杨威

（山西焦煤西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030053）

CO2预裂爆破技术是指通过液态CO2气化，瞬间产生强大的冲击波和膨胀能，将煤体撑裂，大幅度增强煤层透气性，产生大量裂隙，以强化瓦斯抽采［1-3］。近年来，国内多名学者对此项技术进行了推广应用及配套设备研制。张旭［4］在塔山矿采面放顶过程中采用CO2预裂爆破技术，老顶垮落率达到85%以上；宋宜猛［5］开发了液态CO2深孔预裂爆破装备，大大提升了瓦斯抽采量。

西山煤电集团马兰矿开采的煤层具有吸附性强、渗透率低、解吸慢等特点，煤层中的瓦斯解吸运移相对困难。采用水力压裂等瓦斯增透技术由于设备体型较大，工艺复杂，不利于在井下工作面较小的空间使用。针对马兰矿采面现状，为提高煤层透气性，设计CO2相变致裂钻孔间距及技术参数，进行CO2预裂爆破，以期为煤层增透，提高瓦斯抽采效果。

1 液态CO2爆破技术原理

液态CO2爆破器由起爆头、发热管、主管、密封垫、泄能片、泄能头等组成。马兰矿液态CO2爆破器型号为MZL200-1180/50，爆破器长1.5 m，主管长度1.415 m，内径ϕ30 mm，外径ϕ50 mm，爆破器主管中充装液态CO2质量为0.8～1 kg，充装压力为8～10 MPa，泄能片极限压力为200 MPa，如图1所示。

图1 二氧化碳爆破器实物及组成结构

液态CO2爆破器工作原理［6］，如图2所示。环境温度小于31℃且压力大于7.35 MPa时CO2以液态形式存在。当温度超过31℃时，液态CO2迅速发生气化，体积膨胀六百余倍，产生大量高压气体，当其压力超过泄能片极限时，泄能片破断，气体冲出，产生应力波，使周围煤体开裂，达到爆破的目的。爆破后，首先气体冲击波在爆破孔法向发生导向裂隙，为裂隙近区；气体冲击波转化为应力波继续向远处围岩传播，大量高压气体向裂隙近区尖劈扩展，形成裂隙二次发育，为裂隙中远区。

图2 二氧化碳爆破器工作原理

2 马兰矿CO2预裂爆破效果分析

2.1 12408轨道巷

（1）工作面概况

12408工作面位于马兰矿南四采区，工作面设计可采走向长1 286 m，面长220 m，平均采高2.2 m。轨道巷沿煤层跟顶掘进。

（2）爆破钻孔与抽采钻孔

本煤层瓦斯抽采钻孔间距9 m、倾角为-3°～+3°、孔深200 m（沿轨道巷里程200～434 m及434～632 m段为下坡，倾角设置为大于煤岩层倾角1°，632～803 m钻孔倾角与煤岩层倾角一致，803～1 298 m钻孔倾角为大于煤岩层倾角1°布置），爆破钻孔与抽采钻孔间隔布置，共布置爆破钻孔123个，钻孔孔口距底板1.2～1.5 m，孔径113 mm，钻孔布置如图3所示。

图3 钻孔布置

（3）抽采情况对比

12408工作面轨道巷本煤层瓦斯抽采钻孔采用CO2预裂的15个钻孔为4#、5#、14#、18#、24#、29#、34#、39#、44#、49#、54#、5#、59#、64#、69#、75#钻 孔， 未 采 用CO2预裂钻孔有1#、2#、6#、8#、19#、20#钻孔。针对各钻孔瓦斯浓度及抽采数据进行监测，结果如表1所示。

表1 12408轨道巷瓦斯抽采效果对比

钻孔类型钻孔参数 抽采参数孔号 倾角/°孔深/m抽采浓度/%平均抽采量/（m3/min）未预裂钻孔1 1 220 21～49 0.011 2 1 220 60～70 0.031 6 3 220 45～56 0.023 8 3 220 63～75 0.019 19 1 220 82～87 0.028 20 1 220 82～87 0.028单孔平均抽采量/（m3/min） 0.023百米钻孔抽采量/（m3/min·hm）0.01

（4）效果分析

分析表1可知，未进行预裂的瓦斯抽采钻孔、进行预裂的瓦斯抽采钻孔百米钻孔瓦斯流量分别为0.01 m3/min·hm、0.029 m3/min·hm，预裂爆破后百米钻孔抽采量提高了2.9倍；单孔平均抽采量由0.023 m3/min提高至0.061 3 m3/min，提高了2.7倍。

从瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采量分析，6#、19#孔前方的5#、18#孔进行了预裂，6#孔抽采浓度45%～56%、抽采量0.023 m3/min，19#孔抽采浓度82%～87%、抽采量0.028 m3/min，5#孔抽采浓度83%～90%、抽采量0.076 m3/min，18#孔抽采浓度83%～92%、抽采量0.058 3 m3/min，均呈现由高至低衰减趋势。

从抽采瓦斯浓度变化情况分析，进行预裂的18#孔与未预裂孔的19#瓦斯浓度变化幅度较一致，但5#预裂孔与6#未预裂孔的瓦斯浓度变化幅度相差一半，抽采量高出一倍，说明预裂爆破后对相邻未预裂孔有一定的影响，但影响的程度有限，5#钻孔瓦斯抽采情况如图4所示。

图4 5#预裂钻孔瓦斯抽采情况

2.2 12505胶带巷本煤层钻孔CO2预裂效果分析

（1）工作面概况

12505工作面标高+912～+944 m，位于马兰矿南五采区的主采煤层2#煤层中，工作面设计可采走向长1 373 m，面长166 m，平均采高2.2 m。

（2）钻孔布置情况

12505胶带巷本煤层钻孔，钻孔间距9 m，倾角为+1.5°～+3°，孔深110～180 m，预裂深度为30 m，封孔长度10 m。

（3）12505胶带巷预裂钻孔瓦斯抽采情况对比，钻孔连续观测结果如表2所示。

表2 12505轨道巷瓦斯抽采效果对比

（4）效果分析

由表2中数据可知未进行预裂的瓦斯抽采钻孔与预裂后的瓦斯抽采钻孔的百米钻孔瓦斯流量分别为0.008 m3/min·hm、0.043 m3/min·hm，预裂爆破后百米钻孔抽采量提高了5倍，单孔平均抽采量由0.03提高至0.115 m3/min，提高了3.83倍。未预裂单孔瓦斯浓度为38%，预裂后单孔瓦斯浓度为89%，预裂钻孔抽采浓度提高了2.34倍。

经过三个月的抽采，595 m处（45#、46#钻孔之间）煤体瓦斯含量由7.6 m3/t降至5.7 m3/t左右，降低了1.9 m3/t左右；576 m处（43#、44#钻孔之间）煤体瓦斯含量由7.6 m3/t降至5.3 m3/t左右，降低了2.3 m3/t左右。

3 结语

马兰矿12505工作面和12408工作面采用CO2预裂爆破技术后，瓦斯抽采监测结果表明：12505工作面胶带巷百米钻孔抽采量提高了5倍，单孔平均抽采量提高了3.83倍；12408工作面轨道巷百米钻孔抽采量提高了2.9倍，单孔平均抽采量提高了2.7倍，达到了预期的瓦斯抽采效果。