炸药爆破经历了千年的历史，由于没有可替代的好方法而延用至今，仍是煤矿开采的方法之一[1]。炸药爆破威力大、作用猛，是典型的明火爆破。明火爆破本身就有许多缺陷，对使用条件、使用环境、日常管理等方面有较高要求，尤其在煤矿井下要求更为苛刻。许多煤矿瓦斯事故和煤尘爆炸事故都是由明火爆破引起的[2];同时因炸药发生其他意外爆炸引起的案例也时有发生，不仅影响了社会安定、也造成了经济损失，因此亟需寻求一种能够替代炸药的、安全的、高效的技术装备。目前，世界各主要产煤国均把抽采煤层气作为防止瓦斯事故及开发新能源的有效技术措施[3,4,5],尤其是在开采高瓦斯低透气性煤层和突出危险煤层的矿井，各国都在研究与开发强化抽采煤层气技术和相配套的抽采装备，通过各种技术手段人为强制沟通煤层内的原有裂隙网络或产生新的裂隙网络，增加煤层透气性，以此提高低透气性煤层煤层气的抽采量，同时也可防止煤矿瓦斯事故的发生[6,7,8,9]。俄罗斯等国研究实施了井下钻孔水力压裂、网格钻孔、深孔爆破等强化抽采瓦斯技术，并研制应用了相配套的设备器材强化抽采煤层气，但是都受到技术装备、技术工艺及使用条件的限制，并没有得到较好的推广应用[10],亟需一种适应性较强、操作简单、安全、高效的增抽技术装备。

CO2致裂器是一套有效的、安全的煤层瓦斯增抽技术装备，且是一种全新的综合型技术装备，因其使用物理爆破而有着其他技术装备无法比拟的技术优势，能够为我国煤矿的瓦斯防治、煤层气抽采及矿山特殊条件下的开采提供新技术、新工艺，推动我国煤炭行业健康、安全发展。

CO2属惰性物质且十分稳定，又具阻燃功能，不与周围的液体、气体相融合，不受高温、高湿、高寒环境的影响；起爆过程无震荡短波、无明火、无电弧、无危害物质产生，警戒距离短，不产生哑炮，基本无粉尘；属物理做功非化学裂变；遇到震动、摩擦、撞击均不会启动，充装、运输、存储、包装安全可靠。

目前，国内外对于CO2爆破致裂效果的研究与应用主要针对低透气性煤层的卸压增透，通过提高煤层的透气性系数来达到提高瓦斯抽采的目的，而对于采用CO2爆破致裂顶煤，提高放煤效率方面的研究几乎空白。因此，针对润东煤矿1307综放工作面在放煤过程中，由于顶煤坚硬，工作面推进后顶煤不易断裂并呈大块状态，无法进入后部溜槽，从而导致资源浪费的情况，通过试验研究了CO2爆破的致裂效果，并在综放工作面进行了现场应用。

1、工程概况

润东煤矿1307综放工作面为3号煤层工作面。1307工作面范围内3号煤层厚度为5.72～7.15 m, 平均5.74 m, 煤层结构简单，属稳定可采的厚煤层。工作面顶板主要为泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、中粒砂岩，底板主要为砂质泥岩、粉砂岩，顶底板岩性特征如表1所示。

工作面采用走向长壁、后退式综合机械化放顶煤，一次采全高顶板全部垮落采煤法，采用自然垮落法处理采空区顶板。工作面设计走向长度640 m, 倾斜长度176 m, 工作面采高2.9 m, 平均煤厚5.74 m.3号煤层岩样单轴抗压强度为12.0～16.0 MPa, 平均为13.5 MPa; 饱和单轴抗压强度6.0～7.6 MPa, 平均为6.7 MPa, 属软岩类；软化系数0.50,泊松比0.50,普氏系数为1.3.

润东煤矿1307综放工作面在放煤过程中，由于顶煤坚硬，工作面推进后顶煤不易断裂并呈大块状态，无法进入后部溜槽，导致丢煤严重，资源大量浪费。润东煤矿通过在1307综采工作面机尾段进行顶煤爆破试验，在工作面切眼内打孔，在切眼液压支架顶板前端向回采方向倾斜向上打孔，采用CO2致裂技术爆破顶板煤层。预测分析通过CO2炸裂顶板煤层后，再通过采煤机采动影响和液压支架的反复升降架造成的多次挤压作用，将导致顶煤进一步破碎，从而使块煤成功进入后部溜槽，从而爆破顶煤，降低大块率，从而提高煤矿的生产效率和经济效益。

