摘要与核心技术全景

在我国西南（贵州、四川）、中原（河南平顶山、焦作）及安徽两淮等深部矿区，赋存着大量高瓦斯含量（$12 \sim 25 ext{ m}^3/ ext{t}$）、高瓦斯压力（$P_g > 3.0 ext{ MPa}$）的“松软低透气性严重突出煤层”。这类煤层普遍经历强烈的构造剪切破坏，煤体坚固性系数极低（$f = 0.25 \sim 0.45$，俗称“构造软煤”），内生裂隙闭合，基质微孔隙发育但有效喉道连通性极差（原始渗透率常低于 $10^{-4} \sim 10^{-3} ext{ mD}$）。

在严苛的高地应力挤压下，传统的顺层或穿层密集钻孔瓦斯预抽面临“钻孔易塌陷变形夹钻、有效抽采半径极其狭窄（仅 0.4~0.8m）、抽采衰减极快”的死结。由于瓦斯在孔隙基质中解吸运移阻力极大，一个千万吨级回采工作面若要达到国家规定的消突红线（瓦斯预抽率 $\ge 30\%$、残余瓦斯含量 $< 8 ext{ m}^3/ ext{t}$、残余瓦斯压力 $< 0.74 ext{ MPa}$），往往需要预抽 12~18 个月以上，严重制约矿井采掘接续平衡，导致采掘失调甚至诱发掘进工作面恶性瓦斯突出煤尘爆炸灾难。

虽然常规水力压裂或炸药爆破能在一定程度上增加裂隙，但在松软煤层中水力压裂极易诱发强烈的“水锁效应（Water Trapping）”，注入的大量高压水分侵入煤体微孔隙后，受强大的毛细管力束缚难以排出，反而严重阻碍瓦斯解吸流动；而炸药爆破具有高温明火风险，在突出煤层中极易引爆瓦斯，属于严禁工况。

液体二氧化碳（$ ext{L-CO}_2$）相变致裂技术（又称二氧化碳爆破致裂），属于纯物理、无明火、低温低扰动的高效致裂增透工艺。利用液态 $ ext{CO}_2$ 在微秒级加热激发下瞬间转化为超临界高压气体、体积急剧膨胀 600 余倍释放出的巨大能量，既无炸药爆轰产生的千度高温烈焰，又无水力压裂导致的水相渗透损害。中矿天智矿山瓦斯综合治理与灾害防控技术团队，依托长平、成庄、新田等高瓦斯突出矿井的实操积淀，创新形成了涵盖“超深定向钻孔布置—液体 $ ext{CO}_2$ 井下带压充装与能量激发—三维裂隙渗透率演化解算—两堵一注带压囊袋严密封孔—高负压瓦斯抽采动态闭环”的全成套技术体系。本文深入推导了相变瞬态冲击压力演化力学本构与煤体裂隙张开立方定律，给出了致裂参数优化计算矩阵与消突达标评判准则，为高危矿井瓦斯快速治理提供了坚实的理论与工程依据。

一、 液体二氧化碳相变爆炸力学与裂隙扩展动力学模型

1.1 液体二氧化碳相变热力学瞬态突变过程

储存在高强特制合金致裂管内的液体二氧化碳，在未激发前处于常温高压储存状态（压力约为 $6.0 \sim 8.0 ext{ MPa}$，温度 $15 \sim 25 ext{℃}$）。当井下本安点火仪输出毫安级毫秒脉冲电流引燃管内化学释能管（发热剂主要成分为无毒高能发热复合材料，反应仅持续 2~4 毫秒且在金属管内完全密闭反应）时，瞬态释放出巨大的焦耳热量。

管内液体二氧化碳在微秒级时间内吸收剧烈热能，温度与内能急剧攀升，瞬间跨越超临界流体状态（临界温度 31.1℃、临界压力 7.38 MPa），液态发生超快相变汽化，管内流体膨胀压力以几何级数飙升。当管内腔体压力达到预置特种剪切释能破裂片的额定剪切破坏强度极限（$P_{ ext{rupture}} = 240 \sim 300 ext{ MPa}$）时，定压剪切片瞬间脆性破断。

