二氧化碳爆破技术在四棵树煤矿综采放顶煤工程中的应用
 
毛允德¹   甘吉平¹ 蔡昌宣²李健¹
（1.北京龙德时代技术服务有限公司，北京，100096；
2.新疆能源化工四棵树煤炭公司，新疆乌苏，833300）
 
Application Of Carbon Dioxide Blasting In Fully Mechanized Caving Mining Of Four Tree Coal Mine
Mao Yunde¹Gan Jiping¹Cai Changxuan²Li Jian¹
(1.Beijing Technical Service Co. Ltd. Longde Era,Beijing,100096;2.Xinjiang Energy and Chemical Four Tree Coal Company,Xinjiang Wusu,833300)
 
摘要：据权威统计，建国以来，我国煤矿竟然有60%以上的特别重大事故是因为炸药爆破引起的瓦斯、煤尘爆炸事故。因此，《煤矿爆破安全九条规定》以及《煤矿安全规程》等都禁止使用炸药爆破放顶煤，这就给综采放顶煤带来了很大困难。二氧化碳爆破由于爆破过程吸收热量、没有火焰、不会引起瓦斯、煤尘爆炸等特点，理论上可以用于综采放顶煤等工程。四棵树煤矿位于新疆地区，相比内地区域炸药的使用的时间受到了很大限制，炸药的应用成本也高出很多。因此，采用了二氧化碳爆破技术进行综采放顶煤，摸索出了一套针对性的炮孔参数、爆破参数等技术参数和技术方案，总结了在增加块煤率、回收率、降低成本，增加收入方面的具体数据，具有推广应用价值。
关键词：综采放顶煤；二氧化碳爆破；
Abstract: The harm of mine coal mining will almost inevitably encounter gas. According to authoritative statistics, since the founding of the people's Republic of China, more than 60% of the major accidents were caused by explosion of gas and coal dust. "The provisions of" Quanjiu coal mine blasting safety as well as the "coal mine safety regulations" and prohibit the use of blasting caving coal, which brings great difficulties to the fully mechanized top coal caving. Because of the absorption of heat and no flame during the blasting process, the carbon dioxide explosion can not cause the gas and coal dust explosion, and can be used in the fully mechanized caving mining. The four tree coal mine is located in Xinjiang area, and the use time of explosives is greatly restricted, and the application cost of explosives is much higher than other inland areas. Therefore, the carbon dioxide blasting technology in fully mechanized top coal caving, worked out a set of positive hole parameters, the blasting parameters and technical parameters and technical scheme, summarizes the increase in lump coal rate, recovery rate, reduce the cost, increase the income of the specific data, with the application value.
Keywords: fully mechanized top coal caving; carbon dioxide blasting;
 
