不同埋深條件下二氧化碳致裂爆破技術增透效果試驗研究

張開加

(煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧省沈陽市，110016)

我國大部分高突煤層為透氣性較差的煤層，采用常規的預抽瓦斯方法效果不理想，難以解除煤層采掘時的瓦斯威脅。特別是隨著煤礦開采深度的增加，地應力相應增加，進一步降低煤層的透氣性，增加預抽煤層瓦斯的難度。低透氣性煤層瓦斯抽采已成為防治煤與瓦斯突出和瓦斯治理工作的瓶頸。從20世紀60年代開始，國內開始研究煤層注水、水力壓裂、水力割縫、松動爆破、大直徑鉆孔及預裂控制爆破等多種卸壓增透、強化預抽煤層瓦斯的方法。二氧化碳爆破技術最早開始于20世紀初，早期主要應用于煤礦井下開采，后擴展到管道清洗、清堵等民用爆破領域。近年來，二氧化碳爆破技術開始應用于低透氣性煤層致裂增透方面，并形成了成套的技術裝備。其原理是通過發熱裝置加熱，使液態二氧化碳在20～40 ms內迅速由液態轉化為氣態，其體積瞬間膨脹600多倍，利用高壓氣體瞬間膨脹作用，使介質破裂，從而達到物理爆破的目的。二氧化碳致裂爆破增透技術實際上是利用液態二氧化碳代替傳統炸藥來開展深孔致裂爆破來增加煤層裂隙度、提高煤層透氣性的工藝技術。本文通過對二氧化碳致裂爆破增透技術應用效果的考察，研究地應力、爆破密度與二氧化碳致裂爆破增透效果的關系，探尋黑龍江興山煤礦17#煤層在不同埋藏深度條件下的二氧化碳致裂爆破增透工藝參數。

1 液態二氧化碳爆破效果影響因素分析

液態二氧化碳爆破后產生強烈的應力波和高壓氣體，在兩者的共同作用下對煤巖體的破壞是一個相當復雜的動力學過程。二氧化碳致裂爆破過程中，首先是應力波的作用在煤體中產生徑向裂隙，在應力波向前傳播的同時，高壓氣體緊隨其后迅速膨脹，進入由應力波產生的徑向裂隙中，由于氣體的尖劈作用，使裂隙繼續擴展。煤層中通常含有節理，在爆破過程中裂隙將優先朝層理方向發展。對于水平布置的鉆孔，垂直于裂縫面的上覆巖層地應力對裂縫擴展起阻礙作用，因此在分析爆破裂隙發展過程時，應將地應力因素考慮進去，才能使結果更符合實際。

為簡化分析，模型中假設二氧化碳氣體充滿了裂隙尖端，且僅考慮垂直方向上的地應力對裂隙擴展的影響，如圖1所示。考慮地應力的爆破裂隙擴展如圖2所示。

圖1 考慮地應力的斷裂力學模型

圖2 考慮地應力的爆破裂隙擴展模型

根據斷裂力學理論，預裂爆破中的裂隙主要為張開型、滑開型以及兩者的綜合型，裂隙是否擴展取決于裂隙尖端的應力強度因子是否大于裂隙的臨界斷裂韌度值，裂隙尖端的應力強度因子為：

(1)

式中：Kr——裂隙尖端的應力強度因子；

x——裂隙段任意長度，m；

σ——地應力，MPa；

rb——爆破孔直徑，m；

L——裂隙擴展瞬間長度，m；

P(x)——氣體壓力沿裂縫長度方向分布，MPa。

作為近似計算，假設快速氣化的二氧化碳氣體壓力沿裂縫長度方向呈近似性下降，則裂縫內任一位置氣體壓力：

(2)

式中：Pm——爆破孔處快速氣化二氧化碳氣體的初始壓力，MPa。

將式(2)代入式(1)，可得：

(3)

當裂縫長度遠大于炮孔直徑時，炮孔本身可作為裂縫的一部分，令式中rb=0，可得：

(4)

裂隙失穩擴展條件為：

Kr≥Krd

(5)

式中：Krd——動態斷裂韌性，N/m3/2。

由公式可看出，地應力、泄放壓力與裂隙尖端的應力強度因子均有關系，而煤層的動態斷裂韌性可認為是一固定值。因此，地應力、泄放壓力的大小均會對裂隙的擴展產生影響。裂隙擴展情況對二氧化碳致裂爆破增透技術的應用效果有重要意義，為取得良好的增透效果，不同埋深條件下使用二氧化碳致裂爆破增透的技術參數需相應的調整。

