CO2爆破技术在煤矿开采中的问题及对策

李可心

摘 要：CO2爆破技術是替换炸药，安全应用于高瓦斯矿井新一代爆破技术。为加速发展及应用，对CO2爆破技术在煤矿开采领域应用进行分析探索，提出建立评估系统，开展学科建设，降低生产成本的解决方式。

关键词：CO2爆破技术；煤矿开采；现状；问题；对策

中图分类号：TD 421 文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2017）02-0231-04

Abstract：The Carbon dioxide blasting technology is a newgeneration technique which can replace the traditional explosives and be applied safely in high gassy mine.For the purpose of its own acceleration in development and application，the paper first focused on the following researches：an analysis on the applications of carbon dioxide blasting technology in the field of coal mine，the establishment of the evaluation system；and then put forth to carry out the discipline construction and figure out some solutions to reducing production cost.

Key words：carbon dioxide blasting technology；coal mining；current situation；problems and difficulties；strategies and solutions.

由于煤矿开采特性，爆破一直采用威力猛的炸药，爆破过程产生的高温和火焰在高瓦斯矿井容易产生煤尘与瓦斯爆炸，而我国矿井多属高瓦斯类型，这为煤矿开采带来很大的潜在的安全隐患。CO2爆破技术是替换炸药，通过液态CO2受热迅速气化膨胀，对外做功。爆破时无烟、无火花，无明火，避免引发瓦斯爆炸，是目前国际普遍肯定的瓦斯矿井爆破新型技术。液态CO2爆破，作用时间为毫秒级，释放的CO2气体具有降温、阻燃、阻爆作用，不产生一氧化碳和氮氧化物等有毒有害气体，有益矿井安全生产和井下施工人员安全。

液态CO2爆破技术最早由美国埃多克斯公司开发，早期用于管道清堵和大型储罐管壁清理，采石场大规模开挖，因其安全性高，易控制，在其他爆破领域也获得了广泛的应用。随着技术的不断发展完善，目前已经在欧美国家的采矿业、隧道工程、市政工程、水下爆破等领域进行广泛推广和应用。

1 CO2爆破技术的应用价值

CO2爆破技术是利用液态CO2瞬间汽化产生的膨胀力进行爆破，它与传统的炸药爆破相比，具有如下的优点。

1）爆破过程无花火外露；

2）低压起爆（9 V），相比传统起爆（1 800 V）更安全；

3）不产生具有破坏性的震荡或震波，减少了诱发瓦斯突出的几率；

4）不需要进行验炮，爆破后变可进入，可连续作业；

5）不存在哑炮处理困难的问题，哑炮处理安全、简单；

6）爆破威力在100～300 MPa之间可进行调控，爆破方向可控。

技术用途宽广，前景广泛，在高瓦斯、突出矿井低透气性煤层中克服了炸药深孔预裂的弊端，传承了预裂抽采效果好的优点。因此，完全可以代替炸药进行深孔预裂爆破。

在煤矿领域可应用于以下方面。

1）低透煤层强化瓦斯抽采；

2）区域消突；

3）局部消突；

4）冲击地压解危；

5）采面强制放顶；

6）放顶煤工作面顶煤弱化；

7）上隅角瓦斯治理；

8）煤仓清堵；

9）采煤；

10）掘进；

11）煤炭自然处理等。

在非煤矿山领域可应用于以下方面。

1）采石场采石；

2）水泥、钢铁厂清淤清堵；

3）特殊地点爆破；

4）市政工程；

5）隧道爆破；

6）水下爆破；

7）矿山巷道掘进；

8）定向爆破等。

近年来由于炸药事故频发，国家有关单位对炸药的生产、流通、使用都做出了严格的规范以及监管。2015年2月国家安全监管总局国家煤矿安监局关于印发《煤矿井下爆破作业安全管理九条规定》和《煤矿井下爆炸材料安全管理六条规定》的通知，杜绝煤矿在达不到安全标准的环境下爆破以及使用未经批准的炸药。

我国通过引进与自行开发研究CO2爆破技术，在多个矿区进行引进与试验，更有企业通过实验成功后，引进CO2爆破技术。低透气性煤层较难抽采难题，晋煤集团赵庄矿南苏风井揭煤应用CO2爆破技术来增加煤层透气性，取得了良好的效果。2014年底晋煤集团将该项技术成功应用到煤矿立井揭煤代替火药进行爆破，在实施过程中无火花外露，提高了揭煤过程安全系数。

