临空巷道顶板卸压技术研究与应用

吴晓伟

（同煤集团永定庄煤业有限公司，山西 大同 037003）

煤炭开采中，随着巷道深度的不断延伸，临空巷道在回采过程中，受复合作用力影响，矿压会十分明显。由于巷道顶底板压力大，会出现顶板下沉、底鼓、帮鼓等现象，还会使巷道断面高度、宽度发生变化，影响人员行走、物流运输和工作面通风。本文针对邻空巷道的下沉、底鼓等变形问题，提出通过CO2致裂切顶卸压技术对直接顶、老顶进行卸压，减缓二次采动超前压力，降低来压影响时间、范围及压力峰值[1]。

1 工作面概况

1.1 8111 工作面概况

8111 综放工作面标高位置873～909.4 m，工作面长239.4 m，头顺槽长2 466 m、尾顺槽长2 481 m，煤层水平发育，倾角2°～4°，平均2.5°，煤层厚度5.30～8.10 m，煤层整体结构较为复杂，除3.94～5.89 m的纯煤层外，存在3～5 层夹矸层，厚度不一，约0.10～2.03 m、平均1.28 m。

8111 工作面与8101 工作面间煤柱间隔30 m，5111 巷自距离8111 工作面开切眼531 m 处至停采线位置为邻空区，5111 巷邻空段受到8101 工作面采空区悬梁影响，会形成残余支撑压力作用在5111巷，同时5111 巷自身受到8111 工作面回采超前动压，上述两种压力综合作用会使矿压显现更加剧烈，该段巷道部分锚杆和锚索失效，部分单体支柱出现弯折和失效，顶板钢带也出现多处变形，巷道出现不同顶板下沉、底鼓、帮鼓，较为严重的巷道断面顶板由3.7 m 高度下降到0.6 m，宽度由5.4 m 缩减为3.6 m（现场实际情况如图1 所示）。

图1 邻空巷道5111 巷超前支护段矿压显现

2 二氧化碳致裂技术研究

2.1 二氧化碳致裂器结构原理

CO2致裂器由充装阀、发热装置、主管、定压剪切片、密封垫、释放管六部分构成。CO2致裂器主要利用CO2会在31 ℃和小于7.35 MPa 时物态发生变化，由液态转化为气态，压力也随温度变化，CO2急剧膨胀会形成类似爆破效果。CO2致裂器内部存储大量液体CO2，使电极和加热装置可以快速发热，CO2气化产生高压超过定压剪切片极限强度会冲破致裂器末端剪切片，由致裂装置气门经由释放管释放作用于煤岩[2-3]。

2.2 CO2 致裂器与炸药的比较

1）持久性。CO2致裂器中CO2气化爆炸单位爆炸能为680 kJ/kg，虽然只有2 号煤矿硝铵炸药爆炸能的1/5，但相对缓慢具有持久性，致裂器触发后气体会持续膨胀直到最大体积，对于煤岩体这类多裂（孔）隙脆性材料，气体会沿煤岩体裂隙扩散，起到良好的剪切破坏效果。

2）安全性。CO2致裂器利用气体物态相变产生动能，过程中没有明火或火花，同时液气转化本身是一种吸热过程，整个爆破过程中的热量也会被CO2吸收，起到冷却作用，期间不会引发瓦斯、煤尘爆炸。CO2致裂器由特制压力容器存储，状态稳定便于储存和运输。同时CO2释放量只有0.6 m3/kg，释放后会由局部通风系统带离工作面。

3）适用性。矿用炸药爆破后会产生明火和高温气体，不适宜在高瓦斯和高突煤层进行煤层放顶和预裂卸压，而CO2致裂器的安全特性，相对适用范围较广。而且矿用炸药和雷管属于管制器材，采购、运输、存储都具有严格的监管制度，并由具有专业资质的作业人员完成。

4）可重复操作性。CO2致裂器通过气体膨胀产生动能，触发后的高压只对发热器、剪切片和密封垫片造成损坏，致裂器其他部分装置可进行重复使用，经过拆解、替换易损部件和再次灌装，可进行反复利用。

