作者：吴 迪，徐 军，肖晓春，丁 鑫，王 磊
国内外液态CO2爆破技术的研究停留在基本原理上，具体爆破过程、爆破裂隙产生原理等方面并未得到深入研究，这项技术的理论研究落后于实践。笔者监测爆破器主管内高压CO2气体P-T变化曲线，研究液态CO2爆破裂纹扩展规律，计算液态CO2的TNT当量，选取合适地点进行工业试验，对比研究爆破前后煤层瓦斯抽采效果，为液态CO2爆破增透技术推广提供参考。
1 液态CO2爆破技术
1.1 液态CO2爆破装置
1.1.1 液态CO2爆破器及爆破原理
二氧化碳爆破器实物及组成结构见图1。
爆破器由主管、充气头（起爆头）、排气头、加热棒、爆破片、泄能片、止飞器等组成。爆破器主管充装液态CO2，使用发爆器激发加热装置，主管内液态CO，迅速汽化，体积膨胀600余倍，主管内气体压力迅速升高，达到泄能片极限压力后，泄能片在0.1~0. Ss内破断，高压气体由泄能头两侧的出气孔急速冲出，形成冲击波冲击煤体，达到爆破增透的目的。
1.1.2 液态CO2爆破装置
液态CO2爆破装置示意图见图2。无损组装系统解决了现有组装设备夹紧力不易控制，容易损伤被组装工件的问题，具有夹紧方便、可靠，可实现对被组装工件无损、快速、稳定组装的优点。自动化快速充装系统包括液化气体供应装置、充装泵、充装感应平台和主控系统，实现安全高效的自动充装、自动计重、自动停止、自动控制压力、自动控温、自动冷却
等功能。
1.1.3 二氧化碳爆破器特点
1) CO2气体具有抑爆、抑燃特点。
2)1.0 kg液态CO2气化过程需要吸收60 kJ热量，40ms内迅速气化，整个过程CO2温度在O℃左右，大量的高压CO2气体营造惰性气体环境，杜绝瓦斯爆炸。
3)物理爆破过程不产生扬尘以及CO等有毒有害物质及气体，且不会产生任何明火或火花，爆破过程本质安全，环境友好。
4) CO2爆破器气化过程完全密闭，震动、撞击均无法激活内置发热管，液态CO2充装、运输、使用过程安全性高。
1.2液态CO2爆破过程
煤层液态CO2爆破过程中，首先由冲击波在爆破孔周围产生粉碎区和爆破孔法向的初始导向裂隙，为裂隙近区；随着冲击波转变为应力波继续传播，后续大量高压气体在初始导向裂隙中尖劈扩展，形成二次裂隙发育，为爆破裂隙中远区。采用示波器监测型号为MZL200 - 1180/50的爆破器爆破过程中，主管内高压C02气体P-T曲线如图3所示。
其中：OA阶段：启动发热装置，主管内液态CO，迅速汽化至泄能片极限压力200MPa。
AB阶段：泄能片在0.1~0.Ss内破断，大于液态C02汽化时间，气体压力继续升高至最大压力，直到泄能片破断。
BC阶段：泄能片破断后，爆破器内高压气体高速喷射而出，压缩空气介质，形成冲击波，冲击煤体，在出气孔方向形成两个导向型爆破空腔。由于爆破孔与爆破器之间波的不断反射叠加，在出气孔附近爆破孔不断扩孔，与爆破空腔一起形成粉碎区，气体压力和冲击波速度急剧下降。
CD阶段：随着冲击波速度下降，冲击波转化为应力波，裂隙失稳扩展，煤体径向受到压应力，切向受到拉伸应力，产生径向裂隙和切向裂隙。随着应力波的衰减，煤体压缩变形区域变形能释放，形成卸载波，向粉碎区方向传播，在环向上受到拉伸作用，当拉伸应力大于煤体抗拉强度时，煤体产生环向裂隙。之后，CO2气体楔人各裂隙，和瓦斯压力以准静压力的形式共同作用于裂隙面，在气体的膨胀、挤压及气楔作用下裂隙继续扩展延伸，形成最终爆破裂隙区。同时，由于煤体破碎和C02气体的分压比，造成煤体内CH4大量解吸。
1.3 液态CO2的TNT当量
液态CO2储存于爆破器主管内，经加热后迅速由液态转化为气态，以压缩气体形式存在，直到冲破定压泄能片产生爆破效果，符合压缩气体与水蒸气容器爆破的定义。故采用压缩气体与水蒸气容器爆破能量计算方法计算型号为MZL200 - 1180/50的爆破器TNT当量，爆破器长1.Sm，主管长度1. 415m，外径50mm，内径28mm，泄能片极限压力为200MPa，爆破器主管中充装液态C02质量为lkg左右，液态CO2爆破释放能量用下式计算：
