CO2氣相致裂技術(shù)及在煤礦煤倉(cāng)掘進(jìn)中的應(yīng)用

賀 超，龔建宇

(1.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司，北京 100013；3.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

CO2氣相致裂技術(shù)及在煤礦煤倉(cāng)掘進(jìn)中的應(yīng)用

賀 超1,2,3，龔建宇1,2,3

(1.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司，北京 100013；
3.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

為解決昊華能源股份有限公司紅慶梁煤礦井下煤倉(cāng)鑿井速度慢、施工效率低的問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)首次開展了CO2氣相致裂掘進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用。根據(jù)CO2致裂器性能、巖層地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，完成了氣相掘進(jìn)致裂鉆孔設(shè)計(jì)、布孔，以及施工工藝應(yīng)用和煤倉(cāng)掘進(jìn)施工。應(yīng)用表明：致裂器可以在特殊領(lǐng)域替代炸藥進(jìn)行掘進(jìn)；鑿井過(guò)程安全，無(wú)有毒有害氣體產(chǎn)生，單循環(huán)致裂掘進(jìn)深度1～1.2m，不會(huì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；致裂后矸石松動(dòng)顯著易破碎，而且容易清理，提高了作業(yè)效率。

氣相致裂技術(shù)；CO2致裂器；鉆孔設(shè)計(jì)；無(wú)毒無(wú)害

隨著煤礦生產(chǎn)能力、開采范圍的擴(kuò)大，新建礦井大斷面的井下煤倉(cāng)也顯著增多。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成多種形式的煤倉(cāng)掘進(jìn)施工工藝，為提高作業(yè)效率和安全性，反井鉆機(jī)法聯(lián)合鉆爆法、深孔爆破一次成井技術(shù)也都得到成功應(yīng)用[1-6]。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于受礦井地理位置、井下運(yùn)輸條件以及安全性等多種因素制約，井下煤倉(cāng)掘進(jìn)存在不具備運(yùn)用以上方法開展施工的問(wèn)題，導(dǎo)致大斷面開挖速度慢、施工效率低。

近些年，我國(guó)煤炭企業(yè)對(duì)安全、清潔、高產(chǎn)高效新技術(shù)的積極探索使CO2氣相致裂技術(shù)作為一種安全、高效的新技術(shù)手段，在煤礦瓦斯治理、露天采石場(chǎng)剝離得到了應(yīng)用，使氣相致裂技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。本文以昊華能源股份有限公司紅慶梁煤礦井底煤倉(cāng)為研究背景，利用CO2氣相致裂技術(shù)和CO2致裂器，對(duì)氣相壓裂掘進(jìn)的設(shè)計(jì)、鉆孔布置和工藝進(jìn)行了研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。

1 CO2氣相致裂技術(shù)

CO2致裂技術(shù)是一種物理爆破技術(shù)，其工作原理為：利用CO2在超臨界狀態(tài)的性質(zhì)，致裂器內(nèi)的液態(tài)CO2在一定條件下瞬間氣化膨脹并產(chǎn)生高壓，可達(dá)200MPa。利用高壓氣體產(chǎn)生的強(qiáng)大推力，CO2氣體沿自然或被引發(fā)的裂面松開介質(zhì)(煤體、巖體等)高效滲透，從而達(dá)到松動(dòng)、預(yù)裂及增透的目的。整個(gè)過(guò)程為物理變化，因此CO2致裂器可作為一種物理爆破設(shè)備，應(yīng)用于巖石(煤體)的破碎或開裂[7-8]。國(guó)內(nèi)有學(xué)者開展了CO2致裂技術(shù)進(jìn)行煤層增透治理瓦斯和工作面落煤的應(yīng)用研究[9-14]，對(duì)致裂器在煤層中的作用范圍和效果進(jìn)行了分析，尚沒(méi)有學(xué)者進(jìn)行致裂器用于巖層致裂開挖的報(bào)道。

本文選擇CO2氣相致裂技術(shù)在紅慶梁煤礦進(jìn)行煤倉(cāng)鑿井的工業(yè)性試驗(yàn)研究，為同類條件下豎井掘進(jìn)提供新技術(shù)和新工藝。

2 煤倉(cāng)概況

井底煤倉(cāng)主體為圓柱形，高度為31m，煤倉(cāng)凈直徑為8000mm，荒徑為9000mm，下口呈漏斗形，S掘=63.6m2，S凈=50.3m2。煤倉(cāng)倉(cāng)體及下口采用鐵鋼砂混凝土支護(hù)，為保證煤倉(cāng)倉(cāng)壁的整體性，整個(gè)倉(cāng)壁須連續(xù)澆注。井底煤倉(cāng)所處地層為中生界侏羅系中下統(tǒng)延安組，圖1為井底煤倉(cāng)剖面圖。煤倉(cāng)大部分為粉砂巖，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f約為4，局部較硬，裂隙發(fā)育。采用CO2氣相致裂技術(shù)前，井底煤倉(cāng)采用人工普通法開挖，已掘進(jìn)6m，并完成永久支護(hù)。按照國(guó)家相關(guān)規(guī)定，基建礦井不予批準(zhǔn)使用炸藥，結(jié)合煤倉(cāng)地質(zhì)條件，現(xiàn)場(chǎng)采用風(fēng)鎬破碎巖石人工清矸向下掘進(jìn)的工作方式，2班掘進(jìn)，1班錨幫，日進(jìn)尺平均為0.5m，進(jìn)度緩慢。

