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1、煤矿瓦斯抽采二氧化碳预裂爆破高效增透技术与装备一、研究的目的、意义和应用前景目前，随着煤矿开采深度的增大和开采速度的提高，矿井瓦斯涌出量不断增大，瓦斯抽采已成为高瓦斯矿井生产过程中的一个必不可少的重要安全环节。煤矿瓦斯抽采是指利用瓦斯泵或其它抽采设备抽取煤层中赋存的瓦斯，并通过管网把抽出的瓦斯排至地面储存利用的工艺过程。煤矿瓦斯抽采不仅是降低矿井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，而且抽采的瓦斯还是重要的资源， 可以作为煤炭的共伴生资源加以开发利用。通过瓦斯抽采，可降低矿井瓦斯涌出量和风排瓦斯量，从而达到矿井安全生产的目的。通过瓦斯抽放，可降低煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量，防治
2、煤与瓦斯突出，从而减少矿井伤亡事故以及其它重大恶性事故的发生。通过瓦斯抽采和瓦斯利用，可减少瓦斯对大气的污染，据有关资料研究表明，CH4对臭氧层的破坏比CO2高16倍。因此，瓦斯抽采对环境的保护具有至关重要的作用。我国煤炭资源的赋存条件与国外不尽相同，普遍具有渗透率低、吸附性强、开采浅层煤层气的原始压力不高、解吸速度慢，使得瓦斯解吸及其在煤层中的运移十分困难，而且低渗透煤层瓦斯的吸附、解吸、扩散、渗流运移过程表现出相互制约和非达西渗流以及煤层瓦斯运移受排采降压引起的流固耦合作用较明显等突出特点。目前，瓦斯抽采过程中主要采用增加钻孔密度、射孔增透、深孔预裂爆破、水力压裂、水力割缝等提高煤层渗透率
3、方式来提高矿井瓦斯的抽采率。而在利用CO2作为爆破材料和驱替介质，增加煤层渗透率、促使瓦斯产生解吸，在竞争吸附作用下使吸附在煤体内的瓦斯尽可能由吸附状态转变为游离状态，提高瓦斯的解析率方面的技术和研究相对较少。国家煤炭科技“十二五”规划中，将CO2预裂爆破技术作为一种煤矿瓦斯高效增透技术与装备进行了重点规划。CO2煤层预裂器是具有完全自主知识产权的深孔预裂爆破与驱替瓦斯相结合的高效增透装备，具有无明火、安全、高效的特点，在煤矿实施的工业性试验中，取得显著的经济、社会和环境效益，增补了国内空白，达到了世界领先水平。以该设备为核心形成的煤矿瓦斯抽采CO2预裂爆破高效增透技术，不仅能有效提高瓦斯抽采
4、率，有效降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，达到消除煤与瓦斯突出危险性的目的，而且还大幅度的降低了瓦斯抽采成本。该项技术在低透气性煤层抽采过程中可以使抽采技术和工艺更加简单、易行、可靠、安全，为我国煤矿早日实现煤、气安全高效共采提供了全新的发展模式，具有重要的实用价值和广阔的应用前景。二、基本原理1CO2气体本身没有爆炸性，具有抑制爆炸和燃烧的作用；2在温度31以下、7.2MPa压力时CO2以液态存在； 31.0kg液态CO2吸收60.0kJ的热量才能气化；4当温度超过31时，无论压力多大，液态CO2将在40毫秒内气化；5CO2预裂器内部安装发热装置，热反应过程在完全密闭且充满液态CO2的主体内腔中进
