二氧化碳炮增透防突技术研究

廖文涛

摘 要：二氧化碳炮增透是二氧化碳气化产生物理爆炸，改变钻孔周边煤体物理力学特征，使一定范围内的煤体卸压，产生并扩展煤体原始裂隙和初始裂隙，形成瓦斯运移通道；同时高浓度的二氧化碳与瓦斯竞争吸附，煤体瓦斯加快解析，瓦斯含量降低。试验表明：矿井采用二氧化碳炮增透后，钻孔抽采瓦斯流量提高1.2～5.3倍，有效抽采影响半径提高。

关键词：二氧化碳炮；钻孔抽采瓦斯流量；增透；有效抽采影响半径

中图分类号：TD712 文献标识码：A

0.引言

我国煤矿开采水平每年以10m～20m的速度向深部延伸，矿井地应力、瓦斯含量及瓦斯压力不断增大，煤层瓦斯灾害日趋严重。中国多数煤层具有非均质性、低压力、低渗透率和低含气饱和度等特点。煤层属于非贯通裂隙岩体，内部存在大量不同尺度水平上的裂隙与孔洞，属于极其不连续“各向异性”非弹性的损伤材料，力学特性非常复杂。特别是松软低透高瓦斯、突出煤层瓦斯吸附力强、解析速度慢，瓦斯在煤层中运移困难，常规抽采钻孔内瓦斯流量小，抽采效果差。

高瓦斯、突出矿井瓦斯灾害防治的治本措施是瓦斯抽采。强化抽采防突技术核心是如何加大瓦斯抽采量，降低煤层瓦斯含量、瓦斯压力，使煤层卸压，改变煤体物理力学特征。

1.二氧化碳炮增透机理

二氧化碳炮增透利用二氧化碳在温度高于31℃或压力低于7.35MPa时，瞬间（20ms内）气化急剧膨胀（最高可达600多倍）产生高压气体（最高可达270MPa），当压力达到致裂器爆破片极限强度（可设定）时，致裂器爆破片破断，高压气体释放切割钻孔壁煤体和高效渗透，钻孔煤壁周边一定范围内发生破裂变形，同时在爆炸应力波和CO2共同作用下，煤体原有裂隙得以扩展，增加煤体裂隙，直至裂隙内气体压力与煤体应力达到动态平衡，裂隙停止扩展。

煤体对不同气体的吸附能力不同，煤体对CO2的吸附能力大于CH4，当CO2气体进入煤体后，将驱替置换出一定的CH4气体，这部分CH4气体即从吸附态转化为游离态。

CO2炮在爆破钻孔周围形成大量透气性高、裂隙发育的区域，且CO2气体置换出一定的CH4气体，使爆破钻孔周边一定范围内煤体得到充分的卸压，大量地吸附瓦斯解析出来并得以抽采，降低了煤层瓦斯压力和瓦斯含量，达到安全高效抽采瓦斯的目的。

2.二氧化碳炮试验研究

2.1试验矿井概况

试验煤矿位于贵州省毕节市金沙县。该矿可采煤层4层，现主采9号煤，煤厚平均为2.84m，煤层平均瓦斯含量为12.55 m3/t。矿井为突出矿井。

2.2 试验方案

2.2.1试验情况

试验主要考察二氧化碳炮前后钻孔自然瓦斯涌出规律、煤层透气性等。试验地点在矿井采煤工作面回风巷，矿井设计抽采半径为1.5m。试验在回风巷煤壁上布置均为顺层爆破孔，实际施工情况如图1所示。钻孔孔径为75mm，孔深100m。试验严格按照事先编制的试验施工组织及安全技术措施进行。

2.2爆破前后钻孔瓦斯涌出规律

钻孔初始瓦斯涌出强度q0与钻孔瓦斯流量衰减系数a有如下关系：

qt=q0e-at （1）

式中：qt—t时刻钻孔瓦斯流量，m3/min；q0—t=0时刻钻孔瓦斯流量，m3/min；a—钻孔瓦斯流量衰减系数，d -1；t—钻孔抽采瓦斯时间，d。

爆破前对两个钻孔的瓦斯涌出量进行测试，爆破前G1孔的自然瓦斯涌出量为0.067 m3/min。G1孔在爆破两小时后检测到提示抽采影响半径的足量浓度的示警SF6气体，说明此时影响半径在4.5m以上，G1孔爆破前钻孔抽采瓦斯流量q（m3/min）与时间t（天）的拟合结果为q=0.1047e-0.2936t。此后，对该钻孔进行9天的观测，钻孔抽采瓦斯流量q（m3/min）与时间t（天）的拟合结果为q=0.439e-0.078t，爆破前钻孔瓦斯涌出衰减系数为aq=0.2936d-1，爆破后钻孔瓦斯涌出衰减系数为ah=0.078 d-1，爆破后钻孔瓦斯涌出衰减系数是爆破前的0.27倍；爆破后钻孔抽采瓦斯流量平均为0.399m3/min，比爆破前增大了4.97倍。

同时，G2孔在爆破4小时后检测到提示抽采影响半径的足量浓度的示警SF6气体，则说明此时影响半径在5.3m以上。G2孔爆破后鉆孔抽采瓦斯流量增加5.3倍，并且钻孔瓦斯涌出衰减系数减小1.53倍，爆破后瓦斯抽放总量大幅增加。

结论

试验矿井通过二氧化碳炮使钻孔周边煤体裂隙得到扩展，增加了瓦斯流动通道。爆破强化增透过程中，爆破无炮烟，不产生有毒气体。

（1）二氧化碳炮后9号煤层钻孔抽采瓦斯流量衰减明显减小，钻孔抽采瓦斯流量增大1.2～5.3倍。爆破后钻孔瓦斯可抽性强，工作面抽采时间缩短。

（2）二氧化碳炮后瓦斯抽采总量增加明显。矿井采用二氧化碳炮增透技术后，9号煤层采煤工作面抽采钻孔数量减少大量的工程量，缩减了施工周期，抽采效果优于爆破前，安全可靠，有积极的经济和社会效益。

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