成果介紹： 井下液態(tài)CO2爆破增透工業(yè)試驗研究
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作者：吳 迪，徐 軍，肖曉春，丁 鑫，王 磊
國內(nèi)外液態(tài)CO2爆破技術(shù)的研究停留在基本原理上，具體爆破過程、爆破裂隙產(chǎn)生原理等方面并未得到深入研究，這項技術(shù)的理論研究落后于實踐。筆者監(jiān)測爆破器主管內(nèi)高壓CO2氣體P-T變化曲線，研究液態(tài)CO2爆破裂紋擴展規(guī)律，計算液態(tài)CO2的TNT當量，選取合適地點進行工業(yè)試驗，對比研究爆破前后煤層瓦斯抽采效果，為液態(tài)CO2爆破增透技術(shù)推廣提供參考。
1 液態(tài)CO2爆破技術(shù)
1.1 液態(tài)CO2爆破裝置
1.1.1 液態(tài)CO2爆破器及爆破原理
二氧化碳爆破器實物及組成結(jié)構(gòu)見圖1。
爆破器由主管、充氣頭（起爆頭）、排氣頭、加熱棒、爆破片、泄能片、止飛器等組成。爆破器主管充裝液態(tài)CO2，使用發(fā)爆器激發(fā)加熱裝置，主管內(nèi)液態(tài)CO，迅速汽化，體積膨脹600余倍，主管內(nèi)氣體壓力迅速升高，達到泄能片極限壓力后，泄能片在0.1~0. Ss內(nèi)破斷，高壓氣體由泄能頭兩側(cè)的出氣孔急速沖出，形成沖擊波沖擊煤體，達到爆破增透的目的。
1.1.2 液態(tài)CO2爆破裝置
液態(tài)CO2爆破裝置示意圖見圖2。無損組裝系統(tǒng)解決了現(xiàn)有組裝設備夾緊力不易控制，容易損傷被組裝工件的問題，具有夾緊方便、可靠，可實現(xiàn)對被組裝工件無損、快速、穩(wěn)定組裝的優(yōu)點。自動化快速充裝系統(tǒng)包括液化氣體供應裝置、充裝泵、充裝感應平臺和主控系統(tǒng)，實現(xiàn)安全高效的自動充裝、自動計重、自動停止、自動控制壓力、自動控溫、自動冷卻
等功能。
1.1.3 二氧化碳爆破器特點
1) CO2氣體具有抑爆、抑燃特點。
2)1.0 kg液態(tài)CO2氣化過程需要吸收60 kJ熱量，40ms內(nèi)迅速氣化，整個過程CO2溫度在O℃左右，大量的高壓CO2氣體營造惰性氣體環(huán)境，杜絕瓦斯爆炸。
3)物理爆破過程不產(chǎn)生揚塵以及CO等有毒有害物質(zhì)及氣體，且不會產(chǎn)生任何明火或火花，爆破過程本質(zhì)安全，環(huán)境友好。
4) CO2爆破器氣化過程完全密閉，震動、撞擊均無法激活內(nèi)置發(fā)熱管，液態(tài)CO2充裝、運輸、使用過程安全性高。
1.2液態(tài)CO2爆破過程
煤層液態(tài)CO2爆破過程中，首先由沖擊波在爆破孔周圍產(chǎn)生粉碎區(qū)和爆破孔法向的初始導向裂隙，為裂隙近區(qū)；隨著沖擊波轉(zhuǎn)變?yōu)閼Σɡ^續(xù)傳播，后續(xù)大量高壓氣體在初始導向裂隙中尖劈擴展，形成二次裂隙發(fā)育，為爆破裂隙中遠區(qū)。采用示波器監(jiān)測型號為MZL200 - 1180/50的爆破器爆破過程中，主管內(nèi)高壓C02氣體P-T曲線如圖3所示。
其中：OA階段：啟動發(fā)熱裝置，主管內(nèi)液態(tài)CO，迅速汽化至泄能片極限壓力200MPa。
AB階段：泄能片在0.1~0.Ss內(nèi)破斷，大于液態(tài)C02汽化時間，氣體壓力繼續(xù)升高至最大壓力，直到泄能片破斷。