表1 煤层顶底板情况

2、CO2致裂器简介

CO2致裂器属于物理爆破设备。此设备利用液态CO2在一定条件下瞬间(20 ms内)急剧膨胀产生高压气体，切割煤体产生裂隙，起到破煤作用，从而达到安全高效落煤、破煤的目的，使用的MZL250-51/1700致裂器各部分构成如图1所示。

图1 CO2致裂器结构   

CO2在低于31 ℃或压力大于7.35 MPa时以液态存在，而超过31 ℃时开始气化，且随温度的变化，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，当压力达到爆破片极限强度(可设定压力)时，定压泄能剪切片破断，高压气体从放气头释放，作用在煤(岩)体上，从而达到爆破的目的。CO2致裂效果示意如图2所示。

图2 CO2致裂效果示意  

3、CO2气相爆破顶煤工艺及现场实践

3.1 CO2爆破顶煤技术原理及工艺

3.1.1 CO2爆破顶煤技术原理

根据CO2的物理性质，CO2致裂技术的基本原理是：在钻孔内装入预先加注液态CO2的致裂器，将致裂器通过导线与矿用起爆器连接，接通电流后激发加热药卷瞬间产生大量热能，使致裂器管内加注的CO2由液态迅速相变为气态，体积开始急剧膨胀，当致裂器管内气体压力达到预定值后，泄爆端头处预设剪切片被剪切破裂开，CO2气体通过导向孔，迅速向外爆发，利用高压气体瞬间产生的强大推力，使煤(岩)体产生裂隙和破碎区域。CO2爆破效果主要受设备装置和现场条件两方面因素影响[11]:

1) 设备装置方面的影响。通过实验研究及分析发现：致裂器泄爆口与钻孔煤壁间距对致裂的压力转化比有直接关系，致裂器直径和爆破孔孔径存在不耦合系数。在进行冲击压力实验时，发热药卷重量、CO2加注量、剪切片规格与剪切口直径、起爆器等都对致裂效果有一定的影响。

2) 现场条件的影响。CO2预裂爆破通过瞬时释放的高压气体对周围煤体进行冲击和破坏，增加煤体的裂隙数量和裂隙长度达到破碎煤体的目的。由于煤层原生裂隙、地应力、瓦斯压力存在平衡，对CO2预裂爆破应用效果研究必须考虑控制孔、地应力和瓦斯压力的影响。

CO2爆破属于物理反应，在爆破孔周边施工控制孔可以提供辅助自由面，有助于应力波的传播。煤层中的瓦斯压力在类型的形成与扩展过程中都起到了一定的作用，爆破影响区内瓦斯压力会进一步加速裂隙的扩展。而地应力挤压作用将阻碍爆破裂隙的扩展，并产生裂缝分叉现象。

3.1.2 CO2爆破顶煤技术工艺

1) 钻孔施工。

致裂施工前，施工单位负责将锚杆钻机移至施工地点，并严格按照钻孔设计方位、角度、深度等要求施工致裂孔。

2) 实施过程。

CO2致裂爆破施工工艺流程是围绕CO2致裂器在地面组装、液态CO2灌装、检测，井下钻孔，置入或取出CO2致裂器及附件时所需要的实施过程。爆破的整个实施过程如下：①CO2致裂器材组装、灌装及检测；②井下运输，致裂器材安装及检测、封孔、连线；③撤人，设置警戒，并按照设计程序进行致裂施工，警戒撤人距离直巷不小于100 m, 拐弯巷道不小于30 m; ④爆破后放炮器操作员、瓦检员、班队长和安检(放炮)员联合进行安全检查，允许后方可进入；⑤检查爆破效果并拆除致裂器材回收上井；⑥进入下一个工作循环。

3) 致裂器起爆。

将致裂器导线连接至FD200放炮器，由施工单位专职放炮员启动，致裂前，要对施工地点前后100 m范围，安排专职人员进行警戒，并在警戒地点设置警戒牌、拉绳。爆破过程必须执行一炮三检、三人连锁制度和三保险制度，爆破地点附近20 m内风流中瓦斯体积分数达到0.8%时严禁爆破作业。

