不同埋深条件下二氧化碳致裂爆破技术增透效果试验研究

张开加

(煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁省沈阳市，110016)

我国大部分高突煤层为透气性较差的煤层，采用常规的预抽瓦斯方法效果不理想，难以解除煤层采掘时的瓦斯威胁。特别是随着煤矿开采深度的增加，地应力相应增加，进一步降低煤层的透气性，增加预抽煤层瓦斯的难度。低透气性煤层瓦斯抽采已成为防治煤与瓦斯突出和瓦斯治理工作的瓶颈。从20世纪60年代开始，国内开始研究煤层注水、水力压裂、水力割缝、松动爆破、大直径钻孔及预裂控制爆破等多种卸压增透、强化预抽煤层瓦斯的方法。二氧化碳爆破技术最早开始于20世纪初，早期主要应用于煤矿井下开采，后扩展到管道清洗、清堵等民用爆破领域。近年来，二氧化碳爆破技术开始应用于低透气性煤层致裂增透方面，并形成了成套的技术装备。其原理是通过发热装置加热，使液态二氧化碳在20～40 ms内迅速由液态转化为气态，其体积瞬间膨胀600多倍，利用高压气体瞬间膨胀作用，使介质破裂，从而达到物理爆破的目的。二氧化碳致裂爆破增透技术实际上是利用液态二氧化碳代替传统炸药来开展深孔致裂爆破来增加煤层裂隙度、提高煤层透气性的工艺技术。本文通过对二氧化碳致裂爆破增透技术应用效果的考察，研究地应力、爆破密度与二氧化碳致裂爆破增透效果的关系，探寻黑龙江兴山煤矿17#煤层在不同埋藏深度条件下的二氧化碳致裂爆破增透工艺参数。

1 液态二氧化碳爆破效果影响因素分析

液态二氧化碳爆破后产生强烈的应力波和高压气体，在两者的共同作用下对煤岩体的破坏是一个相当复杂的动力学过程。二氧化碳致裂爆破过程中，首先是应力波的作用在煤体中产生径向裂隙，在应力波向前传播的同时，高压气体紧随其后迅速膨胀，进入由应力波产生的径向裂隙中，由于气体的尖劈作用，使裂隙继续扩展。煤层中通常含有节理，在爆破过程中裂隙将优先朝层理方向发展。对于水平布置的钻孔，垂直于裂缝面的上覆岩层地应力对裂缝扩展起阻碍作用，因此在分析爆破裂隙发展过程时，应将地应力因素考虑进去，才能使结果更符合实际。

为简化分析，模型中假设二氧化碳气体充满了裂隙尖端，且仅考虑垂直方向上的地应力对裂隙扩展的影响，如图1所示。考虑地应力的爆破裂隙扩展如图2所示。

图1 考虑地应力的断裂力学模型

图2 考虑地应力的爆破裂隙扩展模型

根据断裂力学理论，预裂爆破中的裂隙主要为张开型、滑开型以及两者的综合型，裂隙是否扩展取决于裂隙尖端的应力强度因子是否大于裂隙的临界断裂韧度值，裂隙尖端的应力强度因子为：

(1)

式中：Kr——裂隙尖端的应力强度因子；

x——裂隙段任意长度，m；

σ——地应力，MPa；

rb——爆破孔直径，m；

L——裂隙扩展瞬间长度，m；

P(x)——气体压力沿裂缝长度方向分布，MPa。

作为近似计算，假设快速气化的二氧化碳气体压力沿裂缝长度方向呈近似性下降，则裂缝内任一位置气体压力：

(2)

式中：Pm——爆破孔处快速气化二氧化碳气体的初始压力，MPa。

将式(2)代入式(1)，可得：

(3)

当裂缝长度远大于炮孔直径时，炮孔本身可作为裂缝的一部分，令式中rb=0，可得：

(4)

裂隙失稳扩展条件为：

Kr≥Krd

(5)

式中：Krd——动态断裂韧性，N/m3/2。

由公式可看出，地应力、泄放压力与裂隙尖端的应力强度因子均有关系，而煤层的动态断裂韧性可认为是一固定值。因此，地应力、泄放压力的大小均会对裂隙的扩展产生影响。裂隙扩展情况对二氧化碳致裂爆破增透技术的应用效果有重要意义，为取得良好的增透效果，不同埋深条件下使用二氧化碳致裂爆破增透的技术参数需相应的调整。

