王朝

摘 要：煤矿在我国经济高速发展中起着重要作用，但是在生产中时常出现安全事故。近年来，顶板事故频出，在采掘作业中遇到坚硬顶板时，顶板悬顶面积大，易造成人员伤亡。鉴于此类情况，为达到安全高效生产的目的，针对赤峪煤矿C1203回采工作面回风巷开展了二氧化碳致裂强制放顶技术研究，以有效解决高瓦斯矿井采空区悬顶面积大的问题，为类似矿井提供借鉴。

关键词：二氧化碳;致裂器;强制放顶;安全生产

中图分类号：TD712.6 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）31-0073-03

Research and Application of Forced Roofing Technology by

Carbon Dioxide Fracturing

WANG Zhao

（Chiyu Coal Mine of Shanxi Jindi Coal and Coke Co.， Ltd.， Lvliang Shanxi 032100）

Abstract： Coal mines play an important role in the rapid economic development of China， but safety accidents often occur in production. In recent years， roof accidents have occurred frequently， when a hard roof is encountered in mining operations， the suspended roof area of the roof is large， which is likely to cause casualties. In view of this situation， in order to achieve the purpose of safe and efficient production， the research on the forced roofing technology of carbon dioxide fracturing has been carried out for the return airway of the C1203 working face in Chiyu Coal Mine， Effectively solving the problem of large suspended roof area in the goaf area of high gas mines， and providing a reliable reference for similar mines.

Keywords： carbon dioxide; cracker; forced roofing; safe production

二氧化碳爆破技术始于20世纪50年代，20世纪80年代开始在美国发展，主要目的是避免因炸药爆破产生的火焰引起爆炸事故。随着科技的发展，国内二氧化碳爆破技术成功应用于高瓦斯矿井，尤其是在顶板和瓦斯治理方面[1-2]。以赤峪煤矿C1203工作面为研究背景，随着回采工作面的推进，顶板大面积悬顶，不易于顶板垮落，对顶板安全载荷形成了巨大冲击，造成瓦斯事故治理困难。基于此，在该工作面进行了二氧化碳预裂强制放顶等相关研究。

1 工作面情况分析

赤峪煤矿为高瓦斯矿井，主采2号煤层，平均煤厚为1.8 m。2号煤老顶为中细粒砂岩，厚度保持在0～20 m，整体性较好，2号煤层的上覆砂岩层厚度大，质地坚硬。煤层伪顶为深灰-黑灰色泥岩、粉砂岩;煤层直接顶为炭质泥岩和浅灰色中砂岩，呈中厚层状，局部以粗砂岩大型交错层理为主;煤层老顶为细砂岩，表现为浅灰色、白色，呈中厚层状。C1203工作面位于中央一采区南翼中部，该工作面沿2号煤层倾斜方向布置。在回采过程中，顶板围岩性质坚硬，容易造成采空区悬顶面积大、瓦斯高等危险条件，严重威胁着生产安全。

以往采用的煤矿许用三级乳化炸藥爆破方式，存在拒爆（残爆）、伤人的危险。放炮后会产生大量扬尘和有毒有害气体，甚至会引起瓦斯事故。鉴于这种情况，从理论方面研究气相切顶卸压技术的可行性，结合本矿的实际地质条件，为二氧化碳致裂强制放顶技术研究与应用提供依据，解决高瓦斯工作面强制放顶的问题，保障矿井的安全生产。

2 二氧化碳致裂强制放顶技术理论分析

2.1 爆炸原理

二氧化碳致裂爆破是一种气相压裂技术，是近几年兴起的一项爆破新技术，多用于高瓦斯低透煤层的增透。其原理是利用高能气体瞬间作用对煤（岩）体产生剪切破坏以及沿钻孔轴线的劈裂破坏，从而切断煤（岩）体。

二氧化碳气体本身没有爆炸性，并且具有抑制爆炸和燃烧的作用。在温度为31.1 ℃以下，压强为7.2 MPa时，二氧化碳以液体形态存在。1.0 kg液态二氧化碳吸收60 kJ的热能就能转化为气体。当温度达到31.1 ℃时，只要热量充足，无论压力多大，液态二氧化碳将全部气化。通过对二氧化碳的物理特性进行试验，研究利用二氧化碳快速气化的特性，通过瞬时加热，使二氧化碳在容器中瞬间气化，体积膨胀600倍并释放，瞬间产生强大的膨胀作用力破碎坚硬顶板岩层，从而达到强制放顶的效果。

2.2 二氧化碳致裂器基本结构

二氧化碳致裂器属于物理爆破设备，本文选用的致裂器各部分构成如图1所示。 起爆头是充装液态二氧化碳的主管开关，密封性较好，采用接触性密封。发热管是为主管内的液态二氧化碳提供热能的装置，起到引燃发热、传递热能的作用。发热材料由化工原料制成的固体粉末化学剂组成，在一定温度下发生化学反应，产生很高的气体温度。主管是储存液态二氧化碳的装置，采用耐高压、耐高温材料制成，耐高压程度至少为300 MPa，耐高温程度至少为1 800 ℃。密封垫在储液管与定向剪切片之间，使之内外部联系，是起密封作用的材料。卸能片是控制卸能压力的零件，通过不同规格的剪切片控制，可得到不同的释放压力。卸能头是指主管气体压力造成定压剪切片破裂，高压气体从管中喷射出来的部件。钻眼机具采用锚杆钻机，使用Φ42 mm金刚石复合片（PDC）锚杆钻头和2根Φ42 mm螺旋钻杆，配合B19锚杆钻进至终孔（需配Φ42 mm锚杆钻头与Φ42 mm螺旋钻杆接合器、Φ42 mm螺旋钻杆与B19锚杆钻杆接合器）。采用Φ63 mm PDC钻头和2根Φ63 mm螺旋钻杆，配合B19锚杆钻杆扩孔至终孔（需配Φ6 mm钻头与Φ63 mm螺旋钻杆接合器、Φ63 mm螺旋钻杆与B19锚杆钻杆接合器），或采用气腿式凿岩机、Φ63 mm钻头直接钻孔。钻孔完成后，采用Φ51 mm薄壁钢管（2 m×4根）试装（接头处采用螺纹连接），以保证致裂器可以安装到孔底。

