液態CO2預裂爆破增透技術試驗研究

宋宜猛 王啟飛 王安虎 王趕躍 池貴龍 田 輝

（1.國家安全生產監督管理總局信息研究院，北京市朝陽區，100029；2.冀中能源張家口礦業集團有限公司宣東煤礦，河北省張家口市，075300）

針對低透氣性高瓦斯煤層賦存條件，強化增透是取得良好抽采效果的關鍵。目前強化增透技術主要包括保護層開采、密集鉆孔、深孔預裂爆破、水力沖孔（割縫）、水力壓裂等措施，但各有其適用性和局限性。為解決低透氣性高瓦斯煤層預抽難的問題，國家安全生產監督管理總局信息研究院聯合湖南漢壽煤礦機械有限公司，致力于液態CO2相變致裂爆破技術裝備研發和推廣應用，并在冀中能源張礦集團宣東礦開展應用試驗研究，取得了良好效果。

1 液態CO2爆破技術裝備

液態CO2相變致裂爆破技術裝備可根據鉆孔深度由多個爆破單元串聯組成。每個爆破單元由CO2儲液管、爆破釋放管、推送桿、萬向接頭4部分組成，液態CO2爆破單元組成如圖1所示。湖南漢壽煤礦機械有限公司生產的MZL170－67／1000型CO2相變致裂爆破技術裝備的CO2儲液管直徑為73 mm，長度為1300 mm，可灌裝1.8 kg液態CO2。

圖1 液態CO2爆破單元示意圖

2 液態CO2爆破技術預裂增透機理

液態CO2相變致裂技術裝備是利用液態CO2超過臨界溫度而氣化的特性設計的。通過灌裝設備將CO2氣體壓入CO2儲液管，持續加壓至40 MPa以上，在低于31℃時，高壓CO2以液態存在。在井下通過鉆孔將爆破單元用鉆機推送至目的地，然后通過礦用放炮器觸發預置儲液管中的加熱器實現快速加熱，產生的熱量可在6 ms內將儲液管中的液態CO2變成氣態沖破定壓剪切片而沖向爆破釋放管，瞬間產生的最高壓力可達300 MPa。從爆破釋放管噴出的超高壓氣體作用于煤體產生破碎區域，并在釋放方向上產生新裂隙，進而在煤體內為瓦斯流動打開新通道，達到提高煤層透氣性、強化瓦斯抽采的效果。

3 現場預裂爆破應用試驗

3.1 試驗區域情況

冀中能源張礦集團宣東礦三采區Ⅲ3305工作面軌道巷作為試驗地點。Ⅲ3305工作面煤層屬弱粘煤，堅固性系數為0.2～0.7，透氣性系數為0.129 m2／MPa2·d，煤層平均厚度2.4 m，煤層傾角為5°，煤層走向長997 m，傾斜長160 m，瓦斯含量1.54 m3／t，絕對瓦斯涌出量2 m3／min，平均相對瓦斯涌出量40.7 m3／t。裂隙普遍發育，煤層偏軟，抽采難度大。

3.2 影響半徑試驗

3.2.1 試驗方案

為考察預裂鉆孔的爆破影響半徑，選擇在Ⅲ3305工作面軌道巷入口300 m處實施試驗，鉆孔布置如圖2所示。鉆孔布置在軌道巷一側，開孔中心距底板1 m，距頂板2.5 m。本試驗共施工11個鉆孔，其中6＃鉆孔為預裂爆破孔，孔深60 m，孔徑?94 mm；其他鉆孔為考察孔，均為順煤層鉆孔，孔深65 m，5＃鉆孔和6＃鉆孔間隔4 m，6＃鉆孔與7＃鉆孔間隔3 m，其余鉆孔間隔2 m。6＃鉆孔預裂后安裝瓦斯抽放管路進行瓦斯抽排，其他鉆孔安裝U型壓差計進行負壓測試。先施工考察孔，最后施工6＃爆破孔。每施工一個考察孔，立即封孔并安裝U型壓差計；施工完6＃預裂爆破孔后用鉆機推送預裂爆破器，60 m長度孔采用7個爆破單元（炮），每個爆破單元（炮）之間以串聯的方式用導線連接，并測試導通性能，通過鉆機推送至鉆孔最遠端即可，無需封孔，最后由放炮工起爆。

圖2 影響半徑試驗鉆孔布置圖

3.2.2 試驗結果

按照上述試驗方案實施預裂爆破后，在調度室確認安全后進入試驗地點，發現除個別考察孔的U型壓差計剩余少量水外，大部分U型壓差計中水的被全部壓出，因此可以判斷預裂爆破已影響到12 m的范圍。為進一步通過6＃爆破孔的抽排確認裂隙發育情況，次日在U型壓差計中裝入水銀，考察每個孔由裂隙導通而產生的負壓情況。距預裂孔12 m的1＃鉆孔形成11999 Pa（90 mm汞柱）負壓，距預裂孔7 m的9＃鉆孔形成13998.8 Pa（105 mm汞柱）；距預裂孔較遠的11＃鉆孔裝入水銀后的壓差較小，因此換用多級流量計加水測試負壓，讀數為1471 Pa（150 mm水柱）。

