張 旭

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦，山西 大同 037008）

0 引言

塔山煤礦8222工作面在初采期間存在老頂初次折斷距離大的問(wèn)題，老頂折斷距離大會(huì)造成采空區(qū)瓦斯大面積、長(zhǎng)時(shí)間涌出，引發(fā)瓦斯涌出事故。因而在8222切眼采煤側(cè)應(yīng)用了CO2預(yù)裂爆破技術(shù)，通過(guò)對(duì)上覆堅(jiān)硬K3砂巖層的預(yù)裂作用，破壞其完整性，使其提前垮落，避免長(zhǎng)距離一次性垮落風(fēng)險(xiǎn)。文章在分析8222工作面開(kāi)采技術(shù)條件和開(kāi)采參數(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了CO2預(yù)裂爆破技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用。

1 工作面簡(jiǎn)介

8222工作面埋深359～610 m，平均埋深479 m。工作面平均走向長(zhǎng)度2 644.5 m，傾斜長(zhǎng)度230.5 m，煤層厚度8.2～29.2 m，平均厚度15.8 m，煤層面積60.95萬(wàn)m2，可采儲(chǔ)量1 122.1萬(wàn)t。煤層埋藏傾角為2°；煤層視密度平均1.46 g/cm3。

2 技術(shù)實(shí)施條件

2.1 地質(zhì)條件頂?shù)装?/h3>

8222工作面為上山回采，煤層走向近似南北，傾向近似西，順槽巷掘進(jìn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)該煤層斷層發(fā)育明顯。其中5222巷揭露正斷層8條，2222巷揭露正斷層15條，8222頂板高抽巷掘進(jìn)揭露斷層8條，總計(jì)31條斷層，其落差在0.3～8.2 m不等。

煤層直接頂厚度1.51～14.52 m，平均8.22 m，主要由砂質(zhì)泥巖、泥巖組成；老頂厚度1.45～20.31 m，平均8.16 m，巖性組成主要包括粗砂巖、砂質(zhì)泥巖組成。頂板存在煌斑巖不規(guī)則侵入情況，導(dǎo)致煤層上部局部松散易碎，易發(fā)生大面積集中冒頂現(xiàn)象。

2.2 瓦斯賦存情況

8222工作面上鄰近層及圍巖的瓦斯涌出都是以采空區(qū)的形式涌出，另外綜放開(kāi)采導(dǎo)致的采空區(qū)殘留煤較多決定了部分本層瓦斯也以采空區(qū)瓦斯的形式涌出。相對(duì)涌出量2.54 m3/t，絕對(duì)涌出量20～40 m3/min。結(jié)果分析該煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，自然發(fā)火期為82 d。

3 工作面開(kāi)采重點(diǎn)參數(shù)

3.1 工作面長(zhǎng)度

根據(jù)礦井盤(pán)區(qū)劃分及二盤(pán)區(qū)開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，確定8222工作面傾向230.5 m。該工作面的東北、西南方向尚未進(jìn)行開(kāi)拓，西北至探測(cè)陷落柱外沿，確定工作面平均走向長(zhǎng)度為2 644.5 m。

3.2 采高

根據(jù)8222工作面采用SL-500型采煤機(jī)及Z F17000/27.5/42D型低位放頂煤支架，綜合考慮支架高度確保來(lái)壓期間立柱收縮后采煤機(jī)能夠正常通行，支架后擺梁上下擺動(dòng)能夠滿足放頂煤要求以及采高對(duì)煤壁片幫的影響，確定工作面采高為3.8 m。

3.3 截深

工作面配套使用Z F17000/27.5/42D型支架，推移千斤行程為1.0 m，確定工作面截深為1.0 m。

3.4 綜放工作面放煤步距及停采前頂煤留設(shè)距離

工作面煤層平均厚度15.8 m，機(jī)采厚度3.8 m，平均放煤高度為12.0 m。該煤層頂煤垮落角為75°～85°。依據(jù)該工作面基本支架選型Z F17000/27.5/42D，得出頂煤垮落面水平投影長(zhǎng)度為1.5 m。綜合以上參數(shù)確定合理放煤步距為1.3～1.5 m。

