二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：宋志强（），男，山西长治人，助理工程师，年毕业于山西大同大学采矿工程专业，现从事煤矿生产与技术管理工作。引用格式：宋志强，郭高峰，史达，等 二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用宋志强，郭高峰，史达，荚逸晨，赵宝友（山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 ；辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 ）摘要：为解决三元煤业综放工作面上隅角悬顶带来的安全隐患，通过理论计算得到了二氧化碳气爆致裂工作面上隅角顶煤的影响半径，设计了相关爆破孔布置方案及参数，开展了数值模拟验证和现场工程应用。研究与应用表明，沿煤柱侧打设一列气爆孔对回采巷道煤柱侧顶煤进行液态二氧化碳相变气爆致裂后，气爆孔间的顶煤均进入塑性屈服状态，煤柱侧、跨中及回采侧巷道顶板的下沉变形不再呈现常规的下凸形式，临近工作面时回采巷道煤柱侧与跨中的顶煤下沉量基本相当且增加较明显；超前综放工作面回采巷道顶煤气爆致裂切顶技术较好地解决了上隅角顶煤悬顶问题。关键词：综放工作面；二氧化碳气爆；上隅角悬顶；致裂切顶中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，：；：综放工作面上隅角端头悬顶不仅会造成瓦斯在上隅角聚集，引起瓦斯超限，同时大面积悬顶的瞬时 年第 期宋志强，等：二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用第 卷冲击垮落还会带来飓风、扬尘、反风甚至瓦斯及煤尘爆炸的重大安全事故。目前，主要采用爆破预裂和水力压裂技术进行上隅角悬顶的处理 。以往的工程实践和理论研究结果表明，水力压裂切顶裂缝扩展严重依赖于顶板岩层的结构、强度、刚度及应力状态等地质赋存特征，且压裂工序相对复杂，同时要求相关技术人员具备丰富实践经验，导致其实际裂缝扩展与设计偏差较大，一般常用于大尺度覆岩压裂防治冲击地压灾害，对于超前工作面沿煤柱侧预裂切顶来说不易获得理想的效果。尽管化学炸药爆破的预裂切顶技术可实现较精准的切顶效果，但由于爆炸冲击波的高频高强度冲击动载特性，使得炸药爆破预裂巷道浅部煤岩层时不利于巷道顶板稳定性的维护，加之化学炸药爆破存在明火，使之在解决高瓦斯煤层工作面上隅角悬顶问题时存在安全隐患。液态二氧化碳相变气爆致裂技术是利用致裂器内置加热剂使液态二氧化碳迅速吸热升温变为超临界二氧化碳流体，进而导致压力瞬间上升并泄能冲击钻孔周围煤体，达到破碎致裂煤体增渗的目的，是最近几年新兴的瓦斯煤层致裂新技术 。与目前常用的深孔爆破、水力压裂方法相比，液态二氧化碳相变气爆致裂技术不仅充分兼顾它们的优点，而且还摒弃了它们的弊端，是一种经济、安全、高效、无地应力敏感性、无煤层敏感性、无煤层二次污染、驱裂压力可控、可重复冲击致裂、适用范围广的瓦斯煤层致裂新技术。目前，液态二氧化碳相变气爆致裂技术主要应用于低渗透高瓦斯煤层增透领域，将其引入到高瓦斯煤层工作面上隅角悬顶的预裂切顶是否可行有效，还需开展深入研究。工作面概况山西三元煤业股份有限公司（以下简称三元煤业）核定生产能力 万 ，采用走向长壁综合机械化综采低位放顶煤采煤法。