二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂技術(shù)研究與應(yīng)用

王朝

摘 要：煤礦在我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中起著重要作用，但是在生產(chǎn)中時常出現(xiàn)安全事故。近年來，頂板事故頻出，在采掘作業(yè)中遇到堅(jiān)硬頂板時，頂板懸頂面積大，易造成人員傷亡。鑒于此類情況，為達(dá)到安全高效生產(chǎn)的目的，針對赤峪煤礦C1203回采工作面回風(fēng)巷開展了二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂技術(shù)研究，以有效解決高瓦斯礦井采空區(qū)懸頂面積大的問題，為類似礦井提供借鑒。

關(guān)鍵詞：二氧化碳;致裂器;強(qiáng)制放頂;安全生產(chǎn)

中圖分類號：TD712.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）31-0073-03

Research and Application of Forced Roofing Technology by

Carbon Dioxide Fracturing

WANG Zhao

（Chiyu Coal Mine of Shanxi Jindi Coal and Coke Co.， Ltd.， Lvliang Shanxi 032100）

Abstract： Coal mines play an important role in the rapid economic development of China， but safety accidents often occur in production. In recent years， roof accidents have occurred frequently， when a hard roof is encountered in mining operations， the suspended roof area of the roof is large， which is likely to cause casualties. In view of this situation， in order to achieve the purpose of safe and efficient production， the research on the forced roofing technology of carbon dioxide fracturing has been carried out for the return airway of the C1203 working face in Chiyu Coal Mine， Effectively solving the problem of large suspended roof area in the goaf area of high gas mines， and providing a reliable reference for similar mines.

Keywords： carbon dioxide; cracker; forced roofing; safe production

二氧化碳爆破技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，20世紀(jì)80年代開始在美國發(fā)展，主要目的是避免因炸藥爆破產(chǎn)生的火焰引起爆炸事故。隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)二氧化碳爆破技術(shù)成功應(yīng)用于高瓦斯礦井，尤其是在頂板和瓦斯治理方面[1-2]。以赤峪煤礦C1203工作面為研究背景，隨著回采工作面的推進(jìn)，頂板大面積懸頂，不易于頂板垮落，對頂板安全載荷形成了巨大沖擊，造成瓦斯事故治理困難?；诖耍谠摴ぷ髅孢M(jìn)行了二氧化碳預(yù)裂強(qiáng)制放頂?shù)认嚓P(guān)研究。

1 工作面情況分析

赤峪煤礦為高瓦斯礦井，主采2號煤層，平均煤厚為1.8 m。2號煤老頂為中細(xì)粒砂巖，厚度保持在0～20 m，整體性較好，2號煤層的上覆砂巖層厚度大，質(zhì)地堅(jiān)硬。煤層偽頂為深灰-黑灰色泥巖、粉砂巖;煤層直接頂為炭質(zhì)泥巖和淺灰色中砂巖，呈中厚層狀，局部以粗砂巖大型交錯層理為主;煤層老頂為細(xì)砂巖，表現(xiàn)為淺灰色、白色，呈中厚層狀。C1203工作面位于中央一采區(qū)南翼中部，該工作面沿2號煤層傾斜方向布置。在回采過程中，頂板圍巖性質(zhì)堅(jiān)硬，容易造成采空區(qū)懸頂面積大、瓦斯高等危險(xiǎn)條件，嚴(yán)重威脅著生產(chǎn)安全。

以往采用的煤礦許用三級乳化炸藥爆破方式，存在拒爆（殘爆）、傷人的危險(xiǎn)。放炮后會產(chǎn)生大量揚(yáng)塵和有毒有害氣體，甚至?xí)鹜咚故鹿?。鑒于這種情況，從理論方面研究氣相切頂卸壓技術(shù)的可行性，結(jié)合本礦的實(shí)際地質(zhì)條件，為二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂技術(shù)研究與應(yīng)用提供依據(jù)，解決高瓦斯工作面強(qiáng)制放頂?shù)膯栴}，保障礦井的安全生產(chǎn)。

2 二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂技術(shù)理論分析

2.1 爆炸原理

二氧化碳致裂爆破是一種氣相壓裂技術(shù)，是近幾年興起的一項(xiàng)爆破新技術(shù)，多用于高瓦斯低透煤層的增透。其原理是利用高能氣體瞬間作用對煤（巖）體產(chǎn)生剪切破壞以及沿鉆孔軸線的劈裂破壞，從而切斷煤（巖）體。

