MZL系列二氧化碳致裂器技术简介

二、 二氧化碳致裂器技术介绍
1、二氧化碳致裂器
图例
二氧化碳致裂器结构示意图
致裂器主管
致裂器充气头
致裂器热源体
致裂器充气头
致裂器释放头
致裂器释泄能片（释放前）
致裂器释泄能片（释放后）
2、工作原理 将一定质量液态CO2充入致裂器主管。激发时将起爆装置连接到致裂器装置 上，通过电激励致裂器内的启动器使化学热反应器迅速放热给液态CO2，利用CO2 温度超过31℃时，无论压力多大液态CO2将在40毫秒内气化的物理特性和CO2从液 态变成气态时体积增加到原体积的600倍。当瞬间膨胀压力达到定压泄能片的屈 服压力时，泄能片破断，高压气体作用到钻孔壁，使周围材料破断，整个过程 在1秒内完成。
二氧化碳致裂器还有很多难题需要攻克， 期待有志于此的专家一起共同努力！
中煤科工集团工程科技有限公司
5、 CO2气体致裂过程是可控压力致裂，根据需要选定不同规格的致裂片，致裂安全管理 简单。不必考虑多装药问题，也不用考虑炮眼封堵长度、压力要求，可根据煤层致裂需求， 适当调节爆破压力，达到理想的预裂效果； 6、致裂震动比火药爆破小，不会产生破坏性震动，对上下巷和工作面支护不会产生破坏， 爆破时诱发煤与瓦斯突出可能性小，也不易破坏煤层引起突水事故； 7、抛煤距离短，不会崩倒支柱，有利于工作面顶板管理； 8、致裂器储存及运输过程中没有任何危险，管理容易，不会对社会造成危害； 9、不产生任何有毒气体（如火药爆破产生的对人体极其有害的CO、NO、NO2等气体）； 10、致裂过程产生粉尘少，不会造成粉尘飞扬；对井下作业人员的职业病防治、降低工 人发病率有积极作用，在安全高效的同时具有较高的环保效益； 11、躲炮距离短，致裂后可立即返回工作面； 12、在相同效果下比传统爆破布置炮眼少，可以减少爆破作业时间； 13、机理与火药爆破不同，从而使产炭块率提高30%-40%。在保护煤炭资源、提高资源利 用价值的同时，煤矿企业经济效益大幅增长； 14、使用成本低：该产品操作简单，操作人员少，低耗材、充填迅速、生产效率高； 15、利用CO2相较于CH4亲煤特性，在致裂的过程置换出一定数量的吸附CH4，更好地降低 煤体瓦斯赋存量。
煤和瓦斯突出可能性小，也不易破坏煤层引起突水事故；
（3）高压气体（CO2）爆破装置在相同致裂效果下比传统爆破布置炮眼少， 预裂有效达半径3-5米；
（4）高压气体（CO2）爆破装置爆破压力是可控的，根据需要可选定不同 规格的储液致裂器、破裂片和热源活化器，使用过程中不存在违章爆破作业 问题，爆破安全管理简单，不必考虑多装药问题；不必考虑炮眼封堵长度、 压力要求；不必考虑最小抵抗线要求；储存及运输过程中没有任何危险，管 理容易不会对社会造成危害。 （5）通过实验数据分析得出采用二氧化碳爆破技术，在钻孔10m、20m处
三种压裂方式P-t曲线
与同类技术的对比优势
技术种 类 松动爆 破技术 水力压 裂技术 水力割 缝技术 最高峰值 压力 100700MPa 20-50 MPa 作用时 间 微秒级 裂缝形态及优缺点 钻孔周围形成粉碎压实带（渗透 率降低），粉碎区之外的裂隙区 作用范围有限 沿老裂缝延伸或垂直于最小地应 力方向的一条裂缝，不能在煤层 中产生预设的均匀性的多条裂缝 在钻孔煤层内形成新的切割面， 作用范围有限 在钻孔煤层内形成不受地应力约 束的大量随机裂缝，在煤层内形 成主动脉-支动脉-毛细血管的树 根状裂缝系统，裂缝系统在煤层 内能够均匀分布，煤层渗透率大 幅度提高 作用半 径 2-3米 安全状况 炸药爆轰高温与 冲击波的危险。 高压管线