现开采的 号煤层位于山西组下部，煤层埋深 ，平均煤层厚 ，普遍含 层炭质泥岩夹矸，属全区可采稳定煤层；煤层直接顶为厚约 的砂质泥岩与粉砂岩互层结构，基本顶为厚约的中粒砂岩；工作面斜长 ，采用一进一回 型通风方式；回采巷道断面为矩形，毛宽 ，毛高 ，均沿煤层底板掘进，留有厚 的顶煤。工作面回采期间绝对瓦斯涌出量为 ，相对瓦斯涌出量为 ，为典型的高瓦斯煤层，且煤尘具有爆炸性。以往生产实践表明，受煤柱侧实体煤的支撑与约束作用，综放工作面两端头均存在端头悬顶现象，尤其是工作面回采初期和首采工作面，工作面推进 后端头顶板才开始垮落，工作面正常回采期间端头滞后采空区悬顶 ，使得上隅角瓦斯浓度有时超过 的安全警戒限值，严重影响着工作面的安全回采。三元煤业以往主要采用超前工作面煤柱侧水力压裂技术进行端头悬顶的压裂切顶，但由于水力压裂裂缝的可靠性差，导致上隅角悬顶压裂切顶效果并不理想。鉴于三元煤业 号煤层属于典型的高瓦斯煤层，拟尝试采用液态二氧化碳相变气爆致裂技术进行上隅角悬顶的致裂切顶。二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤方案设计 理论分析气爆孔打设后煤体气爆前气爆孔周围任意一点的应力状态为 ：（）()（）()（）（）()（）()（）（）()（）式中，、分别为以气爆孔中心为极点的极坐标系下气爆前煤体任一点处的应力分量；为水平地应力分量比值；和 分别为水平地应力分量；和 分别为气爆孔半径和煤体任一点的极径；为极坐标与水平方向的夹角。气爆应力波在气爆孔周围煤体内产生的周向拉应力 为：（）（）（）式中，为气爆孔孔壁处的应力波峰值压力；为衰减系数，（）；为煤体的泊松比。因此，气爆过程中气爆孔周围煤体的总切向应力 为：（）年第 期煤炭科技第 卷当裂缝尖端周向应力 小于煤体拉强度 时，径向初始裂缝才停止扩展，据此得到气爆应力冲击致裂煤体的径向裂缝长度 的计算公式为 ：（）（）（）已知气爆冲击波峰值压力 和 、等参数，可计算得到气爆应力波冲击致裂煤体的径向裂缝长度 。现有研究成果表明 ，煤岩体爆破致裂是初期爆生应力波和中后期爆生气体共同作用的结果，爆生气体的气楔压裂影响范围可达爆生应力波冲击致裂的 倍。据此可估算出三元煤业回采巷道顶煤气爆致裂的影响半径为 。因此，二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤的气爆孔理论间距为 。方案设计综放工作面上隅角顶煤悬顶的主要原因：顶煤完整性较好且力学强度较高；煤柱侧巷帮实体煤的支撑约束效应，最终使得工作面上隅角形成弧三角形悬顶。基于顶煤气爆致裂裂缝扩展的理论分析结果，结合三元煤业综放工作面实际情况，设计距巷道煤柱侧 向采空区与水平呈 打设一列爆破孔，孔深 ，垂深 ，孔径 ，孔间距 。二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤的爆破孔参数设计如图 所示。二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤方案数值模拟分析及现场应用 数值模拟分析依据爆破孔设计方案，建立三元煤业综放工作面上隅角顶煤悬顶气爆致裂的 数值模型，模型几何尺寸为长 宽 高（），含 个气爆孔。气爆动力模拟前模型四周及底面采用面法向位移约束，气爆动力模拟过程中模型四周及底板采用粘弹性边界条件，且在气爆孔孔壁施加气爆压力曲线 ，如图 所示；模型顶部施加 埋深对应的 竖向自重应力，水平两向施加 的地应力；煤岩层均采用拉剪复合破坏屈服准则的理想弹塑性本构模型，基本物理力学参数见表 。气爆动力致裂模拟过程中监测距巷道顶板 处 个位置的力学反应，监测点布置如图 所示。