寺家庄矿CO2预裂爆破强化抽采技术试验研究

郭有慧　孙锐

摘 要：通过CO2预裂爆破使钻孔壁产生径向环形的破裂圈，这在增加了煤层透气性的同时，煤层中CO2置换解吸CH4，还促进了瓦斯抽采效果。依据寺家庄矿的实际突出特点，在寺家庄矿掘进工作面进行CO2预裂爆破强化抽采技术试验。结果表明，爆破后钻孔瓦斯抽采量增加了65.5%，瓦斯抽采浓度也提高8%. 经过强化抽采后，钻孔控制范围内的煤层瓦斯含量大幅度降低，掘进效率极大提高。

关键词：CO2；预裂爆破；透气性；强化抽采

中图分类号：TD235.4 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）01-0006-03

寺家庄矿所采15号煤层为突出煤层，根据《防治煤与瓦斯突出规定》第六条“防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则，突出矿井采掘工作，做到不掘突出头、不采突出面”的要求，掘进工作面必须采取区域消突措施。由于15号煤层透气性差，属于较难抽采煤层，要消除掘进工作面前方区域的突出危险性需要进行大量的瓦斯抽采钻孔施工，且抽采时间较长，严重影响到掘进工作面施工进度。提高低透气性煤层的瓦斯抽采效果一直是寺家庄矿瓦斯抽采工作中难以解决的问题，为此采取了各种增加煤层透气性的方法，例如，水力压裂、水力割缝等。但由于其工艺复杂，设备庞大，不利于在掘进工作面狭小的空间采用等因素，使用效果不理想。因此，探索适合矿掘进工作面瓦斯抽采增透技术，在保证安全的条件下采取措施增大煤层的透气性，提高煤层瓦斯钻孔抽采量，是寺家庄矿安全生产必须解决的问题。为此，寺家庄矿在掘进工作面开展了CO2预裂爆破强化抽采技术试验，通过液态CO2气化瞬间产生强大的冲击波和膨胀能将煤体撑裂，使煤体内的原生裂隙得以扩展，并产生大量的新裂隙，大大增强煤层的透气性，强化瓦斯抽采，缩短瓦斯抽采时间。

1 CO2预裂爆破抽采瓦斯机理

传统的煤层钻孔增透技术都是采用在钻孔中安装炸药，通过炸药爆炸产生的冲击波和高温高压气体来使煤层中产生大量的裂隙。但是在煤和瓦斯突出矿井，由于煤矿井下的特殊环境，传统的炸药在爆破过程中所产生的高温和火焰对煤矿的安全存在一定的危险性，特别是如果钻孔中的炸药未能起爆形成瞎炮、哑炮，处理起来相当危险。为了避免采用传统炸药增透的危险性，寺家庄矿引进了CO2预裂爆破技术。CO2预裂爆破技术是一种无炸药爆破，它具有无火花、威力大、安全高效的优点。最初是为了减小高瓦斯矿井采煤工作面的危险性，采用CO2预裂爆破来代替传统的火药爆破，使工作面的危险性大大降低。

CO2预裂爆破作为强化抽采低透气性煤层瓦斯的措施，就是在掘进工作面前方钻场煤体中布置爆破孔和瓦斯抽采钻孔，在爆破孔中安装专用的高压CO2爆破管，爆破管里端释放头设有径向的喷气孔。爆破前，将液态CO2注入到爆破管中，并将其爆破管外端的起爆头和低压起爆器相连。起爆时，起爆头连通电源后，爆破管内的低压保险丝被加热，当温度超过31 ℃时，管内CO2在40 ms内迅速转化为气态，CO2体积迅速膨胀达到常温下体积的600多倍，管内压力最高可增至270 MPa。当压力达到预设压力时，CO2气体通过喷气孔迅速向外爆发，瞬间产生强大的冲击波和高压气体将钻孔孔壁撑裂，使钻孔周围的煤体沿着径向形成环形分布的破碎圈、松动圈和裂隙圈，增大钻孔周围煤体的透气性，提高钻孔的流量。另外，由于CO2的吸附能力高于CH4的吸附能力，气化产生的CO2通过竞争吸附，还能驱替出更多的游离态瓦斯，从而提高掘进工作面前方钻场瓦斯抽采效率，减少抽采时间。

2 实验区概况

实验区选择在寺家庄矿15203工作面回风顺槽掘进工作面，15203工作面所采煤层为15号煤层。煤层平均厚度为5.63 m，层理发育完好，煤层透气性系数为0.175 m2/（MPa2·d），钻孔百米流量衰减系数为0.0417 d-1。在15203工作面回风顺槽实测的煤层瓦斯含量为12.20 m3/t，工作面抽采系统瓦斯抽采浓度为7.8%～8.4%，主管负压为15.62 kPa，混合流量为36.11～40.28 m3/min。

3 CO2预裂爆破强化抽采瓦斯试验

3.1 钻孔设计、施工

图1 钻孔布置示意图

根据15203回风顺槽煤层赋存和巷道断面等条件，在15203回风顺槽掘进工作面前方钻场设计布置钻孔11个，其中钻场正中间布置1个预裂孔，四周共布置10个瓦斯抽采钻孔，钻孔设计长度为90 m。钻孔施工后马上进行封孔接抽。钻孔布置如图1所示，钻孔施工情况见表1.

