新技術(shù)巖煤預裂具在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用

尹凱利 彭輝 姜云 周紅輝 羅毳

（湖北三沃力源航天科技有限公司 襄陽 441003）

1 引言

“富煤、少油、貧氣”的資源稟賦導致煤炭作為我國能源的消費主體地位長期不變，我國經(jīng)濟處于發(fā)展期和能源消耗高峰期的現(xiàn)狀，決定了我國仍將長期將煤炭作為一次能源消費的主導能源。煤炭開采技術(shù)有煤礦許用炸藥、二氧化碳預裂爆破、高壓水預裂爆破等技術(shù)。煤礦許用炸藥有三種類型：銨梯炸藥、乳化炸藥、水膠炸藥。煤礦許用銨梯炸藥由于爆炸安全性低，生產(chǎn)過程中對人體產(chǎn)生危害，對環(huán)境造成污染是淘汰的趨勢；乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，貯存期短，也是淘汰的趨勢；水膠炸藥雖然生產(chǎn)安全性與爆炸性能好，但生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)技術(shù)難度大，不宜增加生產(chǎn)廠點[1]。二氧化碳預裂爆破原理是將液態(tài)二氧化碳裝滿致裂器的儲液管，致裂器自帶加熱裝置，短時間內(nèi)液態(tài)二氧化碳吸收大量熱量并氣化使體積急速膨脹600 倍，高壓氣體從釋放管噴出，利用瞬時產(chǎn)生的巨大推動力，沿著煤巖體的自然裂隙或者軟弱結(jié)構(gòu)面沖破物料，從而使煤巖體破裂。缺點是需要對封孔器進行專門設(shè)計防止因封孔不徹底，造成高壓氣體泄漏，使得爆破威力大大降低[2]。高壓水預裂爆破原理是高壓泵產(chǎn)生高壓水，通過鉆孔將高壓水注入煤巖體實施預裂。缺點是需要將鉆機、手動泵、高壓泵運到礦井，費時費力；加壓過程預裂時間不少于30 min，時間長[3]。本文介紹一種新型巖煤預裂技術(shù)，應(yīng)用范圍極廣，如強制放頂、煤層深孔預裂、巖巷掘進等，已通過十余家煤礦的現(xiàn)場應(yīng)用，得到了客戶的廣泛認可。

2 巖煤預裂具工作原理

利用航天高科技壓控式產(chǎn)氣技術(shù)開發(fā)的巖煤預裂技術(shù)的工作原理是啟動器由瞬間電流激發(fā)，產(chǎn)生高熱，引燃啟動器內(nèi)的點火藥，高熱量的熱能瞬間通過中孔傳輸至各預裂具，啟動預裂具工作。在產(chǎn)氣藥的高壓下，巖煤層產(chǎn)生多條裂縫。預裂具產(chǎn)生大量燃氣，燃氣的加載時間大約在幾十毫秒至數(shù)百毫秒，將裂縫延伸。當裂縫與大氣貫通后，壓強急劇下降，剩余未工作的產(chǎn)氣藥停止工作。

因合理控制燃氣加載時間，煤層與高溫燃氣接觸時間短，一氧化碳含量將得到合理控制，收集并分析巖煤預裂具反應(yīng)結(jié)束后的氣體含量，如表1。

表1 每公斤巖煤預裂具生成的氣體含量

從表1 可知，燃燒后的主要成分是：水、氮氣、二氧化碳等無毒無腐蝕性無害氣體。只有非常微量的一氧化碳和氯化氫。該種巖煤預裂具煤礦現(xiàn)場試驗5年的情況看，對現(xiàn)場支架等設(shè)備沒有任何腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

3 巖煤預裂具實際應(yīng)用

3.1 強制放頂

頂板包括基本頂和直接頂，基本頂是位于直接頂之上的厚而堅硬的巖層。常在采空區(qū)上方懸露一段時間，直到達一定面積后會垮落一次，通常由砂巖、礫巖、石灰石等堅硬巖石的組成。為防止采空區(qū)頂板大面積垮塌，造成安全事故需要對采空區(qū)頂板進行預裂，弱化頂板壓力。

