二氧化碳爆破预裂技术的研究和应用

二氧化碳爆破预裂技术的研究和应用

王小毛

山西美锦集团东于煤业有限公司 山西 太原 030400

摘要：为切实保障瓦斯治理水平，满足日渐提升的煤矿业生产计划要求，需在原有基础上配合使用更加专业完善的二氧化碳爆破预裂技术，从根本上提升煤层结构的透气性能，确实保障抽采钻孔抽采效果。本文就基于此，以二氧化碳爆破预裂技术应用原理为切入点，提出二氧化碳爆破预裂设备结构、技术特征，最后分析二氧化碳爆破预裂技术实际应用要点，以供参考。

关键词：二氧化碳爆破预裂技术；原理；装置结构；实际应用

引言：本文以某煤矿工程为例，该煤矿工程巷道设计长度为757.3米、井下标高为700~725米、地面标高为975~1050米。施工场地周边地形为丘陵山区，无构筑物，巷道掘进期间对地面设施无明显影响。为从根本上保障工作面掘进水平，做好工作面瓦斯治理工作，工程着重使用了二氧化碳爆破预裂技术，使工作面掘进期间的隐患问题被控制在了最低范围之内。

1. 二氧化碳爆破预裂技术原理

二氧化碳爆破预裂技术主要就是使用充有液态二氧化碳的预裂机组，将机组安装在打好的煤层钻孔内，利用专用封口装置封口，通过激活预裂组发热装置中的发热材料，加热机组内部液态二氧化碳。在将机组增压到设定压强值时，预裂组件启动，高压二氧化碳进入到钻孔煤体，使煤体中的裂缝逐步扩大，从根本上提升煤层整体透气性。

由于二氧化碳气体具有亲煤特征，在高压扩散时可以吸附并驱赶煤体中的瓦斯，使瓦斯游离性能增加，井下瓦斯抽采系统的抽采效率与浓度不断增强。

液态二氧化碳受热变成气体后，气体体积是原来体积的600倍左右。在此膨胀过程中，可能对周边物体产生极大压强。由于煤层并不具备致密性，天然存在裂缝^[1]。巨大压强的二氧化碳气体会使此些天然裂缝变大并相互连通，使煤层的透气性能得到大幅度改善。因二氧化碳气体的带压膨胀环节势必会对煤层中吸附的瓦斯产生驱赶作用，有效解决了难抽采煤层透气性能大、瓦斯游离程度低等问题。

二氧化碳爆破预裂技术主要就是利用了气体受热气化与膨胀的原理。经过实际调查研究发现，二氧化碳气体在31.1℃并加压到7.2Mpa的情况下，能够呈现出液体状态。

2. 二氧化碳爆破预裂技术装置结构

二氧化碳爆破预裂技术装置主要由二氧化碳连接件、预裂器、封孔器、引出杆以及顶杆等结构组成。

在二氧化碳爆破预裂技术实际应用过程中，需要腔内预先固定发热装置，将液态二氧化碳注入组件腔中，配合使用矿用发爆器激活发热装置的发热材料，并对腔内液态二氧化碳进行加热处理。二氧化碳气体受热后发生膨胀反应。在二氧化碳气体达到预设强度值的情况下，卸压片开启，高压二氧化碳气体从预裂组件内释放出，实现预裂煤层的目标。

在二氧化碳爆破预裂连接件分为滑轮式连接件、实心连接件、空心螺纹连接件、可伸缩调节连接件等^[2]。为切实保障二氧化碳爆破预裂技术应用期间灵活性，需要结合采煤层具体结构，选择适宜的二氧化碳爆破预裂连接件形式。

二氧化碳爆破预裂封口器主要就是利用丝杠式螺栓调整推力与过渡件，推动金属挡板。在右侧挡板固定时，软橡胶密封件整体膨胀，实现密封钻孔的目标。

在普通采煤层开采过程中，可以通过使用管材、肖子连接方式推拉及拉出钻孔的全部预裂设备。在煤与瓦斯较为突出的煤层中，需要将无缝钢管作为二氧化碳爆破预裂技术的引出杆。要求该引出杆两端需要密封连接，注重检测钻孔不同时间段的压力值。

顶杆是二氧化碳爆破预裂技术固定钻孔内预裂装置的重要设施。通过合理调整顶杆长度，可以有效控制二氧化碳爆破预裂效果。

3. 二氧化碳爆破预裂技术实际特征

二氧化碳爆破预裂技术中的二氧化碳气体不具备爆炸性，并可以有效抑制爆炸或燃烧。二氧化碳爆破预裂装置内部配备了发热设备。热反应过程在完全密封的二氧化碳气体主体腔面进行，外界震动或撞击作用均无法激活发热装置，因此在二氧化碳爆破预裂设备二氧化碳气体装运、正常情况及安装使用期间的安全性更高。

