CO2爆破致裂技术在煤层注水工程中的应用

白文信，殷卫峰，王照东，王　滨，周连春，马友魁

(1.枣庄矿业(集团)有限责任公司 蒋庄煤矿，山东 枣庄 277519；2.中煤科工集团工程科技有限公司， 北京 100013；

3.神华乌海能源有限公司 老石旦煤矿，内蒙古 乌海 016033)



CO2爆破致裂技术在煤层注水工程中的应用

白文信1，殷卫峰2，王照东1，王滨2，周连春3，马友魁3

(1.枣庄矿业(集团)有限责任公司 蒋庄煤矿，山东 枣庄 277519；2.中煤科工集团工程科技有限公司， 北京 100013；

3.神华乌海能源有限公司 老石旦煤矿，内蒙古 乌海 016033)

[摘要]针对蒋庄煤矿坚硬煤层注水难的问题，为了提高注水渗透效率，引进CO2爆破致裂技术，利用瞬间释放高压气体，迫使煤层内部封闭裂隙相互沟通，形成可使水渗透到煤体内部相互关联的孔隙-裂隙网，从而起到提高煤层注水效率和软化煤层的效果。试验结果表明：采用CO2爆破致裂技术后，钻孔周边有效松动致裂范围明显增大，爆破致裂半径增加3~5m，注水后煤层含水率提高了2%，有效解决了坚硬煤层注水难的问题，从而提高了采煤效率、降低了开采过程中的粉尘率和煤机截齿的消耗量。

[关键词]CO2爆破；致裂增透；煤层注水

[引用格式]白文信，殷卫峰，王照东，等.CO2爆破致裂技术在煤层注水工程中的应用[J].煤矿开采，2015，20(6)：112-114.

俄罗斯、波兰、澳大利亚等主要产煤国家都对CO2爆破致裂技术提高煤层注水效率进行了相关研究，以期解决煤矿安全高效生产问题。俄罗斯和波兰利用煤层注水，在软化坚硬煤层和防治煤与瓦斯突出方面取得显著成效[1]。在我国，淮南顾桥矿综采工作面采用短孔高压注水软化煤层，瓦斯涌出速度和降尘均降低50%；淮北芦岭矿综采工作面采用浅孔注水，降尘率达到74%，注水后工作面前方卸压带加宽，有效防止工作面片帮、漏顶；靖远红会一矿进行了深孔爆破与动压注水相结合预处理坚硬煤体试验，在工作面两巷每间隔6m各布设长度68m和55m的超前爆破孔，两孔间布设注水孔，单孔装药量76kg，注水后截煤速度提高1倍，截齿消耗量也明显下降，有效地解决了坚硬煤层注水困难的问题[2-6]。随着我国对环保以及民用炸药使用限制的高要求，CO2爆破致裂技术在我国许多煤矿得到了大力推广应用。本文以山东省枣庄市蒋庄煤矿为例，对CO2爆破致裂技术应用于煤层注水工程进行研究分析。

1工程概况

蒋庄煤矿主要煤系为下二迭山西组和上石炭统太原群，山西组含煤3层，分别为2煤层和3上、3下煤层，煤种属1/3焦煤，坚固性系数为2~3.5，属中硬以上煤层。采煤方法为长壁后退式全部垮落采煤法，回采工艺为综合机械化采煤。为改善工作面作业环境，提高煤炭产量，曾采用煤层注水弱化煤体措施，但由于煤体坚硬、煤层节理裂隙不发育，煤体中裂隙较少，煤层透水性差，注水后无法在煤体中疏导流动，不能在较大范围内湿润煤体，通过刻槽法现场取样测定，长孔注水的湿润半径不足1m，注水效果十分不理想。

2CO2爆破致裂技术

2.1CO2爆破致裂工作原理

CO2爆破致裂技术是利用液态CO2受热气化膨胀，快速释放高压气体破断岩石或落煤[7]。针对坚硬煤层采煤与处理工艺，借助于CO2爆破技术，利用瞬间释放高压气体，迫使煤层内部封闭裂隙相互沟通，在煤层内形成可使水渗透到煤体内部相互关联的孔隙——裂隙网，旨在提高注水渗透率，提高注水弱化煤体效果，从根本上解决坚硬煤层注水难的技术难题[8]。