3 二氧化碳致裂技术应用

3.1 方案选择

3.1.1 5111 邻空巷道致裂切至直接顶钻孔设计

沿5111 临空巷道邻近8111 采空区一侧倾斜设置预裂钻孔，钻孔位置到达临近采空区直接顶顶部，钻孔深度根据岩层上覆岩层情况约为6.5～9.0 m，并自直接顶底部开始间隔1.5 m 沿钻孔设置1—3 号CO2致裂器，CO2致裂器采用串联起爆，详细钻孔剖面见图2。

图2 预裂钻孔剖面示意图（切至直接顶）（mm）

3.1.2 5111 邻空巷道致裂切至老顶钻孔设计

沿煤柱帮上部设置的倾斜预裂钻孔深度达到采空区上覆岩层老顶位置，通常钻孔深度约为11～13.5 m，钻孔内自直接顶底部到达老顶区间设置1～6号二氧化碳致裂器，相邻致裂器间隔1.5 m，6 个CO2致裂器串联同时起爆，钻孔剖面见图3。

图3 预裂钻孔剖面示意图（切至老顶）（mm）

3.1.3 方案对比

8111 工作面直接顶为厚度4.1 m 的泥岩、高岭岩，该类岩层硬度较低，通常普氏硬度为1.99～4.2 之间，老顶为厚度平均6.7 m 的灰白色中砂岩、粗砂岩或砾岩，属半坚硬岩层。由于8111 工作面上覆岩层的岩层性质，通过关键层理论认为老顶对该区域上覆岩层岩体活动起到关键作用。前期在8111 工作面1 380～1 410 m 处设置10 个直接顶预裂钻孔爆破后没有起到良好的卸压效果。实验钻孔预裂结果表明为了达到对5111 临空巷道进行致裂切顶卸压控制效果，需要将预裂钻孔方案调整为致裂切至老顶钻孔的设计，使顶板预裂后仍能保持整体性，并改善工作面推进后的顶板切落效率[4-5]。

3.2 试验

调整预裂钻孔施工技术方案后，将8111 工作面内1 260～1 320 m 处设置为预裂试验段，预裂钻孔布置应超前工作面100～120 m，沿工作面向外施工。致裂杆直径Φ53 mm，预裂钻孔直径Φ56 mm，预裂钻孔深度16.5 m，钻孔沿70°～80°倾角施工，钻孔顶端到达采空区上覆岩层老顶位置。共设置18 个试验预裂钻孔，相邻预裂钻孔间距3 m，试验段同时预留3 各观察钻孔，观察钻孔应处相邻钻孔中段设置。为了维护预裂卸压后工作面及巷道顶板安全，钻孔外侧设置双排托梁加强巷道支护，托梁间排距为800 mm×800 mm。

为监控切至老顶处CO2预裂措施效果，在5111巷切顶卸压试验段和未切顶卸压段设置监控断面，每断面各设置两个监测分站，钻孔应力计监测布置示意图见下页图4。

3.3 效果

各监测分站设置监测钻孔安装应力计过程中，钻孔施工至煤柱切顶段15 m 处位置和钻孔施工至非切顶段13 m 位置，都出现钻孔卡钻和循环水不返出现象，甚至出现钻杆卡死无法拔出，并无法通过提高钻速和钻压改善。说明钻孔已经到达煤体应力高度集中区域。

监测分站在钻孔10 m 和15 m 位置分别进行应力测量，测量结果见表1。

图4 钻孔应力计监测布置示意图（m）

表1 各监测站10 m 及15 m(13 m）处应力状态值

通过对上述1～4 号监测站测得10 m 和15 m 处数据表明，致工作面及煤柱进行裂切顶卸压后实时应力低于普通支护回采方式。即5111 邻空巷1 260～1 320 m 处试验段进行致裂切顶卸压后围岩动压得到降低，同时巷道安全出口断面能够维持在最小高度1.8 m，最小宽度4.2 m，巷道顶板压力得到良好控制，施工效果良好。

4 结语

从实践应用效果来看，CO2致裂切顶卸压技术在控制巷道围岩变形方面具有较好的效果，有效降低了围岩动压，同时较好地控制了巷道断面，为类似工作面的围岩控制提供了参考。