特厚煤層液態(tài)二氧化碳相變致裂弱化頂煤技術(shù)的應(yīng)用

劉 東

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

由于我國厚及特厚煤層儲(chǔ)量豐富，綜合機(jī)械化放頂煤是厚及特厚煤層安全高效開采方法的首要選擇［1-2］。然而，針對(duì)厚煤層特大采高，煤層裂隙不發(fā)育，且煤體韌性比較好的礦井［3］，僅靠放煤時(shí)頂煤的自然垮落，支架和頂煤的相互作用力，是很難達(dá)到放頂煤的預(yù)期效果的。因此，如何有效地弱化頂煤，減少懸頂，增加頂煤下落的流動(dòng)性是提高綜合機(jī)械化放頂煤開采回收率最迫切需要解決的技術(shù)問題［4］。通常情況下會(huì)使用常規(guī)爆破致裂等見效快的方法弱化頂煤，但是爆破時(shí)致裂效果難以控制，工作面頂板管理困難，對(duì)于高瓦斯易自燃的礦井存在重大的安全隱患，容易造成自燃、瓦斯燃燒爆炸等，且巷道維護(hù)要求過高，拒爆殘爆難以處理，尤其嚴(yán)禁在工作面及采空區(qū)附近采用炸藥爆破方法處理未冒落頂煤。近年來，液態(tài)二氧化碳致裂成為煤炭行業(yè)熱門［5-6］，且致裂后工作面和采空區(qū)環(huán)境良好，為煤礦井下安全生產(chǎn)、災(zāi)害治理提供了新的思路。為此，引用了液態(tài)二氧化碳相變致裂的技術(shù)來弱化頂煤，增加頂煤的回收率。

1 液態(tài)二氧化碳致裂技術(shù)

1.1 液態(tài)二氧化碳致裂技術(shù)原理

二氧化碳在壓力大于7.35 MPa且低于31 ℃時(shí)以液態(tài)存在，而超過這一溫度時(shí)開始汽化，且隨溫度的變化壓力也不斷變化達(dá)到超臨界狀態(tài)。利用這一性質(zhì)，在致裂器主管內(nèi)充裝液態(tài)二氧化碳，使用發(fā)爆器快速激發(fā)液態(tài)二氧化碳，在40 ms 內(nèi)主管內(nèi)液態(tài)二氧化碳迅速氣化，體積瞬間膨脹600 倍［7-8］，產(chǎn)生大量高壓二氧化碳?xì)怏w，管內(nèi)壓力急劇上升，達(dá)到泄能片極限壓力后，泄能片瞬間破斷，高壓氣體由泄能頭兩側(cè)的出氣孔急速?zèng)_出，產(chǎn)生應(yīng)力波，沖擊目標(biāo)煤體，使目標(biāo)煤體開裂，達(dá)到致裂的目的，液態(tài)二氧化碳致裂器工作原理見圖1。

1.2 液態(tài)二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)

液態(tài)二氧化碳致裂器組成結(jié)構(gòu)見圖2，致裂器由主管、充氣頭（起爆頭）、排氣頭、加熱棒、爆破片、泄能片、止飛器等組成。并且在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)自行研制快速?zèng)_裝設(shè)施，確保能快速安全地充裝液態(tài)二氧化碳?xì)怏w。本次試驗(yàn)以型號(hào)為MZL250-1180/50的液態(tài)二氧化碳致裂器為研究對(duì)象，致裂器長1.5 m，外徑50 mm，泄能片極限壓力為250 MPa，致裂器主管中充裝液態(tài)二氧化碳質(zhì)量為1.5 kg，液態(tài)二氧化碳充裝壓力為10～14 MPa。

2 液態(tài)二氧化碳相變致裂弱化頂煤技術(shù)

2.1 工作面概況

胡家河煤礦401102 工作面為綜合機(jī)械化放頂煤工作面，煤層賦存穩(wěn)定且近乎水平，厚度15～26.5 m，平均厚度24 m，上分層平均可采厚度13 m，工作面屬于特厚煤層，綜采放頂煤過程中頂煤冒落塊度過大不易下落，而且頂煤呈現(xiàn)出懸臂性垮落形態(tài)，易于出現(xiàn)懸頂，嚴(yán)重影響綜放工作面的出煤率。

