山西襄矿集团上良煤业32206工作面CO2预裂爆破增透消突试验研究

王会斌，王辉跃，吝玉晓

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁沈阳 110016;2.辽宁工程技术大学，辽宁阜新 12300)

山西襄矿上良煤业目前是改扩建矿井，矿井核定生产能力为1.2 Mt/a，矿井所采煤层3#煤层由煤科总院沈阳研究院2011年鉴定为突出危险性煤层，按照《防治煤与瓦斯突出规定》关规定，结合现场实际，突出矿井采掘工作要做到不掘突出头，不采突出面的要求，采掘工作面必须进行区域消突措施。由于3#煤层属于低透气性煤层，传统的在工作面前方煤体布置很多瓦斯抽采钻孔进行瓦斯预抽，且抽采时间过长，严重影响掘进工作面施工进度。提高低透气性煤层瓦斯抽采效果一直是上良煤业抽采工作的难题。为此，上良煤业在以32206工作面为试验面开展了CO2预裂爆破增透消突技术试验，通过液态CO2气化瞬间产生强大的冲击波和膨胀将煤体撑裂，使煤体原生裂隙扩大，产生大量新裂隙［1－3］，增加煤层透气性的同时，煤层中的CO2置换出煤体中的瓦斯，达到强化瓦斯抽采，增透消突的效果［4－5］。

1 试验工作面概况

试验区选择在上良煤业32206工作面运输顺槽掘进工作面，工作面所采煤层为3#煤层，煤层厚度为2.56m，煤层倾角为11°，实测煤层瓦斯含量为17.3m3/t，钻孔百米流量衰减系数为 0.051 d－1，煤层透气性系数为0.14m2/(MPa2·d)。

2 CO2预裂爆破增透消突试验

2.1 钻孔设计布置、施工

依据32206工作面运输顺槽的煤层赋存和巷道断面布置条件，在待掘巷道左右距离巷道轮廓线5 m处，朝巷道掘进正前方，与巷道轮廓线平行，左右两侧打3个预抽钻孔;在距离巷道左右轮廓线3 m处以及巷道中心各打1个预裂孔，并且在打钻过程中观察瓦斯动力现象。预抽钻孔设计长度为70 m，预抽钻孔长度保留10 m安全距离，预裂钻孔为60 m，钻孔孔径为94 mm。钻孔竣工后及时并入抽采系统，钻孔布置如图1所示，钻孔施工参数见表1。

表1 钻孔施工参数表

图1 钻孔布置图

2.2 封孔方式

钻孔施工完成后，采用专用封孔器封孔，利用注水式打压泵对孔内的封孔器进行注水打压，使底座紧密的与煤壁接触，确保封孔质量达标，封孔深度为15 m。三个预裂孔共进行3次预裂试验，预裂深度分别为25 m、40 m和45 m。

3 试验效果分析

本次试验从2013－9－18开始施工钻孔，打钻过程中出现喷孔、卡钻等瓦斯动力现象，到2013－9－28所有钻孔施工完毕。2013－10－2进行了CO2预裂爆破增透消突试验，在对32206工作面运输顺槽掘进工作面瓦斯含量，单孔瓦斯纯流量和浓度等参数进行了测定。现在以下几个指标进行预裂效果进行评价。

3.1 提高了瓦斯抽采量和浓度

本次试验过程中对预裂爆破前后每个钻孔进行了单孔瓦斯纯流量和浓度跟踪测试，记录数据并对比分析，部分钻孔单孔瓦斯纯流量和浓度变化如图2、图3。

由图2和图3分析得出，预裂前各个钻孔单孔纯流量为0.01 m3/min～0.06 m3/min，平均纯流量为0.03 m3/min。虽然钻孔进行了长时间的预抽，预裂爆破后单孔纯流量为0.04 m3/min～0.13 m3/min，平均纯流量为0.08 m3/min，较预裂前平均增加62.5%，浓度平均增加60%。在实施了CO2预裂爆破增透消突试验后，液态CO2瞬间气化产生强烈的冲击波和膨胀致使钻孔壁产生径向环形圈，使得周围煤体破碎，增加大量新的裂隙，爆破孔周围钻孔单孔瓦斯纯流量和浓度明显增加了。

3.2 降低煤层残余瓦斯含量

本次试验对钻孔预抽前后对煤层瓦斯残余含量进行了比较，如图4。预抽后瓦斯含量测定为钻孔区域消突效果检验孔所测得。

根据图4可以看出，CO2预裂爆破增透消突试验后，瓦斯抽采量有明显提高，大大降低了所测煤层参与瓦斯含量，瓦斯压力也随之降低，煤层集中应力向前方煤体移动，使钻孔控制区域的煤与瓦斯突出危险性消除，为掘进提供了安全保障措施。

图2 预裂爆破前后单孔瓦斯纯流量变化曲线图

图3 预裂爆破前后单孔抽采瓦斯浓度变化曲线图

图4 预抽前后残余瓦斯含量对比图

3.3 其他效果

CO2预裂爆破增透消突试验后，之前采用的传统瓦斯抽采区域消突措施相比，减少了瓦斯抽采钻孔个数，缩短了抽采时间，实现快速安全掘进。

4 结论

1)通过在32206工作面进行的CO2预裂爆破增透消突试验研究可知，液态CO2气化瞬间产生的强大冲击波致使煤体破裂，产生大量新的裂隙，增加了煤层透气性，使得钻孔瓦斯抽采量和浓度有明显增加，降低了煤层瓦斯含量和压力，消除了煤层煤与瓦斯突出危险性。

2)采用CO2预裂爆破增透消突技术减少了区域消突钻孔工程量，缩短抽采时间，使得煤层掘进工作面快速安全掘进，有良好的经济效益，为类似具有低透气性煤层的矿井提供了解决思路。

［1］ 聂政，二氧化碳炮爆破在煤矿的应用［J］.煤炭技术，2007，26(8):1－2.

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

［3］ 蔡峰，刘泽功，张朝举，等.高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透数值模拟［J］.煤炭学报，32(5):62－65.

［4］ 沈怀津，郑孝鹏.低透气性高瓦斯煤层立体多层次瓦斯综合治理技术［J］. 煤矿开采，2007，12(4):78－81.

［5］ 马小涛，李智勇，屠洪盛，等.高瓦斯低透气性煤层深孔爆破增透技术［J］. 煤矿开采，2010，15(1):92－93，37.