3.3 抽放參數及增透試驗

3.3.1 試驗方案

為測試液態CO2相變致裂技術強化增透效果，選取距Ⅲ3305工作面切眼約150 m處區域進行試驗，鉆孔同樣布置在巷道一側，開孔中心距底板1 m，距頂板2.5 m。先施工1＃、3＃、5＃本煤層瓦斯抽放鉆孔，孔徑94 mm，孔深65 m，孔間距為4 m；然后施工2＃和4＃預裂爆破孔，施工參數同上，為避免間隔時間長出現塌孔問題，打完鉆孔立即爆破，爆破后隨即抽采；全部預裂后1＃～5＃鉆孔均安裝瓦斯抽采管路進行抽采；在相距5＃鉆孔40 m處施工對比孔，以同瓦斯自然涌出量做比較，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 增透效果考察試驗鉆孔布置圖

3.3.2 試驗結果分析

按照上述方案施工后，每天安排專人測量各抽放孔瓦斯濃度、流量等參數。逐一考察抽采瓦斯濃度、日單孔瓦斯流量、累計瓦斯抽采量和流量衰減系數等參數。1月22日預裂爆破2＃鉆孔，爆破后隨即抽采；1月24日預裂爆破4＃鉆孔，爆破后立即抽采；將各鉆孔每日瓦斯濃度數據繪制成曲線，如圖4所示。

從圖4中可以看出，每次預裂爆破后，1＃鉆孔瓦斯濃度在預裂爆破后明顯增加，其他鉆孔有同樣的規律。其中4＃鉆孔瓦斯濃度在第二次預裂后2 h內急劇上升至50%以上。每個考察孔在預裂后長時間內抽采的瓦斯濃度均穩定在較高水平。

圖4 各鉆孔瓦斯濃度變化圖

瓦斯抽放流量能夠直觀地反映出每個鉆孔單位時間內能夠抽出的瓦斯量，預裂前后每天各鉆孔的瓦斯抽放量匯總見表1。因鉆孔施工時間原因，效果考察時間不一致，個別數據空缺。

表1 各鉆孔瓦斯流量抽采表m3／d

將各鉆孔每天抽采量繪制成圖5。從圖5中可以看出，對比孔的瓦斯抽采流量在不采取任何治理措施情況下，隨著抽采時間衰減迅速，至第10日時已衰減至5 m3／d左右。液態CO2預裂孔及周邊影響范圍內的鉆孔雖然瓦斯流量隨著時間有部分衰減，但在考察期內流量基本維持在較高的水平。

衰減系數是評價一段時間內瓦斯抽采效果的重要指標，鉆孔施工后某一時間的瓦斯流量同初始瓦斯流量和衰減系數符合下式關系式。

式中：qt——t時的鉆孔瓦斯流量，m3／d；

q0——鉆孔初始瓦斯流量，m3／d；

圖5 鉆孔瓦斯流量對比

a——鉆孔瓦斯流量衰減系數，d－1；

t——時間，d。

根據各鉆孔初始瓦斯流量及式（1），擬合后各鉆孔的衰減系數見表2。由表2可以看出未采取任何措施的對比孔的衰減系數平均是受預裂爆破影響鉆孔的2～3倍。

累計瓦斯抽采量是某一鉆孔在一定時間內累計抽放的瓦斯量，該指標是反映瓦斯抽采效果的一個重要指標。表3中列出了CO2預裂及其影響范圍內的5個鉆孔累計瓦斯抽采量的變化。

表2 瓦斯抽采初始流量及衰減系數參數表

表3 各鉆孔累計瓦斯抽采量對比m3

對比鉆孔在10 d內累計抽放瓦斯322.810 m3，而液態CO2預裂后的2＃孔在7 d時累計抽放瓦斯1662.3 m3，4＃孔在6d內累計抽放瓦斯562.205 m3，累計抽放瓦斯量遠遠大于未預裂鉆孔。而且，在預裂影響范圍內的鉆孔累計瓦斯抽采量也明顯大于對比孔的瓦斯抽采量。

4 結論

（1）從現場試驗情況來看，液態CO2預裂爆破時產生的300 MPa高壓可致裂影響的范圍在12 m以上，有效地促進了煤體內裂隙的發育，達到了松動煤體釋放瓦斯效果。

（2）效果考察試驗表明，液態CO2預裂爆破鉆孔及其影響范圍內的所有抽放鉆孔抽放瓦斯濃度都有明顯上升，部分鉆孔抽采濃度能提高50%以上；預裂后鉆孔瓦斯抽采流量有大幅提高，累計瓦斯抽采量為未預裂鉆孔的數倍；衰減系數亦得到很大改善，綜合效果顯著。

（3）液態CO2深孔預裂爆破技術具有操作簡單、安全可靠、效果明顯等特點，在進一步試驗及驗證的基礎上，液態CO2深孔預裂爆破技術可作為低透氣性高瓦斯煤層治理瓦斯的又一新手段，具有一定的推廣意義。

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