2 试验方案

理论分析主要考虑垂直应力，忽略水平应力的影响，而垂直应力与埋深关系密切。试验选择在黑龙江兴山煤矿17#煤层的不同埋深的工作面进行。17#煤层具有煤与瓦斯突出危险性，煤层瓦斯含量达到14.62 m3/t，煤层透气性系数为0.121 m2/(MPa2·d)，虽然属于可以抽采煤层，但煤质松软，抽采钻孔成孔率低，抽采浓度低，钻孔流量衰减快，抽采效果较差。

试验地点选择在二水平北一石门21705工作面运输巷和四水平零石门41701工作面运输巷。二水平北一石门21705工作面运输巷平均埋深330 m，四水平零石门41701工作面运输巷平均埋深792 m。

本次试验采用的爆破装置为沈阳研究院生产，技术规格参数如表1，另外配有长度为1 m的连接杆。

表1 二氧化碳爆破装置技术规格参数表

二氧化碳致裂增透爆破主要技术参数包括泄放压力和爆破口间距，在2个地点分别进行不同技术参数的试验，每个试验地点各布置二氧化碳致裂爆破增透钻孔6个，如图3所示。爆破技术参数如下：

(1)1号孔致裂管选用MZL150-50/1180型，爆破口间隔1.18 m(致裂管与致裂管直接相连)；

(2)2号孔致裂管选用MZL150-50/1180型，爆破口间隔(1.18+1)m(致裂管间增加1根连接杆)；

(3)3号孔致裂管选用MZL150-50/1180型，爆破口间隔(1.18+2)m(致裂管间增加2根连接杆)；

(4)4号孔致裂管选用MZL200-50/1180型，爆破口间隔1.18 m(致裂管与致裂管直接相连)；

(5)5号致裂管选用MZL200-50/1180型，爆破口间隔(1.18+1)m(致裂管间增加1根连接杆)；

(6)6号孔致裂管选用MZL200-50/1180型，爆破口间隔(1.18+2)m(致裂管间增加2根连接杆)。

为防止钻孔间相互影响，钻孔间距设置为15 m。钻孔垂直巷帮，沿煤层布置，设计长度30 m。为保证安全，钻孔留15 m的保护段，即从钻孔15 m位置以后开始放置致裂管，如图3所示。

图3 致裂钻孔布置及试验方案示意图

3 试验过程及数据

在二水平北一石门21705工作面运输巷和四水平零石门41701工作面运输巷2个试验地点按照设计的试验方案依次实施二氧化碳致裂爆破。正常情况下，爆破30 min后进入试验地点，利用钻机拆除钻孔内的致裂管及连接管，然后马上进行封孔，并连接抽采管路。

在接抽后的30 d内按时观测、记录钻孔抽采流量、抽采浓度指标。瓦斯抽采纯量是衡量抽采效果的重要指标，根据2个试验地点钻孔抽采流量、浓度指标计算观测期间每分钟的瓦斯抽采纯量，如图4～ 7所示。

图4 1号试验地点1-1、1-2、1-3号孔致裂后抽采纯量

图5 1号试验地点1-4、1-5、1-6号孔致裂后抽采纯量

图6 2号试验地点2-1、2-2、2-3号孔致裂后抽采纯量

图7 2号试验地点2-4、2-5、2-6号孔致裂后抽采纯量

根据统计数据，计算各个钻孔在30 d内的瓦斯抽采总量。为方便对比分析试验数据，将各个钻孔单位时间瓦斯抽采纯量最大值、30 d累计抽采瓦斯纯量等主要试验数据进行整理，如表2所示。

表2 试验数据整理

4 数据整理与分析

试验数据的分析分三类进行：同一地点相同泄放压力不同爆破口间距的数据对比分析、同一地点相同爆破口间距不同泄放压力的数据对比分析、不同地点相同泄放压力相同爆破口间距的数据对比分析，具体如下：

4.1 同一地点相同泄放压力不同爆破口间距

(1)在1号试验地，1-1、1-2、1-3号钻孔使用相同型号的致裂管(MZL150-50/1180)，1-4、1-5、1-6号钻孔使用相同型号的致裂管(MZL200-50/1180)。

由图4可知，1-1、1-2号钻孔单位时间瓦斯抽采纯量随抽采时间变化的趋势比较一致，均在10 d以后出现较大幅度的衰减，而1-3号钻孔单位时间瓦斯抽采纯量在保持4 d后就开始大幅下降；1-1、1-2号钻孔30 d内累计抽采瓦斯纯量均超过700 m3，1-3号钻孔仅为498 m3。1-1、1-2号钻孔致裂增透效果接近，1-3号钻孔致裂增透效果较差。

