孫 陽

0 引言

我國煤礦90%為長壁留煤柱開采，開采巖層斷裂移動引起力學疊加和擾動，破壞頂板和形成集中應力，是造成冒頂、瓦斯突出、火災等自然災害加劇的根本力學因素。據(jù)統(tǒng)計我國頂板及煤與瓦斯突出占煤礦各類事故死亡人數(shù)65%，為事故之首[1]。

大同煤礦集團忻州窯礦目前主采侏羅系煤層，在井下生產(chǎn)過程中，東二、東三盤區(qū)工作面鄰空開采礦壓顯現(xiàn)情況十分嚴重，尤其是東三盤區(qū)14-3#層8308工作面5308巷礦壓顯現(xiàn)問題最為突出。5308巷超前工作面100 m范圍內(nèi)巷道頂板下沉嚴重，兩幫移近及底鼓現(xiàn)象明顯，錨桿、錨索、鋼帶發(fā)生斷裂，常有礦壓應力集中突然釋放事件發(fā)生。如何高效安全處理鄰空開采礦壓顯現(xiàn)嚴重問題成了當務之急。

液態(tài)二氧化碳致裂器是利用液態(tài)二氧化碳受熱時迅速氣化膨脹并釋放足夠的爆破能量，造成巖體或煤體破裂。二氧化碳致裂技術始于20世紀50年代，具有無火花、安全的優(yōu)勢，目前已推廣至巖石、混凝土和其它物質(zhì)的快速安全爆破，另外還廣泛應用于鋼鐵、水泥等行業(yè)（如料倉、管道出現(xiàn)堵塞時，進行爆破排堵）[2-3]。

為解決8308工作面5308巷礦壓顯現(xiàn)問題，通過現(xiàn)場調(diào)研和分析論證，擬采用二氧化碳氣相致裂技術。在14-3#8308工作面5308巷鄰空煤柱一側的直接頂和老頂內(nèi)實施二氧化碳爆破，切裂隔斷工作面及其鄰空巷上覆直接頂、老頂與采空區(qū)側巖體的力學聯(lián)系，使其在工作面推進后在支架后方能夠快速切落。從而減小鄰空巷所承受的二次采動超前壓力影響時間、影響范圍和壓力峰值，大大減輕工作面采空區(qū)懸梁形成的殘余支承壓力復合作用影響，有效維護巷道穩(wěn)定。

1 工作面概況及特征

1.1 概況

14-3#層8308工作面采用兩巷布置，其中2308巷為工作面皮帶進風巷，5308巷為工作面回風巷，兼作工作面物料運輸。工作面走向長1 324.6 m，傾斜長131.3 m，面積107 613.5 m2，東27 m為正在掘進的8306工作面；西16.4 m為2016年回采結束的14-3#層8310采空區(qū)。

1.2 特征

工作面屬近水平厚煤層，平均4.4 m，煤層呈單一背斜結構復雜，傾角1°～7°，平均3°。局部賦存1～2層的夾石。

2308巷矩形斷面，規(guī)格：5.4 m×3.5 m，錨桿與鋼帶、錨索、掛金屬菱形網(wǎng)聯(lián)合支護；超前支護25 m范圍內(nèi)采用單體柱佩戴π型鋼梁的“三梁三柱”支護方式。

5308巷為矩形斷面，規(guī)格：5 m×4 m（寬×高），錨桿與鋼帶、錨索、掛金屬菱形網(wǎng)聯(lián)合支護；超前支護50 m范圍內(nèi)采用單體柱佩戴π型鋼梁“一梁三柱”的支護方式。

1.3 工作面頂?shù)装逄卣?/h3>

8308工作面頂、底板巖性特征見柱狀22頁圖1。

圖1 柱狀

2 開采方法及主要裝備

本工作面采用長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤方法，自然垮落法結合人工處理采空區(qū)頂板；斜切進刀，雙向割煤，循環(huán)進度800 mm，采高4.11 m～5.3 m。工作面配套選用MG800/2000-GWD型雙滾筒采煤機，ZZ13000/2.8/6.0A型液壓支架，SGZ1000/1400型刮板輸送機。