式中：Eg为气体爆破能量，kj; Pi为主管内气体压力，MPa；P2为标准大气压力，取0.lOIMPa；V为主管体积，m3；K为C02绝热指数，取1.295。
将数据代入式(1)，可得出液态C02爆破器启动后释放的能量为764kJ。液态C02爆破装置的近似TNT当量WTNT采用式(2)计算：
式中：QTNT为lkgTNT爆炸能，取4250kj/kg。
经过计算，型号为MZL200 - 1180/50的液态C02爆破器的当量为180 gTNT。
2 液态C02爆破对煤层瓦斯抽采的影响
某煤矿204工作面为大采高工作面，工作面长200m，推采长度2150m，全部垮落法管理顶板。瓦斯含量6.77~6.84 m3/t，瓦斯压力0.58~0. 64MPa，瓦斯放散初速度0.785，透气性系数0.041 m2/( MPa2．d)，钻孔流量衰减系数0. 023d-1。工作面推进速度快，工作面瓦斯涌出量为31.3 m3/min，风排瓦斯为8.54m3／min，瓦斯治理压力大。在204工作面运输运漕进行液态C02爆破前后瓦斯抽采试验，工作面煤层地应力大约为lOMPa，采用分段式连续爆破，在煤层水平方向上，C02爆破有效影响半径分别为出气孔方向6m、出气孔法向为4m左右[14]，炸药深孔预裂爆破时，爆破孔间距与单孔爆破有效影响半径R的关系：
鉴于液态C02爆破与炸药爆破的区别，计算得知，爆破器间距应为Sm，爆破孔间距7.Sm，控制孔间距7. 5m，控制孔前期作为爆破控制孔增加自由面，爆破结束作为抽采孔继续使用，爆破孔与抽采孔间隔布置，钻孔布置见图4，爆破前后各测点钻孔平均瓦斯抽采浓度变化见图5，平均瓦斯抽采混量变化见图6。
由图5、图6知，液态C02爆破前后瓦斯抽采浓度平均提高3. 16倍，瓦斯抽采混量提高约1.71倍。爆破前瓦斯抽采浓度较低，爆破后，爆破孔周围产生大量裂隙，破坏原始煤层瓦斯吸附解吸平衡状态，大量吸附态瓦斯解吸为游离态，瓦斯抽采浓度急剧升高；同时，爆破后产生大量C02气体充斥在煤层孔隙中，根据竞争吸附理论，煤基质对C02吸附能力远大于CH4，煤层CH4大量解吸，维持了瓦斯抽采的高浓度，随着C02不断被煤体吸附，孔隙中C02浓度持续降低，减缓了CH4的解吸速度，直至趋于稳定。瓦斯抽采混量提高的原因是：爆破后煤层透气性系数得到大大的提高，煤层中瓦斯流动阻力减小，瓦斯流动速度加快，随着瓦斯抽采的进行，瓦斯能够得到源源不断的补给，持续提高瓦斯抽采混量，直至趋于稳定。
3 液态C02爆破井下试验
进行液态CO2爆破井下试验，可以深入研究液态CO2爆破煤层增透规律，并选定合理爆破器和参数，为此低成本高效煤层增透技术的实施推广提供参考。
3.1 试验区选取
由于试验设计需要在不同地应力煤层进行液态C02爆破，试验区选取一定要遵循以下原则：
1)煤层瓦斯地质参数较为相近的同一矿区；
2)矿井为多水平开采，以不同埋深来表征不同地应力；
3)煤层渗透率较低，需要进行煤层增透。
黑龙江省龙煤集团七台河分公司，位于黑龙江省东部盆地群的勃利盆地，七台河矿区为我国薄煤层开采示范基地，含煤地层约100多层，区内有新建矿、新兴矿、桃山矿、新立矿等11对生产矿井，各矿井皆为分水平开采，一水平为标高- 25~- lOOm，二水平标高约-100~- 400m，三水平标高约- 400~ - 800m，四水平为- 800m以下，煤层透气性系数为0. 1416~1.2534m2/( MPa2．d)，为低透气性煤层，满足试验要求，故选取七台河矿区为本次工业试验的地点。
3.2 爆破有效影响半径的考察
