摘要：现阶段中国煤层强化增透技术主要包括开采保护层、深孔预裂爆破、水力压裂、水力冲孔（割缝）和密集钻孔等，但由于部分技术措施的条件和工艺不完善，煤层的增透效果并不理想。近年来，液态CO2相变裂解技术作为一种新的技术手段，已经应用于煤矿开采、顶板爆破、增透等技术领域。液态CO2相变破裂技术作为一种物理爆破方法，克服了传统炸药易产生火花、高压爆轰、易破坏、危险性高的缺点。
关键词：CO2相变致裂；煤层增透；影响半径；抽采效果；瓦斯抽采；
对车集煤矿煤层瓦斯压力较高、透气性差、瓦斯预抽难度大等问题，提出了在二2煤层进行CO2相变致裂增透技术试验。进行了CO2相变致裂技术原理和CO2致裂装置研究，设计了CO2相变致裂增透影响半径试验方案和CO2相变致裂增透瓦斯抽采效果试验方案。
一、CO2相变致裂增透技术
1.CO2相变致裂增透技术原理。CO2在低于31℃、压力大于7．35MPa时以液态存在，而超过31℃时开始气化，且随温度的变化，CO2的压力也不断变化。利用这一特点，在致裂器主管内充装液态CO2，使用发爆器快速激发加热装置，液态CO2瞬间气化膨胀并产生高压，体积膨胀600倍以上，当气化后的CO2压力达到定压泄能片的极限强度时（可设定压力），定压泄能片破断，高压气体从放气头释放，作用在煤（岩）体上，从而达到致裂的目的。液态CO2相变致裂过程属于高压气体冲击波对其周围煤体的破坏作用，致裂启动后加热管经脉冲高压电击催化反应产生热量，将液态气体瞬间转化为气体，并冲破致裂筒顶端的破裂片经过释放筒定向地作用到致裂孔周边煤体上。当高压气体冲击波产生的应力大于煤体的极限抗压强度时，煤体将在强应力作用下发生压缩破坏变形，形成裂隙高度发育的压实区；随后，产生的高压气体将沿裂隙进入煤体深部，经气楔的作用将使裂隙向深处发育，整个作用区可分为冲击波直接作用区、压实区和裂隙发育区。另外煤体对二氧化碳的吸附性远高于对瓦斯的吸附性，使得爆破后的二氧化碳能够滞留，且驱替出大量煤体吸附的瓦斯。
2.CO2致裂增透装置。CO2致裂器是1种新型应用于低透气煤层增透的设备，与传统的火药致裂器材不同，CO2致裂过程为液态到气态的物理变化过程，致裂过程中不会产生火花。CO2致裂器是由1个高强度的可以重复使用的充装液态CO2金属管、加热器（发热装置）、定压泄能片、释放管等组成。将CO2致裂器置于煤体钻孔内，使用发爆器通过脉冲高压对加热管进行电击触发，加热管反应瞬间产生大量的热，使液态CO2在20 ms内转化为气态，体积膨胀600倍，冲破定压泄能片由释放头释放出去对致裂孔周边产生较长时间的冲击破坏。CO2致裂器结构示意图如图1。
图1 CO2致裂器结构示意图
试验的CO2致裂器经过国家安标局安全性能检验，取得矿用产品安全标志证书。试验所用致裂器型号为MZL150—50/1180；致裂器出口压力为275MPa；外径为50 mm；长1 180 mm；二氧化碳充装量（1．0±0．15）kg（致裂后常温常压下CO2体积0．5 m3）。
二、CO2相变致裂增透试验方案
1.CO2相变致裂增透影响半径试验方案。在距某上巷底板抽放巷走向点SD15外14．10 m施工1组穿层钻孔，布置1个致裂孔（编号1＃钻孔），6个观测孔（编号2＃钻孔、3＃钻孔、4＃钻孔、5＃钻孔、6＃钻孔和7＃钻孔），各钻孔一次性穿透煤层，钻孔布置如图3。优先施工2＃~7＃钻孔，再施工1＃钻孔，1＃钻孔先使用封孔器进行封孔，2＃~7＃钻孔使用合成树脂＋7 m的准50封孔管封孔6 m。
