二氧化碳预裂爆破强制放顶技术在塔山煤矿的应用

贺 振 金

（同煤集团塔山煤矿，山西 大同 037000）

关键字：二氧化碳；预裂爆破；致裂钻孔；放顶；老顶

1 8116 工作面概况

1.1 工作面简介

8116 工作面平均走向长度1 029.2m，可采长度929m，倾向长度281m，面积28.9 万m2，可采储量4 66.2 万t，回收率89.6%，可采期9.3 月，煤层厚度12.38～17.47m，平均15.55m。利用厚度6.06～16.64m，平均13.80m。对应上覆二叠系为山4 号层8307 采空区，与3～5 号层层间距为46～52m，平均49m。对应上覆侏罗系为挖金湾矿14 号煤层采空区、古窑采空区，与3～5 号层层间距394～397m，平均395m。东翼为同层小煤柱8113 采空区，间距6m。工作面的位置、相邻关系如表1 所示。

表1 工作面位置、相邻关系表

1.2 地质概况

8116 工作面对应上覆侏罗系为挖金湾矿14 号层采空区、古窑采空区。对应上覆二叠系为近距离山4 号层8307 采空区，层间距46～52m，平均49m。

8116 工作面煤层结构复杂，煤体结构属构造煤、原生构造，煤层走向近似北西，倾向北。该工作面为一单斜构造，煤层倾角1°～3°、平均2°。两顺槽巷掘进施工揭露了6 条断层，断层落差0.20～0.30 m；5116 巷揭露了2 条正断层，落差均为0.20 m。煤层顶板厚度8.53～14.31m、平均11.33m，抗压强度4.0～56.9MPa、抗拉强度0.53～3.2MPa、抗剪强度0.96～6.92MPa, 属软-中等坚硬岩石。顶板大多由炭质泥岩、天然焦、煌斑岩组成，由于煌斑岩的不规则侵入，使煤层上部与巷道顶板呈疏松易碎状态，给正常回采顶板管理造成隐患。

1.3 瓦斯赋存概况

8116 工作面绝对瓦斯涌出量25m3/min，相对瓦斯涌出量为1.75m3/t，其中开采层为1.0m3/t、上邻近层及围岩为0.75m3/t（各占一半）。上邻近的瓦斯涌出以采空区的形式涌出，另外综放开采导致的采空区残留煤较多决定了部分本层瓦斯也以采空区瓦斯的形式涌出。

2 二氧化碳预裂爆破简介

液态二氧化碳致裂属于物理反应，不产生爆破冲击波和爆破飞石，并且二氧化碳致裂威力大且无火花。相对于炸药爆炸而言，该工艺更安全，震速小，并且液态二氧化碳运输、储存和使用无需审批，使用程序相对简单。

储液管内灌注液态二氧化碳，储液管的一端安设起爆头，电源接通后起爆头内的活化器通过低压保险丝致使液态二氧化碳气化反应，二氧化碳气化反应体积急剧膨胀，耗时20ms，体积即可膨胀600 倍，导致管内压力剧增。起爆头内的定压剪切片待气体膨胀达到预设压力后被打开，气态二氧化碳经过径向孔迅速爆发，急剧膨胀气体瞬间产生应力破裂岩石，从而达到致裂效果。二氧化碳致裂器结构示意图如图1 所示。

图1 液态二氧化碳致裂器结构示意图

3 二氧化碳致裂切顶技术应用实践

根据塔山煤田的工作面开采经验，工作面顶煤疏松、易碎，采过切眼后，顶煤开始由中间向两边垮落，随着工作面的推进，正常情况下顶煤能够自行垮落。但在开采过程中，出现过两端头后隅角出现采空区悬板超过10m2，采取支架前断网、反复升支架破碎顶煤、端头退锚等措施仍未垮落情况，考虑到8116 工作面的围岩性质，切实存在初采期间古塘悬板老顶初次折断距离较大的风险。为避免该风险的发生、确保初采期间古塘悬板及时垮落，在切眼采煤侧施工二氧化碳致裂钻孔，采取二氧化碳致裂爆破技术破坏其完整性，使其提前垮落。

3.1 二氧化碳致裂顶煤钻孔布置

在8116 工作面沿煤层倾向方向施工切眼。放煤致裂孔沿工作面倾向方向布置，两端头15m 范围内，孔距3.5m（2 架支架），越过高抽巷投影范围后布置的放煤致裂孔孔距7.0m （4 架支架）；孔径均为φ65mm，孔垂直于顶板（即仰角90°），孔深11.0m；如表2 和图2 所示。

3.2 二氧化碳致裂关键层顶板钻孔布置

沿8116 工作面倾向方向依次布置预裂切顶孔。致裂切顶孔每3 孔一组，成扇形分布，每组孔间距8.0m；孔径均为φ95mm，孔斜深约26.0m；每一组中，孔口间距0.5m，孔底间距8.0m；3 个孔在同一平面内，角度值是47°；每一组孔和底板成75°倾角；如表3 和图3 所示。

表2 致裂放煤孔设计参数

图2 放煤致裂孔平面示意图（俯视）

表3 预裂切顶孔设计参数

图3 预裂切顶孔断面示意图

3.3 致裂效果分析

8116 工作面采用二氧化碳致裂强制放顶技术，有效地避免了工作面在初采期间老顶集中垮落造成了强矿压显现问题及瓦斯异常涌出问题。在应用期间，并未出现前期采空区悬板超过10m2，采取支架前断网、反复升支架破碎顶煤、端头退锚等措施仍未垮落的情况，老顶强制跨率达到85%。

4 致裂实践注意事项

1）致裂孔每孔装4～8 根二氧化碳致裂器。由于致裂器作用力径向释放，故孔口用木楔楔入，辅以煤屑或黄泥填充缝隙即可，不必特意封孔。

2）二氧化碳致裂器需要提前做好密封性试验，将致裂器置于水中静置观测2min，查看连接处无气泡溢出。

3）致裂工作面必须安装CO 传感器和CH4传感器，在进行预裂前须提前检测工作面瓦斯浓度，实施致裂爆破作业的前提条件是瓦斯浓度＜0.5%且二氧化碳浓度＜0.5%。

5 结 论

8116 工作面采用二氧化碳致裂强制放顶技术，有效地避免了工作面在初采期间老顶集中垮落造成了强矿压显现问题及瓦斯异常涌出问题。致裂30min 后检测开切眼处瓦斯浓度为0.2%，二氧化碳浓度为0.3%，均未超过限制。二氧化碳致裂强制放顶不产生超标的有毒有害气体，抛掷距离较近，达到了预期效果。