CO2相變爆破增裂技術(shù)在煤巷順層預(yù)抽鉆孔中的應(yīng)用

牛德草

（河南能源化工集團(tuán)貴州豫能投資有限公司黔金煤礦，貴州 畢節(jié) 551700）

0 引言

瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理的主要技術(shù)手段，通過對煤層內(nèi)的瓦斯進(jìn)行超前預(yù)抽，不僅能夠防止煤炭開采過程中發(fā)生瓦斯災(zāi)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(huán)境污染[1]。但在低透氣性煤層內(nèi)進(jìn)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(shù)手段是增透卸壓抽采，通過多年來的現(xiàn)場研究實(shí)踐，產(chǎn)生諸如深孔爆破、穿層鉆孔水力沖孔、水力割縫、開采保護(hù)層等增透卸壓技術(shù)[2]，并在全國大范圍礦井實(shí)施，取得了較好效果，但這類技術(shù)在實(shí)施過程中存在治理周期長、成本高、達(dá)不到預(yù)期效果等難題，對礦井安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益、采掘接替等造成較為嚴(yán)重的影響。為不斷提高煤層瓦斯抽采技術(shù)水平，需不斷優(yōu)化、更新低透氣性煤層的增透卸壓技術(shù)。近年來，隨著CO2相變爆破增裂機(jī)理的研究，將CO2相變爆破增裂技術(shù)納入低透氣性煤層的瓦斯抽采是一種新的實(shí)踐方法，采用CO2相變爆破增裂法具有成本低、預(yù)抽效果好、安全系數(shù)高等特點(diǎn)[3]，該技術(shù)通過在常村煤礦1213回風(fēng)順槽現(xiàn)場實(shí)踐后取得了良好效果。

1 CO2相變爆破增裂原理及特點(diǎn)

1.1 CO2相變爆破增裂技術(shù)原理

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

煤巷順層預(yù)抽鉆孔CO2相變爆破增裂技術(shù)原理，是在已施工的煤巷順層預(yù)抽鉆孔內(nèi)放入多個(gè)CO2爆破管，并將爆破管發(fā)熱片連接至外部電起爆器，起爆期間發(fā)熱片瞬間加熱，爆破管中的液態(tài)CO2在10～30 ms內(nèi)壓力劇增至20～60 MPa，高壓液態(tài)CO2沖破定壓剪切片迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，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(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，通過高壓泵將液態(tài)的CO2壓縮至圓柱體容器（爆破筒）內(nèi)，并裝入破裂片、導(dǎo)熱棒和密封圈，擰緊合金帽即完成爆破前的準(zhǔn)備工作。將爆破管和電起爆器及電源線攜至爆破現(xiàn)場，把爆破管插入鉆孔中固定后，連接起爆器電源。當(dāng)微電流通過高導(dǎo)熱的發(fā)熱片時(shí)，產(chǎn)生高溫?fù)舸┌踩?，瞬間將液態(tài)CO2氣化，急劇膨脹產(chǎn)生高壓沖擊波致泄壓閥自動(dòng)打開形成爆破。

1.3 CO2相變爆破的特點(diǎn)與優(yōu)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(tài)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(nèi)的煤巖體溫度，爆破后不產(chǎn)生任何有害氣體，不產(chǎn)生電弧和電火花，比傳統(tǒng)化學(xué)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(bǔ)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(dǎo)煤與瓦斯突出的概率。

2）高效。CO2相變爆破從起爆至結(jié)束整個(gè)過程只需30 ms，爆破準(zhǔn)備時(shí)間短，組裝、充裝操作簡單,且爆破后不需要驗(yàn)炮即可進(jìn)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(bào)批審核程序和相應(yīng)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(fā)熱片可控制膨脹系統(tǒng)的工作壓力,從而適應(yīng)不同的工作環(huán)境，可適用于鉆孔卸壓瓦斯抽采、煤巷快速掘進(jìn)、綜采面提前放頂?shù)裙ぷ鳝h(huán)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(shù)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(guī)抽采方法效率較低。

1213回風(fēng)順槽位于-325水平12采區(qū)中部，巷道設(shè)計(jì)工程量830 m，巷道標(biāo)高-278～-307 m，地面標(biāo)高+425～478 m，巷道埋深712～775 m。巷道采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)，36U型鋼架棚支護(hù)，棚距600 mm，斷面寬5.6 m，高3.5 m，凈斷面16.2 m2。巷道掘進(jìn)期間瓦斯治理方法為迎頭先抽后掘、鉆場內(nèi)持續(xù)抽采。掘進(jìn)期間，因局部瓦斯含量較高，采用常規(guī)預(yù)抽鉆孔抽采瓦斯效率較低，預(yù)抽時(shí)間較長，導(dǎo)致月單進(jìn)水平較低（預(yù)抽鉆孔深度80 m，保留20 m超前距后，循環(huán)允許掘進(jìn)距離60 m，迎頭停掘施工預(yù)抽鉆孔+預(yù)抽時(shí)間平均為8 d，每月1.5個(gè)預(yù)抽循環(huán)，月平均進(jìn)尺90 m），巷道頂?shù)装逯鶢顖D如圖1所示。

