王 偉

（晉能控股煤業(yè)集團燕子山礦，山西 大同 037037）

1 燕子山礦4#煤層概況

燕子山礦井田可采煤層主要為4#煤層，該煤層地質資源儲量139.01 Mt，平均厚度6.5 m，平均傾角3°，為近水平煤層。頂板主要為粗、中、粉粒砂巖，巖石膠結致密、節(jié)理裂隙率低，平均厚度為4.8 m，煤層主要特征如表1 所示。4#煤層采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤采煤法，自然垮落法管理采空區(qū)頂板，機采高度3.2 m，放煤高度為3.3 m，采放比為1:1.03，采煤工作面長度為150.5 m。由于該煤層埋深375～520 m，地壓較大，對頂板管理、巷道維護帶來一定困難。

表1 煤層主要特征表

2 CO2 預裂爆破方式簡介

2.1 系統組成

液態(tài)CO2致裂器結構如圖1，主要包括充裝閥、加熱裝置、儲液罐、密封墊、定壓減切片、釋放管、起飛器7 部分。

圖1 液態(tài)CO2 致裂器組成結構示意圖

2.2 工作原理

CO2預裂爆破作用是通過液態(tài)CO2的氣化作用體積急劇增加生產爆力。液態(tài)CO2致裂器的應用需滿足兩個條件：（1）CO2呈液態(tài)；（2）液態(tài)CO2急劇氣化。條件（1）CO2呈液態(tài)需滿足P ＞7.35 MPa 且T ＜31 ℃；條件（2）液態(tài)CO2急劇氣化需滿足致裂器液態(tài)CO2在加熱裝置的作用下，體積在20 ms 內膨脹600 倍，形成膨脹壓力80～270 MPa 的高壓切割氣體。

2.3 施工程序

激發(fā)加熱裝置→儲液罐液態(tài)CO2急劇膨脹→破壞定壓剪切片→CO2急劇釋放→低溫高壓氣體作用于預裂部位→實現預裂爆破。

2.4 應用優(yōu)勢

液態(tài)CO2預裂爆破屬于物理反應，具有壓強小、噪聲低、安全環(huán)保等諸多優(yōu)勢。液態(tài)CO2的儲運和使用，與傳統的火工材料相比，其具有安全可靠、操作簡單、地震沖擊作用小的特點，其技術參數與特點見表2。

表2 CO2 致裂器部分參數與特點

3 CO2 預裂爆破技術的應用

3.1 CO2 預裂爆破技術應用先決條件

燕子山礦應用CO2預裂爆破技術的先決條件：（1）頭尾懸頂面積＞40 m2；（2）采取斷網和退錨工藝頂板仍不垮落。燕子山礦各綜放工作面在開采過程中，當頭、尾端頭與超前支護巷道范圍內頂板完整、未及時垮落且懸頂面積＞40 m2時，首先采取反復升降支架、斷網工藝和退錨工藝處理頭尾懸板；如采取斷網和退錨工藝后，頭尾懸頂面積大于40 m2頂板仍不垮落，則采取CO2預裂爆破技術對頂板進行處理。

3.2 CO2 預裂爆破設計

燕子山礦8204 工作面頂煤疏松、易碎，采過切眼后頂煤開始由中間向兩邊垮落，隨著工作面地向前推進，頂煤能夠自行全部垮落，滿足放煤量要求。但是工作面在初采期間老頂初次折斷距離較大，為防止工作面在初采期間初次來壓步距較大造成沖擊災害，須采取措施確保初采期間老頂及時垮落，在切眼、頭尾端施工鉆孔并實施CO2預裂爆破，破壞老頂完整性，使其按期垮落。

8204 工作面設計CO2致裂孔分為切眼預裂孔（KA1、KA2）、 頭 巷 預 裂 孔（KB1、KB2、KB3）、尾巷預裂孔（KC1、KC2），共計69 個。該工作面致裂孔布置平面圖和致裂放煤孔設計參數分別如圖2 和表3。

表3 致裂放煤孔設計參數

圖2 致裂孔平面布置圖（mm）

（1）切眼預裂孔KA1 和KA2 孔沿工作面切眼方向在支架間隙之間交替布置，在兩端頭15 m范圍內，孔距3.5 m，其余位置按照孔距10.5 m 布置。KA1 孔仰角90°，孔深14.4 m，KA2 孔仰角75°，孔深15 m，孔徑均為Φ65 mm，共布置KA1 孔15 個，KA2 孔14 個。切眼預裂孔布置角度示意如圖3。

圖3 切眼預裂孔布置角度示意圖（mm）

（2）分別在順槽尾巷和順槽頭巷預布置切頂孔各4 排，排距5 m，每排3 個致裂孔，角度分別為90°、85°、80°，孔深37～38 m，孔徑均為Φ85 mm。布置角度示意如圖4（以尾巷為例）。

圖4 尾巷預裂孔剖面圖（mm）

（3）工作面切眼端頭兩側分別設計了兩個關鍵層頂板鉆孔，編號分別為KC1、KC2，其中KC2孔仰角70°，該仰角主要是模擬8210工作面垮落角。切巷端頭預裂孔剖面圖如圖5。

圖5 切巷端頭預裂孔剖面圖（mm）

3.3 致裂實踐注意事項

（1）KA 預裂孔有效致裂段裝填4 根CO2致裂器；KB 預裂孔有效致裂段裝填8 根CO2致裂器；KC 預裂孔有效致裂段裝填6 根CO2致裂器；封孔采用木楔楔入，聚氨酯封孔，輔以煤屑或黃泥孔口段。

（2）CO2致裂方案實施前，需做好工作面有害氣體CO、CH4、CO2的檢測工作，須滿足瓦斯?jié)舛龋?.5%且CO2濃度＜0.5%方可以實施。

（3）CO2致裂方案實施后，須嚴格檢測CO2氣體濃度，以防止CO2氣體超限傷人。

4 致裂效果分析

燕子山礦4#煤層8204 工作面先采取斷網和退錨工藝實施頂板垮落。該工藝在實施過程中出現頂板有效垮落且懸頂面積＞40 m2時垮落不及時的情況，因此設計應用了CO2致裂強制放頂技術。CO2致裂強制放頂技術的應用有效地解決了結砂質泥巖鈣硅質膠導致的老頂初次折斷距離過大難題，有效避免了老頂折斷距離過大引發(fā)的采空區(qū)瓦斯涌出事故。

檢測結果表明，CO2致裂技術實現了老頂垮落率達到85%以上。該致裂方案實施30 min 后，檢測開切眼處瓦斯?jié)舛葹?.16%，CO2濃度為0.26%，均未超過限制，安全可靠。

5 結論

燕子山礦4#煤層8204 工作面采用的CO2致裂強制放頂技術本質上是一種液化氣體的急劇膨脹形成的物理爆破作用，具有安全可靠、不產生爆破毒害氣體的特點，能夠適用于堅硬巖石頂板的預裂爆破初次放頂工作。

實踐效果表明：該技術能夠有效控制工作面初次放頂步距，避免了初采期間老頂集中垮落造成強礦壓顯現、瓦斯異常涌出等難題。致裂后的毒害氣體檢測結果表明，該技術不產生超標的毒害氣體，安全可行。