CO2預(yù)裂爆破技術(shù)在馬蘭礦的應(yīng)用

楊威

（山西焦煤西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

CO2預(yù)裂爆破技術(shù)是指通過液態(tài)CO2氣化，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和膨脹能，將煤體撐裂，大幅度增強(qiáng)煤層透氣性，產(chǎn)生大量裂隙，以強(qiáng)化瓦斯抽采［1-3］。近年來，國內(nèi)多名學(xué)者對此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了推廣應(yīng)用及配套設(shè)備研制。張旭［4］在塔山礦采面放頂過程中采用CO2預(yù)裂爆破技術(shù)，老頂垮落率達(dá)到85%以上；宋宜猛［5］開發(fā)了液態(tài)CO2深孔預(yù)裂爆破裝備，大大提升了瓦斯抽采量。

西山煤電集團(tuán)馬蘭礦開采的煤層具有吸附性強(qiáng)、滲透率低、解吸慢等特點(diǎn)，煤層中的瓦斯解吸運(yùn)移相對困難。采用水力壓裂等瓦斯增透技術(shù)由于設(shè)備體型較大，工藝復(fù)雜，不利于在井下工作面較小的空間使用。針對馬蘭礦采面現(xiàn)狀，為提高煤層透氣性，設(shè)計(jì)CO2相變致裂鉆孔間距及技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行CO2預(yù)裂爆破，以期為煤層增透，提高瓦斯抽采效果。

1 液態(tài)CO2爆破技術(shù)原理

液態(tài)CO2爆破器由起爆頭、發(fā)熱管、主管、密封墊、泄能片、泄能頭等組成。馬蘭礦液態(tài)CO2爆破器型號為MZL200-1180/50，爆破器長1.5 m，主管長度1.415 m，內(nèi)徑?30 mm，外徑?50 mm，爆破器主管中充裝液態(tài)CO2質(zhì)量為0.8～1 kg，充裝壓力為8～10 MPa，泄能片極限壓力為200 MPa，如圖1所示。

圖1 二氧化碳爆破器實(shí)物及組成結(jié)構(gòu)

液態(tài)CO2爆破器工作原理［6］，如圖2所示。環(huán)境溫度小于31℃且壓力大于7.35 MPa時CO2以液態(tài)形式存在。當(dāng)溫度超過31℃時，液態(tài)CO2迅速發(fā)生氣化，體積膨脹六百余倍，產(chǎn)生大量高壓氣體，當(dāng)其壓力超過泄能片極限時，泄能片破斷，氣體沖出，產(chǎn)生應(yīng)力波，使周圍煤體開裂，達(dá)到爆破的目的。爆破后，首先氣體沖擊波在爆破孔法向發(fā)生導(dǎo)向裂隙，為裂隙近區(qū)；氣體沖擊波轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波繼續(xù)向遠(yuǎn)處圍巖傳播，大量高壓氣體向裂隙近區(qū)尖劈擴(kuò)展，形成裂隙二次發(fā)育，為裂隙中遠(yuǎn)區(qū)。

圖2 二氧化碳爆破器工作原理

2 馬蘭礦CO2預(yù)裂爆破效果分析

2.1 12408軌道巷

（1）工作面概況

12408工作面位于馬蘭礦南四采區(qū)，工作面設(shè)計(jì)可采走向長1 286 m，面長220 m，平均采高2.2 m。軌道巷沿煤層跟頂掘進(jìn)。

（2）爆破鉆孔與抽采鉆孔

本煤層瓦斯抽采鉆孔間距9 m、傾角為-3°～+3°、孔深200 m（沿軌道巷里程200～434 m及434～632 m段為下坡，傾角設(shè)置為大于煤巖層傾角1°，632～803 m鉆孔傾角與煤巖層傾角一致，803～1 298 m鉆孔傾角為大于煤巖層傾角1°布置），爆破鉆孔與抽采鉆孔間隔布置，共布置爆破鉆孔123個，鉆孔孔口距底板1.2～1.5 m，孔徑113 mm，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 鉆孔布置

（3）抽采情況對比

12408工作面軌道巷本煤層瓦斯抽采鉆孔采用CO2預(yù)裂的15個鉆孔為4#、5#、14#、18#、24#、29#、34#、39#、44#、49#、54#、5#、59#、64#、69#、75#鉆 孔， 未 采 用CO2預(yù)裂鉆孔有1#、2#、6#、8#、19#、20#鉆孔。針對各鉆孔瓦斯?jié)舛燃俺椴蓴?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如表1所示。

