为解决***矿工作面快速通过硬岩断层的技术难题,结合该工作面地质和生产条件,采用二氧化碳深孔致裂爆破技术来松动岩层。应用结果表明岩体受到了充分预裂和松动,没有产生碎石飞掷现象,达到预期效果。该项爆破技术与传统爆破方法相比,采煤机过断层的时间节省了一半,截齿消耗减少了50%,生产效率得到了提高,为通过类似条件工作面提供了工程经验。
对于综采工作面出现的硬岩断层,生产中往往无法躲避;采煤机强行推过,存在生产效率低、设备负荷大及截齿损耗严重等问题。在这种情况下,应考虑采用爆破方法通过断层。由于综采工作面空间有限,加之采煤设备和机具较多,且离断层爆破点很近,一般的抛掷爆破会损坏采煤设备,破坏综采环境。因此,在这种情况下,应该对岩层进行松动爆破。
针对此类问题,传统方法为采用火工品,深孔爆破。然而火工品自身具有高危性,造成这种方法有很大的安全隐患,且受环境限制。二氧化碳致裂是新兴的物理“爆破”技术,是利用气体膨胀做功,在部分领域,足以代替火工品作用。为与传统化学爆破相区别,该“爆破”方式被国家命名为“致裂”或“致裂爆破”,它最显著的特点是本质安全。
针对***综采工作面断层坚固性系数较大的特点,根据该工作面地质及生产条件,利用二氧化碳深孔致裂爆破技术,选择合理的致裂爆破参数及致裂爆破工序,使得工作面快速通过硬岩断层。
二氧化碳致裂爆破技术
二氧化碳在温度高于临界温度31℃,压力高于临界压力7.38MPa的状态下,其密度近于液体,黏度近于气体,扩散系数为液体的100倍。在低于其临界温度和高于临界压力条件下,将二氧化碳以液态存储于高压容器,利用发热装置提供热量,可使其瞬间处于临界状态,体积膨胀达600倍,释放超高压气体。利用二氧化碳这一性质,可致裂爆破煤岩体,达到破碎和松动煤岩的目的。
二氧化碳致裂爆破技术的优点如下
1、爆破过程中,不产生明火、火花和有毒有害气体,且无需处理哑炮,安全可靠;
2、可根据工况条件来设定致裂压力,威力可控；
3、单根可反复使用3000次以上,维护简单,经济实惠;
4、操作简单,准备时间短,可连续作业,施工效率高；
5、定向延时,光面爆破效果更为理想;
6、震动小,无猛烈性震动和短波,对周围环境无破坏性影响。
工作面概况
***矿井田301-2盘区北部,煤层埋深约360m;回采范围内,煤层平均厚度6.41m,倾角2~6°。工作面宽239m,推进长2610m,设计采高3.6m,采用长臂后退式全部垮落综合机械化采煤方法。煤层基本顶为含砾粗砂岩,厚度4.30~11.58m,平均7.27m;直接顶为细砂岩,厚度1.00~5.10m,平均1.77m;直接底为高岭岩,厚度0.60~6.30m,平均3.51m。
***工作面运输巷推进至距离开切眼1725m位置时,将遭遇F6断层。该断层为正断层,落差5m,倾角70°;断层岩石为粗砂岩、含砾粗砂岩,普氏系数f>4。F6断层在掘进中揭露,由运输巷向回风巷延伸,影响推进范围长度约120m。
二氧化碳致裂爆破参数设计
致裂器选择
二氧化碳致裂器的性能对松动爆破效果影响较大。为确保达到破碎和松动硬岩的目的,本次试验选用海纳万川51#致裂器,其主要技术参数储液管外径51mm,长度1200mm,容积0.7L;卸放压力200MPa,二氧化碳充装量(700±100)g,设计充装压力12MPa。
致裂爆破孔间距
孔间距是影响致裂爆破区域裂纹扩展范围、致裂爆破区域岩体松散度等的一个重要因素。根据实践经验,本次深孔致裂爆破,布置2排致裂孔,孔间距0.5m;上排孔距离顶板0.5m,下排孔距离底板0.5m。
致裂爆破孔角度
致裂爆破孔角度需要合理设计。结合工作面地质条件,确定致裂爆破孔角度,应使其处于要松动的岩体内。本次试验,按照45°角打孔。
孔内致裂器布置方式
每个致裂爆破孔内,安装1个二氧化碳致裂器单元,串接,同步起发。
致裂爆破工艺流程
二氧化碳致裂施工工艺流程：二氧化碳致裂器设备在地面组装——液态二氧化碳灌装——检测——运输——井下钻孔置入或取出——填塞——连线爆破。
二氧化碳致裂具体实施过程如下：
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、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、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、通知瓦检工对巷道中甲烷浓度进行测量， 甲烷浓度低于 1.0%时方可实施二氧化碳致裂爆破。
6、致裂小组工作人员进行远距离作业，连线启动发爆器，引发致裂器。
7、致裂作业完成 15min 之后，由安监员（瓦检员）先到施工地点，进行甲烷浓度测试，低于 1.0% 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、瓦斯检查工、跟班工长和安监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，人工运送至地面；进行致裂效果评估和检验。