图 二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤的爆破孔布置 与巷道横断面呈 夹角剖面内的顶煤气爆致裂塑性区分布如图所示。由图可知，、过气爆孔的剖面及 两气爆孔之间的剖面上，朝向煤柱侧的上隅角顶煤气爆致裂影响范围为 ，朝向回采侧的上隅角顶煤气爆致裂影响范围为 ；剖面上的 顶煤已处于塑性屈服状态，即沿巷道走向的上隅角顶煤气爆致裂影响范围可达 ；气爆孔孔底煤体的气爆致裂影响深度约 。年第 期宋志强，等：二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用第 卷图 二氧化碳气爆压力时程曲线 表 煤岩体基本物理力学参数 煤岩层弹性模量 泊松比抗拉强度 黏聚力 内摩擦角 （）基本顶 直接顶 煤层 直接底 平行巷道走向竖向剖面内的顶煤气爆致裂塑性区分布如图 所示。图 表明，沿巷道走向相邻气爆孔间的煤体均处于塑性屈服状态（例如 的竖向剖面），号和 号气爆孔外侧的塑性区范围图 垂直巷道走向竖向剖面塑性区分布 为 ，可见相邻气爆孔间的气爆致裂影响半径可达 ，沿巷道走向气爆孔外侧的气爆致裂影响范围可达 ；受气爆冲击震动及二氧化碳气体的气楔压裂效应影响。煤柱侧竖向剖面上（与过气爆孔竖向剖面水平间距 ）的 顶煤已产生塑性区，即朝向煤柱侧的上隅角顶煤气爆致裂影响范围可达 ；竖向剖面由于与气爆孔的水平间距仅 ，该位置的顶煤已全部进入塑性屈服状态；竖向剖面上的 顶煤已进入塑性屈服状态，可见朝向回采侧的上隅角顶煤气爆致裂影响范围可达 。监测点速度、最大主应力时程曲线如图 所示。年第 期煤炭科技第 卷图 平行巷道走向竖向剖面塑性区分布 图 监测点速度、最大主应力时程曲线 图 （）表明，个监测点的速度时程曲线整体形式与二氧化碳气爆冲击压力曲线基本一致，监测点震动速度均呈现先增大后减小的趋势，且均在气爆冲击峰值压力的 附近各自达到其峰值速度；受煤柱支撑约束的影响，靠近煤柱侧的 号、号、号监测点的速度时程曲线最为接近，其速度峰值为 ；相对远离煤柱侧的 号和 号监测点的速度峰值为 ，较 号、号、号监测点的速度峰值增加约 倍，但均远小于化学炸药爆破近区的震动速度 。可见，二氧化碳相变气爆技术可保证超前爆破预裂切顶效果的同时降低动载对巷道顶板稳定性的影响。图 （）定量地表明，除了 号监测点，其他 个监测点的最大主应力在 就达到了煤体的抗拉强度 ，即该位置处的煤体产生拉伸或拉剪复合破坏；在整个气爆过程中 号监测点的最大主应力始终为压应力，说明该位置的煤体不会产生拉伸破坏，与 剖面上距煤柱侧 、巷道顶板上方 位置处的煤体仍处于弹性状态相一致。年第 期宋志强，等：二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用第 卷由二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤的数值模拟结果可知，距煤柱巷帮 实施二氧化碳气爆致裂后，在二氧化碳冲击动载及气楔压力作用下，回采巷道顶煤气爆孔致裂影响半径为 ，孔底致裂影响深度可达 ，气爆孔间煤体均处于塑性屈服状态，上隅角悬顶沿巷道走向形成一条连续的切顶面，从理论上验证了上隅角悬顶气爆致裂切顶设计方案的有效性和可行性。现场应用以三元煤业四采区 首采工作面为例，从现场应用角度分析二氧化碳相变气爆致裂上隅角顶煤的效果。工作面回风巷顶煤二氧化碳气爆致裂气爆孔设计方案及参数见章节 部分。气爆孔孔口封孔段采用锥形塞钢棒挤推炮泥的封孔方式，锥形塞尾部通过凹槽连接止飞推杆，止飞推杆顶至底板岩层柱窝内。