预裂爆破器材有爆破器、拉拔杆、万用表、专用放炮器、放炮线。封孔采用楔形木楔，每孔不低于4个。

2.3 爆破特点

爆破特点主要体现在易于操作、安全性高。二氧化碳致裂器使用过程便于人员操作，器件可循环往复使用。二氧化碳致裂器能力可控，可选择不同的剪切片、充装质量及发热装置等调节工作压力。二氧化碳气体本身没有爆炸性，具有抑制爆炸和燃烧的作用，从本质上杜绝了瓦斯爆炸的可能性。该技术适用于高瓦斯矿井的采掘工作面，这也是赤峪煤矿选择使用它的原因。

3 具体应用及效果

3.1 切顶孔布置

研究工作面巷道气相切顶卸压技术的可行性，针对具体地质赋存条件及现状进行现场调研，收集相关材料，采用岩层钻孔探测仪对围岩状态现场测试，掌握其赋存条件。

为确定预裂孔深度、二氧化碳预制量等参数，针对预裂区域围岩物理力学参数进行测试。一是围岩的物理性质测试，对巷道前方围岩及工作面局部顶煤的视密度、真密度等进行测定;二是围岩的力学性质测试，对巷道前方围岩及工作面局部顶煤单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内摩擦角等指标进行测定。

观测顶板裂隙的产生效果以及之后的发育情况，收集现场试验前后的测试数据，分析试验区域顶板预裂前后赋存特征和压力变化;研究二氧化碳致裂技术条件下试验段顶板压力弱化和转移的演化规律。

通过一系列调研，借鉴先进的经验和成果，收集相关资料[3-4]，为有效实现回采工作面顶部围岩的弱化，制订以下方案。

随着回采工作面不断推进，选取围岩较硬、不易于垮落的局部地段致裂布置切顶孔。切顶孔在C1203工作面回风巷中心线及距离巷道回采侧处施工（与铅垂线方向的夹角为15°）。每组切顶孔间距为5 000 mm（根据围岩性质变化），每组施工两个钻孔，即B型孔、C型孔。B型孔和C型孔剖面、平面（开孔）如图2、图3所示。

B型孔布置在回风巷中心线，向工作面采空区（上隅角）方向倾斜15°，孔深7.5 m，与下排孔间距5 m。C型孔布置在回风巷内，靠近煤壁可采侧顶部，沿B型孔外移，向工作面方向倾斜15°，孔深9 m，与前排孔距5 m。

3.2 爆破工艺

二氧化碳爆破施工工艺流程如下：在地面组装二氧化碳致裂器，液态二氧化碳灌装、检测，井下钻孔，置入或取出二氧化碳爆破器材及附件[5]。下面分析致裂器串联方案。

一是在B型孔内布置3根直径51 mm的二氧化碳致裂器，配合C型孔对巷道老顶进行致裂，每根致裂器长1.6 m。通过连接杆、封孔器、连接线，安全启爆。B型致裂钻孔有效长度如图4所示。二是在C型孔内布置4根直径51 mm的二氧化碳致裂器，配合B型孔对巷道老顶进行致裂，每根致裂器长1.6 m。通过连接杆、封孔器、连接线，安全启爆。C型致裂钻孔有效长度如图5所示。

3.3 应用效果

选取C1203工作面风巷部分顶板坚硬区域，成功完成了二氧化碳致裂强制放顶技术试验。二氧化碳致裂强制放顶试验前后的效果对比如表1所示。从表1可以看出，二氧化碳致裂强制放顶有效控制了采空区顶垮落时间和距离，虽然降低采空区瓦斯浓度的效果不太明显，但可以避免火花和炮烟的产生，杜绝瓦斯事故的发生。同时，二氧化碳爆破后无炮烟，不产生一氧化碳及氮氧化物等有毒气体，能够较好地改善工作环境，有益于矿工身体健康。

4 結语

二氧化碳致裂强制放顶可以有效地控制采空区顶板垮落时间和距离，从而避免顶板冒落伤人事故，提高了煤矿施工安全系数。二氧化碳强制放顶技术安全快捷，有助于采空区顶板及时垮落，上隅角得到有效填充，利于瓦斯抽采，采空区瓦斯浓度和回风瓦斯浓度也相对降低。

参考文献：

[1]张胜强.我国煤矿事故致因理论及预防对策研究[D].杭州：浙江大学，2004：6-7.

[2]黄园月，尹岚岚，倪昊，等.二氧化碳致裂器研制与应用[J].煤炭技术，2015（8）：123-124.

[3]聂政.二氧化碳炮爆破在煤矿的应用[J].煤炭技术，2007（8）：62-63.

[4]周彦杰.二氧化碳炮爆破技术在煤矿开采中的运用[J].内蒙古煤炭经济，2014（4）：99.

[5]崔旭芳，杨艳军，史沁彬，等.综放初采顶板预裂爆破技术应用[J].煤，2012（6）：18-20.