CO2气相致裂技术及在煤矿煤仓掘进中的应用

贺 超，龚建宇

(1.煤炭科学研究总院 建井研究分院，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司，北京 100013；3.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

CO2气相致裂技术及在煤矿煤仓掘进中的应用

贺 超1,2,3，龚建宇1,2,3

(1.煤炭科学研究总院 建井研究分院，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司，北京 100013；
3.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

为解决昊华能源股份有限公司红庆梁煤矿井下煤仓凿井速度慢、施工效率低的问题，在国内首次开展了CO2气相致裂掘进的技术应用。根据CO2致裂器性能、岩层地质条件和现场试验条件，完成了气相掘进致裂钻孔设计、布孔，以及施工工艺应用和煤仓掘进施工。应用表明：致裂器可以在特殊领域替代炸药进行掘进；凿井过程安全，无有毒有害气体产生，单循环致裂掘进深度1～1.2m，不会对围岩稳定性产生影响；致裂后矸石松动显著易破碎，而且容易清理，提高了作业效率。

气相致裂技术；CO2致裂器；钻孔设计；无毒无害

随着煤矿生产能力、开采范围的扩大，新建矿井大断面的井下煤仓也显著增多。目前国内已经形成多种形式的煤仓掘进施工工艺，为提高作业效率和安全性，反井钻机法联合钻爆法、深孔爆破一次成井技术也都得到成功应用[1-6]。但在实际应用中，由于受矿井地理位置、井下运输条件以及安全性等多种因素制约，井下煤仓掘进存在不具备运用以上方法开展施工的问题，导致大断面开挖速度慢、施工效率低。

近些年，我国煤炭企业对安全、清洁、高产高效新技术的积极探索使CO2气相致裂技术作为一种安全、高效的新技术手段，在煤矿瓦斯治理、露天采石场剥离得到了应用，使气相致裂技术得到进一步发展。本文以昊华能源股份有限公司红庆梁煤矿井底煤仓为研究背景，利用CO2气相致裂技术和CO2致裂器，对气相压裂掘进的设计、钻孔布置和工艺进行了研究和现场应用试验。

1 CO2气相致裂技术

CO2致裂技术是一种物理爆破技术，其工作原理为：利用CO2在超临界状态的性质，致裂器内的液态CO2在一定条件下瞬间气化膨胀并产生高压，可达200MPa。利用高压气体产生的强大推力，CO2气体沿自然或被引发的裂面松开介质(煤体、岩体等)高效渗透，从而达到松动、预裂及增透的目的。整个过程为物理变化，因此CO2致裂器可作为一种物理爆破设备，应用于岩石(煤体)的破碎或开裂[7-8]。国内有学者开展了CO2致裂技术进行煤层增透治理瓦斯和工作面落煤的应用研究[9-14]，对致裂器在煤层中的作用范围和效果进行了分析，尚没有学者进行致裂器用于岩层致裂开挖的报道。

本文选择CO2气相致裂技术在红庆梁煤矿进行煤仓凿井的工业性试验研究，为同类条件下竖井掘进提供新技术和新工艺。

2 煤仓概况

井底煤仓主体为圆柱形，高度为31m，煤仓净直径为8000mm，荒径为9000mm，下口呈漏斗形，S掘=63.6m2，S净=50.3m2。煤仓仓体及下口采用铁钢砂混凝土支护，为保证煤仓仓壁的整体性，整个仓壁须连续浇注。井底煤仓所处地层为中生界侏罗系中下统延安组，图1为井底煤仓剖面图。煤仓大部分为粉砂岩，岩石坚固性系数f约为4，局部较硬，裂隙发育。采用CO2气相致裂技术前，井底煤仓采用人工普通法开挖，已掘进6m，并完成永久支护。按照国家相关规定，基建矿井不予批准使用炸药，结合煤仓地质条件，现场采用风镐破碎岩石人工清矸向下掘进的工作方式，2班掘进，1班锚帮，日进尺平均为0.5m，进度缓慢。

图1 井底煤仓剖面

3 井下工业性试验

3.1 气相致裂方案设计

红庆梁煤仓岩层属于较软岩层，中部设有直径200mm的溜灰管。为使作业面岩层充分剥离松动，必须确定合理的致裂钻孔布置间距、角度、深度。区别于炸药爆破，高压气体爆破是一个相对缓慢的剪切破坏[15]，适合于多孔脆性介质。在无限介质中，CO2致裂器在钻孔内起发后，产生强烈的应力波和高压气体。其致裂破岩作用可分为2个过程：一是起发后致裂器泄能器释放孔对孔壁产生的高压气体射流过程，二是高压CO2气体的准静态高压截切破坏过程。高压CO2致裂静态作用时间比应力波动态作用时间长1个数量级，裂隙在此过程充分发育和扩展。裂隙扩展的有效半径是致裂钻孔设计的优先考虑参数，经现场单孔致裂对比试验，确定额定泄压压力下设计参考致裂半径为1m。

