CO2爆破增透技術(shù)在福達(dá)煤業(yè)煤巷掘進(jìn)中的應(yīng)用

李瑞林

(山西安標(biāo)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，山西 太原 030031)

福達(dá)煤業(yè)15號煤層為低滲透高瓦斯煤層，抽采難度大，為實(shí)現(xiàn)巷道安全快速掘進(jìn)，采用二氧化碳預(yù)先爆破增透技術(shù)，在巷道掘進(jìn)前，首先施工二氧化碳爆破孔，將液體二氧化碳爆破管置入孔內(nèi)進(jìn)行預(yù)裂爆破，增加煤層的透氣性以及瓦斯釋放量，提高抽放效率，為巷道快速掘進(jìn)創(chuàng)造安全可靠的作業(yè)環(huán)境。

1 理論分析

二氧化碳在常溫下呈氣態(tài)，首先利用高壓泵將氣態(tài)二氧化碳壓入爆破管，爆破管的一端安裝二氧化碳活化器(內(nèi)置低壓引爆裝置)[1].在掘進(jìn)工作面施工爆破孔后，將爆破管裝入爆破孔并封孔，連接啟爆器接通啟爆電流，引爆二氧化碳活化器從而引發(fā)爆破管內(nèi)二氧化碳在毫秒級的時間內(nèi)從液態(tài)極速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積在瞬間擴(kuò)脹高達(dá)3個以上數(shù)量級，爆破管內(nèi)氣體壓力瞬間飆升，當(dāng)氣體壓力超過爆破管極限抗壓強(qiáng)度時，爆破管破斷，高壓二氧化碳?xì)怏w瞬間從管內(nèi)釋放，并產(chǎn)生強(qiáng)大的爆轟波，爆轟波作用于煤體，使煤體內(nèi)原始裂隙極速擴(kuò)展延伸并產(chǎn)生大量新的裂隙，從而達(dá)到預(yù)裂爆破效果，整個爆破過程瞬間內(nèi)即可完成。其原理示意圖見圖1.

圖1 CO2致裂器工作原理示意圖

2 工作面概況

福達(dá)煤業(yè)15號煤層結(jié)構(gòu)簡單，整體為一單斜構(gòu)造，走向NNE，傾向NW，煤層直接頂以細(xì)質(zhì)砂巖為主，局部為泥巖，基本頂為細(xì)質(zhì)砂巖；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。選擇在15號煤層膠帶運(yùn)輸巷進(jìn)行CO2預(yù)裂爆破，15號煤層膠帶運(yùn)輸巷長度800 m，巷道底板標(biāo)高850～900 m，沿西北方向掘進(jìn)，掘進(jìn)坡度7°左右。膠帶運(yùn)輸巷沿15號煤層頂板掘進(jìn)，矩形斷面，錨網(wǎng)支護(hù)，掘進(jìn)斷面寬4.5 m，巷高3.1 m，掘進(jìn)斷面積13.95 m2.該工作面附近發(fā)育有3條正斷層，且周圍伴生次一級小型構(gòu)造、裂隙。根據(jù)瓦斯基本參數(shù)測定結(jié)果，15號煤層透氣性系數(shù)為1.17 m2/MPa2·d，百米鉆孔初始瓦斯流量0.041 m3/min，屬于可抽放煤層。15號煤層膠帶運(yùn)輸巷測定的可解吸瓦斯含量為3.57～4.75 m3/t，原始瓦斯含量為5.15～6.69 m3/t.具體參數(shù)見表1，表2.

表1 15號煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定結(jié)果表

表2 15號煤層膠帶運(yùn)輸巷煤層瓦斯含量實(shí)測結(jié)果表

3 二氧化碳爆破增透方案實(shí)施

3.1 方案設(shè)計(jì)

15號煤層膠帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面250 m內(nèi)，每掘進(jìn)60 m進(jìn)行一次二氧化碳預(yù)裂爆破，進(jìn)行瓦斯參數(shù)測定[2].掘進(jìn)面每次共施工鉆孔5個，其中1個爆破孔，4個排放孔，孔徑均選擇d94 mm.爆破孔位于迎頭斷面中心位置，孔深60 m，鉆孔方向與煤壁呈90°垂直。在爆破孔四周均勻布置4個排放孔，分上下兩排，排距2 m,每排兩孔，孔距2 m.4個排放孔深度均為62 m，鉆孔方向沿煤層呈外斜12.5°布置，終孔位置外偏巷道輪廓線左右各10 m，鉆孔布置見圖2，3.選擇在掘進(jìn)工作面檢修時進(jìn)行二氧化碳預(yù)裂和鉆孔施工，這樣可以減少對掘進(jìn)面生產(chǎn)的影響，使瓦斯在檢修與生產(chǎn)時均勻釋放，降低生產(chǎn)時瓦斯涌出峰值。

圖2 二氧化碳致裂爆破增透鉆孔布置正視圖

圖3 二氧化碳致裂爆破增透鉆孔布置俯視圖

3.2 掘進(jìn)工作面爆破效果分析

進(jìn)行二氧化碳預(yù)裂爆破后，膠帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面迎頭爆破前后煤壁外觀結(jié)構(gòu)圖見圖4.對爆破孔和4個排放孔爆破前后抽采瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)測，瓦斯?jié)舛茸兓瘮?shù)值見表3.

