二氧化碳致裂治理堅硬頂板技術(shù)應(yīng)用

任 俊 高 宇

（1.大同煤礦集團馬脊梁礦，山西 大同 037003；2.大同煤礦集團總調(diào)度室，山西 大同 037003）

大同礦區(qū)煤田具有頂板堅硬的特點。隨著煤炭開采深度的加大，堅硬頂板帶來的災(zāi)害日益顯現(xiàn)，具體體現(xiàn)在：工作面初次垮落步距和周期來壓步距增大；臨空巷道易發(fā)生強礦壓和嚴重變形；工作面初采期間瓦斯超限等。傳統(tǒng)的處理堅硬頂板的辦法是采用炸藥爆破強制放頂，此法雖有效但存在安全性差、污染嚴重、火工品管理成本高昂的弊端。因此，需提出更安全高效的方法來治理堅硬頂板，二氧化碳致裂技術(shù)處理堅硬頂板就成為其重要的發(fā)展方向。

1 工程概況

本文以塔山礦C3-5#層8218工作面為工程背景，該工作面設(shè)計長度3063m，傾向230m。工作面采高3.9m，煤層平均厚度14.97m，煤層傾角為2～5°，老頂平均厚4.5m，巖性以灰白色粗砂巖、中砂巖為主。直接頂平均厚11.8m，巖性以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖為主。工作面共布置134架ZF15000/27.5/42型支架，1臺艾克夫SL500型采煤機，1部PF6/1142型前刮板機，1部PF6/1342型后刮板機，工作面采煤方法為綜合機械化低位放頂煤采煤法。

2 二氧化碳致裂技術(shù)

2.1 二氧化碳致裂原理

二氧化碳由液態(tài)瞬間轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積迅速膨脹，同時產(chǎn)生沖擊波并放出大量能量，此原理屬于物理變化過程。利用液態(tài)二氧化碳致裂堅硬頂板，比傳統(tǒng)爆破更安全，不會產(chǎn)生有毒有害氣體，不會產(chǎn)生構(gòu)造性破壞，而且其運輸、儲存和使用獲免審批等優(yōu)點。在使用前，用高壓泵預(yù)先在專用儲液管注入液態(tài)二氧化碳，使用過程中通過接通位于儲液管一端的起爆頭電流，瞬間產(chǎn)生高溫使得儲液管內(nèi)的二氧化碳迅速從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，使得儲液管內(nèi)壓力劇增，在十幾毫秒內(nèi)體積迅速膨脹至原有體積的500～700倍，當(dāng)壓力達到預(yù)設(shè)值時，釋放頭內(nèi)的定壓剪切片被打開，二氧化碳氣體迅速向外爆發(fā)，產(chǎn)生的強大推力瞬間可使巖層破裂，從而達到致裂效果。液態(tài)二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 液態(tài)二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 超前致裂卸壓孔布置

在臨空超前段靠近煤柱側(cè)巷幫依次布置致裂切頂卸壓孔。由于受到工作面超前支承應(yīng)力影響，鉆孔時易卡鉆，并且成孔后容易塌孔，影響后續(xù)作業(yè)，所以預(yù)裂作業(yè)應(yīng)超前工作面80～120m完成。由于鉆孔施工方位存在偏差和氣態(tài)二氧化碳擴散的不確定性，為確保形成理想的切縫線和切縫效果，致裂切頂卸壓段每隔24m布置一組致裂孔，每組3個致裂孔，呈扇形分布，孔徑均為Φ65mm，如圖2所示。

圖2 預(yù)裂鉆孔剖面示意圖

中心孔仰角48°，孔方向垂直于巷道行進方向，指向煤柱側(cè)巷幫，眼斜深30m（有效致裂長度約13m），垂深25m。

兩側(cè)孔與中心孔在同一平面上（即仰角也是48°），在該平面上與中心孔呈20°夾角?？籽劬嚯x中心孔孔眼500mm，孔底眼與中心孔底眼相距8m。眼斜深32m（有效致裂長度約14m），垂深25m。在每個致裂孔使用9根二氧化碳致裂器，1個連接桿。鉆孔向煤柱一側(cè)傾斜，有兩方面的考慮：一是傾斜切縫有利于頂板在自重和上位巖體作用下離斷，并減小頂板切落時的阻力；二是二氧化碳致裂器集中在鉆孔的直接頂、老頂段，傾斜鉆孔可使致裂器在水平方向上遠離巷內(nèi)頂煤，減少氣態(tài)二氧化碳泄放對巷內(nèi)頂煤的擾動。

2.3 機道內(nèi)致裂卸壓孔布置

為保證機道頂板的及時垮落，計劃在工作面機道支架間施工二氧化碳致裂鉆孔，對頂煤進行預(yù)裂。鉆孔參數(shù)：鉆孔直徑Φ65mm，孔深8m，間隔5個支架即8.75m，共計施工27個鉆孔。每個致裂孔使用1根致裂器，5個連接桿。

2.4 致裂前檢驗及性能測試

安裝前首先對致裂器外觀及結(jié)構(gòu)進行檢查，一是確保致裂器無明顯劃痕、銹蝕及肉眼可見裂痕；二是確保泄能器結(jié)構(gòu)應(yīng)能使儲液管內(nèi)高壓二氧化碳在達到泄放壓力后充分泄放。其次對致裂器進行性能測試，一是試驗密封性：將組裝好的致裂器置于水中，觀測2min，所有連接處無氣泡溢出；二是檢查液體二氧化碳、致裂器產(chǎn)品合格證；三是檢查發(fā)熱裝置：腳線、電阻、抗震性能、安全電流、最小發(fā)火電流、靜電感度等技術(shù)指標。

3 應(yīng)用效果

8218工作面在進行二氧化碳致裂以前，頂板堅硬難垮落，工作面臨空側(cè)超前支護段巷道變形嚴重，原設(shè)計斷面5.3m×3.5m變形為3.5m×1.8m，初次來壓步距為35m，周期來壓步距為25m。當(dāng)工作面周期來壓時，礦壓顯現(xiàn)強烈，永久支護損壞，支架安全閥開啟，瓦斯涌出不均勻，門墩頻繁。二氧化碳致裂以后，工作面實測周期來壓步距在15m內(nèi)，來壓時礦壓明顯減弱，巷道支護完好，臨空側(cè)超前支護段巷道變形減小，工作面瓦斯涌出均勻。

4 結(jié)論

（1）通過塔山礦8218工作面的試驗，證明了二氧化碳致裂技術(shù)用來解決堅硬頂板的垮落問題是可行的，現(xiàn)場實測周期來壓步距減小了10m，礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象減弱。

（2）現(xiàn)場實施結(jié)果表明二氧化碳致裂技術(shù)可產(chǎn)生巨大的威力，成功地代替了傳統(tǒng)炸藥爆破方式預(yù)裂堅硬頂板，二氧化碳致裂原理簡單，使用安全方便，性能穩(wěn)定可靠，應(yīng)用前景廣闊。