新技術(shù)巖煤預(yù)裂具在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用

尹凱利 彭輝 姜云 周紅輝 羅毳

（湖北三沃力源航天科技有限公司 襄陽(yáng) 441003）

1 引言

“富煤、少油、貧氣”的資源稟賦導(dǎo)致煤炭作為我國(guó)能源的消費(fèi)主體地位長(zhǎng)期不變，我國(guó)經(jīng)濟(jì)處于發(fā)展期和能源消耗高峰期的現(xiàn)狀，決定了我國(guó)仍將長(zhǎng)期將煤炭作為一次能源消費(fèi)的主導(dǎo)能源。煤炭開采技術(shù)有煤礦許用炸藥、二氧化碳預(yù)裂爆破、高壓水預(yù)裂爆破等技術(shù)。煤礦許用炸藥有三種類型：銨梯炸藥、乳化炸藥、水膠炸藥。煤礦許用銨梯炸藥由于爆炸安全性低，生產(chǎn)過程中對(duì)人體產(chǎn)生危害，對(duì)環(huán)境造成污染是淘汰的趨勢(shì)；乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，貯存期短，也是淘汰的趨勢(shì)；水膠炸藥雖然生產(chǎn)安全性與爆炸性能好，但生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)技術(shù)難度大，不宜增加生產(chǎn)廠點(diǎn)[1]。二氧化碳預(yù)裂爆破原理是將液態(tài)二氧化碳裝滿致裂器的儲(chǔ)液管，致裂器自帶加熱裝置，短時(shí)間內(nèi)液態(tài)二氧化碳吸收大量熱量并氣化使體積急速膨脹600 倍，高壓氣體從釋放管噴出，利用瞬時(shí)產(chǎn)生的巨大推動(dòng)力，沿著煤巖體的自然裂隙或者軟弱結(jié)構(gòu)面沖破物料，從而使煤巖體破裂。缺點(diǎn)是需要對(duì)封孔器進(jìn)行專門設(shè)計(jì)防止因封孔不徹底，造成高壓氣體泄漏，使得爆破威力大大降低[2]。高壓水預(yù)裂爆破原理是高壓泵產(chǎn)生高壓水，通過鉆孔將高壓水注入煤巖體實(shí)施預(yù)裂。缺點(diǎn)是需要將鉆機(jī)、手動(dòng)泵、高壓泵運(yùn)到礦井，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；加壓過程預(yù)裂時(shí)間不少于30 min，時(shí)間長(zhǎng)[3]。本文介紹一種新型巖煤預(yù)裂技術(shù)，應(yīng)用范圍極廣，如強(qiáng)制放頂、煤層深孔預(yù)裂、巖巷掘進(jìn)等，已通過十余家煤礦的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得到了客戶的廣泛認(rèn)可。

2 巖煤預(yù)裂具工作原理

利用航天高科技?jí)嚎厥疆a(chǎn)氣技術(shù)開發(fā)的巖煤預(yù)裂技術(shù)的工作原理是啟動(dòng)器由瞬間電流激發(fā)，產(chǎn)生高熱，引燃啟動(dòng)器內(nèi)的點(diǎn)火藥，高熱量的熱能瞬間通過中孔傳輸至各預(yù)裂具，啟動(dòng)預(yù)裂具工作。在產(chǎn)氣藥的高壓下，巖煤層產(chǎn)生多條裂縫。預(yù)裂具產(chǎn)生大量燃?xì)猓細(xì)獾募虞d時(shí)間大約在幾十毫秒至數(shù)百毫秒，將裂縫延伸。當(dāng)裂縫與大氣貫通后，壓強(qiáng)急劇下降，剩余未工作的產(chǎn)氣藥停止工作。

因合理控制燃?xì)饧虞d時(shí)間，煤層與高溫燃?xì)饨佑|時(shí)間短，一氧化碳含量將得到合理控制，收集并分析巖煤預(yù)裂具反應(yīng)結(jié)束后的氣體含量，如表1。

表1 每公斤巖煤預(yù)裂具生成的氣體含量

從表1 可知，燃燒后的主要成分是：水、氮?dú)?、二氧化碳等無(wú)毒無(wú)腐蝕性無(wú)害氣體。只有非常微量的一氧化碳和氯化氫。該種巖煤預(yù)裂具煤礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)5年的情況看，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支架等設(shè)備沒有任何腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

3 巖煤預(yù)裂具實(shí)際應(yīng)用

3.1 強(qiáng)制放頂

頂板包括基本頂和直接頂，基本頂是位于直接頂之上的厚而堅(jiān)硬的巖層。常在采空區(qū)上方懸露一段時(shí)間，直到達(dá)一定面積后會(huì)垮落一次，通常由砂巖、礫巖、石灰石等堅(jiān)硬巖石的組成。為防止采空區(qū)頂板大面積垮塌，造成安全事故需要對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行預(yù)裂，弱化頂板壓力。

內(nèi)蒙古某煤礦井田工作面采高大，埋藏深，地壓高。工作面直接頂、基本頂為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖，屬于軟弱巖層，但巖層整體性好，厚度大，很容易造成大面積懸頂，回采前需在切眼內(nèi)對(duì)頂板進(jìn)行超前預(yù)裂，以防止厚層頂板大面積垮塌。對(duì)該頂板應(yīng)用巖煤預(yù)裂具預(yù)裂新技術(shù)，斷頂前工作面推進(jìn)了4.6 m；斷頂后，至21 日，推進(jìn)了4.4 m，23#－90#支架后頂板破碎，有煤矸冒落，兩順槽頂板、兩幫壓力不明顯，預(yù)裂效果顯著[4]。

