煤礦低滲透高瓦斯煤層預(yù)裂瓦斯抽采 CO?相變致裂技術(shù)探索與應(yīng)用
編輯：2025-10-13 14:04:56
摘要
本文針對低滲透高瓦斯煤層瓦斯抽采難度大、效率低、治理周期長等技術(shù)難題，系統(tǒng)分析了二氧化碳相變致裂技術(shù)的原理、工藝特點及實際應(yīng)用*。通過多個煤礦與企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場的工業(yè)性試驗表明，該技術(shù)能夠使煤體裂隙發(fā)育程度得到有效提高，單孔瓦斯抽采濃度可達(dá)普通鉆孔的2-3倍，抽采純流量提高2-8倍，煤層透氣性系數(shù)顯著增加，同時具有本質(zhì)安全、環(huán)保無污染等優(yōu)勢。研究結(jié)果對推進(jìn)低滲高瓦斯煤層的*抽采與瓦斯治理具有重要參考價值。
1 引言
我國煤礦資源開采逐漸向深部延伸，高瓦斯含量與低滲透性煤層的矛盾日益突出。傳統(tǒng)增透技術(shù)如水力壓裂和炸藥爆破存在諸多局限性：水力壓裂耗水量大，在缺水礦區(qū)應(yīng)用困難；炸藥爆破則伴隨高溫、火焰和沖擊波，存在誘發(fā)瓦斯煤塵爆炸的重大風(fēng)險，且審批嚴(yán)格、工序復(fù)雜。這些因素嚴(yán)重制約了瓦斯抽采效率，導(dǎo)致煤礦采掘接續(xù)緊張，瓦斯治理周期長，成本高昂。
在此背景下，二氧化碳相變致裂技術(shù)作為一種物理爆破手段，憑借其本質(zhì)安全性、綠色環(huán)保性和顯著增透*，正成為解決煤礦井下深孔預(yù)裂難題的創(chuàng)新利器。該技術(shù)利用液態(tài)CO?在特定激發(fā)條件下瞬間氣化膨脹產(chǎn)生的高壓氣體做功破巖，不僅能有效提高煤層透氣性，還避免了傳統(tǒng)方法的安全隱患。本文基于多個應(yīng)用實例，系統(tǒng)探討該項技術(shù)的原理、應(yīng)用*及前景，為類似條件礦井的瓦斯治理提供借鑒。
2 技術(shù)原理與系統(tǒng)組成
2.1 技術(shù)原理
二氧化碳相變致裂技術(shù)基于液態(tài)CO?相變物理過程的核心原理。在常溫下，液態(tài)CO?被密封在高壓容器內(nèi)；當(dāng)通過電熱*裝置加熱時，液態(tài)CO?迅速吸熱氣化，在極短時間內(nèi)（毫秒級）體積膨脹約600倍，產(chǎn)生高達(dá)200-300MPa的沖擊壓力。此壓力超過煤巖體的抗拉強(qiáng)度后，會使煤體中原生裂隙擴(kuò)展并產(chǎn)生新的裂隙網(wǎng)絡(luò)，顯著改善煤層透氣性。
從力學(xué)角度看，CO?相變致裂主要利用的是氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力和動力波的共同作用。與工業(yè)炸藥的爆轟波（速度可達(dá)2000-4000m/s）不同，CO?相變產(chǎn)生的壓力波傳播速度相對較慢，作用時間較長，對圍巖擾動小，避免了破壞性振動和誘發(fā)瓦斯爆炸的風(fēng)險。這種特性使其特別適用于煤礦井下有瓦斯爆炸危險的環(huán)境。
2.2 系統(tǒng)組成與工作流程
一套完整的二氧化碳相變致裂系統(tǒng)主要包括：液態(tài)CO?儲液罐、致裂器（高強(qiáng)度合金管）、定壓破裂片、電熱*裝置、推進(jìn)桿系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制裝置等。
其工作流程主要包括以下幾個步驟：
裝填與*：將液態(tài)CO?填充至特制的高強(qiáng)度合金管（致裂器）內(nèi)，安裝定壓破裂片和激發(fā)裝置（通常為電熱*）。
送入孔中：將組裝好的致裂器通過鉆桿或?qū)Ｓ猛扑脱b置精準(zhǔn)送入煤層深孔（可達(dá)十幾米至上百米）的目標(biāo)位置。
激發(fā)相變：地面遠(yuǎn)程啟動激發(fā)裝置，加熱管內(nèi)的液態(tài)CO?。液態(tài)CO?迅速吸熱氣化，體積瞬間膨脹數(shù)百倍。
致裂破煤：管內(nèi)壓力急劇升高，超過破裂片設(shè)定壓力閾值后破裂片瞬間打開，高壓CO?氣體通過釋放孔高速噴出，沖擊鉆孔壁煤體。
卸壓消散：高壓氣體通過裂隙快速泄壓，*終通過鉆孔或煤體裂隙釋放，過程結(jié)束。