內(nèi)蒙古某煤礦井田工作面采高大，埋藏深，地壓高。工作面直接頂、基本頂為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和細砂巖，屬于軟弱巖層，但巖層整體性好，厚度大，很容易造成大面積懸頂，回采前需在切眼內(nèi)對頂板進行超前預裂，以防止厚層頂板大面積垮塌。對該頂板應(yīng)用巖煤預裂具預裂新技術(shù)，斷頂前工作面推進了4.6 m；斷頂后，至21 日，推進了4.4 m，23#－90#支架后頂板破碎，有煤矸冒落，兩順槽頂板、兩幫壓力不明顯，預裂效果顯著[4]。

應(yīng)用巖煤預裂具新技術(shù)可對地層應(yīng)力集中提前預裂弱化使得地層應(yīng)力得到均衡釋放，不會在工作面推進過程中突然釋放，消除了產(chǎn)生垮塌和沖擊波的安全隱患。

3.2 煤層深孔預裂

煤層深孔預裂是對所開采煤層進行超前預裂，不同于頂煤預裂，在回風巷一側(cè)進行打孔裝藥施工，不影響工作面正常采煤作業(yè)。主要要求是對煤層頂部及直接頂有較好的預裂效果，輔助割煤機更好的將煤層切割采出，同時調(diào)整頂板壓力，使得來壓正常，減少靠回風巷一側(cè)大塊煤的產(chǎn)生。

榆林某煤礦3301 工作面長度300 米，走向長度2100 米，煤層厚度約8.5 米，采用大采高綜采技術(shù)進行開采，在機尾一側(cè)（靠回風巷）有約15 米范圍割煤產(chǎn)生大塊多且煤層原生裂隙少、較致密，影響割煤機正常開采效率，需對該部位進行預裂處理。應(yīng)用巖煤預裂具后割煤機割煤速度較以往有所提升，落煤大塊減少，后續(xù)推進到預裂區(qū)域時，割煤機割采順利，機尾側(cè)與工作面中相差不大，且落煤為塊煤，直徑＜1m，可直接進入破碎機，煤炭成塊率高。支架上端頂板來壓明顯，為后續(xù)割煤開采起到了促進作用，在該區(qū)域平均每天能夠多推進一刀（約0.8～1米），生產(chǎn)效率有較明顯提升，整體壓裂效果得到了礦方的認可。

煤層深孔預裂應(yīng)用巖煤預裂具可有效提高成塊率，還提升了生產(chǎn)效率，給煤礦帶來了巨大效益。

3.3 井下巷道掘進巖層預裂

井下巷道掘進對巖層預裂目前針對存在自由面的片幫擴寬的需求，是輔助掘進設(shè)備處理邊角的一種方法。主要要求是對片幫能夠定向預裂，預裂后的輪廓符合設(shè)計要求，預裂產(chǎn)生的石塊較小，方便轉(zhuǎn)運和處理。

內(nèi)蒙某煤礦一掘進區(qū)段，初期設(shè)計尺寸偏小，需對巷道進行擴展，長和高均需擴展0.5-0.8米，巷道底部兩端便于機械化處理，在頂上與頂角片幫不便于機械施工作業(yè)，需要對其進行預裂處理。

圖1是預裂后效果圖，從圖中可知試驗后預裂區(qū)域的巖石均已垮落，且?guī)r石塊度較小，便于轉(zhuǎn)運和處理，預裂后頂與片幫成型較好，不需要二次處理，且施工簡便、效率較高，整體壓裂效果得到了礦方的認可。

圖1 預裂后效果圖

4 巖煤預裂具新技術(shù)優(yōu)點

巖煤預裂具第一個優(yōu)點是采用壓控技術(shù)，高壓下迅速工作，常壓下難以引燃，一旦泄壓后立即停止工作，具有安全可靠的特點。第二個優(yōu)點是產(chǎn)氣造縫：①產(chǎn)氣迅速，產(chǎn)氣量大，其作用形成的裂縫長、范圍廣，除主要裂縫外，還形成許多網(wǎng)狀裂紋。②造縫技術(shù)對煤層無猛烈沖擊，落煤為塊煤，直徑＜1m，可直接進入破碎機，提高成塊率。第三個優(yōu)點是施工簡單，勞動強度低，工作效率高：①啟動器連接爆發(fā)器，啟動器插入產(chǎn)氣具內(nèi)，操作簡單。②現(xiàn)場操作只需兩人（尤其有定員操作現(xiàn)場）。第四個特點是產(chǎn)物無毒無害無腐蝕：氣體主要是氮氣、二氧化碳、水、無毒無害，不會腐蝕綜采設(shè)備。