應(yīng)用巖煤預(yù)裂具新技術(shù)可對(duì)地層應(yīng)力集中提前預(yù)裂弱化使得地層應(yīng)力得到均衡釋放，不會(huì)在工作面推進(jìn)過程中突然釋放，消除了產(chǎn)生垮塌和沖擊波的安全隱患。

3.2 煤層深孔預(yù)裂

煤層深孔預(yù)裂是對(duì)所開采煤層進(jìn)行超前預(yù)裂，不同于頂煤預(yù)裂，在回風(fēng)巷一側(cè)進(jìn)行打孔裝藥施工，不影響工作面正常采煤作業(yè)。主要要求是對(duì)煤層頂部及直接頂有較好的預(yù)裂效果，輔助割煤機(jī)更好的將煤層切割采出，同時(shí)調(diào)整頂板壓力，使得來(lái)壓正常，減少靠回風(fēng)巷一側(cè)大塊煤的產(chǎn)生。

榆林某煤礦3301 工作面長(zhǎng)度300 米，走向長(zhǎng)度2100 米，煤層厚度約8.5 米，采用大采高綜采技術(shù)進(jìn)行開采，在機(jī)尾一側(cè)（靠回風(fēng)巷）有約15 米范圍割煤產(chǎn)生大塊多且煤層原生裂隙少、較致密，影響割煤機(jī)正常開采效率，需對(duì)該部位進(jìn)行預(yù)裂處理。應(yīng)用巖煤預(yù)裂具后割煤機(jī)割煤速度較以往有所提升，落煤大塊減少，后續(xù)推進(jìn)到預(yù)裂區(qū)域時(shí)，割煤機(jī)割采順利，機(jī)尾側(cè)與工作面中相差不大，且落煤為塊煤，直徑＜1m，可直接進(jìn)入破碎機(jī)，煤炭成塊率高。支架上端頂板來(lái)壓明顯，為后續(xù)割煤開采起到了促進(jìn)作用，在該區(qū)域平均每天能夠多推進(jìn)一刀（約0.8～1米），生產(chǎn)效率有較明顯提升，整體壓裂效果得到了礦方的認(rèn)可。

煤層深孔預(yù)裂應(yīng)用巖煤預(yù)裂具可有效提高成塊率，還提升了生產(chǎn)效率，給煤礦帶來(lái)了巨大效益。

3.3 井下巷道掘進(jìn)巖層預(yù)裂

井下巷道掘進(jìn)對(duì)巖層預(yù)裂目前針對(duì)存在自由面的片幫擴(kuò)寬的需求，是輔助掘進(jìn)設(shè)備處理邊角的一種方法。主要要求是對(duì)片幫能夠定向預(yù)裂，預(yù)裂后的輪廓符合設(shè)計(jì)要求，預(yù)裂產(chǎn)生的石塊較小，方便轉(zhuǎn)運(yùn)和處理。

內(nèi)蒙某煤礦一掘進(jìn)區(qū)段，初期設(shè)計(jì)尺寸偏小，需對(duì)巷道進(jìn)行擴(kuò)展，長(zhǎng)和高均需擴(kuò)展0.5-0.8米，巷道底部?jī)啥吮阌跈C(jī)械化處理，在頂上與頂角片幫不便于機(jī)械施工作業(yè)，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)裂處理。

圖1是預(yù)裂后效果圖，從圖中可知試驗(yàn)后預(yù)裂區(qū)域的巖石均已垮落，且?guī)r石塊度較小，便于轉(zhuǎn)運(yùn)和處理，預(yù)裂后頂與片幫成型較好，不需要二次處理，且施工簡(jiǎn)便、效率較高，整體壓裂效果得到了礦方的認(rèn)可。

圖1 預(yù)裂后效果圖

4 巖煤預(yù)裂具新技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

巖煤預(yù)裂具第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是采用壓控技術(shù)，高壓下迅速工作，常壓下難以引燃，一旦泄壓后立即停止工作，具有安全可靠的特點(diǎn)。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)氣造縫：①產(chǎn)氣迅速，產(chǎn)氣量大，其作用形成的裂縫長(zhǎng)、范圍廣，除主要裂縫外，還形成許多網(wǎng)狀裂紋。②造縫技術(shù)對(duì)煤層無(wú)猛烈沖擊，落煤為塊煤，直徑＜1m，可直接進(jìn)入破碎機(jī)，提高成塊率。第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作效率高：①啟動(dòng)器連接爆發(fā)器，啟動(dòng)器插入產(chǎn)氣具內(nèi)，操作簡(jiǎn)單。②現(xiàn)場(chǎng)操作只需兩人（尤其有定員操作現(xiàn)場(chǎng)）。第四個(gè)特點(diǎn)是產(chǎn)物無(wú)毒無(wú)害無(wú)腐蝕：氣體主要是氮?dú)?、二氧化碳、水、無(wú)毒無(wú)害，不會(huì)腐蝕綜采設(shè)備。