郭有慧　孫銳

摘 要：通過CO2預裂爆破使鉆孔壁產生徑向環(huán)形的破裂圈，這在增加了煤層透氣性的同時，煤層中CO2置換解吸CH4，還促進了瓦斯抽采效果。依據(jù)寺家莊礦的實際突出特點，在寺家莊礦掘進工作面進行CO2預裂爆破強化抽采技術試驗。結果表明，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%. 經過強化抽采后，鉆孔控制范圍內的煤層瓦斯含量大幅度降低，掘進效率極大提高。

關鍵詞：CO2；預裂爆破；透氣性；強化抽采

中圖分類號：TD235.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）01-0006-03

寺家莊礦所采15號煤層為突出煤層，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第六條“防突工作堅持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充的原則，突出礦井采掘工作，做到不掘突出頭、不采突出面”的要求，掘進工作面必須采取區(qū)域消突措施。由于15號煤層透氣性差，屬于較難抽采煤層，要消除掘進工作面前方區(qū)域的突出危險性需要進行大量的瓦斯抽采鉆孔施工，且抽采時間較長，嚴重影響到掘進工作面施工進度。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。但由于其工藝復雜，設備龐大，不利于在掘進工作面狹小的空間采用等因素，使用效果不理想。因此，探索適合礦掘進工作面瓦斯抽采增透技術，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必須解決的問題。為此，寺家莊礦在掘進工作面開展了CO2預裂爆破強化抽采技術試驗，通過液態(tài)CO2氣化瞬間產生強大的沖擊波和膨脹能將煤體撐裂，使煤體內的原生裂隙得以擴展，并產生大量的新裂隙，大大增強煤層的透氣性，強化瓦斯抽采，縮短瓦斯抽采時間。

1 CO2預裂爆破抽采瓦斯機理

傳統(tǒng)的煤層鉆孔增透技術都是采用在鉆孔中安裝炸藥，通過炸藥爆炸產生的沖擊波和高溫高壓氣體來使煤層中產生大量的裂隙。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生的高溫和火焰對煤礦的安全存在一定的危險性，特別是如果鉆孔中的炸藥未能起爆形成瞎炮、啞炮，處理起來相當危險。為了避免采用傳統(tǒng)炸藥增透的危險性，寺家莊礦引進了CO2預裂爆破技術。CO2預裂爆破技術是一種無炸藥爆破，它具有無火花、威力大、安全高效的優(yōu)點。最初是為了減小高瓦斯礦井采煤工作面的危險性，采用CO2預裂爆破來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火藥爆破，使工作面的危險性大大降低。

CO2預裂爆破作為強化抽采低透氣性煤層瓦斯的措施，就是在掘進工作面前方鉆場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，起爆頭連通電源后，爆破管內的低壓保險絲被加熱，當溫度超過31 ℃時，管內CO2在40 ms內迅速轉化為氣態(tài)，CO2體積迅速膨脹達到常溫下體積的600多倍，管內壓力最高可增至270 MPa。當壓力達到預設壓力時，CO2氣體通過噴氣孔迅速向外爆發(fā)，瞬間產生強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，氣化產生的CO2通過競爭吸附，還能驅替出更多的游離態(tài)瓦斯，從而提高掘進工作面前方鉆場瓦斯抽采效率，減少抽采時間。

2 實驗區(qū)概況

實驗區(qū)選擇在寺家莊礦15203工作面回風順槽掘進工作面，15203工作面所采煤層為15號煤層。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工作面回風順槽實測的煤層瓦斯含量為12.20 m3/t，工作面抽采系統(tǒng)瓦斯抽采濃度為7.8%～8.4%，主管負壓為15.62 kPa，混合流量為36.11～40.28 m3/min。

3 CO2預裂爆破強化抽采瓦斯試驗

3.1 鉆孔設計、施工

圖1 鉆孔布置示意圖

根據(jù)15203回風順槽煤層賦存和巷道斷面等條件，在15203回風順槽掘進工作面前方鉆場設計布置鉆孔11個，其中鉆場正中間布置1個預裂孔，四周共布置10個瓦斯抽采鉆孔，鉆孔設計長度為90 m。鉆孔施工后馬上進行封孔接抽。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

待鉆場內所有鉆孔施工完成后，對預裂鉆孔進行裝藥封孔，封孔深度為17.5 m，共進行了2次預裂試驗，預裂深度為分別為29 m和44.5 m。

4 CO2預裂爆破強化抽采效果考察

本次試驗從2013-05-18開始施工鉆孔，由于打鉆過程中出現(xiàn)噴孔等動力現(xiàn)象的影響，到2013-05-22所有鉆孔施工完畢，2013-05-25進行了CO2預裂爆破試驗。在試驗過程中對15203回風順槽掘進工作面瓦斯含量、瓦斯抽采量、濃度等參數(shù)進行了測定，現(xiàn)從以下幾個方面來考察CO2深孔預裂爆破的抽采效果。

