二氧化碳致裂治理坚硬顶板技术应用

时间：2024-07-28

任俊高宇

（1.大同煤矿集团马脊梁矿，山西大同 037003；2.大同煤矿集团总调度室，山西大同 037003）

大同矿区煤田具有顶板坚硬的特点。随着煤炭开采深度的加大，坚硬顶板带来的灾害日益显现，具体体现在：工作面初次垮落步距和周期来压步距增大；临空巷道易发生强矿压和严重变形；工作面初采期间瓦斯超限等。传统的处理坚硬顶板的办法是采用炸药爆破强制放顶，此法虽有效但存在安全性差、污染严重、火工品管理成本高昂的弊端。因此，需提出更安全高效的方法来治理坚硬顶板，二氧化碳致裂技术处理坚硬顶板就成为其重要的发展方向。

1 工程概况

本文以塔山矿C3-5#层8218工作面为工程背景，该工作面设计长度3063m，倾向230m。工作面采高3.9m，煤层平均厚度14.97m，煤层倾角为2～5°，老顶平均厚4.5m，岩性以灰白色粗砂岩、中砂岩为主。直接顶平均厚11.8m，岩性以砂质泥岩、粉砂岩、炭质泥岩为主。工作面共布置134架ZF15000/27.5/42型支架，1台艾克夫SL500型采煤机，1部PF6/1142型前刮板机，1部PF6/1342型后刮板机，工作面采煤方法为综合机械化低位放顶煤采煤法。

2 二氧化碳致裂技术

2.1 二氧化碳致裂原理

二氧化碳由液态瞬间转化为气态，体积迅速膨胀，同时产生冲击波并放出大量能量，此原理属于物理变化过程。利用液态二氧化碳致裂坚硬顶板，比传统爆破更安全，不会产生有毒有害气体，不会产生构造性破坏，而且其运输、储存和使用获免审批等优点。在使用前，用高压泵预先在专用储液管注入液态二氧化碳，使用过程中通过接通位于储液管一端的起爆头电流，瞬间产生高温使得储液管内的二氧化碳迅速从液态转化为气态，使得储液管内压力剧增，在十几毫秒内体积迅速膨胀至原有体积的500～700倍，当压力达到预设值时，释放头内的定压剪切片被打开，二氧化碳气体迅速向外爆发，产生的强大推力瞬间可使岩层破裂，从而达到致裂效果。液态二氧化碳致裂器结构图见图1。

图1 液态二氧化碳致裂器结构示意图

2.2 超前致裂卸压孔布置

在临空超前段靠近煤柱侧巷帮依次布置致裂切顶卸压孔。由于受到工作面超前支承应力影响，钻孔时易卡钻，并且成孔后容易塌孔，影响后续作业，所以预裂作业应超前工作面80～120m完成。由于钻孔施工方位存在偏差和气态二氧化碳扩散的不确定性，为确保形成理想的切缝线和切缝效果，致裂切顶卸压段每隔24m布置一组致裂孔，每组3个致裂孔，呈扇形分布，孔径均为Φ65mm，如图2所示。

图2 预裂钻孔剖面示意图

中心孔仰角48°，孔方向垂直于巷道行进方向，指向煤柱侧巷帮，眼斜深30m（有效致裂长度约13m），垂深25m。

两侧孔与中心孔在同一平面上（即仰角也是48°），在该平面上与中心孔呈20°夹角。孔眼距离中心孔孔眼500mm，孔底眼与中心孔底眼相距8m。眼斜深32m（有效致裂长度约14m），垂深25m。在每个致裂孔使用9根二氧化碳致裂器，1个连接杆。钻孔向煤柱一侧倾斜，有两方面的考虑：一是倾斜切缝有利于顶板在自重和上位岩体作用下离断，并减小顶板切落时的阻力；二是二氧化碳致裂器集中在钻孔的直接顶、老顶段，倾斜钻孔可使致裂器在水平方向上远离巷内顶煤，减少气态二氧化碳泄放对巷内顶煤的扰动。

2.3 机道内致裂卸压孔布置

为保证机道顶板的及时垮落，计划在工作面机道支架间施工二氧化碳致裂钻孔，对顶煤进行预裂。钻孔参数：钻孔直径Φ65mm，孔深8m，间隔5个支架即8.75m，共计施工27个钻孔。每个致裂孔使用1根致裂器，5个连接杆。

2.4 致裂前检验及性能测试

安装前首先对致裂器外观及结构进行检查，一是确保致裂器无明显划痕、锈蚀及肉眼可见裂痕；二是确保泄能器结构应能使储液管内高压二氧化碳在达到泄放压力后充分泄放。其次对致裂器进行性能测试，一是试验密封性：将组装好的致裂器置于水中，观测2min，所有连接处无气泡溢出；二是检查液体二氧化碳、致裂器产品合格证；三是检查发热装置：脚线、电阻、抗震性能、安全电流、最小发火电流、静电感度等技术指标。

3 应用效果

8218工作面在进行二氧化碳致裂以前，顶板坚硬难垮落，工作面临空侧超前支护段巷道变形严重，原设计断面5.3m×3.5m变形为3.5m×1.8m，初次来压步距为35m，周期来压步距为25m。当工作面周期来压时，矿压显现强烈，永久支护损坏，支架安全阀开启，瓦斯涌出不均匀，门墩频繁。二氧化碳致裂以后，工作面实测周期来压步距在15m内，来压时矿压明显减弱，巷道支护完好，临空侧超前支护段巷道变形减小，工作面瓦斯涌出均匀。