作者：谢文严
液态C02相变致裂技术是一种新颖的低透煤层增透技术，率先由河南理工大学王兆丰教授等将此技术运用到煤层瓦斯抽采领域，并取得了成功。该技术属于物理爆破技术，其应用范围广，在突出矿井、溜煤眼的处理、放顶煤开采等特殊条件下的应用效果较好，地面控制爆破拆除，建筑珍贵石材的开采，也可获得较好的效果。
然而在低透气煤层强化预抽煤层瓦斯领域，国内学者对该技术的孔布置方式研究尚少。有学者运用此技术在工作面和掘进工作面进行了单一致裂孔的致裂效果试验，未能对液态C02相变致裂布孔方式的影响进行研究；在穿层强化预抽领域王兆丰等研究者在九里山矿的试验中也仅采用了单一种布孔方式进行研究，可以看出在液态C02相变致裂的布孔方式研究方面尚缺乏研究。同时，在炸药爆破方面国内学者通过研究发现炸药孔眼的布置位置影响着爆破能量分布和裂隙的发育，为了使液态C02相变致裂技术能在不同的矿区都能取得很好的抽采效果，探索合适的钻孔布置方式显得很有意义。
本文以平煤股份十三矿己一，采区11111底板岩巷穿层钻孔液态C02相变致裂强化预抽瓦斯效果考察项目作为依托，进行不同布孔方式下液态C02相变致裂强化预抽效果研究，结合相变致裂当量的研究，通过对不同布孔方式下穿层钻孔液态CO2相变致裂的预抽瓦斯效果的对比测试，最终得出液态C02相变致裂合理的布孔方式。
1 致裂参数及布孔方式
1.1 致裂孔径及致裂威力
试验采用的爆破孔直径rh=94mm；爆破采用的均为F57L型液态C02爆破筒及相同规格的破裂片，爆破产生气体高压峰值Pmax =270MPa。
1.2致裂半径
根据弹性力学和断裂力学理论爆破气体对岩石的拉伸破坏作用研究一H，爆破气体作用区可分为爆破应力波作用区和爆破气体的准静力场区。
应力波作用区半径为：
距离炮孔r距离处的准静应力场为：
式中：re为初始裂隙长度，m；KI为动载下抗拉强度提高系数；Kb为煤体体积模量，MPa;P为初始裂隙区内气体压力，经迭代计算值约为150MPa；St为岩石静载下的抗拉强度，煤一般取值为5MPa；r为距离炮孔距离；a为衰减指数，一般取值1.5。
经过应力波作用后，可计算出初始裂隙长度，带人公式(2)可计算出距离炮孔 r距离处的准静应力，应力值超过岩石的极限抗拉强度值后，将会使岩石产生裂隙。根据试验煤层的抗拉强度、爆破加载速度和公式(1)、(2)计算得到致裂破碎半径约为8. 2m。
1.3布孔方式
本文为研究液态C02相变致裂合理的布孔方式，在爆破孔方式上，采用如图1所示的布孔方式为矩形和交错的梅花形两种布孔方式。
为了研究致裂孔距和排距对致裂效果的影响，根据计算得到的致裂半径，现场选择了两个试验单元，如图2所示的为单元一的布孔方式（黑色填充的为致裂孔，其余为控制孔），在该单元内全部抽采孔布置参数为排内孔间距×排间距=5m×2.Sm，抽采孔控制巷轮廓线上、下帮各15m范围内，每两排视为一组孔数为13个，单元二内致裂孔也采用矩形布孔方式和梅花形布孔方式，两种布孔方式中每组的布孔数量均为11个孔，同第一单元布孔方式相比，该单元孔间距与排内孔间距为6m x3m。
2 现场试验效果
现场选择了平煤股份十三矿己-1采区11111底板岩巷850~ 950m范围为试验区，试验区划分了两个单元，即单元一和单元二，经过现场测压、取样表明该lOOm范围内原煤瓦斯含量为8.7~11.7m3/t，原始煤层瓦斯压力为0.8~0.88MPa。
