二氧化碳相變預(yù)裂增透爆破參數(shù)優(yōu)化研究

畢建乙

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西呂梁，033602）

0 引言

隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，礦井開采深度也越來越深，導(dǎo)致煤層地應(yīng)力越來越大，使透氣性系數(shù)減小，瓦斯抽采效率逐漸降低，嚴(yán)重影響礦井采掘銜接[1-2]。為了提高煤層透氣性系數(shù)和瓦斯抽采效果，近年來科研工作者研究出多種煤層增透方法：卸壓抽采、深孔預(yù)裂爆破、水力化措施等技術(shù)[3-6]，但這些方法因在實(shí)施時(shí)具有技術(shù)條件和工藝不完善、不安全因素或引發(fā)煤體突出等問題，導(dǎo)致煤層增透效果不理想[7-8]。

針對(duì)這種現(xiàn)象，科研工作者提出了液態(tài)CO2致裂增透技術(shù)，周西華等[9]基于損傷力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)，分析液態(tài)CO2爆破過程中致裂筒主管內(nèi)高壓氣體的壓力時(shí)程變化，現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)爆破后煤層透氣性系數(shù)提高17.49～22.76 倍；王海東[10]在晉能集團(tuán)馬堡煤礦開展試驗(yàn)，得到在掘進(jìn)工作面實(shí)施CO2可控相變致裂防突技術(shù)后，相對(duì)常規(guī)密集排放鉆孔消突技術(shù)，CO2可控相變致裂防突技術(shù)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2較少50%，瓦斯抽采量增大2倍，顯著提高掘進(jìn)速度；何福勝等[11]在高瓦斯低透氣性煤層實(shí)施CO2相變致裂爆破增透技術(shù)，通過理論分析和FLAC3D數(shù)值模型，得到當(dāng)爆破參數(shù)為CO2爆破器間距5 m、爆破孔間距7.5 m，煤層增透效果最好。

為解決斜溝煤礦18205工作面回采時(shí)因瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限而影響回采速度，借助理論分析和數(shù)值模擬的方法，研究液態(tài)CO2致裂增透技術(shù)[12-13]，并在18205 材料巷開展現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)比分析爆破前后瓦斯抽采效果，實(shí)現(xiàn)低透氣性煤層高效率回采目的[14]。

1 CO2爆破裂隙圈半徑計(jì)算公式

采用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量計(jì)算方法計(jì)算型號(hào)為MZL200-1180/50的爆破器TNT當(dāng)量，定壓泄能片的極限壓力為200 MPa，儲(chǔ)液管的容積約1L，裝液量為1 kg。液態(tài)CO2爆破時(shí)釋放的能量可用下式計(jì)算：

式中：Eg為氣體爆破能量，kJ；P1為主管內(nèi)氣體壓力，MPa；P2為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，取0.101 MPa；V為主管體積，m3；K為CO2絕熱指數(shù)，取1.295。

將數(shù)據(jù)代入式（1），可得出液態(tài)CO2爆破器啟動(dòng)后釋放的能量為764 kJ。液態(tài)CO2爆破器的近似TNT 當(dāng)量WTNT采用式（2）計(jì)算:

式中: QTNT為1 kgTNT 爆炸能，取4 250 kJ/kg。

經(jīng)過計(jì)算，型號(hào)為MZL200-1180/50的液態(tài)CO2爆破器的當(dāng)量約為180 gTNT。

壓縮氣體或液體爆破之后所產(chǎn)生的沖擊波壓力計(jì)算式為：

式中：p-透射入巖石的初始?jí)毫Γ琈Pa；

ρ0-二氧化碳的密度，kg/cm3；

Dv-爆炸的速度，m/s；

K-不耦合系數(shù)；

lc-軸向系數(shù)，表示軸向不留空氣柱；

γ-爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù)。一般取γ=3；

n-爆炸產(chǎn)物膨脹碰壁時(shí)的壓力增大系數(shù)，一般取n=10。

通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)沖擊波波陣面上的超壓取決于產(chǎn)生沖擊波的能量，還和距爆炸中心的距離有關(guān)。具有能量E 的爆源爆炸短時(shí)間釋放至爆源內(nèi)部，在釋放能量E 的階段爆源的體積在不斷膨脹，爆源能量E 可用下式表示：

式中：R——爆破裂隙圈半徑，m。

根據(jù)以上公式推算出爆源在爆炸時(shí)，所產(chǎn)生的爆破裂隙圈半徑R的計(jì)算公式是：

2 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣礦區(qū)，屬于河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)，隸屬于山西焦煤西山煤電有限責(zé)任公司，主要開采8#煤和13#煤，井田面積為88.6 km2，東西寬約4.5 km，南北長約22 km。8#煤厚平均厚度為4.7 m，平均傾角為9.4°，透氣性系數(shù)為0.014 16 m2/(Mpa2·d)，屬于低透性煤層。18205工作面長度是264 m，走向長度是2 800 m，采用U 型上行通風(fēng)方式，瓦斯涌出量是14.15 m3/min，導(dǎo)致上隅角、工作面瓦斯?jié)舛容^大，嚴(yán)重制約著工作面的快速開采。