3 二氧化碳致裂卸壓技術方案

3.1 二氧化碳致裂技術介紹

二氧化碳致裂器由充裝閥、激發(fā)裝置、儲液管、密封墊、定壓剪切片、釋放管等六部分組成(圖2)。能滿足100 MPa～200 MPa不同爆破壓力和各種工況條件下應用。有別于傳統(tǒng)炸藥，二氧化碳致裂器不產(chǎn)生沖擊波、明火、熱源和因化學反應而產(chǎn)生的各種有毒有害氣體。應用證明，二氧化碳致裂器作為一種物理爆破設備，具有安全性能高、性能穩(wěn)定、操作簡便的特點。

3.2 致裂器的型號選擇

根據(jù)8308工作面特征、頂板巖性和地質(zhì)條件（煤巖性、老頂位置等）確定選用MZL200—51/1400型致裂器（MZL—二氧化碳致裂器；200—釋放壓力；51—儲液管直徑；1400—儲液管長度）

圖2 二氧化碳致裂器結構示意

3.3 二氧化碳致裂鉆孔布置

針對工作面鄰空巷道應力集中礦壓顯現(xiàn)嚴重的情況，采用二氧化碳致裂技術對8308工作面5308巷鄰空側頂板進行預裂處理。由于5308巷鄰空側煤柱寬度為16.4 m，8310工作面開采時對已掘成巷的5308巷形成一次采動影響，因此二氧化碳致裂方案選擇在鄰空一側。設計5308巷1 000 m～940 m范圍為預裂段，按8308工作面回采方向依次布置致裂孔（布置見圖3）。

圖3 8308工作面5308巷致裂孔布置平面示意

致裂段孔位置布在5308巷鄰空側頂板肩角部，間距6 m，孔深16.5 m，孔直徑56 mm，傾角90°，安全保護距離4 m，致裂有效影響半徑3 m，孔內(nèi)4 m以上為致裂帶，直至切斷老頂。詳見圖4。

圖4 致裂器在孔內(nèi)致裂示意

為了保證施工過程的安全，致裂前在做好警戒工作的同時，施工地點300 m范圍內(nèi)無人員之后方可進行致裂。致裂后及時將孔內(nèi)致裂器回收，在致裂器從孔內(nèi)退出的過程中，要有序進行，防止致裂器滑出傷人，確保安全。

4 二氧化碳致裂效果分析

4.1 二氧化碳致裂參數(shù)記錄

根據(jù)二氧化碳致裂技術要求，在5308巷鄰空側頂板施工10個二氧化碳致裂鉆孔，具體試驗情況見表1。

表1 5308巷二氧化碳致裂記錄

4.2 二氧化碳致裂效果評價

為了對二氧化碳致裂頂板效果進行評價，在5308巷二氧化碳致裂段布置了共10個測點觀測巷道變形量，其中1-6號為區(qū)域內(nèi)，7-10號為區(qū)域外詳見表2。

表2 5308巷各巷道測點變形量統(tǒng)計

實施預裂前5308巷超前支護100 m范圍內(nèi)兩幫位移各0.3 m～0.4 m，頂板下沉0.3 m～0.6 m，局部底鼓0.2 m，片幫現(xiàn)象嚴重，宏觀壓力顯現(xiàn)明顯，原支護鋼帶多數(shù)變形，部分錨桿失效。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析得知，5308巷在進行二氧化碳頂板預裂后，巷道變形量明顯變小，超前支護范圍內(nèi)巷道頂板基本無下沉，超前工作面10 m范圍內(nèi)有局部底鼓0.1 m，巷道整體頂板可控，降低了老頂?shù)耐暾裕共煽諈^(qū)老頂及時垮落，降低鄰近采空區(qū)對5308巷的影響，起到了切頂卸壓的效果，有效的維護頂板，為其他相近條件的礦井提供技術支持和參考依據(jù)。

5 結論

（1）通過二氧化碳致裂技術的現(xiàn)場應用，改善了炸藥爆破安全性差、可控性低、環(huán)境惡劣的狀態(tài)。

（2）對5308巷試驗段進行了致裂切頂后，巷道的頂板下沉量，兩幫移近量和底板鼓起得到了有效的控制，有利于工作面通風、行人和輔助運輸，保障了工作面的順利回采。