5、行，震动和撞击均无法激活发热装置，因此该设备的充装、运输、正常存放和安装使用具有较高的安全性。6液态CO2气化产生高压波，可以预裂煤层增透，提高煤层渗透性，增加瓦斯抽采效率；7煤体对CO2的吸附性远高于对瓦斯的吸附性，使得爆破后的CO2能够滞留，且驱替出大量煤体吸附的瓦斯；8煤体对CO2的渗透率高于对瓦斯气体的渗透率2个数量级以上，CO2爆破过程中，由于CO2气体的渗流运移，减小了煤体吸附瓦斯的分压，从而使得瓦斯持续解吸，提高瓦斯产量和矿井瓦斯抽采率。三、技术装备特征CO2煤层预裂器主要由主体腔、化学热反应装置、充排气电极阀、泄能阀、定压泄能片、止飞机构、密封垫、切割圈等组成，其结构示意图如下
6、。将液态的CO2注入CO2煤层预裂器内腔，关闭注液阀。在煤壁上打一适当的钻孔，将注入液态CO2的预裂器置于钻孔内，通过矿用发爆器在充排气阀上的两个电极上加脉冲电流约0.5-2秒，装置中的化学热反应材料迅速反应放热，液态CO2温度迅速升高。汽化致使其压力随之加大，达到设定压力时，定压泄能片破裂，使得CO2气体高速喷出，从而使其能够在煤层裂隙中膨胀，导致煤层裂隙进一步扩大、透气增强。从实际试验中我们测得，CO2气体从管体中喷出的时间大致可控制在0.1-0.5秒之间，这样CO2气体对煤层的作用时间就相对长的多，并且，在气体膨胀过程中就能够保持一段相对高的压力，这样能量的释放也就缓和的多、持续的多，这
7、对于煤层裂隙的进一步扩展、增加煤层渗透性和驱替瓦斯非常有利。该技术和装备属国内首创，国际领先，经过近10年的反复试验研制开发，具有独立的知识产权，并已申报国家专利。该设备目前已列入山西省第一批推荐采用的新技术和新工艺目录，该技术已于2009年获得山西省煤炭工业厅的立项批复（晋煤安发2009271号）。四、实际应用煤矿瓦斯抽采CO2预裂爆破高效增透技术与装备在潞安矿业集团公司高河煤矿、武乡县东庄煤矿、沁源县新源煤矿、长治市郊区小常煤矿、襄矿集团晋平煤业、襄矿集团上良煤业等煤矿企业进行了工业实验和应用。1在武乡县东庄煤矿的应用东庄煤矿3号煤层为低渗透较难抽采煤层，实验过程中在距回采工作面50-80
8、m的巷道内进行钻孔和CO2预裂爆破，经预裂后瓦斯抽采浓度由90%、80%、70%缓慢衰减，抽采持续100天后瓦斯浓度仍达36%。经过整理分析数据可以看出，采用CO2预裂爆破高效增透技术后单孔瓦斯抽采浓度是未预裂孔的4-18倍；流量则是未预裂孔的1.94-3.75倍；抽采纯瓦斯量是未预裂单孔的10-45倍。2在沁源县新源煤矿的应用经在沁源县新源煤矿试验，采用CO2预裂爆破高效增透技术与装备的预裂半径可达30-50m，抽采钻孔数量较未预裂工艺可减少半数以上，可有效减少抽采钻孔工程量，降低成本，提高瓦斯抽采效率。3在襄矿集团上良煤业的应用襄矿集团上良煤业3305工作面是具有煤与瓦斯突出危险工作面，在
9、巷道掘进和瓦斯预抽过程中，常有瓦斯动力和喷孔现象。从试验记录来看，采用CO2预裂爆破技术后，在短短的一周内，瓦斯抽采浓度由起始的14.93%、22.3%逐步上升至95.97%，随后基本稳定在55%-89%的范围内，抽采100天后单孔浓度仍达45%左右。相较之前未进行预裂的钻孔抽采情况看，瓦斯抽采浓度明显增大，且持续时间长，抽采纯量大，进一步表明采用该技术后钻孔周边煤体的透气性得到了极大的提高，经CO2驱替作用煤体中解析瓦斯量也有了显著的提高，使得单孔瓦斯抽采浓度可较长时间稳定在45%以上。由于CO2爆破具有预裂煤层和驱替瓦斯的作用，可以使煤体的渗透性得到极大改善，从而在抽采过程中达到降低煤层瓦