2 CO2爆破技术在煤矿开采中应用障碍

2.1 CO2爆破技术障碍

液态CO2爆破是能量转移、相态变化的热力学过程，与传统炸药建立的致裂增透技术不同，该技术建立在弹性、断裂、岩石等力学理论基础上，目前对该项技术的很多机理还不清楚。由于引入时间短，相关研究开发很少，国外的技术中国化水平有限，人们的认知受到一定限制，增加了该技术推广难度。

我国CO2爆破技术的研究还处于起步阶段，相应的技术数据库基本空白，数据来源严重不足。从进行的试验和使用情况来看，该技术的应用效果得到了比较广泛的肯定，但从技术角度来说，技术成熟度、可靠性都有待于证实与确定，再加上信息不畅等因素，严重制约该技术工业化、商业化进程，致使参与试验与应用的企业很少，无法形成市场。

目前，我国进口产品主要是美国郎艾尔道克斯和德国某公司，在华销售也仅为2～3套，售价每套高达人民币800万元。近年来煤科总院参照国外产品对此项技术展开研究，于2013年申报发明专利。国内现有的生产企业主要有4家，其技术均源自煤科总院。煤炭科学研究总院2013年1月，研制开发出我国第一代CO2开采器专利产品，此后，陆续有北京天高智机技术开发公司、河北星云航天设备科技有限公司和郭温贤、王坤研究开发的开采器及相关专利产品。但国内现有的生产企业主要有4家，其技术均源自煤科总院，国产设备售出量仅为30套左右，且主要应用于采石开采及市政方面，在煤矿开采中应用范围有限。

2.2 未形成体系，推广难度大

CO2爆破技术作为一个较新的应用领域，我国现存的技术数据、学习资料、软件开发资源及相关技术专业人才资源都十分匮乏，领域内更是缺少相应的技术实践经验交流。国内各类大中专院校课程鲜有涉猎，技术培训无法开展；相关教育、质量等部门也没有制定相应规范与标准。CO2爆破技术理论体系化建设目前从理论到实践都未形成，其推广应用受到阻碍。

从市场角度来看，我国生产的CO2爆破设备型号单一，爆破威力有限，设备操作较为复杂且工作量大，自动化程度较低，难以满足各个行业的不同需求。目前CO2爆破主要应用个别大型煤矿的开采，应用层面也很单一，主要在岩层和煤层的爆破、工作面巷道三角区悬顶的处理以及在管道、料仓堵塞时的爆破排堵。

2.3 CO2爆破技术商业化成本较高

作为新型的煤层增透技术，CO2爆破技术具有爆破不产生火花、压力可控、易于储存和运输、安全性高等优点。但该技术在商业化市场运作层面却受到经济成本过大，投资效益低的障碍。

1）CO2开采器灌装、接线、封孔等环节步骤繁琐，效率较低。与传统爆破相比，CO2开采器爆破价格相对昂贵。传统炮爆破价格约为1元/m3，CO2开采器爆破价格约为2～3元/m3，性价比偏低，爆破成本高。

2）CO2开采器爆破威力小，设备操作工作量大。爆破管串联深度浅，对工作面平整度及悬空面陡峭度要求较高，开采速度慢，且设备安装、测量、充气、拆卸等操作工作量较大。

3）CO2开采器虽然不属于民用危险爆炸品的范围，但其在生产、制造、使用等环节仍然存在一定的安全风险。

爆破管在生产环节过程中，需要对每一根爆破管进行压强为270 MPa的密封性油压试验，用以检验爆破管是否合格，不合格的爆破管在试验过程中有可能会发生炸裂的风险。

CO2中毒是长时间处于低浓度CO2环境中或突然进入高浓度CO2环境中引起，情况严重时可使人缺氧窒息死亡。由于产品灌装的是液态CO2，在灌装作业前需要CO2冲洗管路，甚至在极端情况下CO2存储罐发生泄漏，都会引起CO2浓度的增高，人在此环境下工作存在安全隐患。

