二氧化碳致裂技術在煤礦安全生產(chǎn)中的應用

張 健

（貴州省安全生產(chǎn)科學研究院，貴州 遵義 563000）

0 引言

1 二氧化碳致裂器的主要結(jié)構(gòu)

二氧化碳致裂器主要包含以下幾個部分：

（1）灌裝閥。致裂器結(jié)構(gòu)中的灌裝閥是在二氧化碳進入儲液罐之后打開，當二氧化碳輸送達到一定量時，為了避免溢出，就會直接關閉灌裝閥。

（2）發(fā)熱裝置。主要幫助二氧化碳致裂器中的液體二氧化碳提升熱量，直接將液體汽化成氣體。

（3）儲液罐。主要用于二氧化碳的存儲，由耐高壓與耐高溫的材料共同合成。如果儲液罐內(nèi)的氣體壓力高于材料的剪切壓力，就會導致定壓剪切片快速破裂，以達到控制儲液罐之中氣體壓力的作用?？梢酝ㄟ^選擇定壓剪切片規(guī)格的方式控制儲罐的壓力。

（4）釋放管。當定壓剪切片出現(xiàn)破裂時，使高壓氣體瞬間噴出的元件就被稱為釋放管。

2 二氧化碳致裂器的工作原理

二氧化碳致裂器的工作原理為：二氧化碳放置在31℃環(huán)境下或者是壓力超過7.35MPa時就會以液態(tài)的形式存在，如果氣溫高于31℃，那么二氧化碳就會從液態(tài)直接轉(zhuǎn)變成氣態(tài)。基于二氧化碳的這一特點，在爆破器的主管中充裝液態(tài)二氧化碳，通過發(fā)爆器快速激發(fā)加熱裝置，讓液態(tài)的二氧化碳瞬間氣化并且膨脹產(chǎn)生高壓，一旦壓力達到爆破極限強度（可以預先設定），定壓剪切片就會出現(xiàn)破裂，高壓氣體從放氣頭釋放出來直至爆破。二氧化碳致裂器也會利用連續(xù)性的連接模式，來滿足多個定點的爆破需求。

以縱坐標表示靈敏度，橫坐標表示1-特異度，繪制ROC計算AUC。HE4的AUC為0.877(P<0.05)，CA125的AUC為0.646(P<0.05),ROMA指數(shù)的AUC為0.969(P<0.05)，ROMA指數(shù)的診斷準確度最高。

3 二氧化碳致裂技術特點分析

通過分析二氧化碳致裂技術，發(fā)現(xiàn)它主要有致裂壓力可調(diào)控、安全性良好、操作簡單、致裂成本低等幾方面特點。

（1）致裂壓力可調(diào)控。

按照煤層實際的硬度與厚度，通過不同規(guī)格定壓剪切片來對二氧化碳的相變致裂壓力進行控制，就能滿足不同煤層的需求[1]。

（2）安全性好。

致裂過程本身是讓二氧化碳從液態(tài)逐漸相變到氣態(tài)的過程。相變本身屬于物理過程，不會有火花產(chǎn)生，同時這也是一個吸熱降溫的過程。在常溫下，二氧化碳屬于不可燃、不助燃的氣體，能夠防范瓦斯的引爆，并且在使用期間不會存在有毒有害氣體，在致裂起爆之后的震動也較小，不會出現(xiàn)揚塵。

（3）操作簡單。

在整個操作中主要包含了成孔、送入、連線撤人、爆破和取出等多個環(huán)節(jié)，致裂爆破過程中不需要驗炮，并且操作相對簡單和方便。

（4）致裂成本低。

二氧化碳致裂器的組成材料包含了二氧化碳、墊片、發(fā)熱裝置等，可以滿足重復使用的要求，并且重復次數(shù)超過3000次，所以成本耗費較少[2]。

4 二氧化碳致裂在巷道掘進消突中的應用

為了更好的分析煤礦安全生產(chǎn)中二氧化碳致裂技術的使用，針對巷道的掘進消突中二氧化碳致裂技術的應用進行探討，希望可以滿足其安全生產(chǎn)的要求。

4.1 礦井概況

本煤礦的工作面選擇走向長壁綜合機械化的采煤工藝，利用垮落法管理頂板。另外，工作面選擇U型通風系統(tǒng)。

本次研究將152掘進巷道作為主要的研究對象，利用二氧化碳的相變致裂技術來實現(xiàn)煤層的預裂增透，實現(xiàn)抽采方式的優(yōu)化，并且通過強化抽采效果，滿足巷道安全掘進的要求。

