張 旭

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

CO2氣相致裂技術(shù)在綜放工作面提前放頂中的應(yīng)用

張 旭

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

基于CO2氣相壓裂技術(shù)原理，以陽泉煤礦22011工作面為例，通過觀測綜采支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)變化，以及通過防爆相機(jī)和鉆孔窺視儀觀測壓裂效果，進(jìn)而考察了該技術(shù)在綜放工作面提前放頂中的應(yīng)用，研究表明：CO2氣相壓裂技術(shù)在弱化頂板應(yīng)用上具有良好的效果，工作面初次來壓步距與全礦平均距離相比提前19m左右，與傳統(tǒng)炸藥技術(shù)相比，具有更高的安全系數(shù)，為綜放工作面的安全開采提供了借鑒和參考。

氣相致裂；頂板垮落；安全開采；初次來壓

Application of Roof Falling in Fully Mechanized Top Coal Mining with CO2Fracturing Technology

在對工作面進(jìn)行初次回采時，采空區(qū)懸頂面積會伴隨著工作面推進(jìn)而逐漸增大，采空區(qū)頂板在長時間不進(jìn)行垮落處理時，綜采工作面的控頂區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生壓力高度集中現(xiàn)象，如果得不到及時合理的處理，極易發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致事故發(fā)生[1-3]。因此，用合理方法對頂板進(jìn)行有效處理是實現(xiàn)工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[4-6]。

經(jīng)過大量的研究和實踐，處理堅硬頂板的主要措施有：注水弱化堅硬頂板方法，該種方法具有適用性廣，成本低的特點[7-8]，但是注水過程中會造成作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，耗費時間長，影響正常的回采工作；炸藥爆破弱化堅硬頂板方法適用于各種堅硬的頂板[9]，但是工序復(fù)雜，炸藥的量難以精確控制，安全系數(shù)低，裝藥量不恰當(dāng)容易引起“啞炮”等問題，同時可能會引起煤塵或瓦斯的爆炸?；谝陨戏治觯躁柸旱V22011工作面為例，提出采用CO2氣相壓裂技術(shù)對煤層頂板弱化處理，并進(jìn)行了工程實驗，為解決煤礦頂板問題提供新的思路。

1 CO2氣相壓裂技術(shù)原理

CO2氣相壓裂技術(shù)是利用電加熱液態(tài)CO2，使其由液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)，整個加熱反應(yīng)時間約 40ms，CO2體積迅速膨脹，壓裂桿內(nèi)的壓力瞬間增大，最高可達(dá)300MPa。當(dāng)達(dá)到特定的壓力時，通過剪切片的破裂而將氣體釋放出來，對周圍產(chǎn)生作用力。整個反應(yīng)過程中CO2由液態(tài)變成氣態(tài)體積膨脹600倍。同時，后續(xù)密閉空間產(chǎn)生的靜態(tài)應(yīng)力場壓裂或破壞巖石和煤層的目的。由于液態(tài)CO2和氣態(tài)CO2均為惰性非易燃易爆物質(zhì)，加熱棒的啟動電壓為9V，整個過程不產(chǎn)生火花，因此克服了在煤礦井下使用的安全問題。

CO2氣相壓裂裝置主要有充氣閥、加熱棒、壓裂管、密封圈、剪切片和噴氣閥組成，如圖1所示。

圖1 氣相壓裂桿結(jié)構(gòu)示意

上述各部件連接好后組成密閉的容器，通過充氣裝置對其充入液態(tài)的CO2，連接導(dǎo)線，并通過頂桿送至鉆孔指定的位置，如圖2所示。連接發(fā)爆器，發(fā)爆器對加熱棒通電，促使加熱棒反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，這些熱量使壓裂管內(nèi)的液態(tài)CO2氣化體積膨脹，達(dá)到特定的壓力后，沖破剪切片，作用于鉆孔壁，從而達(dá)到壓裂的目的。

圖2 CO2氣相壓裂裝置井下使用示意

2 CO2氣相壓裂的試驗現(xiàn)場

2.1 試驗區(qū)概況

本次試驗地點選擇在陽泉煤礦22011工作面，東臨22012工作面，所采煤層為3號煤層，平均煤厚6.47m，煤層標(biāo)高為+395～+480m，走向長度575.3m，可采長度560.3m，傾向長度278m，煤層直接頂為3.8m厚的局部有水平層理的黑色團(tuán)塊狀泥巖，基本頂為3.77m厚的含黑色礦物的白灰色厚層狀細(xì)粒砂巖，屬于Ⅱ類頂板。

陽泉煤礦工作面采用過深孔預(yù)裂爆破，雖然都使基本頂?shù)膹椥詣菽艿玫揭欢ㄡ尫牛够卷敵醮慰迓洳骄嗵崆笆嗝?，但是仍不能避免其污染井下空氣的缺點。

2.2 試驗步驟

根據(jù)氣相壓裂的主要參數(shù)優(yōu)化得知：壓裂孔長度在15～27m之間，并且為了經(jīng)濟(jì)效果最大化，切眼內(nèi)現(xiàn)場實驗采用分組分批次壓裂，即2孔1組模式，孔間距6m，組間距16m，每次壓裂4組孔，每組孔中選擇1個壓裂；已壓裂的孔可為后續(xù)的一個預(yù)壓裂的孔預(yù)先壓裂出裂隙；壓裂孔角度α的確定主要取決于施工者的推進(jìn)能力，選在28～60°之間。切眼內(nèi)共布置30個壓裂孔，分別用1，2，3，…，29，30表示，如圖3所示。