1.        简述
1.1综采放顶煤遇到的技术难题
综采放顶煤开采是我国领先世界的开采技术，以很高的效率、很高的回收率广受赞誉，也在我国重要产煤区被广泛应用。顾名思义，综采放顶煤是对厚煤层、特厚煤层而言，综采机一次不能把全部厚度的煤层切割采出来，而是仅仅把底部一定厚度的煤层切割采出来，其余上部的所谓顶煤，受上覆岩层压力、煤层自重、外界破坏力等影响，垮落下来。在煤层埋藏深度较大、煤层本身强度不是很大等条件下，顶煤结构能够在上覆岩层压力等作用下破裂，并在重力作用下自动垮落。
然而，在新疆、内蒙、陕西等富产煤炭地区，许多矿井由于埋藏深度浅，煤层距离地表太近，开采后上覆岩层形成的压力不足以造成顶煤结构破裂，不能使煤层依靠上覆岩层压力和自身重力作用自动落下来。这时，在以往都是采用炸药爆破的方式强制造成煤层结构的破坏，形成落煤。
由于采煤工作面采空区往往有大量的瓦斯、煤尘积聚，以及当下我国的煤矿用炸药不能够达到更高的不产生火花的安全标准，炸药爆炸过程就产生大量的火焰，从而可能引起瓦斯爆炸、煤尘爆炸，并因此造成巨大破坏和人员伤亡，这在我国采煤史上曾经屡屡发生。因此2015年国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局制定的《煤矿井下爆破安全九条规定》以及后来修订的《煤矿安全规程》等行业规定，都明确规定不准采用爆破（炸药爆破）方式放顶煤。
在没有二氧化碳爆破以前，煤矿或者采用了超前炸药爆破的方式破坏煤炭结构，以期达到提前破坏煤层结构，辅助落煤的目的，但是，这样做成本会因此提高，更糟糕的是效果不可控，煤炭回收率的降低。有的其实就是在违章炸药爆破落煤。也有的采用更大的综采装备，一次采全高，由于设备太高，安全隐患随之增加，成本也随之增加。
二氧化碳爆破虽然称为爆破，但是其原理与炸药爆破绝然不同。二氧化碳爆破过程是一个物理过程，是压缩在高强度金属爆破管中的二氧化碳（液体）被突然释放后，急剧膨胀，瞬间冲出，形成对周围岩石煤层的冲击挤压，使之破碎。这个过程，是液态变气态的过程，吸收周围热量，没有火花产生，从而确保不会引起瓦斯爆炸、煤尘爆炸。
1.2四棵树煤矿简况
新疆能化四棵树煤炭有限公司七号平峒（以下简称四棵树煤矿）位于新疆维吾尔自治区乌苏市西南43Km处的白杨沟镇。1986年竣工投产，经改扩建现核定生产能力90wt/y。矿井有混合平峒和回风斜井两个井筒，中央边界式通风，采煤方法为“走向长壁综采放顶煤采煤法”。井田内含煤地层为下侏罗统八道湾组（J2b），地层主含A组煤层，自下而上编号为A₃、A_3′、A₄、A_4″、A₅，主要可采煤层２层，分别为A₃、A₅ 煤层。矿井主采A₅、A₃煤层均有自燃倾向，煤层自然发火期为3～6个月，瓦斯矿井，矿井相对瓦斯涌出量为2.36m³/t，绝对瓦斯涌出量为3.31m³/min，相对CO2涌出量为1.77m³/t，绝对CO2涌出量为2.48m³/min（其中：采煤工作面绝对瓦斯涌出量为0.95m³/min，掘进工作面绝对瓦斯涌出量为0.30m³/min）。
矿井现采A3煤层厚度5.5～7.5m，平均6.5m，煤层倾角11°～24°。煤层老顶为暗灰色泥质粉砂岩含少量细砾石，抗压强度为61.8～83.1MPa，其抗拉强度为2.71～7.5 MPa，上覆岩层破断后易产成裂隙。煤层底板为泥质粉砂岩，抗压强度为28.43MPa。  
1.3采煤工作面简况
四棵树煤矿A₃采区首采A₃01和现采A₃02两个工作面，采用“走向长壁综合机械化放顶煤采煤法”，液压支架工作阻力3800kn，煤层厚度5.5-7.5平均6.5m，工作面倾向长度140m，顶煤比较坚硬。A₃01工作面初采阶段采用炸药超前中深孔爆破，产生的大块煤无法回收，顶板初次来压前约40m顶煤虽然随随跨，但块度大无法回收。A₃02工作面初采阶段使用二氧化碳爆破的方式，块煤基本回收，另外两个工作面在架间使用二氧化碳爆破工艺随采随放提高工作面顶煤的破碎程度。
A₃202综采工作面回采A₃煤层，煤层可采厚度5.2m；倾角8°∼15°；走向东西，倾向南北；工作面的煤种为长焰煤；煤层硬度系数f=2～3；可采煤层中间有1～2层碳质泥岩，整个工作面煤层结构较稳定，但部分地段煤层结构不稳定。
A₃煤层：黑—灰黑色、条痕为深棕黑色,具玻璃及油脂光色，比重小，致密，脆度大，硬度小，断口具贝壳状，节理发育。煤岩组分以亮煤为主，夹暗煤条带，属半亮型煤，煤质牌号为长焰煤。
A₃煤层顶板岩性为泥质粉砂岩、砂砾岩，f=6～8，其抗压强度为61.8 MPa～83.1MPa，为较好的老顶和直接顶。该煤层底板岩性为泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩，一般f=4～6，其抗压强度为28.43MPa，饱和抗压强度为0.53MPa。
该采煤工作面轨道顺槽长541m，运输顺槽长624m（如附图1采煤工作面轨道示意图所示）。工作面轨道顺槽沿煤层底板布置，用作回风和运送材料设备；采用锚网索支护，巷道为矩形断面，巷道宽3.4m，高3m, 断面10.2m²。工作面运输顺槽为皮带机运输巷，沿煤层底板布置，用作进风和煤炭运输，采用锚网索支护，巷道为矩形断面，巷道宽5m，高3.1m，断面15.5 m²。开切巷斜长130m，采用锚网索、点柱联合支护，巷道高度2.7m，宽5.5m，断面为14.85m²。

