CO2致裂器強(qiáng)制放頂技術(shù)在陽煤一礦的應(yīng)用

龐棟巍

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司發(fā)展計(jì)劃部，山西 陽泉 045000）

1 應(yīng)用背景

陽煤一礦位于山西省陽泉市礦區(qū)，礦井生產(chǎn)能力7.50 Mt/a，礦井開拓方式主斜副立等綜合開拓。近年來隨著現(xiàn)代化礦井建設(shè)推進(jìn)和新工藝、新技術(shù)的推廣應(yīng)用，開采機(jī)械化程度不斷提高，工作面進(jìn)風(fēng)巷均已配備端頭支架，工作面端頭支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)效率大大改善，開采效率顯著提升。但在端頭架拉架時(shí)經(jīng)常造成巷道內(nèi)支護(hù)錨索端頭破損，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)落山頂部無法退錨，隨著工作面不斷推進(jìn)，尤其是大采高工作面落山長(zhǎng)期出現(xiàn)長(zhǎng)距離大面積懸頂，給工作面安全生產(chǎn)帶來重大隱患。為避免長(zhǎng)距離、大面積頂板突然垮落，所形成的巨大沖擊載荷，使落山的瓦斯大量涌出造成瓦斯事故，為此一礦決定在81401工作面回風(fēng)落山切頂密柱往里進(jìn)行CO2預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂工業(yè)試驗(yàn)，消除頂板長(zhǎng)距離、大面積懸頂帶來的生產(chǎn)隱患。

2 工作面地質(zhì)概況

15#煤81401綜放工作面位于一礦+669水平北條帶十四采區(qū)，地面標(biāo)高+1100.0 m～+1251.4 m工作面標(biāo)高+678.4 m～+750.9 m，埋藏深度為354.1～539.4 m。工作面采長(zhǎng)195 m，走向長(zhǎng)1400 m，煤層總厚度最大7.12 m，最小5.86 m，平均煤厚6.50 m，可采儲(chǔ)量為2.16 Mt。工作面進(jìn)風(fēng)巷為矩形斷面，凈寬5 m，凈高3 m，采用全錨索支護(hù)，沿15#煤底板托頂煤掘進(jìn)，頂煤厚度3.5 m。工作面直接頂為黑色泥巖，致密堅(jiān)硬，含方解石細(xì)脈，厚1.27 m。老頂為灰色石灰?guī)r，塊狀堅(jiān)硬，性較脆，含大量動(dòng)物化石，中間夾兩層黑色泥巖，厚13.43 m。直接底為黑色泥巖，灰黑色，賦存不穩(wěn)定，厚0.33 m。老底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，性脆，含大量主物莖葉化石，斷口平坦?fàn)睿喜亢傲枯^大，局部相變?yōu)榧?xì)砂巖或泥巖，厚13.76 m。

3 CO 2致裂器

3.1 CO2致裂器

CO2致裂器是由科工集團(tuán)沈陽研究院自主研發(fā)的一款新型礦用預(yù)裂產(chǎn)品，廣泛使用于煤礦和非煤礦山，型號(hào)如表1所示。

表1 CO2致裂器型號(hào)

3.2 CO2致裂器原理

CO2在低于31℃或壓力大于7.35 MPa時(shí)以液態(tài)存在，而超過31℃時(shí)開始?xì)饣译S溫度的變化壓力也不斷變化，利用這一特點(diǎn)，在致裂器的儲(chǔ)液管內(nèi)充裝液態(tài)CO2，在應(yīng)用時(shí)啟動(dòng)加熱裝置產(chǎn)生大量熱量，使儲(chǔ)液管內(nèi)液態(tài)的CO2瞬間氣化，體積膨脹約600倍，壓力急劇升高，當(dāng)管內(nèi)的壓力達(dá)到定壓剪切片極限強(qiáng)度時(shí)，高壓氣體沖破定壓剪切片從釋放管釋放，利用瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力，沿煤、巖體的自然裂隙或被爆破引發(fā)的裂面沖破圍巖，從而達(dá)到爆破致裂的目的。致裂器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 CO2致裂器