BC階段：泄能片破斷后，爆破器內(nèi)高壓氣體高速噴射而出，壓縮空氣介質(zhì)，形成沖擊波，沖擊煤體，在出氣孔方向形成兩個導向型爆破空腔。由于爆破孔與爆破器之間波的不斷反射疊加，在出氣孔附近爆破孔不斷擴孔，與爆破空腔一起形成粉碎區(qū)，氣體壓力和沖擊波速度急劇下降。
CD階段：隨著沖擊波速度下降，沖擊波轉(zhuǎn)化為應力波，裂隙失穩(wěn)擴展，煤體徑向受到壓應力，切向受到拉伸應力，產(chǎn)生徑向裂隙和切向裂隙。隨著應力波的衰減，煤體壓縮變形區(qū)域變形能釋放，形成卸載波，向粉碎區(qū)方向傳播，在環(huán)向上受到拉伸作用，當拉伸應力大于煤體抗拉強度時，煤體產(chǎn)生環(huán)向裂隙。之后，CO2氣體楔人各裂隙，和瓦斯壓力以準靜壓力的形式共同作用于裂隙面，在氣體的膨脹、擠壓及氣楔作用下裂隙繼續(xù)擴展延伸，形成最終爆破裂隙區(qū)。同時，由于煤體破碎和C02氣體的分壓比，造成煤體內(nèi)CH4大量解吸。
1.3 液態(tài)CO2的TNT當量
液態(tài)CO2儲存于爆破器主管內(nèi)，經(jīng)加熱后迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，以壓縮氣體形式存在，直到?jīng)_破定壓泄能片產(chǎn)生爆破效果，符合壓縮氣體與水蒸氣容器爆破的定義。故采用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量計算方法計算型號為MZL200 - 1180/50的爆破器TNT當量，爆破器長1.Sm，主管長度1. 415m，外徑50mm，內(nèi)徑28mm，泄能片極限壓力為200MPa，爆破器主管中充裝液態(tài)C02質(zhì)量為lkg左右，液態(tài)CO2爆破釋放能量用下式計算：
式中：Eg為氣體爆破能量，kj; Pi為主管內(nèi)氣體壓力，MPa；P2為標準大氣壓力，取0.lOIMPa；V為主管體積，m3；K為C02絕熱指數(shù)，取1.295。
將數(shù)據(jù)代入式(1)，可得出液態(tài)C02爆破器啟動后釋放的能量為764kJ。液態(tài)C02爆破裝置的近似TNT當量WTNT采用式(2)計算：
式中：QTNT為lkgTNT爆炸能，取4250kj/kg。
經(jīng)過計算，型號為MZL200 - 1180/50的液態(tài)C02爆破器的當量為180 gTNT。
2 液態(tài)C02爆破對煤層瓦斯抽采的影響
某煤礦204工作面為大采高工作面，工作面長200m，推采長度2150m，全部垮落法管理頂板。瓦斯含量6.77~6.84 m3/t，瓦斯壓力0.58~0. 64MPa，瓦斯放散初速度0.785，透氣性系數(shù)0.041 m2/( MPa2．d)，鉆孔流量衰減系數(shù)0. 023d-1。工作面推進速度快，工作面瓦斯涌出量為31.3 m3/min，風排瓦斯為8.54m3／min，瓦斯治理壓力大。在204工作面運輸運漕進行液態(tài)C02爆破前后瓦斯抽采試驗，工作面煤層地應力大約為lOMPa，采用分段式連續(xù)爆破，在煤層水平方向上，C02爆破有效影響半徑分別為出氣孔方向6m、出氣孔法向為4m左右[14]，炸藥深孔預裂爆破時，爆破孔間距與單孔爆破有效影響半徑R的關(guān)系：
鑒于液態(tài)C02爆破與炸藥爆破的區(qū)別，計算得知，爆破器間距應為Sm，爆破孔間距7.Sm，控制孔間距7. 5m，控制孔前期作為爆破控制孔增加自由面，爆破結(jié)束作為抽采孔繼續(xù)使用，爆破孔與抽采孔間隔布置，鉆孔布置見圖4，爆破前后各測點鉆孔平均瓦斯抽采濃度變化見圖5，平均瓦斯抽采混量變化見圖6。
