自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂方法技术领域
本发明涉及一种CO2相变固体致裂方法，具体是一种利用液态CO2作为相变增压介
质进行煤岩体致裂的方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，工程建设的规模和数量不断扩大，在许多工程过程中
要涉及固体类材料的致裂问题，如采石场岩石开采的原位定向破裂、构筑物或建筑物的拆
除、隧道开掘、矿山开采、采矿工作面或巷道的断顶、高应力区煤岩体松动缷压、管壁清理、
高寒地区冻结物的分离，特别是低渗透油气储层的致裂增透等，其中的致裂方法会直接影
响工程的进度、效果与安全。目前，致裂固体材料的方法主要有炸药爆破法、水力压裂法、机
械冲击法、高压电脉冲法等。实际工程中由于施工条件、工艺、成本、安全及对破裂结果的控
制与要求等，致裂方法的选用受到一定的限制，如炸药爆破的强度高（上万MPa），爆速快（约
4000m/s）会导致固体材料的局部粉碎，且不宜在易燃易爆的环境中实施；水力化压裂的强
度低（5～20MPa）、压裂速度不稳定、压裂产生的裂缝密度小、压裂液漏失严重，压裂液在多
孔介质中的水锁与水敏效应影响压裂效果；机械冲击要使用大型机械设备，会大量增加施
工成本，且受环境限制；高压电脉冲致裂技术目前还不够完善等。因此，引入一种烈度适中、
安全、高效、低廉的致裂技术具有重要的现实意义。
液态CO2相变气爆致裂方法是一种通过加热使液体相变形成气体增压致裂固体材
料的新兴技术，可对煤岩体、混凝土、土壤、冻结体等固体材料实施烈度适中的致裂，近年来
在国内得到了快速发展与推广，特别是广泛应用于多种工程领域，尤其是用于低渗透性油
气储层的致裂増透。如公开号为CN203083463U公开了一种“二氧化碳开采器” 的发明专利，
该开采器的开采方法是通过增压泵向组装好的密封爆破管中注入压缩的液态CO2，通电激
活管内化学药卷进行加热，液态CO2受热迅速气化膨胀使储液管内压力增加，当压力达到一
定值时，爆破管的破裂片破裂并通过排气孔释放高压气体，使煤岩体产生裂隙，液态CO2相
变致裂产生的峰值压力远高于水力压裂及水力割缝的峰值压力，又远小于炸药爆破的峰值
压力，在致裂过程中既不会对煤岩体造成过度粉碎又容易产生贯通的裂隙。液态CO2相变致
裂过程中无火花，致裂时释放的CO2气体还具有阻燃、防爆的作用，特别适合在易燃易爆的
环境中使用。目前，该技术的相关设备已在我国多处煤矿进行了煤岩増透与落煤试验，取得
了较好的效果，但现有技术存在以下缺陷。
一是此方法的峰值压力持续时间短，不能实现连续作用。二氧化碳爆破管的体积
一般约1.2L，能够容纳的液态CO2十分有限，一次致裂过程中持续喷射的时间很短，高压维
持的时间更短，仅为几十毫秒，致裂范围小、效果差，致裂效率低。
二是此方法在现场施工过程中容易受到干扰，例如引爆线路容易受煤层中水的干
扰导致不能正常导电引爆，爆破后钻孔易坍塌使爆破管回收困难等。
发明内容
本发明的目的是克服现有液态CO2相变致裂方法的缺陷，提供一种自动储能高压
注液CO2相变脉冲煤岩体致裂方法。
上述本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂方法，所述煤岩体致裂方法是按
下列步骤进行的：
（一）供液系统的供液方法：开启真空泵对高压储液控温罐抽真空，后启动液体增压泵
和冷却箱向高压储液控温罐注入压缩液态CO2，压力传感器、温度传感器和采集控制系统自
动监测高压储液控温罐的温度和压力，通过液体增压泵和冷却箱，保持高压储液控温罐的
温度在-5℃~5℃、压力在10MPa~15MPa范围内；
（二）自动储能高压注液系统的自动储能高压注液方法：高压储液控温罐内低温压缩的
液态CO2进入高压注液缸的右腔和相变室，油浴加热，相变室内的液态CO2受热相变压力升高
到80MPa时，相变室内的气态CO2进入储能室，储能室内的压力升高到80MPa后停止，完成自
动储能；油浴继续加热，相变室的压力继续升高，当压力达到100MPa时，油浴停止加热，高压
CO2气体经由管路进入致裂室或者致裂孔致裂实验试样或者煤岩体层；相变室内CO2气体的
压力降低至15MPa时，储能室储存的80Mpa高压CO2气体经由管路进入高压注液缸的左腔，快
