煤体致裂控制技术研究现状及应用.doc

煤体致裂控制技术研究现状及应用 　　摘 要：综采技术的普遍应用，要求在开采前抽出煤体内的瓦斯，达到先抽后采的安全环境。而不同煤体的结构具有复杂性，要使煤体充分碎裂，提高瓦斯抽采率，是一项比较复杂的研究应用过程。文章通过分析煤体致裂破坏原理，了解国内外在煤体致裂技术方面的研究现状，提出高压气体致裂技术在目前瓦斯抽采方面的技术创新，并介绍了液态二氧化碳致裂技术在工程方面的应用，对我国目前采用的钻孔抽采和厚煤层瓦斯抽采有一定参考和借鉴作用。 　　关键词：煤体致裂；瓦斯抽采；高压气体致裂；液态二氧化碳致裂 　　1 煤体致裂破坏原理 　　煤体致裂破坏过程是一个比较复杂且呈现动态变化的过程。传统的煤体致裂是应用炸药的爆炸特性，瞬间产生的高温、高压气体使煤体的本质结构紊乱裂解，达到致裂作用。目前应用比较广泛的为深孔致裂技术，通过在煤体深部爆炸产生的爆生气体对煤体扰动，运用爆炸冲击波和爆炸应力波的瞬间冲击使煤体应力场重新分布，裂解煤体自身强度，克服煤层地应力，增大煤体裂隙、裂缝和孔隙的面积，从而达到改变煤体透气性系数的目的。如深孔预裂致裂增透技术、聚能定向致裂增透技术等，使局部范围内压力释放，在高效抽采瓦斯后，达到消除局部突出危险的目的。 　　2 国内外研究现状 　　前苏联于20世纪50年代在卡拉干煤田进行了煤层预裂致裂试验，在煤层钻孔内装入致裂筒（硝铵炸药），并注入0.5～0.6MPa的水，致裂后单孔瓦斯抽采量比致裂前增加了30%，百米钻孔瓦斯抽采量增加了一倍。印度也在煤矿进行煤层致裂增透试验，对预裂致裂增透技术的相关致裂参数、钻孔、瓦斯危险性及地表地震影响等进行了研究。 　　我国“八五”“九五”期间，开始研究煤层深孔致裂增透技术，“十一五”期间，安徽理工大学研制了煤矿专用深孔致裂药管，解决了炸药传爆和装药困难等问题，在安徽两淮矿区高瓦斯煤层局部煤层卸压、抽排瓦斯中应用。索永录根据坚硬顶煤综放开采预先弱化致裂作用的研究目的，建立了坚硬顶煤预先弱化致裂宏观损伤破坏程度的分布函数。王志亮、李其中基于脆性煤体介质的破坏机理，得出了考虑冲击波作用下煤体破坏范围的计算公式。蓝成仁、刘健等通过大量的工程实验研究发现，煤体深孔预裂致裂是因为爆炸应力波、爆生气体和瓦斯压力共同作用的结果。梁绍权分析了深孔控制预裂致裂的致裂机理，根据理论分析和试验研究确定了合理的致裂工艺参数。郭德勇教授通过对煤层深孔装药结构的调整，提出了煤层深孔聚能致裂增透方法，利用爆炸药特性积聚爆炸能量，加使聚能罩侵彻煤体初始裂隙，并能在爆生气体的二次驱动下使得煤体断裂带范围扩大，在现场应用中获得了较好的效果。聚能定向致裂增透技术虽然取得了巨大成功和突破，但是在强化增透效果的长效性方面需要探索新的方法。 　　3 高压气体致裂技术原理及研究现状 　　高压气体致裂是将惰性气体（如空气或工业废气二氧化碳等）通过空压机加压到设定压力，利用手动或电动操作装置在煤体内瞬间释放，冲击煤体生成初始径向裂纹，再通过高压气体的尖劈压裂效应扩展初始裂纹，提高煤层的透气性和破碎性。 　　上世纪50～60年代，俄、法、英、美、挪威和波兰等采矿技术比较发达的国家在煤炭开采中，对煤体高压气爆致裂技术都有应用。1992年，我国煤炭科学研究总院致裂研究所，运用二氧化碳致裂筒开展了高压气体致裂煤的模型实验，破煤效果较好。2000年，安徽理工大?W自行开发研制了高压气体致裂系统，并通过多次的煤体致裂相似模型实验发现，在高压气体致裂的煤体深孔周围生成了不少于4～6条的径向裂纹，气体压力越大，煤体破碎的缝隙越宽，块度越小。2009-2010年，辽宁工程技术大学力学实验室再次开展煤体气爆增透实验研究，结果表明，煤体气爆后，炮孔周围的径向裂纹丰富，气爆压力越大，裂纹越大且渗透率增加明显，甚至有部分块煤的渗透率增加了10倍左右。 　　4 液态二氧化碳致裂原理 　　二氧化碳为典型的惰性气体，在温度低于31℃且压力大于7.35MPa时会液化，而温度高于31℃时会开始汽化，且随温度的变化压力也不断变化。利用液态二氧化碳的这一特性，它可以作为研究高压气体致裂技术的理想气体。其主要工作原理为：在密闭的致裂器主管内充满液态二氧化碳气体，利用发爆器迅速激发加热装置，40ms内主管内充装的液态二氧化碳迅速气化，气体膨胀达到600余倍，同时产生大量的高压二氧化碳气体，当压力达到装置内泄能片极限压力后，泄能片瞬间（0.1s-0.5s）破断，高压气体由泄能头急速冲出，接触空气介质，产生应力波，冲击目标煤体，使目标煤体开裂，达到致裂的目的，液态二氧化碳致裂器工作原理见图1。 　　5 结束语 　　煤体致裂破坏过程是一个复杂的动态过程，并且不同性质的煤体对致裂效果的表现也不同，我国从19世纪开始对煤体致裂技术不断探索研究，从深孔