新技术岩煤预裂具在煤矿领域的应用

尹凯利 彭辉 姜云 周红辉 罗毳

（湖北三沃力源航天科技有限公司 襄阳 441003）

1 引言

“富煤、少油、贫气”的资源禀赋导致煤炭作为我国能源的消费主体地位长期不变，我国经济处于发展期和能源消耗高峰期的现状，决定了我国仍将长期将煤炭作为一次能源消费的主导能源。煤炭开采技术有煤矿许用炸药、二氧化碳预裂爆破、高压水预裂爆破等技术。煤矿许用炸药有三种类型：铵梯炸药、乳化炸药、水胶炸药。煤矿许用铵梯炸药由于爆炸安全性低，生产过程中对人体产生危害，对环境造成污染是淘汰的趋势；乳化炸药产品质量不稳定，贮存期短，也是淘汰的趋势；水胶炸药虽然生产安全性与爆炸性能好，但生产成本较高，生产技术难度大，不宜增加生产厂点[1]。二氧化碳预裂爆破原理是将液态二氧化碳装满致裂器的储液管，致裂器自带加热装置，短时间内液态二氧化碳吸收大量热量并气化使体积急速膨胀600 倍，高压气体从释放管喷出，利用瞬时产生的巨大推动力，沿着煤岩体的自然裂隙或者软弱结构面冲破物料，从而使煤岩体破裂。缺点是需要对封孔器进行专门设计防止因封孔不彻底，造成高压气体泄漏，使得爆破威力大大降低[2]。高压水预裂爆破原理是高压泵产生高压水，通过钻孔将高压水注入煤岩体实施预裂。缺点是需要将钻机、手动泵、高压泵运到矿井，费时费力；加压过程预裂时间不少于30 min，时间长[3]。本文介绍一种新型岩煤预裂技术，应用范围极广，如强制放顶、煤层深孔预裂、岩巷掘进等，已通过十余家煤矿的现场应用，得到了客户的广泛认可。

2 岩煤预裂具工作原理

利用航天高科技压控式产气技术开发的岩煤预裂技术的工作原理是启动器由瞬间电流激发，产生高热，引燃启动器内的点火药，高热量的热能瞬间通过中孔传输至各预裂具，启动预裂具工作。在产气药的高压下，岩煤层产生多条裂缝。预裂具产生大量燃气，燃气的加载时间大约在几十毫秒至数百毫秒，将裂缝延伸。当裂缝与大气贯通后，压强急剧下降，剩余未工作的产气药停止工作。

因合理控制燃气加载时间，煤层与高温燃气接触时间短，一氧化碳含量将得到合理控制，收集并分析岩煤预裂具反应结束后的气体含量，如表1。

表1 每公斤岩煤预裂具生成的气体含量

从表1 可知，燃烧后的主要成分是：水、氮气、二氧化碳等无毒无腐蚀性无害气体。只有非常微量的一氧化碳和氯化氢。该种岩煤预裂具煤矿现场试验5年的情况看，对现场支架等设备没有任何腐蚀现象发生。

3 岩煤预裂具实际应用

3.1 强制放顶

顶板包括基本顶和直接顶，基本顶是位于直接顶之上的厚而坚硬的岩层。常在采空区上方悬露一段时间，直到达一定面积后会垮落一次，通常由砂岩、砾岩、石灰石等坚硬岩石的组成。为防止采空区顶板大面积垮塌，造成安全事故需要对采空区顶板进行预裂，弱化顶板压力。

内蒙古某煤矿井田工作面采高大，埋藏深，地压高。工作面直接顶、基本顶为砂质泥岩、粉砂岩和细砂岩，属于软弱岩层，但岩层整体性好，厚度大，很容易造成大面积悬顶，回采前需在切眼内对顶板进行超前预裂，以防止厚层顶板大面积垮塌。对该顶板应用岩煤预裂具预裂新技术，断顶前工作面推进了4.6 m；断顶后，至21 日，推进了4.4 m，23#－90#支架后顶板破碎，有煤矸冒落，两顺槽顶板、两帮压力不明显，预裂效果显著[4]。

应用岩煤预裂具新技术可对地层应力集中提前预裂弱化使得地层应力得到均衡释放，不会在工作面推进过程中突然释放，消除了产生垮塌和冲击波的安全隐患。

3.2 煤层深孔预裂

煤层深孔预裂是对所开采煤层进行超前预裂，不同于顶煤预裂，在回风巷一侧进行打孔装药施工，不影响工作面正常采煤作业。主要要求是对煤层顶部及直接顶有较好的预裂效果，辅助割煤机更好的将煤层切割采出，同时调整顶板压力，使得来压正常，减少靠回风巷一侧大块煤的产生。

榆林某煤矿3301 工作面长度300 米，走向长度2100 米，煤层厚度约8.5 米，采用大采高综采技术进行开采，在机尾一侧（靠回风巷）有约15 米范围割煤产生大块多且煤层原生裂隙少、较致密，影响割煤机正常开采效率，需对该部位进行预裂处理。应用岩煤预裂具后割煤机割煤速度较以往有所提升，落煤大块减少，后续推进到预裂区域时，割煤机割采顺利，机尾侧与工作面中相差不大，且落煤为块煤，直径＜1m，可直接进入破碎机，煤炭成块率高。支架上端顶板来压明显，为后续割煤开采起到了促进作用，在该区域平均每天能够多推进一刀（约0.8～1米），生产效率有较明显提升，整体压裂效果得到了矿方的认可。

煤层深孔预裂应用岩煤预裂具可有效提高成块率，还提升了生产效率，给煤矿带来了巨大效益。

3.3 井下巷道掘进岩层预裂

井下巷道掘进对岩层预裂目前针对存在自由面的片帮扩宽的需求，是辅助掘进设备处理边角的一种方法。主要要求是对片帮能够定向预裂，预裂后的轮廓符合设计要求，预裂产生的石块较小，方便转运和处理。

内蒙某煤矿一掘进区段，初期设计尺寸偏小，需对巷道进行扩展，长和高均需扩展0.5-0.8米，巷道底部两端便于机械化处理，在顶上与顶角片帮不便于机械施工作业，需要对其进行预裂处理。

图1是预裂后效果图，从图中可知试验后预裂区域的岩石均已垮落，且岩石块度较小，便于转运和处理，预裂后顶与片帮成型较好，不需要二次处理，且施工简便、效率较高，整体压裂效果得到了矿方的认可。

图1 预裂后效果图

4 岩煤预裂具新技术优点

岩煤预裂具第一个优点是采用压控技术，高压下迅速工作，常压下难以引燃，一旦泄压后立即停止工作，具有安全可靠的特点。第二个优点是产气造缝：①产气迅速，产气量大，其作用形成的裂缝长、范围广，除主要裂缝外，还形成许多网状裂纹。②造缝技术对煤层无猛烈冲击，落煤为块煤，直径＜1m，可直接进入破碎机，提高成块率。第三个优点是施工简单，劳动强度低，工作效率高：①启动器连接爆发器，启动器插入产气具内，操作简单。②现场操作只需两人（尤其有定员操作现场）。第四个特点是产物无毒无害无腐蚀：气体主要是氮气、二氧化碳、水、无毒无害，不会腐蚀综采设备。