液态二氧化碳在气化反应后会产生出高压波，有效预裂煤层，从根本上提高煤层结构的渗透性，使瓦斯抽采效率大幅度增强。

二氧化碳气体可以对煤层中的瓦斯进行有效吸附，爆破后的二氧化碳同时也可以滞留与祛除煤层内的瓦斯，使采煤效率及安全性能够得到根本上保障。

煤体内二氧化碳的渗透率将高于瓦斯气体的渗透力，在二氧化碳爆破过程中。二氧化碳气体具有渗流运移的作用，能够有效控制煤体吸附的瓦斯分压，使瓦斯持续被解吸，从根本上提高了煤层游离瓦斯的抽采率。

4. 二氧化碳爆破预裂技术具体应用方案

为有效验证二氧化碳爆破预裂技术在煤层掘进工作面时的应用效果，需要制定出专项可行的二氧化碳爆破预裂技术应用方案，对二氧化碳爆破预裂技术应用水平进行试验分析。

在二氧化碳爆破预裂技术使用前，相关技术人员应当深入贯彻落实安全技术管控职责，要求具体操作人员熟知二氧化碳爆破预裂施工流程

^[3]。在二氧化碳爆破预裂后开展其余抽采钻孔工作，应对剩余抽采钻孔进行封口连抽，注重检测电气技术使用期间的抽采瓦斯流量及浓度，不断优化二氧化碳爆破预裂应用流程。

4.1布设测点

为保障采煤工作安全高效开展，需要结合矿井实际建设要求以及二氧化碳爆破预裂钻孔布置要求，选择适宜的试验地点。

在二氧化碳爆破预裂过程中，需要在底孔处预留50米的预裂泄压孔，装填15只2米长的预裂管道，利用水压胶囊封堵20米。在二次二氧化碳爆破预裂时，需要在一次增透基础上增加预裂透彻度，切实保障煤层整体的透气性效果。

4.2二氧化碳爆破预裂施工工艺

在井下钻孔施工前，需要在地面将发热设备安装在组件内，并将预裂组件组装完毕，利用专业设备注入二氧化碳气体。在准备工作合格后运输到井下预裂现场。

在井下施工过程中，需要注重遵守打装封压差的技术流程。其中，打为钻孔打设，需要在掘进面迎头处打一个预裂钻孔，要求孔内洁净，避免出现塌陷问题；装主要就是指设备装设，需要严格组装预裂器、连接件、封孔器、引出杆、顶杆等构件；封主要就是指钻孔封孔，将孔内设备可靠连接在一起，测试表现电阻值的稳定度，利用手压泵对孔内的封口器进行注水打压；压主要就是指钻孔预裂，在与预裂前将工作人员撤离到警戒线之外。在确认安全系统能够正常运行的情况下，才可以开展爆破工作；拆主要就是指设备拆除，在预裂工作完成30分钟后，需要进入现场查看测试阀门。在确认现场安全后，才可以拆除封孔器预裂杆。

4.3二氧化碳爆破预裂技术安全管理要点

为切实保障二氧化碳爆破预裂技术应用水平，工作人员需要严格遵照钻孔设计要求，避免塌口问题出现。结合二氧化碳爆破预裂技术方案，再打成二氧化碳预裂钻孔后，抽采工区应当及时通知二氧化碳煤层预裂技术人员到达指定地点，开展预裂操作。

采空区需要结合二氧化碳爆破预裂技术方案内容，有计划地将二氧化碳预裂器逐一连接在一起，检查装置内电路运行情况。在保障电路运行情况良好的状态下，才可以将二氧化碳爆破预裂设施推进到钻孔内部。

结语：总而言之，通过高质高效使用二氧化碳爆破预裂技术，能够从根本上提高瓦斯治理效果。为切实保障二氧化碳爆破预裂技术实际应用水平，需要在该技术使用期间配合使用专项可行的安全管理措施。着重评估二氧化碳爆破预裂技术应用过程中的综合效应，对二氧化碳爆破预裂技术流程进行不断完善。

参考文献：

[1]张家行. 二氧化碳致裂技术及在煤矿安全生产中的应用研究[D].煤炭科学研究总院,2017.

[2]郝鑫刚. 低渗透煤层液态二氧化碳爆破预裂测试系统的设计与研究[D].中北大学,2016.

[3]孙东辉. 超临界二氧化碳增透煤体作用实验研究[D].河南理工大学,2017.