3 數(shù)值模擬

3.1 控制孔對(duì)多孔爆破的的數(shù)值模擬

應(yīng)力波和沖擊波在煤體介質(zhì)中是以負(fù)指數(shù)衰減的規(guī)律進(jìn)行傳播，而且在高應(yīng)力和地應(yīng)力下控制孔的作用效果是不同的[15-16]。確定控制孔的直徑大小和爆破孔之間的間距主要根據(jù)單個(gè)鉆孔CO2致裂爆破后產(chǎn)生的裂隙區(qū)域的半徑大小。通過實(shí)驗(yàn)室測定得到地應(yīng)力是10 MPa時(shí)，單個(gè)鉆孔致裂爆破后的有效影響半徑是在出氣孔的方向6 m、法向距離4 m。

開展數(shù)值模擬時(shí)設(shè)置CO2致裂器間距為10 m和爆破孔間距為12 m，在兩個(gè)致裂孔中點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)控制孔以增加自由面。構(gòu)建多個(gè)鉆孔持續(xù)開展液態(tài)CO2致裂爆破的FLAC3D模型參數(shù)見表1，其中間隔布置致裂鉆孔和控制孔，以等效均布?jí)旱姆椒ㄔ谀Ｐ晚敳渴┘痈矌r重力10 MPa。

表1 煤層基礎(chǔ)參數(shù)

有無控制孔的多孔連續(xù)爆破塑性區(qū)如圖1 所示，由于Hopkinson 效應(yīng)，控制孔周圍一直有沖擊波和應(yīng)力波在不斷反射，致使鉆孔周圍應(yīng)力疊加起來，所以在鉆孔周圍形成良好的增透卸壓效果，增大了裂隙區(qū)域面積。因此增加控制孔后液態(tài)CO2爆破后的裂隙區(qū)要大于無控制孔的。

圖1 液態(tài)CO2爆破效果對(duì)比

研究結(jié)果證明：控制孔的半徑越大，爆破后裂隙區(qū)的影響面積就越大。所以，最大可能的增加控制孔的半徑可以增加爆破裂隙影響范圍，進(jìn)而提高增透效果及瓦斯抽采效率。

3.2 間距不同的多孔爆破數(shù)值模擬

設(shè)置10 MPa 的地應(yīng)力，構(gòu)建模型的尺寸為40×50×5 m3，劃分網(wǎng)格80 000 個(gè)，共有節(jié)點(diǎn)89 991 個(gè)。采用三組爆破筒間距和爆破孔間距不同的參數(shù)開展模擬，分別是8 m×10 m、6 m×8 m和5 m×7 m，模型的物理力學(xué)參數(shù)見表2，模擬結(jié)果如圖2所示。

表2 模型力學(xué)參數(shù)

由圖1 可得，當(dāng)爆破器間距和爆破器間距分別為10 m和12 m時(shí)，相鄰的兩個(gè)爆破孔之間在爆破后出現(xiàn)空白區(qū)，未能達(dá)到增透效果，而如果縮小爆破器間距和爆破孔間距，將會(huì)使爆破區(qū)域互相疊加，顯著削弱爆破能力，爆破成本明顯增加，同時(shí)爆破增多會(huì)使煤體嚴(yán)重破碎，工作面回采將會(huì)受到影響。從圖2（a）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爆破參數(shù)為8 m×10 m（爆破器間距和爆破孔間距）時(shí)，爆破效果不理想；當(dāng)爆破參數(shù)為6 m×8 m 時(shí)，相對(duì)圖2（a）爆破有效半徑明顯增加，但是仍然存在部分空白區(qū)域不能達(dá)到增透效果；當(dāng)爆破參數(shù)為5 m×7 m時(shí)，爆破孔間周圍全部區(qū)域都在CO2有效爆破面積內(nèi)，取得良好的爆破效果。即當(dāng)爆破器間距5 m 和爆破孔間距7 m，液態(tài)CO2致裂爆破可以獲得最佳的增透效果。

圖2 模擬間距不同的多個(gè)鉆孔連續(xù)爆破

4 爆破前后抽采效果對(duì)比

煤體實(shí)施液態(tài)CO2預(yù)裂爆破后，其透氣性系數(shù)將發(fā)生明顯提升，通過Comsol Multiphysics 5.0 軟件開展模擬，主要研究CO2預(yù)裂爆破前后有效影響半徑的變化情況。在煤層原巖應(yīng)力未受到采動(dòng)影響時(shí)，煤層中的瓦斯保持吸附與解吸的平衡狀態(tài)；當(dāng)原巖應(yīng)力被破壞后，煤層瓦斯原來的吸附和解吸的平衡狀態(tài)被打破，煤體中的瓦斯開始由高壓區(qū)運(yùn)移至低壓區(qū)。為了方便開展計(jì)算，將瓦斯抽采模型簡化成二維，主要研究鉆孔徑向上瓦斯的變化規(guī)律。為了確保持續(xù)不斷進(jìn)行抽采瓦斯，將模型四周邊界設(shè)置是壓力邊界，其大小近似與瓦斯壓力0.3 MPa 相等，設(shè)置鉆孔的抽采負(fù)壓為13 kPa。煤層基礎(chǔ)參數(shù)見表3。