速推动活塞向右移动，使高压注液缸右腔内的液态CO2进入相变室，驱赶相变室内剩余的CO2
气体进入致裂室或者致裂孔，进行二次致裂，同时防止相变室内的剩余气体占据空间影响
注液量；高压注液缸内的活塞移动至右端，储能室内压力降低至20MPa时，完成自动注液；释
放高压注液缸内气态CO2，高压储液控温罐内经过加压的液态CO2再次进入高压注液缸的右
腔，使其液体压力达到15MPa；重复上述“注液-油浴加热-相变-储能-致裂”循环，实现连续
脉冲高压射流致裂。
进一步的技术方案如下。
所述CO2相变室的容积是2L～300L，高压注液缸的容积与CO2相变室的容积相等，储
能室的容积为CO2相变室的容积的1/3，高压储液控温罐的容积为相变室容积的2倍。
所述真空泵是X型单级旋片真空泵，抽气速率30L/s，极限压力10Pa，功率5kw。
所述液体增压泵是专用的大流量气动液态CO2增压泵，最大输出压力22.5Mpa，流
量12.4L/min。
所述截止阀是高压平衡式截止阀，最大耐压20MPa。
所述电磁截止阀是常闭式耐高压截止阀，最大耐压120MPa。
所述高压注液缸的液态压力是10MPa～15MPa。
所述油域的温度是140℃～160℃。
所述储能室的气体压力是80MPa。
所述煤岩体致裂方法采用的装置是包括供液系统、自动储能高压注液系统、相变
致裂系统以及数据采集与控制系统；其中：
所述供液系统是设置有一高压储液控温室，其一端设置有安全阀并连通有液体增压泵
及其截止阀和液态CO2源；另一端设置有真空泵及其截止阀，并通过电磁截止阀连通有高压
注液缸与CO2相变室，在高压储液控温罐的外周设置有冷却箱，在高压储液控温罐的内壁面
设置有压力传感器和温度传感器；
所述自动储能高压注液系统是设置有一高压注液缸，其无杆腔一端连通过电磁截止阀
连通有CO2相变室和储能室；有杆腔一端通过电磁截止阀及安全阀连通有储能室，并在储能
室的内壁面设置有压力传感器和温度传感器；
所述相变致裂系统是设置有一CO2相变室，其一端设置有安全阀并通过电磁截止阀连
通有高压注液缸储能室；另一端通过电磁截止阀连通有煤岩体致裂室，并在CO2相变室外周
设置有油浴在CO2相变室的内壁面设置有压力传感器和温度传感器；
所述数据采集与控制系统是设置有一控制电脑，并连接有压力传感器、温度传感器、电
磁截止阀、截止阀及安全阀，实现数据采集与电脑控制。
本发明上述所提供的一种自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂方法，与现
有技术相比，其突出的实质性特点和显著进步如下。
本方法实现了“注液-油浴加热-相变-储能-致裂”循环，连续产生了多脉冲射流，
延长了致裂作用时间，扩大了致裂作用范围，改善了致裂效果。
本方法采用高压推动活塞注液的方式将高压注液缸内的液态CO2快速注入相变
室，驱赶相变室内的剩余气体进入致裂室，实现二次致裂，同时也防止了相变室内的剩余气
体占据空间影响注液量。
本方法通过压力传感器实时监测相变室内的压力，到达设定的压力范围后通过电
磁阀的开闭控制高温、高压气体的喷射，与以往设备中使用的爆破片相比，压力精确可控，
并且可以根据致裂固体材料的强度和范围调节射流压力与脉冲次数，以达到更好的致裂效
果。
附图说明
图1是本方法采用的装置结构示意图。
图2是本方法三次脉冲致裂前后5#抽采孔瓦斯抽采量随抽采时间的变化趋势图。
图3是本方法试验试样累积损伤随致裂次数变化趋势图。
图中：1：高压储液控温罐；2：高压注液缸；3：相变室；4：储能室；5：致裂室；6：致裂
孔；7：控制电脑；8：液态CO2源；9、10：截止阀；11：液体增压泵；12：冷却箱；13：真空泵；14、
15、16：安全阀；17、18、19：压力传感器；20、21、22：温度传感器；23：数据传输线；24、25、26、
27、28、29：电磁截止阀；30：保温层；31：油浴；32：排气孔；33：实验试件；34：煤岩体层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如附图1所示，实施一种自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂方法，该方法
所采用的装置是由供液系统、自动高压储能注液系统、相变致裂系统、数据采集与控制系统