3.2 封孔方式及深度

待钻场内所有钻孔施工完成后，对预裂钻孔进行装药封孔，封孔深度为17.5 m，共进行了2次预裂试验，预裂深度为分别为29 m和44.5 m。

4 CO2预裂爆破强化抽采效果考察

本次试验从2013-05-18开始施工钻孔，由于打钻过程中出现喷孔等动力现象的影响，到2013-05-22所有钻孔施工完毕，2013-05-25进行了CO2预裂爆破试验。在试验过程中对15203回风顺槽掘进工作面瓦斯含量、瓦斯抽采量、浓度等参数进行了测定，现从以下几个方面来考察CO2深孔预裂爆破的抽采效果。

4.1 提高瓦斯抽采量的效果

在试验过程中对预裂爆破前后钻孔瓦斯抽采流量和抽采浓度进行了跟踪测试，并进行了对比分析。图2、图3为钻场内部分钻孔瓦斯抽采量和瓦斯浓度变化曲线图。

由图2、图3可以看出：①1#、2#钻孔的瓦斯抽采增量和浓度增长率均大于9#钻孔。这说明CO2预裂爆破措施有一定的有效范围，在有效范围内的钻孔透气性增加明显，在范围外的钻孔则受影响较小。②1#钻孔2013-05-21—24所测瓦斯抽采量为0.082～0.092 m3/min，平均值为0.087 m3/min，质量分数为21%～23%，平均质量分数22%.虽然钻孔已经经过了长时间的抽采，但是CO2深孔预裂爆破后，2013-05-25—29所测瓦斯抽采量为0.091～0.156 m3/min，平均值为0.144 m3/min，较预裂前平均增加65.5%；质量分数为18%～43%，平均质量分数30%，较预裂前平均提高浓度为8%. 在实施了CO2预裂爆破措施后，由于强大的冲击波的致裂效应，煤层透气性增强了，爆破孔周围的钻孔瓦斯抽采量和瓦斯浓度都有明显的提升。

4.2 降低瓦斯含量的效果

图4为1#钻孔预抽前后所测煤层瓦斯含量对比图，预抽后瓦斯含量测定为施工区域消突效果检验孔所测得。

由图4可以看出，在实施了CO2预裂爆破增透措施后，钻孔瓦斯抽采量得以提高，大大降低了煤层的残余瓦斯含量，相应的煤层瓦斯压力也得以降低，煤层应力集中向前方转移，使钻孔控制区域的突出危险性得以消突，为安全掘进提供了安全保障。

4.3 缩短工期的效果

采用CO2预裂爆破强化抽采技术后，与之前采用的普通瓦斯抽采区域消突措施相比，能够大大减少瓦斯抽采钻孔施工个数，缩短瓦斯抽采时间，实现快速掘进。普通抽采和采用CO2预裂强化抽采试验情况对比见表2所示。

由表2可以看出，采用CO2预裂爆破强化抽采技术后，瓦斯抽采钻孔施工数量（11个）和普通抽采方式施工钻孔数量（45个）相比，施工钻孔数是原抽采方式钻孔数量的1/4；区域消突时间也大大缩短，普通瓦斯抽采消突共需耗时（打钻、抽采）约131 d；采用CO2预裂爆破强化抽采技术后，需耗时（打钻、抽放）约33 d，节约了大量的区域消突时间，为掘进工作面快速掘进创造了条件。

5 小结

通过对此项技术的研究可知：①采用CO2深孔预裂强化瓦斯抽采技术能够使瓦斯抽采钻孔周围煤体裂隙大幅度增加，煤体原生裂隙得到扩散，使抽采钻孔周围的煤体形成较大范围相互贯通的裂隙网，提高煤体的透气性。②由试验可以看出，虽然CO2预裂爆破前已经经过了较长时间的抽采，但CO2预裂爆破后钻孔瓦斯抽采量仍增加了65.5%，瓦斯抽采浓度也提高8%.通过强化抽采后，钻孔控制范围内的煤层瓦斯含量大幅度降低，煤层消突了突出危险性。③采用CO2深孔预裂强化瓦斯抽采技术能够减少区域消突钻孔工程量，缩短瓦斯抽采时间，实现高突出煤层掘进工作面安全快速掘进，具有较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[2]刘健，刘泽功，石必明，等.突出煤层快速掘进深孔预裂爆破预抽瓦斯技术[J].煤炭科学技术，2008，36（8）：45-48.

[3]徐伟.大采深突出煤层深孔控制预裂爆破消突技术应用[J].煤矿安全，2011，42（9）：102-105.

[4]徐颖，程玉生，王家来.国外高压气体爆破[J].煤炭科学技术，1997，25（5）：52-53.

[5]聂政.二氧化碳炮爆破在煤矿的应用[J].煤炭技术，2007，26（8）.

[6]朱栓成，周海丰，李浩荡.二氧化碳炮处理综采工作面巷道三角区悬顶[J].煤矿安全，2013，44（8）：144-146.