试验按照预定的方案进行了液态C02致裂爆破，并在爆破前对普通抽采孔的抽采效果进行了考察。采用光学瓦斯测定仪、负压表、改装后煤气表分别对抽采的瓦斯浓度、负压、流量进行了抽采效果的考察，致裂孔在致裂完成后也立即进行封孔联网抽采并考察抽采效果。每种布孔方式下选择一组（两排孔）作为试验的精细考察组，试验共计4组精细考察组。同时为了观察致裂与非致裂的区别，对未致裂区煤层也进行了瓦斯抽采效果的考察。
2.1 非致裂区抽采效果
为了对比考察液态C02相变致裂技术的煤层增透促抽瓦斯效果，首先考察了平煤十三矿工作面己15 -17 -11111机巷底抽巷未采取致裂措施时其原始煤体的瓦斯抽采浓度和纯量随时间变化曲线，实测非致裂区的瓦斯抽采浓度和日平均抽采纯量如图3、图4所示。
通过图4瓦斯抽采日纯量衰减曲线看出，在未采取增透措施的条件下，煤层瓦斯日抽采纯量衰减曲线为乘幂函数形式曲线（图中虚线所示），即：
式中：y为日抽采纯量，m3/d；A、6为常数；t为时间，d。
非致裂区煤层抽采孔在成孔后瓦斯抽采纯量快速升到较高的抽采水平，但在不到20天内衰减至一个较低的平稳水平，20~40天抽采纯量约为1m3/d，50天后平均维持在0.6m3/d左右，煤层透气性系数为0. 06 m3/( m2·d)。根据原煤瓦斯含量和非致裂孔的纯量衰减曲线，累计其抽采纯量计算得到非致裂条件下抽采达标需要260天。
2.2 单元一两种布孔方式下的瓦斯抽采效果
该试验单元内矩形孔布孔方式下，在第9天时进行致裂；梅花形布孔方式，第8天致裂。通过图5可以看出矩形布孔方式下致裂后抽采瓦斯浓度为致裂前的1.5~4倍，致裂后的30天内平均日抽采纯量增加到致裂前的2~6倍，致裂30～140天内日抽采纯量一直维持在高于致裂前的水平，由此可以看出该种布孔方式可以有效提高瓦斯抽采浓度、煤层透气性增加，在致裂后的初期效果十分明显，根据致裂后抽采纯量曲线，致裂后lOd、20d、30d、40d单孔平均抽采纯量累计值分别为28 m3、52 m3、90 m3、103 m3，抽采达标仅需120天左右。
梅花形布孔方式下，致裂后抽采浓度为致裂前的1~4.5倍，致裂后30天内以可以看出日平均抽采纯量为致裂前的2~5.5倍，30天后依然维持在致裂前的1.5倍左右，根据致裂后抽采纯量曲线，致裂后lOd、20d、30d、40d单孔平均抽采纯量累计值分别为38 m3、75 m3、115 m3、123 m3，抽采达标仅需100天左右。
2.3 单元二两种布孔方式下的瓦斯抽采效果
该试验单元内矩形孔和梅花孔布孔方式均在第7天时进行液态C02相变致裂。由图6可以看出矩形孔布孔方式下致裂后瓦斯抽采浓度为致裂前的0.8~2倍，致裂后瓦斯日抽采纯量短期内增加了1~3.5倍，后期基本维持在一个较高的水平，同时根据致裂后抽采纯量曲线，可计算致裂后lOd、20d、30d、40d单孔平均抽采纯量累计值分别为25 m3、65m3、87 1113、105 m3，计算得到抽采达标期为140天左右。
梅花形布孔方式下，可以看出致裂后抽采浓度、纯量增加明显，致裂后瓦斯抽采浓度为致裂前的1.2~2.5倍，致裂后20天内平均日抽采纯量为致裂前的1.2~4倍，长期内衰减缓慢。同时，根据致裂后抽采纯量曲线，计算得到致裂后lOd、20d、30d、40d单孔平均抽采纯量累计值分别为46 m3、85 m3、112 m3、130 II13，根据其原煤瓦斯含量计算得到抽采达标仅需125天。
