郭爱军，令狐建设，孟秀峰，赵庆珍，温兆翠，曹代勇

(1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.山西能源学院，山西 晋中 030600；3.山西阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000)

煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象。它是煤矿井下含瓦斯煤层被揭露时，由煤体向巷道或采场突然喷出大量的瓦斯及碎煤，在煤体中形成特殊形状的空洞，并形成一定的动力效应[1]。煤与瓦斯突出严重威胁着煤矿的安全生产，具有极大的破坏性，是煤矿井下最严重的灾害之一。

通过在阳煤集团试验矿井开展CO2煤层预裂增透现场试验，分析CO2煤层预裂增透技术对本煤层的预裂增透效果，制定CO2煤层预裂增透抽采瓦斯快速掘进技术方案，形成适合于阳煤集团试验矿井CO2煤层预裂增透技术工艺，为阳煤集团高突矿井掘进工作面快速掘进提供技术支撑。

1 CO2预裂增透技术装备

利用CO2预裂增透治理瓦斯技术主要通过液态CO2在密闭空间液-气两相转变的过程中，释放出的大量高能气体，对煤体进行预裂[2]。在31℃以下 ，7.2MPa压力以上的物理状态，CO2以液态存在。当温度高于31 ℃时，以液态状态存在的CO2可在10～30ms内气化，同时产生60～200MPa的压力对煤体造成“爆轰”冲击 ，在30～60ms内，气化的CO2能产生高压冲击波从而对煤体冲击致裂，增加煤体的透气性。同时，CH4在煤中的吸附性能弱于CO2，气化进入煤体内的高压CO2可以起到置换和驱替煤中CH4的作用。在致裂增透和置换驱替的双重作用下，煤层中CH4解析、扩散、渗流能力提高，从而增加煤层瓦斯的抽采效率。

CO2预裂装备组件由可调式顶杆、引出杆、水压封孔器、连接件、预裂装置组成。预裂装置的工作原理：利用液体CO2在极短的时间内受热膨胀，释放出高压气体，产生的高压波破碎煤层产生预裂作用，最终达到增透的目的(图1)。

图1 预裂装置

2 CO2预裂区域消突试验

2.1 瓦斯地质概况

寺家庄公司矿井工业场地在昔阳县城西南约7km处。井田位于沁水煤田的东北边缘，总体上是呈东高西低的单斜，含煤地层由老到新依次为：本溪组、太原组、山西组、下石盒子组。其中，太原组、山西组为主采煤层，是主要勘探对象。可采煤层为8，9，15号煤层。

试验地点选在15203工作面，试验工作面主采15号煤，该煤层一般含1～2层夹矸，多呈块状及粉状，结构简单，煤岩以镜煤为主，其次为暗煤，煤岩类型属于光亮型煤，性质较松软。15号煤层透气性系数为0.175(m2/MPa2·d)，工作面瓦斯含量14～17m3/t，瓦斯压力1.0～1.3MPa，瓦斯涌出量18～20m3/t。寺家庄公司在矿建期间曾发生过2次压出型煤与瓦斯突出，经中煤科工集团沈

阳研究院鉴定，寺家庄公司为煤与瓦斯突出矿井，15号煤层为煤与瓦斯突出煤层[3]。

工作面东部发育有DF17和DF3共2条正断层。DF17产状34°NW∠70°；DF3产状297～225°NE～SE∠40°，落差6m。工作面中部发育有DF1正断层，产状328～216°NE～SE∠35～40°，落差19m。试验工作面内发育有DX16，DX19，DX7共3个陷落柱，其范围分别54m×54m，33m×24.3m，40m×11.8m[3]。

2.2 15203工作面CO2预裂增透试验

在15203回风巷进行工程试验，5月8日开始施工至5月22日结束，共施工1个CO2预裂孔，10个抽采孔。预裂孔位于巷道中线上，距底板1.6m。10个抽采孔位于预裂孔两侧，左1至左5孔位于左侧，左1、左2孔位于同一纵向上，距离预裂孔5.6m，孔间距1.0m，左2孔距底板1.1m；左3、左4、左5位于同一纵向上，距离预裂孔4.8m，孔间距0.5m，左5孔距底板1.1m。右1至右5孔位于右侧，右1、右2孔位于同一纵向上，距离预裂孔5.6m，孔间距1.0m，右2孔距底板1.1m；右3、右4、右5孔位于同一纵向上，距离预裂孔4.8m，孔间距0.5m，右5孔距离底板1.1m(图2，表1)。

