二氧化碳預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)在塔山煤礦的應(yīng)用

賀 振 金

（同煤集團(tuán)塔山煤礦，山西 大同 037000）

關(guān)鍵字：二氧化碳；預(yù)裂爆破；致裂鉆孔；放頂；老頂

1 8116 工作面概況

1.1 工作面簡(jiǎn)介

8116 工作面平均走向長(zhǎng)度1 029.2m，可采長(zhǎng)度929m，傾向長(zhǎng)度281m，面積28.9 萬(wàn)m2，可采儲(chǔ)量4 66.2 萬(wàn)t，回收率89.6%，可采期9.3 月，煤層厚度12.38～17.47m，平均15.55m。利用厚度6.06～16.64m，平均13.80m。對(duì)應(yīng)上覆二疊系為山4 號(hào)層8307 采空區(qū)，與3～5 號(hào)層層間距為46～52m，平均49m。對(duì)應(yīng)上覆侏羅系為挖金灣礦14 號(hào)煤層采空區(qū)、古窯采空區(qū)，與3～5 號(hào)層層間距394～397m，平均395m。東翼為同層小煤柱8113 采空區(qū)，間距6m。工作面的位置、相鄰關(guān)系如表1 所示。

表1 工作面位置、相鄰關(guān)系表

1.2 地質(zhì)概況

8116 工作面對(duì)應(yīng)上覆侏羅系為挖金灣礦14 號(hào)層采空區(qū)、古窯采空區(qū)。對(duì)應(yīng)上覆二疊系為近距離山4 號(hào)層8307 采空區(qū)，層間距46～52m，平均49m。

8116 工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤體結(jié)構(gòu)屬構(gòu)造煤、原生構(gòu)造，煤層走向近似北西，傾向北。該工作面為一單斜構(gòu)造，煤層傾角1°～3°、平均2°。兩順槽巷掘進(jìn)施工揭露了6 條斷層，斷層落差0.20～0.30 m；5116 巷揭露了2 條正斷層，落差均為0.20 m。煤層頂板厚度8.53～14.31m、平均11.33m，抗壓強(qiáng)度4.0～56.9MPa、抗拉強(qiáng)度0.53～3.2MPa、抗剪強(qiáng)度0.96～6.92MPa, 屬軟-中等堅(jiān)硬巖石。頂板大多由炭質(zhì)泥巖、天然焦、煌斑巖組成，由于煌斑巖的不規(guī)則侵入，使煤層上部與巷道頂板呈疏松易碎狀態(tài)，給正?；夭身敯骞芾碓斐呻[患。

1.3 瓦斯賦存概況

8116 工作面絕對(duì)瓦斯涌出量25m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為1.75m3/t，其中開(kāi)采層為1.0m3/t、上鄰近層及圍巖為0.75m3/t（各占一半）。上鄰近的瓦斯涌出以采空區(qū)的形式涌出，另外綜放開(kāi)采導(dǎo)致的采空區(qū)殘留煤較多決定了部分本層瓦斯也以采空區(qū)瓦斯的形式涌出。

2 二氧化碳預(yù)裂爆破簡(jiǎn)介

液態(tài)二氧化碳致裂屬于物理反應(yīng)，不產(chǎn)生爆破沖擊波和爆破飛石，并且二氧化碳致裂威力大且無(wú)火花。相對(duì)于炸藥爆炸而言，該工藝更安全，震速小，并且液態(tài)二氧化碳運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用無(wú)需審批，使用程序相對(duì)簡(jiǎn)單。

儲(chǔ)液管內(nèi)灌注液態(tài)二氧化碳，儲(chǔ)液管的一端安設(shè)起爆頭，電源接通后起爆頭內(nèi)的活化器通過(guò)低壓保險(xiǎn)絲致使液態(tài)二氧化碳?xì)饣磻?yīng)，二氧化碳?xì)饣磻?yīng)體積急劇膨脹，耗時(shí)20ms，體積即可膨脹600 倍，導(dǎo)致管內(nèi)壓力劇增。起爆頭內(nèi)的定壓剪切片待氣體膨脹達(dá)到預(yù)設(shè)壓力后被打開(kāi)，氣態(tài)二氧化碳經(jīng)過(guò)徑向孔迅速爆發(fā)，急劇膨脹氣體瞬間產(chǎn)生應(yīng)力破裂巖石，從而達(dá)到致裂效果。二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 液態(tài)二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)示意圖

