寺家莊礦CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)試驗(yàn)研究

郭有慧　孫銳

摘 要：通過CO2預(yù)裂爆破使鉆孔壁產(chǎn)生徑向環(huán)形的破裂圈，這在增加了煤層透氣性的同時(shí)，煤層中CO2置換解吸CH4，還促進(jìn)了瓦斯抽采效果。依據(jù)寺家莊礦的實(shí)際突出特點(diǎn)，在寺家莊礦掘進(jìn)工作面進(jìn)行CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)試驗(yàn)。結(jié)果表明，爆破后鉆孔瓦斯抽采量增加了65.5%，瓦斯抽采濃度也提高8%. 經(jīng)過強(qiáng)化抽采后，鉆孔控制范圍內(nèi)的煤層瓦斯含量大幅度降低，掘進(jìn)效率極大提高。

關(guān)鍵詞：CO2；預(yù)裂爆破；透氣性；強(qiáng)化抽采

中圖分類號(hào)：TD235.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）01-0006-03

寺家莊礦所采15號(hào)煤層為突出煤層，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第六條“防突工作堅(jiān)持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充的原則，突出礦井采掘工作，做到不掘突出頭、不采突出面”的要求，掘進(jìn)工作面必須采取區(qū)域消突措施。由于15號(hào)煤層透氣性差，屬于較難抽采煤層，要消除掘進(jìn)工作面前方區(qū)域的突出危險(xiǎn)性需要進(jìn)行大量的瓦斯抽采鉆孔施工，且抽采時(shí)間較長，嚴(yán)重影響到掘進(jìn)工作面施工進(jìn)度。提高低透氣性煤層的瓦斯抽采效果一直是寺家莊礦瓦斯抽采工作中難以解決的問題，為此采取了各種增加煤層透氣性的方法，例如，水力壓裂、水力割縫等。但由于其工藝復(fù)雜，設(shè)備龐大，不利于在掘進(jìn)工作面狹小的空間采用等因素，使用效果不理想。因此，探索適合礦掘進(jìn)工作面瓦斯抽采增透技術(shù)，在保證安全的條件下采取措施增大煤層的透氣性，提高煤層瓦斯鉆孔抽采量，是寺家莊礦安全生產(chǎn)必須解決的問題。為此，寺家莊礦在掘進(jìn)工作面開展了CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)試驗(yàn)，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，使煤體內(nèi)的原生裂隙得以擴(kuò)展，并產(chǎn)生大量的新裂隙，大大增強(qiáng)煤層的透氣性，強(qiáng)化瓦斯抽采，縮短瓦斯抽采時(shí)間。

1 CO2預(yù)裂爆破抽采瓦斯機(jī)理

傳統(tǒng)的煤層鉆孔增透技術(shù)都是采用在鉆孔中安裝炸藥，通過炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波和高溫高壓氣體來使煤層中產(chǎn)生大量的裂隙。但是在煤和瓦斯突出礦井，由于煤礦井下的特殊環(huán)境，傳統(tǒng)的炸藥在爆破過程中所產(chǎn)生的高溫和火焰對(duì)煤礦的安全存在一定的危險(xiǎn)性，特別是如果鉆孔中的炸藥未能起爆形成瞎炮、啞炮，處理起來相當(dāng)危險(xiǎn)。為了避免采用傳統(tǒng)炸藥增透的危險(xiǎn)性，寺家莊礦引進(jìn)了CO2預(yù)裂爆破技術(shù)。CO2預(yù)裂爆破技術(shù)是一種無炸藥爆破，它具有無火花、威力大、安全高效的優(yōu)點(diǎn)。最初是為了減小高瓦斯礦井采煤工作面的危險(xiǎn)性，采用CO2預(yù)裂爆破來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火藥爆破，使工作面的危險(xiǎn)性大大降低。