二氧化碳?xì)怏w本身沒有爆炸性，并且具有抑制爆炸和燃燒的作用。在溫度為31.1 ℃以下，壓強(qiáng)為7.2 MPa時，二氧化碳以液體形態(tài)存在。1.0 kg液態(tài)二氧化碳吸收60 kJ的熱能就能轉(zhuǎn)化為氣體。當(dāng)溫度達(dá)到31.1 ℃時，只要熱量充足，無論壓力多大，液態(tài)二氧化碳將全部氣化。通過對二氧化碳的物理特性進(jìn)行試驗(yàn)，研究利用二氧化碳快速氣化的特性，通過瞬時加熱，使二氧化碳在容器中瞬間氣化，體積膨脹600倍并釋放，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的膨脹作用力破碎堅(jiān)硬頂板巖層，從而達(dá)到強(qiáng)制放頂?shù)男Ч?/p>

2.2 二氧化碳致裂器基本結(jié)構(gòu)

二氧化碳致裂器屬于物理爆破設(shè)備，本文選用的致裂器各部分構(gòu)成如圖1所示。 起爆頭是充裝液態(tài)二氧化碳的主管開關(guān)，密封性較好，采用接觸性密封。發(fā)熱管是為主管內(nèi)的液態(tài)二氧化碳提供熱能的裝置，起到引燃發(fā)熱、傳遞熱能的作用。發(fā)熱材料由化工原料制成的固體粉末化學(xué)劑組成，在一定溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生很高的氣體溫度。主管是儲存液態(tài)二氧化碳的裝置，采用耐高壓、耐高溫材料制成，耐高壓程度至少為300 MPa，耐高溫程度至少為1 800 ℃。密封墊在儲液管與定向剪切片之間，使之內(nèi)外部聯(lián)系，是起密封作用的材料。卸能片是控制卸能壓力的零件，通過不同規(guī)格的剪切片控制，可得到不同的釋放壓力。卸能頭是指主管氣體壓力造成定壓剪切片破裂，高壓氣體從管中噴射出來的部件。鉆眼機(jī)具采用錨桿鉆機(jī)，使用Φ42 mm金剛石復(fù)合片（PDC）錨桿鉆頭和2根Φ42 mm螺旋鉆桿，配合B19錨桿鉆進(jìn)至終孔（需配Φ42 mm錨桿鉆頭與Φ42 mm螺旋鉆桿接合器、Φ42 mm螺旋鉆桿與B19錨桿鉆桿接合器）。采用Φ63 mm PDC鉆頭和2根Φ63 mm螺旋鉆桿，配合B19錨桿鉆桿擴(kuò)孔至終孔（需配Φ6 mm鉆頭與Φ63 mm螺旋鉆桿接合器、Φ63 mm螺旋鉆桿與B19錨桿鉆桿接合器），或采用氣腿式鑿巖機(jī)、Φ63 mm鉆頭直接鉆孔。鉆孔完成后，采用Φ51 mm薄壁鋼管（2 m×4根）試裝（接頭處采用螺紋連接），以保證致裂器可以安裝到孔底。

預(yù)裂爆破器材有爆破器、拉拔桿、萬用表、專用放炮器、放炮線。封孔采用楔形木楔，每孔不低于4個。

2.3 爆破特點(diǎn)

爆破特點(diǎn)主要體現(xiàn)在易于操作、安全性高。二氧化碳致裂器使用過程便于人員操作，器件可循環(huán)往復(fù)使用。二氧化碳致裂器能力可控，可選擇不同的剪切片、充裝質(zhì)量及發(fā)熱裝置等調(diào)節(jié)工作壓力。二氧化碳?xì)怏w本身沒有爆炸性，具有抑制爆炸和燃燒的作用，從本質(zhì)上杜絕了瓦斯爆炸的可能性。該技術(shù)適用于高瓦斯礦井的采掘工作面，這也是赤峪煤礦選擇使用它的原因。

3 具體應(yīng)用及效果

3.1 切頂孔布置

研究工作面巷道氣相切頂卸壓技術(shù)的可行性，針對具體地質(zhì)賦存條件及現(xiàn)狀進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，收集相關(guān)材料，采用巖層鉆孔探測儀對圍巖狀態(tài)現(xiàn)場測試，掌握其賦存條件。

