CO2 预裂爆破技术在初次放顶过程中的应用

王 伟

（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西 大同 037037）

1 燕子山矿4#煤层概况

燕子山矿井田可采煤层主要为4#煤层，该煤层地质资源储量139.01 Mt，平均厚度6.5 m，平均倾角3°，为近水平煤层。顶板主要为粗、中、粉粒砂岩，岩石胶结致密、节理裂隙率低，平均厚度为4.8 m，煤层主要特征如表1 所示。4#煤层采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤法，自然垮落法管理采空区顶板，机采高度3.2 m，放煤高度为3.3 m，采放比为1:1.03，采煤工作面长度为150.5 m。由于该煤层埋深375～520 m，地压较大，对顶板管理、巷道维护带来一定困难。

表1 煤层主要特征表

2 CO2 预裂爆破方式简介

2.1 系统组成

液态CO2致裂器结构如图1，主要包括充装阀、加热装置、储液罐、密封垫、定压减切片、释放管、起飞器7 部分。

图1 液态CO2 致裂器组成结构示意图

2.2 工作原理

CO2预裂爆破作用是通过液态CO2的气化作用体积急剧增加生产爆力。液态CO2致裂器的应用需满足两个条件：（1）CO2呈液态；（2）液态CO2急剧气化。条件（1）CO2呈液态需满足P ＞7.35 MPa 且T ＜31 ℃；条件（2）液态CO2急剧气化需满足致裂器液态CO2在加热装置的作用下，体积在20 ms 内膨胀600 倍，形成膨胀压力80～270 MPa 的高压切割气体。

2.3 施工程序

激发加热装置→储液罐液态CO2急剧膨胀→破坏定压剪切片→CO2急剧释放→低温高压气体作用于预裂部位→实现预裂爆破。

2.4 应用优势

液态CO2预裂爆破属于物理反应，具有压强小、噪声低、安全环保等诸多优势。液态CO2的储运和使用，与传统的火工材料相比，其具有安全可靠、操作简单、地震冲击作用小的特点，其技术参数与特点见表2。

表2 CO2 致裂器部分参数与特点

3 CO2 预裂爆破技术的应用

3.1 CO2 预裂爆破技术应用先决条件

燕子山矿应用CO2预裂爆破技术的先决条件：（1）头尾悬顶面积＞40 m2；（2）采取断网和退锚工艺顶板仍不垮落。燕子山矿各综放工作面在开采过程中，当头、尾端头与超前支护巷道范围内顶板完整、未及时垮落且悬顶面积＞40 m2时，首先采取反复升降支架、断网工艺和退锚工艺处理头尾悬板；如采取断网和退锚工艺后，头尾悬顶面积大于40 m2顶板仍不垮落，则采取CO2预裂爆破技术对顶板进行处理。

3.2 CO2 预裂爆破设计

燕子山矿8204 工作面顶煤疏松、易碎，采过切眼后顶煤开始由中间向两边垮落，随着工作面地向前推进，顶煤能够自行全部垮落，满足放煤量要求。但是工作面在初采期间老顶初次折断距离较大，为防止工作面在初采期间初次来压步距较大造成冲击灾害，须采取措施确保初采期间老顶及时垮落，在切眼、头尾端施工钻孔并实施CO2预裂爆破，破坏老顶完整性，使其按期垮落。

8204 工作面设计CO2致裂孔分为切眼预裂孔（KA1、KA2）、 头 巷 预 裂 孔（KB1、KB2、KB3）、尾巷预裂孔（KC1、KC2），共计69 个。该工作面致裂孔布置平面图和致裂放煤孔设计参数分别如图2 和表3。

表3 致裂放煤孔设计参数

图2 致裂孔平面布置图（mm）

（1）切眼预裂孔KA1 和KA2 孔沿工作面切眼方向在支架间隙之间交替布置，在两端头15 m范围内，孔距3.5 m，其余位置按照孔距10.5 m 布置。KA1 孔仰角90°，孔深14.4 m，KA2 孔仰角75°，孔深15 m，孔径均为Φ65 mm，共布置KA1 孔15 个，KA2 孔14 个。切眼预裂孔布置角度示意如图3。

图3 切眼预裂孔布置角度示意图（mm）

（2）分别在顺槽尾巷和顺槽头巷预布置切顶孔各4 排，排距5 m，每排3 个致裂孔，角度分别为90°、85°、80°，孔深37～38 m，孔径均为Φ85 mm。布置角度示意如图4（以尾巷为例）。

图4 尾巷预裂孔剖面图（mm）

（3）工作面切眼端头两侧分别设计了两个关键层顶板钻孔，编号分别为KC1、KC2，其中KC2孔仰角70°，该仰角主要是模拟8210工作面垮落角。切巷端头预裂孔剖面图如图5。

图5 切巷端头预裂孔剖面图（mm）

3.3 致裂实践注意事项

（1）KA 预裂孔有效致裂段装填4 根CO2致裂器；KB 预裂孔有效致裂段装填8 根CO2致裂器；KC 预裂孔有效致裂段装填6 根CO2致裂器；封孔采用木楔楔入，聚氨酯封孔，辅以煤屑或黄泥孔口段。

（2）CO2致裂方案实施前，需做好工作面有害气体CO、CH4、CO2的检测工作，须满足瓦斯浓度＜0.5%且CO2浓度＜0.5%方可以实施。

（3）CO2致裂方案实施后，须严格检测CO2气体浓度，以防止CO2气体超限伤人。

4 致裂效果分析

燕子山矿4#煤层8204 工作面先采取断网和退锚工艺实施顶板垮落。该工艺在实施过程中出现顶板有效垮落且悬顶面积＞40 m2时垮落不及时的情况，因此设计应用了CO2致裂强制放顶技术。CO2致裂强制放顶技术的应用有效地解决了结砂质泥岩钙硅质胶导致的老顶初次折断距离过大难题，有效避免了老顶折断距离过大引发的采空区瓦斯涌出事故。

检测结果表明，CO2致裂技术实现了老顶垮落率达到85%以上。该致裂方案实施30 min 后，检测开切眼处瓦斯浓度为0.16%，CO2浓度为0.26%，均未超过限制，安全可靠。

5 结论

燕子山矿4#煤层8204 工作面采用的CO2致裂强制放顶技术本质上是一种液化气体的急剧膨胀形成的物理爆破作用，具有安全可靠、不产生爆破毒害气体的特点，能够适用于坚硬岩石顶板的预裂爆破初次放顶工作。

实践效果表明：该技术能够有效控制工作面初次放顶步距，避免了初采期间老顶集中垮落造成强矿压显现、瓦斯异常涌出等难题。致裂后的毒害气体检测结果表明，该技术不产生超标的毒害气体，安全可行。