液態(tài)CO2預(yù)裂爆破增透技術(shù)試驗(yàn)研究

宋宜猛 王啟飛 王安虎 王趕躍 池貴龍 田 輝

（1.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100029；2.冀中能源張家口礦業(yè)集團(tuán)有限公司宣東煤礦，河北省張家口市，075300）

針對(duì)低透氣性高瓦斯煤層賦存條件，強(qiáng)化增透是取得良好抽采效果的關(guān)鍵。目前強(qiáng)化增透技術(shù)主要包括保護(hù)層開(kāi)采、密集鉆孔、深孔預(yù)裂爆破、水力沖孔（割縫）、水力壓裂等措施，但各有其適用性和局限性。為解決低透氣性高瓦斯煤層預(yù)抽難的問(wèn)題，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院聯(lián)合湖南漢壽煤礦機(jī)械有限公司，致力于液態(tài)CO2相變致裂爆破技術(shù)裝備研發(fā)和推廣應(yīng)用，并在冀中能源張礦集團(tuán)宣東礦開(kāi)展應(yīng)用試驗(yàn)研究，取得了良好效果。

1 液態(tài)CO2爆破技術(shù)裝備

液態(tài)CO2相變致裂爆破技術(shù)裝備可根據(jù)鉆孔深度由多個(gè)爆破單元串聯(lián)組成。每個(gè)爆破單元由CO2儲(chǔ)液管、爆破釋放管、推送桿、萬(wàn)向接頭4部分組成，液態(tài)CO2爆破單元組成如圖1所示。湖南漢壽煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的MZL170－67／1000型CO2相變致裂爆破技術(shù)裝備的CO2儲(chǔ)液管直徑為73 mm，長(zhǎng)度為1300 mm，可灌裝1.8 kg液態(tài)CO2。

圖1 液態(tài)CO2爆破單元示意圖

2 液態(tài)CO2爆破技術(shù)預(yù)裂增透機(jī)理

液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)裝備是利用液態(tài)CO2超過(guò)臨界溫度而氣化的特性設(shè)計(jì)的。通過(guò)灌裝設(shè)備將CO2氣體壓入CO2儲(chǔ)液管，持續(xù)加壓至40 MPa以上，在低于31℃時(shí)，高壓CO2以液態(tài)存在。在井下通過(guò)鉆孔將爆破單元用鉆機(jī)推送至目的地，然后通過(guò)礦用放炮器觸發(fā)預(yù)置儲(chǔ)液管中的加熱器實(shí)現(xiàn)快速加熱，產(chǎn)生的熱量可在6 ms內(nèi)將儲(chǔ)液管中的液態(tài)CO2變成氣態(tài)沖破定壓剪切片而沖向爆破釋放管，瞬間產(chǎn)生的最高壓力可達(dá)300 MPa。從爆破釋放管?chē)姵龅某邏簹怏w作用于煤體產(chǎn)生破碎區(qū)域，并在釋放方向上產(chǎn)生新裂隙，進(jìn)而在煤體內(nèi)為瓦斯流動(dòng)打開(kāi)新通道，達(dá)到提高煤層透氣性、強(qiáng)化瓦斯抽采的效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂爆破應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)域情況

冀中能源張礦集團(tuán)宣東礦三采區(qū)Ⅲ3305工作面軌道巷作為試驗(yàn)地點(diǎn)。Ⅲ3305工作面煤層屬弱粘煤，堅(jiān)固性系數(shù)為0.2～0.7，透氣性系數(shù)為0.129 m2／MPa2·d，煤層平均厚度2.4 m，煤層傾角為5°，煤層走向長(zhǎng)997 m，傾斜長(zhǎng)160 m，瓦斯含量1.54 m3／t，絕對(duì)瓦斯涌出量2 m3／min，平均相對(duì)瓦斯涌出量40.7 m3／t。裂隙普遍發(fā)育，煤層偏軟，抽采難度大。