在1＃钻孔致裂前，2＃~7＃钻孔安装膜式燃气表，观测2＃~7＃钻孔的瓦斯自然排放流量和瓦斯浓度，观测时间至少为3 d；1＃钻孔致裂期间将2＃~7＃钻孔的燃气表拆除，1＃钻孔致裂后，再将2＃~7＃钻孔的燃气表安装，观测2＃~7＃钻孔的瓦斯流量和瓦斯浓度变化，根据观测点与致裂孔的距离确定致裂影响半径。
2.CO2相变致裂增透瓦斯抽采效果试验方案。在距某上巷底板抽放巷走向点SD1外6.60m施工I组穿层钻孔（I组钻孔编号为8＃、9＃、10＃、11＃、12＃和13＃）；在距2713上巷底板抽放巷走向点SD14外20．40 m施工II组穿层钻孔（II组钻孔编号为14＃、15＃、16＃、17＃、18＃和19＃）；I组中选择的3个钻孔进行致裂，致裂孔与抽采钻孔间隔开；II组为普通抽采钻孔，不进行CO2相变致裂增透，钻孔施工完毕后连接抽采系统进行瓦斯抽采，II组钻孔作为对比钻孔与I组钻孔进行瓦斯抽采效果对比，I组钻孔的8＃~13＃钻孔施工完成后，各钻孔先使用封孔器进行封孔，钻孔在致裂时将封孔器拆除，待进行CO2致裂试验结束后统一按照有关抽采规定的要求进行封孔。II组钻孔的14＃~19＃钻孔为普通抽采钻孔，不进行CO2相变致裂增透，钻孔施工完毕后连接抽采系统进行瓦斯抽采。在每组钻孔接入抽放系统前安装导流管，再抽采负压相同等条件下，对2组钻孔的抽采参数进行观测。然后对致裂组钻孔与正常抽采组钻孔的抽采效果进行比较。
三、CO2相变致裂增透试验结果
1.CO2相变致裂增透影响半径试验结果1＃钻孔施工完毕后，通过钻机推送1根CO2致裂管到煤层内，进行煤层致裂。现场由于2＃钻孔至7＃钻孔的封孔效果不理想，各钻孔的瓦斯浓度均不大，有的钻孔瓦斯浓度甚至一直为0，因此2＃~7＃钻孔的瓦斯浓度值在致裂前后的变化不能作为参考，各钻孔瓦斯自然排放流量变化曲线如图2。
图2各钻孔致裂前后瓦斯自然排放流量变化曲线
从图2可以看出，在1＃钻孔致裂后，2＃~5＃钻孔的瓦斯自然排放流量突然间增大，5＃钻孔的瓦斯自然排放流量为致裂前的25倍；1＃钻孔致裂前后，6＃钻孔和7＃钻孔瓦斯自然排放流量变化不大，结合各钻孔与1＃钻孔的布置位置来判断，CO2致裂影响到5＃钻孔，本次CO2相变致裂增透试验的影响半径为4 m，影响范围为8 m。
2.CO2相变致裂增透瓦斯抽采效果试验结果。8＃钻孔、10＃钻孔和12＃钻孔通过钻机各推送2根CO2致裂管进行煤层致裂，致裂后按照组别连接抽采系统进行抽采。现场由于8＃~19＃钻孔的封孔效果不理想，各钻孔的瓦斯浓度均不大，有的钻孔瓦斯浓度甚至一直为0，因此8＃~19＃钻孔的瓦斯浓度值在致裂前后的变化不能作为参考，因此考察瓦斯抽采效果时只对2组钻孔的抽采瓦斯流量进行考察，I组和II组的抽采流量变化曲线如图3。
图3钻孔瓦斯抽采流量变化曲线
从图3可以看出，I组钻孔的瓦斯抽采流量均高于II组钻孔的瓦斯抽采流量，在观测的15 d内I组钻孔的平均瓦斯抽采流量为0.8928 m3/min，II组钻孔的平均瓦斯抽采流量为0.5237 m3/min，I组钻孔的平均瓦斯抽采流量是II组钻孔的平均瓦斯抽采流量的1.7倍，在二2煤层进行CO2相变致裂增透效果明显。
总之，通过不等距考察本次CO2相变致裂增透试验的影响半径为4 m，影响范围为8 m；I组钻孔的平均瓦斯抽采流量是II组钻孔的平均瓦斯抽采流量的1．7倍，证明在二2煤层进行CO2相变致裂增透效果明显，也为矿方将来进行煤层增透提供了新的技术途径和手段。
参考文献：
[1]王凡．浅谈煤与瓦斯突出煤层CO2相变致裂增透技术试验研究．2019．
［2］周东平，液态CO2爆破煤层增透最优钻孔参数研究．2018.