2.4 管理平台建设滞后，制度衔接不完善

近年来，国家安全监管总局国家煤矿安监局关于印发《煤矿井下爆破作业安全管理九条规定》和《煤矿井下爆炸材料安全管理六条规定》，全国各地均制定了支持两项目规定的实施方案。但是，禁止煤矿在达不到安全标准的环境下使用爆破，杜绝使用未经批准的炸药时，并未有成熟替代技术和产品来替换炸药，也没有对已有安全的采矿方式建立行之有效的政策监管平台，致使很多矿山因为炸药爆破威力大、作用猛，而屡禁不止，而我国大多数煤矿属于高瓦斯井，安全环境很不适合炸药爆破，所以近些年矿难事故发生时有发生，造成严重的人员伤害。

3 推进CO2爆破系统在煤矿开采利用的建议及对策

3.1 开展CO2爆破技术评估，建立法律法规保障平台

科技进步及经济高速增长，在提高生产力和为人类带来福祉的同时也导致环境污染、安全事故、资源消耗等系列问题，利用炸药爆破开采煤炭已成为影响安全的严重掣肘，而这种影响还会在一定阶段存续。为了有效推进CO2爆破技术在煤矿开采业的运用，解决其在煤矿开采利用中的障碍，逐步实现CO2爆破产品推广应用，建议政府有关部门组织科研院所、高校及应用企业联合对CO2爆破技术进行科学评估，科学定位其技术价值、经济价值与社会效用。

为更好地推广安全、具有技术创新和经济价值的爆破开采技术应用，建立和完善矿区商业安全生产制度，不仅要从制度的设计、推广和落实、再到监督及管理等方面努力，更要完善相关配套制度建设和法律衔接。此外，应结合矿山开采现有基础，逐步制定技术规范与标准，规范CO2环境下生产流程，确保人员的安全。

对使用该技术的企业，适当给予补助和政策优惠，为CO2爆破技术在矿山开采创造有利的条件和环境。

3.2 增加CO2爆破技术的研究力量，开展系统学科建设

尽管国内一些设计院、研究所、高校及一些矿山企业在CO2爆破领域进行研究、开发与试验应用，但设计、制造及实施应用一般处于独立运作的状态，各方集成化研发程度低，缺乏合作，致使研究力量薄弱，研究成果与产品匮乏。政府作为导向，应为相关研究机构、高等院校及企业提供政策和经费支持，科技部、财政部及能源系统应引导鼓励科企、校企合作与交流。研发实现创新化、标准化，生产实现工业化、规范化，最终实现商业化、规模化推广利用的产业链。

学科建设是具有战略性的基础建设，教育部应将CO2爆破技术纳入矿山安全生产学科建设。通过教育理论的主导作用，使矿山安全生产，CO2爆破理论和技术不断发展，也为该学科推广应用培养各类人才。

3.3 降低生产成本，推动安全采矿能力提升

通过组织科研院所、高校与企业共同合作，对CO2爆破技术进行创新性研发，通过突破关键技术奠定商业化、工业化生产的基础。从目前研究发展现状来看，CO2爆破设备的发展趋势将向系列化，自动化，定量化、集成化发展，采用新技术、新材料、新工艺是降低成本重要因素。如將整个爆破系统集成于集装箱内，方便运输，就地操作；根据不同需要，调节爆破威力；使用高压阀门取代破裂片，使用电加热替代药剂加热管；爆破管安装与打孔机集成一体化等。

总之，CO2爆破技术在采矿安全领域具有重要的现实意义，它的使用可以替代炸药，保障安全生产。CO2开采器虽然属于起步阶段，但因容量大，其安全生产不容忽视，而通过政府导向，科企、校企联合研究、开发、推广，可以大大提升采矿安全。

参考文献：

[1]周彦杰.二氧化碳炮爆破技术在煤矿开采中的运用[J].内蒙古煤炭经济，2014（4）：99，114.

[2]范迎春.二氧化碳炮爆破增透技术在低透气煤层的应用研究[J].中州煤炭，2015（5）：1-3.

[3]王 军，肖永胜.用二氧化碳爆破技术开采某石灰石矿的大理石材[J].现代矿业，2015（6）：15-17.

[4]高艳红，杨建华，杨 帆.技术先进性评估指标体系构建及评估方法研究[J].科技进步与对策，2013（5）：138-142.

（责任编辑：王 强）