臨空巷道頂板卸壓技術研究與應用

吳曉偉

（同煤集團永定莊煤業有限公司，山西 大同 037003）

煤炭開采中，隨著巷道深度的不斷延伸，臨空巷道在回采過程中，受復合作用力影響，礦壓會十分明顯。由于巷道頂底板壓力大，會出現頂板下沉、底鼓、幫鼓等現象，還會使巷道斷面高度、寬度發生變化，影響人員行走、物流運輸和工作面通風。本文針對鄰空巷道的下沉、底鼓等變形問題，提出通過CO2致裂切頂卸壓技術對直接頂、老頂進行卸壓，減緩二次采動超前壓力，降低來壓影響時間、范圍及壓力峰值[1]。

1 工作面概況

1.1 8111 工作面概況

8111 綜放工作面標高位置873～909.4 m，工作面長239.4 m，頭順槽長2 466 m、尾順槽長2 481 m，煤層水平發育，傾角2°～4°，平均2.5°，煤層厚度5.30～8.10 m，煤層整體結構較為復雜，除3.94～5.89 m的純煤層外，存在3～5 層夾矸層，厚度不一，約0.10～2.03 m、平均1.28 m。

8111 工作面與8101 工作面間煤柱間隔30 m，5111 巷自距離8111 工作面開切眼531 m 處至停采線位置為鄰空區，5111 巷鄰空段受到8101 工作面采空區懸梁影響，會形成殘余支撐壓力作用在5111巷，同時5111 巷自身受到8111 工作面回采超前動壓，上述兩種壓力綜合作用會使礦壓顯現更加劇烈，該段巷道部分錨桿和錨索失效，部分單體支柱出現彎折和失效，頂板鋼帶也出現多處變形，巷道出現不同頂板下沉、底鼓、幫鼓，較為嚴重的巷道斷面頂板由3.7 m 高度下降到0.6 m，寬度由5.4 m 縮減為3.6 m（現場實際情況如圖1 所示）。

圖1 鄰空巷道5111 巷超前支護段礦壓顯現

2 二氧化碳致裂技術研究

2.1 二氧化碳致裂器結構原理

CO2致裂器由充裝閥、發熱裝置、主管、定壓剪切片、密封墊、釋放管六部分構成。CO2致裂器主要利用CO2會在31 ℃和小于7.35 MPa 時物態發生變化，由液態轉化為氣態，壓力也隨溫度變化，CO2急劇膨脹會形成類似爆破效果。CO2致裂器內部存儲大量液體CO2，使電極和加熱裝置可以快速發熱，CO2氣化產生高壓超過定壓剪切片極限強度會沖破致裂器末端剪切片，由致裂裝置氣門經由釋放管釋放作用于煤巖[2-3]。

2.2 CO2 致裂器與炸藥的比較

1）持久性。CO2致裂器中CO2氣化爆炸單位爆炸能為680 kJ/kg，雖然只有2 號煤礦硝銨炸藥爆炸能的1/5，但相對緩慢具有持久性，致裂器觸發后氣體會持續膨脹直到最大體積，對于煤巖體這類多裂（孔）隙脆性材料，氣體會沿煤巖體裂隙擴散，起到良好的剪切破壞效果。

2）安全性。CO2致裂器利用氣體物態相變產生動能，過程中沒有明火或火花，同時液氣轉化本身是一種吸熱過程，整個爆破過程中的熱量也會被CO2吸收，起到冷卻作用，期間不會引發瓦斯、煤塵爆炸。CO2致裂器由特制壓力容器存儲，狀態穩定便于儲存和運輸。同時CO2釋放量只有0.6 m3/kg，釋放后會由局部通風系統帶離工作面。

3）適用性。礦用炸藥爆破后會產生明火和高溫氣體，不適宜在高瓦斯和高突煤層進行煤層放頂和預裂卸壓，而CO2致裂器的安全特性，相對適用范圍較廣。而且礦用炸藥和雷管屬于管制器材，采購、運輸、存儲都具有嚴格的監管制度，并由具有專業資質的作業人員完成。

4）可重復操作性。CO2致裂器通過氣體膨脹產生動能，觸發后的高壓只對發熱器、剪切片和密封墊片造成損壞，致裂器其他部分裝置可進行重復使用，經過拆解、替換易損部件和再次灌裝，可進行反復利用。