由图可以看到试验前钻孔孔壁比较光滑，无明显裂隙。试验后，在排气孔附 近，钻孔孔壁受到急剧释放出的二氧化碳气体流的冲击，使原始微小裂隙扩张形 成长的裂缝，同时产生新的裂隙，增加了煤层注水流入的通道，提高了煤层的注 水效率，达到了预期的致裂效果。 （2）实验过程中振动比火药爆破小得多不会产生破坏性冲击波，致裂时诱发
2、工作面短（浅）孔高压气体（CO2）爆破工艺设计 1）沿工作面长度打若干预裂孔，孔间距在5～10m之间，根据实验预 裂作用半径确定，如作用半径大于10m，则加大孔间距继续试验，以求更 好效果。 2）工作面上下端头各留10m不打预裂孔（见图3）；
3）根据工作面采高确定工作面布孔形式，采高3m以上，采用三花眼
爆破注水的速率分别为1.5539725m3/h 和2.18133m3/h，注水效果达到预期效
果；解决了蒋庄煤矿坚硬节理不发育煤体注水弱化的难题。 （6）在实验后蒋庄煤矿的采煤过程中粉尘浓度降低62%以上，工作面环 境得到极大的改善，截齿消耗量降低了30%；增加了经济效益。
获奖证书
五、目前存在的问题和展望
（图4）；采高1.6m工作面，按图5方式布置。 4）两个预裂孔之间设一个控制孔，预裂孔和控制孔间距在5～10m之 间选取。 5）孔间距的确定实验可由小到大，依据观测结果逐渐进行。
爆破后采煤面出现的裂痕
爆破后把煤抛出
注水
注水渗透范围2.5米
实验总结： （1）预裂效果达到预期效果，通过钻孔内窥镜窥视效果如下图：
三种压裂方式在标准靶中的造缝效果 自左向右分别为松动爆破、水力压裂、二氧化碳致裂
理论及实践证明二氧化碳致裂器深孔松动预裂技术既有深孔松动爆破施 工的简易性，又有水力压裂的造缝效果，是集水力压裂、深孔松动爆破的优 点于一身的一种低成本、切实有效的技术措施。三种技术的P-t曲线（时 间—压力曲线）及试验效果照片便是很好的诠释。
米距离，采取并联起爆的方式，一次起爆；
远距离岩石拍摄
爆破前钻孔
近距离岩石拍摄
爆破后钻孔
爆破后山体情况
爆破视频
3、实际效果及经济测算 （1）平均每个致裂器爆破范围为1.5米至2.0米范围； （2）致裂管爆破3至4立方岩石； （3）每次操作五个钻孔，25个致裂器，拆卸、充装、搬运、打眼、连线和 放炮大约3个小时；
MZL系列二氧化碳致裂器 技术简介
中煤科工集团工程科技有限公司 殷卫峰
目 录
一 、背景 二 、二氧化碳致裂器技术介绍 三ห้องสมุดไป่ตู้ 技术优势 四、工程实践 五、目前存在的问题和展望
一、背 景
美国LONG AIR-DOX(朗艾道公司)最早于1938年开始研究高压气体爆破破煤技术，到 50一60年代，世界上一些采矿比较发达的国家如英、法、美、俄、波兰和挪威等国家 已将高压气体爆破采煤设备用于采煤工作面；目前该项技术已推广至岩石、混凝土和 其它物质的快速安全爆破,被广泛采用于钢铁和水泥行业。如当旋转窑、料仓或管道出 现堵塞时,进行爆破排堵。 国际主要厂家 1、英国CARDOX:目前在国内有代理商，只在水泥行业应用； 2、德国 ATD-Pressure Gas System，目前在国内没有代理商，亚太地区带代理商 在台湾； 3、2001年美国LONG AIR-DOX（朗艾道公司）和德国DBT公司合并，国内没有应用；
1、目前仍有一些技术细节需要理论支持：材料科学、岩石力学、 采矿、机械设计专业技术的研究； 2、不同使用途径的施工工艺需要制定和完善； 3、热源体使用的技术规范和行业标准需要制定； 4、大面积推广使用管制的可能； 5、耗材（热源体）的价格下降及大规模生产后的稳定性及使用
过运输程中的安全问题；
请批评指正 ！
小时级
上百米
20-30 MPa
小时级
1-2米 CO2致裂器无名火 产生，无冲击波 产生，只形成应 力波，无有害气 体发生。
CO2致裂
60-250 MPa可调
毫秒级
5-8米
四、工程实践
（一）采石场致裂实验
