工作面過斷層CO2爆破致裂技術(shù)研究

張 建

(霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600)

0 引言

目前CO2爆破致裂技術(shù)主要應(yīng)用于煤層增透、增加抽放率的工業(yè)實(shí)踐。白文信等[1]針對蔣莊煤礦堅(jiān)硬煤層注水難的問題，引進(jìn)了CO2爆破致裂技術(shù)，提高注水滲透效率；孫可明等[2]建立了超臨界二氧化碳?xì)獗铝衙后w的沖擊動力學(xué)模型，揭示了粉碎區(qū)和裂隙區(qū)的破壞規(guī)律和形成機(jī)理；杜澤生等[3]提出了適合試驗(yàn)礦井煤巷掘進(jìn)的二氧化碳爆破技術(shù)，研制了二氧化碳爆破開采器。而無論是工作面或者巷道過斷層的時候一般采取的都是深孔炸藥爆破[4-5]。同時CO2爆破致裂技術(shù)還應(yīng)用在了地鐵施工、采石、井筒施工及路基改造工程中，均取得了巨大的成就和良好的社會經(jīng)濟(jì)效益[6-8]?；仄碌酌旱V10-109工作面回采過程中遭遇了硬巖斷層的干擾，過斷層期間推進(jìn)度低、機(jī)組負(fù)荷大，影響了回采進(jìn)度和回采設(shè)備的安全性。回坡底煤礦從10-109工作面回采實(shí)踐入手，采用CO2爆破致裂技術(shù)進(jìn)行硬巖段松動，為工作面正常回采創(chuàng)造了條件。

1 工程概況

回坡底煤礦東一區(qū)10-109綜采工作面井下位于東一采區(qū)軌道巷左翼，北鄰為10-111回采工作面(正在回采)，南鄰為10-107回采工作面(未采)，西部為磊上村保安煤柱，東部為東一采區(qū)3條大巷。工作面地面位于2#風(fēng)井工業(yè)廣場西北，地表為黃土梁垣地貌，溝壑眾多，無河流、泉眼等水體。地表無建筑。區(qū)域地形最高點(diǎn)標(biāo)高+954 m，位于塬上并井下對應(yīng)10-1092巷切口，最低點(diǎn)標(biāo)高+840 m，位于工業(yè)廣場西北240 m處并井下對應(yīng)10-1092開口。工作面布置示意如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值模型圖

工作面走向長度460 m左右，傾斜長度240 m，主要開采10#煤層，屬半亮型煤，內(nèi)生裂隙較發(fā)育、脆度較大，賦存穩(wěn)定，平均厚度為2.65 m，屬中厚穩(wěn)定煤層，厚度變異較?。幻簩咏Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，中部含0～1層夾矸，夾矸巖性為泥巖偶見炭質(zhì)泥巖；本煤層容重為1.4 t/m3；煤層傾角為1°～6°。工作面頂?shù)装迩闆r及地質(zhì)構(gòu)造揭露情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装寮暗刭|(zhì)揭露情況

2 CO2爆破致裂

2.1 CO2致裂原理

10-109綜采工作面揭露的F142正斷層推進(jìn)3.2 m，該斷層H=4.6 m，影響范圍在99#～119#支架段，該段巖石為砂巖、巖性較硬，機(jī)組截割困難。為加快10-109工作面過斷層期間的推進(jìn)度及減少采煤機(jī)的負(fù)荷，可對斷層巖性堅(jiān)硬段先采用CO2爆破致裂方式進(jìn)行松動，再用采煤機(jī)截割直接推進(jìn)。

CO2爆破致裂基本原理是CO2氣體在一定高壓條件下轉(zhuǎn)化為液態(tài)，通過高壓泵將液態(tài)的CO2壓縮至致裂器內(nèi)。當(dāng)微電流通過電點(diǎn)火頭時，引起發(fā)熱藥劑產(chǎn)生高溫，瞬間將致裂器內(nèi)液態(tài)CO2氣化，液態(tài)CO2膨脹600倍形成氣態(tài)CO2，急劇膨脹產(chǎn)生高壓沖擊波致泄能器打開，通過瞬間釋放高壓氣體松動巖體，達(dá)到爆破致裂圍巖的目的[9]。CO2致裂器示意如圖2所示。

1-充裝閥；2-加熱裝置；3-儲液裝置；4-密封墊；5-定壓剪切片；6-釋放管；7-止飛器圖2 二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)

2.2 CO2爆破致裂特點(diǎn)[10]

采用CO2爆破致裂具有：①CO2爆破安全性能高，可靠性好—CO2本身不具有爆炸性，且有抑制爆炸燃燒的作用，爆炸致裂不會產(chǎn)生火花或明火，不會引起瓦斯爆炸；②CO2爆炸致裂的程度可控—可根據(jù)不同壓力的定壓剪切片安裝控制不同爆炸威力，從而達(dá)到爆破程度可控的目的；③工序操作簡單，成本較低—主要儲液裝置可重復(fù)使用，鉆孔簡單，不需要過多人員操作，整個過程僅需3工即可在短時間內(nèi)完成。

3 CO2爆破方案與實(shí)施

3.1 CO2爆破致裂前準(zhǔn)備工作

檢查：爆破工作前，對工作區(qū)域供水、通風(fēng)進(jìn)行檢查完善，準(zhǔn)備鉆孔用鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭等材料。