2 試驗方案

理論分析主要考慮垂直應力，忽略水平應力的影響，而垂直應力與埋深關系密切。試驗選擇在黑龍江興山煤礦17#煤層的不同埋深的工作面進行。17#煤層具有煤與瓦斯突出危險性，煤層瓦斯含量達到14.62 m3/t，煤層透氣性系數為0.121 m2/(MPa2·d)，雖然屬于可以抽采煤層，但煤質松軟，抽采鉆孔成孔率低，抽采濃度低，鉆孔流量衰減快，抽采效果較差。

試驗地點選擇在二水平北一石門21705工作面運輸巷和四水平零石門41701工作面運輸巷。二水平北一石門21705工作面運輸巷平均埋深330 m，四水平零石門41701工作面運輸巷平均埋深792 m。

本次試驗采用的爆破裝置為沈陽研究院生產，技術規格參數如表1，另外配有長度為1 m的連接桿。

表1 二氧化碳爆破裝置技術規格參數表

二氧化碳致裂增透爆破主要技術參數包括泄放壓力和爆破口間距，在2個地點分別進行不同技術參數的試驗，每個試驗地點各布置二氧化碳致裂爆破增透鉆孔6個，如圖3所示。爆破技術參數如下：

(1)1號孔致裂管選用MZL150-50/1180型，爆破口間隔1.18 m(致裂管與致裂管直接相連)；

(2)2號孔致裂管選用MZL150-50/1180型，爆破口間隔(1.18+1)m(致裂管間增加1根連接桿)；

(3)3號孔致裂管選用MZL150-50/1180型，爆破口間隔(1.18+2)m(致裂管間增加2根連接桿)；

(4)4號孔致裂管選用MZL200-50/1180型，爆破口間隔1.18 m(致裂管與致裂管直接相連)；

(5)5號致裂管選用MZL200-50/1180型，爆破口間隔(1.18+1)m(致裂管間增加1根連接桿)；

(6)6號孔致裂管選用MZL200-50/1180型，爆破口間隔(1.18+2)m(致裂管間增加2根連接桿)。

為防止鉆孔間相互影響，鉆孔間距設置為15 m。鉆孔垂直巷幫，沿煤層布置，設計長度30 m。為保證安全，鉆孔留15 m的保護段，即從鉆孔15 m位置以后開始放置致裂管，如圖3所示。

圖3 致裂鉆孔布置及試驗方案示意圖

3 試驗過程及數據

在二水平北一石門21705工作面運輸巷和四水平零石門41701工作面運輸巷2個試驗地點按照設計的試驗方案依次實施二氧化碳致裂爆破。正常情況下，爆破30 min后進入試驗地點，利用鉆機拆除鉆孔內的致裂管及連接管，然后馬上進行封孔，并連接抽采管路。

在接抽后的30 d內按時觀測、記錄鉆孔抽采流量、抽采濃度指標。瓦斯抽采純量是衡量抽采效果的重要指標，根據2個試驗地點鉆孔抽采流量、濃度指標計算觀測期間每分鐘的瓦斯抽采純量，如圖4～ 7所示。

圖4 1號試驗地點1-1、1-2、1-3號孔致裂后抽采純量

圖5 1號試驗地點1-4、1-5、1-6號孔致裂后抽采純量

圖6 2號試驗地點2-1、2-2、2-3號孔致裂后抽采純量

圖7 2號試驗地點2-4、2-5、2-6號孔致裂后抽采純量

根據統計數據，計算各個鉆孔在30 d內的瓦斯抽采總量。為方便對比分析試驗數據，將各個鉆孔單位時間瓦斯抽采純量最大值、30 d累計抽采瓦斯純量等主要試驗數據進行整理，如表2所示。

表2 試驗數據整理

4 數據整理與分析

試驗數據的分析分三類進行：同一地點相同泄放壓力不同爆破口間距的數據對比分析、同一地點相同爆破口間距不同泄放壓力的數據對比分析、不同地點相同泄放壓力相同爆破口間距的數據對比分析，具體如下：

4.1 同一地點相同泄放壓力不同爆破口間距

(1)在1號試驗地，1-1、1-2、1-3號鉆孔使用相同型號的致裂管(MZL150-50/1180)，1-4、1-5、1-6號鉆孔使用相同型號的致裂管(MZL200-50/1180)。

由圖4可知，1-1、1-2號鉆孔單位時間瓦斯抽采純量隨抽采時間變化的趨勢比較一致，均在10 d以后出現較大幅度的衰減，而1-3號鉆孔單位時間瓦斯抽采純量在保持4 d后就開始大幅下降；1-1、1-2號鉆孔30 d內累計抽采瓦斯純量均超過700 m3，1-3號鉆孔僅為498 m3。1-1、1-2號鉆孔致裂增透效果接近，1-3號鉆孔致裂增透效果較差。

