高能产气预裂技术在治理冲击地压中的应用

张延松，石 静，魏祥瑞

（山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590）

在“碳中和”的背景下，煤炭仍然是中国的主要能源。研究表明，到2030 年，煤炭仍将占一次能源消费的46%左右。目前，地表附近的煤炭资源正在枯竭，煤炭开采逐渐向深部开采转变以满足资源消耗。在中国，至少有45 座煤矿开采深度超过1 000 m，煤炭总产量超过9 400 万t。近5 a 来，已开发并投入使用的1 000 m 以上新煤矿16 座。与近地表采煤相比，深部开采面临着高初始地应力和开采扰动等挑战，导致冲击地压等动力灾害频发，造成严重的人员伤亡和经济损失。冲击地压还可诱发煤与瓦斯突出、煤层自然发火、冒顶等次生灾害，造成更为严重的后果。煤矿冲击地压事故致灾机理及处理方法的调查分析表明，对未开采煤层采取预先致裂措施，可以卸除地层应力，降低冲击地压的风险。国内外专家学者对用于增透、卸压等的煤层致裂技术进行了大量的理论与实践研究。任帅等研究了超高水充填开采对冲击地压的防治效果，表明超高水填充开采可以降低工作面压力，达到治理冲击地压的效果；
陈庆国等分析了复杂工作面主要冲击危险因素，并制定了针对性的深孔爆破方案；
杨光宇等采用覆岩空间结构理论，研究了高应力区域并确定了冲击危险区域和危险程度；
张雷通过理论分析研究了爆破切顶技术，有效控制了窄煤柱巷道的变形；
李雁针对千米矿井采场应力大、工作面力学环境复杂、开采扰动大等问题，分析了冲击地压的诱发机制，提出了煤尘注-爆一体的卸压防冲技术。以上研究基本是基于炸药深孔预裂、高压气体预裂及水力预裂等手段，而炸药由于管控严格，大部分矿井均无法使用；
高压气体由于设备复杂、灌装麻烦等弊端导致效率低下；
水力压力由于注水压力高，对钻孔封孔要求也高，通常压裂孔封孔耐压要求40 MPa 以上，因而造成本煤层封孔非常困难，封孔成功率低。针对目前预裂技术弊端，本文提出一种新型高能产气剂预裂技术，并进行冲击地压防控研究。

南屯煤矿位于山东省邹城市，属于兖州煤业股份有限公司。东西长10.5 km，南北宽4.5 km，面积约43.5 km2。井田地质储量为33 019.7 万t，可采储量21 465.9 万t。煤层为石炭二迭纪煤层，可采七层，3上、3、16上、17 层全区稳定可采，6、15上、18上层局部可采。位于兖州向斜南翼，总体呈单斜构造。受多种条件限制，采掘活动主要集中在九采区深部，煤层埋藏深，倾角大，地质构造复杂，因此存在冲击地压危险性。

2.1 技术机理

本文所述的高能气体预裂爆轰致裂煤岩方法与其他爆破技术的根本区别在于对煤体作用过程的不同。深孔爆破技术和高压气体爆破技术都是先对煤岩进行爆破冲击破岩，然后爆生气体或者高压气体驱动爆破冲击生成的裂纹向煤体深部扩展并形成裂隙网络。本文的高能产气剂分两个阶段作用于煤层：第一阶段高能产气剂快速燃烧产生大量气体，高压气体的准静压作用使煤层裂隙孔隙起裂、扩展；
当快速燃烧产生的高压气体压力达到设定值时，进入第二阶段，未燃烧的高能产气剂瞬间爆轰，爆轰波耦合高压气体共同作用，形成较大范围的裂隙孔隙网络。高能产气剂由于能量释放方式的创新，煤体中裂隙孔隙网络的影响范围是传统预裂剂形成裂隙孔隙影响范围的10 ～15 倍。

2.2 安全性

高能产气剂在敞开空间不会爆炸，点燃后高能产气剂快速燃烧，产生大量气体，产生的气体使封孔及联通裂隙孔隙网络压力达到设定值后，剩余尚未燃烧的预裂剂瞬间爆轰，若封孔及联通的裂隙孔隙网络压力达不到设定值，则剩余尚未燃烧的产气剂不会爆轰只会快速燃烧。不存在殉爆距离。该预裂剂在常压、常温下无法点燃，燃烧温度始终低于500 ℃（瓦斯的最低点燃温度为650 ～750 ℃，煤尘为700 ～800 ℃），另外当钻孔中压力小于30 kg/cm2会自动熄灭（有时封孔效果较差、冲孔，或因煤破裂产生大量的缝隙与采空区等连通会有危险，因此自熄功能最为重要），可实现本质安全。经过实验室检测，该药剂感度极低，可以保证储运安全，具体数据见表1。

表1 感度数据Table 1 Sensitivity data

该药剂的反应为零氧平衡，使用后不会产生不完全氧化的有毒有害气体。具体数据见表2，其燃烧后的主要气体为H2O、N2、CO2等无毒无害气体，只含有微量CO，无腐蚀性气体。

表2 每千克药剂燃烧后的气体成分Table 2 Gas composition after combustion per kg of agent

2.3 施工流程

装置由高能产气剂和启动器C 组成。根据燃速、产气量和总能量的不同分为两个系列产品，主要编号有高能产气剂A 和高能产气剂B。主要规格有φ30 mm×300 mm、φ41 mm×400 mm、φ41 mm×900 mm、φ50 mm×900 mm、φ76 mm×900 mm。高能产气剂的应用操作主要有装配、装填和点燃3 个步骤，简便快捷，安全可靠。其主要操作步骤及方法如下。

