超临界二氧化碳气爆致裂系统在益新煤矿直属采区的应用

摘要：益新煤矿直属采区在生产过程中利用超临界二氧化碳气爆致裂系统处理煤仓堵仓，通过液态二氧化碳受热后液态能迅速变化为气体，在发生变化的过程中，二氧化碳的体积发生几百倍膨胀，从而释放大量的能量，安全高效地处理了煤仓堵仓煤体滞留的情况，达到了预期的效果。为今后益新煤矿直属采区在防冲击、防突、防瓦斯、软帮处理悬顶、硬帮预裂工作及处理大块岩石等诸多方面应用二氧化碳气爆致裂积累了经验。

关健词：超临界；二氧化碳气爆；致裂系统；煤仓堵仓；钻具改良；效果评价

1 矿井概况

益新煤矿直属采区位于鹤岗矿区的东北部，井田中心地理坐标：东经130°18′34〞，北纬47°18′48〞。行政区划属鹤岗市向阳区管辖。距鹤岗火车站东4公里，井田北部为市区公路的西岗路，距南翼路不到1公里。

井田范围：北起19#勘探线，南至29#勘探线，深部以下所采煤层-250标高为界，浅部以30#煤层露头为界，井田南北走向平均长1.3公里，东西倾向平均宽3.14公里，面积为4.0686平方公里，开采的煤层为3、6、7-1、7-2、8-2、9-1、9-2、11、13、15、16、18号12个煤层，开采深度+50至-250米标高（矿区标高），矿井生产能力42万吨/年。矿井开拓方式为斜井多水平集中大巷分区石门布置，通风方法为压入式通风，通风方式为混合式。现开采煤层为3层、7-1层，两个综采工作面。

益新煤矿直属采区3层为开采的主力煤层，该煤层是粘结性及强的主焦煤，加之受顶板富水性的影响，形成煤体潮湿的现象，进入煤仓后，出现煤仓堵仓，煤体在煤仓中滞留的情况屡屡出现严重制约生产。面对这一难题，传统的火药爆破处理方法安全系数低，处理不当极易引起煤尘、瓦斯事故。经过对现场的实际考察研究和综合分析，从而引用了超临界二氧化碳气爆致裂系统。

2 超临界二氧化碳气爆致裂系统工作原理。

超临界二氧化碳气爆致裂系统主要是通过液态二氧化碳受热后液态能迅速变化为气体，在发生变化的过程中，二氧化碳的体积发生几百倍膨胀，从而释放大量的能量来破断岩石或落煤，解决了以往用炸药开采和预裂中破坏性大，危险性高及矿体粉碎等缺点，为矿山开采和预裂提供可靠保证，广泛适用于煤矿和非煤矿山。

3 井下施工条件和过程

益新煤矿直属采区3号煤仓位于井下三水平南部区运输石门500米处，石门宽度4.5m，高度3.0m，铺设皮带运输机，皮带宽度1.0m，煤仓深度29米，直径6.0米，支护为混凝土发碹，煤仓口为1.22*1.47m，煤仓口与石门顶板处铺设铁轨及工字钢，混凝土浇筑。

2017年9月，益新煤矿直属采区在3号煤仓做实验，超临界二氧化碳气爆致裂系统在煤仓堵仓使用时，要提前在煤仓下口附近打设好钻孔，钻孔直径要求大于50㎜。由于钻孔需要通过煤仓下口处的钢轨及工字钢与煤仓贯通，施工钻孔时很容易碰到钢轨及工字钢，所以对钻杆和钻头的要求比较高，在钻孔的施工过程中难度较大。在施工该钻孔过程中益新煤矿直属采区共制定了三套方案：

