堅硬頂板臨空巷道氣相切頂卸壓技術應用研究

賈 淵 董世卓

（同煤集團同大科技研究院山西大同037003）

大同礦區為典型雙系煤田，石炭系煤層堅硬頂板分層厚度大、節理發育程度低、硬度和強度高，回采過后頂板難以自然垮落，造成下一工作面臨空巷道受相鄰采空區頂板懸頂、本工作面支承壓力及采動壓力的影響大，存在明顯的強礦壓顯現問題。針對該類問題，傳統方法為火工品深孔預裂爆破或水壓致裂卸壓方式，但火工藥品自身的高危性，造成這種方法有很高的施工隱患和環境限制；水壓致裂工序繁瑣，且注水后對巷道環境產生一定影響。CO2致裂技術為近些年提出的“物理爆破”技術，其工序簡單、本質安全，在煤層瓦斯治理、工作面三角懸頂治理、巷道底鼓治理等得到廣泛應用。本文以同煤集團馬脊梁礦典型的堅硬頂板臨空巷道-5105巷為研究背景，利用CO2致裂器和致裂技術，對氣相切頂卸壓方案設計并進行工業性試驗。

1 工程背景概況

馬脊梁礦8105工作面南東為8103工作面采空區，與8103工作面之間的煤柱寬度為30 m，煤層厚度平均6.41 m；老頂為含礫粗砂巖，平均厚度7.27 m，直接頂為細砂巖，平均厚度1.77 m。根據巖石力學試驗，含礫粗砂巖的抗壓強度平均為70.50 MPa；抗拉強度平均為4.80 MPa，內聚力11.2 MPa～13.1 MPa，內摩擦角30.8°～33.4°，泊松比0.223～0.241。5105巷道寬5 400 mm，高3 700 mm，錨桿+錨索+鋼梁壓金屬網聯合支護，巷道全長2 610 m。5105巷道在回采過程中受采動壓力、相鄰8103采空區頂板懸頂及本工作面采空區懸梁形成的殘余支承壓力共同影響，在回采過程中出現比較嚴重的頂板下沉、底鼓等現象亟待解決。

2 CO2氣相致裂技術

CO2致裂器由充裝閥、發熱裝置、儲液管、密封墊、定壓剪切片、釋放管等六部分組成，如圖1所示。液態CO2氣相致裂技術是利用CO2液相和氣相之間的轉換釋放能量來進行致裂，該過程是一個物理變化過程，因此屬于物理爆破。首先CO2致裂器在放入發熱裝置、定壓剪切片組裝后，充入適量的CO2后形成高壓密閉的容器；然后通過礦用本安型起發器激發發熱裝置，瞬間產生大量的熱，致裂管中的液態CO2受熱后瞬間氣化，體積膨脹約600倍，在恒容的儲液管內可產生高達200 MPa壓力甚至更高；儲液管內的壓力達到定壓剪切片的極限強度后，氣相CO2沖破剪切片高速噴出，撞擊到鉆孔內壁造成煤巖體裂隙的產生，隨后的高壓氣體的尖劈作用促使原生及新生裂隙繼續發育，從而使巖體開裂破壞。

圖1 CO2致裂器結構示意圖

3 現場工業性試驗

3.1 氣相切頂方案設計

設計在5105巷道超前工作面至少200 m進行氣相切頂卸壓,試驗段總長250 m.在巷道靠近煤柱側進行施工,布置1排氣相切頂致裂鉆孔.采用FLAC3D和COMSOL軟件對切頂高度、切頂角度及切頂鉆孔間距進行數值模擬,結合實驗室試驗及理論分析,方案如下:

表1 氣相切頂卸壓方案

3.2 致裂器實施工藝

CO2致裂器在地面灌裝檢驗后，運送至井下致裂地點進行起爆，具體施工流程為：鉆孔、致裂器推送、封孔、撤人警戒、起爆、通風、回收致裂器、下一循環，起爆前應按照要求撤人警戒不小于100 m，安全躲避時間不小于30 min。

由于本次致裂高度大，因此在推送時以架柱式液壓鉆機配合常開式液壓夾持器進行，推送前要將鉆機架設牢靠，推送過程應緩慢進行，防止由于推送過快導致電極不導通等問題的產生。封孔采用定制的ZFA45增強型專用注水封孔器進行，封孔壓力可達10 MPa，在推送及回收封孔器時嚴禁帶壓操作。

3.3 效果及分析

2019年7月～2019年12月在馬 脊梁礦5105巷道開展了氣相切頂卸壓工業性試驗。工業性試驗在5105巷道200 m～450 m處，在各設計方案試驗段進行了超前單體支柱壓力監測、頂板離層監測、巷道表面位移觀測及煤柱應力監測，并進行了致裂孔窺孔觀測。

表2 氣相切頂卸壓效果監測

根據現場觀測結果表2數據分析，切頂卸壓試驗段單體支柱最大工作阻力較未切頂區域下降3.09%～12.55%；切頂卸壓可有效降低頂板離層量及圍巖變形量，切頂區域離層量較未切頂區域降低3%～16.5%；頂底板移近量較未切頂區域降低15.3%～22.6%，兩幫變形量僅在采用方案1切頂卸壓時降低28.7%；煤柱的支承壓力隨測點向煤柱內深入，呈現出先增大后減小的趨勢，支承壓力最大值在煤柱內10 m處；切頂試驗段支承壓力峰值較未切頂區域降低3.4%～21.8%。

選取方案1中的10#致裂孔進行致裂前后的窺孔觀測，窺孔觀測結果如圖2。從圖中可以看出，致裂前頂板含礫粗砂巖完整性好，裂隙不發育，僅在局部位置有微小裂隙，致裂后對應致裂器釋放孔位置出現較為明顯的縱向裂隙，最大裂隙寬度可達2 mm，并沿孔壁縱向延伸一定長度，縱向裂隙夾角和釋放孔夾角90°基本一致，在沖擊波和應力波的作用下產生一定的橫向裂隙，但橫向裂隙發育相較于縱向裂隙小，驗證了二氧化碳氣相致裂在堅硬頂板能夠產生定向的致裂效果，從而達到切頂卸壓的目的。

試驗效果表明，氣相切頂卸壓施工工藝安全，作業時間短，切頂卸壓可降低超前單體液壓支柱工作阻力、圍巖變形量及煤柱的支承壓力，取得了理想的卸壓效果，有利于巷道的圍巖控制，在采用設計方案1時卸壓效果最佳。

圖2 致裂孔窺視圖

4 結論

（1）采用CO2致裂技術可以實現堅硬頂板臨空巷道切頂卸壓，而且致裂壓力可控、施工過程安全。在井下一定條件可以替代傳統炸藥及水力壓裂，對改善煤礦安全生產有著重要的影響。

（2）通過現場工業性試驗，氣相切頂在采用合理的設計方案時能夠取得良好的卸壓效果，為大同礦區堅硬頂板臨空巷道切頂卸壓提供了一套實用的超前預裂技術。