固体产气预裂剂切顶技术在大采高工作面中的应用

臧金旺

（鄂尔多斯市营盘壕煤炭有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

1 固体产气预裂剂作用机理

导弹固体推进剂是做为火箭、导弹飞行推进的动力燃料。在导弹固体推进剂基础上改良的民用产品固体产气预裂剂可对煤（岩）进行预裂，该产品已在多个矿井应用，煤（岩）预裂效果比较明显。其作用机理是先预裂再爆轰：钻孔中的固体产气预裂剂通电点火后迅速燃烧，燃烧产生的高压气体快速充满煤岩层中的小裂隙、孔隙、微孔隙、半封闭孔隙，同时气体的高压作用还能在煤（岩）中产生新的裂隙并使孔隙、微孔隙，特别是封闭孔隙贯通；气体压力达到一定值后（通常设定20MPa）再在煤（岩）内部爆轰，从而达到破裂煤岩的目的。

固体产气预裂剂的安全性能优于现在的炸药，在常温常压下无法点燃；压力在0.3MPa以下时，即使点燃也会自动熄灭，且不会殉爆。固体产气预裂剂燃烧后产物的主要成分是水、氮气和二氧化碳等无害气体和微量的一氧化碳。产生的有害气体一氧化碳可通过采取措施减少排放和杜绝伤害。

2 切顶预裂爆破参数设计

2.1 钻孔参数切顶钻孔直径91m

m，深度35m，倾角45°（与切眼或顺槽方向的夹角）。切眼布孔33个，孔间距9m；胶运及回风顺槽各布孔5个，孔间距8m。钻孔布置如图1、图2所示：

图1 2201工作面切眼钻孔布置图

图2 两顺槽钻孔布置图

2.2 封孔参数

素水泥浆（内掺速凝剂，掺量5%）封孔，封孔深度12m。

单孔装药量：固体产气预裂剂共有三种即产气药、增强药和点火药。单孔装药量详见表1：

表1 单孔装药量

3 预裂爆破施工

3.1 钻孔施工

1）钻机型号：ZDY1900L型煤矿用履带式全液压坑道钻机，一台。

2）生产组织。三班作业，每班三人，其中钻机司机1人，其余2人负责钻杆连接及拆除并配合钻机司机。

3）施工顺序：先施工回风顺槽的5个钻孔，再施工切眼的33个钻孔，最后施工胶运顺槽5个钻孔。

4）施工工艺：钻机就位→钻孔定位→水管连接→剪金属网→第1根钻杆连接→钻进→第2根钻杆连接→钻进→…→最后一根钻杆连接→钻进→退钻杆→拆水管→清理卫生→下一钻孔。

钻孔施工自2016年1月20日开始，1月25日完成，历时6天。切眼钻孔实测图如图3所示。

图3 切眼钻孔实测图

3.2 装药

1）产气药剂准备。具体见表2：

表2 产气剂数量表

2）工具及附材准备。此次切顶准备的工具及附材有：防爆注浆泵一台、万用表1个、起爆器1个及放炮母线300米、电线（200m/卷，35卷）、水泥7吨、速凝剂250kg、快干水泥300卷、截止阀50个、注浆管300米、裁纸刀3把、透明胶带30卷、电工胶带5卷、送药杆两套、止退器100个、短管（Φ25mm，长500mm，50个）、棉纱一袋、水桶 2个、活动脚手架8副、30厚木板20块。

3）装药顺序。从上到下，按6节增强药、6节产气药、1节点火药、1节产气药、止退器、1节增强药、1节点火药、6节产气药、3节增强药、1节点火药、1节产气药、止退器的顺序依次装入钻孔中。单孔装药量103.95kg，共计43个孔，总药量4.886t。点火药的电线引出钻孔。

4）装药操作。①操作平台。利用活动脚手架搭设操作平台，每装完一个孔，整体挪移操作平台。②劳动组织。三班作业，每班人员18名，分两组作业。③操作工艺。第一个止退器上方的药剂作为第一层药柱，第一个和第二个止退器之间的药剂作为第二层药柱。操作人员把第一层药柱装完后，通过送药杆将药柱和止退器一起送到设计位置，然后进行第二层装药。不同的是，需在最后一节药柱底部绑上软管（距药柱底端100mm处开口），以利于在注浆时泄压及提示浆已注满。两层装药结束后，利用快干水泥药卷将前端包裹棉纱的注浆短管密封在炮眼口处，装上截止阀，打开截止阀门，以把钻孔中的水导出，防止药剂浸水。由于装药过程中点火导线有被蹭断的现象，所以送药过程中一定要将导线贴在药柱的上方，并且安排专人顺线。

3.3 封孔

1）封孔材料。42.5R普通硅酸盐水泥、水按水胶比3：2进行配比，加入5%的速凝剂。

2）劳动组织。三班作业，每班人员12名，一人负责开注浆泵，两人上料，两人插拔注浆管，其余人员负责材料运输及设备、操作平台挪移。

3）注浆封孔。水泥浆搅拌均匀后，通过注浆管路往钻孔内注浆。注浆量采用双控，一是通过量控，每一孔需6桶水泥浆；二是通过提前预埋的胶管有无水或空气排出进行判断，直至封满。单孔注浆结束后，关闭截止阀，拔出注浆管，然后清洗注浆泵与注浆管，转入下一钻孔注浆。

3.4 爆破作业

1）爆破顺序。逆风流分组爆破，按先回风，再切眼，最后胶运顺槽。

2）爆破分组。共分9组爆破。具体分组情况见表3。

表3 爆破分组表

3）爆破作业。严格按煤矿安全规程的要求进行爆破作业。一是回风流中所有岗点、头面停产撤人。二是专人站岗警戒，一岗双人。每一岗点设置警戒牌、栏杆或拉绳。三是有害气体检测。每一循环放炮20min后，由瓦检员检查CO等气体在允许浓度范围内，方可进入下一次放炮作业。

4 爆破效果

1）爆破现象。炮声比较大，震动比较明显；回风、切眼、胶运均有一处爆坑，爆坑直坑直径2－3m；顶板淋水增大；顶板离层，顶板离层仪前后数值对比，顶板离层达100mm；炮眼处锚网撕裂，个别注浆管蹦出。

2）爆破能量及震级。通过微震监测系统监测的数据，震级最大达到1.81级。

3）断顶效果。断顶前，工作面推进了4.6m；断顶后，至21日，推进了4.4m,23#－90#支架后顶板破碎，有煤矸冒落，两顺槽顶板、两帮压力不明显，预裂效果显著。

5 存在问题

1）CO浓度高。放炮后，通过2201回风隅角安设的CO传感器检测的数据表明，产生的CO浓度比较高，最高达到420ppm。分析原因，一是封孔不牢，个别钻孔出现冲孔现象，造成气体大量外泄；二是钻孔与锚索眼贯通，气体从锚杆眼内窜出；三是煤岩层裂隙发育，从裂隙中溢出。所以应加强封孔，保证封孔质量，成孔时应尽量避开锚索位置，加强放炮管理，严格执行停产撤人与气体检测措施。

2）封孔不牢。爆破作业过程中出现了冲孔现象，说明封孔质量存在问题，主要原因是封孔长度不够。造成封孔长度不够的因素有：一是封孔过程中杜绝停电停水现象，确保注浆一次注完；二是因裂隙较多，跑浆现象严重，造成注浆总量已到，但封孔长度未到的情况。三是优化注浆钻孔参数，降低孔间距，减少装药量，增大封孔长度；四是增大固管长度，将预埋的注浆管穿过煤层，避免因鼓管及从破碎煤层中跑浆。