4.1 提高瓦斯抽采量的效果

在試驗過程中對預裂爆破前后鉆孔瓦斯抽采流量和抽采濃度進行了跟蹤測試，并進行了對比分析。圖2、圖3為鉆場內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預裂爆破措施有一定的有效范圍，在有效范圍內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所測瓦斯抽采量為0.082～0.092 m3/min，平均值為0.087 m3/min，質量分數(shù)為21%～23%，平均質量分數(shù)22%.雖然鉆孔已經經過了長時間的抽采，但是CO2深孔預裂爆破后，2013-05-25—29所測瓦斯抽采量為0.091～0.156 m3/min，平均值為0.144 m3/min，較預裂前平均增加65.5%；質量分數(shù)為18%～43%，平均質量分數(shù)30%，較預裂前平均提高濃度為8%. 在實施了CO2預裂爆破措施后，由于強大的沖擊波的致裂效應，煤層透氣性增強了，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#鉆孔預抽前后所測煤層瓦斯含量對比圖，預抽后瓦斯含量測定為施工區(qū)域消突效果檢驗孔所測得。

由圖4可以看出，在實施了CO2預裂爆破增透措施后，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，相應的煤層瓦斯壓力也得以降低，煤層應力集中向前方轉移，使鉆孔控制區(qū)域的突出危險性得以消突，為安全掘進提供了安全保障。

4.3 縮短工期的效果

采用CO2預裂爆破強化抽采技術后，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數(shù)，縮短瓦斯抽采時間，實現(xiàn)快速掘進。普通抽采和采用CO2預裂強化抽采試驗情況對比見表2所示。

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

5 小結

通過對此項技術的研究可知：①采用CO2深孔預裂強化瓦斯抽采技術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，提高煤體的透氣性。②由試驗可以看出，雖然CO2預裂爆破前已經經過了較長時間的抽采，但CO2預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%.通過強化抽采后，鉆孔控制范圍內的煤層瓦斯含量大幅度降低，煤層消突了突出危險性。③采用CO2深孔預裂強化瓦斯抽采技術能夠減少區(qū)域消突鉆孔工程量，縮短瓦斯抽采時間，實現(xiàn)高突出煤層掘進工作面安全快速掘進，具有較好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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[7]張悅，張民波，朱天玲，等.低透氣性煤層CO2 增透預裂技術應用[J].科技導報，2013，31（23）.

〔編輯：白潔〕

4.2 降低瓦斯含量的效果

圖4為1#鉆孔預抽前后所測煤層瓦斯含量對比圖，預抽后瓦斯含量測定為施工區(qū)域消突效果檢驗孔所測得。

由圖4可以看出，在實施了CO2預裂爆破增透措施后，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，相應的煤層瓦斯壓力也得以降低，煤層應力集中向前方轉移，使鉆孔控制區(qū)域的突出危險性得以消突，為安全掘進提供了安全保障。

4.3 縮短工期的效果

采用CO2預裂爆破強化抽采技術后，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數(shù)，縮短瓦斯抽采時間，實現(xiàn)快速掘進。普通抽采和采用CO2預裂強化抽采試驗情況對比見表2所示。

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

5 小結

通過對此項技術的研究可知：①采用CO2深孔預裂強化瓦斯抽采技術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，提高煤體的透氣性。②由試驗可以看出，雖然CO2預裂爆破前已經經過了較長時間的抽采，但CO2預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%.通過強化抽采后，鉆孔控制范圍內的煤層瓦斯含量大幅度降低，煤層消突了突出危險性。③采用CO2深孔預裂強化瓦斯抽采技術能夠減少區(qū)域消突鉆孔工程量，縮短瓦斯抽采時間，實現(xiàn)高突出煤層掘進工作面安全快速掘進，具有較好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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[7]張悅，張民波，朱天玲，等.低透氣性煤層CO2 增透預裂技術應用[J].科技導報，2013，31（23）.

〔編輯：白潔〕

4.2 降低瓦斯含量的效果

圖4為1#鉆孔預抽前后所測煤層瓦斯含量對比圖，預抽后瓦斯含量測定為施工區(qū)域消突效果檢驗孔所測得。

由圖4可以看出，在實施了CO2預裂爆破增透措施后，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，相應的煤層瓦斯壓力也得以降低，煤層應力集中向前方轉移，使鉆孔控制區(qū)域的突出危險性得以消突，為安全掘進提供了安全保障。

4.3 縮短工期的效果

采用CO2預裂爆破強化抽采技術后，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數(shù)，縮短瓦斯抽采時間，實現(xiàn)快速掘進。普通抽采和采用CO2預裂強化抽采試驗情況對比見表2所示。

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

5 小結

通過對此項技術的研究可知：①采用CO2深孔預裂強化瓦斯抽采技術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，提高煤體的透氣性。②由試驗可以看出，雖然CO2預裂爆破前已經經過了較長時間的抽采，但CO2預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%.通過強化抽采后，鉆孔控制范圍內的煤層瓦斯含量大幅度降低，煤層消突了突出危險性。③采用CO2深孔預裂強化瓦斯抽采技術能夠減少區(qū)域消突鉆孔工程量，縮短瓦斯抽采時間，實現(xiàn)高突出煤層掘進工作面安全快速掘進，具有較好的經濟效益和社會效益。

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〔編輯：白潔〕