CO2預(yù)裂爆破作為強(qiáng)化抽采低透氣性煤層瓦斯的措施，就是在掘進(jìn)工作面前方鉆場(chǎng)煤體中布置爆破孔和瓦斯抽采鉆孔，在爆破孔中安裝專用的高壓CO2爆破管，爆破管里端釋放頭設(shè)有徑向的噴氣孔。爆破前，將液態(tài)CO2注入到爆破管中，并將其爆破管外端的起爆頭和低壓起爆器相連。起爆時(shí)，起爆頭連通電源后，爆破管內(nèi)的低壓保險(xiǎn)絲被加熱，當(dāng)溫度超過31 ℃時(shí)，管內(nèi)CO2在40 ms內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，CO2體積迅速膨脹達(dá)到常溫下體積的600多倍，管內(nèi)壓力最高可增至270 MPa。當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)壓力時(shí)，CO2氣體通過噴氣孔迅速向外爆發(fā)，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和高壓氣體將鉆孔孔壁撐裂，使鉆孔周圍的煤體沿著徑向形成環(huán)形分布的破碎圈、松動(dòng)圈和裂隙圈，增大鉆孔周圍煤體的透氣性，提高鉆孔的流量。另外，由于CO2的吸附能力高于CH4的吸附能力，氣化產(chǎn)生的CO2通過競(jìng)爭吸附，還能驅(qū)替出更多的游離態(tài)瓦斯，從而提高掘進(jìn)工作面前方鉆場(chǎng)瓦斯抽采效率，減少抽采時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇在寺家莊礦15203工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面，15203工作面所采煤層為15號(hào)煤層。煤層平均厚度為5.63 m，層理發(fā)育完好，煤層透氣性系數(shù)為0.175 m2/（MPa2·d），鉆孔百米流量衰減系數(shù)為0.0417 d-1。在15203工作面回風(fēng)順槽實(shí)測(cè)的煤層瓦斯含量為12.20 m3/t，工作面抽采系統(tǒng)瓦斯抽采濃度為7.8%～8.4%，主管負(fù)壓為15.62 kPa，混合流量為36.11～40.28 m3/min。

3 CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采瓦斯試驗(yàn)

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)、施工

圖1 鉆孔布置示意圖

根據(jù)15203回風(fēng)順槽煤層賦存和巷道斷面等條件，在15203回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面前方鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)布置鉆孔11個(gè)，其中鉆場(chǎng)正中間布置1個(gè)預(yù)裂孔，四周共布置10個(gè)瓦斯抽采鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)長度為90 m。鉆孔施工后馬上進(jìn)行封孔接抽。鉆孔布置如圖1所示，鉆孔施工情況見表1.

3.2 封孔方式及深度

待鉆場(chǎng)內(nèi)所有鉆孔施工完成后，對(duì)預(yù)裂鉆孔進(jìn)行裝藥封孔，封孔深度為17.5 m，共進(jìn)行了2次預(yù)裂試驗(yàn)，預(yù)裂深度為分別為29 m和44.5 m。

4 CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采效果考察

本次試驗(yàn)從2013-05-18開始施工鉆孔，由于打鉆過程中出現(xiàn)噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象的影響，到2013-05-22所有鉆孔施工完畢，2013-05-25進(jìn)行了CO2預(yù)裂爆破試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中對(duì)15203回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面瓦斯含量、瓦斯抽采量、濃度等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面來考察CO2深孔預(yù)裂爆破的抽采效果。

4.1 提高瓦斯抽采量的效果

在試驗(yàn)過程中對(duì)預(yù)裂爆破前后鉆孔瓦斯抽采流量和抽采濃度進(jìn)行了跟蹤測(cè)試，并進(jìn)行了對(duì)比分析。圖2、圖3為鉆場(chǎng)內(nèi)部分鉆孔瓦斯抽采量和瓦斯?jié)舛茸兓€圖。

由圖2、圖3可以看出：①1#、2#鉆孔的瓦斯抽采增量和濃度增長率均大于9#鉆孔。這說明CO2預(yù)裂爆破措施有一定的有效范圍，在有效范圍內(nèi)的鉆孔透氣性增加明顯，在范圍外的鉆孔則受影響較小。②1#鉆孔2013-05-21—24所測(cè)瓦斯抽采量為0.082～0.092 m3/min，平均值為0.087 m3/min，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%～23%，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)22%.雖然鉆孔已經(jīng)經(jīng)過了長時(shí)間的抽采，但是CO2深孔預(yù)裂爆破后，2013-05-25—29所測(cè)瓦斯抽采量為0.091～0.156 m3/min，平均值為0.144 m3/min，較預(yù)裂前平均增加65.5%；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%～43%，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，較預(yù)裂前平均提高濃度為8%. 在實(shí)施了CO2預(yù)裂爆破措施后，由于強(qiáng)大的沖擊波的致裂效應(yīng)，煤層透氣性增強(qiáng)了，爆破孔周圍的鉆孔瓦斯抽采量和瓦斯?jié)舛榷加忻黠@的提升。

4.2 降低瓦斯含量的效果

圖4為1#鉆孔預(yù)抽前后所測(cè)煤層瓦斯含量對(duì)比圖，預(yù)抽后瓦斯含量測(cè)定為施工區(qū)域消突效果檢驗(yàn)孔所測(cè)得。