2.2CO2爆破器产品介绍及使用方法

CO2爆破器是由CO2爆破管及起爆器(如电容式发爆器)2个主要部分组成的，如图1所示；CO2爆破管结构组成，详见图2。

图1　CO2爆破器及起爆器

1—爆破管主体；2—充气接口；3—起爆药芯；4—放气阀；5—止飞装置；6—泄能片；7—爆破垫片；8—泄能垫片图2　CO2爆破管结构组成

如图2所示，爆破前将一定量的液态CO2通过充气接口2充入爆破管主体1，使用时把充装好的爆破管置于钻孔内，将引炮线连接到放炮装置上。通过电激励爆破管内的起爆药芯3，使其迅速放热给液态CO2，液态CO2在极短时间内快速气化，CO2气体体积瞬间增大到原体积的600倍[9]。当瞬间膨胀压力达到定压泄能片6的屈服压力时，使其破断，高压气体经过放气阀4作用到钻孔壁，使钻孔周围煤体破裂，为防止爆破管向前冲出，在爆破器的外端头安装了止飞装置5。

3CO2爆破预裂注水工业性试验

3.1中、深孔CO2爆破预裂工艺设计

如图3所示，在选定的回采工作面进风和回风巷道内每间隔10～20m同时对打爆破孔，相邻的2个爆破孔之间打1个控制孔。在煤层条件一定时，随着孔间距的增大，透气性系数迅速降低，当孔间距达到一定值时，透气性已接近原始煤体，即孔间没有形成新的裂隙，反之，当孔间距减少时，透气性迅速上升[10-11]。经过CO2爆破试验考察得出合理的孔间距为5~10m。

图3　钻孔布置

中、深钻孔的深度在30～50m之间，在钻孔内每根CO2爆破管之间的间距为5m，CO2爆破管之间用连接杆(图4)连接，每根爆破管与连接杆的长度皆为1m。第1根CO2爆破管距孔口5m，根据钻孔实际深度确定钻孔内布置CO2爆破管的数量。

1—CO2爆破管；2—连接杆；3—回风巷道图4　CO2爆破器在钻孔内的布置

3.2试验效果分析

定压泄能片的厚度决定储液致裂器内压力范围(80～200MPa)，当致裂器内压力控制在80MPa左右时，爆裂出现裂痕范围达到2.5m左右，裂痕分布均匀，裂痕宽度达到20mm；当致裂器内压力控制在200MPa左右时，采煤面被抛出0.8m。试验中致裂时采用手摇式起爆器进行引爆。致裂后，相比采用水胶炸药爆破的煤体成块效果好，抛出的煤量大且粉尘浓度小，200MPa时孔深10m，20m处致裂试验数据分别如表1、表2所示。

表1　3上606工作面材料巷73号孔10m处致裂注水记录

表2　3上606工作面材料巷76号孔20m处致裂注水记录

4结束语

(1)在相同致裂效果下，CO2爆破技术比传统爆破布置炮眼少，预裂有效半径提高了3~5m。

(2)采用CO2致裂技术，在钻孔10m，20m处致裂注水的速率分别为1.5539725m3/h 和2.18133m3/h，注水后煤层含水率提高了2%。

(3)试验表明：在采煤过程中空气中的粉尘浓度降低了62%以上，工作面环境得到极大改善，截齿消耗量降低了30%，极大地提高了经济效益。

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[11]Allegre C J，Lewin E.Scaling laws and geochemical distributions [J].Earth and planetary letters，1995(132):1-13.

[责任编辑：邹正立]

Application of CO2Blasting-fracture Technology in Coal-seam Water-injection Engineering

BAI Wen-xin1，YIN Wei-feng2，WANG Zhao-dong1，WANG Bin2，ZHOU Lian-chun3，MA You-kui3

(1.Jiangzhuang Colliery，Zaozhuang Mining(Group)Co.，Ltd.,Zaozhuang 277519，China；

2.Engineering Science & Technology Co.，Ltd.,China Coal Technology Engineering Group，Beijing 100013，China；

3.Laoshidan Colliery，Shenhua Wuhai Energy Co.，Ltd.,Wuhai 016033，China)

Abstract：In order to increase water-injection ratio in hard coalseam，CO2blasting-fracture technology was introduced into Jiangzhuang Colliery.High-pressure gas simultaneously released made closed fissure connect mutually and formed pore-fissure network through which water was permeated into coal，thus coalseam water-injection effect and efficiency was improved.Test results showed that effective loosing and fracturing range surrounding boreholes obviously increased，blasting-fracture diameter increased 3～5m，and water content of coal body increased 2% after CO2blasting.This technology effectively solved water-injection difficult problem，improved coal mining efficiency and reduced dust ratio and consumption of cutting pick.

Keywords：CO2blasting；fracturing for increasing permeability；coalseam water-injection

[作者简介]白文信(1965-)，男，山东临朐人，高级工程师，现任蒋庄煤矿总工程师，主要从事煤矿安全工作。

[基金项目]山东能源集团有限公司科技创新项目(2012)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.030

[收稿日期]2015-04-29

[中图分类号]TD713.33

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0112-03