機尾采空區(qū)頂板CO2氣相壓裂技術(shù)

康顯強

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

頂板管理對采煤工作面以及巷道的穩(wěn)定有著至關(guān)重要的作用，對于機尾采空區(qū)來說，極易造成瓦斯積聚，所以頂板及時垮落對工作面安全生產(chǎn)至關(guān)重要。對于堅硬煤層或頂板來說，頂板自行垮落難度大，常采取人工干預(yù)的方法，切落頂板的方法有放炮、水力壓裂、CO2氣相壓裂技術(shù)等。關(guān)于CO2氣相壓裂技術(shù)，許多學者進行了相關(guān)研究。

姚再峰等[1]采用離散元數(shù)值模擬計算方法,揭示了采用CO2氣相壓裂技術(shù)弱化頂煤后,工作面出了切眼便可放煤。CO2氣相壓裂技術(shù)已經(jīng)在許多礦井得到成功應(yīng)用[2-7]。本文針對高河能源W1319工作面機尾采空區(qū)頂板管理難的問題，采用了CO2氣相壓裂技術(shù)。

1 工程概況

W1319工作面采用無煤柱開采方式，工作面巷道采用“兩進一回”W型布置方式，即工作面兩邊膠帶巷、進風巷進風，中間回風巷回風。工作面為東西方向布置，從東向西回采，工作面北側(cè)為W1318工作面采空區(qū)，其中進風巷為原W1318工作面沿空留巷復用巷道，進風巷和原W1318工作面采空區(qū)采用柔模混凝土墻支護頂板，隔離采空區(qū)，混凝土墻寬1.5 m。W1319工作面切眼長度334 m，膠帶巷與回風巷相距294 m，回風巷與進風巷相距35 m。三條巷道均采用錨桿+錨索網(wǎng)片支護。留巷高為2 m，柔模墻至排尾1號架(工作面最后一組支架)寬度約3 m，支架至柔模段范圍內(nèi)采用一梁(3.2 mπ型梁)二柱的方式支護。

隨著工作面的推進，端尾頂板不能及時垮落，滯后回采約10 m，形成約10 m×3 m×3 m的空間，容易積聚高濃度瓦斯，給安全生產(chǎn)帶來很大的安全隱患。

2 機尾采空區(qū)頂板特征分析

1) W1319工作面煤層硬度大，頂板不易破碎。

2) 由于W1319工作面進風巷為沿空留巷，為確保巷道的穩(wěn)定性，超前在進風巷對煤墻幫和頂板進行了注漿，也因此導致了機尾采空區(qū)頂板整體凝聚在一起，回采后采空區(qū)不易垮落。

3) 沿空留巷北側(cè)為W1318工作面采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)基本頂垮落正常，但由于沿空留巷的存在，柔模墻給W1319工作面?zhèn)软敯逡粋€支點，且W1318工作面采空區(qū)垮落的煤巖對W1319工作面?zhèn)软敯逍纬梢粋€斜向上的支撐力，導致W1319工作面沿空留巷采空區(qū)側(cè)頂板不易垮落。

4) 機尾段上網(wǎng)較長，橫向和縱向空間不足，導致即使在機尾采空區(qū)頂板破碎的前提下，頂板沒有釋放壓力的空間。

3 二氧化碳氣相壓裂技術(shù)

3.1 工作原理

二氧化碳氣相壓裂技術(shù)是利用二氧化碳由液相轉(zhuǎn)換為氣相瞬間釋放的能量對周圍巖體進行破壞。二氧化碳在31 ℃以下，7.2 MPa壓力時，以液體形式存在，而超過31 ℃，不管壓力多大，液體二氧化碳瞬間膨脹為氣體，體積極速膨脹對周圍物體進行爆破。在壓裂管內(nèi)用專用高壓泵充裝液體二氧化碳，使用時通過化學加熱，液態(tài)二氧化碳在20～40 ms內(nèi)迅速轉(zhuǎn)換成氣態(tài)，壓力劇增沖破爆破片，高能二氧化碳氣體瞬間從壓裂管噴氣孔內(nèi)爆發(fā)，對煤體進行作用，將頂煤破碎，隨回采垮落。

3.2 預(yù)裂頂板施工工藝

3.2.1 壓裂器材準備

1) 所需施工壓裂器材包括：壓裂桿、連接桿(D50 mm鉆桿)、放炮線、發(fā)爆器、電阻表，工器具等。

2) 測量壓裂桿電極電阻，阻值在1.5～2.5 Ω之間，若阻值異常，則將異常壓裂桿重新充裝。

3) 將檢測正常的壓裂器材整齊碼放在壓裂器材專用箱內(nèi)，雨天壓裂桿入井時需使用遮雨布將壓裂器材專用箱進行遮蓋。

3.2.2 施工工藝

施工工序：設(shè)置警戒—氣體檢測—掛防護網(wǎng)、加密支護—鉆孔施工—推進壓裂桿、連接桿—單體柱戧柱支護—引發(fā)壓裂。

1) 掛防護網(wǎng)、加密支護。在最后一排單體柱采空區(qū)側(cè)掛一道全斷面防護網(wǎng)(10號鐵絲網(wǎng))，網(wǎng)片采用對接方式，聯(lián)網(wǎng)間距100 mm，采用16號鐵絲雙絲三扣綁扎牢固；并于切眼后溜處網(wǎng)片連接，防止放炮后頂板煤體垮落涌入巷道。 并在W1319進風巷采空區(qū)側(cè)最后一排單體柱中間和靠近排尾1號架處，加設(shè)2根單體柱。

2) 鉆孔施工。在W1319進風巷后溜三角區(qū)靠采空區(qū)側(cè)第一排與第二排之間距巷幫1 000 mm處，利用鉆機以垂直頂板偏采空區(qū)方向20°(根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整角度、開孔位置)，施工2個孔徑75 mm的氣相壓裂鉆孔，兩孔間距1 000 mm，孔深直至打到頂板巖石為止，具體鉆孔施工示意見圖1。

圖1 鉆孔施工示意

3) 推進壓裂桿、連接桿。鉆孔施工完畢后，壓裂人員將1根壓裂桿推入孔底，然后依次連接若干根連接桿至巷道底板位置處，連接桿桿底與巷道底板間距使用短接連接，末端用道木頂住，在道木另一側(cè)底部打設(shè)1根單體柱，并保證接頂牢固；將連接桿上拉環(huán)與單體柱把手使用鐵鏈連接、拉近。

3.3 壓裂效果分析

經(jīng)過一個月的施工，每個圓班施工一次壓裂，當班或之后一個班采空區(qū)回采后均可垮落，具體施工鉆孔及垮落情況見表1。

表1 施工鉆孔及垮落情況

根據(jù)W1319工作面二氧化碳氣相壓裂應(yīng)用效果可以看出，采用氣相壓裂后采空區(qū)垮落步距整體呈變小的趨勢，并可說明機尾采空區(qū)不垮落的主要原因是柔模墻給W1319工作面?zhèn)软敯逡粋€支點，二氧化碳氣相壓裂爆破切斷了頂板與支點之間的連接，采空區(qū)開始垮落。該技術(shù)有效保證采空區(qū)不漏風、不積存瓦斯，為綜采工作面安全回采提供保障。