图1 采煤工作面轨道示意图
Fig.1Sketch map of coal mining face track

2.        二氧化碳爆破放顶煤施工方法

2.1二氧化碳爆破施工工艺简述

二氧化爆破放顶煤的基本原理是，首先在顶煤中施工适当炮孔，然后，把二氧化碳爆破管埋入炮孔，并起爆爆破。此时，爆破管中的二氧化碳液体在化学加热作用下，快速膨胀冲破爆破管一端嵌入的爆破片（类似高压锅的放气阀），并迅速转化为高压气体，瞬间冲出爆破管进入封闭的炮孔，给周围煤层形成巨大的冲击力、挤压力，迫使钻孔周边煤体破碎后落下来。四棵树煤矿放顶煤采用的爆破管直径51mm，长度1000mm,二氧化碳容量0.666kg,充装压力10Mpa,炮孔直径60mm。钻孔设备为风煤钻，封孔采用木楔、面纱等打进孔壁与二氧化碳爆破管之间，打紧塞严。
二氧化碳爆破工艺流程如下：
图2 液态二氧化碳致裂工艺流程示意图
Fig.2 Schematic diagram of liquid carbon dioxide fracturing process
 

2.2放顶爆破施工方法及技术参数

2.2.1钻孔施工参数

正常工作面钻孔布置，工作面推进一刀煤后开始在架间布置1排炮眼进行爆破，每架间布置1个炮眼，孔深2.5m，每孔装2个爆破管，炮眼向空区方向施工，与水平面成80°夹角。之后工作面再推进2刀煤（1.2m）后，从工作面下端头B架处开始向上端头进行打眼放顶,放顶距离132m（中-中）。打眼时沿开切巷倾向方向打眼，每排布置2个炮眼，与水平面成80°夹角，间排距为1.2m×1m。第一个炮眼距西侧煤壁0.6m处布置，然后隔1.2m布置第二个炮眼，眼深3.75m，装3个爆破管。以此循环，将开切巷顶板进行致裂松动。  
从开切巷下端第一排炮眼开始依次向上爆破。为了不影响爆破效果以及爆破管的回收，要求每次只许放两排炮眼，每次放眼个数为4个。
下端头炮眼布置，在1#、2#支架前梁处和端头支架B架位置下山侧，共布置4个炮眼。由于B架靠近巷道北侧帮，因此第一个眼距南侧0.3m，然后向北侧帮每隔1m布置一个，布置3个眼，第四个眼布置在端头支架B架下山侧距煤壁0.3m。钻孔间排距为1m×1.2m，眼深2.5m。第一、二、四炮眼与水平面成80°夹角，第三个炮眼与巷道中心线成30°夹角，与水平面成80°夹角。为达到欲裂效果，每推进2刀布置一排炮眼进行爆破。
为强化放顶效果，在下端头B架顶部和B架尾梁处硐室顶部施工开切口，以硐室中线为准共布置四排，每排布置四个炮眼，钻孔眼深2.5m，炮眼间排距1m×1m。如果一次爆破效果较差，需进行二次爆破作业，直到将B架处顶煤全部垮落为止。
上端头炮眼布置，在87#、88#支架前梁处，第一个眼距南侧帮0.2m，然后向北侧帮每隔1m布置一个，共布置4个。炮眼间排距为1m×1.2m，眼深2.5m，与水平面成80°夹角。为达到欲裂效果，每推进2刀布置一排炮眼进行爆破。
为强化放顶效果，在上端头下架绞车硐室顶部增加6个孔，眼深3.5m，炮眼间排距2m×2m，以中线为准左右两边各1m。