由圖5、圖6知，液態(tài)C02爆破前后瓦斯抽采濃度平均提高3. 16倍，瓦斯抽采混量提高約1.71倍。爆破前瓦斯抽采濃度較低，爆破后，爆破孔周圍產(chǎn)生大量裂隙，破壞原始煤層瓦斯吸附解吸平衡狀態(tài)，大量吸附態(tài)瓦斯解吸為游離態(tài)，瓦斯抽采濃度急劇升高；同時，爆破后產(chǎn)生大量C02氣體充斥在煤層孔隙中，根據(jù)競爭吸附理論，煤基質(zhì)對C02吸附能力遠大于CH4，煤層CH4大量解吸，維持了瓦斯抽采的高濃度，隨著C02不斷被煤體吸附，孔隙中C02濃度持續(xù)降低，減緩了CH4的解吸速度，直至趨于穩(wěn)定。瓦斯抽采混量提高的原因是：爆破后煤層透氣性系數(shù)得到大大的提高，煤層中瓦斯流動阻力減小，瓦斯流動速度加快，隨著瓦斯抽采的進行，瓦斯能夠得到源源不斷的補給，持續(xù)提高瓦斯抽采混量，直至趨于穩(wěn)定。
3 液態(tài)C02爆破井下試驗
進行液態(tài)CO2爆破井下試驗，可以深入研究液態(tài)CO2爆破煤層增透規(guī)律，并選定合理爆破器和參數(shù)，為此低成本高效煤層增透技術(shù)的實施推廣提供參考。
3.1 試驗區(qū)選取
由于試驗設計需要在不同地應力煤層進行液態(tài)C02爆破，試驗區(qū)選取一定要遵循以下原則：
1)煤層瓦斯地質(zhì)參數(shù)較為相近的同一礦區(qū)；
2)礦井為多水平開采，以不同埋深來表征不同地應力；
3)煤層滲透率較低，需要進行煤層增透。
黑龍江省龍煤集團七臺河分公司，位于黑龍江省東部盆地群的勃利盆地，七臺河礦區(qū)為我國薄煤層開采示范基地，含煤地層約100多層，區(qū)內(nèi)有新建礦、新興礦、桃山礦、新立礦等11對生產(chǎn)礦井，各礦井皆為分水平開采，一水平為標高- 25~- lOOm，二水平標高約-100~- 400m，三水平標高約- 400~ - 800m，四水平為- 800m以下，煤層透氣性系數(shù)為0. 1416~1.2534m2/( MPa2．d)，為低透氣性煤層，滿足試驗要求，故選取七臺河礦區(qū)為本次工業(yè)試驗的地點。
3.2 爆破有效影響半徑的考察
在七臺河礦區(qū)，選取不同埋深煤層，并設置不同爆破壓力，分別進行液態(tài)CO2爆破工業(yè)試驗。不同型號的爆破器具有不同的裝液量和泄能片極限壓力，試驗中應根據(jù)不同需求選取不同型號的爆破器。為了避免鉆孔的截流效果，在每一個爆破試驗地點，按照不同距離分組布置瓦斯抽采孔，見圖7。抽采孔與爆破孔距離設定為2m、2.5m、…、8m。監(jiān)測爆破前后每一個抽采孔的瓦斯抽采混量與濃度，若某一抽采孔爆破前后瓦斯抽采混量與濃度明顯提高，則認為該抽采孔與爆破孔的距離在爆破有效影響范圍內(nèi)，最終確定爆破有效影響半徑。
4 井下爆破試驗結(jié)果
選取不同埋深的地點進行液態(tài)C02爆破試驗，根據(jù)測試地點埋深和上覆各煤巖層容重，換算為等效地應力，并采用上述方法監(jiān)測各實驗地點爆破有效影響半徑。不同地應力下液態(tài)C02爆破有效影響半徑變化如圖8所示。由于垂直應力對裂隙的閉合作用，煤層地應力對爆破有效影響半徑起到抑制的效果，隨著地應力的增加，爆破裂隙區(qū)域逐漸減小，主要原因在于煤層地應力的增加會導致應力場作用下煤體裂隙尖端應力強度因子降低，不利于煤體裂隙的產(chǎn)生和擴展。而且，在爆破中遠區(qū)，裂隙的產(chǎn)生和擴展方向在一定程度上受煤層主應力方向的控制和影響。
