二氧化碳致裂强制放顶技术研究与应用

 二氧化碳致裂强制放顶技术研究与应用

杨化营

中煤华昱公司水泉煤业

摘  要：水泉煤业49104工作面初采初放期间为消除老塘悬顶的安全隐患，同时提高煤炭资源回收率，设计采用二氧化碳致裂方式进行强制放顶，实践应用效果理想，安全经济效益显著。有效解决了综放工作面初采初放悬顶存在的安全隐患。

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：B

1工程概况

中煤华昱水泉煤业49104回采工作面走向长度888m，倾向长度218m，煤层平均厚度5.8m，煤层平均倾角11°，上覆岩层厚度约19m，是该煤矿49101综采工作面接续采面，采用单一走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤法开采。煤层顶板岩性主要为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩。目前49104工作面初采初放期间，为消除工作面上隅角悬顶的安全隐患，同时提高煤炭资源回收率，设计采用二氧化碳致裂方式进行强制放顶，达到安全、高效目的。

2二氧化碳致裂强制放顶技术方案

2.1致裂钻孔布置

结合现场施工条件，49104工作面二氧化碳致裂主动控制方案如下。

切眼内：在49101工作面初采切眼内，沿切眼方向距回采煤壁1.0m处，从两端头处开始相向布置致裂孔。全切眼共设计14个（1#~14#）致裂孔，孔径75mm。孔（1#~14#）布置及参数如下：开孔位置位于距回采煤帮1m处，孔与孔间距7m；1#~7#孔方位为270°，8#~14#孔方位为90°；1#~14#孔倾角均为35°；1#~6#孔深30m，7#~14#孔深31.7m；深30m。。

运输顺槽内：运输顺槽端头15m范围内共计布置12个（15#~26#）致裂孔，孔径75mm，呈扇形布置。具体钻孔（15#~26#）布置及参数如下：15#~19#孔距切眼27m处，20#~23#孔距非回采帮1.5m处，24#~26#孔距切眼每隔5m施工1个孔；15#~19#孔方位分别为141、149、157、166、175°，20#~23#孔方位为180°，24#~26#孔方位为90°；15#孔倾角为33°，16#孔倾角为34°，17#~26#孔倾角均为35°；15#孔深为40m，16#孔深为38m，17#~19#孔深为37m，20#孔深为27.5m，21#~23#孔深为36.5m，24#~26#孔深为28.5m。

回风顺槽内：运输顺槽端头15m范围内共计布置11个（27#~37#）致裂孔，孔径75mm，呈扇形布置.具体钻孔（27#~37#）布置及参数如下：27#~30#孔距非回采帮1.5m处，31#~35#孔距切眼18m处，36#~37#距切眼每隔5m施工1个孔；27#~29#孔方位为180°，30#孔方位为187°，31#孔方位为200°，32#孔方位为212°，33#孔方位为222°，34#孔方位为230°，36#~37#孔方位为270°；27#~29#孔倾角为35°，30#孔倾角为31°，31#~32#孔倾角为35°，33#~34#孔倾角为34°，35#孔倾角为33°，36#~37#孔倾角为35°；27#~29#孔深为26m，30#孔深为18.5m，31#~32#孔深为26m，33#~34#孔深为28m，35#孔深为30m，36#~37#孔深为28.5m。

2.2致裂孔内致裂器组装方式

每个致裂孔装10根（规格：φ51mm*1600mm）二氧化碳致裂器。由于致裂器作用力径向释放，故孔口用木楔楔入，或聚氨酯填充缝隙即可，不必特意封孔。

2.3二氧化碳致裂工艺流程

二氧化碳致裂施工工艺流程是围绕二氧化碳致器在地面组装、液态二氧化碳灌装、检测，以及井下钻孔置入或取出二氧化碳致裂器、连接杆等附件时所需要的实施过程。二氧化碳致裂实施过程如下：

（1）二氧化碳致裂器组装、灌装及检测；

（2）井下运输，致裂器安装（根据需要组合致裂器及连接杆的数量及排列）及检测致裂前相关参数；

（3）撤人，设置警戒，并按照设计程序进行致裂施工，警戒撤人距离不小于100m；

（4）用手动葫芦、钻机或者其他稳定牢靠的设备将组装好的致裂器和接长杆固定牢固，连接致裂启动母线，进行导通试验，确保连接无误，准备致裂。

（5）通知瓦检员对巷道中瓦斯浓度进行测量，瓦斯浓度低于0.8%方可实施下一步作业；由安全员或跟班队干通知相关人员撤到警戒线以外，并有专人做好警戒工作。

（6）致裂小组工作人员进行远距离作业，启动发爆器，引发致裂器。

（7）压裂完成30min之后，由安全员、瓦检员先到施工地点，进行瓦斯浓度测试，低于0.8%，确保施工地点安全，方可通知工作人员进行下一步作业。

（8）致裂后起发器操作员、瓦检员、班队长和安检员联合进行安全检查，允许后方可进入；

（9）致裂后，致裂器储液管及附件等由推送装置取出，运送至地面；进行致裂效果评估和检验。

2.4致裂操作

（1）检测备好的二氧化碳致裂器，逐一将达标的致裂器及其配套的线路、部件边连接边送入钻孔，须轻柔地装入钻孔，不得用力冲撞；装入钻孔的致裂器要做好固定和限位。

（2）推送致裂器进入钻孔深处时，须匀速且缓慢；不得蛮力操作，防止致裂器结构形变受损，二氧化碳致裂器顺序串接时，应保证致裂器或连接杆长轴线在同一水平线内，并保证顺时针紧固，避免已推入钻孔内的致裂器、连接杆松动。

（3）致裂（爆破）开始前，根据煤矿安全规程，在与致裂地点相通的所有巷道设置警戒，撤出回风侧所有人员，撤人距离不小于100m。致裂（爆破）前，爆破母线必须扭结短路。

（4）发爆器启动后，如致裂器没有正常致裂（爆破），爆破工必须先取下发爆器上的钥匙，并将爆破母线从发爆器电源上摘下，并扭结短路。分析原因，并决定重新致裂（爆破）或拉拔撤出。

（5）致裂完成后，等待30min后，班组长、安检员、专职致裂人员、瓦检员四人共同进入致裂现场，检查通风、瓦斯、煤尘、顶板支护等情况，确认安全后，其余致裂人员拉拔撤出致裂器；同样禁止蛮力操作，须匀速且缓慢的拉拔。

3应用效果分析

选取49104工作面回风顺槽、切眼、运输顺槽部分顶板坚硬区域，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后有效控制了采空区顶垮落时间和距离。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，有益于职工的身体健康，安全经济效益显著。

4结语

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。

参考文献

[1]王朝.二氧化碳致裂强制放顶技术研究与应用[J].河南科技,2021,40(31):73-75.

[2]贺振金.二氧化碳预裂爆破强制放顶技术在塔山煤矿的应用[J].煤矿现代化,2021,30(02):122-123+126.

[3]毕铁.新景矿80124综采工作面二氧化碳预裂爆破技术探析[J].煤矿现代化,2019(06):160-161+165.

[4]任俊,高宇.二氧化碳致裂治理坚硬顶板技术应用[J].山东煤炭科技,2019(02):116-117.

[5]魏海栋.二氧化碳预裂爆破强制放顶技术在80124综采工作面中的应用[J].山东煤炭科技,2017(08):70-71+74.

作者：杨化营，中煤华昱公司水泉煤业，现从事采掘生产管理