CO2爆破增透技术在福达煤业煤巷掘进中的应用

李瑞林

(山西安标检验认证有限公司，山西 太原 030031)

福达煤业15号煤层为低渗透高瓦斯煤层，抽采难度大，为实现巷道安全快速掘进，采用二氧化碳预先爆破增透技术，在巷道掘进前，首先施工二氧化碳爆破孔，将液体二氧化碳爆破管置入孔内进行预裂爆破，增加煤层的透气性以及瓦斯释放量，提高抽放效率，为巷道快速掘进创造安全可靠的作业环境。

1 理论分析

二氧化碳在常温下呈气态，首先利用高压泵将气态二氧化碳压入爆破管，爆破管的一端安装二氧化碳活化器(内置低压引爆装置)[1].在掘进工作面施工爆破孔后，将爆破管装入爆破孔并封孔，连接启爆器接通启爆电流，引爆二氧化碳活化器从而引发爆破管内二氧化碳在毫秒级的时间内从液态极速转化为气态，体积在瞬间扩胀高达3个以上数量级，爆破管内气体压力瞬间飙升，当气体压力超过爆破管极限抗压强度时，爆破管破断，高压二氧化碳气体瞬间从管内释放，并产生强大的爆轰波，爆轰波作用于煤体，使煤体内原始裂隙极速扩展延伸并产生大量新的裂隙，从而达到预裂爆破效果，整个爆破过程瞬间内即可完成。其原理示意图见图1.

图1 CO2致裂器工作原理示意图

2 工作面概况

福达煤业15号煤层结构简单，整体为一单斜构造，走向NNE，倾向NW，煤层直接顶以细质砂岩为主，局部为泥岩，基本顶为细质砂岩；底板为泥岩、砂质泥岩。选择在15号煤层胶带运输巷进行CO2预裂爆破，15号煤层胶带运输巷长度800 m，巷道底板标高850～900 m，沿西北方向掘进，掘进坡度7°左右。胶带运输巷沿15号煤层顶板掘进，矩形断面，锚网支护，掘进断面宽4.5 m，巷高3.1 m，掘进断面积13.95 m2.该工作面附近发育有3条正断层，且周围伴生次一级小型构造、裂隙。根据瓦斯基本参数测定结果，15号煤层透气性系数为1.17 m2/MPa2·d，百米钻孔初始瓦斯流量0.041 m3/min，属于可抽放煤层。15号煤层胶带运输巷测定的可解吸瓦斯含量为3.57～4.75 m3/t，原始瓦斯含量为5.15～6.69 m3/t.具体参数见表1，表2.

表1 15号煤层瓦斯基础参数测定结果表

表2 15号煤层胶带运输巷煤层瓦斯含量实测结果表

3 二氧化碳爆破增透方案实施

3.1 方案设计

15号煤层胶带运输巷掘进工作面250 m内，每掘进60 m进行一次二氧化碳预裂爆破，进行瓦斯参数测定[2].掘进面每次共施工钻孔5个，其中1个爆破孔，4个排放孔，孔径均选择d94 mm.爆破孔位于迎头断面中心位置，孔深60 m，钻孔方向与煤壁呈90°垂直。在爆破孔四周均匀布置4个排放孔，分上下两排，排距2 m,每排两孔，孔距2 m.4个排放孔深度均为62 m，钻孔方向沿煤层呈外斜12.5°布置，终孔位置外偏巷道轮廓线左右各10 m，钻孔布置见图2，3.选择在掘进工作面检修时进行二氧化碳预裂和钻孔施工，这样可以减少对掘进面生产的影响，使瓦斯在检修与生产时均匀释放，降低生产时瓦斯涌出峰值。

图2 二氧化碳致裂爆破增透钻孔布置正视图

图3 二氧化碳致裂爆破增透钻孔布置俯视图

3.2 掘进工作面爆破效果分析

进行二氧化碳预裂爆破后，胶带运输巷掘进工作面迎头爆破前后煤壁外观结构图见图4.对爆破孔和4个排放孔爆破前后抽采瓦斯浓度进行实测，瓦斯浓度变化数值见表3.

图4 胶带运输巷掘进工作面迎头爆破前后煤壁变化对比图

从表3可以看出，无论是爆破孔，还是瓦斯排放孔，其瓦斯浓度在进行二氧化碳预裂后均发生了明显的变化，孔内瓦斯浓度均增加至原来的1.5～2.75倍。

表3 胶带运输巷掘进工作面二氧化碳预裂瓦斯浓度测定表

二氧化碳预裂前后局部瓦斯预抽钻孔瓦斯浓度及抽采量对照见图5，6.

从图5,6分析得出，通过液态二氧化碳预裂爆破增透技术的应用，15号煤层胶带运输巷瓦斯达到高度释放，预裂孔与排放孔瓦斯浓度均升高，孔内瓦斯抽采总量得到增加，抽采浓度得到提升，抽采效果明显改善。

图5 预裂前后局部瓦斯预抽钻孔总抽采浓度对比图

图6 预裂前后局部瓦斯预抽钻孔总抽采纯量对比图

分析其原因[3]：1)通过二氧化碳预裂，使煤层中原始裂隙得到了扩展、延伸和增加，加大了瓦斯释放空间。2)通过预裂作用，破坏了瓦斯的赋存状态，打破了煤层中瓦斯的吸附-解释平衡，使大量吸附态的瓦斯解吸为游离态。3)由于煤层对二氧化碳的吸附作用大于瓦斯，预裂产生的大量气态二氧化碳被煤层裂隙表面吸附，占据了瓦斯得以吸附的煤层孔隙表面，减弱了游离态的瓦斯被煤层吸附的可能，从而增加了孔内空间瓦斯含量，致使瓦斯抽采量及抽采浓度增加。4)随着预裂的结束，预裂产生的裂隙逐渐闭合，孔内气体也得以大量释放，孔隙中二氧化碳浓度降低，使得瓦斯解吸速度也随之下降，导致预裂孔和排放孔内瓦斯浓度逐渐下降，直至达到新的瓦斯涌出平衡。

通过数据分析可以看出，相比预裂前，进行液态二氧化碳预裂爆破后，孔内瓦斯抽采效果明显提高1.45～2.8倍。说明采用二氧化碳爆破增透技术，可以明显提高掘进巷道过程中瓦斯预抽量，增强抽采效果较为明显，缩短预抽时间，提高了掘进速度。

4 结 论

1)采用二氧化碳预裂爆破增透技术，能够大幅提升原始煤层孔隙率，提升煤层透气性。

2)二氧化碳预裂爆破增透技术可以在常规钻孔瓦斯抽采的基础上，将瓦斯抽采效果提高1.45～2.8倍。通过强化抽采后，可以大幅降低预裂范围煤层掘进期间的瓦斯涌出量，为掘进工作面正常施工提供安全可靠的生产作业环境。

3)预裂后，巷道掘进生产期间预抽钻孔控制范围内煤层瓦斯涌出量大幅降低，而工作面检修期间瓦斯涌出量相对增加，实现了15号煤层胶带运输巷瓦斯均匀溢出、瓦斯涌出峰值降低、峰值时间可控，提高了巷道掘进安全保障程度和掘进速度。

4)二氧化碳预裂爆破，不产生火花，劳动强度底，作业时间短，对巷道掘进影响小，施工安全可靠，适用于低渗透高瓦斯煤层巷道快速掘进。通过在福达煤业15号煤层胶带运输巷中的应用实践证明，煤巷掘进速度可提高到原来的1.5倍左右，其经济效益可观，社会效益明显，具有较好的推广应用价值。