2.2 實(shí)施方案

液態(tài)二氧化碳致裂弱化頂煤試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在401102 工作面，試驗(yàn)區(qū)走向長度50 m，在工作面支架間施工豎直鉆孔實(shí)施致裂，在2 架之間施工1 個(gè)豎直鉆孔，鉆孔深度10 m，終孔深度距離煤層頂板約2 m。設(shè)計(jì)工作面每隔10 m 布置1 組爆破孔，則整個(gè)401102 工作面共需施工17 個(gè)爆破孔，沿走向每10 m施工1組，試驗(yàn)區(qū)共布置5組，施工85個(gè)爆破孔，工作面致裂鉆孔布置見圖3、圖4。

鉆孔底部位于煤層距采空區(qū)煤壁初定2～3 m 位置（根據(jù)工作面進(jìn)行每天2 個(gè)循環(huán)，推進(jìn)2.4 m）；鉆孔的直徑為65 或75 mm，即鉆頭為65 或75 mm；鉆桿直徑為50 mm，致裂筒直徑為50 mm。在支架上方2～3 m 高度范圍內(nèi)不采用致裂器，使用普通鉆桿，避免綜放液壓支架上方煤體跨落，形成空頂。每組鉆孔按從運(yùn)輸順槽向開切眼內(nèi)順序依次爆破。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

（1）從工作面運(yùn)輸順槽側(cè)開始，在綜采支架間分別向頂煤施工直徑為75 mm的預(yù)裂鉆孔，鉆孔以一定傾斜角度朝向采空區(qū)方向，鉆孔傾角為75°，鉆孔長度為10 m。

（2）將每節(jié)1.5 m的二氧化碳致裂器裝入鉆孔中，依次連接5根致裂器后，采用囊袋式封孔器進(jìn)行封孔，通過電源線與起爆器連接，接電預(yù)熱后進(jìn)行爆破作業(yè)。

（3）起爆后將致裂器取出，依次重復(fù)（1）、（2）步驟完成煤層頂煤致裂。

2.3 頂煤弱化實(shí)施效果分析

在401102 綜放工作面進(jìn)行為期50 d的工業(yè)性試驗(yàn)期間，將致裂前放頂煤產(chǎn)量與致裂后的進(jìn)行對(duì)比分析見圖5、圖6，頂煤回收率對(duì)比見表1。

從圖5中可以看出，在液態(tài)二氧化碳致裂前放頂煤的每天產(chǎn)量平均在0.91 萬t。在實(shí)施致裂的前10 d，放煤量呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，頂煤垮落量增多且放落的煤塊體積明顯減小；致裂后產(chǎn)量平均每天在1.08萬t。頂煤致裂前頂煤采出率平均為78.8%，經(jīng)過致裂優(yōu)化工藝后，頂煤采出率保持在85.9%，比頂板致裂之前提高了7.1%。，效果明顯。試驗(yàn)取得了良好的安全、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及統(tǒng)計(jì)可知，致裂后煤體呈相對(duì)均勻，粒度相對(duì)未爆破較小的塊狀結(jié)構(gòu)，放煤過程中煤塊呈散體流動(dòng)狀態(tài)，且流動(dòng)性良好，放煤順利，未見煤塊或矸石封堵放煤口。

3 結(jié)論

針對(duì)于胡家河煤礦401102 綜放工作面頂煤放頂情況不佳，頂煤冒落塊度過大不易下落，且易于出現(xiàn)懸頂，嚴(yán)重影響綜放工作面的出煤率的問題，試驗(yàn)應(yīng)用了高效安全的液態(tài)二氧化碳致裂技術(shù)來弱化頂煤，取得了較好的效果。得到結(jié)論如下。

（1）介紹了液態(tài)二氧化碳致裂器的結(jié)構(gòu)及工作原理，試驗(yàn)確定了液態(tài)二氧化碳致裂技術(shù)在頂煤弱化上工藝應(yīng)用，為今后該技術(shù)在處理頂煤、致裂頂板等的方面提供參考。

（2）采用液態(tài)二氧化碳致裂后，平均采煤量提高了18.6 個(gè)百分點(diǎn)，頂煤回收率比增加了7.6 個(gè)百分點(diǎn)，且致裂后煤體呈相對(duì)均勻，放煤過程中煤塊流動(dòng)性良好，放煤無堵塞現(xiàn)象，效果顯著。