液体CO2超临界高压相变爆炸冲击波裂隙起裂扩展与煤层增透机理模型
图2：相变膨胀应力波起裂区分布、主裂隙贯通扩展网络与高负压瓦斯解吸流动矢量模型

1.2 相变瞬态冲击应力波与准静态气楔劈裂双重破岩力学方程

超高压气态 $ ext{CO}_2$ 从致裂管泄能导流孔高速喷射冲出，对钻孔孔壁产生强烈的瞬态冲击压缩载荷与准静态气楔驱替：

#### 1. 冲击波区应力波动方程与动态压剪张裂判据

膨胀气体在钻孔煤壁处诱发的动水锤冲击压力 $P_{ ext{shock}}(t)$ 可表达为非定常指数衰减波形：

$$P_{ ext{shock}}(t) = P_{ ext{peak}} \cdot \exp\left( - rac{t}{t_0} ight) \cdot \sin\left( rac{\pi t}{2 t_{ ext{rise}}} ight)$$

式中：$P_{ ext{peak}}$ 为瞬态冲击峰值压力（孔壁实测可达 $120 \sim 180 ext{ MPa}$）；$t_{ ext{rise}}$ 为压力上升时间（仅 $0.5 \sim 1.5 ext{ ms}$）；$t_0$ 为压力衰减特征时间常数。在强冲击波作用下，孔壁周围 $0.3 \sim 0.6 ext{ m}$ 范围内煤体承受超高动态压应力，超越煤体动态抗压强度，形成微破裂粉碎损伤圈；随着应力波向外传播衰减为拉伸波，在切向动拉应力 $\sigma_{ heta}(r, t)$ 驱动下，产生密集的辐射状径向主裂纹：

$$\sigma_{ heta}(r, t) = rac{P_{ ext{shock}}(t) \cdot r_0^2}{r^2} \cdot \left[ (1 - 2

u_m) - rac{r_0^2}{r^2} ight] \ge \sigma_t^d$$

式中 $\sigma_t^d$ 为构造煤动态抗拉强度（松软煤通常极低，仅 $0.3 \sim 0.8 ext{ MPa}$），$r_0$ 为钻孔半径。

#### 2. 高压气楔长效驱动主次裂隙网络贯通

紧随冲击波之后，大量的超临界 $ ext{CO}_2$ 气体顺着初生裂纹高速楔入。由于气体流速高、黏度极低（在井下条件下仅为水黏度的 $1/15 \sim 1/20$），高压气体能够深入微米级原始微裂隙，产生持续的“气楔劈裂作用（Gas-Wedge Effect）”，迫使裂纹沿煤层主割理、节理方向长距离扩展贯通，将有效致裂增透半径 $R_{ ext{crack}}$ 扩大至 $3.5 \sim 5.5 ext{ m}$。

二、 裂隙网络开度演化与煤层瓦斯达西-柯森渗透率增量模型

2.1 考虑有效应力释放的裂隙开度立方定律（Cubic Law）

瓦斯在煤体裂隙中的渗流运动服从修正 Darcy 定律。将相变致裂后的微裂隙等效为平行板裂隙网络，裂隙渗透率 $k_f$ 与裂隙几何水力开度 $w_f$ 严格满足流体力学立方定律：

$$k_f = rac{b \cdot w_f^3}{12 \cdot S_{ ext{spacing}}}$$

式中：$w_f$ 为裂隙平均水力开度（$\mu ext{m}$）；$S_{ ext{spacing}}$ 为相向裂隙平均间距；$b$ 为三维正交裂隙修正系数。

液体CO2高压充装致裂管、能量释放剪切破裂片与智能点火控制仪特写
图4：重型特种合金致裂套管、恒阻定压剪切释能片、电热发生装置与智能高压注气控制仪

2.2 卸压-吸附膨胀应力多场耦合渗透率演化方程

相变致裂不仅物理胀开新裂纹，更使钻孔周边煤体形成三维应力卸压区。随着高压瓦斯被高负压抽采管路连续抽出，煤体基质中吸附的瓦斯发生强烈解吸（服从 Langmuir 等温吸附方程），导致煤基质收缩变小，进而促使裂隙开度进一步次生增大。综合考虑基质收缩与有效应力改变，煤层动态渗透率 $k(t)$ 演化解析方程为：

$$k(t) = k_0 \cdot \left\{ 1 + rac{C_{ ext{crack}}}{\phi_0} \cdot \left[ rac{\Delta \sigma_{ ext{eff}}}{E_m} + rac{ arepsilon_L \cdot P_L}{(P_g + P_L)^2} \cdot \Delta P_g ight] ight\}^3$$

