前言：南阳坡矿自投产以来，已回采十余个工作面，工作面回采前均没有采取促使老顶提前垮落的强制放顶措施，而是靠减少放顶煤量进行顶板管理，因而造成部分煤炭损失。另外，工作面煤层的上覆砂岩层厚度大，质地坚硬，不易垮落，随着采面的推进，采空区悬顶面积逐渐增大。长时间大面积采空区顶板不垮时，将使得综放工作面控顶区内压力高度集中，在支护强度承受不了顶板的高压时，控顶区内顶板会发生剪切破坏。坚硬顶板一旦突然冒落，岩层折断时产生的强烈动载荷会损坏或推到大量工作面支架，造成工作面垮冒事故；另一方面，采空区积存的大量高浓度瓦斯气体，沿风巷、机巷涌出，造成瓦斯超限，并形成破坏力很强的暴风，其强烈的冲击作用常摧毁工作面及其邻近巷道中的支架、风门和砖墙封闭，甚至使矿车翻到，轨道弯曲。
关键词：致裂原理；顶板；二氧化碳
提前预裂顶板，主动控制顶板的初次来压，以此降低来压强度，抑制古塘气体异常涌出。而二氧化碳致裂技术安全、环保，为达到安全生产、多放顶煤、提高经济效益的目的， 南阳坡沟矿于 2018 年 10 月~11 月，采用新型 CO2 致裂技术，在 4111 综放工作面切眼及两顺槽超前支护段内对老顶进行了强制放顶，取得了较好效果，达到了预期目的。
1.CO2 致裂原理
1.1二氧化碳致裂技术原理及特点
CO2“致裂爆破”是一种气相压裂技术，是近几年兴起的一项“爆破”新技术，初始主要用于高瓦斯低透煤层的增透。其原理是利用高能气体瞬间作用对煤（岩）体产生剪切破坏，而对煤（岩）体产生沿钻孔轴线的劈裂破坏，从而切断煤（岩）体。
作用原理：利用二氧化碳致裂器工作时释放的高压二氧化碳气体，瞬时作用于孔壁，致使被作用介质开裂或破碎。
（1）在温度 31℃以下、7.2MPa 压力时 CO2 以液态存在；
（2）当温度超过 31℃时，无论压力多大，液态 CO2 将在 20 毫秒内气化。体积膨胀系数可达 600 倍，压力可达到 80-270MPa。
利用这一特点，通过发热装置，使致裂器储液管中液态二氧化碳瞬间气化产生高压， 当压力达到泄能器设定压力时，高压气体向外喷出，瞬间产生强大推力，二氧化碳气体沿自然或被引发的裂面松开物料，并将其推离主体，从而达到致裂及增透的目的。
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图 1.1 二氧化碳致裂器结构图
有别于传统炸药，二氧化碳致裂器不产生冲击波、明火、热源和因化学反应而产生的各种有毒有害气体。前期各领域的应用证明了二氧化碳致裂器作为一种物理爆破设备，具有安全性能高、性能稳定、操作简便的特点。
?主要技术优势和特点如下：
（1）热反应过程在密闭管体内腔中进行，低温爆破，喷出的 CO2 具有抑制爆炸和阻燃作用，不会引爆瓦斯；
（2）震动小，不产生具有破坏性的震荡或震波，大大减少诱发瓦斯突出的几率；
（3）震动和撞击均无法激发发热装置，因此充装、运输、存放具有较高的安全性；
（4）爆破能力可控，根据使用环境、对象的不同设定能量等级；
（5）具备高效自动化充装设备和手动充装装置，可分别满足高效增透需要和无动力配置工况条件下应用需要；
（6）不产生有毒有害气体，躲炮距离近，可迅速返回工作面，连续作业.
1.2二氧化碳气相切顶卸压原理
二氧化碳气相致裂是高压气体瞬间释放在岩体钻孔内部，迫使岩层中的宏观裂隙扩展联通，并促使微小孔裂隙形成和逐渐张开，形成新的再生裂隙网，从而达到切裂岩体的力学联系以便降低巷道上覆岩层的应力，达到巷道的稳定性。
2.实施方案
2.14111工作面概况
南阳坡矿 4111 综放工作面长 275m，推进长度 1417m，煤厚平均为 9.11m，设计采出量
462.98 万吨。
4111 面老顶由中粒砂岩、粉砂岩组成，厚 10m，普氏系数为 5~6，属坚硬顶板。
2.2CO2致裂方案
4111 面 CO2 致裂强制放顶实施方案设计为：
1.孔径：φ65mm，孔距开切眼内每 10 米一个孔。
2.数量：开切眼 29 个孔，进回风顺槽各两个孔，合计 33 个孔。
3.孔深示意图。
致裂器串接方案
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孔内致裂器串接方案如下：设计每孔布置直径 51mmCO2 致裂器 9 根，对老顶进行致裂，每根致裂器长 1.6m。
图 2.1 致裂切顶钻孔致裂器串接布置示
2.3致裂效果监测内容和方法
①液压支架阻力监测
采用顶板（压力）动态监测系统在临近巷道的工作面端头液压支架，对顶板（压力） 动态监测系统，监测工作面液压支架工作阻力，重点观测工作面机头位置液压支架工作阻力情况，以比较致裂前后工作面周期来压步距和来压强度的不同。
②工作面后方顶板垮落情况监测
根据工作面回采情况，及时监测切顶巷道工作面后方顶板垮落情况，检验顶板致裂卸压效果。
3.致裂效果
4111 综采工作面 CO2 致裂切顶工作于 10 月 15~20 日顺利实施完成，效果明显：
3.1顶板冒落情况
4111 面实施 CO2 致裂回采后，推进 4m 时（16 日），70~120 架顶板垮落，推进 8m 时（17 日），溜头顶板垮落，推进到 12m 时（18 日），工作面老塘顶板除溜尾 8 架外全部垮落， 到 22 日早班时，工作面顶板全部垮落。
3.2放顶煤情况
在采用了 CO2 致裂技术措施后，建议工作面开始推进 10 米后可以放顶煤。10 米至 20 米之间可放顶煤平均 1 米厚；20 米至 30 米之间放顶煤平均 2 米厚；30 米至 50 米之间放顶煤平均 3 米厚。回采 10 米至 50 米之间预计可多放顶煤 32175 吨，按电煤 260 元每吨计算，产生效益 8365500 元。
4.存在问题及建议
4.1虽然致裂炮眼在工作面安装前提前完成，但由于 4111 面实施 CO2 致裂的决定滞后， 由于工作面放顶孔按照使用炸药雷管爆破设计，相较于二氧化碳致裂器的布孔少得多，且沿走向方向布孔的距离比较短，致裂器威力较小，故效果比使用二氧化碳致裂布孔最优化设计布孔的效果要差，预计最少在走向 45 米左右，才能发生顶板断裂。
4.2纵观 4111 面 CO2 致裂实施过程，虽然没能完全按照设计要求实施，导致致裂威力下降，但与不进行放顶比较，效果是明显的。因此在此后的致裂施工中，根据这次实施致裂经验适当修正设计方案并完全实施，致裂效果完全能达预期目标。
结束语：
CO2 强制放顶效果明显，且是安全的。对于顶煤裂隙不发育的工作面，CO2 强制放顶具有明显的促进顶煤冒放作用。
论文作者:王志根
论文发表刊物:《防护工程》2019年18期
论文发表时间:2020/1/10
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