3.2 影響半徑試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方案

為考察預(yù)裂鉆孔的爆破影響半徑，選擇在Ⅲ3305工作面軌道巷入口300 m處實(shí)施試驗(yàn)，鉆孔布置如圖2所示。鉆孔布置在軌道巷一側(cè)，開(kāi)孔中心距底板1 m，距頂板2.5 m。本試驗(yàn)共施工11個(gè)鉆孔，其中6＃鉆孔為預(yù)裂爆破孔，孔深60 m，孔徑?94 mm；其他鉆孔為考察孔，均為順煤層鉆孔，孔深65 m，5＃鉆孔和6＃鉆孔間隔4 m，6＃鉆孔與7＃鉆孔間隔3 m，其余鉆孔間隔2 m。6＃鉆孔預(yù)裂后安裝瓦斯抽放管路進(jìn)行瓦斯抽排，其他鉆孔安裝U型壓差計(jì)進(jìn)行負(fù)壓測(cè)試。先施工考察孔，最后施工6＃爆破孔。每施工一個(gè)考察孔，立即封孔并安裝U型壓差計(jì)；施工完6＃預(yù)裂爆破孔后用鉆機(jī)推送預(yù)裂爆破器，60 m長(zhǎng)度孔采用7個(gè)爆破單元（炮），每個(gè)爆破單元（炮）之間以串聯(lián)的方式用導(dǎo)線(xiàn)連接，并測(cè)試導(dǎo)通性能，通過(guò)鉆機(jī)推送至鉆孔最遠(yuǎn)端即可，無(wú)需封孔，最后由放炮工起爆。

圖2 影響半徑試驗(yàn)鉆孔布置圖

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)方案實(shí)施預(yù)裂爆破后，在調(diào)度室確認(rèn)安全后進(jìn)入試驗(yàn)地點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)除個(gè)別考察孔的U型壓差計(jì)剩余少量水外，大部分U型壓差計(jì)中水的被全部壓出，因此可以判斷預(yù)裂爆破已影響到12 m的范圍。為進(jìn)一步通過(guò)6＃爆破孔的抽排確認(rèn)裂隙發(fā)育情況，次日在U型壓差計(jì)中裝入水銀，考察每個(gè)孔由裂隙導(dǎo)通而產(chǎn)生的負(fù)壓情況。距預(yù)裂孔12 m的1＃鉆孔形成11999 Pa（90 mm汞柱）負(fù)壓，距預(yù)裂孔7 m的9＃鉆孔形成13998.8 Pa（105 mm汞柱）；距預(yù)裂孔較遠(yuǎn)的11＃鉆孔裝入水銀后的壓差較小，因此換用多級(jí)流量計(jì)加水測(cè)試負(fù)壓，讀數(shù)為1471 Pa（150 mm水柱）。

3.3 抽放參數(shù)及增透試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方案

為測(cè)試液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)強(qiáng)化增透效果，選取距Ⅲ3305工作面切眼約150 m處區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，鉆孔同樣布置在巷道一側(cè)，開(kāi)孔中心距底板1 m，距頂板2.5 m。先施工1＃、3＃、5＃本煤層瓦斯抽放鉆孔，孔徑94 mm，孔深65 m，孔間距為4 m；然后施工2＃和4＃預(yù)裂爆破孔，施工參數(shù)同上，為避免間隔時(shí)間長(zhǎng)出現(xiàn)塌孔問(wèn)題，打完鉆孔立即爆破，爆破后隨即抽采；全部預(yù)裂后1?！?＃鉆孔均安裝瓦斯抽采管路進(jìn)行抽采；在相距5＃鉆孔40 m處施工對(duì)比孔，以同瓦斯自然涌出量做比較，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 增透效果考察試驗(yàn)鉆孔布置圖

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述方案施工后，每天安排專(zhuān)人測(cè)量各抽放孔瓦斯?jié)舛?、流量等參?shù)。逐一考察抽采瓦斯?jié)舛取⑷諉慰淄咚沽髁?、累?jì)瓦斯抽采量和流量衰減系數(shù)等參數(shù)。1月22日預(yù)裂爆破2＃鉆孔，爆破后隨即抽采；1月24日預(yù)裂爆破4＃鉆孔，爆破后立即抽采；將各鉆孔每日瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)繪制成曲線(xiàn)，如圖4所示。

從圖4中可以看出，每次預(yù)裂爆破后，1＃鉆孔瓦斯?jié)舛仍陬A(yù)裂爆破后明顯增加，其他鉆孔有同樣的規(guī)律。其中4＃鉆孔瓦斯?jié)舛仍诘诙晤A(yù)裂后2 h內(nèi)急劇上升至50%以上。每個(gè)考察孔在預(yù)裂后長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)抽采的瓦斯?jié)舛染€(wěn)定在較高水平。

