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二氧化碳相變裂巖技術(shù)在頂板治理與過(guò)斷層預(yù)裂中的

技術(shù)探索與應(yīng)用

摘要

本文針對(duì)煤礦堅(jiān)硬頂板治理與過(guò)斷層預(yù)裂兩大技術(shù)難題，深入探討了二氧化碳相變裂巖技術(shù)的原理、應(yīng)用方案及現(xiàn)場(chǎng)*。研究表明，該技術(shù)通過(guò)液態(tài)CO?瞬間相變產(chǎn)生的高壓氣體（峰值壓力可達(dá)185MPa）使頂板形成定向裂隙或?qū)鄬訋r體進(jìn)行預(yù)裂，在頂板切頂卸壓方面可使巷道圍巖變形量降低20%-30%，在過(guò)斷層預(yù)處理中可提高掘進(jìn)效率50%以上?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證實(shí)，二氧化碳相變裂巖技術(shù)具有本質(zhì)安全、能量可控和環(huán)保*等優(yōu)勢(shì)，為復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤礦安全開采提供了新的技術(shù)解決方案。

1 引言

煤礦頂板災(zāi)害和斷層破碎帶掘進(jìn)難題長(zhǎng)期困擾礦井安全生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦頂板事故占全部煤礦事故的30%以上，而過(guò)斷層期間的頂板失控與掘進(jìn)效率低下更是增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)炸藥爆破技術(shù)雖*顯著，但存在誘發(fā)瓦斯爆炸、圍巖損傷嚴(yán)重等風(fēng)險(xiǎn)；水力壓裂技術(shù)雖較為安全，但在堅(jiān)硬巖層中*有限，且受地質(zhì)條件限制較大。相比之下，二氧化碳相變裂巖技術(shù)作為一種物理爆破手段，兼具安全性與適應(yīng)性，逐漸成為礦山巖層控制的重要技術(shù)選擇。

二氧化碳相變裂巖技術(shù)起源于上世紀(jì)下半葉，*初主要用于油氣井增產(chǎn)，隨后逐步引入煤礦領(lǐng)域。該技術(shù)利用液態(tài)CO?在激發(fā)條件下瞬間氣化膨脹，產(chǎn)生高壓氣體做功破巖，全過(guò)程無(wú)明火、無(wú)高溫，且CO?氣體在一定程度上還可稀釋瓦斯?jié)舛?，兼具雙重安*應(yīng)。近年來(lái)，隨著裝備工藝的不斷完善，該技術(shù)已在頂板定向切頂、斷層帶巖體預(yù)裂等領(lǐng)域取得顯著成效。本文基于多個(gè)典型應(yīng)用案例，系統(tǒng)分析該項(xiàng)技術(shù)在頂板治理與過(guò)斷層預(yù)裂中的技術(shù)方案與應(yīng)用*，以期為類似條件礦井提供參考。

2 技術(shù)原理與核心優(yōu)勢(shì)

2.1 技術(shù)原理與工作特性

二氧化碳相變裂巖技術(shù)基于液態(tài)-氣態(tài)相變能量釋放原理，通過(guò)特定裝置將液態(tài)CO?密閉在高壓致裂管內(nèi)，利用電熱*裝置使液態(tài)CO?迅速吸熱氣化。在極短時(shí)間內(nèi)（約96毫秒），CO?由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)，體積膨脹約600倍，管內(nèi)壓力急劇上升至185MPa的峰值壓力。當(dāng)壓力超過(guò)定壓剪切片極限強(qiáng)度時(shí)，高壓氣體瞬間釋放，形成高速射流作用于煤巖體，實(shí)現(xiàn)致裂*。