式中各项关键工程物理参数定义如下：

  • $k_0$：煤层原始未扰动渗透率（通常仅 $0.002 \sim 0.05 ext{ mD}$）；
  • $\phi_0$：初始裂隙孔隙率（$0.8\% \sim 1.5\%$）；
  • $C_{ ext{crack}}$：相变致裂诱发的裂隙密度增强因数（实测取 $15 \sim 35$）；
  • $\Delta \sigma_{ ext{eff}}$：致裂后煤体骨架承受的有效压应力卸荷释放量（$ ext{MPa}$）；
  • $E_m$：构造煤的大尺度弹性模量（取 $0.8 \sim 1.8 ext{ GPa}$）；
  • $ arepsilon_L, P_L$：煤样 Langmuir 极限体积吸附变形应变常数与特征吸附压力常数；
  • $\Delta P_g$：预抽阶段瓦斯孔隙压力下降压差。

理论与实测结论：相变致裂后，在孔周 $3 \sim 5 ext{ m}$ 核心范围内，煤层综合透气性系数 $k$ 呈现 $25 \sim 60$ 倍的跳跃式爆炸级增进，彻底解除了瓦斯基质解吸运移的物理阻碍。

三、 超深孔相变致裂工艺装备与“两堵一注”带压封孔施工规程

3.1 专用高强度相变致裂装备成套配置

一套完整的井下 $ ext{L-CO}_2$ 致裂系统由四大关键装备单元构成：

  1. 致裂储能管柱：采用 42CrMo 航空级特种调质合金无缝钢管制成，外径 $\Phi 89 \sim 108 ext{ mm}$，耐压上限达 $400 ext{ MPa}$，具备多次重复使用抗疲劳寿命；
  2. 定压释能剪切片：采用高精度热处理硬质紫铜合金或特殊钛合金制作，厚度偏差小于 $\pm 0.02 ext{ mm}$，确保在额定设计破断压力（如 $260 ext{ MPa}$）下瞬时平整破裂；
  3. 井下防爆充装加压泵站：将外来低温储罐中的液体 $ ext{CO}_2$ 经低温往复式柱塞泵增压至 $8 \sim 12 ext{ MPa}$ 充入致裂管内；
  4. 本安型高能脉冲致裂起爆仪：输出安全交变调制脉冲，具备自检漏电、闭锁保护、毫秒级定时点火控制。
长钻孔内放入相变致裂管与两堵一注双向囊袋带压封孔作业现场
图3：钻探工程师在抽采钻场推入多节串联相变致裂管并连接高压囊袋注浆封孔管线

3.2 超深孔相变致裂与高压严密封孔作业流程（SOP）

[定向长钻孔精准钻进成孔 (深度 120~180m, 孔径 Φ120mm)]
       │
       ▼
[钻孔全长风力/机械深孔清渣除尘与孔壁全景光学窥视]
       │
       ▼
[管柱串联组装 (3~5节致裂管串联, 间隔 6~8m 聚氨酯定距对中环)]
       │
       ▼
[推管入孔至设计预裂目标层位 (距孔底 15~20m 预留安全自由面)]
       │
       ▼
[“两堵一注”带压双囊袋气动膨胀注浆密封 (封孔段长 ≥ 18m, 注浆压力 2.5~3.5 MPa)]
       │
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[地面/避难硐室远程微秒级点火起爆 (相变高压气楔多级连续激发)]
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       ▼
[接入井下高负压瓦斯抽采干管 (负压 ≥ 25 kPa, 智能孔板连续计量)]

#### 常见煤层增透增抽技术全维度对比矩阵

技术评估维度 水力压裂增透 深孔预裂炸药爆破 大直径机械打钻造穴 液体 CO2 相变致裂（推荐）
本安安全属性 高（无火源） 极低（爆轰明火高危） 高（纯机械切削） 本质安全（无明火、低温阻燃）
对构造软煤适应性 差（水敏易诱发煤泥化水锁） 较差（易震塌钻孔诱发瓦斯超限） 极差（极易发生卡钻顶钻抱钻） 优异（气楔劈裂，干燥无水伤害）
有效增透辐射半径 3.0 ~ 6.0 m（不均匀单裂缝） 1.5 ~ 2.5 m（受炸药限量约束） 0.8 ~ 1.5 m（局部卸压） 3.5 ~ 5.5 m（三维网状复杂微裂隙）
抽采浓度衰减周期 快（约 30 天后急剧衰减） 中等（45 天左右） 极快（煤粉塌孔堵塞喉道） 极慢（长效稳定高抽达 120 天以上）
单孔施工综合造价 高（需大功率高压泵站与耗水） 中等（火工品审批与安保成本高） 低（但成孔率与消突合格率低） 经济高效（致裂管重复使用超百次）