1、采石场简介 （1）地理位置 房山区大理石探明储量1634万 m3，保有储量1632万 m3，主要分布在大石窝、长沟等 地区，属沉积变质型大理岩。 （2）岩石参数 比重：56g/cm3、莫氏硬度：3、抗压强度：43Mpa、4、抗拉强度：54Mpa；
（3）目前开采方式
大多数矿山采用大爆破开采，荒料率极低，资源破坏严重。这给二氧化碳致裂器的使 用提供了很好地契机。
2、致裂简单设计方案 （1）致裂孔设计：孔间距1.5米、孔深5米、排间距1.5米； （2）钻孔直径90mm，用凿岩机一次成型； （3）致裂器选取外径75mm，长度1000mm； （4）液态CO2就地取材； （5）一次致裂设计5个孔，每孔之间间距1.5米，孔距离岩石壁1.5
国内主要厂家
1、徐州融海工程科技有限公司
2、煤炭科学研究院技术有限公司； 3、天地科技北京中煤矿山工程公司；
11、山东山矿测控技术有限公司 12、张家口方宇机械制造有限公司 13、河南神华能源工程有限公司
4、河北星云航天
5、长治惠元采矿器材有限公司 6、湖南汉寿煤矿机械有限公司 7、煤科集团沈阳研究院有限公司 8、北京巧力科技有限公司 9、河北亿科金属制品有限公司 10、山东名世矿业机械有限公司
试验工作面选在3上606工作面，该工作面位于北六采区，左侧为3上602工作
面采空区，右侧为实体。本工作面煤层为山西组3上煤层，煤岩成份以亮煤为主， 属半亮型煤；其物理性质为：黑色、弱玻璃光泽，硬度为2.5，厚度在3.5～3.9m之 间。煤层在面内赋存稳定，顶板为砂岩，局部伪顶为砂质泥岩 ，底板为砂质泥岩。 本工作面为矿井备用工作面，系统较独立，试验期间不会对矿井的正常采掘情况 造成影响，所以选作试验地点。
（4）钻孔90mm、深度6m、孔间距2.5m、排距1.5m，每次约97.5立方；
（5）钻孔价格30元/米，共计5*6=30米； （6）每次费用30（单个致裂器耗材）*25+30*30+300*3（人工工费）=2550
（7）每方2550/97.5=26.15元；
（二）煤层预裂注水试验
1、煤矿基本情况 蒋庄煤矿是山能枣矿集团直属的国有矿山，矿井1989年投产，设计能力150万 吨/年，2007年核定生产能力为275万吨/年，矿井主要煤系地层为二迭系山西组和 上石炭统太原组，可采煤层4层，主采煤层是3上、3下煤层，煤层倾角平缓，顶底 板条件较好。
3、爆破示意图
A.启动发爆器，开始控制爆破
C.煤体在没有粉碎的情况下向前倾斜
B.在钻孔底部，高压二氧化碳气体释放
D.落煤完成
三、技术优势
二氧化碳致裂器成套装置是一种新型低温爆破器材，该装置采用特殊化学工艺，实现 爆破过程中无明火，从源头上切断了爆破作业事故的发生，能够完全避免因爆破作业产生 高温而引发的事故。 CO2致裂与火药爆破有明显的技术优势: 1、液态CO2气化高压释放具有降温作用，且CO2又是惰性气体，完全可以避免因放炮产 生明火而引起瓦斯事故（瓦斯爆炸或瓦斯燃烧），特别适用于高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井 使用；CO2气体爆破是一种气体的体积膨胀，且是低温状态，对瓦斯具有稀释作用； 2、处理深孔CO2致裂器“哑炮”时，不存在爆炸危险性； 3、CO2致裂是高压气体渗入煤层孔隙致裂，爆破震动小，不会引发瓦斯突出等灾害； 4、用于落煤的液态CO2吸热生成高压的CO2气体，经泄能口排出，其排出是吸热过程， 产生低温CO2气体（零度以下）作功于煤体，使用过程为本质安全的；爆破装置配套耗材的 核心是热反应材料，热反应材料只用于为致裂器中的液态CO2加热，瞬间加热，形不成“爆 炸”；热反应材料中不含炸药成份，它与黑火药相比性能缓和、安全性好；