基于低透氣性煤層的二氧化碳爆破增透技術(shù)試驗研究

孫珍平

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧省撫順市，113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧省撫順市，113122)

抽采煤層瓦斯是治理礦井瓦斯的治本措施，但由于受煤層自身透氣性和煤層自然條件的限制，抽采原始煤層瓦斯效率甚低，特別是低透氣性煤層瓦斯抽采技術(shù)仍是世界各國在積極攻關(guān)解決的技術(shù)難題。面對低透氣性煤層難抽采的問題，大部分礦井因缺乏抽采技術(shù)手段而處于被動局面，只能是靠增大巷道斷面提高風(fēng)量、降低煤炭產(chǎn)量等措施維持生產(chǎn)，嚴重制約了煤礦企業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展。為提高低透氣性煤層瓦斯抽采率，降低煤層瓦斯涌出，保證礦井安全生產(chǎn)，開展低透氣性煤層瓦斯抽采增效技術(shù)研究已是當務(wù)之急。

1 理論研究

1.1 爆生氣體致裂作用

二氧化碳爆破增透機理為液態(tài)二氧化碳在引爆管的媒介作用下瞬間使得二氧化碳被氣化，體積瞬間膨脹，使該作用力作用在煤體上，當該空間內(nèi)的壓力達到臨界值時，使得煤體間的裂隙被撐開，煤體裂隙充分發(fā)育，達到增加煤體裂隙的目的。液態(tài)二氧化碳瞬間釋放的能量極大，產(chǎn)生極強的應(yīng)力波，周圍的煤體均被破壞，周圍煤體的應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力將會重新分布，在此過程中煤體出現(xiàn)的是塑性變形，并伴隨著諸多裂隙產(chǎn)生。

當液態(tài)二氧化碳被瞬間氣化，產(chǎn)生的能量作用在煤體表面時，在應(yīng)力波的沖擊下，煤體的表面會形成一個類似于圓的應(yīng)力分布范圍，如圖1所示。圖中pm可以近視認為是二氧化碳作用在圓心處的動壓；pr可以看作壓力分布區(qū)域范圍內(nèi)各點的壓力，且這些點的壓力隨著距壓力分布區(qū)域中心的徑向距離的增大而減小，直至壓力變?yōu)榱恪?/p>

圖1 煤體表面受力分布情況圖

用量綱法對二氧化碳產(chǎn)生沖擊范圍內(nèi)各點的壓力pr進行分析，其計算公式為：

式中：λ——量綱為1的徑向距離；

R——二氧化碳射流最大半徑，m；

r——二氧化碳射流最小半徑，m；

pm——近視認為是二氧化碳作用在圓心處的動壓，MPa；

pr——壓力分布區(qū)域范圍內(nèi)各點的壓力，MPa。

量綱為1的函數(shù)f(λ)應(yīng)滿足以下邊界條件：

(3)

根據(jù)泰勒公式和上式計算得到：

f(λ)=13λ2+2λ3

(4)

因為二氧化碳爆破具有軸對稱性，將式(1)和式(2)代入式(4)中積分得：

(5)

式中：ρ——二氧化碳的密度，kg/m3；

Q——二氧化碳射流流量，m3/s；

v——二氧化碳射流速度，m/s；

α——常數(shù)。

同時，裂隙發(fā)育范圍內(nèi)，在爆炸應(yīng)力波和二氧化碳沖擊波雙重力作用下，二氧化碳氣體順著裂隙方向進入煤體，從而使得煤體的裂隙進一步張開，使得煤體裂隙重復(fù)發(fā)育，這樣極大地提高了煤體的透氣性。

1.2 二氧化碳氣體驅(qū)替置換作用

煤體的形成過程中，在煤體內(nèi)部會產(chǎn)生大量的發(fā)育成熟的裂隙，而裂隙中存在一些氣體，如甲烷、二氧化碳等，具有一定的吸附能力，根據(jù)試驗研究，煤體對氣體的吸附能力不盡相同，煤體對二氧化碳的吸附能力最強，甲烷次之，氮氣最弱。因此，當二氧化碳進入煤體后，對煤體中吸附的甲烷具有競爭驅(qū)替作用，使得甲烷被擠出，實現(xiàn)增透的目的。

由于在煤體形成過程中，伴隨著瓦斯等氣體的產(chǎn)生，對煤體進行二氧化碳爆破后，煤體中的瓦斯等氣體被二氧化碳氣體置換出來，由式(6)可以得出，當二氧化碳進入煤體后，煤體的空間總體積一定，總氣體量增加，從而甲烷等原始氣體的壓力下降，進而使得煤體中甲烷被解析出來，使得煤體達到新的壓力平衡。

(6)

