亭南煤矿液态CO-sub-2-_sub-致裂巷道卸压技术的应用研究_题正义.pdf

亭南煤矿液态CO2致裂巷道卸压技术的应用研究 题正义陈波 1 （辽宁工程技术大学矿业学院， 辽宁 阜新 123000） 摘要为了消除冲击地压给亭南煤矿带来的安全隐患， 采用液态CO2致裂技术对危险区域的煤体进行预裂爆 破。通过数值模拟研究控制孔对钻孔爆破的影响及亭南煤矿爆破孔的合理间距， 并采用钻屑法对爆破后的效果进 行分析。研究结果表明 控制孔的存在对煤预裂爆破效果是有利的， 施工控制孔之后进行煤层液态CO2爆破的裂隙 区影响范围明显大于无控制孔时的爆破的裂隙区影响范围； 爆破孔的合理间距为7 m； 爆破后钻屑量的测定结果均 小于钻屑量的临界值， 爆破后消除了煤体冲击地压的安全隐患， 可以正常开采。 关键词煤矿预裂爆破液态CO2致裂技术巷道卸压 中图分类号TD823文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -04-048-05 DOI10.19614/ki.jsks.201904010 Application of Pressure Relief Technology of Liquid CO2Fracturing Roadway in Tingnan Coal Mine Ti ZhengyiChen Bo2 （School of Mining， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China） AbstractIn order to eliminate the potential safety problems of rockburst in Tingnan coal mine，liquid CO2fracturing technology is adopted for pre-splitting blasting in hazardous areas. Through numerical simulation， effect of the control hole on the drilling blasting and the reasonable spacing of blasting hole in Tingnan coal mine are investigated， and the blasting perfor- mance is analyzed by the of drilling bits. The results show that the control hole is favorable for the coal blasting，and the influence scope of crack area of the liquid CO2blasting with control hole is significantly larger than that without blasting hole. The reasonable spacing of blasting hole in Tingnan coal mine is 7 m；After blasting，the measured amounts of drilling and cuttings are less than the critical values. The hidden danger of rock burst in coal blocks can be eliminated through blast- ing to realize normal mining. KeywordsCoal mine， Pre-splitting blasting， Liquid CO2fracturing technology， Tunnel pressure relief 收稿日期2019-02-20 作者简介题正义 （1957） ， 男， 教授， 博士研究生导师。 近年来， 冲击地压已成为煤矿安全生产的主要 影响因素 ［1-2］。冲击地压作为一种特殊的矿山压力表 现形式， 已成为矿山开采， 尤其是深部矿井开采的主 要灾害之一 ［3-4］。据统计， 我国每年发生冲击地压并 引发事故影响估计可达几百次之多 ［5］。目前， 冲击地 压的主要治理技术有开采邻近层卸压、 施工卸压钻 孔等方法 ［6-8］。尽管上述方法在一定程度上缓解了冲 击地压给煤矿安全生产带来的危害， 但留有的问题 主要有 受矿井采深增大的影响， 具备保护层开采的 矿井越来越少， 该方法将不具备普遍的适用性 ［9］； 钻 孔卸压是当前矿井普遍采用的煤层卸压方法， 其特 点为施工工艺简单、 安全性高， 但施工钻孔卸压范围 较小， 普遍面临费用成本高等问题。本研究基于CO2 物理变化原理， 提出液态CO2预裂强矿压巷道试验方 案， 通过数值模拟、 现场试验等方法对强矿压隐患的 煤巷进行预裂研究， 旨在通过该方法消除冲击地压 给煤矿生产带来的安全隐患。 1工作面概况 亭南煤矿位于陕西省咸阳市长武县， 井田走向 长约为5.7 km， 倾向上长约为4.4 km， 井田面积约为 33.82 km2。201回采面位于二盘区东南角， 工作面采 用U型通风方式， 工作面共布置3条巷道， 巷道均布 置在4号煤层中， 巷道宽、 高分别为4.5 m、 3 m， 201工 作面主采4号煤层， 采煤方法为放顶煤开采。煤层厚 总第 514 期 2019 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 514 April 2019 48 ChaoXing 度为14.1～19.1 m， 平均约16.6 m， 煤层倾角2～6。通 过对顶底板煤岩单轴抗压强度进行测定， 测定结果 表明 4号煤层直接顶粉砂岩测定值为 65.24 MPa， 4 号煤层直接底细砂岩测定值为33.2 MPa。冲击倾向 性鉴定结果表明 201工作面开采区域的4号煤层为 具有强冲击倾向性， 巷道掘进期间留有一定的安全 隐患。