CO2 預(yù)裂爆破技術(shù)在初次放頂過程中的應(yīng)用

王 偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦，山西 大同 037037）

1 燕子山礦4#煤層概況

燕子山礦井田可采煤層主要為4#煤層，該煤層地質(zhì)資源儲量139.01 Mt，平均厚度6.5 m，平均傾角3°，為近水平煤層。頂板主要為粗、中、粉粒砂巖，巖石膠結(jié)致密、節(jié)理裂隙率低，平均厚度為4.8 m，煤層主要特征如表1 所示。4#煤層采用單一走向長壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤法，自然垮落法管理采空區(qū)頂板，機(jī)采高度3.2 m，放煤高度為3.3 m，采放比為1:1.03，采煤工作面長度為150.5 m。由于該煤層埋深375～520 m，地壓較大，對頂板管理、巷道維護(hù)帶來一定困難。

表1 煤層主要特征表

2 CO2 預(yù)裂爆破方式簡介

2.1 系統(tǒng)組成

液態(tài)CO2致裂器結(jié)構(gòu)如圖1，主要包括充裝閥、加熱裝置、儲液罐、密封墊、定壓減切片、釋放管、起飛器7 部分。

圖1 液態(tài)CO2 致裂器組成結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

CO2預(yù)裂爆破作用是通過液態(tài)CO2的氣化作用體積急劇增加生產(chǎn)爆力。液態(tài)CO2致裂器的應(yīng)用需滿足兩個(gè)條件：（1）CO2呈液態(tài)；（2）液態(tài)CO2急劇氣化。條件（1）CO2呈液態(tài)需滿足P ＞7.35 MPa 且T ＜31 ℃；條件（2）液態(tài)CO2急劇氣化需滿足致裂器液態(tài)CO2在加熱裝置的作用下，體積在20 ms 內(nèi)膨脹600 倍，形成膨脹壓力80～270 MPa 的高壓切割氣體。

2.3 施工程序

激發(fā)加熱裝置→儲液罐液態(tài)CO2急劇膨脹→破壞定壓剪切片→CO2急劇釋放→低溫高壓氣體作用于預(yù)裂部位→實(shí)現(xiàn)預(yù)裂爆破。

2.4 應(yīng)用優(yōu)勢

液態(tài)CO2預(yù)裂爆破屬于物理反應(yīng)，具有壓強(qiáng)小、噪聲低、安全環(huán)保等諸多優(yōu)勢。液態(tài)CO2的儲運(yùn)和使用，與傳統(tǒng)的火工材料相比，其具有安全可靠、操作簡單、地震沖擊作用小的特點(diǎn)，其技術(shù)參數(shù)與特點(diǎn)見表2。

表2 CO2 致裂器部分參數(shù)與特點(diǎn)

3 CO2 預(yù)裂爆破技術(shù)的應(yīng)用

3.1 CO2 預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用先決條件

燕子山礦應(yīng)用CO2預(yù)裂爆破技術(shù)的先決條件：（1）頭尾懸頂面積＞40 m2；（2）采取斷網(wǎng)和退錨工藝頂板仍不垮落。燕子山礦各綜放工作面在開采過程中，當(dāng)頭、尾端頭與超前支護(hù)巷道范圍內(nèi)頂板完整、未及時(shí)垮落且懸頂面積＞40 m2時(shí)，首先采取反復(fù)升降支架、斷網(wǎng)工藝和退錨工藝處理頭尾懸板；如采取斷網(wǎng)和退錨工藝后，頭尾懸頂面積大于40 m2頂板仍不垮落，則采取CO2預(yù)裂爆破技術(shù)對頂板進(jìn)行處理。

3.2 CO2 預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

燕子山礦8204 工作面頂煤疏松、易碎，采過切眼后頂煤開始由中間向兩邊垮落，隨著工作面地向前推進(jìn)，頂煤能夠自行全部垮落，滿足放煤量要求。但是工作面在初采期間老頂初次折斷距離較大，為防止工作面在初采期間初次來壓步距較大造成沖擊災(zāi)害，須采取措施確保初采期間老頂及時(shí)垮落，在切眼、頭尾端施工鉆孔并實(shí)施CO2預(yù)裂爆破，破壞老頂完整性，使其按期垮落。