10、斯压力、提高瓦斯抽采率的效果。该技术的预裂半径可达30m，影响半径有90m之远，因此，使用CO2预裂爆破高效增透技术与装备可以实现远距离对煤层瓦斯卸压消突，从而能够安全有效地解决煤与瓦斯突出危险问题。4在潞安矿业集团公司高河煤矿的应用高河煤矿3号煤层为高瓦斯低渗透性煤层，瓦斯含量和瓦斯压力均较大，属较难抽采煤层。在E1305预抽工作面实施了CO2预裂爆破高效增透技术，通过每5m施工一个预裂钻孔，孔深可达90m以上，平均单孔瓦斯抽采纯量达0.321m3/min，60天后平均单孔瓦斯抽采纯量仍可达0.2572m3/min，分别是未预裂单孔瓦斯抽采纯量的36.47倍和31.0123倍，抽采瓦斯浓度较
11、长时间(60天以上)地保持在50-80%。通过上述实际应用表明，CO2预裂爆破高效增透技术和装备的单孔预裂有效半径在30m以上，其影响半径可达60-100m，在较难抽采煤层中瓦斯抽采浓度可由原来的2-3%骤升至30-90%，瓦斯抽采纯量也相应增加，瓦斯抽采浓度和抽采率可提高15-30倍，从而大幅度减少瓦斯抽采钻孔工程量、简化抽采系统、降低抽采成本，极大地提高了抽采效率。五、结论和建议1结论(1) 该项技术和装备的应用拓宽了可抽采煤层瓦斯含量的下限，在煤层瓦斯含量仅为3.18-9.86m3/t时仍可进行瓦斯抽采利用，因此煤层瓦斯可以抽采利用的范围增大，改变了瓦斯含量相对较低煤层无法或难以抽采利用
12、的现状，扩大了煤层气可抽采利用的储量。该技术和装备属国内首创，国际领先，具有独立知识产权，并已申报国家专利。(2) 该项技术具有安全、高效的特点。可完全替代炸药用于矿山的开采；其无明火、易操作的特点特别适用于高瓦斯和具有煤与瓦斯突出危险性矿井使用。可减少矿用炸药的社会用量，有利于社会安定。用于低透气性煤层的预裂效果十分明显，预裂范围可达数十米，可减少瓦斯抽采钻孔工程量，大大缩短抽采周期、缩短采掘衔接周期，从而降低抽采成本、生产成本、节省人力、节约能耗。(3) 同水力压裂、水力割缝相比，CO2预裂爆破高效增透技术和装备的作用范围更大、效果更好、系统更简单、操作更灵活。在增加煤层的渗透性的同时，通
13、过CO2和瓦斯竞争吸附驱替出更多游离态瓦斯，使高效抽采瓦斯成为可能，尤其是在高瓦斯和具有煤与瓦斯突出危险性的矿井，通过采用该技术和装备可以有效降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，从而达到消除煤与瓦斯突出危险性的目的。(4) 该技术的单孔预裂有效半径在30m以上，其影响半径可达60-100m，在较难抽采煤层中瓦斯抽出浓度可由原来的2-3%骤升至30-90%，瓦斯抽采纯量也相应增加，瓦斯抽采浓度和抽采率可提高约15-30倍，从而大幅度减少钻孔工程量、简化抽采系统、降低抽采成本，极大地提高了抽采效率。2建议(1) 该技术可以有效提高煤层渗透性和瓦斯解析率，从而提高瓦斯抽采浓度和抽采率，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，是低渗透煤层瓦斯抽采过程中行之有效的预裂爆破高效增透和瓦斯驱替技术及装备，具有较大的推广价值和应用前景。(2) 该技术和装备历经反复试验和改进、已初步形成一套方便、可行、安全的瓦斯治理新技术、新工艺，且施工作业简单，操作容易，安全性高，可大量节约瓦斯抽采钻孔工程量，在全国煤矿有广泛的推广价值和巨大的市场。(3) CO2预裂爆破增透理论及其相关的制造和施工工艺尚需进一步深入研究。(4) 该技术进一步推广应用时，尚需对相关的安全操作规程进一步完善。
