基于低透气性煤层的二氧化碳爆破增透技术试验研究

孙珍平

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁省抚顺市，113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁省抚顺市，113122)

抽采煤层瓦斯是治理矿井瓦斯的治本措施，但由于受煤层自身透气性和煤层自然条件的限制，抽采原始煤层瓦斯效率甚低，特别是低透气性煤层瓦斯抽采技术仍是世界各国在积极攻关解决的技术难题。面对低透气性煤层难抽采的问题，大部分矿井因缺乏抽采技术手段而处于被动局面，只能是靠增大巷道断面提高风量、降低煤炭产量等措施维持生产，严重制约了煤矿企业的经济发展。为提高低透气性煤层瓦斯抽采率，降低煤层瓦斯涌出，保证矿井安全生产，开展低透气性煤层瓦斯抽采增效技术研究已是当务之急。

1 理论研究

1.1 爆生气体致裂作用

二氧化碳爆破增透机理为液态二氧化碳在引爆管的媒介作用下瞬间使得二氧化碳被气化，体积瞬间膨胀，使该作用力作用在煤体上，当该空间内的压力达到临界值时，使得煤体间的裂隙被撑开，煤体裂隙充分发育，达到增加煤体裂隙的目的。液态二氧化碳瞬间释放的能量极大，产生极强的应力波，周围的煤体均被破坏，周围煤体的应力平衡被打破，应力将会重新分布，在此过程中煤体出现的是塑性变形，并伴随着诸多裂隙产生。

当液态二氧化碳被瞬间气化，产生的能量作用在煤体表面时，在应力波的冲击下，煤体的表面会形成一个类似于圆的应力分布范围，如图1所示。图中pm可以近视认为是二氧化碳作用在圆心处的动压；pr可以看作压力分布区域范围内各点的压力，且这些点的压力随着距压力分布区域中心的径向距离的增大而减小，直至压力变为零。

图1 煤体表面受力分布情况图

用量纲法对二氧化碳产生冲击范围内各点的压力pr进行分析，其计算公式为：

式中：λ——量纲为1的径向距离；

R——二氧化碳射流最大半径，m；

r——二氧化碳射流最小半径，m；

pm——近视认为是二氧化碳作用在圆心处的动压，MPa；

pr——压力分布区域范围内各点的压力，MPa。

量纲为1的函数f(λ)应满足以下边界条件：

(3)

根据泰勒公式和上式计算得到：

f(λ)=13λ2+2λ3

(4)

因为二氧化碳爆破具有轴对称性，将式(1)和式(2)代入式(4)中积分得：

(5)

式中：ρ——二氧化碳的密度，kg/m3；

Q——二氧化碳射流流量，m3/s；

v——二氧化碳射流速度，m/s；

α——常数。

同时，裂隙发育范围内，在爆炸应力波和二氧化碳冲击波双重力作用下，二氧化碳气体顺着裂隙方向进入煤体，从而使得煤体的裂隙进一步张开，使得煤体裂隙重复发育，这样极大地提高了煤体的透气性。

1.2 二氧化碳气体驱替置换作用

煤体的形成过程中，在煤体内部会产生大量的发育成熟的裂隙，而裂隙中存在一些气体，如甲烷、二氧化碳等，具有一定的吸附能力，根据试验研究，煤体对气体的吸附能力不尽相同，煤体对二氧化碳的吸附能力最强，甲烷次之，氮气最弱。因此，当二氧化碳进入煤体后，对煤体中吸附的甲烷具有竞争驱替作用，使得甲烷被挤出，实现增透的目的。

由于在煤体形成过程中，伴随着瓦斯等气体的产生，对煤体进行二氧化碳爆破后，煤体中的瓦斯等气体被二氧化碳气体置换出来，由式(6)可以得出，当二氧化碳进入煤体后，煤体的空间总体积一定，总气体量增加，从而甲烷等原始气体的压力下降，进而使得煤体中甲烷被解析出来，使得煤体达到新的压力平衡。

(6)