由图5可知，1-4与1-5号孔高效抽采的时间保持6～7 d，1-6号钻孔保持的时间较短；1-4、1-5号钻孔30 d内累计抽采瓦斯纯量均超过700 m3，1-6号钻孔仅为537 m3。1-4、1-5号钻孔致裂增透效果接近，1-6号钻孔致裂增透效果较差。

(2)在2号试验地，2-1、2-2、2-3号钻孔使用相同型号的致裂管(MZL150-50/1180)，2-4、2-5、2-6号钻孔使用相同型号的致裂管(MZL200-50/1180)。

由图6可知，2-1、2-2、2-3号钻孔单位时间瓦斯抽采纯量与时间的关系曲线同未采取措施情况下的曲线比较接近，高抽采纯量维持时间很短，致裂增透效果均不理想。2-1、2-2、2-3号钻孔30 d内的瓦斯抽采总量分别为668 m3、595 m3、510 m3，随爆破口间距的增大而减少。

由图7可知，2-4、2-5、2-6号钻孔单位时间瓦斯抽采纯量与时间的关系曲线存在明显的差别，2-4号钻孔衰减曲线较缓，2-5号钻孔次之，2-6号钻孔衰减曲线最陡；2-4、2-5、2-6号钻孔30 d内的瓦斯抽采总量分别为1079 m3、712 m3、561 m3，随爆破口间距的增大而减少。

4.2 同一地点相同爆破口间距不同泄放压力

(1)在1号试验地，1-1与1-4号钻孔爆破口间距相同(1180 mm)，1-2与1-5号钻孔爆破口间距相同(2180 mm)，1-3与1-6号钻孔爆破口间距相同(3180 mm)，泄放压力分别为150 MPa、200 MPa。

1-4号孔的最大单位时间瓦斯抽采纯量稍高于1-1号孔，但高抽采纯量维持的时间较短，两者抽采30 d内累计瓦斯抽采纯量相当。在埋深330 m、爆破口间距为1180 mm情况下，较高的泄放压力对提高抽采效果的作用有限。

1-2与1-5号钻孔的效果对比和1-1与1-4号钻孔的相似，说明在爆破口间距为2180 mm情况下，较高的泄放压力对提高抽采效果的作用也有限。

根据图4、图5及表2，1-3、1-6号钻孔的效果明显低于其他钻孔，两者的对比无意义，不再分析。

(2)在2号试验地，2-1与2-4号钻孔爆破口间距相同(1180 mm)，2-2与2-5号钻孔爆破口间距相同(2180 mm)，2-3与2-6号钻孔爆破口间距相同(3180 mm)，泄放压力分别为150 MPa、200 MPa。

2-4号孔的最大单位时间瓦斯抽采纯量和抽采30 d内累计瓦斯抽采纯量均高于2-1号孔。在埋深792 m、爆破口间距为1180 mm情况下，较高的泄放压力对提高抽采效果有明显的作用。

2-5号孔的最大单位时间瓦斯抽采纯量和抽采30 d内累计瓦斯抽采纯量比2-2号孔均有所提高，但增加幅度明显小于爆破口间距为1180 mm时的情况。

2-3与2-6号钻孔的效果对比和2-2与2-5号钻孔的相似，该条件下，较高的泄放压力对提高致裂增透效果不明显。

4.3 不同地点相同泄放压力相同爆破口间距

从表2可以看出，埋深较大位置钻孔的最大单位时间瓦斯抽采纯量均高于埋深较小位置相应的钻孔；浅部的1-1、1-2号钻孔30 d内累计瓦斯抽采纯量明显高于深部相应的2-1、2-2号，而深部的2-4号钻孔30 d内累计瓦斯抽采纯量明显高于浅部相应的1-4，其余对应钻孔间该数值相差不大。

5 结论

(1)从理论方面对二氧化碳致裂爆破技术效果的影响因素进行分析，并通过试验验证煤层埋藏深度、爆破装置的泄放压力及爆破口间距均会对二氧化碳致裂爆破的增透效果产生影响。

(2)黑龙江兴山煤矿17#煤层埋藏深度330 m时，二氧化碳致裂爆破泄放压力150 MPa或200 MPa、爆破口间距1180 mm或2180 mm时的增透效果相差不大，因此，从经济合理的角度出发，该煤层埋藏深度条件下，采取二氧化碳致裂爆破应选择MZL150-50/1180型致裂管，两根致裂管间增加一根连接管。

(3)黑龙江兴山煤矿17#煤层埋藏深度792 m时，二氧化碳致裂爆破泄放压力200 MPa、爆破口间距1180 mm时的增透效果明显优于其他情况。因此，该煤层埋藏深度条件下，采取二氧化碳致裂爆破应选择MZL200-50/1180型致裂管，致裂管与致裂管直接连接。