4 CO2預(yù)裂爆破技術(shù)的應(yīng)用

4.1 CO2預(yù)裂技術(shù)簡(jiǎn)介

1）設(shè)備組成。CO2致裂器的組成主要包括7個(gè)部分：止飛器、釋放管、定壓剪切片、密封墊、儲(chǔ)液管、加熱裝置、充裝閥，如圖1所示。

圖1 CO2致裂器的組成結(jié)構(gòu)示意圖

2）工作原理。CO2致裂需滿足2個(gè)條件：①CO2液態(tài)，需滿足T＜31℃、P＞7.35 MPa；②氣體做功是急劇膨脹，需滿足體積V在20 ms內(nèi)膨脹600倍、膨脹壓力達(dá)到80～270 MPa。條件①是為了滿足CO2氣體呈液態(tài)儲(chǔ)存，為激發(fā)后的急劇膨脹做功奠定基礎(chǔ)條件；滿足條件①的液態(tài)CO2在加熱裝置的作用下，滿足條件②；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液管內(nèi)壓力的急劇增大，當(dāng)壓力達(dá)到極限強(qiáng)度后，定壓剪切片破斷，低溫高壓CO2氣體作用于預(yù)裂部位，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)預(yù)裂爆破。

3）技術(shù)優(yōu)勢(shì)。CO2致裂爆破是典型的物理爆破，比傳統(tǒng)化學(xué)爆破相比存在諸多優(yōu)勢(shì)：本質(zhì)安全化，可在各種易燃易爆環(huán)境下安全使用；環(huán)保無(wú)污染，CO2氣體無(wú)毒無(wú)害，爆破過(guò)程無(wú)有毒有害氣體產(chǎn)生；地震沖擊波、震速小，無(wú)破壞性震動(dòng)和有害的高溫效應(yīng)；工藝簡(jiǎn)單、操作方便，無(wú)需驗(yàn)炮，“啞炮”處理無(wú)須耗時(shí)和特殊的安全技術(shù)措施；不屬于火工產(chǎn)品，使用時(shí)不用經(jīng)嚴(yán)格而繁瑣的審批，無(wú)須特殊工種。CO2致裂器部分參數(shù)與特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 CO2致裂器部分參數(shù)與特點(diǎn)

4.2 8222工作面CO2預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

工作面頂板存在煌斑巖不規(guī)則侵入情況，導(dǎo)致煤層上部局部松散易碎，易發(fā)生大面積集中冒頂現(xiàn)象。為防止初采期間老頂初次折斷距離過(guò)大、古塘懸板不及時(shí)垮落，設(shè)計(jì)應(yīng)用了CO2致裂技術(shù)方案破壞老頂?shù)耐暾?，使其按照預(yù)期安全垮落。

1）放煤致裂孔（編號(hào)K A1、K A2）。在兩端頭15 m范圍內(nèi)交錯(cuò)布置，如圖2所示。沿工作面傾向方向孔距3.5 m，抽放巷投影范圍以外選擇孔距7.0 m，均為大孔徑?65 mm。K A1、K A2孔的仰角、孔深見(jiàn)表2，共布置K A1、K A2孔各22個(gè)。

圖2 8222工作面頂板致裂鉆孔布置圖

表2 放煤致裂孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2）兩巷切頂致裂孔（編號(hào)K B1、K B2、K B3、K C）。沿工作面推進(jìn)方向孔距1.5m/10m，均為大孔徑?65 mm，如圖3所示。兩巷切頂致裂孔的仰角、孔深見(jiàn)表3，共布置K B1、K B2、K B3孔各8個(gè)，K C孔個(gè)數(shù)順槽長(zhǎng)度按照孔距10 m確定。

圖3 8222工作面兩巷切頂致裂孔剖面布置圖

表3 兩巷切頂致裂孔設(shè)計(jì)參數(shù)

5 效果和結(jié)論

經(jīng)過(guò)檢測(cè)，CO2致裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了老頂垮落率達(dá)到85%以上，該致裂方案實(shí)施30 min后開(kāi)切眼處瓦斯?jié)舛葹?.16%，CO2濃度為0.26%，均未超過(guò)限制。

8222工作面在開(kāi)采過(guò)程中，采用CO2致裂技術(shù)方案，有效解決了煌斑巖不規(guī)則侵入導(dǎo)致的老頂初次折斷距離過(guò)大、古塘懸板不及時(shí)垮落問(wèn)題，避免了老頂折斷距離過(guò)大引發(fā)的采空區(qū)瓦斯大面積、長(zhǎng)時(shí)間涌出難題。