周盛涛等：二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 889· 价方面.近年来，城市建筑物近接致裂破岩工程越 10 Long vibration 来越多，系统探究CO2相变致裂动力响应特征，提 Transversal vibration Vertical vibration 出完整的致裂有害效应安全控制方法，是保障其 应用安全的重点 5二氧化碳相变致裂应用现状分析 5.1富瓦斯煤层增透与煤炭开采 -10 近年来，C02相变致裂在煤矿生产中成功应用 的报道越来越多，尤其表现在富瓦斯煤层增透领 0.2 0.3 0.4 0.5 Time/s 域4,3-s刈CO2相变致裂用于煤层增透时，致裂产 图10典型CO2相变致裂振动速度时程曲线) 生的复杂裂缝破坏了瓦斯吸附平衡，原煤中瓦斯 Fig.10 Velocity-time history curve of a typical carbon dioxide phase 逐渐解吸为游离态：此外，致裂释放的CO2与甲烷 transition fracturing vibration 形成竞争吸附关系，并能在煤岩裂缝中逐步驱替 炮烟较爆破减少了50%.整体而言，C02相变致裂 甲烷，能有效提高瓦斯抽采率.最初，王兆丰等5将 的飞石、噪声、粉尘较小，环保优势明显.陶明等9 CO2相变致裂引入九里山矿进行煤层增透试验，试 通过理论计算发现，每破碎1m的岩石，爆破生成 验分别设置有致裂孔、控制孔、水力冲孔（图11）： 气体总量约为0.202~0.217kg,C02相变致裂气体 致裂当天致裂孔瓦斯抽采流量由0.004m3min提 生成量为0.21kg.尽管两种方法破岩生成的气体 升至0.078m3min,10d内致裂孔平均瓦斯抽采 总量接近，但爆破时往往会产生CO、NO、NO2等 流量为0.057m3min,是致裂前的4.3倍，为水力 多种有害气体，CO2相变致裂仅涉及CO2的相态 冲孔抽采的23倍；此外，试验前后流量衰减系数 转换，致裂时释放无毒无害无味的C02气体，较爆 由0.384d降至0.046d,表明C02相变致裂增透 破更加安全环保 不仅效果较好，瓦斯抽采可持续性也较好.随后， 与爆破不同，浅孔CO2相变致裂时，若致裂孔 周西华等7,1将该技术引入七台河煤矿增透中， 封堵不密实，孔内的高压气体可推动致裂管向外 致裂后煤层透气性系数提高了17.49~22.76倍，平 运动，发生“飞管”，致裂管最高可脱离致裂孔向上 均瓦斯抽采体积分数提高了56.4%.李丰亮等[56 抛出20~30m.此时，致裂能量主要用于致裂管抛 将此技术用于玉溪煤矿的强化增透卸压消突，致 掷，岩体致裂效果较差，同时也对施工作业人员的 裂后钻屑瓦斯解吸指标降低11倍，日均进尺提高 安全造成一定威胁.为保证致裂效果，提高CO2相 92.8%,保证了矿井高效安全生产.Cao等7将多 变致裂安全性，可采用封孔止飞、机械止飞、泄爆 根致裂管前后相连，提出多簇气体相变致裂技术， 口止飞等方法进行控制四，保障致裂管起爆稳 并在李村煤矿等多个煤矿中取得了良好的抽采与 定性 掘进效果.此外，张嘉凡等51尝试将该技术用于 C0,相变致裂有害效应较爆破更小，致裂破岩 开采煤炭，发现块煤率提高了20%~50%，在薄层 整体安全可控，相关研究多集中于定性描述与评 煤岩中开采较好 Hydraulic flushing borehole Fracturing borehole Control borehole 2 coal seam 16051 floor drainage roadway 国11九里山矿煤层增透试验钻孔布置图5 Fig.11 Borehole layout of the coal permeability improvement experiment in Jiulishan Minelss)炮烟较爆破减少了 50%. 整体而言，CO2 相变致裂 的飞石、噪声、粉尘较小，环保优势明显. 陶明等[49] 通过理论计算发现，每破碎 1 m3 的岩石，爆破生成 气体总量约为 0.202～0.217 kg，CO2 相变致裂气体 生成量为 0.21 kg. 