式中：V1——甲烷在p1下的吸附量，m3/t；

a1——甲烷的吸附常数，m3/t；

b1、b2——甲烷的吸附常数，MPa-1；

p1——甲烷的分压力，MPa；

p2——二氧化碳的分压力，MPa。

2 现场试验

2.1 试验区概况

本次试验区选择在大斗沟矿20321工作面进行。20321工作面主要开采石炭纪二叠系山2#煤层，煤层厚度为0～6.18 m，平均厚度为2.12 m。煤层倾角为3°～12°，工作面倾向长度200 m，煤种为1/3焦煤和气煤，矿井产量150万t/a，煤层赋存较稳定，结构较简单，区域内大部分可采，试验区距离切眼200 m，试验区内无断层。区域内瓦斯含量2.2 m3/t,煤层透气性系数0.0233 md，瓦斯衰减系数为0.0695 d-1。

2.2 试验钻孔布置

本次试验分两个区域进行。第一处试验区域：在20321工作面回风巷道距离切眼300 m范围内，布置6个单排抽采钻孔，钻孔间距为4 m，钻孔深度为100 m，钻孔直径为89 mm，开孔高度距底板1.5 m，钻孔编号为1#～6#，在抽采钻孔中间施工一个二氧化碳增透爆破孔，钻孔参数和抽采孔参数一致；第二处试验区域：在第一处试验区域往切眼方向100 m处施工6个单排抽采孔，钻孔间距为6 m，其余钻孔参数和第一处试验钻孔参数一致，钻孔编号为7#～12#，同时也在抽采钻孔中间施工一个二氧化碳增透爆破孔，钻孔参数和抽采孔参数一致。试验区域一、二位置及钻孔布置如图2所示。对于二氧化碳增透爆破孔，现场施工采用人工方式将二氧化碳爆破筒送入煤壁，每节爆破筒的长度为1.5 m，在爆破筒的端头设有螺纹，将爆破筒之间通过螺纹进行连接。

图2 试验区位置图

3 爆破前后抽采效果对比分析

爆破前后瓦斯浓度监测数据见表1。爆破间距为4 m、6 m时爆破前后瓦斯浓度与纯量变化如图3和图4所示。

由图3可以看出，致裂爆破后，在抽采孔与爆破孔之间的煤体形成裂纹，宏观考察抽采孔的单孔瓦斯抽采浓度、瓦斯流量和纯量提高效果非常显著，爆破后单孔瓦斯抽采纯量提高6倍左右，钻孔瓦斯抽采浓度提高5倍左右，在致裂爆破后的160 min后钻孔瓦斯浓度衰减的较明显；个别抽采孔的瓦斯浓度明显高于其他的抽采孔，这是因为煤体属于不均匀介质，各相不同性，在爆破的过程中裂隙发育的也不均匀，有些抽采孔浓度偏高说明该抽采孔裂隙发育较好，所以抽采效果明显。

表1 爆破前后瓦斯浓度监测 %

注：表中负值表示爆破前，正值表示爆破后

图3 抽采孔1#～6#(孔间距4 m)在爆破前后瓦斯抽采效果图

图4 抽采孔7#～12#(孔间距6 m)在爆破前后瓦斯抽采效果图

由图4可以看出，致裂爆破后单孔瓦斯抽采效果比较明显，现场考察的结果表明，9#抽采孔的效果有所降低，但爆破后总体单孔瓦斯抽采纯量提高4倍左右，钻孔瓦斯抽采浓度提高4倍左右，在裂爆爆破后的120 min后瓦斯浓度衰减的较明显。

同时通过表1的对比分析，1#～12#抽采孔的抽采浓度、纯量等可以得出如图3和图4同样结果，说明对于该矿2#煤层二氧化碳爆破在短时间内有明显的效果。

4 结论

(1)通过理论分析，研究了二氧化碳爆破增透技术的作用机理，为低透气性煤层增透提供了理论基础。

(2)在20321工作面回风巷道进行二氧化碳爆破增透试验，通过对孔间距分别为4 m、6 m和爆破前的抽采孔研究，孔间距为4 m处的抽采孔瓦斯抽采浓度提高至5倍，抽采纯量提高至6倍，160 min后瓦斯浓度衰减明显；孔间距为6 m处的抽采孔瓦斯抽采浓度提高至4倍，抽采纯量提高至4倍，120 min后瓦斯浓度衰减明显。说明对于该煤矿2#煤层二氧化碳爆破在短时间内有明显的效果。

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