二氧化碳致裂治理堅硬頂板技術應用

任 俊 高 宇

（1.大同煤礦集團馬脊梁礦，山西 大同 037003；2.大同煤礦集團總調度室，山西 大同 037003）

大同礦區煤田具有頂板堅硬的特點。隨著煤炭開采深度的加大，堅硬頂板帶來的災害日益顯現，具體體現在：工作面初次垮落步距和周期來壓步距增大；臨空巷道易發生強礦壓和嚴重變形；工作面初采期間瓦斯超限等。傳統的處理堅硬頂板的辦法是采用炸藥爆破強制放頂，此法雖有效但存在安全性差、污染嚴重、火工品管理成本高昂的弊端。因此，需提出更安全高效的方法來治理堅硬頂板，二氧化碳致裂技術處理堅硬頂板就成為其重要的發展方向。

1 工程概況

本文以塔山礦C3-5#層8218工作面為工程背景，該工作面設計長度3063m，傾向230m。工作面采高3.9m，煤層平均厚度14.97m，煤層傾角為2～5°，老頂平均厚4.5m，巖性以灰白色粗砂巖、中砂巖為主。直接頂平均厚11.8m，巖性以砂質泥巖、粉砂巖、炭質泥巖為主。工作面共布置134架ZF15000/27.5/42型支架，1臺艾克夫SL500型采煤機，1部PF6/1142型前刮板機，1部PF6/1342型后刮板機，工作面采煤方法為綜合機械化低位放頂煤采煤法。

2 二氧化碳致裂技術

2.1 二氧化碳致裂原理

二氧化碳由液態瞬間轉化為氣態，體積迅速膨脹，同時產生沖擊波并放出大量能量，此原理屬于物理變化過程。利用液態二氧化碳致裂堅硬頂板，比傳統爆破更安全，不會產生有毒有害氣體，不會產生構造性破壞，而且其運輸、儲存和使用獲免審批等優點。在使用前，用高壓泵預先在專用儲液管注入液態二氧化碳，使用過程中通過接通位于儲液管一端的起爆頭電流，瞬間產生高溫使得儲液管內的二氧化碳迅速從液態轉化為氣態，使得儲液管內壓力劇增，在十幾毫秒內體積迅速膨脹至原有體積的500～700倍，當壓力達到預設值時，釋放頭內的定壓剪切片被打開，二氧化碳氣體迅速向外爆發，產生的強大推力瞬間可使巖層破裂，從而達到致裂效果。液態二氧化碳致裂器結構圖見圖1。

圖1 液態二氧化碳致裂器結構示意圖

2.2 超前致裂卸壓孔布置

在臨空超前段靠近煤柱側巷幫依次布置致裂切頂卸壓孔。由于受到工作面超前支承應力影響，鉆孔時易卡鉆，并且成孔后容易塌孔，影響后續作業，所以預裂作業應超前工作面80～120m完成。由于鉆孔施工方位存在偏差和氣態二氧化碳擴散的不確定性，為確保形成理想的切縫線和切縫效果，致裂切頂卸壓段每隔24m布置一組致裂孔，每組3個致裂孔，呈扇形分布，孔徑均為Φ65mm，如圖2所示。

圖2 預裂鉆孔剖面示意圖

中心孔仰角48°，孔方向垂直于巷道行進方向，指向煤柱側巷幫，眼斜深30m（有效致裂長度約13m），垂深25m。

兩側孔與中心孔在同一平面上（即仰角也是48°），在該平面上與中心孔呈20°夾角。孔眼距離中心孔孔眼500mm，孔底眼與中心孔底眼相距8m。眼斜深32m（有效致裂長度約14m），垂深25m。在每個致裂孔使用9根二氧化碳致裂器，1個連接桿。鉆孔向煤柱一側傾斜，有兩方面的考慮：一是傾斜切縫有利于頂板在自重和上位巖體作用下離斷，并減小頂板切落時的阻力；二是二氧化碳致裂器集中在鉆孔的直接頂、老頂段，傾斜鉆孔可使致裂器在水平方向上遠離巷內頂煤，減少氣態二氧化碳泄放對巷內頂煤的擾動。

2.3 機道內致裂卸壓孔布置

為保證機道頂板的及時垮落，計劃在工作面機道支架間施工二氧化碳致裂鉆孔，對頂煤進行預裂。鉆孔參數：鉆孔直徑Φ65mm，孔深8m，間隔5個支架即8.75m，共計施工27個鉆孔。每個致裂孔使用1根致裂器，5個連接桿。

2.4 致裂前檢驗及性能測試

安裝前首先對致裂器外觀及結構進行檢查，一是確保致裂器無明顯劃痕、銹蝕及肉眼可見裂痕；二是確保泄能器結構應能使儲液管內高壓二氧化碳在達到泄放壓力后充分泄放。其次對致裂器進行性能測試，一是試驗密封性：將組裝好的致裂器置于水中，觀測2min，所有連接處無氣泡溢出；二是檢查液體二氧化碳、致裂器產品合格證；三是檢查發熱裝置：腳線、電阻、抗震性能、安全電流、最小發火電流、靜電感度等技術指標。

3 應用效果

8218工作面在進行二氧化碳致裂以前，頂板堅硬難垮落，工作面臨空側超前支護段巷道變形嚴重，原設計斷面5.3m×3.5m變形為3.5m×1.8m，初次來壓步距為35m，周期來壓步距為25m。當工作面周期來壓時，礦壓顯現強烈，永久支護損壞，支架安全閥開啟，瓦斯涌出不均勻，門墩頻繁。二氧化碳致裂以后，工作面實測周期來壓步距在15m內，來壓時礦壓明顯減弱，巷道支護完好，臨空側超前支護段巷道變形減小，工作面瓦斯涌出均勻。

4 結論

（1）通過塔山礦8218工作面的試驗，證明了二氧化碳致裂技術用來解決堅硬頂板的垮落問題是可行的，現場實測周期來壓步距減小了10m，礦壓顯現現象減弱。

（2）現場實施結果表明二氧化碳致裂技術可產生巨大的威力，成功地代替了傳統炸藥爆破方式預裂堅硬頂板，二氧化碳致裂原理簡單，使用安全方便，性能穩定可靠，應用前景廣闊。