二氧化碳致裂器爆破技術在煤礦巷道掘進的實踐

馬海忠

(大同煤礦集團朔州朔煤王坪煤電有限責任公司，山西 懷仁 038300)

綜合機械化掘進是目前掘進工作面的主要掘進方式，但是過地質構造時，仍然需要通過爆破的方式。由于受掘進工作面作業環境條件及炸藥所固有的危險性的影響，爆破的方式成為掘進過程中的不安全因素。特別在高瓦斯和煤與瓦斯突出的礦井，傳統的爆破方式可能導致煤塵與瓦斯爆炸，給煤礦的安全生產帶來很大的危險[1]。近年來發展的二氧化碳爆破技術克服了傳統爆破技術的缺點，保證了礦山的安全高效開采。

1 303盤區2303巷概況

303盤區2303巷布置于8#煤層中，工作面標高1110～1112m。2303巷位置303盤區北部，東部為303盤區皮帶巷、303盤區軌道巷、303盤區回風巷，南部為備采工作面8301面。該巷所在煤層及其上覆巖層水文地質條件中等，最大涌水量為1.1m3/h,正常涌水量為0.1m3/h。2303巷巷道規格為3.7m×3.4m，巷道沿煤層底板掘進，頂板采用錨桿錨索鋼帶聯合支護，巷道兩幫采用錨桿皮帶條塑料網聯合支護。煤層頂底板情況如表1所示。

表1 煤層頂底板情況

經瓦斯簽定：礦井絕對瓦斯涌出量為4.48m3/min，相對瓦斯涌出量為1.33m3/t，為低瓦斯礦井。礦井所采煤層均有煤塵爆炸危險性，均為自燃煤層，煤層自燃傾向等級為Ⅱ級，最短發火期為6個月。

2 二氧化碳致裂器

2.1 二氧化碳致裂器結構

二氧化碳致裂器主要由起爆頭、加熱裝置、主管、泄能片、密封墊、泄能頭等六部分組成。二氧化碳致裂器結構如圖1所示。

圖1 二氧化碳致裂器結構圖

2.2 工作原理

二氧化碳以液態形式存在時，要求溫度在31℃以下或者要求儲存二氧化碳時的壓力大于7.2MPa，而在溫度31℃以上時，無論二氧化碳受到的壓力多大，液態二氧化碳就會變為氣體，利用二氧化碳的這一物理特點[2]，用液態二氧化碳把致裂器主管充裝，利用發爆器快速加熱裝置，使液態的二氧化碳可以在一瞬間氣化膨脹并且能產生高壓，當高壓壓力值能達到泄能片極限強度值（可設定壓力）時，定壓泄能片破斷，高壓氣體從泄能頭釋放，高壓氣體作用在煤（巖）體上，從而達到爆破的目的。

2.3 爆破特點

二氧化碳致裂器爆破過程中不會產生火花、有毒有害氣體及啞炮，爆破威力及爆破方向可控，不會產生大的震動波，減少了誘發瓦斯突出的機率。

2.4 工作條件

致裂器在下列條件下應能正常工作。

（1）溫度：0℃～40℃；

（2）平均相對濕度：≤95%（＋25℃）；

（3）大氣壓力：80～106kPa；

（4）允許在有甲烷、煤塵爆炸性混合物的危險環境中使用；

（5）礦山采掘工作場所及各種需要爆破的場所。

3 二氧化碳爆破方案

3.1 炮眼布置

2303巷巷道斷面為矩形，寬3.7m，高3.4m。設計煤眼為13個，炮眼深度為2m，炮眼垂直于巷道斷面布設，其中1～5為掏槽眼，6～13為周邊眼，炮孔直徑為110mm。炮眼布置如圖2所示。

3.2 爆破器材

爆破選用MZL350-108/1950型二氧化碳致裂器。儲液管長1950mm，管徑為108mm，容積為7.2L。

3.3 爆破作業

3.3.1 組裝

（1）首先在陳列架上固定好二氧化碳致裂器儲液管，然后在二氧化碳致裂器主管中插入帶鉤的鐵絲，并將帶鉤鐵絲的一端從主管刻字的一端伸出，最后用帶鉤的鐵絲把儲液管加熱裝置的導線鉤住，拉動鐵絲使加熱裝置的導線從二氧化碳儲液管的另一端伸出。

