張 建

(霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600)

0 引言

目前CO2爆破致裂技術(shù)主要應(yīng)用于煤層增透、增加抽放率的工業(yè)實(shí)踐。白文信等[1]針對(duì)蔣莊煤礦堅(jiān)硬煤層注水難的問題，引進(jìn)了CO2爆破致裂技術(shù)，提高注水滲透效率；孫可明等[2]建立了超臨界二氧化碳?xì)獗铝衙后w的沖擊動(dòng)力學(xué)模型，揭示了粉碎區(qū)和裂隙區(qū)的破壞規(guī)律和形成機(jī)理；杜澤生等[3]提出了適合試驗(yàn)礦井煤巷掘進(jìn)的二氧化碳爆破技術(shù)，研制了二氧化碳爆破開采器。而無(wú)論是工作面或者巷道過斷層的時(shí)候一般采取的都是深孔炸藥爆破[4-5]。同時(shí)CO2爆破致裂技術(shù)還應(yīng)用在了地鐵施工、采石、井筒施工及路基改造工程中，均取得了巨大的成就和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[6-8]。回坡底煤礦10-109工作面回采過程中遭遇了硬巖斷層的干擾，過斷層期間推進(jìn)度低、機(jī)組負(fù)荷大，影響了回采進(jìn)度和回采設(shè)備的安全性?；仄碌酌旱V從10-109工作面回采實(shí)踐入手，采用CO2爆破致裂技術(shù)進(jìn)行硬巖段松動(dòng)，為工作面正?；夭蓜?chuàng)造了條件。

1 工程概況

回坡底煤礦東一區(qū)10-109綜采工作面井下位于東一采區(qū)軌道巷左翼，北鄰為10-111回采工作面(正在回采)，南鄰為10-107回采工作面(未采)，西部為磊上村保安煤柱，東部為東一采區(qū)3條大巷。工作面地面位于2#風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)西北，地表為黃土梁垣地貌，溝壑眾多，無(wú)河流、泉眼等水體。地表無(wú)建筑。區(qū)域地形最高點(diǎn)標(biāo)高+954 m，位于塬上并井下對(duì)應(yīng)10-1092巷切口，最低點(diǎn)標(biāo)高+840 m，位于工業(yè)廣場(chǎng)西北240 m處并井下對(duì)應(yīng)10-1092開口。工作面布置示意如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值模型圖

工作面走向長(zhǎng)度460 m左右，傾斜長(zhǎng)度240 m，主要開采10#煤層，屬半亮型煤，內(nèi)生裂隙較發(fā)育、脆度較大，賦存穩(wěn)定，平均厚度為2.65 m，屬中厚穩(wěn)定煤層，厚度變異較小；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中部含0～1層夾矸，夾矸巖性為泥巖偶見炭質(zhì)泥巖；本煤層容重為1.4 t/m3；煤層傾角為1°～6°。工作面頂?shù)装迩闆r及地質(zhì)構(gòu)造揭露情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装寮暗刭|(zhì)揭露情況

2 CO2爆破致裂

2.1 CO2致裂原理

10-109綜采工作面揭露的F142正斷層推進(jìn)3.2 m，該斷層H=4.6 m，影響范圍在99#～119#支架段，該段巖石為砂巖、巖性較硬，機(jī)組截割困難。為加快10-109工作面過斷層期間的推進(jìn)度及減少采煤機(jī)的負(fù)荷，可對(duì)斷層巖性堅(jiān)硬段先采用CO2爆破致裂方式進(jìn)行松動(dòng)，再用采煤機(jī)截割直接推進(jìn)。

CO2爆破致裂基本原理是CO2氣體在一定高壓條件下轉(zhuǎn)化為液態(tài)，通過高壓泵將液態(tài)的CO2壓縮至致裂器內(nèi)。當(dāng)微電流通過電點(diǎn)火頭時(shí)，引起發(fā)熱藥劑產(chǎn)生高溫，瞬間將致裂器內(nèi)液態(tài)CO2氣化，液態(tài)CO2膨脹600倍形成氣態(tài)CO2，急劇膨脹產(chǎn)生高壓沖擊波致泄能器打開，通過瞬間釋放高壓氣體松動(dòng)巖體，達(dá)到爆破致裂圍巖的目的[9]。CO2致裂器示意如圖2所示。

1-充裝閥；2-加熱裝置；3-儲(chǔ)液裝置；4-密封墊；5-定壓剪切片；6-釋放管；7-止飛器圖2 二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)

2.2 CO2爆破致裂特點(diǎn)[10]

采用CO2爆破致裂具有：①CO2爆破安全性能高，可靠性好—CO2本身不具有爆炸性，且有抑制爆炸燃燒的作用，爆炸致裂不會(huì)產(chǎn)生火花或明火，不會(huì)引起瓦斯爆炸；②CO2爆炸致裂的程度可控—可根據(jù)不同壓力的定壓剪切片安裝控制不同爆炸威力，從而達(dá)到爆破程度可控的目的；③工序操作簡(jiǎn)單，成本較低—主要儲(chǔ)液裝置可重復(fù)使用，鉆孔簡(jiǎn)單，不需要過多人員操作，整個(gè)過程僅需3工即可在短時(shí)間內(nèi)完成。

3 CO2爆破方案與實(shí)施

3.1 CO2爆破致裂前準(zhǔn)備工作

檢查：爆破工作前，對(duì)工作區(qū)域供水、通風(fēng)進(jìn)行檢查完善，準(zhǔn)備鉆孔用鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭等材料。