3 二氧化碳致裂切頂技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)塔山煤田的工作面開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，工作面頂煤疏松、易碎，采過(guò)切眼后，頂煤開(kāi)始由中間向兩邊垮落，隨著工作面的推進(jìn)，正常情況下頂煤能夠自行垮落。但在開(kāi)采過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)兩端頭后隅角出現(xiàn)采空區(qū)懸板超過(guò)10m2，采取支架前斷網(wǎng)、反復(fù)升支架破碎頂煤、端頭退錨等措施仍未垮落情況，考慮到8116 工作面的圍巖性質(zhì)，切實(shí)存在初采期間古塘懸板老頂初次折斷距離較大的風(fēng)險(xiǎn)。為避免該風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生、確保初采期間古塘懸板及時(shí)垮落，在切眼采煤側(cè)施工二氧化碳致裂鉆孔，采取二氧化碳致裂爆破技術(shù)破壞其完整性，使其提前垮落。

3.1 二氧化碳致裂頂煤鉆孔布置

在8116 工作面沿煤層傾向方向施工切眼。放煤致裂孔沿工作面傾向方向布置，兩端頭15m 范圍內(nèi)，孔距3.5m（2 架支架），越過(guò)高抽巷投影范圍后布置的放煤致裂孔孔距7.0m （4 架支架）；孔徑均為φ65mm，孔垂直于頂板（即仰角90°），孔深11.0m；如表2 和圖2 所示。

3.2 二氧化碳致裂關(guān)鍵層頂板鉆孔布置

沿8116 工作面傾向方向依次布置預(yù)裂切頂孔。致裂切頂孔每3 孔一組，成扇形分布，每組孔間距8.0m；孔徑均為φ95mm，孔斜深約26.0m；每一組中，孔口間距0.5m，孔底間距8.0m；3 個(gè)孔在同一平面內(nèi)，角度值是47°；每一組孔和底板成75°傾角；如表3 和圖3 所示。

表2 致裂放煤孔設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 放煤致裂孔平面示意圖（俯視）

表3 預(yù)裂切頂孔設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 預(yù)裂切頂孔斷面示意圖

3.3 致裂效果分析

8116 工作面采用二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂技術(shù)，有效地避免了工作面在初采期間老頂集中垮落造成了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題及瓦斯異常涌出問(wèn)題。在應(yīng)用期間，并未出現(xiàn)前期采空區(qū)懸板超過(guò)10m2，采取支架前斷網(wǎng)、反復(fù)升支架破碎頂煤、端頭退錨等措施仍未垮落的情況，老頂強(qiáng)制跨率達(dá)到85%。

4 致裂實(shí)踐注意事項(xiàng)

1）致裂孔每孔裝4～8 根二氧化碳致裂器。由于致裂器作用力徑向釋放，故孔口用木楔楔入，輔以煤屑或黃泥填充縫隙即可，不必特意封孔。

2）二氧化碳致裂器需要提前做好密封性試驗(yàn)，將致裂器置于水中靜置觀測(cè)2min，查看連接處無(wú)氣泡溢出。

3）致裂工作面必須安裝CO 傳感器和CH4傳感器，在進(jìn)行預(yù)裂前須提前檢測(cè)工作面瓦斯?jié)舛?，?shí)施致裂爆破作業(yè)的前提條件是瓦斯?jié)舛龋?.5%且二氧化碳濃度＜0.5%。

5 結(jié) 論

8116 工作面采用二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂技術(shù)，有效地避免了工作面在初采期間老頂集中垮落造成了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題及瓦斯異常涌出問(wèn)題。致裂30min 后檢測(cè)開(kāi)切眼處瓦斯?jié)舛葹?.2%，二氧化碳濃度為0.3%，均未超過(guò)限制。二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂不產(chǎn)生超標(biāo)的有毒有害氣體，拋擲距離較近，達(dá)到了預(yù)期效果。