圖1 井底煤倉(cāng)剖面

3 井下工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 氣相致裂方案設(shè)計(jì)

紅慶梁煤倉(cāng)巖層屬于較軟巖層，中部設(shè)有直徑200mm的溜灰管。為使作業(yè)面巖層充分剝離松動(dòng)，必須確定合理的致裂鉆孔布置間距、角度、深度。區(qū)別于炸藥爆破，高壓氣體爆破是一個(gè)相對(duì)緩慢的剪切破壞[15]，適合于多孔脆性介質(zhì)。在無(wú)限介質(zhì)中，CO2致裂器在鉆孔內(nèi)起發(fā)后，產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力波和高壓氣體。其致裂破巖作用可分為2個(gè)過(guò)程：一是起發(fā)后致裂器泄能器釋放孔對(duì)孔壁產(chǎn)生的高壓氣體射流過(guò)程，二是高壓CO2氣體的準(zhǔn)靜態(tài)高壓截切破壞過(guò)程。高壓CO2致裂靜態(tài)作用時(shí)間比應(yīng)力波動(dòng)態(tài)作用時(shí)間長(zhǎng)1個(gè)數(shù)量級(jí)，裂隙在此過(guò)程充分發(fā)育和擴(kuò)展。裂隙擴(kuò)展的有效半徑是致裂鉆孔設(shè)計(jì)的優(yōu)先考慮參數(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)單孔致裂對(duì)比試驗(yàn)，確定額定泄壓壓力下設(shè)計(jì)參考致裂半徑為1m。

無(wú)導(dǎo)硐條件下，致裂爆破設(shè)計(jì)采用分級(jí)方式，分為掏槽致裂鉆孔和致裂鉆孔(圖2)，設(shè)計(jì)單次致裂深度為1m。為確保中心區(qū)域巖層能充分剝離破碎，圖中F1～F8為第1圈8個(gè)致裂掏槽鉆孔，在距離中心直徑為1.8m的圓周上均布。鉆孔直徑60mm，傾角為-60°，深度1.1m。k1～k4為4個(gè)預(yù)留均布垂直導(dǎo)向鉆孔，直徑為35mm，位于相鄰F系列鉆孔與煤倉(cāng)中心對(duì)稱中心位置。k系列鉆孔為F系列致裂孔提供自由面，從而提高致裂效果，并且減少矸石的大塊率，使其易于清理。S1～S8為第2圈致裂鉆孔，與F系列掏槽鉆孔交錯(cuò)布置，均布與直徑為4m的圓周上，深度1m。在直徑為9000mm的斷面內(nèi)進(jìn)行致裂松動(dòng)，共計(jì)布置22個(gè)鉆孔。

圖2 煤倉(cāng)掘進(jìn)鉆孔布置

實(shí)施中F系列和S系列鉆孔須確保位置關(guān)系，垂直導(dǎo)向孔嚴(yán)禁與F系列鉆孔貫穿，控制好致裂鉆孔角度和孔徑。預(yù)裂前，須將中部溜灰眼鋼管固定，并符合安全要求。

3.2 致裂器及實(shí)施工藝

考慮煤倉(cāng)巖層的力學(xué)性能和預(yù)裂效果，選用型號(hào)為MZL200-51/1400的CO2致裂器，主要結(jié)構(gòu)包括充裝閥、儲(chǔ)液管、發(fā)熱裝置、泄能器(定壓減切片、墊片和釋放管)，技術(shù)性能參數(shù)如表1所示，配置1號(hào)、2號(hào)2種定壓減切片，分別完成S系列和F系列鉆孔致裂。根據(jù)裂隙控制要求，優(yōu)化了泄能器結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了試驗(yàn)，確定釋放管高壓出氣孔采用徑向局部，鉆孔安裝時(shí)嚴(yán)格控制送入角度。送入鉆孔內(nèi)的致裂器，導(dǎo)通性和絕緣性達(dá)標(biāo)后，進(jìn)行止飛固定，孔口輔助木楔打緊。各系列致裂鉆孔內(nèi)的致裂器采用串聯(lián)連接，采用與煤礦許用發(fā)爆器一次起發(fā)。起發(fā)前將風(fēng)筒引至煤倉(cāng)底部，加強(qiáng)通風(fēng)。起發(fā)人員在新鮮風(fēng)流側(cè)激發(fā)，為保證致裂作業(yè)安全，要求警戒和安全躲避距離不小于50m,安全躲避時(shí)間不少于10min。

表1 CO2致裂器主要技術(shù)參數(shù)