與炸藥爆破的爆轟波（作用時(shí)間微秒級(jí)）不同，二氧化碳相變致裂的作用過(guò)程持續(xù)約200毫秒，屬于準(zhǔn)靜態(tài)破巖過(guò)程。這種相對(duì)緩慢的加載速率使能量更多轉(zhuǎn)化為巖體裂隙擴(kuò)展的應(yīng)變能，而非強(qiáng)烈的沖擊波，從而在保證破巖*的同時(shí)，顯著降低了對(duì)圍巖的振動(dòng)損傷與擾動(dòng)。從力學(xué)機(jī)制上看，CO?相變致裂包含了應(yīng)力波擴(kuò)展與高壓氣體楔入的雙重作用：初始應(yīng)力波使巖體產(chǎn)生徑向裂紋，隨后高壓氣體擠入并驅(qū)動(dòng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，形成貫通裂隙網(wǎng)絡(luò)。

2.2 核心優(yōu)勢(shì)分析

與傳統(tǒng)巖層控制技術(shù)相比，二氧化碳相變裂巖技術(shù)具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

本質(zhì)安全性高：全過(guò)程無(wú)火花、無(wú)高溫，從根本上杜絕了引爆瓦斯的可能性，且CO?氣體還可抑制瓦斯燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；此外，器材常壓儲(chǔ)存、運(yùn)輸，無(wú)自爆風(fēng)險(xiǎn)。

能量可控性強(qiáng)：通過(guò)調(diào)節(jié)液態(tài)CO?充裝量、定壓剪切片閾值與致裂管數(shù)量，可精確控制致裂能量輸出，適應(yīng)不同強(qiáng)度巖層條件。

環(huán)保效益顯著：致裂過(guò)程無(wú)有毒有害氣體產(chǎn)生，且CO?來(lái)源廣泛，部分CO?還可封存于煤層裂隙中，具有一定碳封存潛力。

作業(yè)適應(yīng)性廣：裝備模塊化設(shè)計(jì)，可適應(yīng)井下狹小空間，且對(duì)圍巖擾動(dòng)小，特別適用于維護(hù)巷道穩(wěn)定性要求高的區(qū)域。

3 頂板治理中的技術(shù)探索與應(yīng)用

3.1 堅(jiān)硬頂板治理的技術(shù)難題

我國(guó)大同、陜北等礦區(qū)廣泛分布著堅(jiān)硬厚層砂巖頂板，此類頂板具有強(qiáng)度高、完整性強(qiáng)和自垮能力差等特點(diǎn)。工作面回采后，頂板常形成大面積懸頂，導(dǎo)致采空區(qū)應(yīng)力集中，可能誘發(fā)沖擊地壓、頂板突然垮落等災(zāi)害。以晉能控股馬脊梁煤礦為例，該礦5015巷道受堅(jiān)硬頂板影響，圍巖變形嚴(yán)重，巷道維護(hù)困難，傳統(tǒng)爆破又因臨近采空區(qū)而風(fēng)險(xiǎn)極高。

3.2 二氧化碳致裂切頂卸壓技術(shù)

針對(duì)堅(jiān)硬頂板控制難題，研發(fā)了二氧化碳致裂切頂卸壓技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在巷道幫槽施工鉆孔，安裝致裂管并定向激發(fā)，使頂板形成一條連續(xù)的定向裂隙槽，破壞頂板的應(yīng)力傳遞路徑，使采空區(qū)頂板能夠及時(shí)垮落，減小懸頂面積。

關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括切頂高度與切頂角度。數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，切頂高度對(duì)卸壓*影響顯著：當(dāng)切頂高度由5m增加至8m時(shí)，煤柱應(yīng)力峰值降低25%，但進(jìn)一步增加至10m時(shí)，應(yīng)力僅再降3%，說(shuō)明存在合理切頂高度閾值。此外，切頂角度優(yōu)化也至關(guān)重要，小角度切頂更利于優(yōu)化巷道附近應(yīng)力分布，而大角度切頂則使應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)一步向煤柱深處轉(zhuǎn)移。