3.        二氧化碳爆破放顶煤效果分析

3.1工艺可靠，技术可行

二氧化碳爆破工艺在走向长壁综采放顶煤工作面比较实用。因该爆破工艺爆破过程不产生火焰，可以在采煤工作面切眼、尾巷及架前根据顶煤顶板跨落情况灵活应用，适应性强，效果好。而传统的炸药爆破因其爆破过程中产生火焰，有引起瓦斯等气体燃烧爆炸的危险，只能在未采动区域使用，按要求钻场终孔必须在工作面煤壁30m以外的地段才能爆破，对工作面初次放顶、端头顶板跨落不充分、工作面顶煤松动等工问题无法解决。炸药超前爆破施工工艺，通过四棵树煤矿前3个综放工作面的使用情况来看，超前深孔预裂爆破对老顶顶板松动有一定作用，但对顶煤松动效果不好。
二氧化碳爆破工艺在坚硬煤层综采放顶煤工作面处理顶煤效果明显。
3.2安全稳定可靠
在使用安全方面，合格的二氧化碳爆破器材相关器材（包括爆破金属管、加热器、二氧化碳液体）在运输、存储中，不燃烧、遇火不爆炸、不能用于恐怖活动等特性，与炸药相比安全性能极大的提高。在采掘面爆破使用过程中，不会产生火焰，不会出现引起瓦斯、煤尘爆炸，对于保障煤矿安全非常有利。
安全管理方面：二氧化碳属非爆炸物品、非危化品，安全管理成本相对于爆炸物品和危化品，大大较低。
3.3 经济效益显著增加
与炸药爆破对比分析，四棵树二氧化碳爆破成套设备及材料初期投入费用约98万元。火工品按2016年现行管理模式每年运输、管理及维护费用约120万元。二氧化碳爆破主要设备使用的充装机、拧管机、储气罐的使用寿命10年以上，爆破管寿命3年，假设爆破管占设备的50%。
10年下来，节省先关费用120*10-98/2-3.3*98/2=1004万元，每年实际节省100.4万元。
另外，矿井生产时间不会因为爆炸物品的节日、节日、重大活动等不能使用的限制而停产。生产时间的延长，以每年按照增加1个月生产时间计算，增加出煤7.5万吨，一吨煤按照150元计算，增加收入7.5*150=1125万元。
3.4顶煤回收率和块煤率增加
没有采用二氧化碳爆破的A₃01工作面初采阶段采用炸药超前中深孔爆破，产生的大块煤无法回收，顶板初次来压前约40m顶煤虽然随随跨，但块度大无法回收。A₃02工作面初采阶段使用二氧化碳爆破的方式，块煤基本回收，另外两个工作面在架间使用二氧化碳爆破工艺随采随放提高工作面顶煤的破碎程度。初采阶段和正常回采阶段的综合顶煤回收率提高达到5%以上，块煤率增加约3%以上。
回收率5%，每年可以增加煤炭产量90*5%=4.5万吨。按照150元一吨计算，增加收入4.5*150=675万元。
块煤增加率3%，每年可以增加块煤产量90*3%=2.7万吨。按照块煤每吨增加收入100元计算，增加收入2.7*100=270万元。
增加收入（节支）总计100.4+1125+675+270=2170.4万元。
参考文献：
    [1] 毛允德，张茂宏，王钦芳等.智能二氧化碳爆破系统在煤矿研究与应用.《中国爆破新技术IV》.北京：冶金工业出版社，2016：963-968.
[2]姜立厚.煤矿采掘工作面爆破安全技术解析.《华东科技:学术版》, 2015(7):368-368
[3] 汪旭光．爆破设计与施工[M]．北京：冶金工业出版社，2011：201-203.
[4]费鸿禄等 .《爆破理论及其应用》，煤炭工业出版社 ，2008.
 
