吳曉偉

（同煤集團永定莊煤業(yè)有限公司，山西 大同 037003）

煤炭開采中，隨著巷道深度的不斷延伸，臨空巷道在回采過程中，受復合作用力影響，礦壓會十分明顯。由于巷道頂?shù)装鍓毫Υ?，會出現(xiàn)頂板下沉、底鼓、幫鼓等現(xiàn)象，還會使巷道斷面高度、寬度發(fā)生變化，影響人員行走、物流運輸和工作面通風。本文針對鄰空巷道的下沉、底鼓等變形問題，提出通過CO2致裂切頂卸壓技術對直接頂、老頂進行卸壓，減緩二次采動超前壓力，降低來壓影響時間、范圍及壓力峰值[1]。

1 工作面概況

1.1 8111 工作面概況

8111 綜放工作面標高位置873～909.4 m，工作面長239.4 m，頭順槽長2 466 m、尾順槽長2 481 m，煤層水平發(fā)育，傾角2°～4°，平均2.5°，煤層厚度5.30～8.10 m，煤層整體結構較為復雜，除3.94～5.89 m的純煤層外，存在3～5 層夾矸層，厚度不一，約0.10～2.03 m、平均1.28 m。

8111 工作面與8101 工作面間煤柱間隔30 m，5111 巷自距離8111 工作面開切眼531 m 處至停采線位置為鄰空區(qū)，5111 巷鄰空段受到8101 工作面采空區(qū)懸梁影響，會形成殘余支撐壓力作用在5111巷，同時5111 巷自身受到8111 工作面回采超前動壓，上述兩種壓力綜合作用會使礦壓顯現(xiàn)更加劇烈，該段巷道部分錨桿和錨索失效，部分單體支柱出現(xiàn)彎折和失效，頂板鋼帶也出現(xiàn)多處變形，巷道出現(xiàn)不同頂板下沉、底鼓、幫鼓，較為嚴重的巷道斷面頂板由3.7 m 高度下降到0.6 m，寬度由5.4 m 縮減為3.6 m（現(xiàn)場實際情況如圖1 所示）。

圖1 鄰空巷道5111 巷超前支護段礦壓顯現(xiàn)

2 二氧化碳致裂技術研究

2.1 二氧化碳致裂器結構原理

CO2致裂器由充裝閥、發(fā)熱裝置、主管、定壓剪切片、密封墊、釋放管六部分構成。CO2致裂器主要利用CO2會在31 ℃和小于7.35 MPa 時物態(tài)發(fā)生變化，由液態(tài)轉化為氣態(tài)，壓力也隨溫度變化，CO2急劇膨脹會形成類似爆破效果。CO2致裂器內部存儲大量液體CO2，使電極和加熱裝置可以快速發(fā)熱，CO2氣化產(chǎn)生高壓超過定壓剪切片極限強度會沖破致裂器末端剪切片，由致裂裝置氣門經(jīng)由釋放管釋放作用于煤巖[2-3]。

2.2 CO2 致裂器與炸藥的比較

1）持久性。CO2致裂器中CO2氣化爆炸單位爆炸能為680 kJ/kg，雖然只有2 號煤礦硝銨炸藥爆炸能的1/5，但相對緩慢具有持久性，致裂器觸發(fā)后氣體會持續(xù)膨脹直到最大體積，對于煤巖體這類多裂（孔）隙脆性材料，氣體會沿煤巖體裂隙擴散，起到良好的剪切破壞效果。

2）安全性。CO2致裂器利用氣體物態(tài)相變產(chǎn)生動能，過程中沒有明火或火花，同時液氣轉化本身是一種吸熱過程，整個爆破過程中的熱量也會被CO2吸收，起到冷卻作用，期間不會引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸。CO2致裂器由特制壓力容器存儲，狀態(tài)穩(wěn)定便于儲存和運輸。同時CO2釋放量只有0.6 m3/kg，釋放后會由局部通風系統(tǒng)帶離工作面。

3）適用性。礦用炸藥爆破后會產(chǎn)生明火和高溫氣體，不適宜在高瓦斯和高突煤層進行煤層放頂和預裂卸壓，而CO2致裂器的安全特性，相對適用范圍較廣。而且礦用炸藥和雷管屬于管制器材，采購、運輸、存儲都具有嚴格的監(jiān)管制度，并由具有專業(yè)資質的作業(yè)人員完成。

4）可重復操作性。CO2致裂器通過氣體膨脹產(chǎn)生動能，觸發(fā)后的高壓只對發(fā)熱器、剪切片和密封墊片造成損壞，致裂器其他部分裝置可進行重復使用，經(jīng)過拆解、替換易損部件和再次灌裝，可進行反復利用。

