CO2預裂爆破技術在塔山煤礦8222工作面實踐應用

張 旭

（晉能控股煤業集團塔山煤礦，山西 大同 037008）

0 引言

塔山煤礦8222工作面在初采期間存在老頂初次折斷距離大的問題，老頂折斷距離大會造成采空區瓦斯大面積、長時間涌出，引發瓦斯涌出事故。因而在8222切眼采煤側應用了CO2預裂爆破技術，通過對上覆堅硬K3砂巖層的預裂作用，破壞其完整性，使其提前垮落，避免長距離一次性垮落風險。文章在分析8222工作面開采技術條件和開采參數的基礎上，重點研究了CO2預裂爆破技術的實踐應用。

1 工作面簡介

8222工作面埋深359～610 m，平均埋深479 m。工作面平均走向長度2 644.5 m，傾斜長度230.5 m，煤層厚度8.2～29.2 m，平均厚度15.8 m，煤層面積60.95萬m2，可采儲量1 122.1萬t。煤層埋藏傾角為2°；煤層視密度平均1.46 g/cm3。

2 技術實施條件

2.1 地質條件頂底板

8222工作面為上山回采，煤層走向近似南北，傾向近似西，順槽巷掘進過程發現該煤層斷層發育明顯。其中5222巷揭露正斷層8條，2222巷揭露正斷層15條，8222頂板高抽巷掘進揭露斷層8條，總計31條斷層，其落差在0.3～8.2 m不等。

煤層直接頂厚度1.51～14.52 m，平均8.22 m，主要由砂質泥巖、泥巖組成；老頂厚度1.45～20.31 m，平均8.16 m，巖性組成主要包括粗砂巖、砂質泥巖組成。頂板存在煌斑巖不規則侵入情況，導致煤層上部局部松散易碎，易發生大面積集中冒頂現象。

2.2 瓦斯賦存情況

8222工作面上鄰近層及圍巖的瓦斯涌出都是以采空區的形式涌出，另外綜放開采導致的采空區殘留煤較多決定了部分本層瓦斯也以采空區瓦斯的形式涌出。相對涌出量2.54 m3/t，絕對涌出量20～40 m3/min。結果分析該煤塵具有爆炸危險性，自然發火期為82 d。

3 工作面開采重點參數

3.1 工作面長度

根據礦井盤區劃分及二盤區開采經驗，確定8222工作面傾向230.5 m。該工作面的東北、西南方向尚未進行開拓，西北至探測陷落柱外沿，確定工作面平均走向長度為2 644.5 m。

3.2 采高

根據8222工作面采用SL-500型采煤機及Z F17000/27.5/42D型低位放頂煤支架，綜合考慮支架高度確保來壓期間立柱收縮后采煤機能夠正常通行，支架后擺梁上下擺動能夠滿足放頂煤要求以及采高對煤壁片幫的影響，確定工作面采高為3.8 m。

3.3 截深

工作面配套使用Z F17000/27.5/42D型支架，推移千斤行程為1.0 m，確定工作面截深為1.0 m。

3.4 綜放工作面放煤步距及停采前頂煤留設距離

工作面煤層平均厚度15.8 m，機采厚度3.8 m，平均放煤高度為12.0 m。該煤層頂煤垮落角為75°～85°。依據該工作面基本支架選型Z F17000/27.5/42D，得出頂煤垮落面水平投影長度為1.5 m。綜合以上參數確定合理放煤步距為1.3～1.5 m。

4 CO2預裂爆破技術的應用

4.1 CO2預裂技術簡介

1）設備組成。CO2致裂器的組成主要包括7個部分：止飛器、釋放管、定壓剪切片、密封墊、儲液管、加熱裝置、充裝閥，如圖1所示。

圖1 CO2致裂器的組成結構示意圖

2）工作原理。CO2致裂需滿足2個條件：①CO2液態，需滿足T＜31℃、P＞7.35 MPa；②氣體做功是急劇膨脹，需滿足體積V在20 ms內膨脹600倍、膨脹壓力達到80～270 MPa。條件①是為了滿足CO2氣體呈液態儲存，為激發后的急劇膨脹做功奠定基礎條件；滿足條件①的液態CO2在加熱裝置的作用下，滿足條件②；實現儲液管內壓力的急劇增大，當壓力達到極限強度后，定壓剪切片破斷，低溫高壓CO2氣體作用于預裂部位，實現定點預裂爆破。

3）技術優勢。CO2致裂爆破是典型的物理爆破，比傳統化學爆破相比存在諸多優勢：本質安全化，可在各種易燃易爆環境下安全使用；環保無污染，CO2氣體無毒無害，爆破過程無有毒有害氣體產生；地震沖擊波、震速小，無破壞性震動和有害的高溫效應；工藝簡單、操作方便，無需驗炮，“啞炮”處理無須耗時和特殊的安全技術措施；不屬于火工產品，使用時不用經嚴格而繁瑣的審批，無須特殊工種。CO2致裂器部分參數與特點見表1。

表1 CO2致裂器部分參數與特點

4.2 8222工作面CO2預裂爆破設計

工作面頂板存在煌斑巖不規則侵入情況，導致煤層上部局部松散易碎，易發生大面積集中冒頂現象。為防止初采期間老頂初次折斷距離過大、古塘懸板不及時垮落，設計應用了CO2致裂技術方案破壞老頂的完整性，使其按照預期安全垮落。

1）放煤致裂孔（編號K A1、K A2）。在兩端頭15 m范圍內交錯布置，如圖2所示。沿工作面傾向方向孔距3.5 m，抽放巷投影范圍以外選擇孔距7.0 m，均為大孔徑?65 mm。K A1、K A2孔的仰角、孔深見表2，共布置K A1、K A2孔各22個。

圖2 8222工作面頂板致裂鉆孔布置圖

表2 放煤致裂孔設計參數

2）兩巷切頂致裂孔（編號K B1、K B2、K B3、K C）。沿工作面推進方向孔距1.5m/10m，均為大孔徑?65 mm，如圖3所示。兩巷切頂致裂孔的仰角、孔深見表3，共布置K B1、K B2、K B3孔各8個，K C孔個數順槽長度按照孔距10 m確定。

圖3 8222工作面兩巷切頂致裂孔剖面布置圖

表3 兩巷切頂致裂孔設計參數

5 效果和結論

經過檢測，CO2致裂技術實現了老頂垮落率達到85%以上，該致裂方案實施30 min后開切眼處瓦斯濃度為0.16%，CO2濃度為0.26%，均未超過限制。

8222工作面在開采過程中，采用CO2致裂技術方案，有效解決了煌斑巖不規則侵入導致的老頂初次折斷距離過大、古塘懸板不及時垮落問題，避免了老頂折斷距離過大引發的采空區瓦斯大面積、長時間涌出難題。