4) 致裂器回收。

现场技术人员确认成功致裂，且经瓦检员检查瓦斯体积分数符合要求后，相关人员方能进入施工地点，拆除致裂器，回收上井。

利用AutoCAD绘图软件设计CO2爆破顶煤技术工艺，如图3所示。

CO2致裂器如果用于全工作面，顶煤爆破、运输、充装、拆卸、致裂器安装、拆除等工作量太大，因而不适合整个工作面大规模应用。

图3 CO2爆破顶煤技术工艺示意 

3.2 巷道火药爆破和顶煤CO2爆破方案设计

针对上述特点，采用前期在工作面两条巷道内，斜向可采侧煤壁打长孔，孔长暂定为15 m, 使用炸药进行预裂爆破。图4为火药预裂巷道煤体示意。

图4 火药预裂巷道煤体示意   

后期使用CO2致裂器在切眼内进行顶煤爆破，爆破范围从机头方向11号架至20号架处，共打孔10个，每一架打1个孔；机尾方向从100号架至109号架间打孔，每一架打1个孔。机头机尾范围累计打孔20个，爆破覆盖范围30 m.21号架至99号架之间可根据现场放煤实际情况适时调整并施工CO2爆破钻孔。采用架柱式乳化液钻机，Φ60 mm螺旋叶片钻杆，Φ75 mm煤钻头打孔，孔深5 m, 孔间距1.5 m, 钻孔向上方倾斜36°.切眼范围内CO2预裂顶煤爆破示意如图5所示。钻孔在施工过程中应尽量保证钻孔平直，从而保证致裂器可顺利安装至孔底。钻孔施工完毕后，开始安装致裂器，将致裂器送至孔底后，孔口处用专用木塞封堵，从而保证致裂器的稳固。每10组钻孔同时起爆。

本试验共进行3轮，每天早8:00检修班开始打孔，运输班将致裂器材运输至切眼端头。12:00至15:00期间进行致裂爆破，连续进行3天，目的是通过反复致裂爆破的叠加作用，提高顶煤破碎效果。通过将巷道两侧提前用炸药爆破和切眼范围内用CO2预裂顶煤爆破两项措施的结合，可以有效提高顶煤爆破效果，进而提高整个工作面的煤炭资源回收率。

图5 切眼内CO2预裂顶煤爆破示意   

爆破孔内致裂器串接方案如下：设计每孔布置直径51 mm的CO2致裂器3根，每根致裂器长1.7 m.致裂器外端串接两根连接杆，以保证连接杆与溜槽或底板接触，防止飞炮，增加爆破效果。

图6 孔内致裂器串接布置示意   

3.3 施工地点、范围及设备要求

3.3.1 施工地点

火药预裂施工起始地点在1307采煤工作面1214巷、1213巷巷道距离切眼外20 m处。CO2预裂顶煤爆破施工地点在采煤机机头方向11号架至20号架处，采煤机机尾方向100号架至109号处。

3.3.2 施工工程量

1) 火药爆破孔孔深为15m, 孔间距为1.5 m, 1214巷施工9组钻孔，1213巷施工14组钻孔，钻孔工程量累计315 m.

2) CO2致裂孔深5m, 每个循环20个致裂孔，每个孔内3个致裂器，每个循环共计60个致裂器。

3.3.3 施工工具

1) 钻眼机具：

采用KZQJJ-750/10.2s型架柱式气动钻机、用Φ75 mmPDC钻头、Φ73 mm螺旋钻杆。

2) 致裂器材：

致裂器、连接杆、万用表、专用放炮器、放炮线、手锤等。

3) 封孔：

30 mm×20 mm×400 mm楔形木楔，每孔不低于4个。

3.3.4 施工组织管理

现场施工时必须有1名管理人员负责施工组织管理，要严格按照措施组织施工。

1) 施工单位负责方案设计及施工安全技术措施；负责按设计、措施要求施工致裂孔；负责致裂材料的检查验收、下井等安全管理工作。

2) 技术人员负责指导致裂器材下放、导线连接、封孔、起爆等工作。

3) CO2致裂厂家提供完好的致裂设备、致裂器配件耗材等；负责指导致裂器的CO2充填、致裂施工的具体实施工作。

4) 安监部门负责致裂时的撤人站岗工作，负责现场安全检查工作。

3.3.5 CO2致裂施工安全技术措施

1) 致裂材料的转运。

在向致裂管内充填CO2前，认真检查致裂管完好情况，确认完好后，方可使用充灌机向致裂管内充填CO2.致裂管在装车转运过程中，要轻拿轻放，严禁碰撞，远离发热源，并存放在安全地点，不得淋水，禁止与其他机械触碰，并严格执行《煤矿安全规程》的其他有关规定。

2) 钻孔施工。

施钻人员必须经过专门培训，考核合格持证上岗，严格按照措施进行操作。打眼时必须抓牢锚杆钻机操纵臂，防止因卡钻导致操纵臂脱手打伤自身或周围人员。施钻过程中，切削与推进要配合好，否则将导致钻孔不直。严禁使用弯曲、变形及损坏的钻杆，对损坏的钻杆要做有明确标记并及时回收。

