忻州窑矿邻空巷道二氧化碳致裂切顶卸压技术

孙 阳

0 引言

我国煤矿90%为长壁留煤柱开采，开采岩层断裂移动引起力学叠加和扰动，破坏顶板和形成集中应力，是造成冒顶、瓦斯突出、火灾等自然灾害加剧的根本力学因素。据统计我国顶板及煤与瓦斯突出占煤矿各类事故死亡人数65%，为事故之首[1]。

大同煤矿集团忻州窑矿目前主采侏罗系煤层，在井下生产过程中，东二、东三盘区工作面邻空开采矿压显现情况十分严重，尤其是东三盘区14-3#层8308工作面5308巷矿压显现问题最为突出。5308巷超前工作面100 m范围内巷道顶板下沉严重，两帮移近及底鼓现象明显，锚杆、锚索、钢带发生断裂，常有矿压应力集中突然释放事件发生。如何高效安全处理邻空开采矿压显现严重问题成了当务之急。

液态二氧化碳致裂器是利用液态二氧化碳受热时迅速气化膨胀并释放足够的爆破能量，造成岩体或煤体破裂。二氧化碳致裂技术始于20世纪50年代，具有无火花、安全的优势，目前已推广至岩石、混凝土和其它物质的快速安全爆破，另外还广泛应用于钢铁、水泥等行业（如料仓、管道出现堵塞时，进行爆破排堵）[2-3]。

为解决8308工作面5308巷矿压显现问题，通过现场调研和分析论证，拟采用二氧化碳气相致裂技术。在14-3#8308工作面5308巷邻空煤柱一侧的直接顶和老顶内实施二氧化碳爆破，切裂隔断工作面及其邻空巷上覆直接顶、老顶与采空区侧岩体的力学联系，使其在工作面推进后在支架后方能够快速切落。从而减小邻空巷所承受的二次采动超前压力影响时间、影响范围和压力峰值，大大减轻工作面采空区悬梁形成的残余支承压力复合作用影响，有效维护巷道稳定。

1 工作面概况及特征

1.1 概况

14-3#层8308工作面采用两巷布置，其中2308巷为工作面皮带进风巷，5308巷为工作面回风巷，兼作工作面物料运输。工作面走向长1 324.6 m，倾斜长131.3 m，面积107 613.5 m2，东27 m为正在掘进的8306工作面；西16.4 m为2016年回采结束的14-3#层8310采空区。

1.2 特征

工作面属近水平厚煤层，平均4.4 m，煤层呈单一背斜结构复杂，倾角1°～7°，平均3°。局部赋存1～2层的夹石。

2308巷矩形断面，规格：5.4 m×3.5 m，锚杆与钢带、锚索、挂金属菱形网联合支护；超前支护25 m范围内采用单体柱佩戴π型钢梁的“三梁三柱”支护方式。

5308巷为矩形断面，规格：5 m×4 m（宽×高），锚杆与钢带、锚索、挂金属菱形网联合支护；超前支护50 m范围内采用单体柱佩戴π型钢梁“一梁三柱”的支护方式。

1.3 工作面顶底板特征

8308工作面顶、底板岩性特征见柱状22页图1。

图1 柱状

2 开采方法及主要装备

本工作面采用长壁后退式一次采全高综合机械化采煤方法，自然垮落法结合人工处理采空区顶板；斜切进刀，双向割煤，循环进度800 mm，采高4.11 m～5.3 m。工作面配套选用MG800/2000-GWD型双滚筒采煤机，ZZ13000/2.8/6.0A型液压支架，SGZ1000/1400型刮板输送机。

3 二氧化碳致裂卸压技术方案

3.1 二氧化碳致裂技术介绍

二氧化碳致裂器由充装阀、激发装置、储液管、密封垫、定压剪切片、释放管等六部分组成(图2)。能满足100 MPa～200 MPa不同爆破压力和各种工况条件下应用。有别于传统炸药，二氧化碳致裂器不产生冲击波、明火、热源和因化学反应而产生的各种有毒有害气体。应用证明，二氧化碳致裂器作为一种物理爆破设备，具有安全性能高、性能稳定、操作简便的特点。

3.2 致裂器的型号选择

根据8308工作面特征、顶板岩性和地质条件（煤岩性、老顶位置等）确定选用MZL200—51/1400型致裂器（MZL—二氧化碳致裂器；200—释放压力；51—储液管直径；1400—储液管长度）

图2 二氧化碳致裂器结构示意

3.3 二氧化碳致裂钻孔布置

针对工作面邻空巷道应力集中矿压显现严重的情况，采用二氧化碳致裂技术对8308工作面5308巷邻空侧顶板进行预裂处理。由于5308巷邻空侧煤柱宽度为16.4 m，8310工作面开采时对已掘成巷的5308巷形成一次采动影响，因此二氧化碳致裂方案选择在邻空一侧。设计5308巷1 000 m～940 m范围为预裂段，按8308工作面回采方向依次布置致裂孔（布置见图3）。

图3 8308工作面5308巷致裂孔布置平面示意

致裂段孔位置布在5308巷邻空侧顶板肩角部，间距6 m，孔深16.5 m，孔直径56 mm，倾角90°，安全保护距离4 m，致裂有效影响半径3 m，孔内4 m以上为致裂带，直至切断老顶。详见图4。

图4 致裂器在孔内致裂示意

为了保证施工过程的安全，致裂前在做好警戒工作的同时，施工地点300 m范围内无人员之后方可进行致裂。致裂后及时将孔内致裂器回收，在致裂器从孔内退出的过程中，要有序进行，防止致裂器滑出伤人，确保安全。

4 二氧化碳致裂效果分析

4.1 二氧化碳致裂参数记录

根据二氧化碳致裂技术要求，在5308巷邻空侧顶板施工10个二氧化碳致裂钻孔，具体试验情况见表1。

表1 5308巷二氧化碳致裂记录

4.2 二氧化碳致裂效果评价

为了对二氧化碳致裂顶板效果进行评价，在5308巷二氧化碳致裂段布置了共10个测点观测巷道变形量，其中1-6号为区域内，7-10号为区域外详见表2。

表2 5308巷各巷道测点变形量统计

实施预裂前5308巷超前支护100 m范围内两帮位移各0.3 m～0.4 m，顶板下沉0.3 m～0.6 m，局部底鼓0.2 m，片帮现象严重，宏观压力显现明显，原支护钢带多数变形，部分锚杆失效。

根据以上数据分析得知，5308巷在进行二氧化碳顶板预裂后，巷道变形量明显变小，超前支护范围内巷道顶板基本无下沉，超前工作面10 m范围内有局部底鼓0.1 m，巷道整体顶板可控，降低了老顶的完整性，使采空区老顶及时垮落，降低邻近采空区对5308巷的影响，起到了切顶卸压的效果，有效的维护顶板，为其他相近条件的矿井提供技术支持和参考依据。

5 结论

（1）通过二氧化碳致裂技术的现场应用，改善了炸药爆破安全性差、可控性低、环境恶劣的状态。

（2）对5308巷试验段进行了致裂切顶后，巷道的顶板下沉量，两帮移近量和底板鼓起得到了有效的控制，有利于工作面通风、行人和辅助运输，保障了工作面的顺利回采。