高能產(chǎn)氣預(yù)裂技術(shù)在治理沖擊地壓中的應(yīng)用

張延松，石 靜，魏祥瑞

（山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

在“碳中和”的背景下，煤炭仍然是中國的主要能源。研究表明，到2030 年，煤炭仍將占一次能源消費(fèi)的46%左右。目前，地表附近的煤炭資源正在枯竭，煤炭開采逐漸向深部開采轉(zhuǎn)變以滿足資源消耗。在中國，至少有45 座煤礦開采深度超過1 000 m，煤炭總產(chǎn)量超過9 400 萬t。近5 a 來，已開發(fā)并投入使用的1 000 m 以上新煤礦16 座。與近地表采煤相比，深部開采面臨著高初始地應(yīng)力和開采擾動(dòng)等挑戰(zhàn)，導(dǎo)致沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。沖擊地壓還可誘發(fā)煤與瓦斯突出、煤層自然發(fā)火、冒頂?shù)却紊鸀?zāi)害，造成更為嚴(yán)重的后果。煤礦沖擊地壓事故致災(zāi)機(jī)理及處理方法的調(diào)查分析表明，對未開采煤層采取預(yù)先致裂措施，可以卸除地層應(yīng)力，降低沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)外專家學(xué)者對用于增透、卸壓等的煤層致裂技術(shù)進(jìn)行了大量的理論與實(shí)踐研究。任帥等研究了超高水充填開采對沖擊地壓的防治效果，表明超高水填充開采可以降低工作面壓力，達(dá)到治理沖擊地壓的效果；陳慶國等分析了復(fù)雜工作面主要沖擊危險(xiǎn)因素，并制定了針對性的深孔爆破方案；楊光宇等采用覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，研究了高應(yīng)力區(qū)域并確定了沖擊危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)程度；張雷通過理論分析研究了爆破切頂技術(shù)，有效控制了窄煤柱巷道的變形；李雁針對千米礦井采場應(yīng)力大、工作面力學(xué)環(huán)境復(fù)雜、開采擾動(dòng)大等問題，分析了沖擊地壓的誘發(fā)機(jī)制，提出了煤塵注-爆一體的卸壓防沖技術(shù)。以上研究基本是基于炸藥深孔預(yù)裂、高壓氣體預(yù)裂及水力預(yù)裂等手段，而炸藥由于管控嚴(yán)格，大部分礦井均無法使用；高壓氣體由于設(shè)備復(fù)雜、灌裝麻煩等弊端導(dǎo)致效率低下；水力壓力由于注水壓力高，對鉆孔封孔要求也高，通常壓裂孔封孔耐壓要求40 MPa 以上，因而造成本煤層封孔非常困難，封孔成功率低。針對目前預(yù)裂技術(shù)弊端，本文提出一種新型高能產(chǎn)氣劑預(yù)裂技術(shù)，并進(jìn)行沖擊地壓防控研究。

1 概 況

南屯煤礦位于山東省鄒城市，屬于兗州煤業(yè)股份有限公司。東西長10.5 km，南北寬4.5 km，面積約43.5 km2。井田地質(zhì)儲(chǔ)量為33 019.7 萬t，可采儲(chǔ)量21 465.9 萬t。煤層為石炭二迭紀(jì)煤層，可采七層，3上、3、16上、17 層全區(qū)穩(wěn)定可采，6、15上、18上層局部可采。位于兗州向斜南翼，總體呈單斜構(gòu)造。受多種條件限制，采掘活動(dòng)主要集中在九采區(qū)深部，煤層埋藏深，傾角大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，因此存在沖擊地壓危險(xiǎn)性。

2 高能產(chǎn)氣劑預(yù)裂技術(shù)

