工作面過斷層CO2爆破致裂技術研究

張 建

(霍州煤電集團汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600)

0 引言

目前CO2爆破致裂技術主要應用于煤層增透、增加抽放率的工業實踐。白文信等[1]針對蔣莊煤礦堅硬煤層注水難的問題，引進了CO2爆破致裂技術，提高注水滲透效率；孫可明等[2]建立了超臨界二氧化碳氣爆致裂煤體的沖擊動力學模型，揭示了粉碎區和裂隙區的破壞規律和形成機理；杜澤生等[3]提出了適合試驗礦井煤巷掘進的二氧化碳爆破技術，研制了二氧化碳爆破開采器。而無論是工作面或者巷道過斷層的時候一般采取的都是深孔炸藥爆破[4-5]。同時CO2爆破致裂技術還應用在了地鐵施工、采石、井筒施工及路基改造工程中，均取得了巨大的成就和良好的社會經濟效益[6-8]。回坡底煤礦10-109工作面回采過程中遭遇了硬巖斷層的干擾，過斷層期間推進度低、機組負荷大，影響了回采進度和回采設備的安全性。回坡底煤礦從10-109工作面回采實踐入手，采用CO2爆破致裂技術進行硬巖段松動，為工作面正常回采創造了條件。

1 工程概況

回坡底煤礦東一區10-109綜采工作面井下位于東一采區軌道巷左翼，北鄰為10-111回采工作面(正在回采)，南鄰為10-107回采工作面(未采)，西部為磊上村保安煤柱，東部為東一采區3條大巷。工作面地面位于2#風井工業廣場西北，地表為黃土梁垣地貌，溝壑眾多，無河流、泉眼等水體。地表無建筑。區域地形最高點標高+954 m，位于塬上并井下對應10-1092巷切口，最低點標高+840 m，位于工業廣場西北240 m處并井下對應10-1092開口。工作面布置示意如圖1所示。

圖1 三維數值模型圖

工作面走向長度460 m左右，傾斜長度240 m，主要開采10#煤層，屬半亮型煤，內生裂隙較發育、脆度較大，賦存穩定，平均厚度為2.65 m，屬中厚穩定煤層，厚度變異較小；煤層結構復雜，中部含0～1層夾矸，夾矸巖性為泥巖偶見炭質泥巖；本煤層容重為1.4 t/m3；煤層傾角為1°～6°。工作面頂底板情況及地質構造揭露情況見表1。

表1 煤層頂底板及地質揭露情況

2 CO2爆破致裂

2.1 CO2致裂原理

10-109綜采工作面揭露的F142正斷層推進3.2 m，該斷層H=4.6 m，影響范圍在99#～119#支架段，該段巖石為砂巖、巖性較硬，機組截割困難。為加快10-109工作面過斷層期間的推進度及減少采煤機的負荷，可對斷層巖性堅硬段先采用CO2爆破致裂方式進行松動，再用采煤機截割直接推進。

CO2爆破致裂基本原理是CO2氣體在一定高壓條件下轉化為液態，通過高壓泵將液態的CO2壓縮至致裂器內。當微電流通過電點火頭時，引起發熱藥劑產生高溫，瞬間將致裂器內液態CO2氣化，液態CO2膨脹600倍形成氣態CO2，急劇膨脹產生高壓沖擊波致泄能器打開，通過瞬間釋放高壓氣體松動巖體，達到爆破致裂圍巖的目的[9]。CO2致裂器示意如圖2所示。

1-充裝閥；2-加熱裝置；3-儲液裝置；4-密封墊；5-定壓剪切片；6-釋放管；7-止飛器圖2 二氧化碳致裂器結構

2.2 CO2爆破致裂特點[10]

采用CO2爆破致裂具有：①CO2爆破安全性能高，可靠性好—CO2本身不具有爆炸性，且有抑制爆炸燃燒的作用，爆炸致裂不會產生火花或明火，不會引起瓦斯爆炸；②CO2爆炸致裂的程度可控—可根據不同壓力的定壓剪切片安裝控制不同爆炸威力，從而達到爆破程度可控的目的；③工序操作簡單，成本較低—主要儲液裝置可重復使用，鉆孔簡單，不需要過多人員操作，整個過程僅需3工即可在短時間內完成。

