二氧化碳爆破采掘裝備及技術(shù)研究

張永政

（新巴爾虎右旗榮達(dá)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021300）

煤炭是我國的主要能源，根據(jù)調(diào)查，我國90%的煤炭都在地表下，因此，巷道掘進(jìn)在井工開采煤礦的生產(chǎn)中占有重要地位，而巷道掘進(jìn)工程約占巷道掘進(jìn)總數(shù)的70%。本文對(duì)于具有復(fù)雜地質(zhì)條件、煤層賦存變化大、嚴(yán)重的天然氣災(zāi)害，以及煤巖性質(zhì)變化大的煤礦，提出了一種有效的二氧化碳爆破掘進(jìn)新設(shè)備和技術(shù)[1]。

1 二氧化碳爆破概述

二氧化碳爆破始于20世紀(jì)50年代，并于80年代在美國開始發(fā)展[2]。它主要用于高瓦斯礦井采煤工作面，以避免因爆破火焰引起的爆炸事故。其有著以下優(yōu)勢：①氣體比炸藥更有安全性，不屬于民爆產(chǎn)品，運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用不需要審批。②無需炸藥審批的繁瑣程序和公安部門的嚴(yán)格監(jiān)管。③爆破過程中無破壞性震動(dòng)和短波，揚(yáng)塵比例降低，對(duì)周圍環(huán)境影響不大。④復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境均可使用，煤礦及礦山領(lǐng)域。⑤二氧化碳?xì)庖撞少彛糠盅b置可重復(fù)使用。⑥多個(gè)爆破筒可同時(shí)并聯(lián)，爆破威力大，爆破后巖石個(gè)體大。

2 二氧化碳爆破掘進(jìn)試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)場地概況。試驗(yàn)場地為位于上煤層中部的某煤礦M6煤層回風(fēng)巷道，可采厚度為0.80m～3.20m，采礦層的穩(wěn)定指數(shù)接近20，0.5的變異系數(shù)，礦層頂?shù)装宀课粸槟噘|(zhì)礦物，可歸類為中等厚度礦層，依照掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，在200MPa爆破壓力作用下，使用75毫米的挖掘機(jī)進(jìn)行采掘。

（2）試點(diǎn)方案的設(shè)計(jì)。使用二氧化碳引爆技術(shù)完成回風(fēng)巷道掘進(jìn)，通過對(duì)比考察落煤塊度、拋煤距離、產(chǎn)生的有毒有害氣體量等指標(biāo)，評(píng)估二氧化碳爆炸掘進(jìn)對(duì)常規(guī)爆炸掘進(jìn)的影響。

鉆孔布置。為滿足巷道掘進(jìn)的要求，鉆孔直徑78mm，長度2.10m。由于二氧化碳爆破技術(shù)的特殊性，開孔位置要低于傳統(tǒng)的炸藥爆破位置，最下面的切削孔位于底板附近，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)咬邊。硬質(zhì)巖石切割部分需增加空輔助孔，用以創(chuàng)造自由面；在底板附近增加布置輔助孔和周邊孔，滿足底層的需求[3]。

鉆井施工工藝。為了加快試驗(yàn)過程，提高鉆井效率，采用復(fù)合鉆井技術(shù)進(jìn)行鉆孔施工。

試驗(yàn)效果考察方法：①爆破影響半徑調(diào)查。爆破后，礦體發(fā)生坍塌后二氧化碳開采器也會(huì)隨之掉落，鉆井工作面爆破區(qū)域周圍出現(xiàn)一些孔洞，出現(xiàn)這一情況工作人員應(yīng)第一時(shí)間記錄空洞形狀，進(jìn)行制圖，然后測量其幾何半徑。