等4部分构成。其中供液系统包括液态CO2源8、液体增压泵11、高压储液控温罐1、冷却箱12、
真空泵13及相应的连接管路；自动储能高压注液系统包括高压注液缸2、储能室4、相变室3、
油浴31及相应的连接管路；相变致裂系统包括相变室3、油浴31、致裂室5、致裂体33相应的
连接管路；数据采集与控制系统包括压力传感器17、18、19、温度传感器20、21、22、电磁截止
阀24、25、26、27、28、29、截止阀9、10、安全阀14、15、16和控制电脑7，具体的煤岩体致裂方法
如下：
（一）供液系统的供液方法：开启真空泵13，将高压储液控温罐1抽真空，启动液体增压
泵11和冷却箱12，向高压储液控温罐1注入压缩的液态CO2。压力传感器17、温度传感器20和
采集控制系统自动监测高压储液控温罐1的温度和压力，通过液体增压泵11和冷却箱12，保
持高压储液控温罐1的温度在-5℃~5℃、压力在10MPa~15MPa范围内；
（二）自动储能高压注液系统的自动储能高压注液方法：高压储液控温罐1内低温压缩
的液态CO2由管路进入高压注液缸2的右腔和相变室3，油浴31启动加热，相变室3内的液态
CO2受热相变压力升高，压力达到80MPa时，相变室3内的气态CO2经由管路进入储能室4，直至
储能室4内的压力升高到80MPa后停止，完成自动储能；油浴31继续加热，相变室3的压力继
续升高，当其压力达到100MPa时，油浴31停止加热，高压CO2气体经由管路进入致裂室5/致
裂孔6致裂实验试样33/煤岩储层34；相变室3内CO2气体的压力降低至15MPa时，储能室4内
储存的80Mpa高压CO2气体经由管路进入高压注液缸2的左腔，快速推动活塞向右运动，使高
压注液缸2右腔内的液态CO2进入相变室3，驱赶相变室3内剩余的CO2气体进入致裂室5/致裂
孔6，进行二次致裂，同时防止相变室3内的剩余气体占据空间影响注液量；高压注液缸2内
的活塞移动至最右端，储能室4内压力降低至20MPa时，完成自动注液；释放高压注液缸2内
气态CO2，高压储液控温罐1内经过加压的液态CO2经由管路再次进入高压注液缸2的右腔，使
其液体压力达到15MPa；重复上述“注液-油浴加热-相变-储能-致裂”循环，实现连续脉冲高
压射流致裂。
储能室4及高压注液缸2外围有保温层，致裂室5设有排气孔。高压储液控温罐1内
的压力高于20MPa后，安全阀14自动泄压；储能室4内的压力高于85MPa后，安全阀15自动泄
压；相变室3内的压力高于110MPa后，安全阀16自动泄压。相变室3的容积可设计为2L～
300L，以满足实验室试验和工程应用，高压注液缸1的容积与相变室的容积相等，储能室4的
容积为相变室容积的1/3，高压储液控温罐1的容积为相变室容积的2倍。
下面是本发明在某煤矿中的脉冲致裂増透试验，通过具体实施例具体说明本方法的具
体实施方式。
实施例1
（1）钻孔。在某矿15116工作面回风巷沿巷道中线垂直煤壁施工一组平行钻孔，共计11
个，从左到右依次编号为1#～11#，钻孔直径75mm，孔深30m，钻孔间距3m。位于正中心的6#钻
孔为预裂孔，其余钻孔为抽采孔。钻孔施工完成后马上对抽采孔封孔抽采，封孔深度10.5m，
负压抽采20天后，进行第一次脉冲致裂试验。
（2）抽真空。将管路出口端送至致裂孔20m深处并封孔。打开截止阀10，启动真空泵
13，进行脱气，记录真空泵上真空表的压力，直至压力值不发生变化时，停止脱气，关闭截止
阀10。
（3）供液。打开截止阀9，启动液体增压泵11和冷却箱12，向高压储液控温罐1注入
液态CO2，保持高压储液控温13的温度在-5℃~5℃、压力在10MPa~15MPa范围内。打开电磁截
止阀24、25，高压储液控温罐1内的液态CO2由管路进入高压注液缸2的右腔和相变室3，相变
室3和高压注液缸2的液体压力达到15MPa时，电磁截止阀24、25关闭。
（4）加热升压。启动油浴31，对相变室3内的液态CO2进行加热，液态CO2受热相变，体
积膨胀，相变室3内的压力不断升高。
（5）储能。当压力传感器19的监测值达到80MPa后，打开电磁截止阀26，向储能室4
内储存气态CO2。当压力传感器18的监测值到达80MPa后，关闭电磁阀26，储能完成。
（6）致裂。当压力传感器19的监测值达到100MPa后，油浴31停止加热，打开电磁阀
截止29，相变室3内的高温高压CO2经过管路进入预裂孔6致裂煤体34。