[7]张悦，张民波，朱天玲，等.低透气性煤层CO2 增透预裂技术应用[J].科技导报，2013，31（23）.

〔编辑：白洁〕

4.2 降低瓦斯含量的效果

图4为1#钻孔预抽前后所测煤层瓦斯含量对比图，预抽后瓦斯含量测定为施工区域消突效果检验孔所测得。

由图4可以看出，在实施了CO2预裂爆破增透措施后，钻孔瓦斯抽采量得以提高，大大降低了煤层的残余瓦斯含量，相应的煤层瓦斯压力也得以降低，煤层应力集中向前方转移，使钻孔控制区域的突出危险性得以消突，为安全掘进提供了安全保障。

4.3 缩短工期的效果

采用CO2预裂爆破强化抽采技术后，与之前采用的普通瓦斯抽采区域消突措施相比，能够大大减少瓦斯抽采钻孔施工个数，缩短瓦斯抽采时间，实现快速掘进。普通抽采和采用CO2预裂强化抽采试验情况对比见表2所示。

由表2可以看出，采用CO2预裂爆破强化抽采技术后，瓦斯抽采钻孔施工数量（11个）和普通抽采方式施工钻孔数量（45个）相比，施工钻孔数是原抽采方式钻孔数量的1/4；区域消突时间也大大缩短，普通瓦斯抽采消突共需耗时（打钻、抽采）约131 d；采用CO2预裂爆破强化抽采技术后，需耗时（打钻、抽放）约33 d，节约了大量的区域消突时间，为掘进工作面快速掘进创造了条件。

5 小结

通过对此项技术的研究可知：①采用CO2深孔预裂强化瓦斯抽采技术能够使瓦斯抽采钻孔周围煤体裂隙大幅度增加，煤体原生裂隙得到扩散，使抽采钻孔周围的煤体形成较大范围相互贯通的裂隙网，提高煤体的透气性。②由试验可以看出，虽然CO2预裂爆破前已经经过了较长时间的抽采，但CO2预裂爆破后钻孔瓦斯抽采量仍增加了65.5%，瓦斯抽采浓度也提高8%.通过强化抽采后，钻孔控制范围内的煤层瓦斯含量大幅度降低，煤层消突了突出危险性。③采用CO2深孔预裂强化瓦斯抽采技术能够减少区域消突钻孔工程量，缩短瓦斯抽采时间，实现高突出煤层掘进工作面安全快速掘进，具有较好的经济效益和社会效益。

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[7]张悦，张民波，朱天玲，等.低透气性煤层CO2 增透预裂技术应用[J].科技导报，2013，31（23）.

〔编辑：白洁〕

4.2 降低瓦斯含量的效果

图4为1#钻孔预抽前后所测煤层瓦斯含量对比图，预抽后瓦斯含量测定为施工区域消突效果检验孔所测得。

由图4可以看出，在实施了CO2预裂爆破增透措施后，钻孔瓦斯抽采量得以提高，大大降低了煤层的残余瓦斯含量，相应的煤层瓦斯压力也得以降低，煤层应力集中向前方转移，使钻孔控制区域的突出危险性得以消突，为安全掘进提供了安全保障。

4.3 缩短工期的效果

采用CO2预裂爆破强化抽采技术后，与之前采用的普通瓦斯抽采区域消突措施相比，能够大大减少瓦斯抽采钻孔施工个数，缩短瓦斯抽采时间，实现快速掘进。普通抽采和采用CO2预裂强化抽采试验情况对比见表2所示。

由表2可以看出，采用CO2预裂爆破强化抽采技术后，瓦斯抽采钻孔施工数量（11个）和普通抽采方式施工钻孔数量（45个）相比，施工钻孔数是原抽采方式钻孔数量的1/4；区域消突时间也大大缩短，普通瓦斯抽采消突共需耗时（打钻、抽采）约131 d；采用CO2预裂爆破强化抽采技术后，需耗时（打钻、抽放）约33 d，节约了大量的区域消突时间，为掘进工作面快速掘进创造了条件。

5 小结

通过对此项技术的研究可知：①采用CO2深孔预裂强化瓦斯抽采技术能够使瓦斯抽采钻孔周围煤体裂隙大幅度增加，煤体原生裂隙得到扩散，使抽采钻孔周围的煤体形成较大范围相互贯通的裂隙网，提高煤体的透气性。②由试验可以看出，虽然CO2预裂爆破前已经经过了较长时间的抽采，但CO2预裂爆破后钻孔瓦斯抽采量仍增加了65.5%，瓦斯抽采浓度也提高8%.通过强化抽采后，钻孔控制范围内的煤层瓦斯含量大幅度降低，煤层消突了突出危险性。③采用CO2深孔预裂强化瓦斯抽采技术能够减少区域消突钻孔工程量，缩短瓦斯抽采时间，实现高突出煤层掘进工作面安全快速掘进，具有较好的经济效益和社会效益。

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[7]张悦，张民波，朱天玲，等.低透气性煤层CO2 增透预裂技术应用[J].科技导报，2013，31（23）.

〔编辑：白洁〕