表1：不同切頂參數(shù)下的卸壓*對(duì)比

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與*分析

在馬脊梁煤礦5015巷道的工業(yè)性試驗(yàn)中，采用二氧化碳相變裂巖技術(shù)進(jìn)行切頂卸壓，使用MZL200-57-1000型致裂器，單孔致裂半徑達(dá)3-4米。應(yīng)用后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：頂?shù)装逡平拷档?2.6%，兩幫變形量減少28.7%，支承壓力峰值下降21.8%，巷道維護(hù)周期延長(zhǎng)約40%。

在塔山煤礦8218工作面的應(yīng)用中，二氧化碳致裂技術(shù)處理堅(jiān)硬頂板，取得了與傳統(tǒng)炸藥爆破相當(dāng)?shù)姆彭?，但安全性顯著提高，且無(wú)需繁瑣的炸藥審批管理程序。焦煤集團(tuán)九里山礦的應(yīng)用也表明，該技術(shù)能使工作面推進(jìn)后老頂順利垮落，保證了工作面的正常接替。

4 過(guò)斷層預(yù)裂的技術(shù)方法與工程實(shí)踐

4.1 斷層破碎帶巷道掘進(jìn)難題

斷層破碎帶是煤礦巷道掘進(jìn)的主要障礙之一，其內(nèi)部充填的碎裂巖體與應(yīng)力異常常導(dǎo)致掘進(jìn)效率驟降，甚至誘發(fā)突水、冒頂?shù)葹?zāi)害。傳統(tǒng)機(jī)械破巖法在堅(jiān)硬斷層帶中截齒損耗高、進(jìn)度緩慢；而炸藥爆破又風(fēng)險(xiǎn)巨大，特別是在高瓦斯礦井中。

4.2 斷層預(yù)裂機(jī)理與技術(shù)參數(shù)

二氧化碳相變斷層預(yù)裂技術(shù)通過(guò)在掘進(jìn)面前方斷層帶施工鉆孔并布置致裂管，利用高壓CO?氣體在巖體中產(chǎn)生并擴(kuò)展裂隙，從而弱化巖體強(qiáng)度，為后續(xù)機(jī)械掘進(jìn)創(chuàng)造有利條件。這種預(yù)裂作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，降低巖體完整性；解除應(yīng)力集中，減小沖擊風(fēng)險(xiǎn)；改善瓦斯逸散，防止瓦斯積聚。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，針對(duì)不同寬度斷層帶的推薦致裂參數(shù)如下：

表2：斷層預(yù)裂關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選擇

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例

馬脊梁礦在8105綜采工作面過(guò)硬巖斷層中，采用二氧化碳深孔致裂爆破技術(shù)松動(dòng)巖層。應(yīng)用后，巖體得到充分預(yù)裂和松動(dòng)，且無(wú)碎石飛擲現(xiàn)象，采煤機(jī)過(guò)斷層時(shí)間節(jié)省了一半，截齒消耗減少50%，生產(chǎn)效率顯著提高。

在斜風(fēng)井巖巷掘進(jìn)中開展的液態(tài)二氧化碳相變致裂掏槽試驗(yàn)表明，采用單根致裂器與多根致裂器聯(lián)爆的方案均能有效形成掏槽空間，為過(guò)斷層提供了有利的工作面條件。山西綠塘煤礦應(yīng)用液態(tài)CO?相變致裂增透消突-快速掘巷一體化技術(shù)，成功解決了工作面軌道巷瓦斯突出、煤層透氣性差、掘巷速度慢等工程難題。

5 應(yīng)用*、挑戰(zhàn)與未來(lái)展望

5.1 技術(shù)綜合效益分析

二氧化碳相變裂巖技術(shù)在頂板治理與過(guò)斷層預(yù)裂中展現(xiàn)出多重優(yōu)勢(shì)：

安*益：從根本上杜絕了傳統(tǒng)爆破的火源風(fēng)險(xiǎn)，特別適用于高瓦斯礦井及復(fù)雜地質(zhì)條件。

經(jīng)濟(jì)效益：雖然單次致裂成本較高，但綜合考慮設(shè)備復(fù)用性（致裂器可重復(fù)使用）、工時(shí)縮短及安全成本，總體經(jīng)濟(jì)效益顯著。實(shí)際應(yīng)用表明，相較機(jī)械或破裂劑靜態(tài)膨脹破巖，工期縮短一倍以上，直接成本降低40%-60%。