圖3 切眼炮眼布置剖面

將壓裂桿逐根推入鉆孔內(nèi)，在推入壓裂桿的同時用導(dǎo)線把每根桿連接起來，當(dāng)推入孔內(nèi)的壓裂桿的數(shù)量達(dá)到預(yù)定要求后，連接頂桿，并將導(dǎo)線連接穩(wěn)固，使其固定于頂桿之上，隨頂桿的推進(jìn)而逐步引出，最后將壓裂孔外的頂桿支撐好，固定牢固防止滑落。將導(dǎo)線引到警戒線以外的新鮮風(fēng)流中，對整個電路系統(tǒng)檢查無誤后，方可將導(dǎo)線與發(fā)爆器連接，啟動發(fā)爆器。實施壓裂后，及時將壓裂桿取出后逐根檢查測量電阻，確認(rèn)爆破成功率，如有異常，做留標(biāo)記，將回撤出的壓裂桿再充氣復(fù)用。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 圖像效果采集

采用防爆相機(jī)和鉆孔窺視儀分別觀察壓裂效果，圖4為防爆相機(jī)井下壓裂前后采集的現(xiàn)場圖像，圖5是鉆孔窺視儀井下壓裂前后采集的現(xiàn)場圖像，可以看出，壓裂孔利用壓裂桿壓裂后，壓裂孔孔口和孔內(nèi)均還發(fā)生了較大的變形。

圖4 壓裂孔壓裂前后孔口圖像

圖5 壓裂孔壓裂前后窺視

從圖5可以看出，壓裂前鉆孔壁光滑，層理、裂隙不發(fā)育，壓裂后壓裂區(qū)域內(nèi)微裂隙條數(shù)、裂隙擴(kuò)展性、裂縫數(shù)量明顯增多，在壓裂桿釋噴氣閥范圍內(nèi)有明顯的破碎和裂縫現(xiàn)象，壓裂桿桿體部位、未壓裂區(qū)域及頂桿深入部位巖石未發(fā)生明顯變化。

3.2 液壓支架阻力-推進(jìn)距離曲線

在22011工作面回采期間，對43組支架分5組進(jìn)行工作阻力測試并分析工作面來壓規(guī)律。通過計算平均工作阻力得到該工作面液壓支架的阻力隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線，如圖6所示。

圖6 回采工作面不同部位液壓支柱壓力變化曲線

從圖6可以看出，當(dāng)回采工作面推進(jìn)到4.53m時，測壓支架檢測到的壓力由起始平均壓力13.6MPa迅速上升到24.5MPa；當(dāng)回采工作面推進(jìn)至6.9m時，支架平均壓力保持在25.7MPa；當(dāng)回采工作面推進(jìn)到10.8m時，測壓支架檢測到的平均壓力驟然增大至28.1MPa，接近于工作面頂板檢測期間的最大支架壓力，此時頂煤開始垮落。當(dāng)回采工作面推進(jìn)到17.15m時，支架壓力進(jìn)一步增大至28.6MPa，直接頂達(dá)到垮落極限，開始垮落；當(dāng)回采工作面推進(jìn)至22.3m時，工作面平均支架壓力最大，達(dá)到30.8MPa，即達(dá)到液壓支架的工作阻力，此時基本頂開始垮落，工作面基本頂在此時初次來壓。

4 效果分析

為分析氣相壓裂技術(shù)的效果，對比臨近工作面22012，22022，以工作面回采期間初次來壓步距為對比標(biāo)準(zhǔn)，22011工作面明顯優(yōu)于22012，22022工作面，取得良好效果。23021工作面頂板巖性和22011工作面基本相同，進(jìn)行了頂板炸藥預(yù)裂弱化頂板技術(shù)措施，和22011工作面相比，回采期間初次來壓步距相差不大，可見氣相壓裂弱化頂板技術(shù)效果顯著，見表1。

表1 相鄰工作面初次來壓步距對比

壓裂效果表明，22011工作面氣相壓裂后基本頂初次來壓距離在距離工作面首采地點21.8m時出現(xiàn)。相比陽泉煤礦22012和22022工作面的基本頂初次來壓步距分別提前16.9和19.2m，提前回

收了頂煤，降低了基本頂來壓時的動力效應(yīng)，大幅度提高了基本頂在初次來壓時的安全系數(shù)。

5 結(jié) 論

(1)采用CO2氣相壓裂技術(shù)進(jìn)行弱化頂板處理是可行的，取得了預(yù)期成果，并且通過對比分析氣相壓裂和炸藥預(yù)裂效果，在類擬地質(zhì)條件工作面實施頂板弱化處理后，2種技術(shù)的效果相差不大。但氣相壓裂技術(shù)與炸藥相比具有更高的安全性。

(2) 通過氣相壓裂對頂板進(jìn)行弱化處理，與類似地質(zhì)條件的沒有進(jìn)行壓裂的工作面對比直接頂和基本頂垮落的步距都有大幅度地提高，與鄰近22012，22022工作面對比，22011工作面回采時初次來壓步距提前16.9和19.2m，氣相壓裂效果顯著。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

2016-10-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.022

張 旭(1991-)，男，河南淅川人，碩士研究生，主要從事瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)研究。

張 旭.CO2氣相致裂技術(shù)在綜放工作面提前放頂中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2017，22(3)：75-77.

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1006-6225(2017)03-0075-03