圖4 膠帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面迎頭爆破前后煤壁變化對比圖

從表3可以看出，無論是爆破孔，還是瓦斯排放孔，其瓦斯?jié)舛仍谶M(jìn)行二氧化碳預(yù)裂后均發(fā)生了明顯的變化，孔內(nèi)瓦斯?jié)舛染黾又猎瓉淼?.5～2.75倍。

表3 膠帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面二氧化碳預(yù)裂瓦斯?jié)舛葴y定表

二氧化碳預(yù)裂前后局部瓦斯預(yù)抽鉆孔瓦斯?jié)舛燃俺椴闪繉φ找妶D5，6.

從圖5,6分析得出，通過液態(tài)二氧化碳預(yù)裂爆破增透技術(shù)的應(yīng)用，15號煤層膠帶運(yùn)輸巷瓦斯達(dá)到高度釋放，預(yù)裂孔與排放孔瓦斯?jié)舛染撸變?nèi)瓦斯抽采總量得到增加，抽采濃度得到提升，抽采效果明顯改善。

圖5 預(yù)裂前后局部瓦斯預(yù)抽鉆孔總抽采濃度對比圖

圖6 預(yù)裂前后局部瓦斯預(yù)抽鉆孔總抽采純量對比圖

分析其原因[3]：1)通過二氧化碳預(yù)裂，使煤層中原始裂隙得到了擴(kuò)展、延伸和增加，加大了瓦斯釋放空間。2)通過預(yù)裂作用，破壞了瓦斯的賦存狀態(tài)，打破了煤層中瓦斯的吸附-解釋平衡，使大量吸附態(tài)的瓦斯解吸為游離態(tài)。3)由于煤層對二氧化碳的吸附作用大于瓦斯，預(yù)裂產(chǎn)生的大量氣態(tài)二氧化碳被煤層裂隙表面吸附，占據(jù)了瓦斯得以吸附的煤層孔隙表面，減弱了游離態(tài)的瓦斯被煤層吸附的可能，從而增加了孔內(nèi)空間瓦斯含量，致使瓦斯抽采量及抽采濃度增加。4)隨著預(yù)裂的結(jié)束，預(yù)裂產(chǎn)生的裂隙逐漸閉合，孔內(nèi)氣體也得以大量釋放，孔隙中二氧化碳濃度降低，使得瓦斯解吸速度也隨之下降，導(dǎo)致預(yù)裂孔和排放孔內(nèi)瓦斯?jié)舛戎饾u下降，直至達(dá)到新的瓦斯涌出平衡。

通過數(shù)據(jù)分析可以看出，相比預(yù)裂前，進(jìn)行液態(tài)二氧化碳預(yù)裂爆破后，孔內(nèi)瓦斯抽采效果明顯提高1.45～2.8倍。說明采用二氧化碳爆破增透技術(shù)，可以明顯提高掘進(jìn)巷道過程中瓦斯預(yù)抽量，增強(qiáng)抽采效果較為明顯，縮短預(yù)抽時間，提高了掘進(jìn)速度。

4 結(jié) 論

1)采用二氧化碳預(yù)裂爆破增透技術(shù)，能夠大幅提升原始煤層孔隙率，提升煤層透氣性。

2)二氧化碳預(yù)裂爆破增透技術(shù)可以在常規(guī)鉆孔瓦斯抽采的基礎(chǔ)上，將瓦斯抽采效果提高1.45～2.8倍。通過強(qiáng)化抽采后，可以大幅降低預(yù)裂范圍煤層掘進(jìn)期間的瓦斯涌出量，為掘進(jìn)工作面正常施工提供安全可靠的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。

3)預(yù)裂后，巷道掘進(jìn)生產(chǎn)期間預(yù)抽鉆孔控制范圍內(nèi)煤層瓦斯涌出量大幅降低，而工作面檢修期間瓦斯涌出量相對增加，實(shí)現(xiàn)了15號煤層膠帶運(yùn)輸巷瓦斯均勻溢出、瓦斯涌出峰值降低、峰值時間可控，提高了巷道掘進(jìn)安全保障程度和掘進(jìn)速度。

4)二氧化碳預(yù)裂爆破，不產(chǎn)生火花，勞動強(qiáng)度底，作業(yè)時間短，對巷道掘進(jìn)影響小，施工安全可靠，適用于低滲透高瓦斯煤層巷道快速掘進(jìn)。通過在福達(dá)煤業(yè)15號煤層膠帶運(yùn)輸巷中的應(yīng)用實(shí)踐證明，煤巷掘進(jìn)速度可提高到原來的1.5倍左右，其經(jīng)濟(jì)效益可觀，社會效益明顯，具有較好的推廣應(yīng)用價值。