在七臺河礦區(qū)各礦選取地應力約為lOMPa的試驗區(qū)域，在不同爆破壓力下進行煤體液態(tài)CO，爆破試驗，同時采用上述方法對爆破有效影響半徑進行考察，得出爆破影響半徑與爆破壓力的關(guān)系如圖9所示。爆破壓力與爆破有效影響半徑呈正相關(guān)的關(guān)系，當爆破壓力較小時爆破有效影響半徑較小，但是當爆破壓力增大到280MPa時，爆破有效影響半徑增加趨于平緩，增長幅度有限，所以爆破壓力應該選擇一個合適的范圍，在達到理想的爆破效果的前提下，使經(jīng)濟成本降到最低。根據(jù)工業(yè)試驗結(jié)果，爆破壓力選擇在160~ 280MPa之間最為合理。
煤層透氣性系數(shù)是衡量煤體中瓦斯流動難易程度的一項重要指標，是評價煤層瓦斯抽放難易程度和瓦斯突出防治的重要技術(shù)參數(shù)。采用徑向流量法測定爆破地點爆破前后透氣性系數(shù)，并采用徑向流量法測定各爆破地點爆破前后透氣性系數(shù)，由于鉆孔是徑向不穩(wěn)定流，用傳統(tǒng)的流量計法測鉆孔瓦斯流量不太可能，所以采用排水法測瓦斯流量�？疾旖Y(jié)果見表1，爆破后煤體松動，孔裂隙增加，煤層透氣性得到大幅度提升。隨著抽采時間的增加，由于爆破裂隙逐漸閉合，造成爆破孔周圍煤體透氣性系數(shù)逐漸降低，一個月后透氣性系數(shù)趨于穩(wěn)定，爆破前后對比，趨于穩(wěn)定時，煤層透氣性系數(shù)提升17. 49~22. 76倍，見圖10。
5 結(jié)論
監(jiān)測液態(tài)C02爆破過程中主管內(nèi)高壓氣體壓力時程曲線和裂隙發(fā)展規(guī)律，計算試驗用爆破裝置液態(tài)C02的TNT當量，在七臺河礦區(qū)以不同爆破壓力和地應力下進行液態(tài)C02爆破試驗并進行瓦斯抽采，得出以下結(jié)論：
1)采用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破方法，確定型號為MZL200 -1180/50的液態(tài)C02爆破器的當量為180 gTNT。
2)與為爆破煤層瓦斯抽采相比，進行液態(tài)C02爆破后瓦斯抽采濃度提高3. 16倍，瓦斯抽采混量提高約1. 71倍。
3)隨著地應力的增加，液態(tài)C02爆破有效影響半徑逐漸減小，兩者呈近線性關(guān)系。
4)爆破壓力與爆破有效影響半徑呈正相關(guān)的關(guān)系，且爆破壓力在160~280MPa范圍內(nèi)最為合理。
5)爆破后煤層透氣性系數(shù)提高17. 49~22. 76倍，增透效果良好。
6摘要：
為了增加煤層透氣性、提高瓦斯抽采效率，選取七臺河礦區(qū)進行液態(tài)C02爆破煤層增透工業(yè)試驗。研究液態(tài)CO2爆破過程中主管內(nèi)高壓氣體P-T曲線，考察不同地應力下的液態(tài)CO2爆破有效影響半徑和煤層透氣性系數(shù)，監(jiān)測爆破前后瓦斯抽采參數(shù)。試驗結(jié)果表明：采用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破方法計算液態(tài)CO2爆破的當量為180 gTNT；爆破后瓦斯抽采濃度提高3.16倍，瓦斯抽采混合流量提高1. 71倍；煤層液態(tài)C02爆破有效影響半徑隨地應力的增加近線性減小，隨爆破壓力的增加非線性增加，確定液態(tài)C02爆破時最佳爆破壓力范圍160~ 280 MPa；爆破前后對比，煤層透氣性系數(shù)提升17. 49~ 22. 76倍。井下煤層液態(tài)CO2爆破技術(shù)的實施，有助于降低爆破成本、提高增透效果和瓦斯抽采利用率。