在七台河矿区，选取不同埋深煤层，并设置不同爆破压力，分别进行液态CO2爆破工业试验。不同型号的爆破器具有不同的装液量和泄能片极限压力，试验中应根据不同需求选取不同型号的爆破器。为了避免钻孔的截流效果，在每一个爆破试验地点，按照不同距离分组布置瓦斯抽采孔，见图7。抽采孔与爆破孔距离设定为2m、2.5m、…、8m。监测爆破前后每一个抽采孔的瓦斯抽采混量与浓度，若某一抽采孔爆破前后瓦斯抽采混量与浓度明显提高，则认为该抽采孔与爆破孔的距离在爆破有效影响范围内，最终确定爆破有效影响半径。
4 井下爆破试验结果
选取不同埋深的地点进行液态C02爆破试验，根据测试地点埋深和上覆各煤岩层容重，换算为等效地应力，并采用上述方法监测各实验地点爆破有效影响半径。不同地应力下液态C02爆破有效影响半径变化如图8所示。由于垂直应力对裂隙的闭合作用，煤层地应力对爆破有效影响半径起到抑制的效果，随着地应力的增加，爆破裂隙区域逐渐减小，主要原因在于煤层地应力的增加会导致应力场作用下煤体裂隙尖端应力强度因子降低，不利于煤体裂隙的产生和扩展。而且，在爆破中远区，裂隙的产生和扩展方向在一定程度上受煤层主应力方向的控制和影响。
在七台河矿区各矿选取地应力约为lOMPa的试验区域，在不同爆破压力下进行煤体液态CO，爆破试验，同时采用上述方法对爆破有效影响半径进行考察，得出爆破影响半径与爆破压力的关系如图9所示。爆破压力与爆破有效影响半径呈正相关的关系，当爆破压力较小时爆破有效影响半径较小，但是当爆破压力增大到280MPa时，爆破有效影响半径增加趋于平缓，增长幅度有限，所以爆破压力应该选择一个合适的范围，在达到理想的爆破效果的前提下，使经济成本降到最低。根据工业试验结果，爆破压力选择在160~ 280MPa之间最为合理。
煤层透气性系数是衡量煤体中瓦斯流动难易程度的一项重要指标，是评价煤层瓦斯抽放难易程度和瓦斯突出防治的重要技术参数。采用径向流量法测定爆破地点爆破前后透气性系数，并采用径向流量法测定各爆破地点爆破前后透气性系数，由于钻孔是径向不稳定流，用传统的流量计法测钻孔瓦斯流量不太可能，所以采用排水法测瓦斯流量。考察结果见表1，爆破后煤体松动，孔裂隙增加，煤层透气性得到大幅度提升。随着抽采时间的增加，由于爆破裂隙逐渐闭合，造成爆破孔周围煤体透气性系数逐渐降低，一个月后透气性系数趋于稳定，爆破前后对比，趋于稳定时，煤层透气性系数提升17. 49~22. 76倍，见图10。
5 结论
监测液态C02爆破过程中主管内高压气体压力时程曲线和裂隙发展规律，计算试验用爆破装置液态C02的TNT当量，在七台河矿区以不同爆破压力和地应力下进行液态C02爆破试验并进行瓦斯抽采，得出以下结论：
1)采用压缩气体与水蒸气容器爆破方法，确定型号为MZL200 -1180/50的液态C02爆破器的当量为180 gTNT。
2)与为爆破煤层瓦斯抽采相比，进行液态C02爆破后瓦斯抽采浓度提高3. 16倍，瓦斯抽采混量提高约1. 71倍。
3)随着地应力的增加，液态C02爆破有效影响半径逐渐减小，两者呈近线性关系。
4)爆破压力与爆破有效影响半径呈正相关的关系，且爆破压力在160~280MPa范围内最为合理。
5)爆破后煤层透气性系数提高17. 49~22. 76倍，增透效果良好。
6摘要：
为了增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效率，选取七台河矿区进行液态C02爆破煤层增透工业试验。研究液态CO2爆破过程中主管内高压气体P-T曲线，考察不同地应力下的液态CO2爆破有效影响半径和煤层透气性系数，监测爆破前后瓦斯抽采参数。试验结果表明：采用压缩气体与水蒸气容器爆破方法计算液态CO2爆破的当量为180 gTNT；爆破后瓦斯抽采浓度提高3.16倍，瓦斯抽采混合流量提高1. 71倍；煤层液态C02爆破有效影响半径随地应力的增加近线性减小，随爆破压力的增加非线性增加，确定液态C02爆破时最佳爆破压力范围160~ 280 MPa；爆破前后对比，煤层透气性系数提升17. 49~ 22. 76倍。井下煤层液态CO2爆破技术的实施，有助于降低爆破成本、提高增透效果和瓦斯抽采利用率。