尽管两种方法破岩生成的气体 总量接近，但爆破时往往会产生 CO、NO、NO2 等 多种有害气体，CO2 相变致裂仅涉及 CO2 的相态 转换，致裂时释放无毒无害无味的 CO2 气体，较爆 破更加安全环保. 与爆破不同，浅孔 CO2 相变致裂时，若致裂孔 封堵不密实，孔内的高压气体可推动致裂管向外 运动，发生“飞管”，致裂管最高可脱离致裂孔向上 抛出 20～30 m. 此时，致裂能量主要用于致裂管抛 掷，岩体致裂效果较差，同时也对施工作业人员的 安全造成一定威胁. 为保证致裂效果，提高 CO2 相 变致裂安全性，可采用封孔止飞、机械止飞、泄爆 口止飞等方法进行控制[52] ，保障致裂管起爆稳 定性. CO2 相变致裂有害效应较爆破更小，致裂破岩 整体安全可控，相关研究多集中于定性描述与评 价方面. 近年来，城市建筑物近接致裂破岩工程越 来越多，系统探究 CO2 相变致裂动力响应特征，提 出完整的致裂有害效应安全控制方法，是保障其 应用安全的重点. 5    二氧化碳相变致裂应用现状分析 5.1    富瓦斯煤层增透与煤炭开采 近年来，CO2 相变致裂在煤矿生产中成功应用 的报道越来越多，尤其表现在富瓦斯煤层增透领 域[43, 53−54] . CO2 相变致裂用于煤层增透时，致裂产 生的复杂裂缝破坏了瓦斯吸附平衡，原煤中瓦斯 逐渐解吸为游离态；此外，致裂释放的 CO2 与甲烷 形成竞争吸附关系，并能在煤岩裂缝中逐步驱替 甲烷，能有效提高瓦斯抽采率. 最初，王兆丰等[55] 将 CO2 相变致裂引入九里山矿进行煤层增透试验，试 验分别设置有致裂孔、控制孔、水力冲孔（图 11）； 致裂当天致裂孔瓦斯抽采流量由 0.004 m3 ·min−1 提 升至 0.078 m3 ·min−1 ，10 d 内致裂孔平均瓦斯抽采 流量为 0.057 m3 ·min−1，是致裂前的 4.3 倍，为水力 冲孔抽采的 2.3 倍；此外，试验前后流量衰减系数 由 0.384 d−1 降至 0.046 d−1，表明 CO2 相变致裂增透 不仅效果较好，瓦斯抽采可持续性也较好. 随后， 周西华等[37, 42] 将该技术引入七台河煤矿增透中， 致裂后煤层透气性系数提高了 17.49～22.76 倍，平 均瓦斯抽采体积分数提高了 56.4%. 李丰亮等[56] 将此技术用于玉溪煤矿的强化增透卸压消突，致 裂后钻屑瓦斯解吸指标降低 11 倍，日均进尺提高 92.8%，保证了矿井高效安全生产. Cao 等[57] 将多 根致裂管前后相连，提出多簇气体相变致裂技术， 并在李村煤矿等多个煤矿中取得了良好的抽采与 掘进效果. 此外，张嘉凡等[58] 尝试将该技术用于 开采煤炭，发现块煤率提高了 20%～50%，在薄层 煤岩中开采较好. Hydraulic flushing borehole 21 coal seam 16051 floor drainage roadway 20 m 5 m Fracturing borehole Control borehole 图 11    九里山矿煤层增透试验钻孔布置图[55] Fig.11    Borehole layout of the coal permeability improvement experiment in Jiulishan Mine[55] 15 10 5 0 −5 −10 Velocity of particle vibration/(cm·s−1 ) −15 0.5 Time/s Vertical vibration Long vibration Transversal vibration 0.1 0.2 0.3 0.4 图 10    典型 CO2 相变致裂振动速度时程曲线[25] Fig.10    Velocity –time history curve of a typical carbon dioxide phase transition fracturing vibration[25] 周盛涛等： 二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 · 889 ·