材料準(zhǔn)備：爆破工作前，將防護(hù)支架、纜線、板梁等防護(hù)材料提前準(zhǔn)備到位，在后方20 m位置整齊擺放。

機(jī)組停放：爆破施工前，工作面機(jī)組需停至距爆破位置100 m外頂板較好地段，斷電關(guān)閉工作狀態(tài)；采用防護(hù)材料將爆破段支架立柱、管線等進(jìn)行保護(hù)防止巖石崩出破壞。

支護(hù)：爆破施工前，對99#～119#支架段前后20 m范圍內(nèi)的采場支護(hù)進(jìn)行檢查，確保頂梁接頂，護(hù)幫板貼緊煤幫，初撐力不低于25 MPa。

致裂器存放：CO2致裂器存放在距轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭100 m外干燥地方，同時定期檢查防治破壞。

3.2 CO2爆破致裂實(shí)施過程

致裂器運(yùn)輸：CO2致裂器必須由綜采隊(duì)安排專人在井上庫房領(lǐng)取，用人工運(yùn)輸方式入井(一人一根CO2致裂器)，嚴(yán)禁與其他材料混合運(yùn)輸或用刮板輸送機(jī)、膠帶輸送機(jī)運(yùn)送致裂器。

放炮器管理：放炮器由放炮員攜帶至10-109工作面后移交給爆破工，爆破結(jié)束后爆破工將放炮器歸還放炮員并由放炮員及時送回庫房。

打眼作業(yè)：根據(jù)現(xiàn)場斷層揭露巖性確定打眼和爆破位置，施工炮眼時長度每延伸10 m需增加一組打眼作業(yè)人員，每組2人。鉆眼眼深1.6 m，眼距0.8 m，排距0.8 m，上排距頂板0.5 m，下排距底板0.55 m，鉆孔與工作面煤壁成45°角，鉆孔示意如圖3所示。

圖3 炮眼布置示意圖

防護(hù)：爆破前，用廢舊皮帶對99#～119#支架段前后20 m范圍內(nèi)的支架立柱、頂板在線監(jiān)測分站、壓力表、纜線、管路等進(jìn)行防護(hù)，同時把支架立柱捆綁嚴(yán)實(shí)，將頂板在線監(jiān)測分站、壓力表放入立柱后面，在支架頂梁和工作面運(yùn)輸機(jī)擋煤板上拉兩道廢舊皮帶，并利用道木把閥組、電纜全斷面覆蓋。

起爆：爆破采用CO2致裂器，MFB-200型發(fā)爆器，CO2致裂器采用正向裝管方式，分次裝管、分次起爆，一次起爆不超過2個眼。

警戒：鉆孔施工完成后，爆破前在10-109工作面設(shè)2個警戒點(diǎn)，第一警戒點(diǎn)設(shè)在10-1091巷工作刮板機(jī)機(jī)頭處，第二警戒點(diǎn)設(shè)在10-1092巷乳化液泵站處。爆破時要求警戒點(diǎn)處必須拉警戒繩并懸掛警戒牌。

氣體檢測：爆破完成后，等待15 min瓦檢員對工作面進(jìn)行有毒有害氣體檢測。

瞎炮處理：出現(xiàn)瞎炮時，在平行該鉆眼30 cm處再打一個鉆眼，按技術(shù)操作要求安裝致裂器，然后爆破。

3.3 CO2爆破致裂安全技術(shù)措施

為確保CO2爆破致裂作業(yè)安全順利，應(yīng)制定相應(yīng)的安全技術(shù)措施。①爆破工作前，需采取措施對施工場進(jìn)行灑水降塵，嚴(yán)禁在煤塵積聚或瓦斯超限情況下進(jìn)行爆破作業(yè)；②爆破工作執(zhí)行時，嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢”及“三人連鎖”制度；③爆破作業(yè)時警戒人員不得擅自撤離警戒，更不能私自進(jìn)入警戒區(qū)；④裝CO2致裂器期間，爆破工必須嚴(yán)格遵守“兩親自，一最后”即親自裝CO2致裂器、親自聯(lián)線，最后一個撤出工作面；⑤爆破作業(yè)必須認(rèn)真執(zhí)行報(bào)告和聯(lián)鎖制度，嚴(yán)禁擅自爆破；⑥爆破后嚴(yán)格執(zhí)行噴霧灑水防塵制度；⑦嚴(yán)禁在拒爆、殘爆眼上直接鉆孔，必須待拒爆、殘爆處理完后，方可開始打眼作業(yè)；⑧起爆后的致裂器要及時回收并用人工方式運(yùn)輸出井。

4 結(jié)論

(1)CO2爆破致裂技術(shù)不同于傳統(tǒng)炸藥爆破，此種爆破致裂方法安全性高、操作簡單、爆破程度可控、原料簡單易得，更重要的是不會對工作面產(chǎn)生次生災(zāi)害，是十分經(jīng)濟(jì)有效的爆破致裂方法。

(2)針對回坡底煤礦10-109工作面過斷層的實(shí)際情況，對CO2過堅(jiān)硬段爆破致裂情況進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)與實(shí)施并同時制定了安全技術(shù)措施，研究成果對相似條件下工作面回采或巷道掘進(jìn)工作具有一定的指導(dǎo)意義。