3 二氧化碳致裂技術應用

3.1 方案選擇

3.1.1 5111 鄰空巷道致裂切至直接頂鉆孔設計

沿5111 臨空巷道鄰近8111 采空區一側傾斜設置預裂鉆孔，鉆孔位置到達臨近采空區直接頂頂部，鉆孔深度根據巖層上覆巖層情況約為6.5～9.0 m，并自直接頂底部開始間隔1.5 m 沿鉆孔設置1—3 號CO2致裂器，CO2致裂器采用串聯起爆，詳細鉆孔剖面見圖2。

圖2 預裂鉆孔剖面示意圖（切至直接頂）（mm）

3.1.2 5111 鄰空巷道致裂切至老頂鉆孔設計

沿煤柱幫上部設置的傾斜預裂鉆孔深度達到采空區上覆巖層老頂位置，通常鉆孔深度約為11～13.5 m，鉆孔內自直接頂底部到達老頂區間設置1～6號二氧化碳致裂器，相鄰致裂器間隔1.5 m，6 個CO2致裂器串聯同時起爆，鉆孔剖面見圖3。

圖3 預裂鉆孔剖面示意圖（切至老頂）（mm）

3.1.3 方案對比

8111 工作面直接頂為厚度4.1 m 的泥巖、高嶺巖，該類巖層硬度較低，通常普氏硬度為1.99～4.2 之間，老頂為厚度平均6.7 m 的灰白色中砂巖、粗砂巖或礫巖，屬半堅硬巖層。由于8111 工作面上覆巖層的巖層性質，通過關鍵層理論認為老頂對該區域上覆巖層巖體活動起到關鍵作用。前期在8111 工作面1 380～1 410 m 處設置10 個直接頂預裂鉆孔爆破后沒有起到良好的卸壓效果。實驗鉆孔預裂結果表明為了達到對5111 臨空巷道進行致裂切頂卸壓控制效果，需要將預裂鉆孔方案調整為致裂切至老頂鉆孔的設計，使頂板預裂后仍能保持整體性，并改善工作面推進后的頂板切落效率[4-5]。

3.2 試驗

調整預裂鉆孔施工技術方案后，將8111 工作面內1 260～1 320 m 處設置為預裂試驗段，預裂鉆孔布置應超前工作面100～120 m，沿工作面向外施工。致裂桿直徑Φ53 mm，預裂鉆孔直徑Φ56 mm，預裂鉆孔深度16.5 m，鉆孔沿70°～80°傾角施工，鉆孔頂端到達采空區上覆巖層老頂位置。共設置18 個試驗預裂鉆孔，相鄰預裂鉆孔間距3 m，試驗段同時預留3 各觀察鉆孔，觀察鉆孔應處相鄰鉆孔中段設置。為了維護預裂卸壓后工作面及巷道頂板安全，鉆孔外側設置雙排托梁加強巷道支護，托梁間排距為800 mm×800 mm。

為監控切至老頂處CO2預裂措施效果，在5111巷切頂卸壓試驗段和未切頂卸壓段設置監控斷面，每斷面各設置兩個監測分站，鉆孔應力計監測布置示意圖見下頁圖4。

3.3 效果

各監測分站設置監測鉆孔安裝應力計過程中，鉆孔施工至煤柱切頂段15 m 處位置和鉆孔施工至非切頂段13 m 位置，都出現鉆孔卡鉆和循環水不返出現象，甚至出現鉆桿卡死無法拔出，并無法通過提高鉆速和鉆壓改善。說明鉆孔已經到達煤體應力高度集中區域。

監測分站在鉆孔10 m 和15 m 位置分別進行應力測量，測量結果見表1。

圖4 鉆孔應力計監測布置示意圖（m）

表1 各監測站10 m 及15 m(13 m）處應力狀態值

通過對上述1～4 號監測站測得10 m 和15 m 處數據表明，致工作面及煤柱進行裂切頂卸壓后實時應力低于普通支護回采方式。即5111 鄰空巷1 260～1 320 m 處試驗段進行致裂切頂卸壓后圍巖動壓得到降低，同時巷道安全出口斷面能夠維持在最小高度1.8 m，最小寬度4.2 m，巷道頂板壓力得到良好控制，施工效果良好。

4 結語

從實踐應用效果來看，CO2致裂切頂卸壓技術在控制巷道圍巖變形方面具有較好的效果，有效降低了圍巖動壓，同時較好地控制了巷道斷面，為類似工作面的圍巖控制提供了參考。