3致裂效果对比分析
3.1 致裂与非致裂对比
通过以上两个单元内的两种布孔方式致裂前后效果，与非致裂区域的抽采效果（图1—2）对比，可以看出以采取致裂措施后的区域煤层瓦斯抽采浓度增加，致裂区瓦斯抽采纯量在致裂后有一段时间的持续高抽期，之后才表现出同非致裂区类似的乘幂函数式的衰减。同时致裂后的煤层透气性系数为2. 7m3/( m2·d)，约是致裂前的45倍，抽采达标期明显缩短。
3.2 两种布孔方式对比
为考察两种布孔方式的致裂效果，分别在同一单元致裂区域两种布孔方式进行分析。单元一内，由图5、图7对比发现这两种布孔方式对瓦斯抽采浓度都有显著的影响，但差异不大；通过图6和图8可以看出在致裂后一段时间内两种布孔方式抽采纯量接近，但是从长期抽采量来看梅花形布孔方式能始终维持在一个较高的抽采水平，增透效果略好于矩形布孔方式。
单元二内，通过图9和图11、图10和图12的致裂前后效果对比可看出无论是抽采浓度还是抽采纯量梅花形布孔方式效果较好，梅花形孔在致裂后很长一段时间依然能够维持在一很高抽采水平。
3.3理论分析
采取液态CO2相变致裂技术后煤层在高压冲击波作用下产生裂隙，在致裂孔周围当煤体极限强度小于致裂冲击力时，将会在拉剪应力作用下产生裂隙并发育。然而煤层是一种天然的多孔且存在层理和节理面的材料，爆破产生的冲击波会优先沿着这些天然弱面进行扩展，加上先致裂孔的破坏区和周边抽采孔为后致裂孔提供了自由面，使得致裂冲击波遇到自由面发生反射，导致两孔连线端产生应力集中，最终体现为拉伸破坏效应，导致冲击波易向
自由面方向发展，裂隙将明显呈致裂孔连线上发育贯通，这就导致了致裂孔在矩形布置方式下由于线性过于集中，区域性致裂后破坏区呈明显的条带状分布，致裂效果差；梅花形孔由于致裂孔分散，爆破能量分布均匀，能够有效地减弱同一层理和节理面上致裂孔间的冲击波提前泄压作用，同时由于两致裂孔间距变大亦减弱了应力集中作用，致裂后产生的裂隙能够在致裂孔周围充分发展，致裂后取得了较好的抽采效果。
4结论
1)平煤十三矿煤层致裂试验中，根据弹性力学和断裂力学计算得到液态C02相变致裂半径为8. 2m。
2)采取液态C02相变致裂措施后抽采纯量会有一段时间的持续高抽期，之后才表现为y= At-b乘幂函数式的衰减。
3)液态C02相变致裂技术能够有效地增加煤层透气性，煤层透气性系数由致裂前的0.06 m3/(m2．d)变为2.7 m3/( m2-d)增加了45倍，明显缩短抽采周期。
4)根据现场抽采效果显示，梅花形布孔方式由于能量分布均匀致裂后增透效果更好，抽采达标所需时间最短。
5摘要：
液态C02相变致裂技术是一种新颖的低透煤层增透技术。为了更好地将液态C02相变致裂技术运用到低透气煤层增透领域中，在平煤十三矿进行了液态C02相变致裂的穿层强化预抽煤层瓦斯现场试验，通过煤层致裂后的瓦斯抽采效果反映出的不同布孔方式下的致裂差异，确定液态C02的爆破孔的合理布孔方式。现场试验表明液态C02相变致裂在交错的梅花孔布置方式下由于能量分布均匀，致裂效果优于矩形孔布置方式，研究结果为该技术在煤层增透强化预抽领域的推广应用奠定了基础。
