任 俊 高 宇
(1.大同煤礦集團(tuán)馬脊梁礦,山西 大同 037003;2.大同煤礦集團(tuán)總調(diào)度室,山西 大同 037003)
大同礦區(qū)煤田具有頂板堅(jiān)硬的特點(diǎn)。隨著煤炭開采深度的加大,堅(jiān)硬頂板帶來(lái)的災(zāi)害日益顯現(xiàn),具體體現(xiàn)在:工作面初次垮落步距和周期來(lái)壓步距增大;臨空巷道易發(fā)生強(qiáng)礦壓和嚴(yán)重變形;工作面初采期間瓦斯超限等。傳統(tǒng)的處理堅(jiān)硬頂板的辦法是采用炸藥爆破強(qiáng)制放頂,此法雖有效但存在安全性差、污染嚴(yán)重、火工品管理成本高昂的弊端。因此,需提出更安全高效的方法來(lái)治理堅(jiān)硬頂板,二氧化碳致裂技術(shù)處理堅(jiān)硬頂板就成為其重要的發(fā)展方向。
本文以塔山礦C3-5#層8218工作面為工程背景,該工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3063m,傾向230m。工作面采高3.9m,煤層平均厚度14.97m,煤層傾角為2~5°,老頂平均厚4.5m,巖性以灰白色粗砂巖、中砂巖為主。直接頂平均厚11.8m,巖性以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖為主。工作面共布置134架ZF15000/27.5/42型支架,1臺(tái)艾克夫SL500型采煤機(jī),1部PF6/1142型前刮板機(jī),1部PF6/1342型后刮板機(jī),工作面采煤方法為綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤法。
二氧化碳由液態(tài)瞬間轉(zhuǎn)化為氣態(tài),體積迅速膨脹,同時(shí)產(chǎn)生沖擊波并放出大量能量,此原理屬于物理變化過(guò)程。利用液態(tài)二氧化碳致裂堅(jiān)硬頂板,比傳統(tǒng)爆破更安全,不會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體,不會(huì)產(chǎn)生構(gòu)造性破壞,而且其運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用獲免審批等優(yōu)點(diǎn)。在使用前,用高壓泵預(yù)先在專用儲(chǔ)液管注入液態(tài)二氧化碳,使用過(guò)程中通過(guò)接通位于儲(chǔ)液管一端的起爆頭電流,瞬間產(chǎn)生高溫使得儲(chǔ)液管內(nèi)的二氧化碳迅速?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài),使得儲(chǔ)液管內(nèi)壓力劇增,在十幾毫秒內(nèi)體積迅速膨脹至原有體積的500~700倍,當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),釋放頭內(nèi)的定壓剪切片被打開,二氧化碳?xì)怏w迅速向外爆發(fā),產(chǎn)生的強(qiáng)大推力瞬間可使巖層破裂,從而達(dá)到致裂效果。液態(tài)二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)圖見圖1。
圖1 液態(tài)二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)示意圖
在臨空超前段靠近煤柱側(cè)巷幫依次布置致裂切頂卸壓孔。由于受到工作面超前支承應(yīng)力影響,鉆孔時(shí)易卡鉆,并且成孔后容易塌孔,影響后續(xù)作業(yè),所以預(yù)裂作業(yè)應(yīng)超前工作面80~120m完成。由于鉆孔施工方位存在偏差和氣態(tài)二氧化碳擴(kuò)散的不確定性,為確保形成理想的切縫線和切縫效果,致裂切頂卸壓段每隔24m布置一組致裂孔,每組3個(gè)致裂孔,呈扇形分布,孔徑均為Φ65mm,如圖2所示。
圖2 預(yù)裂鉆孔剖面示意圖
中心孔仰角48°,孔方向垂直于巷道行進(jìn)方向,指向煤柱側(cè)巷幫,眼斜深30m(有效致裂長(zhǎng)度約13m),垂深25m。
兩側(cè)孔與中心孔在同一平面上(即仰角也是48°),在該平面上與中心孔呈20°夾角??籽劬嚯x中心孔孔眼500mm,孔底眼與中心孔底眼相距8m。眼斜深32m(有效致裂長(zhǎng)度約14m),垂深25m。在每個(gè)致裂孔使用9根二氧化碳致裂器,1個(gè)連接桿。鉆孔向煤柱一側(cè)傾斜,有兩方面的考慮:一是傾斜切縫有利于頂板在自重和上位巖體作用下離斷,并減小頂板切落時(shí)的阻力;二是二氧化碳致裂器集中在鉆孔的直接頂、老頂段,傾斜鉆孔可使致裂器在水平方向上遠(yuǎn)離巷內(nèi)頂煤,減少氣態(tài)二氧化碳泄放對(duì)巷內(nèi)頂煤的擾動(dòng)。
為保證機(jī)道頂板的及時(shí)垮落,計(jì)劃在工作面機(jī)道支架間施工二氧化碳致裂鉆孔,對(duì)頂煤進(jìn)行預(yù)裂。鉆孔參數(shù):鉆孔直徑Φ65mm,孔深8m,間隔5個(gè)支架即8.75m,共計(jì)施工27個(gè)鉆孔。每個(gè)致裂孔使用1根致裂器,5個(gè)連接桿。
安裝前首先對(duì)致裂器外觀及結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查,一是確保致裂器無(wú)明顯劃痕、銹蝕及肉眼可見裂痕;二是確保泄能器結(jié)構(gòu)應(yīng)能使儲(chǔ)液管內(nèi)高壓二氧化碳在達(dá)到泄放壓力后充分泄放。其次對(duì)致裂器進(jìn)行性能測(cè)試,一是試驗(yàn)密封性:將組裝好的致裂器置于水中,觀測(cè)2min,所有連接處無(wú)氣泡溢出;二是檢查液體二氧化碳、致裂器產(chǎn)品合格證;三是檢查發(fā)熱裝置:腳線、電阻、抗震性能、安全電流、最小發(fā)火電流、靜電感度等技術(shù)指標(biāo)。
8218工作面在進(jìn)行二氧化碳致裂以前,頂板堅(jiān)硬難垮落,工作面臨空側(cè)超前支護(hù)段巷道變形嚴(yán)重,原設(shè)計(jì)斷面5.3m×3.5m變形為3.5m×1.8m,初次來(lái)壓步距為35m,周期來(lái)壓步距為25m。當(dāng)工作面周期來(lái)壓時(shí),礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,永久支護(hù)損壞,支架安全閥開啟,瓦斯涌出不均勻,門墩頻繁。二氧化碳致裂以后,工作面實(shí)測(cè)周期來(lái)壓步距在15m內(nèi),來(lái)壓時(shí)礦壓明顯減弱,巷道支護(hù)完好,臨空側(cè)超前支護(hù)段巷道變形減小,工作面瓦斯涌出均勻。
(1)通過(guò)塔山礦8218工作面的試驗(yàn),證明了二氧化碳致裂技術(shù)用來(lái)解決堅(jiān)硬頂板的垮落問(wèn)題是可行的,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)周期來(lái)壓步距減小了10m,礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象減弱。
(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施結(jié)果表明二氧化碳致裂技術(shù)可產(chǎn)生巨大的威力,成功地代替了傳統(tǒng)炸藥爆破方式預(yù)裂堅(jiān)硬頂板,二氧化碳致裂原理簡(jiǎn)單,使用安全方便,性能穩(wěn)定可靠,應(yīng)用前景廣闊。