爆破影響半徑調(diào)查是針對(duì)礦區(qū)不同地質(zhì)條件和開采條件開展二氧化碳開采技術(shù)的第一步，其研究為后續(xù)鉆井布置提供了重要的參數(shù)指導(dǎo)。②爆破后落煤距離調(diào)查。由于爆破鉆孔釋放的瞬時(shí)能量，不但破壞了鉆孔周圍的煤巖體，使煤巖體從原礦體中剝離，同時(shí)，由于炮孔分布、裝藥方式和起爆方式的不同，煤巖體會(huì)以不同的方式垮落在巷道的自由面上，進(jìn)行爆破后礦體的坍塌情況會(huì)對(duì)后期的清理工作與運(yùn)輸工作造成一定的影響，若礦體坍塌巖體散落太遠(yuǎn)，會(huì)給工作人員帶來一定施工難度，工作效率也大大降低，所以從爆破工作面的爆破效果可以看出爆破技術(shù)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。③環(huán)境質(zhì)量調(diào)查。爆破后，工作面會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵和煙氣，甚至有毒有害氣體。礦井巷道內(nèi)釋放出的有害氣體不僅對(duì)井下工作人員的身體健康造成影響而且工作效率也會(huì)大大降低，如果處理不當(dāng)還會(huì)出現(xiàn)人員的窒息、瓦斯爆炸、粉塵爆炸、中毒事件等等，所以，爆破后工作面環(huán)境數(shù)據(jù)是評(píng)價(jià)爆破效果的重要綜合技術(shù)指標(biāo)。④技術(shù)效果的比較研究。為了研究二氧化碳爆破開采器的爆破效果及其先進(jìn)技術(shù)，與傳統(tǒng)的炸藥爆破相比，采用拋煤距離、有毒有害氣體等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 試驗(yàn)成果及分析

（1）鉆孔影響半徑。①工作面單孔爆破形成的孔與鉆孔在工作面斷面上的相對(duì)位置存在明顯差異；②爆破鉆孔處于中間位置時(shí)，爆破孔呈現(xiàn)出規(guī)則的圓形，經(jīng)爆破沖擊后其最大的爆破孔半徑超過1米；③礦層的底板、頂板及巷道的周圍開挖爆破孔時(shí)，受礦井巷道的限制，不同位置的爆破孔無規(guī)律可尋，但爆破孔的位置也有約束測被“破壞”的共同特點(diǎn)，可以歸納為橢圓形鉆孔延伸受到阻礙；④一旦待爆破區(qū)域的地質(zhì)發(fā)生變化，礦物特性也會(huì)發(fā)生一定變化，橢圓形爆破鉆孔的延伸會(huì)受到影響，鉆孔曲線上受到一定阻礙。空洞形狀的爆破孔會(huì)引起巖體敏感，爆破效果明顯。礦體中出現(xiàn)介質(zhì)分層區(qū)域，由于非均質(zhì)性導(dǎo)致大量的爆破能量損失，其爆破效果較差。

（2）拋煤距離。單孔爆破時(shí)，拋煤距離通常為0m～2.5m，全斷面爆破距離為0m～3m，這樣的距離能更好地滿足工作面采清煤的需要。

（3）環(huán)境質(zhì)量分析。無論采用單孔爆破，還是全斷面爆破，巷道空氣中有毒有害氣體的濃度不超標(biāo)，一方面，從根本上預(yù)防了有毒有害氣體濃度引起的瓦斯爆炸、粉塵爆炸、工人窒息等事故；另一方面，改善了巷道的工作環(huán)境，有助于工人的身心健康。

（4）技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析。二氧化碳爆破在各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)炸藥爆破。可見，二氧化碳爆破技術(shù)能完全取代傳統(tǒng)的炸藥爆破技術(shù)，同時(shí)在主要技術(shù)指標(biāo)上有著顯著的優(yōu)勢。

采用二氧化碳爆破技術(shù)對(duì)1600米煤巷進(jìn)行了800次循環(huán)開采，歷時(shí)159天，平均每天144小時(shí)，平均每天10米，累計(jì)產(chǎn)煤6240噸，沒有發(fā)生事故。從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上比較了二氧化碳爆破工藝與傳統(tǒng)炸藥爆破工藝，見表1。

表1 爆破經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

由表1表明，二氧化碳爆破技術(shù)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)絕對(duì)優(yōu)于傳統(tǒng)爆破技術(shù)，其掘進(jìn)速度提高2倍～3倍，工作效率提高2.3倍，爆破綜合成本降低30%，實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全。