值得一提的是，針對井下深孔推送笨重致裂器的難題，創(chuàng)新開發(fā)了基于井下壓風(fēng)系統(tǒng)驅(qū)動的深孔推送裝置。該裝置利用壓風(fēng)驅(qū)動氣動增壓泵提供液壓動力，通過夾持機(jī)構(gòu)、推送機(jī)構(gòu)和液壓油缸的精密配合，實現(xiàn)導(dǎo)電推桿（連接致裂器）的步進(jìn)式推送和回撤，解放了鉆機(jī)資源，提高了工程效率。
3 應(yīng)用案例與*分析
3.1 瓦斯抽采*分析
多項工業(yè)性試驗表明，CO?相變致裂技術(shù)對提高低滲透煤層的瓦斯抽采*顯著。在山西中德鼎立集團(tuán)與山西臨汾華晉焦煤吉寧煤礦進(jìn)行的試驗表明，經(jīng)液態(tài)CO?相變氣爆后單孔瓦斯抽采濃度能達(dá)到普通鉆孔抽采濃度的2～3倍。山西柳林金家莊煤礦的試驗數(shù)據(jù)顯示，致裂孔抽采瓦斯純流量是普通抽采孔的2.0~2.8倍，抽采瓦斯?jié)舛忍岣?/span>1.7~2.4倍。在山西晉中晉能控股石港煤礦的應(yīng)用表明，該技術(shù)使總體抽采效率提高了約6倍，抽采達(dá)標(biāo)周期大幅縮短。CO?致裂后的平均抽采濃度約為70%，衰減系數(shù)比深孔預(yù)裂后衰減系數(shù)低約20%。
3.2 煤層裂隙發(fā)育與孔隙結(jié)構(gòu)變化
CO?相變致裂技術(shù)不僅提高了瓦斯抽采指標(biāo)，更重要的是從根本上改變了煤體的孔隙結(jié)構(gòu)，增加了滲流通道。通過掃描電鏡試驗可以直觀看出致裂煤孔裂隙較原煤更發(fā)育。將掃描電鏡圖片用PCAS系統(tǒng)處理分析，可以發(fā)現(xiàn)致裂后的面孔隙率平均提高了6.22倍，且孔隙內(nèi)孔壁趨于光滑，孔隙連通性增強(qiáng)。
通過低溫氮吸附試驗和壓汞試驗的聯(lián)合表征，可以*分析CO?相變致裂后煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)變化：比表面積從4.1732m²/g減小為3.6785m²/g，孔容從0.0529mL/g增加為0.0628mL/g，平均孔徑從9nm增加到12-14.4nm，孔隙率從7.34%增加到9.68%。這些數(shù)據(jù)表明，在致裂作用下有部分微孔貫通并形成中大孔，顯著增加了煤層的透氣性。
核磁共振試驗進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，原煤的T2譜有四個峰，但峰面積的93.431%集中在微小孔；而致裂煤的T2譜有三個峰，中大孔的峰面積占75.3%。原煤吸附孔的孔喉比例為79.78%，滲流孔的孔喉比例為20.22%；致裂煤吸附孔的孔喉比例為24.69%，滲流孔的孔喉比例為75.31%。這種結(jié)構(gòu)變化非常有利于瓦斯流動和抽采。
3.3 應(yīng)用模式與布孔工藝
CO?相變致裂技術(shù)在不同煤礦條件下形成了多種應(yīng)用模式，主要包括穿層鉆孔致裂、順層鉆孔致裂和網(wǎng)格式瓦斯抽采方法。研究表明，穿層孔的應(yīng)用*通常優(yōu)于順層孔，但穿層孔的規(guī)律不如順層孔穩(wěn)定。
在布孔工藝方面，致裂半徑是關(guān)鍵參數(shù)。山西中德鼎立集團(tuán)試驗確定的致裂半徑為2.5-3m。重慶大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)的液態(tài)CO?相變定向射孔致裂增透技術(shù)，通過確定地應(yīng)力條件下優(yōu)勢射孔致裂方向，使影響半徑達(dá)到了9-13m，提高瓦斯抽采純流量9-12倍，降低煤層瓦斯抽采流量衰減系數(shù)92%。
對于石門揭煤這一特殊應(yīng)用場景，研發(fā)了專門的工藝方法。當(dāng)巷道掘進(jìn)距離煤層法線距離為1.5米時，停止掘進(jìn)，采用液態(tài)二氧化碳相變致裂方法進(jìn)行爆破破巖揭煤，按常規(guī)爆破方法在掌子面上設(shè)置周邊眼、輔助眼、掏槽眼爆破。這種方法實現(xiàn)了低滲高瓦斯煤層的快速消突，達(dá)到防止石門揭煤誘發(fā)煤與瓦斯突出的目的。
3.4 經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益