由圖4可以看出，在實(shí)施了CO2預(yù)裂爆破增透措施后，鉆孔瓦斯抽采量得以提高，大大降低了煤層的殘余瓦斯含量，相應(yīng)的煤層瓦斯壓力也得以降低，煤層應(yīng)力集中向前方轉(zhuǎn)移，使鉆孔控制區(qū)域的突出危險(xiǎn)性得以消突，為安全掘進(jìn)提供了安全保障。

4.3 縮短工期的效果

采用CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)后，與之前采用的普通瓦斯抽采區(qū)域消突措施相比，能夠大大減少瓦斯抽采鉆孔施工個(gè)數(shù)，縮短瓦斯抽采時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。普通抽采和采用CO2預(yù)裂強(qiáng)化抽采試驗(yàn)情況對(duì)比見表2所示。

由表2可以看出，采用CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)后，瓦斯抽采鉆孔施工數(shù)量（11個(gè)）和普通抽采方式施工鉆孔數(shù)量（45個(gè)）相比，施工鉆孔數(shù)是原抽采方式鉆孔數(shù)量的1/4；區(qū)域消突時(shí)間也大大縮短，普通瓦斯抽采消突共需耗時(shí)（打鉆、抽采）約131 d；采用CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)后，需耗時(shí)（打鉆、抽放）約33 d，節(jié)約了大量的區(qū)域消突時(shí)間，為掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)創(chuàng)造了條件。

5 小結(jié)

通過對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究可知：①采用CO2深孔預(yù)裂強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)能夠使瓦斯抽采鉆孔周圍煤體裂隙大幅度增加，煤體原生裂隙得到擴(kuò)散，使抽采鉆孔周圍的煤體形成較大范圍相互貫通的裂隙網(wǎng)，提高煤體的透氣性。②由試驗(yàn)可以看出，雖然CO2預(yù)裂爆破前已經(jīng)經(jīng)過了較長時(shí)間的抽采，但CO2預(yù)裂爆破后鉆孔瓦斯抽采量仍增加了65.5%，瓦斯抽采濃度也提高8%.通過強(qiáng)化抽采后，鉆孔控制范圍內(nèi)的煤層瓦斯含量大幅度降低，煤層消突了突出危險(xiǎn)性。③采用CO2深孔預(yù)裂強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)能夠減少區(qū)域消突鉆孔工程量，縮短瓦斯抽采時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高突出煤層掘進(jìn)工作面安全快速掘進(jìn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[2]劉健，劉澤功，石必明，等.突出煤層快速掘進(jìn)深孔預(yù)裂爆破預(yù)抽瓦斯技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36（8）：45-48.

[3]徐偉.大采深突出煤層深孔控制預(yù)裂爆破消突技術(shù)應(yīng)用[J].煤礦安全，2011，42（9）：102-105.

[4]徐穎，程玉生，王家來.國外高壓氣體爆破[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1997，25（5）：52-53.

[5]聶政.二氧化碳炮爆破在煤礦的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2007，26（8）.

[6]朱栓成，周海豐，李浩蕩.二氧化碳炮處理綜采工作面巷道三角區(qū)懸頂[J].煤礦安全，2013，44（8）：144-146.

[7]張悅，張民波，朱天玲，等.低透氣性煤層CO2 增透預(yù)裂技術(shù)應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報(bào)，2013，31（23）.

〔編輯：白潔〕

4.2 降低瓦斯含量的效果

圖4為1#鉆孔預(yù)抽前后所測(cè)煤層瓦斯含量對(duì)比圖，預(yù)抽后瓦斯含量測(cè)定為施工區(qū)域消突效果檢驗(yàn)孔所測(cè)得。

由圖4可以看出，在實(shí)施了CO2預(yù)裂爆破增透措施后，鉆孔瓦斯抽采量得以提高，大大降低了煤層的殘余瓦斯含量，相應(yīng)的煤層瓦斯壓力也得以降低，煤層應(yīng)力集中向前方轉(zhuǎn)移，使鉆孔控制區(qū)域的突出危險(xiǎn)性得以消突，為安全掘進(jìn)提供了安全保障。

4.3 縮短工期的效果

采用CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)后，與之前采用的普通瓦斯抽采區(qū)域消突措施相比，能夠大大減少瓦斯抽采鉆孔施工個(gè)數(shù)，縮短瓦斯抽采時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。普通抽采和采用CO2預(yù)裂強(qiáng)化抽采試驗(yàn)情況對(duì)比見表2所示。