四、 瓦斯抽采动态闭环与突出危险消除指标精准评判

4.1 抽采全生命周期参数智能物联监控

致裂完成后，钻孔立即接入矿井集中负压瓦斯抽采管网。在每个钻场汇流支管与重点致裂孔孔口，均安装矿用隔爆型本安多参量瓦斯综合流量传感器，实现 24 小时连续秒级监测：

  1. 瓦斯抽采体积分数 $C_{ ext{CH}_4}$（%）；
  2. 混合流量与标准纯流量 $Q_{ ext{pure}}$（$ ext{m}^3/ ext{min}$）；
  3. 钻孔孔内抽采负压 $P_{ ext{neg}}$（$ ext{kPa}$，要求孔口维持在 $\ge 20 ext{ kPa}$）；
  4. 抽采气体温度与孔口一氧化碳本底浓度。
瓦斯防突专家与矿总工程师联合签署煤层预抽瓦斯消突达标评价书
图5：集团防突委员会与总工联席会审煤层预抽消突多指标达标评价报告与取芯分析数据

4.2 国家法定防突消突效果两级检验评判体系

依据国家矿山安全监察局《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》及《防治煤与瓦斯突出细则》第七十六条规定，突出煤层采掘工作面在推进前，必须严格执行“两验证一评价”消突法定程序：

#### 1. 区域预抽效果指标直接验算评价

  • 残余瓦斯含量指标：回采工作面残余瓦斯含量 $W_{ ext{res}} < 8.0 ext{ m}^3/ ext{t}$（高突且深井强冲倾向矿井推荐控制在 $< 6.0 ext{ m}^3/ ext{t}$）；
  • 残余瓦斯压力指标：残余瓦斯压力 $P_{ ext{res}} < 0.74 ext{ MPa}$；
  • 回采工作面瓦斯预抽率指标：预抽率 $\eta_{ ext{drain}} \ge 30\%$（高产高效综采工作面要求 $\ge 45\%$）：
$$\eta_{ ext{drain}} = rac{Q_{ ext{total\_drain}}}{W_0 \cdot A_{ ext{face}} \cdot M_{ ext{coal}} \cdot ho_{ ext{coal}}} imes 100\% \ge 30\%$$

#### 2. 工作面掘进/回采前区域验证动态指标

在工作面迎头至少施工 5 组效检钻孔，实测钻屑瓦斯解吸指标 $K_1$ 与钻屑量 $S$：

  • 钻屑瓦斯解吸指标：长焰煤、气煤 $K_1 < 0.5 ext{ mL}/( ext{g}\cdot ext{min}^{0.5})$，焦煤、无烟煤 $K_1 < 0.4 ext{ mL}/( ext{g}\cdot ext{min}^{0.5})$；
  • 最大每米钻屑量：孔径 $\Phi 42 ext{ mm}$ 时，实测最大钻屑量 $S_{\max} < 6.0 ext{ kg/m}$；
  • 绝对指标安全红线：若有任意一个钻孔指标超过门槛值，或在钻孔施工中出现喷孔、顶钻、响煤炮等动力动力前兆，必须立即判定为“消突未达标”，坚决停止采掘作业并追加两轮强化相变致裂增透。

五、 工程案例实证：山西晋城高瓦斯矿区消突实操

5.1 复杂高瓦斯突出矿井工况特征

山西晋城长平矿区 3 号煤层平均厚度 5.6m，瓦斯压力高达 2.85 MPa，原始瓦斯含量高达 $18.4 ext{ m}^3/ ext{t}$，煤体坚固性系数 $f = 0.35$。原采用常规顺层密集钻孔（孔距 1.5m），抽采 6 个月后，瓦斯单孔抽采纯量迅速跌破 $0.015 ext{ m}^3/ ext{min}$，工作面掘进时频繁喷孔超限，掘进月进尺长期受制在 45~60 米，严重滞后生产接续。

5.2 实施成效与消突对比实测数据

矿方全面应用超深孔液体 $ ext{CO}_2$ 相变致裂成套技术，在 4302 运顺工作面开展工业性推广：

  1. 钻孔间距扩大一倍以上：致裂孔间距由 1.5m 拓宽至 4.0m，抽采打钻工程量减少 55%；
  2. 单孔抽采纯量飞跃：致裂后单孔初始瓦斯抽采纯量从 $0.02 ext{ m}^3/ ext{min}$ 暴增至 $0.18 \sim 0.24 ext{ m}^3/ ext{min}$，提升达 9~12 倍；连续抽采 90 天后，平均单孔纯量依然稳定在 $0.085 ext{ m}^3/ ext{min}$；
  3. 消突周期大幅压缩：抽采达标时间从原先的 330 天急剧缩短至 95 天，抽采率达到 52.4%；
  4. 安全掘进成效：掘进期间实测最大 $K_1$ 仅为 $0.22 ext{ mL}/( ext{g}\cdot ext{min}^{0.5})$，钻屑量 $S_{\max} = 3.2 ext{ kg/m}$，实现“零超限、零喷孔、月进尺跃升至 260 米”，荣获全国瓦斯治理示范工程。