8204 工作面設(shè)計(jì)CO2致裂孔分為切眼預(yù)裂孔（KA1、KA2）、 頭 巷 預(yù) 裂 孔（KB1、KB2、KB3）、尾巷預(yù)裂孔（KC1、KC2），共計(jì)69 個(gè)。該工作面致裂孔布置平面圖和致裂放煤孔設(shè)計(jì)參數(shù)分別如圖2 和表3。

表3 致裂放煤孔設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 致裂孔平面布置圖（mm）

（1）切眼預(yù)裂孔KA1 和KA2 孔沿工作面切眼方向在支架間隙之間交替布置，在兩端頭15 m范圍內(nèi)，孔距3.5 m，其余位置按照孔距10.5 m 布置。KA1 孔仰角90°，孔深14.4 m，KA2 孔仰角75°，孔深15 m，孔徑均為Φ65 mm，共布置KA1 孔15 個(gè)，KA2 孔14 個(gè)。切眼預(yù)裂孔布置角度示意如圖3。

圖3 切眼預(yù)裂孔布置角度示意圖（mm）

（2）分別在順槽尾巷和順槽頭巷預(yù)布置切頂孔各4 排，排距5 m，每排3 個(gè)致裂孔，角度分別為90°、85°、80°，孔深37～38 m，孔徑均為Φ85 mm。布置角度示意如圖4（以尾巷為例）。

圖4 尾巷預(yù)裂孔剖面圖（mm）

（3）工作面切眼端頭兩側(cè)分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)關(guān)鍵層頂板鉆孔，編號分別為KC1、KC2，其中KC2孔仰角70°，該仰角主要是模擬8210工作面垮落角。切巷端頭預(yù)裂孔剖面圖如圖5。

圖5 切巷端頭預(yù)裂孔剖面圖（mm）

3.3 致裂實(shí)踐注意事項(xiàng)

（1）KA 預(yù)裂孔有效致裂段裝填4 根CO2致裂器；KB 預(yù)裂孔有效致裂段裝填8 根CO2致裂器；KC 預(yù)裂孔有效致裂段裝填6 根CO2致裂器；封孔采用木楔楔入，聚氨酯封孔，輔以煤屑或黃泥孔口段。

（2）CO2致裂方案實(shí)施前，需做好工作面有害氣體CO、CH4、CO2的檢測工作，須滿足瓦斯?jié)舛龋?.5%且CO2濃度＜0.5%方可以實(shí)施。

（3）CO2致裂方案實(shí)施后，須嚴(yán)格檢測CO2氣體濃度，以防止CO2氣體超限傷人。

4 致裂效果分析

燕子山礦4#煤層8204 工作面先采取斷網(wǎng)和退錨工藝實(shí)施頂板垮落。該工藝在實(shí)施過程中出現(xiàn)頂板有效垮落且懸頂面積＞40 m2時(shí)垮落不及時(shí)的情況，因此設(shè)計(jì)應(yīng)用了CO2致裂強(qiáng)制放頂技術(shù)。CO2致裂強(qiáng)制放頂技術(shù)的應(yīng)用有效地解決了結(jié)砂質(zhì)泥巖鈣硅質(zhì)膠導(dǎo)致的老頂初次折斷距離過大難題，有效避免了老頂折斷距離過大引發(fā)的采空區(qū)瓦斯涌出事故。

檢測結(jié)果表明，CO2致裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了老頂垮落率達(dá)到85%以上。該致裂方案實(shí)施30 min 后，檢測開切眼處瓦斯?jié)舛葹?.16%，CO2濃度為0.26%，均未超過限制，安全可靠。

5 結(jié)論

燕子山礦4#煤層8204 工作面采用的CO2致裂強(qiáng)制放頂技術(shù)本質(zhì)上是一種液化氣體的急劇膨脹形成的物理爆破作用，具有安全可靠、不產(chǎn)生爆破毒害氣體的特點(diǎn)，能夠適用于堅(jiān)硬巖石頂板的預(yù)裂爆破初次放頂工作。

實(shí)踐效果表明：該技術(shù)能夠有效控制工作面初次放頂步距，避免了初采期間老頂集中垮落造成強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)、瓦斯異常涌出等難題。致裂后的毒害氣體檢測結(jié)果表明，該技術(shù)不產(chǎn)生超標(biāo)的毒害氣體，安全可行。