回采巷道顶煤二氧化碳气爆致裂现场如图 所示，气爆孔封孔及止飞如图 所示。图 回采巷道顶煤二氧化碳气爆致裂现场 检修班期间在超前工作面 之外按设计方案打设气爆孔，然后依次向气爆孔内推入事先准备好的二氧化碳致裂器至孔底，将引爆导线引出后进行封孔和止飞推杆安装，设置好警戒线及安全管控措施后开始引爆二氧化碳致裂器。每次气爆作业同时起爆 个气爆孔，即每次回采巷道顶煤气爆致裂长度为 ，可满足工作面 的回采需求。三元煤业回风巷矿压监测结果表明，回风巷煤柱侧顶煤未实施二氧化碳相变气爆致裂切顶时，超图 二氧化碳气爆致裂器封孔及止飞示意 前综放工作面巷道顶板下沉量均不显著，同一断面位置回风巷煤柱侧与回采侧顶板下沉量相当且小于跨中顶板下沉量，顶板下沉变形沿巷道跨度方向呈现常规的下凸形式，即使当监测点已接近工作面时，煤柱侧、跨中的巷道顶板下沉量仅为 和 ，回风巷顶煤存在不同程度的滞后采空区悬顶现象，使得上隅角瓦斯聚集，浓度升高，严重影响着工作面的正常生产。三元煤业回风巷顶煤采用超前工作面二氧化碳相变气爆致裂技术后，超前工作面 动压区范围内回风巷煤柱侧顶板下沉量增加明显，相同超前距离下回风巷跨中顶板的下沉量略大于煤柱侧顶板，但均大于回采侧顶板的下沉量，当监测点已接近工作面时，煤柱侧和跨中的巷道顶板下 年第 期煤炭科技第 卷沉量增至 和 （图 ），与未采取气爆致裂切顶措施相比，煤柱侧和跨中的巷道顶板下沉量分别增加 和 。图 回采巷道顶板沉降变形监测曲线 三元煤业回风巷上隅角顶煤二氧化碳相变气爆致裂现场应用表明，在煤柱侧顶板实施气爆致裂后，回风巷上隅角顶煤紧随综放工作面的推进而垮落充填采空区，有效解决了上隅角悬顶造成的瓦斯集聚及瓦斯超限问题，同时杜绝了端头悬顶带来的诸多重大安全隐患，保证了工作面的正常生产。结论（）基于理论分析计算得到的液态二氧化碳相变气爆致裂回采巷道顶煤的影响半径，设计了液态二氧化碳相变气爆致裂上隅角悬顶的气爆孔布置方案及参数。（）通过液态二氧化碳相变气爆致裂回采巷道顶煤的数值模拟结果分析，验证了上隅角悬顶液态二氧化碳相变气爆致裂切顶设计方案及参数的合理性。（）通过液态二氧化碳相变气爆致裂回采巷道顶煤的工程实践，有效解决了高瓦斯综放工作面上隅角悬顶问题。参考文献（）：蒋涛 张双楼煤矿 工作面爆破定向切顶技术研究 煤炭科技，（）：，（）：陈鹏 高瓦斯矿井综采工作面隅角悬顶处理技术实践 能源技术与管理，（）：，（）：都海龙 回采工作面上隅角水力压裂切顶技术及其应用 煤炭工程，（）：，（）：，马赛，陶广美，马晋琴 定向水力压裂技术在晋城矿区坚硬顶板中的应用 矿业安全与环保，（）：，（）：张红军 综放工作面上隅角顶板控制的水力压裂技术应用 煤矿开采，（）：，（）：，刘庆林，刘文岗，余杰，等 东沟煤矿 工作面端头悬顶水压预裂试验 陕西煤炭，（）：，（）：董尚根，贾飞飞，刘成威 定向水力压裂弱化坚硬顶板技术研究 煤炭技术，（）：，（）：宋晓潮 三交河煤矿 煤复合顶板水力预裂切顶试验 煤炭科技，（）：，（）：王平，高林君，周博，等 坚硬顶板综采工作面端头三角区悬顶治理研究 陕西煤炭，（）：，（）：，赵宝友，王海东 我国低透气性本煤层增透技术现状及气爆增透防突新技术 爆破，（）：，（）：王海东 突出煤层掘进工作面 可控相变致裂防突技术 煤炭科学技术，（）：年第 期宋志强，等：二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用第 卷 ，（）：曹运兴，张军胜，田林，等 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