六、 矿总工程师瓦斯抽采与相变致裂决策审查 Checklist

[致裂方案合规审查]
 ├── 液体 CO2 充装设备、释能破裂片与致裂管是否具有国家 MA 煤安标志认证？
 ├── 充装区与井下作业面是否配备专用低浓度与高浓度双量程 CO2 在线传感器？
 └── 是否严格执行相变致裂警戒距离（直线避灾距离 ≥ 200m，且位于全风压进风流中）？

[致裂施工质控与封孔审查]
 ├── 钻孔成孔倾角与空间轨迹是否经过钻孔测斜仪精准校准，杜绝打穿邻近巷道？
 ├── 致裂管入孔位置是否精准避开煤层顶底板泥岩夹层，锁定在富含瓦斯的优质煤分层？
 └── “两堵一注”带压注浆是否达到 3.0 MPa 稳压 15 分钟，封孔水泥结石率 ≥ 98%？

[消突达标评判法定审查]
 ├── 是否独立第三方对残余瓦斯含量与残余瓦斯压力进行了多点取样实验室密闭测定？
 ├── 效检钻孔数量、深度与间距是否 100% 覆盖防突预测敏感区与构造破碎带？
 └── 消突达标评价报告是否由矿总工程师与通风副矿长签字并报集团公司备案？

常见技术问答（FAQ）

Q1：液体二氧化碳相变膨胀后，残留在煤体内的 CO2 会不会导致回采时采煤工作面 CO2 浓度严重超限？

张洁贞： 这是许多通风矿长最担心的疑虑。工程实践与物理机理证明：第一，单次致裂管充装液体二氧化碳量通常仅为 $3.5 \sim 5.0 ext{ kg}$，气化后体积约 $1.8 \sim 2.6 ext{ m}^3$，注入深达上百米的煤层内部后被广阔的孔隙裂隙稀释吸收；第二，致裂完成后，钻孔立即接入抽采负压达 20~30 kPa 的全封闭抽采管路中，绝大部分气态 $ ext{CO}_2$ 在前 72 小时内已随高负压瓦斯流被强制抽入地面瓦斯泵站排出；第三，由于 $ ext{CO}_2$ 分子与煤基质的吸附亲和力远强于甲烷（约是 $ ext{CH}_4$ 的 2~3 倍），残留在深部的极微量 $ ext{CO}_2$ 会优先置换出吸附态甲烷，并被煤体微孔基质牢固束缚。实测回采工作面落煤时回风流 $ ext{CO}_2$ 绝对增量小于 $0.05\%$，远低于《煤矿安全规程》$1.5\%$ 的法定控制上限，安全风险完全可控。

Q2：松软破碎煤层深孔钻进过程中极易卡钻、塌孔，致裂管无法顺利推至孔底怎么办？

张洁贞： 针对极软构造煤（$f < 0.3$）钻孔易缩径塌陷难题，传统先打孔拔出钻杆再下致裂管的工艺成功率不足 30%。我们的标准化解决工艺是采用“大口径高效螺旋长套管护壁钻进 + 钻杆内通入护壁微聚合物冲洗液”成套钻探技术：钻孔钻进过程中，护壁套管全程跟随钻进，钻进至设计深度后，钻杆直接从套管内部推出；接着利用特制送管机构将穿有导向滑轮组件的耐磨致裂管柱直接从保护套管内腔推送到底；最后在套管缓缓后退抽出的同时完成注浆封闭。该工艺彻底杜绝了塌孔卡管问题，深孔下管成功率提升至 98% 以上。

参考文献与资料来源

  1. 袁亮. 卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J]. 煤炭学报, 2009, 34(1): 1-8.
  2. 国家矿山安全监察局. 防治煤与瓦斯突出细则[S]. 应急管理出版社, 2019.
  3. 曹运兴, 张盛, 刘敬政, 等. 煤矿深孔液体二氧化碳相变致裂增透机理及工程应用[J]. 煤炭科学技术, 2017, 45(10): 112-118.
  4. 张洁贞. 低渗突出煤层深孔物理致裂增透与瓦斯高效抽采工程实务[R]. 中矿天智技术文献库, 2026.