 
 
审稿意见：
1. 建议名字改为：二氧化碳相变膨胀致裂技术在四棵树煤矿综采放顶煤工程中的应用；
我觉得还是用“二氧化碳爆破”更贴切
因为，一，怎么说明二氧化碳这项技术，在学术上并没有统一。称为相变膨胀致裂，并不是最贴切的，也并没有被大家完全认可。
这项技术的关键是快速的膨胀，越快越好！“相变膨胀致裂”并没有体现“快”字，因此并不贴切，这是其一。其二，“致裂”并不能完全概括这项技术的全部用途。例如，用于疏通管道，称为“致裂”就可能引起误会。管道里面可能就是面纱堵塞，致裂了什么？
二，炸药爆破讲究的是“速度”，二氧化碳爆破讲究的也是“速度”。因此，我因为，用“爆破”更贴切。而且，这项技术的重要发展方向，也是尽量提高爆炸“速度”。
三，“相变膨胀致裂”并不能描述整个的二氧化碳爆破过程。因为，一冲破爆破片的爆破---不是“相变”，二是，因为化学棒在起爆后快速燃烧，产生大量热量促使二氧化碳液体膨胀，然后快速冲破爆破片！此后，液体二氧化碳才开始相变。三是，对岩石破碎的作用力，极有冲击力，也有膨胀力。因为，在没有封闭严密，甚至没有封闭的炮孔中，也可以实现对煤层的破碎左右。如果仅仅是膨胀力，就不好解释这种现象。就是说确实存在爆炸现象----尽管这种爆炸是非常低速的。
 
 
2. 摘要是文章内容的高度凝练与概述、而不是简单叙述，建议提炼、理顺摘要；
3. 文章中存在一些措词不太准确、不客观，标点符号不正确现象。例如：矿井煤炭开采几乎不可避免的会遇到瓦斯气体的危害，煤矿存在瓦斯矿和非瓦斯矿，并非不可避免瓦斯；
对于这个问题，我有不同意见。
-----这里我说的矿井，就是井工开采的矿井，而且用词是几乎，没有说全部。
我国煤矿矿井，几乎没有不是瓦斯矿井的，就是说全部煤矿矿井都是瓦斯矿井。国家局大概从来没有公布过哪一个煤矿不是瓦斯矿井。这是因为，一瓦斯在煤矿是各种有害气体的统称，包括甲烷、以及各种可燃和有害气体;二煤层本身产生瓦斯;三煤层开采过程中产生瓦斯，例如爆破，机械切割煤炭过程都产生瓦斯，井下用的的汽油、机油、设备上的油漆等等都是释放瓦斯---因为他们本身就是瓦斯，当然还有其他原因产生瓦斯;四对瓦斯矿井的定义非常严格，就是煤矿有瓦斯就是瓦斯矿井。
 
4. 叙述二氧化碳相变膨胀致裂技术与炸药爆破技术时，优劣均为相对而言，并非绝对，建议从新考虑措辞；
措辞，我们在琢磨一下，完善一下。
5. 建议修改后再审！
 
 
再审意见：
1. 摘要不是文章的叙述，而是文章要点的概括，本文摘要过于繁琐，压缩至300字以内（含标点符号）；
2. 摘要和全文中错字太多，建议更正；
3. 文章中同时存在“相变膨胀致裂”和“二氧化碳爆破”术语，建议统一；
4. 文章没有结论。