表3 煤層基礎(chǔ)參數(shù)

4.1 爆破前瓦斯抽采效果

圖3 為未實(shí)施CO2預(yù)裂爆破技術(shù)前瓦斯抽采壓力場的變化情況，當(dāng)瓦斯抽采負(fù)壓不變時(shí)，隨著時(shí)間的延長瓦斯抽采有效影響半徑逐漸擴(kuò)大，根據(jù)搜集的數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)分析軟件畫出有效影響半徑與瓦斯抽采時(shí)間二者之間的變化曲線，如圖4。從圖4發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采有效影響半徑與抽采時(shí)間二者之間成指數(shù)增加的關(guān)系，瓦斯抽采鉆孔的有效影響半徑隨著抽采時(shí)間的延長，其增加幅度在逐漸減緩，因?yàn)槊簩拥耐笟庑韵禂?shù)低，在抽采60 d后瓦斯抽采鉆孔的有效影響半徑只有1.5 m。

圖3 隨著抽采時(shí)間瓦斯抽采有效影響半徑發(fā)生的變化

圖4 瓦斯抽采壓力變化情況

4.2 爆破后瓦斯抽采效果

圖5 是CO2預(yù)裂爆破后煤層鉆孔瓦斯抽采壓力場變化情況，圖6 為鉆孔瓦斯抽采有效影響半徑隨著抽采時(shí)間的關(guān)系情況。從圖6 得到，實(shí)施CO2預(yù)裂爆破后，在抽采10 d 時(shí)瓦斯抽采有效影響半徑增加到1.5 m，最終穩(wěn)定在2.5 m，打破了煤層的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象煤層內(nèi)部形成無數(shù)的裂縫裂隙，顯著提高了煤層透氣性，瓦斯抽采有效影響半徑也得到大幅度的增加，取得了良好的爆破增透效果。

圖5 瓦斯抽采壓力變化情況

圖6 隨著抽采時(shí)間瓦斯抽采有效影響半徑發(fā)生的變化

4.3 爆破后瓦斯抽采濃度和抽采流量的變化

液態(tài)CO2爆破后煤層透氣性系數(shù)的變化如圖7 所示，從圖7得到爆破后煤體產(chǎn)生大量的裂隙裂縫，瓦斯運(yùn)移的通道增多，煤層透氣性明顯提高，煤層透氣性系數(shù)提高了17.52～21.98倍。

圖7 透氣性系數(shù)變化情況

圖8 瓦斯抽采濃度變化情況

圖9 瓦斯抽采混量變化情況

爆破前后瓦斯抽采濃度和流量對(duì)比如圖8、9 所示，瓦斯抽采濃度平均提高55.9%，瓦斯抽采混合流量提高43.1%，原因是液態(tài)CO2爆破打破了煤層原巖應(yīng)力條件，瓦斯解吸和吸附的平衡狀態(tài)被破壞，吸附態(tài)瓦斯開始向游離態(tài)轉(zhuǎn)變。另外，大量CO2氣體填充至孔隙中，由于煤基質(zhì)對(duì)CH4的吸附能力遠(yuǎn)小于CO2，迫使煤體大量的CH4解吸出來，保證了煤層中高濃度瓦斯不斷被抽采至管路中，隨著CO2氣體的減少，吸附態(tài)CH4的解吸速度減慢，最終達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

5 結(jié)論

（1）將物理爆炸原理應(yīng)用至液態(tài)CO2預(yù)裂爆破增透中，獲得了液態(tài)CO2致裂爆破形成的有效影響半徑的計(jì)算公式。

（2）數(shù)值模擬分析控制孔的存在對(duì)爆破效果的影響以及不同爆破參數(shù)的液態(tài)CO2爆破效果，因自由面會(huì)反射爆破產(chǎn)生的沖擊波，控制孔能顯著提高有效影響半徑；當(dāng)爆破參數(shù)為5 m×7 m時(shí)，可取得最佳的爆破效果。

（3）模擬實(shí)施爆破技術(shù)前后單孔瓦斯抽采效果，結(jié)果證明未實(shí)施爆破技術(shù)時(shí)抽采60天時(shí)，抽采鉆孔的有效影響半徑只有1.5 m；實(shí)施爆破技術(shù)后抽采僅10 d時(shí)，抽采鉆孔的有效影響半徑就增至1.5 m，液態(tài)CO2致裂爆能明顯改善煤層的透氣性，確保高濃度瓦斯的持續(xù)抽采。