二氧化碳致裂器爆破技術在煤礦巷道掘進的實踐

馬海忠

(大同煤礦集團朔州朔煤王坪煤電有限責任公司，山西 懷仁 038300)

綜合機械化掘進是目前掘進工作面的主要掘進方式，但是過地質構造時，仍然需要通過爆破的方式。由于受掘進工作面作業(yè)環(huán)境條件及炸藥所固有的危險性的影響，爆破的方式成為掘進過程中的不安全因素。特別在高瓦斯和煤與瓦斯突出的礦井，傳統(tǒng)的爆破方式可能導致煤塵與瓦斯爆炸，給煤礦的安全生產帶來很大的危險[1]。近年來發(fā)展的二氧化碳爆破技術克服了傳統(tǒng)爆破技術的缺點，保證了礦山的安全高效開采。

1 303盤區(qū)2303巷概況

303盤區(qū)2303巷布置于8#煤層中，工作面標高1110～1112m。2303巷位置303盤區(qū)北部，東部為303盤區(qū)皮帶巷、303盤區(qū)軌道巷、303盤區(qū)回風巷，南部為備采工作面8301面。該巷所在煤層及其上覆巖層水文地質條件中等，最大涌水量為1.1m3/h,正常涌水量為0.1m3/h。2303巷巷道規(guī)格為3.7m×3.4m，巷道沿煤層底板掘進，頂板采用錨桿錨索鋼帶聯(lián)合支護，巷道兩幫采用錨桿皮帶條塑料網聯(lián)合支護。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

經瓦斯簽定：礦井絕對瓦斯涌出量為4.48m3/min，相對瓦斯涌出量為1.33m3/t，為低瓦斯礦井。礦井所采煤層均有煤塵爆炸危險性，均為自燃煤層，煤層自燃傾向等級為Ⅱ級，最短發(fā)火期為6個月。

2 二氧化碳致裂器

2.1 二氧化碳致裂器結構

二氧化碳致裂器主要由起爆頭、加熱裝置、主管、泄能片、密封墊、泄能頭等六部分組成。二氧化碳致裂器結構如圖1所示。

圖1 二氧化碳致裂器結構圖

2.2 工作原理

二氧化碳以液態(tài)形式存在時，要求溫度在31℃以下或者要求儲存二氧化碳時的壓力大于7.2MPa，而在溫度31℃以上時，無論二氧化碳受到的壓力多大，液態(tài)二氧化碳就會變?yōu)闅怏w，利用二氧化碳的這一物理特點[2]，用液態(tài)二氧化碳把致裂器主管充裝，利用發(fā)爆器快速加熱裝置，使液態(tài)的二氧化碳可以在一瞬間氣化膨脹并且能產生高壓，當高壓壓力值能達到泄能片極限強度值（可設定壓力）時，定壓泄能片破斷，高壓氣體從泄能頭釋放，高壓氣體作用在煤（巖）體上，從而達到爆破的目的。

2.3 爆破特點

二氧化碳致裂器爆破過程中不會產生火花、有毒有害氣體及啞炮，爆破威力及爆破方向可控，不會產生大的震動波，減少了誘發(fā)瓦斯突出的機率。

2.4 工作條件

致裂器在下列條件下應能正常工作。

（1）溫度：0℃～40℃；

（2）平均相對濕度：≤95%（＋25℃）；

（3）大氣壓力：80～106kPa；

（4）允許在有甲烷、煤塵爆炸性混合物的危險環(huán)境中使用；

（5）礦山采掘工作場所及各種需要爆破的場所。

3 二氧化碳爆破方案

3.1 炮眼布置

2303巷巷道斷面為矩形，寬3.7m，高3.4m。設計煤眼為13個，炮眼深度為2m，炮眼垂直于巷道斷面布設，其中1～5為掏槽眼，6～13為周邊眼，炮孔直徑為110mm。炮眼布置如圖2所示。

3.2 爆破器材

爆破選用MZL350-108/1950型二氧化碳致裂器。儲液管長1950mm，管徑為108mm，容積為7.2L。

3.3 爆破作業(yè)

3.3.1 組裝

（1）首先在陳列架上固定好二氧化碳致裂器儲液管，然后在二氧化碳致裂器主管中插入帶鉤的鐵絲，并將帶鉤鐵絲的一端從主管刻字的一端伸出，最后用帶鉤的鐵絲把儲液管加熱裝置的導線鉤住，拉動鐵絲使加熱裝置的導線從二氧化碳儲液管的另一端伸出。

