CO2致裂器强制放顶技术在阳煤一矿的应用

庞栋巍

（阳泉煤业（集团）有限责任公司发展计划部，山西 阳泉 045000）

1 应用背景

阳煤一矿位于山西省阳泉市矿区，矿井生产能力7.50 Mt/a，矿井开拓方式主斜副立等综合开拓。近年来随着现代化矿井建设推进和新工艺、新技术的推广应用，开采机械化程度不断提高，工作面进风巷均已配备端头支架，工作面端头支护强度和支护效率大大改善，开采效率显著提升。但在端头架拉架时经常造成巷道内支护锚索端头破损，导致进风落山顶部无法退锚，随着工作面不断推进，尤其是大采高工作面落山长期出现长距离大面积悬顶，给工作面安全生产带来重大隐患。为避免长距离、大面积顶板突然垮落，所形成的巨大冲击载荷，使落山的瓦斯大量涌出造成瓦斯事故，为此一矿决定在81401工作面回风落山切顶密柱往里进行CO2预裂爆破强制放顶工业试验，消除顶板长距离、大面积悬顶带来的生产隐患。

2 工作面地质概况

15#煤81401综放工作面位于一矿+669水平北条带十四采区，地面标高+1100.0 m～+1251.4 m工作面标高+678.4 m～+750.9 m，埋藏深度为354.1～539.4 m。工作面采长195 m，走向长1400 m，煤层总厚度最大7.12 m，最小5.86 m，平均煤厚6.50 m，可采储量为2.16 Mt。工作面进风巷为矩形断面，净宽5 m，净高3 m，采用全锚索支护，沿15#煤底板托顶煤掘进，顶煤厚度3.5 m。工作面直接顶为黑色泥岩，致密坚硬，含方解石细脉，厚1.27 m。老顶为灰色石灰岩，块状坚硬，性较脆，含大量动物化石，中间夹两层黑色泥岩，厚13.43 m。直接底为黑色泥岩，灰黑色，赋存不稳定，厚0.33 m。老底为灰黑色砂质泥岩，性脆，含大量主物茎叶化石，断口平坦状，上部含砂量较大，局部相变为细砂岩或泥岩，厚13.76 m。

3 CO 2致裂器

3.1 CO2致裂器

CO2致裂器是由科工集团沈阳研究院自主研发的一款新型矿用预裂产品，广泛使用于煤矿和非煤矿山，型号如表1所示。

表1 CO2致裂器型号

3.2 CO2致裂器原理

CO2在低于31℃或压力大于7.35 MPa时以液态存在，而超过31℃时开始气化，且随温度的变化压力也不断变化，利用这一特点，在致裂器的储液管内充装液态CO2，在应用时启动加热装置产生大量热量，使储液管内液态的CO2瞬间气化，体积膨胀约600倍，压力急剧升高，当管内的压力达到定压剪切片极限强度时，高压气体冲破定压剪切片从释放管释放，利用瞬间产生的强大压力，沿煤、岩体的自然裂隙或被爆破引发的裂面冲破围岩，从而达到爆破致裂的目的。致裂器结构见图1。

图1 CO2致裂器

4 工程应用

4.1 炮眼布置方案

结合阳煤一矿生产地质条件，在确定科学合理的CO2致裂器致裂参数时，选择每排布置2～4眼，排距4 m、6 m、8 m、10 m、12 m，5个方案进行试验，通过煤层、顶板塌落效果及采空区封堵情况分析，进而最终验证m致裂器的致裂效果及炮眼布置。具体施工方案为：81402工作面进风拉完机尾后，在进行退锚回柱的过程中采用ZLJ850型号钻机由里向外施工1排炮眼，每排施工2～4个眼，炮眼成孔直径Φ70 mm，眼深6 m，每眼安装4个致裂器。炮眼参数布置如表2所示。

表2 炮眼布置方案

4.2 致裂方式

致裂器采用可连接式，采用多点同时定向致裂。

4.3 工艺流程为

支设临时密柱 （不少于3根/m）→稳固钻机进行钻孔→钻孔成孔后送入致裂器(安放导线)→检查导通→炮泥封孔(孔口用木楔加强)→当完成一排炮眼布置后由专人检查致裂器线路连接无误后，在临时密柱的掩护下回撤临时柱→搁置警戒→启动致裂器强制放顶→悬顶垮落，封闭落山。

4.4 数据统计

通过施工不同的钻眼间距、排距，分析对比顶板致裂效果，经过3个月的现场应用，各个方案落山致裂统计数据统计如表3所示。

表3 数据统计

方案炮眼间距/m炮眼个数顶板冒落及落山封堵率 致裂效果方案三 8 2顶煤冒落宽度4 m，冒落高度1.2 m，落山封堵率34%。不能有效消除悬顶，落山封闭效果差方案四 10 3顶煤全断面冒落，冒落高度3.5 m，落山分度率100%。可实现消除悬顶，封堵效果好方案五 12 4顶煤未全断面冒落，冒宽4 m，冒落高度2.4 m，落山封堵率80%。不能有效消除悬顶，落山封堵效果差

5 应用效果

1）通过现场试验，每排炮眼布置少于3眼（1.7个/m）时，不能有效实现全断面冒落，达不到落山顶板全断面垮落和封堵落山治理瓦斯的作用；当炮眼排距大于10 m时，出现局部不能塌落的现象，局部悬顶，落山分度率不高，封堵效果差因此炮眼间距宜确定在间距1.7 m，排距10 m，可消除落山悬顶，有效的做到采空区封闭。

2）通过CO2致裂器强制放顶后，巷道上部顶煤可达到全部垮落，直接顶顶80%垮落，实现了对采空区进行了封闭，降低了落山大面积悬顶突来垮落带来的通风、瓦斯、顶板灾害事故的发生。

3）CO2致裂器爆破强制放顶与传统爆破相比，不产生有毒有害气体，爆破强度高，抛掷距离近，预裂效果好。

6 结语

通过现场应用证明，CO2预裂爆破技术在落山顶板悬顶面积大且作业空间较大的回采工作面应用，可有效消除落山悬顶，实现采空区封闭，与传统爆破相比，CO2致裂器受热气化膨胀，快速释放高压气体破断岩体或煤层，克服了以往利用炸药爆破预裂中破坏性大、危险性高、粉尘大等缺点，为矿山安全开采提供了保证，对阳泉矿区大面积悬顶预裂技术的发展具有积极的借鉴和推广意义。