二氧化碳爆破在掘进工作面的应用

炸药爆破技术在煤矿生产过程中起着至关重要的作用。但由于井下作业条件恶劣和炸药爆破所固有的危险性, 使其成为井生产的不安全因素, 从而限制了爆破技术在井下的应用。因而, 很早人们就开始探索替代炸药爆破的适用于井下生产的安全爆破技术[1]。近年煤与瓦斯突出多发生在掘进工作面。一方面缺乏有效的掘进措施, 虽然我国的许多煤炭行业工作者在预防煤巷掘进突出做了很多的工作, 例如:超前排放钻孔、浅孔松动爆破、深孔控制爆破等。但是都存在着安全方面的问题, 甚至可能诱发突出。另一方面, 超能力、超强度开采, 为追求利润急功近利, 无设计或不按设计施工作业, 在巷道掘进时发生突出。而二氧化碳爆破技术技术具有安全、高效的特点, 可完全替代炸药用于矿山的开采, 其无明火、易操作的特点特别适用于高瓦斯和具有煤与瓦斯突出危险性矿井使用。可减少矿用炸药的社会用量, 有利于社会安定。

1 马峪煤矿东区回风巷的基本情况

东区回风巷均布置在10#煤层中, 标高1030~1040m。巷道北面距东回风巷25米, 东面为F2大断层, 东面为巷道施工方向。此巷道为东区81027综采工作面的主要回风通道。东区回风巷设计长度为322m, 向东延10#煤层地板施工, 坡度沿10#煤层底板施工, 方位角为90°。掘进工程量2512m3。东区回风巷服务年限为2年。东区回风巷设计断面形状尺寸如下:矩形断面:掘进断面7.8m2, 宽3.0米, 高2.6米。

本煤层瓦斯等级鉴定为绝对涌出量1.89m3/min, 相对涌出量小于2.61m3/t, 煤层自燃发火倾向等级II类, 煤尘具有爆炸危险性, 煤层顶底板情况可见表1。

2 二氧化碳爆破器的技术简介

二氧化碳气体爆破成套装置是一种新型矿用低温爆破器材, 该装置采用特殊化学工艺, 实现爆破过程中无明火, 从源头上切断了爆破作业事故的发生, 能够完全避免因爆破作业产生高温而引发的事故。二氧化碳炮是一种无火花、威力大、不扬尘、安全高效的空气炮[2]。

该项技术早自20世纪50年代开始被重视和开发, 人们探索替代炸药爆破并适用于井下生产的安全爆破技术。高压气体膨胀爆破技术应运而生。目前该项技术已推广至岩石、混凝土和其它物质的快速安全爆破, 被广泛采用于钢铁和水泥行业。如当旋转窑、料仓或管道出现堵塞时, 进行爆破排堵, 由于CO2爆破器的自身安全爆破特性, 其在煤矿的生产中有广泛的应用。

2.1 结构设计

CO2爆破器主要由主体腔、化学热反应装置、充排气电极阀、泄能阀、定压泄能片、止飞机构、密封垫、切割圈等组成, 其结构示意图1所示。

2.2 工作原理

将一定质量液态二氧化碳充入爆破器主管。使用时, 爆破器置于钻孔内, 将引炮线连接到放炮装置上通过电激励爆破器内的启动器使化学热反应器迅速放热给液态二氧化碳, 使其快速气化, 二氧化碳气体体积增加到原体积的600倍, 管内压力最高可剧增至270MPa[3]。当瞬间膨胀压力达到定压泄能片的屈服压力时, 泄能片破断, 高压气体作用到钻孔壁, 使周围材料破断, 整个过程在1秒内完成。定压泄能片的厚度可选择 (根据爆破压力来选定) , 以适应不同的爆破条件, 因此, 爆破是可控的。

2.3 CO2爆破器的爆破特性

(1) CO2气体本身没有爆炸性, 具有抑制爆炸和燃烧的作用。

(2) 在31℃温度以下、7.2MPa压力时CO2以液态存在。31.0kgCO60.0

(3) 1.0kg液态CO2吸收60.0千焦的热量才能气化。

(4) 当温度超过31℃时, 无论压力多大, 液态CO2将在40毫秒内气化。

(5) CO2爆破器内部安装发热装置, 热反应过程在完全密闭且充满液态的CO2的主体内腔中进行, 震动和撞击均无法激活发热装置, 因此该设备的充装、运输、正常存放和安装使用有较高的安全性。