4号煤层顶底板岩层赋存特征见表1。 2液态CO2爆破技术 2. 1液态CO2爆破器结构 液态 CO2的组成结构如图 1 所示， 以型号为 MZL200-1180/50的液态CO2爆破器为研究对象， 设 备总长1.5 m， 主管长度1.415 m， 外径50 mm， 内径30 mm， 泄能片极限压力为200 MPa， 设备主管内可充装 0.8～1 kg的液态CO2， 充装压力为8～10 MPa。 2. 2液态CO2爆破器工作原理 二氧化碳爆破器主管内充装足量的液态CO2， 启 动起爆头后快速引发发热管产生热量， 短时间内当 温度超过31℃时， 主管内的液态CO2快速气化， 体积 迅速膨胀达到原来的600余倍， 膨胀气体冲击泄能片 导致泄能片迅速破断， 高能气体从泄能头2孔释放， 产生应力波冲击周围煤体， 以达到煤体致裂的目的， 液态CO2爆破器工作原理见图2。 2. 3液态CO2爆破过程 爆破煤岩的破碎过程通常包括动作用和静作用 过程， 在裂纹扩展和煤岩体原生缺陷综合作用下形 成裂纹网。由于煤岩体爆破破碎过程复杂， 根据断 裂力学理论， 液态CO2爆破大致可以分为3个过程 第一个过程是启动发热装置， 主管内液态CO2迅速汽 化膨胀， 达到泄能片能承受的极限压力， 直到泄能片 被冲破， 形成冲击波， 冲击煤体形成粉碎区和初始导 向裂隙； 第二个过程是冲击波波速下降转变为应力 波， 以压应力的形式作用于粉碎区， 形成径向裂隙、 切向裂隙和环向裂隙； 第三个过程是高压气体楔入 裂隙， 在高压气体和瓦斯压力的联合影响下， 裂隙尖 端产生应力膨胀， 推动裂纹继续向外扩展。 3液态CO2致裂强矿压区域解危方案及效果 检测 3. 1控制孔对钻孔爆破的影响 建立煤层多孔连续液态CO2爆破的FLAC3D数 值模型， 如图3所示， 计算区域50 m80 m10 m， 爆 破钻孔和控制孔间隔布置， 爆破孔直径为100 mm， 控 制孔直径 100 mm， 模型网格数 124 800 个， 节点数 139 755个。模型上方施加应力10 MPa的均压。 如图4所示， 煤层致裂爆破时， 控制孔的存在对 煤致裂效果十分有利。受控制孔影响爆破区域影响 范围明显增大， 分析其原因为冲击波和应力波在煤 题正义等 亭南煤矿液态CO2致裂巷道卸压技术的应用研究2019年第4期 49 ChaoXing 体传递期间， 应力波受控制孔影响产生反射作用， 致 使卸压区域裂隙发育更好。因此， 在井下进行煤层 预裂时， 在爆破孔之间施工控制孔可有效提高爆破 区域的卸压、 增透效果。 3. 2钻孔间距对钻孔爆破的影响 钻孔距离的大小对煤层的致裂效果也有直接影 响。钻孔距离过大， 则会造成炮孔间存在大面积爆 破空白区， 导致裂缝无法贯通， 无法达到理想的卸压 效果， 若是爆破孔和控制孔间距过小， 会造成爆破区 域发生大面积重叠， 增加额外的爆破成本， 并导致煤 体破碎严重而影响正常回采。因此， 选择合理的爆 破孔间距至关重要。通过对爆破孔间距为10 m、 8 m、 7 m进行数值模拟， 如图5所示， 观察爆破孔间的 塑性区分布情况来评价爆破后裂隙的发展情况， 即 若存在塑性区则认为裂隙扩展， 煤层已经发生破 坏。爆破孔间距为10 m时， 钻孔之间有大面积区域 致裂效果不明显； 爆破孔间距为8 m时， 爆破有效范 围明显增加， 但仍有小部分区域没有达到爆破增透 效果； 爆破孔间距为7 m时， 钻孔之间所有范围全部 处于致裂有效影响范围内， 达到理想的爆破效果。 因此， 爆破孔的合理间距为7 m。 3. 3液态CO2致裂强冲击煤层的现场试验 根据亭南煤矿强矿压危险区域分布情况， 在201 工作面回风巷侧掘进期间分别对巷道顶板、 两帮预 裂施工， 预裂区域为切眼200 m范围内。采用液态 CO2致裂两帮时， 用原有的中位预抽钻孔设计位置作 为本次试验的爆破孔和控制孔施工位置， 孔径113 mm， 爆破孔深50 m， 装药深度40 m； 其中在工作面帮 依次施工爆破孔20个， 控制孔19个， 控制孔位于爆 破孔之间。钻孔开孔距底板1.2 m， 倾角为6～8， 相 邻孔间距为3.5 m； 采用液态CO2致裂顶板时， 采用风 动钻机施工直径为75 mm的钻孔， 沿工作面走向在顶 板每间距3.5 m施工1个钻孔， 其中爆破孔与控制孔 交替布置， 沿工作面走向的钻孔布置在距煤壁侧约 1.5 m的顶板上， 钻孔深度45 m， 与水平方向成75 夹角朝向老顶方向呈单排布置。 3. 4强矿压区域煤层致裂效果检验 采用钻屑法对强矿压危险区域致裂效果进行检 验。检测地点在201工作面回风巷掘进工作面50 m 范围内， 主要检测单孔的钻屑量， 单位kg/m。如果检 测指标低于临界指标， 则认为煤体消除临界危险状 态。如表2所示， 可以利用实际钻粉量来判定矿压危 金属矿山2019年第4期总第514期 50 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ 险性的指标， 结合实际情况执行。 注 ①钻粉量指数＝每米实际煤粉量/每米正常煤粉量； ②正常煤 粉量在正常应力区测定。 通过测定 201 回风顺槽 10 个钻孔的钻粉量指 数。采用钻屑法进行强矿压危险实际检测时， 分别 对每个钻孔5 m、 10 m的钻粉量指数进行测定， 测定 结果见表3。 4结论 （1） 模拟结果表明 控制孔的存在对煤预裂爆破 效果是有利的， 施工控制孔之后煤层液态CO2爆破效 果更加显著； 亭南煤矿爆破孔的最佳间距为7 m。 （2） 试验结果表明 爆破后钻粉量在5 m和10 m 的最大值分别为1.88 kg/m和2.96 kg/m均小于钻屑量 的临界值， 爆破区域的煤体均消除冲击地压带来的 安全隐患， 可以正常回采。 参 考 文 献 杜学领. 厚层坚硬煤系地层冲击地压机理及防治研究 ［D］ .北京 中国矿业大学 （北京） ， 2016. 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