表1 12408軌道巷瓦斯抽采效果對比

鉆孔類型鉆孔參數(shù) 抽采參數(shù)孔號 傾角/°孔深/m抽采濃度/%平均抽采量/（m3/min）未預(yù)裂鉆孔1 1 220 21～49 0.011 2 1 220 60～70 0.031 6 3 220 45～56 0.023 8 3 220 63～75 0.019 19 1 220 82～87 0.028 20 1 220 82～87 0.028單孔平均抽采量/（m3/min） 0.023百米鉆孔抽采量/（m3/min·hm）0.01

（4）效果分析

分析表1可知，未進(jìn)行預(yù)裂的瓦斯抽采鉆孔、進(jìn)行預(yù)裂的瓦斯抽采鉆孔百米鉆孔瓦斯流量分別為0.01 m3/min·hm、0.029 m3/min·hm，預(yù)裂爆破后百米鉆孔抽采量提高了2.9倍；單孔平均抽采量由0.023 m3/min提高至0.061 3 m3/min，提高了2.7倍。

從瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采量分析，6#、19#孔前方的5#、18#孔進(jìn)行了預(yù)裂，6#孔抽采濃度45%～56%、抽采量0.023 m3/min，19#孔抽采濃度82%～87%、抽采量0.028 m3/min，5#孔抽采濃度83%～90%、抽采量0.076 m3/min，18#孔抽采濃度83%～92%、抽采量0.058 3 m3/min，均呈現(xiàn)由高至低衰減趨勢。

從抽采瓦斯?jié)舛茸兓闆r分析，進(jìn)行預(yù)裂的18#孔與未預(yù)裂孔的19#瓦斯?jié)舛茸兓容^一致，但5#預(yù)裂孔與6#未預(yù)裂孔的瓦斯?jié)舛茸兓认嗖钜话?，抽采量高出一倍，說明預(yù)裂爆破后對相鄰未預(yù)裂孔有一定的影響，但影響的程度有限，5#鉆孔瓦斯抽采情況如圖4所示。

圖4 5#預(yù)裂鉆孔瓦斯抽采情況

2.2 12505膠帶巷本煤層鉆孔CO2預(yù)裂效果分析

（1）工作面概況

12505工作面標(biāo)高+912～+944 m，位于馬蘭礦南五采區(qū)的主采煤層2#煤層中，工作面設(shè)計(jì)可采走向長1 373 m，面長166 m，平均采高2.2 m。

（2）鉆孔布置情況

12505膠帶巷本煤層鉆孔，鉆孔間距9 m，傾角為+1.5°～+3°，孔深110～180 m，預(yù)裂深度為30 m，封孔長度10 m。

（3）12505膠帶巷預(yù)裂鉆孔瓦斯抽采情況對比，鉆孔連續(xù)觀測結(jié)果如表2所示。

表2 12505軌道巷瓦斯抽采效果對比

（4）效果分析

由表2中數(shù)據(jù)可知未進(jìn)行預(yù)裂的瓦斯抽采鉆孔與預(yù)裂后的瓦斯抽采鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量分別為0.008 m3/min·hm、0.043 m3/min·hm，預(yù)裂爆破后百米鉆孔抽采量提高了5倍，單孔平均抽采量由0.03提高至0.115 m3/min，提高了3.83倍。未預(yù)裂單孔瓦斯?jié)舛葹?8%，預(yù)裂后單孔瓦斯?jié)舛葹?9%，預(yù)裂鉆孔抽采濃度提高了2.34倍。

經(jīng)過三個月的抽采，595 m處（45#、46#鉆孔之間）煤體瓦斯含量由7.6 m3/t降至5.7 m3/t左右，降低了1.9 m3/t左右；576 m處（43#、44#鉆孔之間）煤體瓦斯含量由7.6 m3/t降至5.3 m3/t左右，降低了2.3 m3/t左右。

3 結(jié)語

馬蘭礦12505工作面和12408工作面采用CO2預(yù)裂爆破技術(shù)后，瓦斯抽采監(jiān)測結(jié)果表明：12505工作面膠帶巷百米鉆孔抽采量提高了5倍，單孔平均抽采量提高了3.83倍；12408工作面軌道巷百米鉆孔抽采量提高了2.9倍，單孔平均抽采量提高了2.7倍，達(dá)到了預(yù)期的瓦斯抽采效果。