2.1 技術(shù)機(jī)理

本文所述的高能氣體預(yù)裂爆轟致裂煤巖方法與其他爆破技術(shù)的根本區(qū)別在于對煤體作用過程的不同。深孔爆破技術(shù)和高壓氣體爆破技術(shù)都是先對煤巖進(jìn)行爆破沖擊破巖，然后爆生氣體或者高壓氣體驅(qū)動(dòng)爆破沖擊生成的裂紋向煤體深部擴(kuò)展并形成裂隙網(wǎng)絡(luò)。本文的高能產(chǎn)氣劑分兩個(gè)階段作用于煤層：第一階段高能產(chǎn)氣劑快速燃燒產(chǎn)生大量氣體，高壓氣體的準(zhǔn)靜壓作用使煤層裂隙孔隙起裂、擴(kuò)展；當(dāng)快速燃燒產(chǎn)生的高壓氣體壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入第二階段，未燃燒的高能產(chǎn)氣劑瞬間爆轟，爆轟波耦合高壓氣體共同作用，形成較大范圍的裂隙孔隙網(wǎng)絡(luò)。高能產(chǎn)氣劑由于能量釋放方式的創(chuàng)新，煤體中裂隙孔隙網(wǎng)絡(luò)的影響范圍是傳統(tǒng)預(yù)裂劑形成裂隙孔隙影響范圍的10 ～15 倍。

2.2 安全性

高能產(chǎn)氣劑在敞開空間不會(huì)爆炸，點(diǎn)燃后高能產(chǎn)氣劑快速燃燒，產(chǎn)生大量氣體，產(chǎn)生的氣體使封孔及聯(lián)通裂隙孔隙網(wǎng)絡(luò)壓力達(dá)到設(shè)定值后，剩余尚未燃燒的預(yù)裂劑瞬間爆轟，若封孔及聯(lián)通的裂隙孔隙網(wǎng)絡(luò)壓力達(dá)不到設(shè)定值，則剩余尚未燃燒的產(chǎn)氣劑不會(huì)爆轟只會(huì)快速燃燒。不存在殉爆距離。該預(yù)裂劑在常壓、常溫下無法點(diǎn)燃，燃燒溫度始終低于500 ℃（瓦斯的最低點(diǎn)燃溫度為650 ～750 ℃，煤塵為700 ～800 ℃），另外當(dāng)鉆孔中壓力小于30 kg/cm2會(huì)自動(dòng)熄滅（有時(shí)封孔效果較差、沖孔，或因煤破裂產(chǎn)生大量的縫隙與采空區(qū)等連通會(huì)有危險(xiǎn)，因此自熄功能最為重要），可實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室檢測，該藥劑感度極低，可以保證儲(chǔ)運(yùn)安全，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 感度數(shù)據(jù)Table 1 Sensitivity data

該藥劑的反應(yīng)為零氧平衡，使用后不會(huì)產(chǎn)生不完全氧化的有毒有害氣體。具體數(shù)據(jù)見表2，其燃燒后的主要?dú)怏w為H2O、N2、CO2等無毒無害氣體，只含有微量CO，無腐蝕性氣體。

表2 每千克藥劑燃燒后的氣體成分Table 2 Gas composition after combustion per kg of agent

2.3 施工流程

裝置由高能產(chǎn)氣劑和啟動(dòng)器C 組成。根據(jù)燃速、產(chǎn)氣量和總能量的不同分為兩個(gè)系列產(chǎn)品，主要編號(hào)有高能產(chǎn)氣劑A 和高能產(chǎn)氣劑B。主要規(guī)格有φ30 mm×300 mm、φ41 mm×400 mm、φ41 mm×900 mm、φ50 mm×900 mm、φ76 mm×900 mm。高能產(chǎn)氣劑的應(yīng)用操作主要有裝配、裝填和點(diǎn)燃3 個(gè)步驟，簡便快捷，安全可靠。其主要操作步驟及方法如下。

