忻州窯礦鄰空巷道二氧化碳致裂切頂卸壓技術

孫 陽

0 引言

我國煤礦90%為長壁留煤柱開采，開采巖層斷裂移動引起力學疊加和擾動，破壞頂板和形成集中應力，是造成冒頂、瓦斯突出、火災等自然災害加劇的根本力學因素。據統計我國頂板及煤與瓦斯突出占煤礦各類事故死亡人數65%，為事故之首[1]。

大同煤礦集團忻州窯礦目前主采侏羅系煤層，在井下生產過程中，東二、東三盤區工作面鄰空開采礦壓顯現情況十分嚴重，尤其是東三盤區14-3#層8308工作面5308巷礦壓顯現問題最為突出。5308巷超前工作面100 m范圍內巷道頂板下沉嚴重，兩幫移近及底鼓現象明顯，錨桿、錨索、鋼帶發生斷裂，常有礦壓應力集中突然釋放事件發生。如何高效安全處理鄰空開采礦壓顯現嚴重問題成了當務之急。

液態二氧化碳致裂器是利用液態二氧化碳受熱時迅速氣化膨脹并釋放足夠的爆破能量，造成巖體或煤體破裂。二氧化碳致裂技術始于20世紀50年代，具有無火花、安全的優勢，目前已推廣至巖石、混凝土和其它物質的快速安全爆破，另外還廣泛應用于鋼鐵、水泥等行業（如料倉、管道出現堵塞時，進行爆破排堵）[2-3]。

為解決8308工作面5308巷礦壓顯現問題，通過現場調研和分析論證，擬采用二氧化碳氣相致裂技術。在14-3#8308工作面5308巷鄰空煤柱一側的直接頂和老頂內實施二氧化碳爆破，切裂隔斷工作面及其鄰空巷上覆直接頂、老頂與采空區側巖體的力學聯系，使其在工作面推進后在支架后方能夠快速切落。從而減小鄰空巷所承受的二次采動超前壓力影響時間、影響范圍和壓力峰值，大大減輕工作面采空區懸梁形成的殘余支承壓力復合作用影響，有效維護巷道穩定。

1 工作面概況及特征

1.1 概況

14-3#層8308工作面采用兩巷布置，其中2308巷為工作面皮帶進風巷，5308巷為工作面回風巷，兼作工作面物料運輸。工作面走向長1 324.6 m，傾斜長131.3 m，面積107 613.5 m2，東27 m為正在掘進的8306工作面；西16.4 m為2016年回采結束的14-3#層8310采空區。

1.2 特征

工作面屬近水平厚煤層，平均4.4 m，煤層呈單一背斜結構復雜，傾角1°～7°，平均3°。局部賦存1～2層的夾石。

2308巷矩形斷面，規格：5.4 m×3.5 m，錨桿與鋼帶、錨索、掛金屬菱形網聯合支護；超前支護25 m范圍內采用單體柱佩戴π型鋼梁的“三梁三柱”支護方式。

5308巷為矩形斷面，規格：5 m×4 m（寬×高），錨桿與鋼帶、錨索、掛金屬菱形網聯合支護；超前支護50 m范圍內采用單體柱佩戴π型鋼梁“一梁三柱”的支護方式。

1.3 工作面頂底板特征

8308工作面頂、底板巖性特征見柱狀22頁圖1。

圖1 柱狀

2 開采方法及主要裝備

本工作面采用長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤方法，自然垮落法結合人工處理采空區頂板；斜切進刀，雙向割煤，循環進度800 mm，采高4.11 m～5.3 m。工作面配套選用MG800/2000-GWD型雙滾筒采煤機，ZZ13000/2.8/6.0A型液壓支架，SGZ1000/1400型刮板輸送機。

3 二氧化碳致裂卸壓技術方案

3.1 二氧化碳致裂技術介紹

二氧化碳致裂器由充裝閥、激發裝置、儲液管、密封墊、定壓剪切片、釋放管等六部分組成(圖2)。能滿足100 MPa～200 MPa不同爆破壓力和各種工況條件下應用。有別于傳統炸藥，二氧化碳致裂器不產生沖擊波、明火、熱源和因化學反應而產生的各種有毒有害氣體。應用證明，二氧化碳致裂器作為一種物理爆破設備，具有安全性能高、性能穩定、操作簡便的特點。

3.2 致裂器的型號選擇

根據8308工作面特征、頂板巖性和地質條件（煤巖性、老頂位置等）確定選用MZL200—51/1400型致裂器（MZL—二氧化碳致裂器；200—釋放壓力；51—儲液管直徑；1400—儲液管長度）

圖2 二氧化碳致裂器結構示意

3.3 二氧化碳致裂鉆孔布置

針對工作面鄰空巷道應力集中礦壓顯現嚴重的情況，采用二氧化碳致裂技術對8308工作面5308巷鄰空側頂板進行預裂處理。由于5308巷鄰空側煤柱寬度為16.4 m，8310工作面開采時對已掘成巷的5308巷形成一次采動影響，因此二氧化碳致裂方案選擇在鄰空一側。設計5308巷1 000 m～940 m范圍為預裂段，按8308工作面回采方向依次布置致裂孔（布置見圖3）。

圖3 8308工作面5308巷致裂孔布置平面示意

致裂段孔位置布在5308巷鄰空側頂板肩角部，間距6 m，孔深16.5 m，孔直徑56 mm，傾角90°，安全保護距離4 m，致裂有效影響半徑3 m，孔內4 m以上為致裂帶，直至切斷老頂。詳見圖4。

圖4 致裂器在孔內致裂示意

為了保證施工過程的安全，致裂前在做好警戒工作的同時，施工地點300 m范圍內無人員之后方可進行致裂。致裂后及時將孔內致裂器回收，在致裂器從孔內退出的過程中，要有序進行，防止致裂器滑出傷人，確保安全。

4 二氧化碳致裂效果分析

4.1 二氧化碳致裂參數記錄

根據二氧化碳致裂技術要求，在5308巷鄰空側頂板施工10個二氧化碳致裂鉆孔，具體試驗情況見表1。

表1 5308巷二氧化碳致裂記錄

4.2 二氧化碳致裂效果評價

為了對二氧化碳致裂頂板效果進行評價，在5308巷二氧化碳致裂段布置了共10個測點觀測巷道變形量，其中1-6號為區域內，7-10號為區域外詳見表2。

表2 5308巷各巷道測點變形量統計

實施預裂前5308巷超前支護100 m范圍內兩幫位移各0.3 m～0.4 m，頂板下沉0.3 m～0.6 m，局部底鼓0.2 m，片幫現象嚴重，宏觀壓力顯現明顯，原支護鋼帶多數變形，部分錨桿失效。

根據以上數據分析得知，5308巷在進行二氧化碳頂板預裂后，巷道變形量明顯變小，超前支護范圍內巷道頂板基本無下沉，超前工作面10 m范圍內有局部底鼓0.1 m，巷道整體頂板可控，降低了老頂的完整性，使采空區老頂及時垮落，降低鄰近采空區對5308巷的影響，起到了切頂卸壓的效果，有效的維護頂板，為其他相近條件的礦井提供技術支持和參考依據。

5 結論

（1）通過二氧化碳致裂技術的現場應用，改善了炸藥爆破安全性差、可控性低、環境惡劣的狀態。

（2）對5308巷試驗段進行了致裂切頂后，巷道的頂板下沉量，兩幫移近量和底板鼓起得到了有效的控制，有利于工作面通風、行人和輔助運輸，保障了工作面的順利回采。