為確定預(yù)裂孔深度、二氧化碳預(yù)制量等參數(shù)，針對預(yù)裂區(qū)域圍巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試。一是圍巖的物理性質(zhì)測試，對巷道前方圍巖及工作面局部頂煤的視密度、真密度等進(jìn)行測定;二是圍巖的力學(xué)性質(zhì)測試，對巷道前方圍巖及工作面局部頂煤單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)摩擦角等指標(biāo)進(jìn)行測定。

觀測頂板裂隙的產(chǎn)生效果以及之后的發(fā)育情況，收集現(xiàn)場試驗(yàn)前后的測試數(shù)據(jù)，分析試驗(yàn)區(qū)域頂板預(yù)裂前后賦存特征和壓力變化;研究二氧化碳致裂技術(shù)條件下試驗(yàn)段頂板壓力弱化和轉(zhuǎn)移的演化規(guī)律。

通過一系列調(diào)研，借鑒先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)和成果，收集相關(guān)資料[3-4]，為有效實(shí)現(xiàn)回采工作面頂部圍巖的弱化，制訂以下方案。

隨著回采工作面不斷推進(jìn)，選取圍巖較硬、不易于垮落的局部地段致裂布置切頂孔。切頂孔在C1203工作面回風(fēng)巷中心線及距離巷道回采側(cè)處施工（與鉛垂線方向的夾角為15°）。每組切頂孔間距為5 000 mm（根據(jù)圍巖性質(zhì)變化），每組施工兩個鉆孔，即B型孔、C型孔。B型孔和C型孔剖面、平面（開孔）如圖2、圖3所示。

B型孔布置在回風(fēng)巷中心線，向工作面采空區(qū)（上隅角）方向傾斜15°，孔深7.5 m，與下排孔間距5 m。C型孔布置在回風(fēng)巷內(nèi)，靠近煤壁可采側(cè)頂部，沿B型孔外移，向工作面方向傾斜15°，孔深9 m，與前排孔距5 m。

3.2 爆破工藝

二氧化碳爆破施工工藝流程如下：在地面組裝二氧化碳致裂器，液態(tài)二氧化碳灌裝、檢測，井下鉆孔，置入或取出二氧化碳爆破器材及附件[5]。下面分析致裂器串聯(lián)方案。

一是在B型孔內(nèi)布置3根直徑51 mm的二氧化碳致裂器，配合C型孔對巷道老頂進(jìn)行致裂，每根致裂器長1.6 m。通過連接桿、封孔器、連接線，安全啟爆。B型致裂鉆孔有效長度如圖4所示。二是在C型孔內(nèi)布置4根直徑51 mm的二氧化碳致裂器，配合B型孔對巷道老頂進(jìn)行致裂，每根致裂器長1.6 m。通過連接桿、封孔器、連接線，安全啟爆。C型致裂鉆孔有效長度如圖5所示。

3.3 應(yīng)用效果

選取C1203工作面風(fēng)巷部分頂板堅(jiān)硬區(qū)域，成功完成了二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂技術(shù)試驗(yàn)。二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂試驗(yàn)前后的效果對比如表1所示。從表1可以看出，二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂有效控制了采空區(qū)頂垮落時間和距離，雖然降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊男Ч惶黠@，但可以避免火花和炮煙的產(chǎn)生，杜絕瓦斯事故的發(fā)生。同時，二氧化碳爆破后無炮煙，不產(chǎn)生一氧化碳及氮氧化物等有毒氣體，能夠較好地改善工作環(huán)境，有益于礦工身體健康。

4 結(jié)語

二氧化碳致裂強(qiáng)制放頂可以有效地控制采空區(qū)頂板垮落時間和距離，從而避免頂板冒落傷人事故，提高了煤礦施工安全系數(shù)。二氧化碳強(qiáng)制放頂技術(shù)安全快捷，有助于采空區(qū)頂板及時垮落，上隅角得到有效填充，利于瓦斯抽采，采空區(qū)瓦斯?jié)舛群突仫L(fēng)瓦斯?jié)舛纫蚕鄬档汀?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]張勝強(qiáng).我國煤礦事故致因理論及預(yù)防對策研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2004：6-7.

[2]黃園月，尹嵐嵐，倪昊，等.二氧化碳致裂器研制與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2015（8）：123-124.

[3]聶政.二氧化碳炮爆破在煤礦的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2007（8）：62-63.

[4]周彥杰.二氧化碳炮爆破技術(shù)在煤礦開采中的運(yùn)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2014（4）：99.

[5]崔旭芳，楊艷軍，史沁彬，等.綜放初采頂板預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用[J].煤，2012（6）：18-20.