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二氧化碳相變裂巖技術在頂板治理與過斷層預裂中的

技術探索與應用

摘要

本文針對煤礦堅硬頂板治理與過斷層預裂兩大技術難題，深入探討了二氧化碳相變裂巖技術的原理、應用方案及現場*。研究表明，該技術通過液態CO?瞬間相變產生的高壓氣體（峰值壓力可達185MPa）使頂板形成定向裂隙或對斷層巖體進行預裂，在頂板切頂卸壓方面可使巷道圍巖變形量降低20%-30%，在過斷層預處理中可提高掘進效率50%以上。現場應用證實，二氧化碳相變裂巖技術具有本質安全、能量可控和環保*等優勢，為復雜地質條件下的煤礦安全開采提供了新的技術解決方案。

1 引言

煤礦頂板災害和斷層破碎帶掘進難題長期困擾礦井安全生產。據統計，我國煤礦頂板事故占全部煤礦事故的30%以上，而過斷層期間的頂板失控與掘進效率低下更是增加了安全風險。傳統炸藥爆破技術雖*顯著，但存在誘發瓦斯爆炸、圍巖損傷嚴重等風險；水力壓裂技術雖較為安全，但在堅硬巖層中*有限，且受地質條件限制較大。相比之下，二氧化碳相變裂巖技術作為一種物理爆破手段，兼具安全性與適應性，逐漸成為礦山巖層控制的重要技術選擇。

二氧化碳相變裂巖技術起源于上世紀下半葉，*初主要用于油氣井增產，隨后逐步引入煤礦領域。該技術利用液態CO?在激發條件下瞬間氣化膨脹，產生高壓氣體做功破巖，全過程無明火、無高溫，且CO?氣體在一定程度上還可稀釋瓦斯濃度，兼具雙重安*應。近年來，隨著裝備工藝的不斷完善，該技術已在頂板定向切頂、斷層帶巖體預裂等領域取得顯著成效。本文基于多個典型應用案例，系統分析該項技術在頂板治理與過斷層預裂中的技術方案與應用*，以期為類似條件礦井提供參考。

2 技術原理與核心優勢

2.1 技術原理與工作特性

二氧化碳相變裂巖技術基于液態-氣態相變能量釋放原理，通過特定裝置將液態CO?密閉在高壓致裂管內，利用電熱*裝置使液態CO?迅速吸熱氣化。在極短時間內（約96毫秒），CO?由液態轉變為超臨界狀態，體積膨脹約600倍，管內壓力急劇上升至185MPa的峰值壓力。當壓力超過定壓剪切片極限強度時，高壓氣體瞬間釋放，形成高速射流作用于煤巖體，實現致裂*。

與炸藥爆破的爆轟波（作用時間微秒級）不同，二氧化碳相變致裂的作用過程持續約200毫秒，屬于準靜態破巖過程。這種相對緩慢的加載速率使能量更多轉化為巖體裂隙擴展的應變能，而非強烈的沖擊波，從而在保證破巖*的同時，顯著降低了對圍巖的振動損傷與擾動。從力學機制上看，CO?相變致裂包含了應力波擴展與高壓氣體楔入的雙重作用：初始應力波使巖體產生徑向裂紋，隨后高壓氣體擠入并驅動裂紋進一步擴展，形成貫通裂隙網絡。

2.2 核心優勢分析

與傳統巖層控制技術相比，二氧化碳相變裂巖技術具有以下顯著優勢：

本質安全性高：全過程無火花、無高溫，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式反應；此外，器材常壓儲存、運輸，無自爆風險。

能量可控性強：通過調節液態CO?充裝量、定壓剪切片閾值與致裂管數量，可精確控制致裂能量輸出，適應不同強度巖層條件。

環保效益顯著：致裂過程無有毒有害氣體產生，且CO?來源廣泛，部分CO?還可封存于煤層裂隙中，具有一定碳封存潛力。

作業適應性廣：裝備模塊化設計，可適應井下狹小空間，且對圍巖擾動小，特別適用于維護巷道穩定性要求高的區域。

3 頂板治理中的技術探索與應用

3.1 堅硬頂板治理的技術難題

我國大同、陜北等礦區廣泛分布著堅硬厚層砂巖頂板，此類頂板具有強度高、完整性強和自垮能力差等特點。工作面回采后，頂板常形成大面積懸頂，導致采空區應力集中，可能誘發沖擊地壓、頂板突然垮落等災害。以晉能控股馬脊梁煤礦為例，該礦5015巷道受堅硬頂板影響，圍巖變形嚴重，巷道維護困難，傳統爆破又因臨近采空區而風險極高。

3.2 二氧化碳致裂切頂卸壓技術

針對堅硬頂板控制難題，研發了二氧化碳致裂切頂卸壓技術。該技術通過在巷道幫槽施工鉆孔，安裝致裂管并定向激發，使頂板形成一條連續的定向裂隙槽，破壞頂板的應力傳遞路徑，使采空區頂板能夠及時垮落，減小懸頂面積。

關鍵技術參數包括切頂高度與切頂角度。數值模擬與現場試驗表明，切頂高度對卸壓*影響顯著：當切頂高度由5m增加至8m時，煤柱應力峰值降低25%，但進一步增加至10m時，應力僅再降3%，說明存在合理切頂高度閾值。此外，切頂角度優化也至關重要，小角度切頂更利于優化巷道附近應力分布，而大角度切頂則使應力集中區進一步向煤柱深處轉移。