CO2致裂器在地面上充裝檢驗(yàn)完畢后，運(yùn)至井下完成應(yīng)用。致裂鑿井施工流程為：致裂準(zhǔn)備→測(cè)量放線→鉆致裂孔→安放致裂器→啟動(dòng)、通風(fēng)→出渣→人工修邊→初期支護(hù)→下一循環(huán)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明工藝中的警戒和安全躲避距離、安全躲避時(shí)間能達(dá)到井下安全生產(chǎn)要求。

3.3 效果及分析

2016年6月，按照設(shè)計(jì)方案和工藝措施進(jìn)行了井下煤倉(cāng)的氣相致裂工業(yè)性試驗(yàn)。致裂作業(yè)后，巖石被充分地松動(dòng)剝離，裂隙沿鉆孔中心線貫穿并充分發(fā)育。掏槽致裂鉆孔所在圓周內(nèi)的巖石及溜灰管被抬升0.4～0.6m，充分破碎易搬運(yùn)。S系列預(yù)裂鉆孔所在圓周內(nèi)的巖石被抬升0.3～0.5m，矸石塊度適中：長(zhǎng)0.8～1.1m、寬0.55～0.8m、厚0.18～0.22m；外側(cè)裂隙沿釋放孔方向發(fā)展，單孔裂隙擴(kuò)展半徑最大達(dá)3.4m，平均影響半徑2～3m，巖石塊度相對(duì)較大，但無(wú)大塊易破碎。致裂后無(wú)炮煙，無(wú)破壞性振動(dòng)，致裂器未飛出。巷道中未檢測(cè)到CO、氮氧化物等有害氣體，CO2未超限。

試驗(yàn)效果表明，致裂作業(yè)工藝安全，鉆孔施工量小，作業(yè)時(shí)間短，煤倉(cāng)掘進(jìn)工作面全斷面巖石均被破碎，取得了理想的松動(dòng)爆破效果，平均循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到1～1.2m，大大加快掘進(jìn)速度；矸石塊度適中，極大地提高了裝矸效率。

4 結(jié) 論

(1)CO2致裂技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)導(dǎo)硐條件下煤倉(cāng)鑿井施工，而且致裂壓力可控、鑿井作業(yè)安全，致裂過(guò)程無(wú)炮煙、不產(chǎn)生有毒有害氣體，躲避距離近、可迅速返回工作面、輔助作業(yè)時(shí)間短。

(2)新型CO2致裂器對(duì)巖體剪切破裂效果好，無(wú)破壞性震蕩或震波，不會(huì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，通過(guò)定向預(yù)裂使裂隙貫通，使矸石塊度適中。

(3)通過(guò)合理的工藝技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)，CO2致裂器能達(dá)到良好的爆破效果，中心區(qū)域巖石致裂充分并掀出，外圍區(qū)域松動(dòng)效果好。平均循環(huán)進(jìn)尺由原來(lái)的0.5m提高到1～1.2m，明顯提高了掘進(jìn)速度；矸石塊度適中，顯著地提高了裝矸效率，縮短了施工周期，為掘進(jìn)施工提供了新的施工技術(shù)和方法。

(4)CO2氣相致裂技術(shù)，在煤礦井下一定條件下可替代傳統(tǒng)炸藥，對(duì)于改善煤礦安全生產(chǎn)條件有著積極、廣泛和重要的影響。

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[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Application of CO2Gas-phase Fracturing Technology During Coal Bunker Tunneling in Coal Mine

HE Chao1,2,3，GONG Jian-yu1,2,3

(1.Mine Construction Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.， Beijing 100013,China；3.Beijing China Coal Mine Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to solve the problems of low speed and ineffectively construction of coal bunker tunneling in Hongqingliang coal mine of Haohua energy Co.，Ltd.，And CO2gas-phase fracturing technology was applied for the first time in domestic.According CO2fracturing equipment characters，strata geological situation and field experimental situation，then drilling hole of fracturing and distribution，construction technology application and coal bunker tunneling were finished，the field test showed that explosive could be replaced by fracturing equipment in some special area during tunneling，mine construction process was safety，without non-toxic and hazard free gas appeared,fracturing tunneling depth could reached 1～1.2m in single cycle，and the stability of surrounding rock would not be influenced，gangue was loosely and easily broken，then clearing easily，and working performance was improved.

gas-phase fracturing technology；CO2fracturing equipment；drilling hole design；non-toxic and hazard free

2017-02-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.028

國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2016年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目(yangqi-0021-2016AQ)；天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新基金面上項(xiàng)目(KJ-2016-BJZM-09)

賀 超(1986-)，男，山東東阿人，助理研究員，碩士，現(xiàn)主要研究方向?yàn)槎趸細(xì)庀嘀铝鸭夹g(shù)及應(yīng)用。

賀 超，龔建宇.CO2氣相致裂技術(shù)及在煤礦煤倉(cāng)掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2017，22(4)：106-108.

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1006-6225(2017)04-0106-03