環(huán)保效益：全過(guò)程無(wú)有毒有害物質(zhì)產(chǎn)生，CO?可作為碳資源部分封存，符合綠色礦山建設(shè)方向。

5.2 當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管二氧化碳相變裂巖技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但在實(shí)踐中仍面臨諸多挑戰(zhàn)：

深孔定位精度不足：隨著鉆孔深度增加，致裂器推送阻力增大，精準(zhǔn)定位困難，影響預(yù)裂*。

參數(shù)優(yōu)化體系不完善：不同地質(zhì)條件下*佳裝藥量、孔間距、起爆時(shí)序等參數(shù)多依賴經(jīng)驗(yàn)，缺乏系統(tǒng)理論指導(dǎo)。

*評(píng)價(jià)手段有限：目前主要基于宏觀觀察與抽采數(shù)據(jù)，缺乏對(duì)裂隙擴(kuò)展過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精確評(píng)估方法。

裝備適應(yīng)性有待提升：現(xiàn)有裝備在極端地質(zhì)條件（如高地壓、高水溫）下的可靠性與耐久性仍需改進(jìn)。

5.3 未來(lái)發(fā)展方向

基于當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用需求，二氧化碳相變裂巖技術(shù)未來(lái)將向以下方向發(fā)展：

智能化致裂系統(tǒng)：研發(fā)集成傳感、控制與反饋的智能致裂裝備，實(shí)現(xiàn)致裂參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整與*實(shí)時(shí)評(píng)估。

參數(shù)精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)：借助人工智能與數(shù)值模擬，構(gòu)建不同地質(zhì)條件下的參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)，推動(dòng)經(jīng)驗(yàn)化向精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變。

多技術(shù)融合應(yīng)用：探索CO?致裂與水力壓裂、化學(xué)膨脹等技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的復(fù)合致裂工藝。

碳中和路徑整合：將CO?致裂與礦井碳捕集與封存技術(shù)結(jié)合，探索"致裂-封存一體化"技術(shù)路徑，助力煤礦實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

6、結(jié)論

二氧化碳相變裂巖技術(shù)作為一項(xiàng)本質(zhì)安全、綠色*的巖層控制技術(shù)，在煤礦頂板治理與過(guò)斷層預(yù)裂中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)工程實(shí)踐與*分析，可得出以下結(jié)論：

該技術(shù)利用液態(tài)CO?相變瞬間產(chǎn)生的高壓氣體（峰值壓力達(dá)185MPa）破巖，作用過(guò)程安全可控，對(duì)圍巖擾動(dòng)小，特別適用于高瓦斯礦井的巖層處理。

在頂板治理方面，通過(guò)切頂卸壓技術(shù)可有效控制巷道變形，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明頂?shù)装逡平拷档?/span>22.6%-28.7%，顯著改善了巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境。

在過(guò)斷層預(yù)裂方面，該技術(shù)能有效弱化斷層帶巖體強(qiáng)度，提高機(jī)械掘進(jìn)效率50%以上，同時(shí)大幅降低截齒損耗與支護(hù)成本。

未來(lái)隨著智能化控制、參數(shù)精準(zhǔn)化及多技術(shù)融合的發(fā)展，二氧化碳相變裂巖技術(shù)將在煤礦安全*開采中發(fā)揮更為重要的作用，為復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖層控制提供可靠技術(shù)保障。

隨著煤炭資源向深部開采發(fā)展以及安全環(huán)保要求的不斷提高，二氧化碳相變裂巖技術(shù)以其*優(yōu)勢(shì)，必將成為煤礦巖層控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，推動(dòng)煤炭開采向更安全、*、綠色的方向邁進(jìn)。

文中部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于相關(guān)文獻(xiàn)。

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2025年11月21日