深部矿井低渗透高瓦斯煤层的煤与瓦斯安全高效共采问题,是制约我国煤炭工业可持续发展主要难题。针对如何解决深部复杂地质条件下低渗透高瓦斯煤层渗透性的科学问题,本文提出了液态二氧化碳相变气爆致裂增透技术。本文采用理论分析、实验研究、数值模拟和现场工业对比实验相结合的研究方法,建立起较全面的液态二氧化碳相变气爆致裂增透技术理论及其应用体系。主要研究内容和取得的新认识如下:(1)理论分析了液态二氧化碳相变气爆和致裂增透的机理,解释了相变气爆阶段致裂器储气腔内二氧化碳沸腾膨胀蒸汽爆炸的演化过程;揭示了气爆促使煤体裂隙区形成过程、分区特征、起裂条件和裂隙发育规律;理论推导建立了液态二氧化碳相变气爆煤体的裂隙圈有效半径的计算公式。(2)基于自主设计搭建的物理实验平台,实验研究了液态二氧化碳点式聚能爆破压力随时间、位置变化的演化特性,实验得出正对爆破口处压力峰值为244MPa,升压时间约1.2ms,线性上升段和对数下降段压力时程拟合函数分别为Pg = 201940t和Pg=-22.591n(t-t0)+15.84;同时得出了距离致裂器爆破口 300mm、600mm和900mm处压力峰值分别为 60MPa、22.42MPa 和 21.3 7MPa,升压时间分别为 15.13ms、15.42ms 和 15.60ms。随着距爆破口距离的增加,气体压力峰值先是快速降低,之后再缓慢平稳降低,总体呈现二次抛物线形式的变化规律。(3)基于建立的液态二氧化碳致裂器储气腔内沸腾膨胀泄爆过程的物理和数学模型,对储气腔内相变气爆演化过程进了数值模拟研究,计算分析了压力场、温度场、流场和气液比率的演变规律,研究了储气腔内压力与相变沸腾耦合作用的流体动力学机理,阐述了储气腔泄爆过程两相流动的特征。(4)数值模拟研究了不同影响因素时低渗透高瓦斯煤层液态二氧化碳相变气爆致裂增透效果,结果表明当预裂缝长度增加时,气爆致裂影响范围以线性关系:R=3.26L+0.446趋势增大;气爆致裂影响范围随地应力σ的增加而呈现非线性的指数函数形式减小,二者定量关系为R = 3.096e-0.06σ;无论煤体强度提高还是降低其塑性区影响半径基本一致,煤体自身力学强度对气爆致裂范围影响甚小;随瓦斯压力的增加,气爆致裂煤体的影响范围有增加的趋势,气爆致裂影响半径与瓦斯压力变化的函数表达式为 R = 0.041Pg + 0.743。(5)系统阐述了液态二氧化碳致裂增透技术原理、工作原理及特征,分别研制了液态二氧化碳相变致裂增透配套装备的五大系统,提出了回采工作面巷道预排瓦斯带和液态二氧化碳相变致裂增透范围的测定方法,以解决致裂增透应用效果评判的问题。(6)回采工作面基于示踪气体法实测得出了液态二氧化碳相变气爆致裂煤层的增透半径为2m,气爆促使影响范围内的煤层钻孔瓦斯涌出量提高4～8倍,瓦斯涌出衰减系数降低0.76～0.93倍。(7)煤巷掘进工作面基于瓦斯含量指标和煤钻屑解析指标,判定液态二氧化碳相变气爆能够实现煤巷掘进预抽时间由30天减少为15天和16天;对比实验还得出沿二氧化碳致裂器聚能方向和非聚能方向百米钻孔初始瓦斯涌出量相差1.7倍。(8)回采工作面不同增透技术的对比实验得出,增透措施对煤体影响范围为:水力压裂>深孔聚能爆破>液态二氧化碳相变气爆,抽采钻孔最大瓦斯体积分数为:液态二氧化碳相变气爆>深孔聚能爆破>水力压裂,抽采钻孔内瓦斯衰减系数为:液态二氧化碳相变气爆<水力压裂<深孔聚能爆破。同时对比实验还对不同增透技术在现场实施过程中的效益、效率、效果和安全性指标进行量化。