采純量變化曲線圖。

圖3 瓦斯抽采濃度變化曲線圖

圖4 瓦斯純量變化曲線圖

根據數據統計及圖3顯示結果可知：采用CO2相變爆破增裂后的增裂孔瓦斯抽采濃度平均值均高于普通抽采孔。增裂孔最高瓦斯抽采濃度為57%，7d內平均瓦斯抽采濃度為47.3%。普通預抽孔最高瓦斯抽采濃度為46%，7 d內平均抽采濃度為35.2%，增裂孔平均瓦斯抽采濃度是普通預抽孔的1.3倍。

根據數據統計及圖4顯示可知，采用CO2相變爆破后增裂孔瓦斯純量平均值均高于普通抽采孔。增裂孔最高瓦斯純量為0.413 m3/min，7d內平均純量0.326 m3/min。普通預抽孔最高瓦斯純量為0.315 m3/min，7d內平均瓦斯抽采濃度為0.215 m3/min，增裂孔平均瓦斯純量是普通預抽孔的1.5倍。

4.2 抽采效果及對掘進的影響

通過在1213回風順槽進行多個預抽循環的試驗下，對預抽鉆孔采用CO2相變爆破增裂技術后，預抽效率明顯提高。未采用CO2相變爆破增裂技術前，每循環鉆孔預抽時間需7d，每月1.5個預抽循環，月平均掘進尺90 m。采用CO2相變爆破增裂技術后，每循環鉆孔預抽時間降為4d，每月完成2個預抽循環，月平均進尺達到120 m，有效提高了單進水平。

5 結論

1）CO2相變爆破增裂技術因屬物理爆破，不產生火花且爆破吸熱，不產生有毒有害氣體，對煤層增裂效果好，抽采效率高，是煤巷順槽鉆孔瓦斯抽采中技術先進、安全、效果顯著的爆破增裂技術。

2）采用CO2相變爆破增裂技術的鉆孔瓦斯抽采濃度是普通預抽鉆孔的1.3倍，瓦斯純量是普通預抽鉆孔的1.5倍，有效提高了瓦斯抽采效率。

3）提高了瓦斯抽采效率后，掘進進尺由每月90 m提高至120 m，有效提高了單進水平。