4 工程應(yīng)用

4.1 炮眼布置方案

結(jié)合陽煤一礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，在確定科學(xué)合理的CO2致裂器致裂參數(shù)時(shí)，選擇每排布置2～4眼，排距4 m、6 m、8 m、10 m、12 m，5個(gè)方案進(jìn)行試驗(yàn)，通過煤層、頂板塌落效果及采空區(qū)封堵情況分析，進(jìn)而最終驗(yàn)證m致裂器的致裂效果及炮眼布置。具體施工方案為：81402工作面進(jìn)風(fēng)拉完機(jī)尾后，在進(jìn)行退錨回柱的過程中采用ZLJ850型號(hào)鉆機(jī)由里向外施工1排炮眼，每排施工2～4個(gè)眼，炮眼成孔直徑Φ70 mm，眼深6 m，每眼安裝4個(gè)致裂器。炮眼參數(shù)布置如表2所示。

表2 炮眼布置方案

4.2 致裂方式

致裂器采用可連接式，采用多點(diǎn)同時(shí)定向致裂。

4.3 工藝流程為

支設(shè)臨時(shí)密柱 （不少于3根/m）→穩(wěn)固鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔→鉆孔成孔后送入致裂器(安放導(dǎo)線)→檢查導(dǎo)通→炮泥封孔(孔口用木楔加強(qiáng))→當(dāng)完成一排炮眼布置后由專人檢查致裂器線路連接無誤后，在臨時(shí)密柱的掩護(hù)下回撤臨時(shí)柱→擱置警戒→啟動(dòng)致裂器強(qiáng)制放頂→懸頂垮落，封閉落山。

4.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過施工不同的鉆眼間距、排距，分析對(duì)比頂板致裂效果，經(jīng)過3個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，各個(gè)方案落山致裂統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

方案炮眼間距/m炮眼個(gè)數(shù)頂板冒落及落山封堵率 致裂效果方案三 8 2頂煤冒落寬度4 m，冒落高度1.2 m，落山封堵率34%。不能有效消除懸頂，落山封閉效果差方案四 10 3頂煤全斷面冒落，冒落高度3.5 m，落山分度率100%。可實(shí)現(xiàn)消除懸頂，封堵效果好方案五 12 4頂煤未全斷面冒落，冒寬4 m，冒落高度2.4 m，落山封堵率80%。不能有效消除懸頂，落山封堵效果差

5 應(yīng)用效果

1）通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，每排炮眼布置少于3眼（1.7個(gè)/m）時(shí)，不能有效實(shí)現(xiàn)全斷面冒落，達(dá)不到落山頂板全斷面垮落和封堵落山治理瓦斯的作用；當(dāng)炮眼排距大于10 m時(shí)，出現(xiàn)局部不能塌落的現(xiàn)象，局部懸頂，落山分度率不高，封堵效果差因此炮眼間距宜確定在間距1.7 m，排距10 m，可消除落山懸頂，有效的做到采空區(qū)封閉。

2）通過CO2致裂器強(qiáng)制放頂后，巷道上部頂煤可達(dá)到全部垮落，直接頂頂80%垮落，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了封閉，降低了落山大面積懸頂突來垮落帶來的通風(fēng)、瓦斯、頂板災(zāi)害事故的發(fā)生。

3）CO2致裂器爆破強(qiáng)制放頂與傳統(tǒng)爆破相比，不產(chǎn)生有毒有害氣體，爆破強(qiáng)度高，拋擲距離近，預(yù)裂效果好。

6 結(jié)語

通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，CO2預(yù)裂爆破技術(shù)在落山頂板懸頂面積大且作業(yè)空間較大的回采工作面應(yīng)用，可有效消除落山懸頂，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)封閉，與傳統(tǒng)爆破相比，CO2致裂器受熱氣化膨脹，快速釋放高壓氣體破斷巖體或煤層，克服了以往利用炸藥爆破預(yù)裂中破壞性大、危險(xiǎn)性高、粉塵大等缺點(diǎn)，為礦山安全開采提供了保證，對(duì)陽泉礦區(qū)大面積懸頂預(yù)裂技術(shù)的發(fā)展具有積極的借鑒和推廣意義。