（7）快速注液。随着相变室3内CO2气体的减少，当压力传感器19的监测值降低至
15MPa时，打开电磁截止阀14、25，储能室4内储存的气态CO2经由管路进入高压注液缸2左
腔，快速推动活塞向右移动，将高压注液缸2右腔内的液态CO2经由管路注入相变室3，驱赶
相变室3内剩余的CO2气体进入致裂孔，实现二次致裂。 活塞移动至最右端，储能室4内压力
降低至20MPa时，电磁截止阀14、25、29关闭，完成自动注液。打开电磁阀27、24，高压储液控
温罐1内经过加压的液态CO2经由管路再次进入高压注液缸2的右腔，使其液体压力达到
15MPa。
（8）负压抽采一段时间后，重复步骤（4）、（5）、（6）、（7），总共脉冲致裂3次。
（9）整理试验数据。三次脉冲致裂前后5#抽采孔瓦斯抽采量随抽采时间的变化趋
势如附图2，每次预裂后平均瓦斯抽采量分别是预裂前的3.13倍、1.56倍和1.42倍，每次预
裂后平均瓦斯抽采量都有明显增加的趋势，但这种趋势随致裂次数的增加呈指数形式递
减。根据各个抽采孔瓦斯抽采量的变化可推测，第一次预裂的影响范围在6m左右，第二次预
裂的影响范围在9m左右，第三次预裂的影响范围在12m左右。
实施例2
（1）制备试样。将水泥、沙子、石膏、水按质量比8:20:1:4的比例在搅拌机中充分的混合
后，制作成1000mm×1000mm×800mm的试样，制作过程中使用小型振动棒振动捣固，人工养
护21天。试样的普世系数f为3.4，试样中预留直径Φ为50mm深度d为500mm的致裂孔。
（2）封孔。将管路出口端送至致裂孔400mm深处，采用PD复合材料封孔，封孔深度为
300mm。
（3）超声波测速。使用超声波探伤仪以钻孔中心水平线和竖直线为基准线，向上下
和左右间隔50mm为一测点进行超声波波速测量，测量过程中采用黄油作为测试探头和试块
接触面的耦合剂。
（4）抽真空。打开截止阀10，启动真空泵13，进行脱气，记录真空泵上真空表的压
力，直至压力值不发生变化时，停止脱气，关闭截止阀10。
（5）供液。打开截止阀9，启动液体增压泵11向高压储液控温罐1注入液态CO2，压力
传感器17、温度传感器20和采集控制系统自动监测与控制高压储液控温罐1的温度和压力，
通过液体增压泵11和冷却箱12的自动开关，保持高压储液控温罐1的温度在-5℃~5℃、压力
在10MPa~15MPa范围内。打开电磁截止阀24、25，高压储液控温罐1内的液态CO2由管路进入
高压注液缸2的右腔和相变室3，相变室3和高压注液缸2的液体压力达到15MPa时，电磁截止
阀24、25关闭
（6）加热升压。启动油浴31，对相变室3内的液态CO2进行加热，液态CO2受热相变，体积
膨胀，相变室3内的压力不断升高。
（7）储能。当压力传感器19的监测值达到80MPa后，打开电磁截止阀26，相变室3内
的气态CO2经由管路进入储能室。当压力传感器18的监测值到达80MPa后，关闭电磁阀26，储
能完成。
（8）致裂。当压力传感器19的监测值达到100MPa后，油浴31停止加热，打开电磁阀
截止29，相变室3内的高温高压CO2经过管路进入致裂室5致裂固体材料33。
（9）快速注液。随着相变室3内CO2气体的减少，当压力传感器19的监测值降低至
15MPa时，打开电磁截止阀24、25，储能室4内储存的气态CO2经由管路进入高压注液缸2左
腔，快速推动活塞向右移动，将高压注液缸2右腔内的液态CO2注入相变室3，驱赶相变室3内
剩余的CO2气体进入致裂室5，实现二次致裂。 活塞移动至最右端，储能室4内压力降低至
20MPa时，电磁截止阀24、25、29关闭，完成自动注液。打开电磁阀24、27，高压储液控温罐1内
经过加压的液态CO2经由管路再次进入高压注液缸2的右腔，使其液体压力达到15MPa。注液
结束后重复步骤（3），测量致裂后各测点的超声波波速。
（10）重复步骤（6）、（7）、（8）、（9），直至试样表面布满裂纹或试样破碎。
（11）计算累计损伤。根据公式2（v为致裂前介质的超声波波
速，v0为致裂后介质的超声波波速）计算每次致裂后各测点的累计损伤，并对累计损伤求平
均值。
（12）整理试验数据。附图3为试验试样累积损伤随致裂次数变化趋势图，可以看
出，在冲击载荷的作用下，随致裂次数的递增，试验试样的累积损伤呈“快速上升→缓慢发
展→急速扩张→趋于平缓”的态势。