3) 致裂管的安装。

致裂管安装前，首先要检查钻孔状况，确认无塌孔现象后方准安装；在安装时，人员一定要配合好，并做好测量和防护措施；致裂管放到孔底后检查、整体测试无误后使用专用木楔封闭孔口，使用手锤打紧，保证孔口不留一丝缝隙，封孔质量是保证致裂质量的前提；致裂管安装好以后，连接导线。

4) CO2致裂时注意事项。

致裂人员必须经过CO2致裂器操作技术培训，培训合格后方可上岗操作；致裂前，必须由施工单位放炮员在警戒线和可能进入施工地点所有通路上担任警戒工作，警戒人员必须在有掩护的安全地点进行警戒，警戒线处应设置警戒牌、栏杆或拉绳等标志；致裂警戒距离不小于50 m; 致裂时，施工人员应在上风侧安全距离外进行启动；现场技术员指导连接好致裂管导线后，再配合跟班瓦检员、安检员、班组长进行致裂；致裂后，由安检员、瓦斯员、当班班长检查现场情况，确保安全后，方可进入现场进行后续工作；致裂结束后，依次将致裂管拆下，并检查是否启动，如有未启动的致裂管，将致裂管移至宽敞地点，并把CO2气体放出即可。

5) 其他注意事项。

施工现场必须由专职瓦斯检查员随时检查CH4体积分数，施工地点下风侧必须悬挂CH4检测报警仪，若钻场附近20 m范围内及回风巷内CH4体积分数超过0.8%,必须立即停钻撤人，汇报调度指挥中心，采取措施进行处理。施工现场的所有钻具、物料必须数量清楚，排放整齐。存放地点要避开行人、行车和工作范围。其他未尽事宜，严格按照《煤矿安全规程》等有关规定执行。

4、爆破效果及经济效益分析

4.1 爆破效果分析

1307综采工作面CO2致裂切顶工作于2021年11月20日至11月23日实施，每天5孔，3天一共进行了15组爆破。工作面CO2顶煤致裂爆破现场情况如表2所示。

表2 1307面CO2顶煤致裂爆破现场情况明细

1307面实施CO2顶煤爆破试验，致裂爆破孔分布在114号至119号液压支架间，目前工作面已推过至致裂爆破区段(11月25日),工作面采用CO2致裂爆破后放煤情况如表3所示。

观测发现，CO2致裂爆破区域支架后方顶煤大部分垮落，块煤基本可顺利进入后部溜槽。工作面煤块大块率由前期的40%降低至5%,降低幅度为35%.CO2致裂爆破效果显著且安全，提高了顶煤放煤量，减少了顶煤丢失情况。

表3 1307面CO2顶煤致裂爆破后放煤情况

4.2 经济效益分析

因火药爆破成本较低，且为矿方常用爆破材料，因此本次仅考虑CO2爆破产生的经济效益。

1) 每一次循环价格90 000元，进尺5m, 每米价格18 000元，每一次循环每个致裂器价格1 500元(每根致裂器1.66 m, 相当于900元/m)。

2) 每一次循环用60个致裂器：60个×330元/个=19 800元，每一次循环进尺5 m, 累计施工钻孔20个，CO2致裂孔深5 m, 每个循环20个致裂孔，每个孔内3个致裂器，每个循环共计60个致裂器：19 800元/5 m=3 960元/m(工作面推进每米CO2爆破成本为3 960元),累计施工钻孔长度100 m.

3) 工作面煤块大块率由前期的40%降低至5%,每个循环进尺5m可多回收煤炭资源639 t, 每吨煤按1 200元计算，可增加收入76.68万元，即每推进1 m可增加收入15.34万元，远大于CO2预裂爆破产生的费用，经济效益显著。

5、结语

1) CO2致裂器爆破技术利用液态CO2在一定条件下瞬间(20ms内)急剧膨胀产生高压气体，切割煤体产生裂隙，起到破煤作用，从而达到安全高效落煤、破煤的目的。

2) 结合CO2预裂爆破的特点，在工作面两巷道距切眼20m外使用炸药进行预裂爆破、工作面机头(11号架至20号架)、机尾(100号架至109号架)采用CO2预裂爆破的工艺进行顶煤预裂爆破，21号架至99号架间根据实际情况增加CO2致裂爆破孔。

3) 采用该工艺后，CO2致裂爆破区域支架后方顶煤大部分垮落。工作面煤块大块率由前期的40%降低至5%,块煤基本可顺利进入后部溜槽，提高了煤炭回收率，经济效益显著。

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[11]张家行.CO2致裂技术及在煤矿安全生产中的应用研究[D].北京:煤炭科学研究总院,2017.

基金资助:国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51404138);

文章来源:高宏.润东煤业综放工作面CO2爆破顶煤技术研究[J].煤,2024,33(01):6-11.