由圖5可知，1-4與1-5號孔高效抽采的時間保持6～7 d，1-6號鉆孔保持的時間較短；1-4、1-5號鉆孔30 d內累計抽采瓦斯純量均超過700 m3，1-6號鉆孔僅為537 m3。1-4、1-5號鉆孔致裂增透效果接近，1-6號鉆孔致裂增透效果較差。

(2)在2號試驗地，2-1、2-2、2-3號鉆孔使用相同型號的致裂管(MZL150-50/1180)，2-4、2-5、2-6號鉆孔使用相同型號的致裂管(MZL200-50/1180)。

由圖6可知，2-1、2-2、2-3號鉆孔單位時間瓦斯抽采純量與時間的關系曲線同未采取措施情況下的曲線比較接近，高抽采純量維持時間很短，致裂增透效果均不理想。2-1、2-2、2-3號鉆孔30 d內的瓦斯抽采總量分別為668 m3、595 m3、510 m3，隨爆破口間距的增大而減少。

由圖7可知，2-4、2-5、2-6號鉆孔單位時間瓦斯抽采純量與時間的關系曲線存在明顯的差別，2-4號鉆孔衰減曲線較緩，2-5號鉆孔次之，2-6號鉆孔衰減曲線最陡；2-4、2-5、2-6號鉆孔30 d內的瓦斯抽采總量分別為1079 m3、712 m3、561 m3，隨爆破口間距的增大而減少。

4.2 同一地點相同爆破口間距不同泄放壓力

(1)在1號試驗地，1-1與1-4號鉆孔爆破口間距相同(1180 mm)，1-2與1-5號鉆孔爆破口間距相同(2180 mm)，1-3與1-6號鉆孔爆破口間距相同(3180 mm)，泄放壓力分別為150 MPa、200 MPa。

1-4號孔的最大單位時間瓦斯抽采純量稍高于1-1號孔，但高抽采純量維持的時間較短，兩者抽采30 d內累計瓦斯抽采純量相當。在埋深330 m、爆破口間距為1180 mm情況下，較高的泄放壓力對提高抽采效果的作用有限。

1-2與1-5號鉆孔的效果對比和1-1與1-4號鉆孔的相似，說明在爆破口間距為2180 mm情況下，較高的泄放壓力對提高抽采效果的作用也有限。

根據圖4、圖5及表2，1-3、1-6號鉆孔的效果明顯低于其他鉆孔，兩者的對比無意義，不再分析。

(2)在2號試驗地，2-1與2-4號鉆孔爆破口間距相同(1180 mm)，2-2與2-5號鉆孔爆破口間距相同(2180 mm)，2-3與2-6號鉆孔爆破口間距相同(3180 mm)，泄放壓力分別為150 MPa、200 MPa。

2-4號孔的最大單位時間瓦斯抽采純量和抽采30 d內累計瓦斯抽采純量均高于2-1號孔。在埋深792 m、爆破口間距為1180 mm情況下，較高的泄放壓力對提高抽采效果有明顯的作用。

2-5號孔的最大單位時間瓦斯抽采純量和抽采30 d內累計瓦斯抽采純量比2-2號孔均有所提高，但增加幅度明顯小于爆破口間距為1180 mm時的情況。

2-3與2-6號鉆孔的效果對比和2-2與2-5號鉆孔的相似，該條件下，較高的泄放壓力對提高致裂增透效果不明顯。

4.3 不同地點相同泄放壓力相同爆破口間距

從表2可以看出，埋深較大位置鉆孔的最大單位時間瓦斯抽采純量均高于埋深較小位置相應的鉆孔；淺部的1-1、1-2號鉆孔30 d內累計瓦斯抽采純量明顯高于深部相應的2-1、2-2號，而深部的2-4號鉆孔30 d內累計瓦斯抽采純量明顯高于淺部相應的1-4，其余對應鉆孔間該數值相差不大。

5 結論

(1)從理論方面對二氧化碳致裂爆破技術效果的影響因素進行分析，并通過試驗驗證煤層埋藏深度、爆破裝置的泄放壓力及爆破口間距均會對二氧化碳致裂爆破的增透效果產生影響。

(2)黑龍江興山煤礦17#煤層埋藏深度330 m時，二氧化碳致裂爆破泄放壓力150 MPa或200 MPa、爆破口間距1180 mm或2180 mm時的增透效果相差不大，因此，從經濟合理的角度出發，該煤層埋藏深度條件下，采取二氧化碳致裂爆破應選擇MZL150-50/1180型致裂管，兩根致裂管間增加一根連接管。

(3)黑龍江興山煤礦17#煤層埋藏深度792 m時，二氧化碳致裂爆破泄放壓力200 MPa、爆破口間距1180 mm時的增透效果明顯優于其他情況。因此，該煤層埋藏深度條件下，采取二氧化碳致裂爆破應選擇MZL200-50/1180型致裂管，致裂管與致裂管直接連接。