圖4 各鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

瓦斯抽放流量能夠直觀地反映出每個(gè)鉆孔單位時(shí)間內(nèi)能夠抽出的瓦斯量，預(yù)裂前后每天各鉆孔的瓦斯抽放量匯總見(jiàn)表1。因鉆孔施工時(shí)間原因，效果考察時(shí)間不一致，個(gè)別數(shù)據(jù)空缺。

表1 各鉆孔瓦斯流量抽采表m3／d

將各鉆孔每天抽采量繪制成圖5。從圖5中可以看出，對(duì)比孔的瓦斯抽采流量在不采取任何治理措施情況下，隨著抽采時(shí)間衰減迅速，至第10日時(shí)已衰減至5 m3／d左右。液態(tài)CO2預(yù)裂孔及周邊影響范圍內(nèi)的鉆孔雖然瓦斯流量隨著時(shí)間有部分衰減，但在考察期內(nèi)流量基本維持在較高的水平。

衰減系數(shù)是評(píng)價(jià)一段時(shí)間內(nèi)瓦斯抽采效果的重要指標(biāo)，鉆孔施工后某一時(shí)間的瓦斯流量同初始瓦斯流量和衰減系數(shù)符合下式關(guān)系式。

式中：qt——t時(shí)的鉆孔瓦斯流量，m3／d；

q0——鉆孔初始瓦斯流量，m3／d；

圖5 鉆孔瓦斯流量對(duì)比

a——鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d－1；

t——時(shí)間，d。

根據(jù)各鉆孔初始瓦斯流量及式（1），擬合后各鉆孔的衰減系數(shù)見(jiàn)表2。由表2可以看出未采取任何措施的對(duì)比孔的衰減系數(shù)平均是受預(yù)裂爆破影響鉆孔的2～3倍。

累計(jì)瓦斯抽采量是某一鉆孔在一定時(shí)間內(nèi)累計(jì)抽放的瓦斯量，該指標(biāo)是反映瓦斯抽采效果的一個(gè)重要指標(biāo)。表3中列出了CO2預(yù)裂及其影響范圍內(nèi)的5個(gè)鉆孔累計(jì)瓦斯抽采量的變化。

表2 瓦斯抽采初始流量及衰減系數(shù)參數(shù)表

表3 各鉆孔累計(jì)瓦斯抽采量對(duì)比m3

對(duì)比鉆孔在10 d內(nèi)累計(jì)抽放瓦斯322.810 m3，而液態(tài)CO2預(yù)裂后的2?？自? d時(shí)累計(jì)抽放瓦斯1662.3 m3，4?？自?d內(nèi)累計(jì)抽放瓦斯562.205 m3，累計(jì)抽放瓦斯量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未預(yù)裂鉆孔。而且，在預(yù)裂影響范圍內(nèi)的鉆孔累計(jì)瓦斯抽采量也明顯大于對(duì)比孔的瓦斯抽采量。

4 結(jié)論

（1）從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況來(lái)看，液態(tài)CO2預(yù)裂爆破時(shí)產(chǎn)生的300 MPa高壓可致裂影響的范圍在12 m以上，有效地促進(jìn)了煤體內(nèi)裂隙的發(fā)育，達(dá)到了松動(dòng)煤體釋放瓦斯效果。

（2）效果考察試驗(yàn)表明，液態(tài)CO2預(yù)裂爆破鉆孔及其影響范圍內(nèi)的所有抽放鉆孔抽放瓦斯?jié)舛榷加忻黠@上升，部分鉆孔抽采濃度能提高50%以上；預(yù)裂后鉆孔瓦斯抽采流量有大幅提高，累計(jì)瓦斯抽采量為未預(yù)裂鉆孔的數(shù)倍；衰減系數(shù)亦得到很大改善，綜合效果顯著。

（3）液態(tài)CO2深孔預(yù)裂爆破技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、安全可靠、效果明顯等特點(diǎn)，在進(jìn)一步試驗(yàn)及驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，液態(tài)CO2深孔預(yù)裂爆破技術(shù)可作為低透氣性高瓦斯煤層治理瓦斯的又一新手段，具有一定的推廣意義。

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