2.3.1 高能產(chǎn)氣劑的裝配

高能產(chǎn)氣劑外包裝為紙質(zhì)材質(zhì)，并有填塞啟動(dòng)器的中心孔，啟動(dòng)器為高能產(chǎn)氣劑專用啟動(dòng)藥劑。主要以高錳酸鉀原料為主的復(fù)合含能粉體，起爆電壓0.5 V。高能產(chǎn)氣劑裝配材料由單支高能產(chǎn)氣劑、單支啟動(dòng)器、腳線和膠帶等組成，如圖1 所示。

圖1 高能產(chǎn)氣劑裝配示意Fig.1 Assembly of high energy gas generating agent

其裝配步驟簡便，主要分為兩步：將啟動(dòng)器延長腳線加長，延伸至適合長度，一般長度為孔深與孔間距之和，并將連接好的腳線一端進(jìn)行短接處理；將啟動(dòng)器插入高能產(chǎn)氣劑中心孔，為保證啟動(dòng)器穩(wěn)固，且在裝藥過程避免腳線與巖石直接硬摩擦，最后在高能產(chǎn)氣劑中心孔外用膠帶纏繞。

2.3.2 高能產(chǎn)氣劑的裝填

圖2為高能產(chǎn)氣劑的裝填過程，主要分為3步。①含托盤的送藥桿將高能產(chǎn)氣劑送入孔底，然后采用專用封孔泵將封孔材料（水泥與速凝劑重量為2∶1，混合均勻） 注漿封孔，孔口處利用緊固塞進(jìn)行固定，以防封孔材料倒流；②封孔完畢后等待20 ～30 min，以保證封孔材料在預(yù)裂孔內(nèi)充分固化；③采用起爆器啟動(dòng)高能產(chǎn)氣劑。

圖2 高能產(chǎn)氣劑裝填示意Fig.2 Filling of high energy gas generating agent

3 現(xiàn)場實(shí)踐與效果分析

3.1 方案布置

不同位置預(yù)裂孔施工參數(shù)如圖3 所示。距停采線15 m 打第一個(gè)水平炮孔，預(yù)裂孔1 號(hào)～6 號(hào)直徑為65 mm，深度70 m，孔間距10 m。預(yù)裂孔6號(hào)與7 號(hào)孔間距15 m，預(yù)裂孔7 號(hào)與8 號(hào)直徑為90 mm，深度25 m，孔間距15 m。所有預(yù)裂孔在水平方向與煤層夾角均為80°。裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示，鉆孔裝藥參數(shù)見表3。

圖3 施工方案Fig.3 Construction scheme

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Charge structure

表3 鉆孔裝藥參數(shù)Table 3 Drilling charge parameters

3.2 沖擊地壓防治效果考察

3.2.1 微震監(jiān)測方案

對于93下09 工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)監(jiān)測，可采用微震監(jiān)測、應(yīng)力在線監(jiān)測、鉆屑法監(jiān)測等方法綜合進(jìn)行。南屯煤礦93下09 軌道順槽共布置2 臺(tái)采集儀、4 個(gè)傳感器，其中每臺(tái)采集儀配備2 個(gè)傳感器，在預(yù)裂孔2、3、4 之間布置微震1，在預(yù)裂孔6、7、8 之間布置微震2，傳感器間距20 m，如圖5 所示。

圖5 微震傳感器布設(shè)方案Fig.5 Layout scheme of microseismic sensor

試驗(yàn)前10 d，微震系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示微震能量在1.0×104J 以下，日累計(jì)能量釋放量較低，誘沖危險(xiǎn)不大。試驗(yàn)后10 d，微震系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示微震能量在1.0×104J 以下，比試驗(yàn)前微震數(shù)據(jù)略低，說明該預(yù)裂技術(shù)能有效降低沖擊地壓危險(xiǎn)性。