(6) 煤体对CO2的吸附远高于对瓦斯的吸附性, 使得爆破后的CO2能够滞留, 且驱替大量煤体吸附的瓦斯。

3 二氧化碳爆破方案与实施

3.1 炮眼布置

巷道为宽度3.2m、高度2.8m的矩形巷道, 本次爆破试验目的为验证二氧化碳灭火器在巷道掘进中是否可以应用, 不要求它的成巷效果, 由于现场条件的限制, 本次爆破只可携带7根爆破管, 所以炮眼设计为7个爆破眼, 爆破孔的深度与爆破管长度相同, 炮眼角度与巷道横截面垂直。

3.2 爆破器材

本次爆破所选爆破器材如图3所示。

(1) 管径:52 mm;长度:108 mm;爆破压力:300 MPa

(2) 管径:52 mm;长度:150 mm;爆破压力:300 MPa

本次爆破共选用7根爆破管, 其中4根长度为108mm, 3根长度为150mm。

3.3 实施过程

3.3.1 组装充气设备

将充气设备的零部件组装成整套设备, 然后进行设备的调试, 确保可以可靠的将液态CO2安全的充入爆破管。

3.3.2 充装CO2

组装好爆破管, 按照操作规程将液态CO2充入爆破管中, 充装前后分别对管体称重, 计算管中CO2质量, 达到标准后将管体两端分别浸入水中并观察是否有漏气现象, 确定没有漏气后用欧姆表测试导电两级电阻。

爆破管充装前后质量对比如表2所示。

3.3.3 将爆破管送入钻孔

将爆破管运至井下工作面, 将爆破管平稳的送入孔中。

3.3.4 爆破管的固定

用铅丝将爆破管的端头与巷道两帮的锚杆相连, 防止爆破时由于气体的反作用使管体飞出。

3.3.5 连接炮线

采用并联的方式将各爆破管的正极与正极相连、负极与负极相连, 最后将两级与起爆器两级相连

3.3.6 放炮

按《煤矿安全规程》[4]标准实施放炮安全措施, 确认安全后, 进行放炮。

4 爆破效果分析

煤矿巷道掘进中的爆破效果, 主要指标为炮眼的利用率、破碎块度是否均匀、是否有超挖与欠挖情况等。本次爆破试验为爆破掘进巷道的初期研究, 不考虑一次成巷的问题, 只需考虑二氧化碳灭火器掘进巷道能否将岩层爆破下来, 所以我们用炮眼利用率、爆破出原岩的体积等综合因素来衡量爆破效果。

(1) 效果较好, 爆破深度1m左右

(2) 爆破效果与岩层的硬度以及裂隙发育程度有关。

(3) 固定用铅丝被截断, 7根爆破管均被抛出十多米, 起到止飞作用但未完全防止管体的飞出。

(4) 抛岩距离控制在0~5m内。

(5) 爆破范围上方有部分塌陷, 塌陷范围在1m内。

(6) 爆破岩层抛出深度不一, 这与打眼深度不一以及与炮眼距离远近有关, 距离炮眼越近, 爆破深度越大。

(7) 爆破后, 工作面没有火药味, 二氧化碳与瓦斯含量无明显升高粉尘较小很快便消散。

(8) 爆破的效果与管体飞出而导致的能量从爆破孔中外泄有关。

摘要：目前掘进工作面的掘进方式发展方向主要是综合机械化掘进, 但在一些条件特殊的掘进面, 仍需要通过放炮的方式来进行巷道的掘进。在大同煤矿集团临汾宏大锦程煤业有限公司的马峪煤矿东区回风巷道, 应用二氧化碳爆破器取代矿用炸药进行巷道的爆破掘进, 取得较好的效果。

关键词：二氧化碳爆破掘进施工矿井安全

参考文献

[1] 徐颖.高压气体爆破采煤技术的发展及其在我国的应用[J].爆破, 1998, 15 (1) :67-69.

[2] 朱拴成等.二氧化碳炮处理综采工作面巷道三角区悬顶[J].煤矿安全, 2013, 44 (8) :144-146.

[3] 聂政.二氧化碳炮爆破在煤矿的应用[J].煤炭技术, 2007, 26 (8) .

[4] 国家安全生产监督管理总局令第87号, 煤矿安全规程[S].