二氧化碳致裂技术在煤矿安全生产中的应用

张 健

（贵州省安全生产科学研究院，贵州 遵义 563000）

0 引言

1 二氧化碳致裂器的主要结构

二氧化碳致裂器主要包含以下几个部分：

（1）灌装阀。致裂器结构中的灌装阀是在二氧化碳进入储液罐之后打开，当二氧化碳输送达到一定量时，为了避免溢出，就会直接关闭灌装阀。

（2）发热装置。主要帮助二氧化碳致裂器中的液体二氧化碳提升热量，直接将液体汽化成气体。

（3）储液罐。主要用于二氧化碳的存储，由耐高压与耐高温的材料共同合成。如果储液罐内的气体压力高于材料的剪切压力，就会导致定压剪切片快速破裂，以达到控制储液罐之中气体压力的作用。可以通过选择定压剪切片规格的方式控制储罐的压力。

（4）释放管。当定压剪切片出现破裂时，使高压气体瞬间喷出的元件就被称为释放管。

2 二氧化碳致裂器的工作原理

二氧化碳致裂器的工作原理为：二氧化碳放置在31℃环境下或者是压力超过7.35MPa时就会以液态的形式存在，如果气温高于31℃，那么二氧化碳就会从液态直接转变成气态。基于二氧化碳的这一特点，在爆破器的主管中充装液态二氧化碳，通过发爆器快速激发加热装置，让液态的二氧化碳瞬间气化并且膨胀产生高压，一旦压力达到爆破极限强度（可以预先设定），定压剪切片就会出现破裂，高压气体从放气头释放出来直至爆破。二氧化碳致裂器也会利用连续性的连接模式，来满足多个定点的爆破需求。

以纵坐标表示灵敏度，横坐标表示1-特异度，绘制ROC计算AUC。HE4的AUC为0.877(P<0.05)，CA125的AUC为0.646(P<0.05),ROMA指数的AUC为0.969(P<0.05)，ROMA指数的诊断准确度最高。

3 二氧化碳致裂技术特点分析

通过分析二氧化碳致裂技术，发现它主要有致裂压力可调控、安全性良好、操作简单、致裂成本低等几方面特点。

（1）致裂压力可调控。

按照煤层实际的硬度与厚度，通过不同规格定压剪切片来对二氧化碳的相变致裂压力进行控制，就能满足不同煤层的需求[1]。

（2）安全性好。

致裂过程本身是让二氧化碳从液态逐渐相变到气态的过程。相变本身属于物理过程，不会有火花产生，同时这也是一个吸热降温的过程。在常温下，二氧化碳属于不可燃、不助燃的气体，能够防范瓦斯的引爆，并且在使用期间不会存在有毒有害气体，在致裂起爆之后的震动也较小，不会出现扬尘。

（3）操作简单。

在整个操作中主要包含了成孔、送入、连线撤人、爆破和取出等多个环节，致裂爆破过程中不需要验炮，并且操作相对简单和方便。

（4）致裂成本低。

二氧化碳致裂器的组成材料包含了二氧化碳、垫片、发热装置等，可以满足重复使用的要求，并且重复次数超过3000次，所以成本耗费较少[2]。

4 二氧化碳致裂在巷道掘进消突中的应用

为了更好的分析煤矿安全生产中二氧化碳致裂技术的使用，针对巷道的掘进消突中二氧化碳致裂技术的应用进行探讨，希望可以满足其安全生产的要求。

4.1 矿井概况

本煤矿的工作面选择走向长壁综合机械化的采煤工艺，利用垮落法管理顶板。另外，工作面选择U型通风系统。

本次研究将152掘进巷道作为主要的研究对象，利用二氧化碳的相变致裂技术来实现煤层的预裂增透，实现抽采方式的优化，并且通过强化抽采效果，满足巷道安全掘进的要求。

4.2 实施方案

（1）试验目的。

针对井下实际测得的煤层和瓦斯的参数，其最终测定结果，见表1。

表1 煤层透气性系数以及流量衰减系数Tab.1 Permeability coefficient of coal seam and gas flow attenuation coefficient

通过表1可以看出，在实测数据分析中发现煤层抽采的透气性一般，并且抽采效果不够好。将煤层152的胶带下山煤巷掘进工作面作为研究对象，针对200m的煤层巷道应用了二氧化碳的爆破增透技术，通过爆破工艺提升其煤层的透气性，同时也可以在掘进方向上实现充分卸压，最终帮助煤层巷道提升预抽钻孔的抽采效率，这样就可以达到快速掘进的目的[3]。

（2）钻孔设计。

在152胶带下山煤巷的迎头断面中心按照煤层倾角设置爆破孔，其孔深为60m，开孔高度1.5m，孔径94mm，在孔的四周设置4个瓦斯防控，孔深30m，孔径为75mm[4]。

4.3 抽采效果考察

（1）验证方法。

在验证中选择钻屑指标法：第一，在工作面实施深孔预裂爆破之后，通过人工观测抽采钻孔以及排放钻孔的外丝变化情况，在进行1～3天的操作后进行检验，等待达标后方可进行掘进，并且在每一个循环中保持10m的超前安全掘进距离；第二，对于煤巷掘进工作面的危险性临界值，可以选择钻屑指标法来进行分析，见表2。

表2 参考临界值Tab.2 Reference limit

将Δh2测定值同参考值进行比较，如果测定值比临界值小，但是没有任何异常情况，就表示属于无危险工作面；但是如果测定值大于等于临界值，就直接判定为危险工作面，需要利用相对应的措施做好瓦斯的抽采或者是增设钻孔。

（2）爆破效果分析。

爆破之后的钻孔瓦斯浓度提升了2～3倍，其中3#排放孔因为爆破直接引起了巨大的轰爆效应，导致爆破之后的孔口位置上出现了塌孔[5]。

液态的二氧化碳在0.2s之内完成爆破，并且转变为气态二氧化碳之后，其体积会直接膨胀794倍，而煤体对于二氧化碳的吸附能力是CH4的2～3倍。就宏观表现来看：钻屑解吸的指标上升主要是因为在钻屑解析的气体中包含致裂二氧化碳气体，在经过爆破之后，其吸附量增大。等待爆破致裂之后，二氧化碳气体会从爆破孔中随着巷道的风流排出。

通过巷道回风流瓦斯浓度变化的情况来看，二氧化碳爆破可以提升掘进工作面瓦斯的排放率以及抽采效率[6]。

通过上述分析：本煤矿利用二氧化碳爆破增透工艺，可以有效解决低渗透煤层预抽效率低下的问题，并且在掘进工作面中爆破也能够有效的解决应力相对集中以及外丝压力富集主导煤和瓦斯突出的问题，进而满足煤矿安全生产的需求。

5 结论

总而言之，二氧化碳致裂器工艺自20世纪50年代初步被正视，是专门为矿山开采、采石裂岩、岩体预裂、高瓦斯矿井的采煤工作面研发的。因其安全、高效、操作便利的特点很快被用于矿山、采石场、水泥、钢铁行业。

由于传统的爆破方式会耗费大量的人力物力，并且在作业过程之中存在极大的安全隐患，还可能出现瓦斯爆炸问题，而利用先进的二氧化碳致裂技术可以有效的解决这一部分问题，不但能增强生产的安全性，同时可以有效杜绝瓦斯爆炸，让操作更加安全、简单。希望通过对二氧化碳致裂技术的应用分析，能够满足煤矿安全生产的要求，并且对于今后二氧化碳致裂器的使用也有一定的借鉴意义。