3.2.2 鉆孔應(yīng)力在線監(jiān)測

目前南屯煤礦正在使用KJ743 煤礦沖擊地壓無線監(jiān)測系統(tǒng)，在中等危險(xiǎn)區(qū)采用該系統(tǒng)對93下09工作面的采動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測方案如圖6所示。在預(yù)裂試驗(yàn)孔布置區(qū)域布置采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)1 號(hào)～6 號(hào)，監(jiān)測點(diǎn)間距為25～30 m，每點(diǎn)布置2個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，間距1～3 m，鉆孔深度分別為8m和14 m。用以監(jiān)測工作面回采過程中的采動(dòng)應(yīng)力變化。

圖6 工作面采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測方案Fig.6 Monitoring scheme of mining stress in face

試驗(yàn)前后應(yīng)力在線監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)值見表4。

表4 試驗(yàn)前后應(yīng)力在線監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)值Table 4 Stress on-line monitoring data before and after test

試驗(yàn)前應(yīng)力在線傳感器的平均讀數(shù)為7.05 MPa、8.08 MPa，試驗(yàn)后應(yīng)力在線傳感器的平均讀數(shù)為5.15 MPa、6.13 MPa，試驗(yàn)前后煤層壓力出現(xiàn)明顯下降。通過高能產(chǎn)氣劑預(yù)裂技術(shù)，降低了煤層壓力，對沖擊地壓的防治起到了良好的效果。

3.2.3 鉆屑法監(jiān)測檢驗(yàn)

鉆屑法可配合微震監(jiān)測法對試驗(yàn)巷道進(jìn)行進(jìn)一步重點(diǎn)監(jiān)測，以確定煤體中的應(yīng)力狀態(tài)和沖擊地壓危害的危險(xiǎn)程度。

（1） 鉆屑法實(shí)施方案。

檢測地點(diǎn)在93下09 軌道順槽，孔深10 m，孔距底板1.2 m，鉆孔直徑42 mm，間距不大于20 m；單排布置，鉆孔方向與煤壁垂直，平行煤層。

檢測每米鉆孔的鉆屑量，單位kg。采用壓風(fēng)動(dòng)力鉆打孔，采用螺紋式聯(lián)接的麻花鉆桿，每節(jié)長1.0 m，φ42 mm 的鉆頭。用膠結(jié)袋收集鉆出的煤粉，每鉆進(jìn)1 m，用測力計(jì)稱量煤粉的重量。試驗(yàn)前后在8 個(gè)預(yù)裂試驗(yàn)孔周圍分別布置9 個(gè)鉆屑孔，測量試驗(yàn)前后的鉆屑量。布置方案如圖7 所示。

圖7 回采工作面鉆屑法監(jiān)測孔布置平面Fig.7 The hole layout of drilling cuttings monitoring in mining face

（2） 試驗(yàn)前后鉆屑量對比分析。

取防沖試驗(yàn)孔7 號(hào)和8 號(hào)周圍的鉆屑監(jiān)測孔7號(hào)和8 號(hào)的鉆屑數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)前后孔鉆屑法監(jiān)測數(shù)值Fig.8 Monitoring value of hole drilling cuttings method before and after the test

根據(jù)鉆屑法監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)裂后鉆屑量比預(yù)裂前鉆屑量有明顯下降，說明預(yù)裂試驗(yàn)?zāi)苡行Ы档兔簩訅毫Γ芷鸬胶芎玫姆罌_作用。

4 結(jié) 論

（1） 引入一種基于新型高能產(chǎn)氣劑的預(yù)裂技術(shù)，該藥劑在敞開空間不易爆炸，實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全，并在南屯煤礦形成一套基于高能產(chǎn)氣劑的沖擊地壓防控工藝。

（2） 對比預(yù)裂試驗(yàn)前后微震監(jiān)測、應(yīng)力在線監(jiān)測、鉆屑法監(jiān)測3 種方法，93下09 工作面采取高能產(chǎn)氣劑預(yù)裂技術(shù)后，礦震發(fā)生頻率和能量級(jí)別有效控制，并降低煤層壓力，起到很好的防沖效果，這對類似工作面沖擊地壓防控具有一定的參考價(jià)值。