（2）將末凸起的定壓剪切片一端朝外安裝，然后把定壓剪切片與加熱裝置的導線連接成一個整體。最后把加熱裝置拉出，從而使定壓剪切片整體固定安裝在儲液管之中。

（3）先把釋放管擰緊，再將充裝閥擰緊，最后擰緊釋放管和充裝閥。

（4）在拆裝機鉗口上放置致裂器并固定好，并把二氧化碳致裂器的充裝閥一端頭插入到拆裝機頭里，然后按照順時針的方向旋轉急停按鈕，按下啟動按鈕以便能啟動拆裝機。

（5）按住夾緊按鈕把充氣的壓力值上升到10MPa以上，然后松開夾緊按鈕，最后再按住緊固按鈕，使充氣壓力值上升至10MPa時，再放開緊固按鈕。

（6）按住松開按鈕，然后將致裂器掉頭。

（7）重復步驟（5）。

圖2 二氧化碳爆破炮眼布置圖

3.3.2 充氣

（1）把二氧化碳致裂器放在充裝臺上并對準充裝孔，把夾緊桿擰緊并使用內六角扳手把充裝閥打開。然后把致裂器所對應的球閥打開，把沒有致裂器的球閥關閉。

（2）按下充裝機上的清零鍵可使稱重儀表清零。

（3）放氣：每當第一次充氣前，需將整個充氣管道里的氣體全部排空。排空時首先打開充裝臺上的進口球閥和出口球閥。然后按下充裝臺上的放氣按鈕，直至充裝臺上的出口球閥噴出連續不斷的白色氣體后才算排空充氣管道里的氣體，最后關閉出口球閥，完成放氣作業。

（4）洗管：首先把放氣按鈕按下，然后關閉進口球閥，最后打開出口球閥。依次按上述方式重復兩到三次，這樣就可以使二氧化碳致裂器內的二氧化碳大部分放出，然后再關閉出口球閥。

（5）充裝：把出口球閥關閉后，按下增壓按鈕，直到致裂器裝滿時機器便會自動停止充裝工作。致裂器充裝完成且機器停止工作后，使用內六角扳手把致裂器的充裝球閥關閉，然后關閉充裝的進口球閥，最后再打開出口球閥將多余氣體放出。

（6）測試密封性：分別把致裂器裝置上的充裝閥和釋放頭放置于水中，并在水下保護10s左右，沒有氣泡冒出時說明密封性良好；如有氣泡冒出時，必須將致裂器兩端的充裝閥和釋放頭重新扭緊，按上述的要求再進行一次測試密封性，直到沒有氣泡冒出合格為至。

3.3.3 放炮

（1）把致裂器插入致裂孔中，并將泄放頭DC插頭線剪斷，把兩個線纏在一起，并用絕緣膠布纏好。

（2）將所有致裂器的插頭線用導線連接好，用黃泥封孔后與FD200XS—B型晶體管發爆器連接起爆。

3.3.4 回收

（1）將回收并可再次使用的二氧化碳致裂器安裝并固定在拆裝機鉗口上，然后將致裂器的充裝閥的一頭插入到拆裝機的機頭里，按照順時針的方向擰開急停按鈕，最后按下啟動按鈕以便使拆裝機開始工作。

（2）按住夾緊按鈕從而使壓力值上升到10MPa以上，然后放開夾緊按鈕。再按住拆卸按鈕，并把拆卸按鈕旋轉一到兩圈后，最后松開拆卸按鈕。

（3）按住松開按鈕，直到最后將致裂器拆掉。

（4）重復步驟（2）。

（5）清理干凈致裂器內部的殘渣，然后就可以重復使用。

4 爆破效果

爆破后掘進工作面無火藥味及炮煙，經現場測定工作面二氧化碳含量與未爆破前相比無明顯的上升。一次能爆破35.14m3，與傳統的炸藥爆破相比，一次爆破量提高了8.11m3。二氧化碳致裂器可重復利用，爆破的成本非常低。采用該種爆破技術爆破的安全性將大大提高。