3 二氧化碳致裂技術應用

3.1 方案選擇

3.1.1 5111 鄰空巷道致裂切至直接頂鉆孔設計

沿5111 臨空巷道鄰近8111 采空區(qū)一側傾斜設置預裂鉆孔，鉆孔位置到達臨近采空區(qū)直接頂頂部，鉆孔深度根據(jù)巖層上覆巖層情況約為6.5～9.0 m，并自直接頂?shù)撞块_始間隔1.5 m 沿鉆孔設置1—3 號CO2致裂器，CO2致裂器采用串聯(lián)起爆，詳細鉆孔剖面見圖2。

圖2 預裂鉆孔剖面示意圖（切至直接頂）（mm）

3.1.2 5111 鄰空巷道致裂切至老頂鉆孔設計

沿煤柱幫上部設置的傾斜預裂鉆孔深度達到采空區(qū)上覆巖層老頂位置，通常鉆孔深度約為11～13.5 m，鉆孔內自直接頂?shù)撞康竭_老頂區(qū)間設置1～6號二氧化碳致裂器，相鄰致裂器間隔1.5 m，6 個CO2致裂器串聯(lián)同時起爆，鉆孔剖面見圖3。

圖3 預裂鉆孔剖面示意圖（切至老頂）（mm）

3.1.3 方案對比

8111 工作面直接頂為厚度4.1 m 的泥巖、高嶺巖，該類巖層硬度較低，通常普氏硬度為1.99～4.2 之間，老頂為厚度平均6.7 m 的灰白色中砂巖、粗砂巖或礫巖，屬半堅硬巖層。由于8111 工作面上覆巖層的巖層性質，通過關鍵層理論認為老頂對該區(qū)域上覆巖層巖體活動起到關鍵作用。前期在8111 工作面1 380～1 410 m 處設置10 個直接頂預裂鉆孔爆破后沒有起到良好的卸壓效果。實驗鉆孔預裂結果表明為了達到對5111 臨空巷道進行致裂切頂卸壓控制效果，需要將預裂鉆孔方案調整為致裂切至老頂鉆孔的設計，使頂板預裂后仍能保持整體性，并改善工作面推進后的頂板切落效率[4-5]。

3.2 試驗

調整預裂鉆孔施工技術方案后，將8111 工作面內1 260～1 320 m 處設置為預裂試驗段，預裂鉆孔布置應超前工作面100～120 m，沿工作面向外施工。致裂桿直徑Φ53 mm，預裂鉆孔直徑Φ56 mm，預裂鉆孔深度16.5 m，鉆孔沿70°～80°傾角施工，鉆孔頂端到達采空區(qū)上覆巖層老頂位置。共設置18 個試驗預裂鉆孔，相鄰預裂鉆孔間距3 m，試驗段同時預留3 各觀察鉆孔，觀察鉆孔應處相鄰鉆孔中段設置。為了維護預裂卸壓后工作面及巷道頂板安全，鉆孔外側設置雙排托梁加強巷道支護，托梁間排距為800 mm×800 mm。

為監(jiān)控切至老頂處CO2預裂措施效果，在5111巷切頂卸壓試驗段和未切頂卸壓段設置監(jiān)控斷面，每斷面各設置兩個監(jiān)測分站，鉆孔應力計監(jiān)測布置示意圖見下頁圖4。

3.3 效果

各監(jiān)測分站設置監(jiān)測鉆孔安裝應力計過程中，鉆孔施工至煤柱切頂段15 m 處位置和鉆孔施工至非切頂段13 m 位置，都出現(xiàn)鉆孔卡鉆和循環(huán)水不返出現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)鉆桿卡死無法拔出，并無法通過提高鉆速和鉆壓改善。說明鉆孔已經(jīng)到達煤體應力高度集中區(qū)域。

監(jiān)測分站在鉆孔10 m 和15 m 位置分別進行應力測量，測量結果見表1。

圖4 鉆孔應力計監(jiān)測布置示意圖（m）

表1 各監(jiān)測站10 m 及15 m(13 m）處應力狀態(tài)值

通過對上述1～4 號監(jiān)測站測得10 m 和15 m 處數(shù)據(jù)表明，致工作面及煤柱進行裂切頂卸壓后實時應力低于普通支護回采方式。即5111 鄰空巷1 260～1 320 m 處試驗段進行致裂切頂卸壓后圍巖動壓得到降低，同時巷道安全出口斷面能夠維持在最小高度1.8 m，最小寬度4.2 m，巷道頂板壓力得到良好控制，施工效果良好。

4 結語

從實踐應用效果來看，CO2致裂切頂卸壓技術在控制巷道圍巖變形方面具有較好的效果，有效降低了圍巖動壓，同時較好地控制了巷道斷面，為類似工作面的圍巖控制提供了參考。