式中：V1——甲烷在p1下的吸附量，m3/t；

a1——甲烷的吸附常數(shù)，m3/t；

b1、b2——甲烷的吸附常數(shù)，MPa-1；

p1——甲烷的分壓力，MPa；

p2——二氧化碳的分壓力，MPa。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗區(qū)概況

本次試驗區(qū)選擇在大斗溝礦20321工作面進行。20321工作面主要開采石炭紀二疊系山2#煤層，煤層厚度為0～6.18 m，平均厚度為2.12 m。煤層傾角為3°～12°，工作面傾向長度200 m，煤種為1/3焦煤和氣煤，礦井產(chǎn)量150萬t/a，煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡單，區(qū)域內(nèi)大部分可采，試驗區(qū)距離切眼200 m，試驗區(qū)內(nèi)無斷層。區(qū)域內(nèi)瓦斯含量2.2 m3/t,煤層透氣性系數(shù)0.0233 md，瓦斯衰減系數(shù)為0.0695 d-1。

2.2 試驗鉆孔布置

本次試驗分兩個區(qū)域進行。第一處試驗區(qū)域：在20321工作面回風(fēng)巷道距離切眼300 m范圍內(nèi)，布置6個單排抽采鉆孔，鉆孔間距為4 m，鉆孔深度為100 m，鉆孔直徑為89 mm，開孔高度距底板1.5 m，鉆孔編號為1#～6#，在抽采鉆孔中間施工一個二氧化碳增透爆破孔，鉆孔參數(shù)和抽采孔參數(shù)一致；第二處試驗區(qū)域：在第一處試驗區(qū)域往切眼方向100 m處施工6個單排抽采孔，鉆孔間距為6 m，其余鉆孔參數(shù)和第一處試驗鉆孔參數(shù)一致，鉆孔編號為7#～12#，同時也在抽采鉆孔中間施工一個二氧化碳增透爆破孔，鉆孔參數(shù)和抽采孔參數(shù)一致。試驗區(qū)域一、二位置及鉆孔布置如圖2所示。對于二氧化碳增透爆破孔，現(xiàn)場施工采用人工方式將二氧化碳爆破筒送入煤壁，每節(jié)爆破筒的長度為1.5 m，在爆破筒的端頭設(shè)有螺紋，將爆破筒之間通過螺紋進行連接。

圖2 試驗區(qū)位置圖

3 爆破前后抽采效果對比分析

爆破前后瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。爆破間距為4 m、6 m時爆破前后瓦斯?jié)舛扰c純量變化如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，致裂爆破后，在抽采孔與爆破孔之間的煤體形成裂紋，宏觀考察抽采孔的單孔瓦斯抽采濃度、瓦斯流量和純量提高效果非常顯著，爆破后單孔瓦斯抽采純量提高6倍左右，鉆孔瓦斯抽采濃度提高5倍左右，在致裂爆破后的160 min后鉆孔瓦斯?jié)舛人p的較明顯；個別抽采孔的瓦斯?jié)舛让黠@高于其他的抽采孔，這是因為煤體屬于不均勻介質(zhì)，各相不同性，在爆破的過程中裂隙發(fā)育的也不均勻，有些抽采孔濃度偏高說明該抽采孔裂隙發(fā)育較好，所以抽采效果明顯。

表1 爆破前后瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測 %

注：表中負值表示爆破前，正值表示爆破后

圖3 抽采孔1#～6#(孔間距4 m)在爆破前后瓦斯抽采效果圖

圖4 抽采孔7#～12#(孔間距6 m)在爆破前后瓦斯抽采效果圖

由圖4可以看出，致裂爆破后單孔瓦斯抽采效果比較明顯，現(xiàn)場考察的結(jié)果表明，9#抽采孔的效果有所降低，但爆破后總體單孔瓦斯抽采純量提高4倍左右，鉆孔瓦斯抽采濃度提高4倍左右，在裂爆爆破后的120 min后瓦斯?jié)舛人p的較明顯。

同時通過表1的對比分析，1#～12#抽采孔的抽采濃度、純量等可以得出如圖3和圖4同樣結(jié)果，說明對于該礦2#煤層二氧化碳爆破在短時間內(nèi)有明顯的效果。

4 結(jié)論

(1)通過理論分析，研究了二氧化碳爆破增透技術(shù)的作用機理，為低透氣性煤層增透提供了理論基礎(chǔ)。

(2)在20321工作面回風(fēng)巷道進行二氧化碳爆破增透試驗，通過對孔間距分別為4 m、6 m和爆破前的抽采孔研究，孔間距為4 m處的抽采孔瓦斯抽采濃度提高至5倍，抽采純量提高至6倍，160 min后瓦斯?jié)舛人p明顯；孔間距為6 m處的抽采孔瓦斯抽采濃度提高至4倍，抽采純量提高至4倍，120 min后瓦斯?jié)舛人p明顯。說明對于該煤礦2#煤層二氧化碳爆破在短時間內(nèi)有明顯的效果。

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