圖1 巷道頂?shù)装逯鶢顖D

3 鉆孔布置及抽采方案

3.1 鉆孔布置方案

根據(jù)工作面防突措施要求，預(yù)抽鉆孔需控制掘進(jìn)巷道前方不小于60 m、兩側(cè)各不小于30 m范圍，同時(shí)根據(jù)預(yù)抽鉆孔影響半徑及CO2相變爆破致裂影響半徑（6～8 m），共設(shè)計(jì)3個(gè)預(yù)抽孔用于超前煤層賦存探測及瓦斯預(yù)抽，另設(shè)計(jì)5個(gè)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(jìn)迎頭停掘進(jìn)行瓦斯抽采的時(shí)間，在每個(gè)掘進(jìn)循環(huán)（60 m）掘進(jìn)到位后，在迎頭向后5、10 m處巷道兩側(cè)各施工一個(gè)鉆場，鉆場深度4.5 m，支護(hù)規(guī)格同主巷一致，2個(gè)鉆場前后錯(cuò)位5 m布置（避免應(yīng)力集中）。在1號鉆場內(nèi)布置1號抽采孔、4號增裂抽采孔，在2號鉆場內(nèi)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(gè)抽采孔（3號）、3個(gè)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(shù)見表1。

表1 鉆孔參數(shù)

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(jìn)2個(gè)鉆場，鉆場掘進(jìn)期間，采用2部鉆機(jī)施工迎頭1個(gè)抽采孔及3個(gè)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(gè)增裂孔，鉆孔施工完畢后，立即對抽采孔進(jìn)行封孔、聯(lián)網(wǎng)抽放，對3個(gè)增裂孔采用CO2相變爆破增裂技術(shù)進(jìn)行增裂后封孔、聯(lián)網(wǎng)抽放。2個(gè)鉆場施工完畢后，均先施工抽采孔，再施工增裂孔后進(jìn)行CO2相變爆破增裂、封孔、聯(lián)網(wǎng)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(shù)。

采用CO2相變爆破增裂期間，每個(gè)增裂孔內(nèi)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(nèi)不得放置爆破管（封孔段不增裂）。單孔含液態(tài)CO20.8 kg，每次進(jìn)行1個(gè)增裂孔CO2相變爆破，經(jīng)計(jì)算CO2相變爆破后巷道回風(fēng)流最高CO2濃度為0.5%，遠(yuǎn)低于巷道內(nèi)CO2濃度不得超過1.5%的規(guī)定，滿足安全施工要求。

4 數(shù)據(jù)觀測及效果對比

為分析采用CO2相變爆破增裂技術(shù)后的抽采效果，統(tǒng)計(jì)持續(xù)預(yù)抽7d內(nèi)的普通預(yù)抽鉆孔和增裂孔瓦斯?jié)舛燃巴咚辜兞浚瑢Ρ?種鉆孔的抽采效果，并統(tǒng)計(jì)采用CO2相變爆破增裂技術(shù)后的掘進(jìn)進(jìn)度情況。

4.1 抽采數(shù)據(jù)觀測

將抽采期間每天的數(shù)據(jù)變化情況繪制成曲線圖進(jìn)行對比分析，圖3為7 d內(nèi)瓦斯抽采濃度變化曲線圖，圖4為7 d內(nèi)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(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及圖3顯示結(jié)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(nèi)平均瓦斯抽采濃度為47.3%。普通預(yù)抽孔最高瓦斯抽采濃度為46%，7 d內(nèi)平均抽采濃度為35.2%，增裂孔平均瓦斯抽采濃度是普通預(yù)抽孔的1.3倍。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(nèi)平均純量0.326 m3/min。普通預(yù)抽孔最高瓦斯純量為0.315 m3/min，7d內(nèi)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(yù)抽孔的1.5倍。

4.2 抽采效果及對掘進(jìn)的影響

通過在1213回風(fēng)順槽進(jìn)行多個(gè)預(yù)抽循環(huán)的試驗(yàn)下，對預(yù)抽鉆孔采用CO2相變爆破增裂技術(shù)后，預(yù)抽效率明顯提高。未采用CO2相變爆破增裂技術(shù)前，每循環(huán)鉆孔預(yù)抽時(shí)間需7d，每月1.5個(gè)預(yù)抽循環(huán)，月平均掘進(jìn)尺90 m。采用CO2相變爆破增裂技術(shù)后，每循環(huán)鉆孔預(yù)抽時(shí)間降為4d，每月完成2個(gè)預(yù)抽循環(huán)，月平均進(jìn)尺達(dá)到120 m，有效提高了單進(jìn)水平。

5 結(jié)論

1）CO2相變爆破增裂技術(shù)因?qū)傥锢肀?，不產(chǎn)生火花且爆破吸熱，不產(chǎn)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(shù)先進(jìn)、安全、效果顯著的爆破增裂技術(shù)。

2）采用CO2相變爆破增裂技術(shù)的鉆孔瓦斯抽采濃度是普通預(yù)抽鉆孔的1.3倍，瓦斯純量是普通預(yù)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(jìn)進(jìn)尺由每月90 m提高至120 m，有效提高了單進(jìn)水平。