CO2爆破致裂技術(shù)在煤層注水工程中的應(yīng)用

白文信，殷衛(wèi)峰，王照東，王　濱，周連春，馬友魁

(1.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 蔣莊煤礦，山東 棗莊 277519；2.中煤科工集團(tuán)工程科技有限公司， 北京 100013；

3.神華烏海能源有限公司 老石旦煤礦，內(nèi)蒙古 烏海 016033)

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CO2爆破致裂技術(shù)在煤層注水工程中的應(yīng)用

白文信1，殷衛(wèi)峰2，王照東1，王濱2，周連春3，馬友魁3

(1.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 蔣莊煤礦，山東 棗莊 277519；2.中煤科工集團(tuán)工程科技有限公司， 北京 100013；

3.神華烏海能源有限公司 老石旦煤礦，內(nèi)蒙古 烏海 016033)

[摘要]針對蔣莊煤礦堅(jiān)硬煤層注水難的問題，為了提高注水滲透效率，引進(jìn)CO2爆破致裂技術(shù)，利用瞬間釋放高壓氣體，迫使煤層內(nèi)部封閉裂隙相互溝通，形成可使水滲透到煤體內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)的孔隙-裂隙網(wǎng)，從而起到提高煤層注水效率和軟化煤層的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用CO2爆破致裂技術(shù)后，鉆孔周邊有效松動(dòng)致裂范圍明顯增大，爆破致裂半徑增加3~5m，注水后煤層含水率提高了2%，有效解決了堅(jiān)硬煤層注水難的問題，從而提高了采煤效率、降低了開采過程中的粉塵率和煤機(jī)截齒的消耗量。

[關(guān)鍵詞]CO2爆破；致裂增透；煤層注水

[引用格式]白文信，殷衛(wèi)峰，王照東，等.CO2爆破致裂技術(shù)在煤層注水工程中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2015，20(6)：112-114.

俄羅斯、波蘭、澳大利亞等主要產(chǎn)煤國家都對CO2爆破致裂技術(shù)提高煤層注水效率進(jìn)行了相關(guān)研究，以期解決煤礦安全高效生產(chǎn)問題。俄羅斯和波蘭利用煤層注水，在軟化堅(jiān)硬煤層和防治煤與瓦斯突出方面取得顯著成效[1]。在我國，淮南顧橋礦綜采工作面采用短孔高壓注水軟化煤層，瓦斯涌出速度和降塵均降低50%；淮北蘆嶺礦綜采工作面采用淺孔注水，降塵率達(dá)到74%，注水后工作面前方卸壓帶加寬，有效防止工作面片幫、漏頂；靖遠(yuǎn)紅會(huì)一礦進(jìn)行了深孔爆破與動(dòng)壓注水相結(jié)合預(yù)處理堅(jiān)硬煤體試驗(yàn)，在工作面兩巷每間隔6m各布設(shè)長度68m和55m的超前爆破孔，兩孔間布設(shè)注水孔，單孔裝藥量76kg，注水后截煤速度提高1倍，截齒消耗量也明顯下降，有效地解決了堅(jiān)硬煤層注水困難的問題[2-6]。隨著我國對環(huán)保以及民用炸藥使用限制的高要求，CO2爆破致裂技術(shù)在我國許多煤礦得到了大力推廣應(yīng)用。本文以山東省棗莊市蔣莊煤礦為例，對CO2爆破致裂技術(shù)應(yīng)用于煤層注水工程進(jìn)行研究分析。

1工程概況

蔣莊煤礦主要煤系為下二迭山西組和上石炭統(tǒng)太原群，山西組含煤3層，分別為2煤層和3上、3下煤層，煤種屬1/3焦煤，堅(jiān)固性系數(shù)為2~3.5，屬中硬以上煤層。采煤方法為長壁后退式全部垮落采煤法，回采工藝為綜合機(jī)械化采煤。為改善工作面作業(yè)環(huán)境，提高煤炭產(chǎn)量，曾采用煤層注水弱化煤體措施，但由于煤體堅(jiān)硬、煤層節(jié)理裂隙不發(fā)育，煤體中裂隙較少，煤層透水性差，注水后無法在煤體中疏導(dǎo)流動(dòng)，不能在較大范圍內(nèi)濕潤煤體，通過刻槽法現(xiàn)場取樣測定，長孔注水的濕潤半徑不足1m，注水效果十分不理想。

2CO2爆破致裂技術(shù)

2.1CO2爆破致裂工作原理

CO2爆破致裂技術(shù)是利用液態(tài)CO2受熱氣化膨脹，快速釋放高壓氣體破斷巖石或落煤[7]。針對堅(jiān)硬煤層采煤與處理工藝，借助于CO2爆破技術(shù)，利用瞬間釋放高壓氣體，迫使煤層內(nèi)部封閉裂隙相互溝通，在煤層內(nèi)形成可使水滲透到煤體內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)的孔隙——裂隙網(wǎng)，旨在提高注水滲透率，提高注水弱化煤體效果，從根本上解決堅(jiān)硬煤層注水難的技術(shù)難題[8]。