材料準(zhǔn)備：爆破工作前，將防護(hù)支架、纜線、板梁等防護(hù)材料提前準(zhǔn)備到位，在后方20 m位置整齊擺放。

機(jī)組停放：爆破施工前，工作面機(jī)組需停至距爆破位置100 m外頂板較好地段，斷電關(guān)閉工作狀態(tài)；采用防護(hù)材料將爆破段支架立柱、管線等進(jìn)行保護(hù)防止巖石崩出破壞。

支護(hù)：爆破施工前，對(duì)99#～119#支架段前后20 m范圍內(nèi)的采場(chǎng)支護(hù)進(jìn)行檢查，確保頂梁接頂，護(hù)幫板貼緊煤幫，初撐力不低于25 MPa。

致裂器存放：CO2致裂器存放在距轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭100 m外干燥地方，同時(shí)定期檢查防治破壞。

3.2 CO2爆破致裂實(shí)施過程

致裂器運(yùn)輸：CO2致裂器必須由綜采隊(duì)安排專人在井上庫(kù)房領(lǐng)取，用人工運(yùn)輸方式入井(一人一根CO2致裂器)，嚴(yán)禁與其他材料混合運(yùn)輸或用刮板輸送機(jī)、膠帶輸送機(jī)運(yùn)送致裂器。

放炮器管理：放炮器由放炮員攜帶至10-109工作面后移交給爆破工，爆破結(jié)束后爆破工將放炮器歸還放炮員并由放炮員及時(shí)送回庫(kù)房。

打眼作業(yè)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)斷層揭露巖性確定打眼和爆破位置，施工炮眼時(shí)長(zhǎng)度每延伸10 m需增加一組打眼作業(yè)人員，每組2人。鉆眼眼深1.6 m，眼距0.8 m，排距0.8 m，上排距頂板0.5 m，下排距底板0.55 m，鉆孔與工作面煤壁成45°角，鉆孔示意如圖3所示。

圖3 炮眼布置示意圖

防護(hù)：爆破前，用廢舊皮帶對(duì)99#～119#支架段前后20 m范圍內(nèi)的支架立柱、頂板在線監(jiān)測(cè)分站、壓力表、纜線、管路等進(jìn)行防護(hù)，同時(shí)把支架立柱捆綁嚴(yán)實(shí)，將頂板在線監(jiān)測(cè)分站、壓力表放入立柱后面，在支架頂梁和工作面運(yùn)輸機(jī)擋煤板上拉兩道廢舊皮帶，并利用道木把閥組、電纜全斷面覆蓋。

起爆：爆破采用CO2致裂器，MFB-200型發(fā)爆器，CO2致裂器采用正向裝管方式，分次裝管、分次起爆，一次起爆不超過2個(gè)眼。

警戒：鉆孔施工完成后，爆破前在10-109工作面設(shè)2個(gè)警戒點(diǎn)，第一警戒點(diǎn)設(shè)在10-1091巷工作刮板機(jī)機(jī)頭處，第二警戒點(diǎn)設(shè)在10-1092巷乳化液泵站處。爆破時(shí)要求警戒點(diǎn)處必須拉警戒繩并懸掛警戒牌。

氣體檢測(cè)：爆破完成后，等待15 min瓦檢員對(duì)工作面進(jìn)行有毒有害氣體檢測(cè)。

瞎炮處理：出現(xiàn)瞎炮時(shí)，在平行該鉆眼30 cm處再打一個(gè)鉆眼，按技術(shù)操作要求安裝致裂器，然后爆破。

3.3 CO2爆破致裂安全技術(shù)措施

為確保CO2爆破致裂作業(yè)安全順利，應(yīng)制定相應(yīng)的安全技術(shù)措施。①爆破工作前，需采取措施對(duì)施工場(chǎng)進(jìn)行灑水降塵，嚴(yán)禁在煤塵積聚或瓦斯超限情況下進(jìn)行爆破作業(yè)；②爆破工作執(zhí)行時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢”及“三人連鎖”制度；③爆破作業(yè)時(shí)警戒人員不得擅自撤離警戒，更不能私自進(jìn)入警戒區(qū)；④裝CO2致裂器期間，爆破工必須嚴(yán)格遵守“兩親自，一最后”即親自裝CO2致裂器、親自聯(lián)線，最后一個(gè)撤出工作面；⑤爆破作業(yè)必須認(rèn)真執(zhí)行報(bào)告和聯(lián)鎖制度，嚴(yán)禁擅自爆破；⑥爆破后嚴(yán)格執(zhí)行噴霧灑水防塵制度；⑦嚴(yán)禁在拒爆、殘爆眼上直接鉆孔，必須待拒爆、殘爆處理完后，方可開始打眼作業(yè)；⑧起爆后的致裂器要及時(shí)回收并用人工方式運(yùn)輸出井。

4 結(jié)論

(1)CO2爆破致裂技術(shù)不同于傳統(tǒng)炸藥爆破，此種爆破致裂方法安全性高、操作簡(jiǎn)單、爆破程度可控、原料簡(jiǎn)單易得，更重要的是不會(huì)對(duì)工作面產(chǎn)生次生災(zāi)害，是十分經(jīng)濟(jì)有效的爆破致裂方法。

(2)針對(duì)回坡底煤礦10-109工作面過斷層的實(shí)際情況，對(duì)CO2過堅(jiān)硬段爆破致裂情況進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)與實(shí)施并同時(shí)制定了安全技術(shù)措施，研究成果對(duì)相似條件下工作面回采或巷道掘進(jìn)工作具有一定的指導(dǎo)意義。