（1）采用ZY-750钻机施工、（2）采用矿用岩石电钻施工、（3）采用锚索钻机施工。

采用ZY-750钻机施工钻孔的方案受巷道条件和钻孔角度影响，在现场实施没有成功；采用矿用岩石电钻施工钻孔时，由于该钻机转速低，配套取芯钻头时，尤其遇到钢轨及工字钢时，钻孔进度特别困难，现场也没实施成功；采用锚索钻机施工该钻孔时，锚索机转速快，锚索钻杆与取芯钻头在连接处经常折断或遇到钢轨后出现钻头卡住，无法退出钻杆和钻头的情况，后经过不断研究和进一步改良，将锚索钻杆、锚索钻头、焊管、取芯钻头分别焊接处理，增加钻杆的整体强度，使其形成一個整体（图一），最终通过改良后的锚索钻杆配套取芯钻头，利用锚索钻机共计历时一个月时间，成功施工了一个直径108㎜的煤仓钻孔。（图二）

煤仓钻孔施工完毕后，在厂家教授的指导下，益新煤矿直属采区3号煤仓做了第一次实验，首先将致裂器爆破管连接套管安置于煤仓内的煤体1m深处，利用矿用本安型的小型便携式发爆器对致裂器快速加热、使液态二氧化碳瞬间膨胀产生高压，对煤仓中的煤体进行爆破，安全高效地处理了煤仓堵仓煤体滞留的情况，达到了预期的效果。

4 产生的效果

传统上在井下煤仓堵仓时，都是利用人工处理或火药进行处理，传统的火药爆破处理方法安全系数低，处理不当极易引起伤人、煤尘、瓦斯事故，且对煤仓的破坏性大；人工处理堵仓，加大了工人的劳动强度和危险性。

超临界二氧化碳气爆致裂系统主要有以下几个优点：

（1）工作时不会产生任何明火或火花；

（2）致裂后二氧化碳致裂器表面温度及产生的二氧化碳气体温度极低，并且产生大量的二氧化碳气体营造一个惰性的气体环境，从本质上杜绝了瓦斯爆炸的可能性；

（3）二氧化碳致裂器致裂威力大、抛煤量多、块大、抛出距离短，降低了工人的劳动强度，且不会造成放炮崩人事故的发生；

（4）二氧化碳致裂器致裂后，基本不扬尘，降低了煤尘爆炸的隐患；

（5）二氧化碳致裂器的致裂能力可控，通过选择不同剪切片，二氧化碳充装重量及发热装置等调节控制致裂器的工作压力；

（6）二氧化碳致裂器无炮烟，不产生有毒、有害气体，不危害职工身体健康。

（7）不需要进行验炮，爆破后变可进入，可连续作业；不存在哑炮处理困难的问题，哑炮处理安全、简单；

（8）二氧化碳致裂器具有结构简单、安全性高、工作可靠、致裂能量可控、可重复使用、操作维护简单。

5 煤矿应用

超临界二氧化碳气爆致裂系统凭借其超高的安全系数，可作为炸药的替代品，在煤矿领域有以下用途：低透气性煤层增透，提高抽采率，煤层气增产；硬顶煤综放工作面强制放顶提高放煤率，并使顶板及时充分垮落；高瓦斯及突出煤层掘进工作面快速掘进；冲击地压及强矿压煤层防冲解危；煤岩巷道掘进，工作面落煤；煤仓疏通，巷道底鼓修复；致裂大块岩（煤）体；采煤工作面上隅角瓦斯治理。

6 结束语

随着益新煤矿直属采区四水平延伸工程的进组施工，开采深度不断加深，防瓦斯、防火、防冲击等多种灾害治理工作将是我们所面临的难题，二氧化碳气爆致裂系统在处理益新煤矿煤仓堵仓中的成功应用，将为益新煤矿在今后安全爆破方面提供了原始数据，积累了经验，奠定了安全基础。在今后的工作中，益新煤矿直属采区将进一步推广该系统，逐步应用到矿井的防冲击、防突、防瓦斯的工作、软帮处理悬顶工作、硬帮预裂工作及处理大块岩石等诸多方面。

作者简介：

陈仁海（1970.7-），男，1995年6月毕业于黑龙江矿业学院采矿工程专业，本科学历，工程师，现任黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司益新煤矿副矿长。