图2 15203工作面预裂、抽采钻孔布置剖面

孔号角度/(°)方位角/(°)钻孔深度/m距底板/m预裂深度/m中1-11S0°901.6左1-12-17902.1左2-12-14901.1左3-10-11902.1左4-10-9751.6左5-11-6901.1右1-1017902.1右2-714741.1右3-1011902.1右4-109901.6右5-66901.120～50

施工完成后，5月25日8点班进行了CO2预裂试验，共进行了2次预裂，第1次预裂深度50m，第2次预裂深度29m。

3 预裂效果分析

3.1 区域突出危险性预测及区域措施效果检验

在15203工作面回风巷试验区预裂试验前，在左4、中1、右4每个钻孔分别取样3个，共计取样9个，测试预裂前的瓦斯参数，最大瓦斯含量12.2m3/t，最小瓦斯含量7.63m3/t，最大瓦斯压力为0.35MPa(图3，表2)。

预裂后在试验区施工3个效果检验钻孔，分别为测左4、测中2、测右4。其中，测左4位于左4右侧，距离为0.5m，测中2位于中1右侧，距离为0.5m，测右4位于右4左侧，距离为0.5m(图2)。6月5日效果检验钻孔施工完毕，取样测试预裂11d后的瓦斯参数，共取样11个，最大瓦斯含量6.92m3/t，最小瓦斯含量6.05m3/t，最大瓦斯压力为0.193MPa(图3，表2)。

图3 二次预裂前、后瓦斯含量变化

深度/m瓦斯含量/(m3·t-1)瓦斯压力/MPa瓦斯浓度/%风排瓦斯量/(m3·min-1)试验前9012.200.3350.221.76试验后856.920.1930.211.68

通过预裂前后的效果检验，瓦斯含量由预裂前的平均9.46m3/t，降到预裂后6.53m3/t，瓦斯压力从预裂前0.335MPa降到预裂后的0.193MPa(图3，表2)。CO2预裂后，在预裂半径范围内的压力明显减低，起到了卸压增透的作用。同时，CO2置换和驱替了预裂孔周围的CH4，在“置换、驱替”的作用下，煤层中的瓦斯迅速向周边扩散，使得在预裂范围内的瓦斯含量快速下降。

3.2 CO2预裂与常规措施掘进效率分析

为了测试预裂与常规措施掘进的效率，本次试验对CO2预裂与常规区域预抽措施(15203工作面回风巷最后一个循环)工程量及掘进效率进行对比，具体数据统计如下(表3)：

表3 常规措施区域预抽与CO2预裂工程量对比

4 结 论

钻孔工程量 常规区域预抽每一个循环施工预抽孔45个，设计平均每个钻孔90m，共计4050m，施工时间65d；本次试验施工CO2预裂钻孔1个，抽采钻孔10个，平均每个钻孔90m，共计990m。施工时间15d。

预抽时间 常规区域预抽每一个循环预抽时间108d；CO2预裂预抽时间为15d。

局部措施 常规区域预抽平均每一循环需采区的局部措施时间为2d(K1值不超标仍采取局部措施)；CO2预裂局部措施平均每一循环也为2d。

掘进效率对比 据表3统计分析，采用常规区域预抽消突与CO2预裂消突各项工程的工程量有较大幅度的较低。其中钻孔施工时间由65d降低到15d；预抽时间由108d骤降到15d；局部措施时间由12d降到6d；掘进由21d降到10d。常规区域预抽掘进进尺70m，月掘进10.1m；CO2预裂掘进进尺40m，月掘进26.1m，与常规措施相比，掘进效率提高了1.6倍。

(1)CO2预裂后，受到外力扰动作用，预裂半径范围内压力明显较低，起到卸压增透作用。同时，CO2置换和驱替了预裂孔周围的CH4，在“置换、驱替”的作用下，瓦斯迅速向周边扩散，使得在预裂范围内的瓦斯含量快速下降。

(2)本次试验的CO2预裂消突效果与常规区域预抽措施工程量及掘进效率进行对比，CO2预裂钻孔工程量比常规措施钻孔工程量减少了4.1倍； 与常规措施相比，掘进效率提高了1.6倍。

[参考文献]

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[3]阳泉煤业(集团)股份有限公司，山西瑞气临科贸有限公司.CO2预裂增透抽采瓦斯快速掘进技术研究报告[R].阳泉:阳泉煤业(集团)有限责任公司，2014.

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[8]石 亮，殷卫锋，王 滨.基于CO2爆破致裂增透的瓦斯治理技术与实践[J].煤炭科学技术，2015，43(12)：72-74.

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