超臨界二氧化碳?xì)獗铝严到y(tǒng)在益新煤礦直屬采區(qū)的應(yīng)用

摘要：益新煤礦直屬采區(qū)在生產(chǎn)過程中利用超臨界二氧化碳?xì)獗铝严到y(tǒng)處理煤倉堵倉，通過液態(tài)二氧化碳受熱后液態(tài)能迅速變化為氣體，在發(fā)生變化的過程中，二氧化碳的體積發(fā)生幾百倍膨脹，從而釋放大量的能量，安全高效地處理了煤倉堵倉煤體滯留的情況，達(dá)到了預(yù)期的效果。為今后益新煤礦直屬采區(qū)在防沖擊、防突、防瓦斯、軟幫處理懸頂、硬幫預(yù)裂工作及處理大塊巖石等諸多方面應(yīng)用二氧化碳?xì)獗铝逊e累了經(jīng)驗。

關(guān)健詞：超臨界；二氧化碳?xì)獗恢铝严到y(tǒng)；煤倉堵倉；鉆具改良；效果評價

1 礦井概況

益新煤礦直屬采區(qū)位于鶴崗礦區(qū)的東北部，井田中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)130°18′34〞，北緯47°18′48〞。行政區(qū)劃屬鶴崗市向陽區(qū)管轄。距鶴崗火車站東4公里，井田北部為市區(qū)公路的西崗路，距南翼路不到1公里。

井田范圍：北起19#勘探線，南至29#勘探線，深部以下所采煤層-250標(biāo)高為界，淺部以30#煤層露頭為界，井田南北走向平均長1.3公里，東西傾向平均寬3.14公里，面積為4.0686平方公里，開采的煤層為3、6、7-1、7-2、8-2、9-1、9-2、11、13、15、16、18號12個煤層，開采深度+50至-250米標(biāo)高（礦區(qū)標(biāo)高），礦井生產(chǎn)能力42萬噸/年。礦井開拓方式為斜井多水平集中大巷分區(qū)石門布置，通風(fēng)方法為壓入式通風(fēng)，通風(fēng)方式為混合式。現(xiàn)開采煤層為3層、7-1層，兩個綜采工作面。

益新煤礦直屬采區(qū)3層為開采的主力煤層，該煤層是粘結(jié)性及強(qiáng)的主焦煤，加之受頂板富水性的影響，形成煤體潮濕的現(xiàn)象，進(jìn)入煤倉后，出現(xiàn)煤倉堵倉，煤體在煤倉中滯留的情況屢屢出現(xiàn)嚴(yán)重制約生產(chǎn)。面對這一難題，傳統(tǒng)的火藥爆破處理方法安全系數(shù)低，處理不當(dāng)極易引起煤塵、瓦斯事故。經(jīng)過對現(xiàn)場的實際考察研究和綜合分析，從而引用了超臨界二氧化碳?xì)獗铝严到y(tǒng)。

2 超臨界二氧化碳?xì)獗铝严到y(tǒng)工作原理。

超臨界二氧化碳?xì)獗铝严到y(tǒng)主要是通過液態(tài)二氧化碳受熱后液態(tài)能迅速變化為氣體，在發(fā)生變化的過程中，二氧化碳的體積發(fā)生幾百倍膨脹，從而釋放大量的能量來破斷巖石或落煤，解決了以往用炸藥開采和預(yù)裂中破壞性大，危險性高及礦體粉碎等缺點，為礦山開采和預(yù)裂提供可靠保證，廣泛適用于煤礦和非煤礦山。

3 井下施工條件和過程

益新煤礦直屬采區(qū)3號煤倉位于井下三水平南部區(qū)運(yùn)輸石門500米處，石門寬度4.5m，高度3.0m，鋪設(shè)皮帶運(yùn)輸機(jī)，皮帶寬度1.0m，煤倉深度29米，直徑6.0米，支護(hù)為混凝土發(fā)碹，煤倉口為1.22*1.47m，煤倉口與石門頂板處鋪設(shè)鐵軌及工字鋼，混凝土澆筑。

2017年9月，益新煤礦直屬采區(qū)在3號煤倉做實驗，超臨界二氧化碳?xì)獗铝严到y(tǒng)在煤倉堵倉使用時，要提前在煤倉下口附近打設(shè)好鉆孔，鉆孔直徑要求大于50㎜。由于鉆孔需要通過煤倉下口處的鋼軌及工字鋼與煤倉貫通，施工鉆孔時很容易碰到鋼軌及工字鋼，所以對鉆桿和鉆頭的要求比較高，在鉆孔的施工過程中難度較大。在施工該鉆孔過程中益新煤礦直屬采區(qū)共制定了三套方案：

