二氧化碳炮增透防突技術(shù)研究

廖文濤

摘 要：二氧化碳炮增透是二氧化碳?xì)饣a(chǎn)生物理爆炸，改變鉆孔周邊煤體物理力學(xué)特征，使一定范圍內(nèi)的煤體卸壓，產(chǎn)生并擴(kuò)展煤體原始裂隙和初始裂隙，形成瓦斯運(yùn)移通道；同時(shí)高濃度的二氧化碳與瓦斯競(jìng)爭(zhēng)吸附，煤體瓦斯加快解析，瓦斯含量降低。試驗(yàn)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(guān)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(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

我國(guó)煤礦開(kāi)采水平每年以10m～20m的速度向深部延伸，礦井地應(yīng)力、瓦斯含量及瓦斯壓力不斷增大，煤層瓦斯災(zāi)害日趨嚴(yán)重。中國(guó)多數(shù)煤層具有非均質(zhì)性、低壓力、低滲透率和低含氣飽和度等特點(diǎn)。煤層屬于非貫通裂隙巖體，內(nèi)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(xù)“各向異性”非彈性的損傷材料，力學(xué)特性非常復(fù)雜。特別是松軟低透高瓦斯、突出煤層瓦斯吸附力強(qiáng)、解析速度慢，瓦斯在煤層中運(yùn)移困難，常規(guī)抽采鉆孔內(nèi)瓦斯流量小，抽采效果差。

高瓦斯、突出礦井瓦斯災(zāi)害防治的治本措施是瓦斯抽采。強(qiáng)化抽采防突技術(shù)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(xué)特征。

1.二氧化碳炮增透機(jī)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(shí)，瞬間（20ms內(nèi)）氣化急劇膨脹（最高可達(dá)600多倍）產(chǎn)生高壓氣體（最高可達(dá)270MPa），當(dāng)壓力達(dá)到致裂器爆破片極限強(qiáng)度（可設(shè)定）時(shí)，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(nèi)發(fā)生破裂變形，同時(shí)在爆炸應(yīng)力波和CO2共同作用下，煤體原有裂隙得以擴(kuò)展，增加煤體裂隙，直至裂隙內(nèi)氣體壓力與煤體應(yīng)力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，裂隙停止擴(kuò)展。

煤體對(duì)不同氣體的吸附能力不同，煤體對(duì)CO2的吸附能力大于CH4，當(dāng)CO2氣體進(jìn)入煤體后，將驅(qū)替置換出一定的CH4氣體，這部分CH4氣體即從吸附態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)。

CO2炮在爆破鉆孔周圍形成大量透氣性高、裂隙發(fā)育的區(qū)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(nèi)煤體得到充分的卸壓，大量地吸附瓦斯解析出來(lái)并得以抽采，降低了煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，達(dá)到安全高效抽采瓦斯的目的。

2.二氧化碳炮試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)礦井概況

試驗(yàn)煤礦位于貴州省畢節(jié)市金沙縣。該礦可采煤層4層，現(xiàn)主采9號(hào)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(yàn)方案

2.2.1試驗(yàn)情況

試驗(yàn)主要考察二氧化碳炮前后鉆孔自然瓦斯涌出規(guī)律、煤層透氣性等。試驗(yàn)地點(diǎn)在礦井采煤工作面回風(fēng)巷，礦井設(shè)計(jì)抽采半徑為1.5m。試驗(yàn)在回風(fēng)巷煤壁上布置均為順層爆破孔，實(shí)際施工情況如圖1所示。鉆孔孔徑為75mm，孔深100m。試驗(yàn)嚴(yán)格按照事先編制的試驗(yàn)施工組織及安全技術(shù)措施進(jìn)行。

2.2爆破前后鉆孔瓦斯涌出規(guī)律

鉆孔初始瓦斯涌出強(qiáng)度q0與鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)a有如下關(guān)系：

qt=q0e-at （1）

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

爆破前對(duì)兩個(gè)鉆孔的瓦斯涌出量進(jìn)行測(cè)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(shí)后檢測(cè)到提示抽采影響半徑的足量濃度的示警SF6氣體，說(shuō)明此時(shí)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(shí)間t（天）的擬合結(jié)果為q=0.1047e-0.2936t。此后，對(duì)該鉆孔進(jìn)行9天的觀測(cè)，鉆孔抽采瓦斯流量q（m3/min）與時(shí)間t（天）的擬合結(jié)果為q=0.439e-0.078t，爆破前鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)為aq=0.2936d-1，爆破后鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)為ah=0.078 d-1，爆破后鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)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(shí)，G2孔在爆破4小時(shí)后檢測(cè)到提示抽采影響半徑的足量濃度的示警SF6氣體，則說(shuō)明此時(shí)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(shù)減小1.53倍，爆破后瓦斯抽放總量大幅增加。

結(jié)論

試驗(yàn)礦井通過(guò)二氧化碳炮使鉆孔周邊煤體裂隙得到擴(kuò)展，增加了瓦斯流動(dòng)通道。爆破強(qiáng)化增透過(guò)程中，爆破無(wú)炮煙，不產(chǎn)生有毒氣體。

（1）二氧化碳炮后9號(hào)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(qiáng)，工作面抽采時(shí)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(shù)后，9號(hào)煤層采煤工作面抽采鉆孔數(shù)量減少大量的工程量，縮減了施工周期，抽采效果優(yōu)于爆破前，安全可靠，有積極的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]韓金軒，楊兆中，李小剛，等.我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層壓裂現(xiàn)狀及其展望[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，14（3）：53-55.

[2]張志強(qiáng)，李寧，陳方方，等.非貫通裂隙巖體破壞模式研究現(xiàn)狀與思考[J].巖土力學(xué)，2009，30（S2）：142-148.

[3]程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香.中國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26（2）：127-139.

[4]楊宏民.井下注氣軀替煤層甲烷機(jī)理及規(guī)律研究[D].焦作：河南理工大學(xué)，2010.

[5]高遠(yuǎn)文，等.阜新煤田注二氧化碳提高煤層甲烷的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36（1）：19-24.

[6]夏德宏，張世強(qiáng).注CO2開(kāi)采煤層氣的增產(chǎn)機(jī)理及效果研究[J].江西能源，2008（1）：7-10.endprint