由表2可以看出，采用CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)后，瓦斯抽采鉆孔施工數(shù)量（11個(gè)）和普通抽采方式施工鉆孔數(shù)量（45個(gè)）相比，施工鉆孔數(shù)是原抽采方式鉆孔數(shù)量的1/4；區(qū)域消突時(shí)間也大大縮短，普通瓦斯抽采消突共需耗時(shí)（打鉆、抽采）約131 d；采用CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)后，需耗時(shí)（打鉆、抽放）約33 d，節(jié)約了大量的區(qū)域消突時(shí)間，為掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)創(chuàng)造了條件。

5 小結(jié)

通過對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究可知：①采用CO2深孔預(yù)裂強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)能夠使瓦斯抽采鉆孔周圍煤體裂隙大幅度增加，煤體原生裂隙得到擴(kuò)散，使抽采鉆孔周圍的煤體形成較大范圍相互貫通的裂隙網(wǎng)，提高煤體的透氣性。②由試驗(yàn)可以看出，雖然CO2預(yù)裂爆破前已經(jīng)經(jīng)過了較長時(shí)間的抽采，但CO2預(yù)裂爆破后鉆孔瓦斯抽采量仍增加了65.5%，瓦斯抽采濃度也提高8%.通過強(qiáng)化抽采后，鉆孔控制范圍內(nèi)的煤層瓦斯含量大幅度降低，煤層消突了突出危險(xiǎn)性。③采用CO2深孔預(yù)裂強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)能夠減少區(qū)域消突鉆孔工程量，縮短瓦斯抽采時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高突出煤層掘進(jìn)工作面安全快速掘進(jìn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[7]張悅，張民波，朱天玲，等.低透氣性煤層CO2 增透預(yù)裂技術(shù)應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報(bào)，2013，31（23）.

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4.2 降低瓦斯含量的效果

圖4為1#鉆孔預(yù)抽前后所測(cè)煤層瓦斯含量對(duì)比圖，預(yù)抽后瓦斯含量測(cè)定為施工區(qū)域消突效果檢驗(yàn)孔所測(cè)得。

由圖4可以看出，在實(shí)施了CO2預(yù)裂爆破增透措施后，鉆孔瓦斯抽采量得以提高，大大降低了煤層的殘余瓦斯含量，相應(yīng)的煤層瓦斯壓力也得以降低，煤層應(yīng)力集中向前方轉(zhuǎn)移，使鉆孔控制區(qū)域的突出危險(xiǎn)性得以消突，為安全掘進(jìn)提供了安全保障。

4.3 縮短工期的效果

采用CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)后，與之前采用的普通瓦斯抽采區(qū)域消突措施相比，能夠大大減少瓦斯抽采鉆孔施工個(gè)數(shù)，縮短瓦斯抽采時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。普通抽采和采用CO2預(yù)裂強(qiáng)化抽采試驗(yàn)情況對(duì)比見表2所示。

由表2可以看出，采用CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)后，瓦斯抽采鉆孔施工數(shù)量（11個(gè)）和普通抽采方式施工鉆孔數(shù)量（45個(gè)）相比，施工鉆孔數(shù)是原抽采方式鉆孔數(shù)量的1/4；區(qū)域消突時(shí)間也大大縮短，普通瓦斯抽采消突共需耗時(shí)（打鉆、抽采）約131 d；采用CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)化抽采技術(shù)后，需耗時(shí)（打鉆、抽放）約33 d，節(jié)約了大量的區(qū)域消突時(shí)間，為掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)創(chuàng)造了條件。

5 小結(jié)

通過對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究可知：①采用CO2深孔預(yù)裂強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)能夠使瓦斯抽采鉆孔周圍煤體裂隙大幅度增加，煤體原生裂隙得到擴(kuò)散，使抽采鉆孔周圍的煤體形成較大范圍相互貫通的裂隙網(wǎng)，提高煤體的透氣性。②由試驗(yàn)可以看出，雖然CO2預(yù)裂爆破前已經(jīng)經(jīng)過了較長時(shí)間的抽采，但CO2預(yù)裂爆破后鉆孔瓦斯抽采量仍增加了65.5%，瓦斯抽采濃度也提高8%.通過強(qiáng)化抽采后，鉆孔控制范圍內(nèi)的煤層瓦斯含量大幅度降低，煤層消突了突出危險(xiǎn)性。③采用CO2深孔預(yù)裂強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)能夠減少區(qū)域消突鉆孔工程量，縮短瓦斯抽采時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高突出煤層掘進(jìn)工作面安全快速掘進(jìn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