二氧化碳預裂爆破強制放頂技術在塔山煤礦的應用

賀 振 金

（同煤集團塔山煤礦，山西 大同 037000）

關鍵字：二氧化碳；預裂爆破；致裂鉆孔；放頂；老頂

1 8116 工作面概況

1.1 工作面簡介

8116 工作面平均走向長度1 029.2m，可采長度929m，傾向長度281m，面積28.9 萬m2，可采儲量4 66.2 萬t，回收率89.6%，可采期9.3 月，煤層厚度12.38～17.47m，平均15.55m。利用厚度6.06～16.64m，平均13.80m。對應上覆二疊系為山4 號層8307 采空區，與3～5 號層層間距為46～52m，平均49m。對應上覆侏羅系為挖金灣礦14 號煤層采空區、古窯采空區，與3～5 號層層間距394～397m，平均395m。東翼為同層小煤柱8113 采空區，間距6m。工作面的位置、相鄰關系如表1 所示。

表1 工作面位置、相鄰關系表

1.2 地質概況

8116 工作面對應上覆侏羅系為挖金灣礦14 號層采空區、古窯采空區。對應上覆二疊系為近距離山4 號層8307 采空區，層間距46～52m，平均49m。

8116 工作面煤層結構復雜，煤體結構屬構造煤、原生構造，煤層走向近似北西，傾向北。該工作面為一單斜構造，煤層傾角1°～3°、平均2°。兩順槽巷掘進施工揭露了6 條斷層，斷層落差0.20～0.30 m；5116 巷揭露了2 條正斷層，落差均為0.20 m。煤層頂板厚度8.53～14.31m、平均11.33m，抗壓強度4.0～56.9MPa、抗拉強度0.53～3.2MPa、抗剪強度0.96～6.92MPa, 屬軟-中等堅硬巖石。頂板大多由炭質泥巖、天然焦、煌斑巖組成，由于煌斑巖的不規則侵入，使煤層上部與巷道頂板呈疏松易碎狀態，給正常回采頂板管理造成隱患。

1.3 瓦斯賦存概況

8116 工作面絕對瓦斯涌出量25m3/min，相對瓦斯涌出量為1.75m3/t，其中開采層為1.0m3/t、上鄰近層及圍巖為0.75m3/t（各占一半）。上鄰近的瓦斯涌出以采空區的形式涌出，另外綜放開采導致的采空區殘留煤較多決定了部分本層瓦斯也以采空區瓦斯的形式涌出。

2 二氧化碳預裂爆破簡介

液態二氧化碳致裂屬于物理反應，不產生爆破沖擊波和爆破飛石，并且二氧化碳致裂威力大且無火花。相對于炸藥爆炸而言，該工藝更安全，震速小，并且液態二氧化碳運輸、儲存和使用無需審批，使用程序相對簡單。

儲液管內灌注液態二氧化碳，儲液管的一端安設起爆頭，電源接通后起爆頭內的活化器通過低壓保險絲致使液態二氧化碳氣化反應，二氧化碳氣化反應體積急劇膨脹，耗時20ms，體積即可膨脹600 倍，導致管內壓力劇增。起爆頭內的定壓剪切片待氣體膨脹達到預設壓力后被打開，氣態二氧化碳經過徑向孔迅速爆發，急劇膨脹氣體瞬間產生應力破裂巖石，從而達到致裂效果。二氧化碳致裂器結構示意圖如圖1 所示。

圖1 液態二氧化碳致裂器結構示意圖

3 二氧化碳致裂切頂技術應用實踐

根據塔山煤田的工作面開采經驗，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，隨著工作面的推進，正常情況下頂煤能夠自行垮落。但在開采過程中，出現過兩端頭后隅角出現采空區懸板超過10m2，采取支架前斷網、反復升支架破碎頂煤、端頭退錨等措施仍未垮落情況，考慮到8116 工作面的圍巖性質，切實存在初采期間古塘懸板老頂初次折斷距離較大的風險。為避免該風險的發生、確保初采期間古塘懸板及時垮落，在切眼采煤側施工二氧化碳致裂鉆孔，采取二氧化碳致裂爆破技術破壞其完整性，使其提前垮落。

3.1 二氧化碳致裂頂煤鉆孔布置

在8116 工作面沿煤層傾向方向施工切眼。放煤致裂孔沿工作面傾向方向布置，兩端頭15m 范圍內，孔距3.5m（2 架支架），越過高抽巷投影范圍后布置的放煤致裂孔孔距7.0m （4 架支架）；孔徑均為φ65mm，孔垂直于頂板（即仰角90°），孔深11.0m；如表2 和圖2 所示。

3.2 二氧化碳致裂關鍵層頂板鉆孔布置

沿8116 工作面傾向方向依次布置預裂切頂孔。致裂切頂孔每3 孔一組，成扇形分布，每組孔間距8.0m；孔徑均為φ95mm，孔斜深約26.0m；每一組中，孔口間距0.5m，孔底間距8.0m；3 個孔在同一平面內，角度值是47°；每一組孔和底板成75°傾角；如表3 和圖3 所示。

表2 致裂放煤孔設計參數

圖2 放煤致裂孔平面示意圖（俯視）

表3 預裂切頂孔設計參數

圖3 預裂切頂孔斷面示意圖

3.3 致裂效果分析

8116 工作面采用二氧化碳致裂強制放頂技術，有效地避免了工作面在初采期間老頂集中垮落造成了強礦壓顯現問題及瓦斯異常涌出問題。在應用期間，并未出現前期采空區懸板超過10m2，采取支架前斷網、反復升支架破碎頂煤、端頭退錨等措施仍未垮落的情況，老頂強制跨率達到85%。

4 致裂實踐注意事項

1）致裂孔每孔裝4～8 根二氧化碳致裂器。由于致裂器作用力徑向釋放，故孔口用木楔楔入，輔以煤屑或黃泥填充縫隙即可，不必特意封孔。

2）二氧化碳致裂器需要提前做好密封性試驗，將致裂器置于水中靜置觀測2min，查看連接處無氣泡溢出。

3）致裂工作面必須安裝CO 傳感器和CH4傳感器，在進行預裂前須提前檢測工作面瓦斯濃度，實施致裂爆破作業的前提條件是瓦斯濃度＜0.5%且二氧化碳濃度＜0.5%。

5 結 論

8116 工作面采用二氧化碳致裂強制放頂技術，有效地避免了工作面在初采期間老頂集中垮落造成了強礦壓顯現問題及瓦斯異常涌出問題。致裂30min 后檢測開切眼處瓦斯濃度為0.2%，二氧化碳濃度為0.3%，均未超過限制。二氧化碳致裂強制放頂不產生超標的有毒有害氣體，拋擲距離較近，達到了預期效果。