CO?相變致裂技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在：減少鉆孔工程量（因單孔影響半徑大）、縮短抽采時間（抽采達(dá)標(biāo)周期大幅縮短）、提高掘進(jìn)速度（如應(yīng)用定向射孔技術(shù)后巷道掘進(jìn)速度提高4-5倍）等方面。
環(huán)境效益方面，該技術(shù)具有無污染（反應(yīng)介質(zhì)僅為液態(tài)/氣態(tài)CO?，不產(chǎn)生有毒有害氣體、粉塵或殘留污染物）、碳利用潛力（部分CO?可能被吸附或封存在煤層裂隙中，具有一定的碳封存潛力）等優(yōu)勢，符合"雙碳"目標(biāo)方向。
4 技術(shù)優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
4.1 技術(shù)優(yōu)勢
CO?相變致裂技術(shù)與傳統(tǒng)增透技術(shù)相比具有多重優(yōu)勢：
本質(zhì)安全性：無火焰、無火花，整個相變過程是物理變化，不產(chǎn)生明火、高溫?zé)嵩椿蚧鸹?，徹?了在瓦斯環(huán)境中誘發(fā)爆炸的*主要點火源風(fēng)險；產(chǎn)生的是準(zhǔn)靜態(tài)壓力或弱沖擊波，對圍巖擾動小。
*增透：高壓氣體能在煤體中有效溝通和擴(kuò)展原生裂隙，形成更復(fù)雜的縫網(wǎng)系統(tǒng)，極大提高煤層的透氣性系數(shù)（現(xiàn)場試驗表明可提高數(shù)十倍），大幅增加瓦斯抽采流量和濃度。
綠色環(huán)保：過程無污染，不產(chǎn)生有毒有害氣體或殘留污染物；部分CO?可能被吸附或封存在煤層裂隙中，具有一定的碳封存潛力。
操作便捷：專用深孔推送裝置的創(chuàng)新，解決了施工效率的關(guān)鍵瓶頸，解放了鉆機(jī)資源，提高了工程效率。
4.2 面臨挑戰(zhàn)與未來發(fā)展
盡管CO?相變致裂技術(shù)優(yōu)勢明顯，但在實際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)：
深孔推送難題：雖然已開發(fā)出專用推送裝置，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下仍存在致裂器定位不準(zhǔn)、推送阻力大等問題。
參數(shù)優(yōu)化需求：不同煤層地質(zhì)條件下（硬度、裂隙發(fā)育、地應(yīng)力等）*優(yōu)的裝藥量、致裂器布置方式、孔間距等參數(shù)需要進(jìn)一步精準(zhǔn)化研究。
*評價體系：目前對致裂*的評價多基于抽采數(shù)據(jù)，缺乏原位、實時的監(jiān)測手段和綜合評價體系。
成本問題：
初期設(shè)備投資較高，可能對一些中小煤礦造成經(jīng)濟(jì)壓力。
未來發(fā)展方向包括：①裝備智能化與輕量化；②工藝參數(shù)精準(zhǔn)化；③與碳捕集、利用與封存技術(shù)結(jié)合（探索將煤礦井下CO?致裂與二氧化碳捕集、利用與封存更緊密結(jié)合的可能性）；④多技術(shù)耦合應(yīng)用（研究CO?致裂與水力壓裂、深孔爆破或其他增透技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)）。⑤智能芯片分段控制（通過定制專用芯片控制起爆時間）。 5 結(jié)論與展望
二氧化碳相變致裂技術(shù)作為低滲透高瓦斯煤層增透的有效手段，通過高壓CO?氣體沖擊煤體產(chǎn)生裂隙網(wǎng)絡(luò)，顯著提高了煤層透氣性和瓦斯抽采效率。工業(yè)試驗表明，該技術(shù)可使單孔瓦斯抽采濃度提高1.7-3倍，抽采純流量增加2-8倍，透氣性系數(shù)提高數(shù)十倍，同時具有本質(zhì)安全、綠色環(huán)保等優(yōu)勢。
不同地質(zhì)條件下致裂參數(shù)優(yōu)化、配套裝備研發(fā)及長期增透效應(yīng)評估等方面仍需深入研究。未來發(fā)展應(yīng)聚焦于智能化致裂裝備開發(fā)、工藝參數(shù)精準(zhǔn)化以及與其他增透技術(shù)的耦合應(yīng)用，以進(jìn)一步提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性。
CO?相變致裂技術(shù)不僅為低滲高瓦斯煤層的瓦斯治理提供了有效解決方案，也為煤礦安全、*、綠色開采注入了創(chuàng)新動力，具有廣闊的推廣前景和應(yīng)用價值。
山西中德鼎立集團(tuán)有限公司