（1）采用ZY-750鉆機(jī)施工、（2）采用礦用巖石電鉆施工、（3）采用錨索鉆機(jī)施工。

采用ZY-750鉆機(jī)施工鉆孔的方案受巷道條件和鉆孔角度影響，在現(xiàn)場實施沒有成功；采用礦用巖石電鉆施工鉆孔時，由于該鉆機(jī)轉(zhuǎn)速低，配套取芯鉆頭時，尤其遇到鋼軌及工字鋼時，鉆孔進(jìn)度特別困難，現(xiàn)場也沒實施成功；采用錨索鉆機(jī)施工該鉆孔時，錨索機(jī)轉(zhuǎn)速快，錨索鉆桿與取芯鉆頭在連接處經(jīng)常折斷或遇到鋼軌后出現(xiàn)鉆頭卡住，無法退出鉆桿和鉆頭的情況，后經(jīng)過不斷研究和進(jìn)一步改良，將錨索鉆桿、錨索鉆頭、焊管、取芯鉆頭分別焊接處理，增加鉆桿的整體強(qiáng)度，使其形成一個整體（圖一），最終通過改良后的錨索鉆桿配套取芯鉆頭，利用錨索鉆機(jī)共計歷時一個月時間，成功施工了一個直徑108㎜的煤倉鉆孔。（圖二）

煤倉鉆孔施工完畢后，在廠家教授的指導(dǎo)下，益新煤礦直屬采區(qū)3號煤倉做了第一次實驗，首先將致裂器爆破管連接套管安置于煤倉內(nèi)的煤體1m深處，利用礦用本安型的小型便攜式發(fā)爆器對致裂器快速加熱、使液態(tài)二氧化碳瞬間膨脹產(chǎn)生高壓，對煤倉中的煤體進(jìn)行爆破，安全高效地處理了煤倉堵倉煤體滯留的情況，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 產(chǎn)生的效果

傳統(tǒng)上在井下煤倉堵倉時，都是利用人工處理或火藥進(jìn)行處理，傳統(tǒng)的火藥爆破處理方法安全系數(shù)低，處理不當(dāng)極易引起傷人、煤塵、瓦斯事故，且對煤倉的破壞性大；人工處理堵倉，加大了工人的勞動強(qiáng)度和危險性。

超臨界二氧化碳?xì)獗铝严到y(tǒng)主要有以下幾個優(yōu)點：

（1）工作時不會產(chǎn)生任何明火或火花；

（2）致裂后二氧化碳致裂器表面溫度及產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w溫度極低，并且產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w營造一個惰性的氣體環(huán)境，從本質(zhì)上杜絕了瓦斯爆炸的可能性；

（3）二氧化碳致裂器致裂威力大、拋煤量多、塊大、拋出距離短，降低了工人的勞動強(qiáng)度，且不會造成放炮崩人事故的發(fā)生；

（4）二氧化碳致裂器致裂后，基本不揚(yáng)塵，降低了煤塵爆炸的隱患；

（5）二氧化碳致裂器的致裂能力可控，通過選擇不同剪切片，二氧化碳充裝重量及發(fā)熱裝置等調(diào)節(jié)控制致裂器的工作壓力；

（6）二氧化碳致裂器無炮煙，不產(chǎn)生有毒、有害氣體，不危害職工身體健康。

（7）不需要進(jìn)行驗炮，爆破后變可進(jìn)入，可連續(xù)作業(yè)；不存在啞炮處理困難的問題，啞炮處理安全、簡單；

（8）二氧化碳致裂器具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性高、工作可靠、致裂能量可控、可重復(fù)使用、操作維護(hù)簡單。

5 煤礦應(yīng)用

超臨界二氧化碳?xì)獗铝严到y(tǒng)憑借其超高的安全系數(shù)，可作為炸藥的替代品，在煤礦領(lǐng)域有以下用途：低透氣性煤層增透，提高抽采率，煤層氣增產(chǎn)；硬頂煤綜放工作面強(qiáng)制放頂提高放煤率，并使頂板及時充分垮落；高瓦斯及突出煤層掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)；沖擊地壓及強(qiáng)礦壓煤層防沖解危；煤巖巷道掘進(jìn)，工作面落煤；煤倉疏通，巷道底鼓修復(fù)；致裂大塊巖（煤）體；采煤工作面上隅角瓦斯治理。

6 結(jié)束語

隨著益新煤礦直屬采區(qū)四水平延伸工程的進(jìn)組施工，開采深度不斷加深，防瓦斯、防火、防沖擊等多種災(zāi)害治理工作將是我們所面臨的難題，二氧化碳?xì)獗铝严到y(tǒng)在處理益新煤礦煤倉堵倉中的成功應(yīng)用，將為益新煤礦在今后安全爆破方面提供了原始數(shù)據(jù)，積累了經(jīng)驗，奠定了安全基礎(chǔ)。在今后的工作中，益新煤礦直屬采區(qū)將進(jìn)一步推廣該系統(tǒng)，逐步應(yīng)用到礦井的防沖擊、防突、防瓦斯的工作、軟幫處理懸頂工作、硬幫預(yù)裂工作及處理大塊巖石等諸多方面。

作者簡介：

陳仁海（1970.7-），男，1995年6月畢業(yè)于黑龍江礦業(yè)學(xué)院采礦工程專業(yè)，本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)任黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司益新煤礦副礦長。