表1：不同切頂參數下的卸壓*對比

3.3 現場應用與*分析

在馬脊梁煤礦5015巷道的工業性試驗中，采用二氧化碳相變裂巖技術進行切頂卸壓，使用MZL200-57-1000型致裂器，單孔致裂半徑達3-4米。應用后監測數據顯示：頂底板移近量降低22.6%，兩幫變形量減少28.7%，支承壓力峰值下降21.8%，巷道維護周期延長約40%。

在塔山煤礦8218工作面的應用中，二氧化碳致裂技術處理堅硬頂板，取得了與傳統炸藥爆破相當的放頂*，但安全性顯著提高，且無需繁瑣的炸藥審批管理程序。焦煤集團九里山礦的應用也表明，該技術能使工作面推進后老頂順利垮落，保證了工作面的正常接替。

4 過斷層預裂的技術方法與工程實踐

4.1 斷層破碎帶巷道掘進難題

斷層破碎帶是煤礦巷道掘進的主要障礙之一，其內部充填的碎裂巖體與應力異常常導致掘進效率驟降，甚至誘發突水、冒頂等災害。傳統機械破巖法在堅硬斷層帶中截齒損耗高、進度緩慢；而炸藥爆破又風險巨大，特別是在高瓦斯礦井中。

4.2 斷層預裂機理與技術參數

二氧化碳相變斷層預裂技術通過在掘進面前方斷層帶施工鉆孔并布置致裂管，利用高壓CO?氣體在巖體中產生并擴展裂隙，從而弱化巖體強度，為后續機械掘進創造有利條件。這種預裂作用主要體現在三個方面：形成裂隙網絡，降低巖體完整性；解除應力集中，減小沖擊風險；改善瓦斯逸散，防止瓦斯積聚。

根據現場試驗，針對不同寬度斷層帶的推薦致裂參數如下：

表2：斷層預裂關鍵技術參數選擇

4.3 現場應用案例

馬脊梁礦在8105綜采工作面過硬巖斷層中，采用二氧化碳深孔致裂爆破技術松動巖層。應用后，巖體得到充分預裂和松動，且無碎石飛擲現象，采煤機過斷層時間節省了一半，截齒消耗減少50%，生產效率顯著提高。

在斜風井巖巷掘進中開展的液態二氧化碳相變致裂掏槽試驗表明，采用單根致裂器與多根致裂器聯爆的方案均能有效形成掏槽空間，為過斷層提供了有利的工作面條件。山西綠塘煤礦應用液態CO?相變致裂增透消突-快速掘巷一體化技術，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 應用*、挑戰與未來展望

5.1 技術綜合效益分析

二氧化碳相變裂巖技術在頂板治理與過斷層預裂中展現出多重優勢：

安*益：從根本上杜絕了傳統爆破的火源風險，特別適用于高瓦斯礦井及復雜地質條件。

經濟效益：雖然單次致裂成本較高，但綜合考慮設備復用性（致裂器可重復使用）、工時縮短及安全成本，總體經濟效益顯著。實際應用表明，相較機械或破裂劑靜態膨脹破巖，工期縮短一倍以上，直接成本降低40%-60%。

環保效益：全過程無有毒有害物質產生，CO?可作為碳資源部分封存，符合綠色礦山建設方向。

5.2 當前面臨的技術挑戰

盡管二氧化碳相變裂巖技術優勢明顯，但在實踐中仍面臨諸多挑戰：

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，精準定位困難，影響預裂*。

參數優化體系不完善：不同地質條件下*佳裝藥量、孔間距、起爆時序等參數多依賴經驗，缺乏系統理論指導。

*評價手段有限：目前主要基于宏觀觀察與抽采數據，缺乏對裂隙擴展過程的實時監測與精確評估方法。

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

5.3 未來發展方向

基于當前技術現狀與應用需求，二氧化碳相變裂巖技術未來將向以下方向發展：

智能化致裂系統：研發集成傳感、控制與反饋的智能致裂裝備，實現致裂參數自適應調整與*實時評估。

參數精準化設計：借助人工智能與數值模擬，構建不同地質條件下的參數優化數據庫，推動經驗化向精準化轉變。

多技術融合應用：探索CO?致裂與水力壓裂、化學膨脹等技術的協同效應，形成優勢互補的復合致裂工藝。

碳中和路徑整合：將CO?致裂與礦井碳捕集與封存技術結合，探索"致裂-封存一體化"技術路徑，助力煤礦實現碳中和目標。

6、結論

二氧化碳相變裂巖技術作為一項本質安全、綠色*的巖層控制技術，在煤礦頂板治理與過斷層預裂中展現出廣闊的應用前景。通過工程實踐與*分析，可得出以下結論：

該技術利用液態CO?相變瞬間產生的高壓氣體（峰值壓力達185MPa）破巖，作用過程安全可控，對圍巖擾動小，特別適用于高瓦斯礦井的巖層處理。

在頂板治理方面，通過切頂卸壓技術可有效控制巷道變形，現場應用表明頂底板移近量降低22.6%-28.7%，顯著改善了巷道圍巖應力環境。

在過斷層預裂方面，該技術能有效弱化斷層帶巖體強度，提高機械掘進效率50%以上，同時大幅降低截齒損耗與支護成本。

未來隨著智能化控制、參數精準化及多技術融合的發展，二氧化碳相變裂巖技術將在煤礦安全*開采中發揮更為重要的作用，為復雜地質條件下的巖層控制提供可靠技術保障。

隨著煤炭資源向深部開采發展以及安全環保要求的不斷提高，二氧化碳相變裂巖技術以其*優勢，必將成為煤礦巖層控制領域的關鍵技術之一，推動煤炭開采向更安全、*、綠色的方向邁進。

文中部分數據來源于相關文獻。

山西中德鼎立集團有限公司

2025年11月21日