CO2预裂爆破技术在塔山煤矿8222工作面实践应用

张 旭

（晋能控股煤业集团塔山煤矿，山西 大同 037008）

0 引言

塔山煤矿8222工作面在初采期间存在老顶初次折断距离大的问题，老顶折断距离大会造成采空区瓦斯大面积、长时间涌出，引发瓦斯涌出事故。因而在8222切眼采煤侧应用了CO2预裂爆破技术，通过对上覆坚硬K3砂岩层的预裂作用，破坏其完整性，使其提前垮落，避免长距离一次性垮落风险。文章在分析8222工作面开采技术条件和开采参数的基础上，重点研究了CO2预裂爆破技术的实践应用。

1 工作面简介

8222工作面埋深359～610 m，平均埋深479 m。工作面平均走向长度2 644.5 m，倾斜长度230.5 m，煤层厚度8.2～29.2 m，平均厚度15.8 m，煤层面积60.95万m2，可采储量1 122.1万t。煤层埋藏倾角为2°；煤层视密度平均1.46 g/cm3。

2 技术实施条件

2.1 地质条件顶底板

8222工作面为上山回采，煤层走向近似南北，倾向近似西，顺槽巷掘进过程发现该煤层断层发育明显。其中5222巷揭露正断层8条，2222巷揭露正断层15条，8222顶板高抽巷掘进揭露断层8条，总计31条断层，其落差在0.3～8.2 m不等。

煤层直接顶厚度1.51～14.52 m，平均8.22 m，主要由砂质泥岩、泥岩组成；老顶厚度1.45～20.31 m，平均8.16 m，岩性组成主要包括粗砂岩、砂质泥岩组成。顶板存在煌斑岩不规则侵入情况，导致煤层上部局部松散易碎，易发生大面积集中冒顶现象。

2.2 瓦斯赋存情况

8222工作面上邻近层及围岩的瓦斯涌出都是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。相对涌出量2.54 m3/t，绝对涌出量20～40 m3/min。结果分析该煤尘具有爆炸危险性，自然发火期为82 d。

3 工作面开采重点参数

3.1 工作面长度

根据矿井盘区划分及二盘区开采经验，确定8222工作面倾向230.5 m。该工作面的东北、西南方向尚未进行开拓，西北至探测陷落柱外沿，确定工作面平均走向长度为2 644.5 m。

3.2 采高

根据8222工作面采用SL-500型采煤机及Z F17000/27.5/42D型低位放顶煤支架，综合考虑支架高度确保来压期间立柱收缩后采煤机能够正常通行，支架后摆梁上下摆动能够满足放顶煤要求以及采高对煤壁片帮的影响，确定工作面采高为3.8 m。

3.3 截深

工作面配套使用Z F17000/27.5/42D型支架，推移千斤行程为1.0 m，确定工作面截深为1.0 m。

3.4 综放工作面放煤步距及停采前顶煤留设距离

工作面煤层平均厚度15.8 m，机采厚度3.8 m，平均放煤高度为12.0 m。该煤层顶煤垮落角为75°～85°。依据该工作面基本支架选型Z F17000/27.5/42D，得出顶煤垮落面水平投影长度为1.5 m。综合以上参数确定合理放煤步距为1.3～1.5 m。

4 CO2预裂爆破技术的应用

4.1 CO2预裂技术简介

1）设备组成。CO2致裂器的组成主要包括7个部分：止飞器、释放管、定压剪切片、密封垫、储液管、加热装置、充装阀，如图1所示。

图1 CO2致裂器的组成结构示意图

2）工作原理。CO2致裂需满足2个条件：①CO2液态，需满足T＜31℃、P＞7.35 MPa；②气体做功是急剧膨胀，需满足体积V在20 ms内膨胀600倍、膨胀压力达到80～270 MPa。条件①是为了满足CO2气体呈液态储存，为激发后的急剧膨胀做功奠定基础条件；满足条件①的液态CO2在加热装置的作用下，满足条件②；实现储液管内压力的急剧增大，当压力达到极限强度后，定压剪切片破断，低温高压CO2气体作用于预裂部位，实现定点预裂爆破。

3）技术优势。CO2致裂爆破是典型的物理爆破，比传统化学爆破相比存在诸多优势：本质安全化，可在各种易燃易爆环境下安全使用；环保无污染，CO2气体无毒无害，爆破过程无有毒有害气体产生；地震冲击波、震速小，无破坏性震动和有害的高温效应；工艺简单、操作方便，无需验炮，“哑炮”处理无须耗时和特殊的安全技术措施；不属于火工产品，使用时不用经严格而繁琐的审批，无须特殊工种。CO2致裂器部分参数与特点见表1。

表1 CO2致裂器部分参数与特点

4.2 8222工作面CO2预裂爆破设计

工作面顶板存在煌斑岩不规则侵入情况，导致煤层上部局部松散易碎，易发生大面积集中冒顶现象。为防止初采期间老顶初次折断距离过大、古塘悬板不及时垮落，设计应用了CO2致裂技术方案破坏老顶的完整性，使其按照预期安全垮落。

1）放煤致裂孔（编号K A1、K A2）。在两端头15 m范围内交错布置，如图2所示。沿工作面倾向方向孔距3.5 m，抽放巷投影范围以外选择孔距7.0 m，均为大孔径ϕ65 mm。K A1、K A2孔的仰角、孔深见表2，共布置K A1、K A2孔各22个。

图2 8222工作面顶板致裂钻孔布置图

表2 放煤致裂孔设计参数

2）两巷切顶致裂孔（编号K B1、K B2、K B3、K C）。沿工作面推进方向孔距1.5m/10m，均为大孔径ϕ65 mm，如图3所示。两巷切顶致裂孔的仰角、孔深见表3，共布置K B1、K B2、K B3孔各8个，K C孔个数顺槽长度按照孔距10 m确定。

图3 8222工作面两巷切顶致裂孔剖面布置图

表3 两巷切顶致裂孔设计参数

5 效果和结论

经过检测，CO2致裂技术实现了老顶垮落率达到85%以上，该致裂方案实施30 min后开切眼处瓦斯浓度为0.16%，CO2浓度为0.26%，均未超过限制。

8222工作面在开采过程中，采用CO2致裂技术方案，有效解决了煌斑岩不规则侵入导致的老顶初次折断距离过大、古塘悬板不及时垮落问题，避免了老顶折断距离过大引发的采空区瓦斯大面积、长时间涌出难题。