坚硬顶板临空巷道气相切顶卸压技术应用研究

贾 渊 董世卓

（同煤集团同大科技研究院山西大同037003）

大同矿区为典型双系煤田，石炭系煤层坚硬顶板分层厚度大、节理发育程度低、硬度和强度高，回采过后顶板难以自然垮落，造成下一工作面临空巷道受相邻采空区顶板悬顶、本工作面支承压力及采动压力的影响大，存在明显的强矿压显现问题。针对该类问题，传统方法为火工品深孔预裂爆破或水压致裂卸压方式，但火工药品自身的高危性，造成这种方法有很高的施工隐患和环境限制；水压致裂工序繁琐，且注水后对巷道环境产生一定影响。CO2致裂技术为近些年提出的“物理爆破”技术，其工序简单、本质安全，在煤层瓦斯治理、工作面三角悬顶治理、巷道底鼓治理等得到广泛应用。本文以同煤集团马脊梁矿典型的坚硬顶板临空巷道-5105巷为研究背景，利用CO2致裂器和致裂技术，对气相切顶卸压方案设计并进行工业性试验。

1 工程背景概况

马脊梁矿8105工作面南东为8103工作面采空区，与8103工作面之间的煤柱宽度为30 m，煤层厚度平均6.41 m；老顶为含砾粗砂岩，平均厚度7.27 m，直接顶为细砂岩，平均厚度1.77 m。根据岩石力学试验，含砾粗砂岩的抗压强度平均为70.50 MPa；抗拉强度平均为4.80 MPa，内聚力11.2 MPa～13.1 MPa，内摩擦角30.8°～33.4°，泊松比0.223～0.241。5105巷道宽5 400 mm，高3 700 mm，锚杆+锚索+钢梁压金属网联合支护，巷道全长2 610 m。5105巷道在回采过程中受采动压力、相邻8103采空区顶板悬顶及本工作面采空区悬梁形成的残余支承压力共同影响，在回采过程中出现比较严重的顶板下沉、底鼓等现象亟待解决。

2 CO2气相致裂技术

CO2致裂器由充装阀、发热装置、储液管、密封垫、定压剪切片、释放管等六部分组成，如图1所示。液态CO2气相致裂技术是利用CO2液相和气相之间的转换释放能量来进行致裂，该过程是一个物理变化过程，因此属于物理爆破。首先CO2致裂器在放入发热装置、定压剪切片组装后，充入适量的CO2后形成高压密闭的容器；然后通过矿用本安型起发器激发发热装置，瞬间产生大量的热，致裂管中的液态CO2受热后瞬间气化，体积膨胀约600倍，在恒容的储液管内可产生高达200 MPa压力甚至更高；储液管内的压力达到定压剪切片的极限强度后，气相CO2冲破剪切片高速喷出，撞击到钻孔内壁造成煤岩体裂隙的产生，随后的高压气体的尖劈作用促使原生及新生裂隙继续发育，从而使岩体开裂破坏。

图1 CO2致裂器结构示意图

3 现场工业性试验

3.1 气相切顶方案设计

设计在5105巷道超前工作面至少200 m进行气相切顶卸压,试验段总长250 m.在巷道靠近煤柱侧进行施工,布置1排气相切顶致裂钻孔.采用FLAC3D和COMSOL软件对切顶高度、切顶角度及切顶钻孔间距进行数值模拟,结合实验室试验及理论分析,方案如下:

表1 气相切顶卸压方案

3.2 致裂器实施工艺

CO2致裂器在地面灌装检验后，运送至井下致裂地点进行起爆，具体施工流程为：钻孔、致裂器推送、封孔、撤人警戒、起爆、通风、回收致裂器、下一循环，起爆前应按照要求撤人警戒不小于100 m，安全躲避时间不小于30 min。

由于本次致裂高度大，因此在推送时以架柱式液压钻机配合常开式液压夹持器进行，推送前要将钻机架设牢靠，推送过程应缓慢进行，防止由于推送过快导致电极不导通等问题的产生。封孔采用定制的ZFA45增强型专用注水封孔器进行，封孔压力可达10 MPa，在推送及回收封孔器时严禁带压操作。

3.3 效果及分析

2019年7月～2019年12月在马 脊梁矿5105巷道开展了气相切顶卸压工业性试验。工业性试验在5105巷道200 m～450 m处，在各设计方案试验段进行了超前单体支柱压力监测、顶板离层监测、巷道表面位移观测及煤柱应力监测，并进行了致裂孔窥孔观测。

表2 气相切顶卸压效果监测

根据现场观测结果表2数据分析，切顶卸压试验段单体支柱最大工作阻力较未切顶区域下降3.09%～12.55%；切顶卸压可有效降低顶板离层量及围岩变形量，切顶区域离层量较未切顶区域降低3%～16.5%；顶底板移近量较未切顶区域降低15.3%～22.6%，两帮变形量仅在采用方案1切顶卸压时降低28.7%；煤柱的支承压力随测点向煤柱内深入，呈现出先增大后减小的趋势，支承压力最大值在煤柱内10 m处；切顶试验段支承压力峰值较未切顶区域降低3.4%～21.8%。

选取方案1中的10#致裂孔进行致裂前后的窥孔观测，窥孔观测结果如图2。从图中可以看出，致裂前顶板含砾粗砂岩完整性好，裂隙不发育，仅在局部位置有微小裂隙，致裂后对应致裂器释放孔位置出现较为明显的纵向裂隙，最大裂隙宽度可达2 mm，并沿孔壁纵向延伸一定长度，纵向裂隙夹角和释放孔夹角90°基本一致，在冲击波和应力波的作用下产生一定的横向裂隙，但横向裂隙发育相较于纵向裂隙小，验证了二氧化碳气相致裂在坚硬顶板能够产生定向的致裂效果，从而达到切顶卸压的目的。

试验效果表明，气相切顶卸压施工工艺安全，作业时间短，切顶卸压可降低超前单体液压支柱工作阻力、围岩变形量及煤柱的支承压力，取得了理想的卸压效果，有利于巷道的围岩控制，在采用设计方案1时卸压效果最佳。

图2 致裂孔窥视图

4 结论

（1）采用CO2致裂技术可以实现坚硬顶板临空巷道切顶卸压，而且致裂压力可控、施工过程安全。在井下一定条件可以替代传统炸药及水力压裂，对改善煤矿安全生产有着重要的影响。

（2）通过现场工业性试验，气相切顶在采用合理的设计方案时能够取得良好的卸压效果，为大同矿区坚硬顶板临空巷道切顶卸压提供了一套实用的超前预裂技术。