2.3.1 高能产气剂的装配

高能产气剂外包装为纸质材质，并有填塞启动器的中心孔，启动器为高能产气剂专用启动药剂。主要以高锰酸钾原料为主的复合含能粉体，起爆电压0.5 V。高能产气剂装配材料由单支高能产气剂、单支启动器、脚线和胶带等组成，如图1 所示。

图1 高能产气剂装配示意Fig.1 Assembly of high energy gas generating agent

其装配步骤简便，主要分为两步：将启动器延长脚线加长，延伸至适合长度，一般长度为孔深与孔间距之和，并将连接好的脚线一端进行短接处理；
将启动器插入高能产气剂中心孔，为保证启动器稳固，且在装药过程避免脚线与岩石直接硬摩擦，最后在高能产气剂中心孔外用胶带缠绕。

2.3.2 高能产气剂的装填

图2为高能产气剂的装填过程，主要分为3步。①含托盘的送药杆将高能产气剂送入孔底，然后采用专用封孔泵将封孔材料（水泥与速凝剂重量为2∶1，混合均匀） 注浆封孔，孔口处利用紧固塞进行固定，以防封孔材料倒流；
②封孔完毕后等待20 ～30 min，以保证封孔材料在预裂孔内充分固化；
③采用起爆器启动高能产气剂。

图2 高能产气剂装填示意Fig.2 Filling of high energy gas generating agent

3.1 方案布置

不同位置预裂孔施工参数如图3 所示。距停采线15 m 打第一个水平炮孔，预裂孔1 号～6 号直径为65 mm，深度70 m，孔间距10 m。预裂孔6号与7 号孔间距15 m，预裂孔7 号与8 号直径为90 mm，深度25 m，孔间距15 m。所有预裂孔在水平方向与煤层夹角均为80°。装药结构如图4所示，钻孔装药参数见表3。

图3 施工方案Fig.3 Construction scheme

图4 装药结构Fig.4 Charge structure

表3 钻孔装药参数Table 3 Drilling charge parameters

3.2 冲击地压防治效果考察

3.2.1 微震监测方案

对于93下09 工作面的冲击地压危险监测，可采用微震监测、应力在线监测、钻屑法监测等方法综合进行。南屯煤矿93下09 轨道顺槽共布置2 台采集仪、4 个传感器，其中每台采集仪配备2 个传感器，在预裂孔2、3、4 之间布置微震1，在预裂孔6、7、8 之间布置微震2，传感器间距20 m，如图5 所示。

图5 微震传感器布设方案Fig.5 Layout scheme of microseismic sensor

试验前10 d，微震系统监测数据显示微震能量在1.0×104J 以下，日累计能量释放量较低，诱冲危险不大。试验后10 d，微震系统监测数据显示微震能量在1.0×104J 以下，比试验前微震数据略低，说明该预裂技术能有效降低冲击地压危险性。

3.2.2 钻孔应力在线监测

目前南屯煤矿正在使用KJ743 煤矿冲击地压无线监测系统，在中等危险区采用该系统对93下09工作面的采动应力进行监测，具体监测方案如图6所示。在预裂试验孔布置区域布置采动应力监测点1 号～6 号，监测点间距为25～30 m，每点布置2个钻孔应力计，间距1～3 m，钻孔深度分别为8m和14 m。用以监测工作面回采过程中的采动应力变化。

图6 工作面采动应力监测方案Fig.6 Monitoring scheme of mining stress in face

试验前后应力在线监测数据监测数值见表4。

表4 试验前后应力在线监测数据监测数值Table 4 Stress on-line monitoring data before and after test

试验前应力在线传感器的平均读数为7.05 MPa、8.08 MPa，试验后应力在线传感器的平均读数为5.15 MPa、6.13 MPa，试验前后煤层压力出现明显下降。通过高能产气剂预裂技术，降低了煤层压力，对冲击地压的防治起到了良好的效果。

3.2.3 钻屑法监测检验

钻屑法可配合微震监测法对试验巷道进行进一步重点监测，以确定煤体中的应力状态和冲击地压危害的危险程度。

（1） 钻屑法实施方案。

检测地点在93下09 轨道顺槽，孔深10 m，孔距底板1.2 m，钻孔直径42 mm，间距不大于20 m；
单排布置，钻孔方向与煤壁垂直，平行煤层。

检测每米钻孔的钻屑量，单位kg。采用压风动力钻打孔，采用螺纹式联接的麻花钻杆，每节长1.0 m，φ42 mm 的钻头。用胶结袋收集钻出的煤粉，每钻进1 m，用测力计称量煤粉的重量。试验前后在8 个预裂试验孔周围分别布置9 个钻屑孔，测量试验前后的钻屑量。布置方案如图7 所示。

图7 回采工作面钻屑法监测孔布置平面Fig.7 The hole layout of drilling cuttings monitoring in mining face

（2） 试验前后钻屑量对比分析。

取防冲试验孔7 号和8 号周围的钻屑监测孔7号和8 号的钻屑数据，进行对比分析，结果如图8所示。

图8 试验前后孔钻屑法监测数值Fig.8 Monitoring value of hole drilling cuttings method before and after the test

根据钻屑法监测数据，预裂后钻屑量比预裂前钻屑量有明显下降，说明预裂试验能有效降低煤层压力，能起到很好的防冲作用。

（1） 引入一种基于新型高能产气剂的预裂技术，该药剂在敞开空间不易爆炸，实现了本质安全，并在南屯煤矿形成一套基于高能产气剂的冲击地压防控工艺。

（2） 对比预裂试验前后微震监测、应力在线监测、钻屑法监测3 种方法，93下09 工作面采取高能产气剂预裂技术后，矿震发生频率和能量级别有效控制，并降低煤层压力，起到很好的防冲效果，这对类似工作面冲击地压防控具有一定的参考价值。

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