2.2CO2爆破器產(chǎn)品介紹及使用方法

CO2爆破器是由CO2爆破管及起爆器(如電容式發(fā)爆器)2個(gè)主要部分組成的，如圖1所示；CO2爆破管結(jié)構(gòu)組成，詳見圖2。

圖1　CO2爆破器及起爆器

1—爆破管主體；2—充氣接口；3—起爆藥芯；4—放氣閥；5—止飛裝置；6—泄能片；7—爆破墊片；8—泄能墊片圖2　CO2爆破管結(jié)構(gòu)組成

如圖2所示，爆破前將一定量的液態(tài)CO2通過充氣接口2充入爆破管主體1，使用時(shí)把充裝好的爆破管置于鉆孔內(nèi)，將引炮線連接到放炮裝置上。通過電激勵(lì)爆破管內(nèi)的起爆藥芯3，使其迅速放熱給液態(tài)CO2，液態(tài)CO2在極短時(shí)間內(nèi)快速氣化，CO2氣體體積瞬間增大到原體積的600倍[9]。當(dāng)瞬間膨脹壓力達(dá)到定壓泄能片6的屈服壓力時(shí)，使其破斷，高壓氣體經(jīng)過放氣閥4作用到鉆孔壁，使鉆孔周圍煤體破裂，為防止爆破管向前沖出，在爆破器的外端頭安裝了止飛裝置5。

3CO2爆破預(yù)裂注水工業(yè)性試驗(yàn)

3.1中、深孔CO2爆破預(yù)裂工藝設(shè)計(jì)

如圖3所示，在選定的回采工作面進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)巷道內(nèi)每間隔10～20m同時(shí)對打爆破孔，相鄰的2個(gè)爆破孔之間打1個(gè)控制孔。在煤層條件一定時(shí)，隨著孔間距的增大，透氣性系數(shù)迅速降低，當(dāng)孔間距達(dá)到一定值時(shí)，透氣性已接近原始煤體，即孔間沒有形成新的裂隙，反之，當(dāng)孔間距減少時(shí)，透氣性迅速上升[10-11]。經(jīng)過CO2爆破試驗(yàn)考察得出合理的孔間距為5~10m。

圖3　鉆孔布置

中、深鉆孔的深度在30～50m之間，在鉆孔內(nèi)每根CO2爆破管之間的間距為5m，CO2爆破管之間用連接桿(圖4)連接，每根爆破管與連接桿的長度皆為1m。第1根CO2爆破管距孔口5m，根據(jù)鉆孔實(shí)際深度確定鉆孔內(nèi)布置CO2爆破管的數(shù)量。

1—CO2爆破管；2—連接桿；3—回風(fēng)巷道圖4　CO2爆破器在鉆孔內(nèi)的布置

3.2試驗(yàn)效果分析

定壓泄能片的厚度決定儲液致裂器內(nèi)壓力范圍(80～200MPa)，當(dāng)致裂器內(nèi)壓力控制在80MPa左右時(shí)，爆裂出現(xiàn)裂痕范圍達(dá)到2.5m左右，裂痕分布均勻，裂痕寬度達(dá)到20mm；當(dāng)致裂器內(nèi)壓力控制在200MPa左右時(shí)，采煤面被拋出0.8m。試驗(yàn)中致裂時(shí)采用手搖式起爆器進(jìn)行引爆。致裂后，相比采用水膠炸藥爆破的煤體成塊效果好，拋出的煤量大且粉塵濃度小，200MPa時(shí)孔深10m，20m處致裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。

表1　3上606工作面材料巷73號孔10m處致裂注水記錄

表2　3上606工作面材料巷76號孔20m處致裂注水記錄

4結(jié)束語

(1)在相同致裂效果下，CO2爆破技術(shù)比傳統(tǒng)爆破布置炮眼少，預(yù)裂有效半徑提高了3~5m。

(2)采用CO2致裂技術(shù)，在鉆孔10m，20m處致裂注水的速率分別為1.5539725m3/h 和2.18133m3/h，注水后煤層含水率提高了2%。

(3)試驗(yàn)表明：在采煤過程中空氣中的粉塵濃度降低了62%以上，工作面環(huán)境得到極大改善，截齒消耗量降低了30%，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Application of CO2Blasting-fracture Technology in Coal-seam Water-injection Engineering

BAI Wen-xin1，YIN Wei-feng2，WANG Zhao-dong1，WANG Bin2，ZHOU Lian-chun3，MA You-kui3

(1.Jiangzhuang Colliery，Zaozhuang Mining(Group)Co.，Ltd.,Zaozhuang 277519，China；

2.Engineering Science & Technology Co.，Ltd.,China Coal Technology Engineering Group，Beijing 100013，China；

3.Laoshidan Colliery，Shenhua Wuhai Energy Co.，Ltd.,Wuhai 016033，China)

Abstract：In order to increase water-injection ratio in hard coalseam，CO2blasting-fracture technology was introduced into Jiangzhuang Colliery.High-pressure gas simultaneously released made closed fissure connect mutually and formed pore-fissure network through which water was permeated into coal，thus coalseam water-injection effect and efficiency was improved.Test results showed that effective loosing and fracturing range surrounding boreholes obviously increased，blasting-fracture diameter increased 3～5m，and water content of coal body increased 2% after CO2blasting.This technology effectively solved water-injection difficult problem，improved coal mining efficiency and reduced dust ratio and consumption of cutting pick.

Keywords：CO2blasting；fracturing for increasing permeability；coalseam water-injection

[作者簡介]白文信(1965-)，男，山東臨朐人，高級工程師，現(xiàn)任蔣莊煤礦總工程師，主要從事煤礦安全工作。

[基金項(xiàng)目]山東能源集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2012)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.030

[收稿日期]2015-04-29

[中圖分類號]TD713.33

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)06-0112-03