3 CO2爆破方案與實施

3.1 CO2爆破致裂前準備工作

檢查：爆破工作前，對工作區域供水、通風進行檢查完善，準備鉆孔用鉆機、鉆桿、鉆頭等材料。

材料準備：爆破工作前，將防護支架、纜線、板梁等防護材料提前準備到位，在后方20 m位置整齊擺放。

機組停放：爆破施工前，工作面機組需停至距爆破位置100 m外頂板較好地段，斷電關閉工作狀態；采用防護材料將爆破段支架立柱、管線等進行保護防止巖石崩出破壞。

支護：爆破施工前，對99#～119#支架段前后20 m范圍內的采場支護進行檢查，確保頂梁接頂，護幫板貼緊煤幫，初撐力不低于25 MPa。

致裂器存放：CO2致裂器存放在距轉載機機頭100 m外干燥地方，同時定期檢查防治破壞。

3.2 CO2爆破致裂實施過程

致裂器運輸：CO2致裂器必須由綜采隊安排專人在井上庫房領取，用人工運輸方式入井(一人一根CO2致裂器)，嚴禁與其他材料混合運輸或用刮板輸送機、膠帶輸送機運送致裂器。

放炮器管理：放炮器由放炮員攜帶至10-109工作面后移交給爆破工，爆破結束后爆破工將放炮器歸還放炮員并由放炮員及時送回庫房。

打眼作業：根據現場斷層揭露巖性確定打眼和爆破位置，施工炮眼時長度每延伸10 m需增加一組打眼作業人員，每組2人。鉆眼眼深1.6 m，眼距0.8 m，排距0.8 m，上排距頂板0.5 m，下排距底板0.55 m，鉆孔與工作面煤壁成45°角，鉆孔示意如圖3所示。

圖3 炮眼布置示意圖

防護：爆破前，用廢舊皮帶對99#～119#支架段前后20 m范圍內的支架立柱、頂板在線監測分站、壓力表、纜線、管路等進行防護，同時把支架立柱捆綁嚴實，將頂板在線監測分站、壓力表放入立柱后面，在支架頂梁和工作面運輸機擋煤板上拉兩道廢舊皮帶，并利用道木把閥組、電纜全斷面覆蓋。

起爆：爆破采用CO2致裂器，MFB-200型發爆器，CO2致裂器采用正向裝管方式，分次裝管、分次起爆，一次起爆不超過2個眼。

警戒：鉆孔施工完成后，爆破前在10-109工作面設2個警戒點，第一警戒點設在10-1091巷工作刮板機機頭處，第二警戒點設在10-1092巷乳化液泵站處。爆破時要求警戒點處必須拉警戒繩并懸掛警戒牌。

氣體檢測：爆破完成后，等待15 min瓦檢員對工作面進行有毒有害氣體檢測。

瞎炮處理：出現瞎炮時，在平行該鉆眼30 cm處再打一個鉆眼，按技術操作要求安裝致裂器，然后爆破。

3.3 CO2爆破致裂安全技術措施

為確保CO2爆破致裂作業安全順利，應制定相應的安全技術措施。①爆破工作前，需采取措施對施工場進行灑水降塵，嚴禁在煤塵積聚或瓦斯超限情況下進行爆破作業；②爆破工作執行時，嚴格執行“一炮三檢”及“三人連鎖”制度；③爆破作業時警戒人員不得擅自撤離警戒，更不能私自進入警戒區；④裝CO2致裂器期間，爆破工必須嚴格遵守“兩親自，一最后”即親自裝CO2致裂器、親自聯線，最后一個撤出工作面；⑤爆破作業必須認真執行報告和聯鎖制度，嚴禁擅自爆破；⑥爆破后嚴格執行噴霧灑水防塵制度；⑦嚴禁在拒爆、殘爆眼上直接鉆孔，必須待拒爆、殘爆處理完后，方可開始打眼作業；⑧起爆后的致裂器要及時回收并用人工方式運輸出井。

4 結論

(1)CO2爆破致裂技術不同于傳統炸藥爆破，此種爆破致裂方法安全性高、操作簡單、爆破程度可控、原料簡單易得，更重要的是不會對工作面產生次生災害，是十分經濟有效的爆破致裂方法。

(2)針對回坡底煤礦10-109工作面過斷層的實際情況，對CO2過堅硬段爆破致裂情況進行了方案設計與實施并同時制定了安全技術措施，研究成果對相似條件下工作面回采或巷道掘進工作具有一定的指導意義。