无导硐条件下，致裂爆破设计采用分级方式，分为掏槽致裂钻孔和致裂钻孔(图2)，设计单次致裂深度为1m。为确保中心区域岩层能充分剥离破碎，图中F1～F8为第1圈8个致裂掏槽钻孔，在距离中心直径为1.8m的圆周上均布。钻孔直径60mm，倾角为-60°，深度1.1m。k1～k4为4个预留均布垂直导向钻孔，直径为35mm，位于相邻F系列钻孔与煤仓中心对称中心位置。k系列钻孔为F系列致裂孔提供自由面，从而提高致裂效果，并且减少矸石的大块率，使其易于清理。S1～S8为第2圈致裂钻孔，与F系列掏槽钻孔交错布置，均布与直径为4m的圆周上，深度1m。在直径为9000mm的断面内进行致裂松动，共计布置22个钻孔。

图2 煤仓掘进钻孔布置

实施中F系列和S系列钻孔须确保位置关系，垂直导向孔严禁与F系列钻孔贯穿，控制好致裂钻孔角度和孔径。预裂前，须将中部溜灰眼钢管固定，并符合安全要求。

3.2 致裂器及实施工艺

考虑煤仓岩层的力学性能和预裂效果，选用型号为MZL200-51/1400的CO2致裂器，主要结构包括充装阀、储液管、发热装置、泄能器(定压减切片、垫片和释放管)，技术性能参数如表1所示，配置1号、2号2种定压减切片，分别完成S系列和F系列钻孔致裂。根据裂隙控制要求，优化了泄能器结构并进行了试验，确定释放管高压出气孔采用径向局部，钻孔安装时严格控制送入角度。送入钻孔内的致裂器，导通性和绝缘性达标后，进行止飞固定，孔口辅助木楔打紧。各系列致裂钻孔内的致裂器采用串联连接，采用与煤矿许用发爆器一次起发。起发前将风筒引至煤仓底部，加强通风。起发人员在新鲜风流侧激发，为保证致裂作业安全，要求警戒和安全躲避距离不小于50m,安全躲避时间不少于10min。

表1 CO2致裂器主要技术参数

CO2致裂器在地面上充装检验完毕后，运至井下完成应用。致裂凿井施工流程为：致裂准备→测量放线→钻致裂孔→安放致裂器→启动、通风→出渣→人工修边→初期支护→下一循环。现场试验表明工艺中的警戒和安全躲避距离、安全躲避时间能达到井下安全生产要求。

3.3 效果及分析

2016年6月，按照设计方案和工艺措施进行了井下煤仓的气相致裂工业性试验。致裂作业后，岩石被充分地松动剥离，裂隙沿钻孔中心线贯穿并充分发育。掏槽致裂钻孔所在圆周内的岩石及溜灰管被抬升0.4～0.6m，充分破碎易搬运。S系列预裂钻孔所在圆周内的岩石被抬升0.3～0.5m，矸石块度适中：长0.8～1.1m、宽0.55～0.8m、厚0.18～0.22m；外侧裂隙沿释放孔方向发展，单孔裂隙扩展半径最大达3.4m，平均影响半径2～3m，岩石块度相对较大，但无大块易破碎。致裂后无炮烟，无破坏性振动，致裂器未飞出。巷道中未检测到CO、氮氧化物等有害气体，CO2未超限。

试验效果表明，致裂作业工艺安全，钻孔施工量小，作业时间短，煤仓掘进工作面全断面岩石均被破碎，取得了理想的松动爆破效果，平均循环进尺达到1～1.2m，大大加快掘进速度；矸石块度适中，极大地提高了装矸效率。

4 结 论

(1)CO2致裂技术可实现无导硐条件下煤仓凿井施工，而且致裂压力可控、凿井作业安全，致裂过程无炮烟、不产生有毒有害气体，躲避距离近、可迅速返回工作面、辅助作业时间短。

(2)新型CO2致裂器对岩体剪切破裂效果好，无破坏性震荡或震波，不会对围岩稳定性产生影响，通过定向预裂使裂隙贯通，使矸石块度适中。

(3)通过合理的工艺技术参数设计，CO2致裂器能达到良好的爆破效果，中心区域岩石致裂充分并掀出，外围区域松动效果好。平均循环进尺由原来的0.5m提高到1～1.2m，明显提高了掘进速度；矸石块度适中，显著地提高了装矸效率，缩短了施工周期，为掘进施工提供了新的施工技术和方法。

(4)CO2气相致裂技术，在煤矿井下一定条件下可替代传统炸药，对于改善煤矿安全生产条件有着积极、广泛和重要的影响。

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[责任编辑：王兴库]

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

国家安全生产监督管理总局2016年安全生产重大事故防治关键技术科技项目(yangqi-0021-2016AQ)；天地科技股份有限公司科技创新基金面上项目(KJ-2016-BJZM-09)

贺 超(1986-)，男，山东东阿人，助理研究员，硕士，现主要研究方向为二氧化碳气相致裂技术及应用。

贺 超，龚建宇.CO2气相致裂技术及在煤矿煤仓掘进中的应用[J].煤矿开采，2017，22(4)：106-108.

TD235.371

A

1006-6225(2017)04-0106-03