4.2 實施方案

（1）試驗目的。

針對井下實際測得的煤層和瓦斯的參數(shù)，其最終測定結(jié)果，見表1。

表1 煤層透氣性系數(shù)以及流量衰減系數(shù)Tab.1 Permeability coefficient of coal seam and gas flow attenuation coefficient

通過表1可以看出，在實測數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)煤層抽采的透氣性一般，并且抽采效果不夠好。將煤層152的膠帶下山煤巷掘進工作面作為研究對象，針對200m的煤層巷道應用了二氧化碳的爆破增透技術，通過爆破工藝提升其煤層的透氣性，同時也可以在掘進方向上實現(xiàn)充分卸壓，最終幫助煤層巷道提升預抽鉆孔的抽采效率，這樣就可以達到快速掘進的目的[3]。

（2）鉆孔設計。

在152膠帶下山煤巷的迎頭斷面中心按照煤層傾角設置爆破孔，其孔深為60m，開孔高度1.5m，孔徑94mm，在孔的四周設置4個瓦斯防控，孔深30m，孔徑為75mm[4]。

4.3 抽采效果考察

（1）驗證方法。

在驗證中選擇鉆屑指標法：第一，在工作面實施深孔預裂爆破之后，通過人工觀測抽采鉆孔以及排放鉆孔的外絲變化情況，在進行1～3天的操作后進行檢驗，等待達標后方可進行掘進，并且在每一個循環(huán)中保持10m的超前安全掘進距離；第二，對于煤巷掘進工作面的危險性臨界值，可以選擇鉆屑指標法來進行分析，見表2。

表2 參考臨界值Tab.2 Reference limit

將Δh2測定值同參考值進行比較，如果測定值比臨界值小，但是沒有任何異常情況，就表示屬于無危險工作面；但是如果測定值大于等于臨界值，就直接判定為危險工作面，需要利用相對應的措施做好瓦斯的抽采或者是增設鉆孔。

（2）爆破效果分析。

爆破之后的鉆孔瓦斯?jié)舛忍嵘?～3倍，其中3#排放孔因為爆破直接引起了巨大的轟爆效應，導致爆破之后的孔口位置上出現(xiàn)了塌孔[5]。

液態(tài)的二氧化碳在0.2s之內(nèi)完成爆破，并且轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)二氧化碳之后，其體積會直接膨脹794倍，而煤體對于二氧化碳的吸附能力是CH4的2～3倍。就宏觀表現(xiàn)來看：鉆屑解吸的指標上升主要是因為在鉆屑解析的氣體中包含致裂二氧化碳氣體，在經(jīng)過爆破之后，其吸附量增大。等待爆破致裂之后，二氧化碳氣體會從爆破孔中隨著巷道的風流排出。

通過巷道回風流瓦斯?jié)舛茸兓那闆r來看，二氧化碳爆破可以提升掘進工作面瓦斯的排放率以及抽采效率[6]。

通過上述分析：本煤礦利用二氧化碳爆破增透工藝，可以有效解決低滲透煤層預抽效率低下的問題，并且在掘進工作面中爆破也能夠有效的解決應力相對集中以及外絲壓力富集主導煤和瓦斯突出的問題，進而滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)論

總而言之，二氧化碳致裂器工藝自20世紀50年代初步被正視，是專門為礦山開采、采石裂巖、巖體預裂、高瓦斯礦井的采煤工作面研發(fā)的。因其安全、高效、操作便利的特點很快被用于礦山、采石場、水泥、鋼鐵行業(yè)。

由于傳統(tǒng)的爆破方式會耗費大量的人力物力，并且在作業(yè)過程之中存在極大的安全隱患，還可能出現(xiàn)瓦斯爆炸問題，而利用先進的二氧化碳致裂技術可以有效的解決這一部分問題，不但能增強生產(chǎn)的安全性，同時可以有效杜絕瓦斯爆炸，讓操作更加安全、簡單。希望通過對二氧化碳致裂技術的應用分析，能夠滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求，并且對于今后二氧化碳致裂器的使用也有一定的借鑒意義。