（2）將末凸起的定壓剪切片一端朝外安裝，然后把定壓剪切片與加熱裝置的導線連接成一個整體。最后把加熱裝置拉出，從而使定壓剪切片整體固定安裝在儲液管之中。

（3）先把釋放管擰緊，再將充裝閥擰緊，最后擰緊釋放管和充裝閥。

（4）在拆裝機鉗口上放置致裂器并固定好，并把二氧化碳致裂器的充裝閥一端頭插入到拆裝機頭里，然后按照順時針的方向旋轉急停按鈕，按下啟動按鈕以便能啟動拆裝機。

（5）按住夾緊按鈕把充氣的壓力值上升到10MPa以上，然后松開夾緊按鈕，最后再按住緊固按鈕，使充氣壓力值上升至10MPa時，再放開緊固按鈕。

（6）按住松開按鈕，然后將致裂器掉頭。

（7）重復步驟（5）。

圖2 二氧化碳爆破炮眼布置圖

3.3.2 充氣

（1）把二氧化碳致裂器放在充裝臺上并對準充裝孔，把夾緊桿擰緊并使用內六角扳手把充裝閥打開。然后把致裂器所對應的球閥打開，把沒有致裂器的球閥關閉。

（2）按下充裝機上的清零鍵可使稱重儀表清零。

（3）放氣：每當?shù)谝淮纬錃馇埃鑼⒄麄€充氣管道里的氣體全部排空。排空時首先打開充裝臺上的進口球閥和出口球閥。然后按下充裝臺上的放氣按鈕，直至充裝臺上的出口球閥噴出連續(xù)不斷的白色氣體后才算排空充氣管道里的氣體，最后關閉出口球閥，完成放氣作業(yè)。

（4）洗管：首先把放氣按鈕按下，然后關閉進口球閥，最后打開出口球閥。依次按上述方式重復兩到三次，這樣就可以使二氧化碳致裂器內的二氧化碳大部分放出，然后再關閉出口球閥。

（5）充裝：把出口球閥關閉后，按下增壓按鈕，直到致裂器裝滿時機器便會自動停止充裝工作。致裂器充裝完成且機器停止工作后，使用內六角扳手把致裂器的充裝球閥關閉，然后關閉充裝的進口球閥，最后再打開出口球閥將多余氣體放出。

（6）測試密封性：分別把致裂器裝置上的充裝閥和釋放頭放置于水中，并在水下保護10s左右，沒有氣泡冒出時說明密封性良好；如有氣泡冒出時，必須將致裂器兩端的充裝閥和釋放頭重新扭緊，按上述的要求再進行一次測試密封性，直到沒有氣泡冒出合格為至。

3.3.3 放炮

（1）把致裂器插入致裂孔中，并將泄放頭DC插頭線剪斷，把兩個線纏在一起，并用絕緣膠布纏好。

（2）將所有致裂器的插頭線用導線連接好，用黃泥封孔后與FD200XS—B型晶體管發(fā)爆器連接起爆。

3.3.4 回收

（1）將回收并可再次使用的二氧化碳致裂器安裝并固定在拆裝機鉗口上，然后將致裂器的充裝閥的一頭插入到拆裝機的機頭里，按照順時針的方向擰開急停按鈕，最后按下啟動按鈕以便使拆裝機開始工作。

（2）按住夾緊按鈕從而使壓力值上升到10MPa以上，然后放開夾緊按鈕。再按住拆卸按鈕，并把拆卸按鈕旋轉一到兩圈后，最后松開拆卸按鈕。

（3）按住松開按鈕，直到最后將致裂器拆掉。

（4）重復步驟（2）。

（5）清理干凈致裂器內部的殘渣，然后就可以重復使用。

4 爆破效果

爆破后掘進工作面無火藥味及炮煙，經現(xiàn)場測定工作面二氧化碳含量與未爆破前相比無明顯的上升。一次能爆破35.14m3，與傳統(tǒng)的炸藥爆破相比，一次爆破量提高了8.11m3。二氧化碳致裂器可重復利用，爆破的成本非常低。采用該種爆破技術爆破的安全性將大大提高。