機尾采空區頂板CO2氣相壓裂技術

康顯強

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

頂板管理對采煤工作面以及巷道的穩定有著至關重要的作用，對于機尾采空區來說，極易造成瓦斯積聚，所以頂板及時垮落對工作面安全生產至關重要。對于堅硬煤層或頂板來說，頂板自行垮落難度大，常采取人工干預的方法，切落頂板的方法有放炮、水力壓裂、CO2氣相壓裂技術等。關于CO2氣相壓裂技術，許多學者進行了相關研究。

姚再峰等[1]采用離散元數值模擬計算方法,揭示了采用CO2氣相壓裂技術弱化頂煤后,工作面出了切眼便可放煤。CO2氣相壓裂技術已經在許多礦井得到成功應用[2-7]。本文針對高河能源W1319工作面機尾采空區頂板管理難的問題，采用了CO2氣相壓裂技術。

1 工程概況

W1319工作面采用無煤柱開采方式，工作面巷道采用“兩進一回”W型布置方式，即工作面兩邊膠帶巷、進風巷進風，中間回風巷回風。工作面為東西方向布置，從東向西回采，工作面北側為W1318工作面采空區，其中進風巷為原W1318工作面沿空留巷復用巷道，進風巷和原W1318工作面采空區采用柔模混凝土墻支護頂板，隔離采空區，混凝土墻寬1.5 m。W1319工作面切眼長度334 m，膠帶巷與回風巷相距294 m，回風巷與進風巷相距35 m。三條巷道均采用錨桿+錨索網片支護。留巷高為2 m，柔模墻至排尾1號架(工作面最后一組支架)寬度約3 m，支架至柔模段范圍內采用一梁(3.2 mπ型梁)二柱的方式支護。

隨著工作面的推進，端尾頂板不能及時垮落，滯后回采約10 m，形成約10 m×3 m×3 m的空間，容易積聚高濃度瓦斯，給安全生產帶來很大的安全隱患。

2 機尾采空區頂板特征分析

1) W1319工作面煤層硬度大，頂板不易破碎。

2) 由于W1319工作面進風巷為沿空留巷，為確保巷道的穩定性，超前在進風巷對煤墻幫和頂板進行了注漿，也因此導致了機尾采空區頂板整體凝聚在一起，回采后采空區不易垮落。

3) 沿空留巷北側為W1318工作面采空區，采空區內基本頂垮落正常，但由于沿空留巷的存在，柔模墻給W1319工作面側頂板一個支點，且W1318工作面采空區垮落的煤巖對W1319工作面側頂板形成一個斜向上的支撐力，導致W1319工作面沿空留巷采空區側頂板不易垮落。

4) 機尾段上網較長，橫向和縱向空間不足，導致即使在機尾采空區頂板破碎的前提下，頂板沒有釋放壓力的空間。

3 二氧化碳氣相壓裂技術

3.1 工作原理

二氧化碳氣相壓裂技術是利用二氧化碳由液相轉換為氣相瞬間釋放的能量對周圍巖體進行破壞。二氧化碳在31 ℃以下，7.2 MPa壓力時，以液體形式存在，而超過31 ℃，不管壓力多大，液體二氧化碳瞬間膨脹為氣體，體積極速膨脹對周圍物體進行爆破。在壓裂管內用專用高壓泵充裝液體二氧化碳，使用時通過化學加熱，液態二氧化碳在20～40 ms內迅速轉換成氣態，壓力劇增沖破爆破片，高能二氧化碳氣體瞬間從壓裂管噴氣孔內爆發，對煤體進行作用，將頂煤破碎，隨回采垮落。

3.2 預裂頂板施工工藝

3.2.1 壓裂器材準備

1) 所需施工壓裂器材包括：壓裂桿、連接桿(D50 mm鉆桿)、放炮線、發爆器、電阻表，工器具等。

2) 測量壓裂桿電極電阻，阻值在1.5～2.5 Ω之間，若阻值異常，則將異常壓裂桿重新充裝。

3) 將檢測正常的壓裂器材整齊碼放在壓裂器材專用箱內，雨天壓裂桿入井時需使用遮雨布將壓裂器材專用箱進行遮蓋。

3.2.2 施工工藝

施工工序：設置警戒—氣體檢測—掛防護網、加密支護—鉆孔施工—推進壓裂桿、連接桿—單體柱戧柱支護—引發壓裂。

1) 掛防護網、加密支護。在最后一排單體柱采空區側掛一道全斷面防護網(10號鐵絲網)，網片采用對接方式，聯網間距100 mm，采用16號鐵絲雙絲三扣綁扎牢固；并于切眼后溜處網片連接，防止放炮后頂板煤體垮落涌入巷道。 并在W1319進風巷采空區側最后一排單體柱中間和靠近排尾1號架處，加設2根單體柱。

2) 鉆孔施工。在W1319進風巷后溜三角區靠采空區側第一排與第二排之間距巷幫1 000 mm處，利用鉆機以垂直頂板偏采空區方向20°(根據現場實際情況調整角度、開孔位置)，施工2個孔徑75 mm的氣相壓裂鉆孔，兩孔間距1 000 mm，孔深直至打到頂板巖石為止，具體鉆孔施工示意見圖1。

圖1 鉆孔施工示意

3) 推進壓裂桿、連接桿。鉆孔施工完畢后，壓裂人員將1根壓裂桿推入孔底，然后依次連接若干根連接桿至巷道底板位置處，連接桿桿底與巷道底板間距使用短接連接，末端用道木頂住，在道木另一側底部打設1根單體柱，并保證接頂牢固；將連接桿上拉環與單體柱把手使用鐵鏈連接、拉近。

3.3 壓裂效果分析

經過一個月的施工，每個圓班施工一次壓裂，當班或之后一個班采空區回采后均可垮落，具體施工鉆孔及垮落情況見表1。

表1 施工鉆孔及垮落情況

根據W1319工作面二氧化碳氣相壓裂應用效果可以看出，采用氣相壓裂后采空區垮落步距整體呈變小的趨勢，并可說明機尾采空區不垮落的主要原因是柔模墻給W1319工作面側頂板一個支點，二氧化碳氣相壓裂爆破切斷了頂板與支點之間的連接，采空區開始垮落。該技術有效保證采空區不漏風、不積存瓦斯，為綜采工作面安全回采提供保障。