賈 淵 董世卓

（同煤集團同大科技研究院山西大同037003）

大同礦區(qū)為典型雙系煤田，石炭系煤層堅硬頂板分層厚度大、節(jié)理發(fā)育程度低、硬度和強度高，回采過后頂板難以自然垮落，造成下一工作面臨空巷道受相鄰采空區(qū)頂板懸頂、本工作面支承壓力及采動壓力的影響大，存在明顯的強礦壓顯現(xiàn)問題。針對該類問題，傳統(tǒng)方法為火工品深孔預(yù)裂爆破或水壓致裂卸壓方式，但火工藥品自身的高危性，造成這種方法有很高的施工隱患和環(huán)境限制；水壓致裂工序繁瑣，且注水后對巷道環(huán)境產(chǎn)生一定影響。CO2致裂技術(shù)為近些年提出的“物理爆破”技術(shù)，其工序簡單、本質(zhì)安全，在煤層瓦斯治理、工作面三角懸頂治理、巷道底鼓治理等得到廣泛應(yīng)用。本文以同煤集團馬脊梁礦典型的堅硬頂板臨空巷道-5105巷為研究背景，利用CO2致裂器和致裂技術(shù)，對氣相切頂卸壓方案設(shè)計并進行工業(yè)性試驗。

1 工程背景概況

馬脊梁礦8105工作面南東為8103工作面采空區(qū)，與8103工作面之間的煤柱寬度為30 m，煤層厚度平均6.41 m；老頂為含礫粗砂巖，平均厚度7.27 m，直接頂為細砂巖，平均厚度1.77 m。根據(jù)巖石力學(xué)試驗，含礫粗砂巖的抗壓強度平均為70.50 MPa；抗拉強度平均為4.80 MPa，內(nèi)聚力11.2 MPa～13.1 MPa，內(nèi)摩擦角30.8°～33.4°，泊松比0.223～0.241。5105巷道寬5 400 mm，高3 700 mm，錨桿+錨索+鋼梁壓金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，巷道全長2 610 m。5105巷道在回采過程中受采動壓力、相鄰8103采空區(qū)頂板懸頂及本工作面采空區(qū)懸梁形成的殘余支承壓力共同影響，在回采過程中出現(xiàn)比較嚴重的頂板下沉、底鼓等現(xiàn)象亟待解決。

2 CO2氣相致裂技術(shù)

CO2致裂器由充裝閥、發(fā)熱裝置、儲液管、密封墊、定壓剪切片、釋放管等六部分組成，如圖1所示。液態(tài)CO2氣相致裂技術(shù)是利用CO2液相和氣相之間的轉(zhuǎn)換釋放能量來進行致裂，該過程是一個物理變化過程，因此屬于物理爆破。首先CO2致裂器在放入發(fā)熱裝置、定壓剪切片組裝后，充入適量的CO2后形成高壓密閉的容器；然后通過礦用本安型起發(fā)器激發(fā)發(fā)熱裝置，瞬間產(chǎn)生大量的熱，致裂管中的液態(tài)CO2受熱后瞬間氣化，體積膨脹約600倍，在恒容的儲液管內(nèi)可產(chǎn)生高達200 MPa壓力甚至更高；儲液管內(nèi)的壓力達到定壓剪切片的極限強度后，氣相CO2沖破剪切片高速噴出，撞擊到鉆孔內(nèi)壁造成煤巖體裂隙的產(chǎn)生，隨后的高壓氣體的尖劈作用促使原生及新生裂隙繼續(xù)發(fā)育，從而使巖體開裂破壞。

圖1 CO2致裂器結(jié)構(gòu)示意圖

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

3.1 氣相切頂方案設(shè)計

設(shè)計在5105巷道超前工作面至少200 m進行氣相切頂卸壓,試驗段總長250 m.在巷道靠近煤柱側(cè)進行施工,布置1排氣相切頂致裂鉆孔.采用FLAC3D和COMSOL軟件對切頂高度、切頂角度及切頂鉆孔間距進行數(shù)值模擬,結(jié)合實驗室試驗及理論分析,方案如下:

表1 氣相切頂卸壓方案

3.2 致裂器實施工藝

CO2致裂器在地面灌裝檢驗后，運送至井下致裂地點進行起爆，具體施工流程為：鉆孔、致裂器推送、封孔、撤人警戒、起爆、通風(fēng)、回收致裂器、下一循環(huán)，起爆前應(yīng)按照要求撤人警戒不小于100 m，安全躲避時間不小于30 min。

由于本次致裂高度大，因此在推送時以架柱式液壓鉆機配合常開式液壓夾持器進行，推送前要將鉆機架設(shè)牢靠，推送過程應(yīng)緩慢進行，防止由于推送過快導(dǎo)致電極不導(dǎo)通等問題的產(chǎn)生。封孔采用定制的ZFA45增強型專用注水封孔器進行，封孔壓力可達10 MPa，在推送及回收封孔器時嚴禁帶壓操作。

3.3 效果及分析

2019年7月～2019年12月在馬 脊梁礦5105巷道開展了氣相切頂卸壓工業(yè)性試驗。工業(yè)性試驗在5105巷道200 m～450 m處，在各設(shè)計方案試驗段進行了超前單體支柱壓力監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測、巷道表面位移觀測及煤柱應(yīng)力監(jiān)測，并進行了致裂孔窺孔觀測。

表2 氣相切頂卸壓效果監(jiān)測

根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果表2數(shù)據(jù)分析，切頂卸壓試驗段單體支柱最大工作阻力較未切頂區(qū)域下降3.09%～12.55%；切頂卸壓可有效降低頂板離層量及圍巖變形量，切頂區(qū)域離層量較未切頂區(qū)域降低3%～16.5%；頂?shù)装逡平枯^未切頂區(qū)域降低15.3%～22.6%，兩幫變形量僅在采用方案1切頂卸壓時降低28.7%；煤柱的支承壓力隨測點向煤柱內(nèi)深入，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，支承壓力最大值在煤柱內(nèi)10 m處；切頂試驗段支承壓力峰值較未切頂區(qū)域降低3.4%～21.8%。

選取方案1中的10#致裂孔進行致裂前后的窺孔觀測，窺孔觀測結(jié)果如圖2。從圖中可以看出，致裂前頂板含礫粗砂巖完整性好，裂隙不發(fā)育，僅在局部位置有微小裂隙，致裂后對應(yīng)致裂器釋放孔位置出現(xiàn)較為明顯的縱向裂隙，最大裂隙寬度可達2 mm，并沿孔壁縱向延伸一定長度，縱向裂隙夾角和釋放孔夾角90°基本一致，在沖擊波和應(yīng)力波的作用下產(chǎn)生一定的橫向裂隙，但橫向裂隙發(fā)育相較于縱向裂隙小，驗證了二氧化碳氣相致裂在堅硬頂板能夠產(chǎn)生定向的致裂效果，從而達到切頂卸壓的目的。

試驗效果表明，氣相切頂卸壓施工工藝安全，作業(yè)時間短，切頂卸壓可降低超前單體液壓支柱工作阻力、圍巖變形量及煤柱的支承壓力，取得了理想的卸壓效果，有利于巷道的圍巖控制，在采用設(shè)計方案1時卸壓效果最佳。

圖2 致裂孔窺視圖

4 結(jié)論

（1）采用CO2致裂技術(shù)可以實現(xiàn)堅硬頂板臨空巷道切頂卸壓，而且致裂壓力可控、施工過程安全。在井下一定條件可以替代傳統(tǒng)炸藥及水力壓裂，對改善煤礦安全生產(chǎn)有著重要的影響。

（2）通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗，氣相切頂在采用合理的設(shè)計方案時能夠取得良好的卸壓效果，為大同礦區(qū)堅硬頂板臨空巷道切頂卸壓提供了一套實用的超前預(yù)裂技術(shù)。