煤巷掘進(jìn)工作面CO2相變致裂防治煤與瓦斯突出技術(shù)

劉立平 王海東

(1.陽(yáng)煤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 045000;2.華北科技學(xué)院，河北 065201)

1 CO2相變致裂技術(shù)

1.1 CO2相變致裂技術(shù)原理

CO2相變致裂技術(shù)原理主要是利用CO2從液態(tài)相變到氣態(tài)瞬間氣化膨脹并產(chǎn)生高壓，剪斷剪切片，高壓氣體從泄爆口釋放，二氧化碳致裂器是由一個(gè)高強(qiáng)度的可以重復(fù)使用的充裝液態(tài)CO2致裂筒體、加熱器(發(fā)熱裝置)、定壓泄能機(jī)構(gòu)等組成。將致裂筒體器置于煤體鉆孔內(nèi)，使用發(fā)爆器啟動(dòng)加熱器，加熱內(nèi)部的液態(tài)二氧化碳成為氣體，管道中壓力持續(xù)增大壓迫定壓泄能機(jī)構(gòu)，使其中的定壓卸能片破斷，隨后釋放出體積擴(kuò)大600倍的CO2氣體進(jìn)行爆破致裂。CO2相變致裂器實(shí)物及組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—充裝體;2—加熱體;3—致裂器筒體;4—剪切片;5—泄爆口;6—連接體;7—螺旋排粉葉片圖1 液態(tài)CO2致裂器結(jié)構(gòu)圖

1.2 CO2相變致裂壓力理論分析

CO2由液態(tài)轉(zhuǎn)變氣態(tài)的相變過(guò)程所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物就是處于高溫高壓狀態(tài),在致裂器內(nèi)液態(tài)CO2一般為8MPa左右,瞬間氣化溫度為200℃左右，密度與固體接近,因此，CO2相變過(guò)程應(yīng)采用高溫高壓氣體的狀態(tài)方程。本文結(jié)合前人研究理論公式，用來(lái)計(jì)算CO2相變過(guò)程致裂強(qiáng)度，明確提出了適用于CO2相變致裂強(qiáng)度的理論計(jì)算公式為CO2相變致裂器產(chǎn)品研制提供必要的理論支撐。

根據(jù)董賽鷹等人提出的高溫高壓氣體,做以進(jìn)一步簡(jiǎn)化,則可適用于液態(tài)CO2液氣兩相轉(zhuǎn)變臨界氣體狀態(tài)方程，下面為高溫高壓氣體狀態(tài)方程的對(duì)比形式：

(1)

(2)

利用(2)式則(1)式又可寫(xiě)為

(3)

由于液態(tài)CO2是在8MPa形式下壓入爆破筒內(nèi)，臨界體積可以近似等于1，即：VR=1,這樣以上狀態(tài)方程就變成如下的簡(jiǎn)單形式:

(4)

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中我們可以用(4)式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，在常溫下，壓力達(dá)到8MPa時(shí)，相對(duì)溫度達(dá)到4.5以上時(shí)，爆破強(qiáng)度可達(dá)到270MPa左右。

2 CO2相變致裂防突機(jī)理分析

2.1 CO2相變致裂煤體裂隙生成機(jī)理分析

煤體鉆孔內(nèi)采用CO2相變致裂孔周?chē)艿貞?yīng)力作用的煤體任意一點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)圖可以用圖2表示，根據(jù)彈性力學(xué)可知炮孔周?chē)我庖稽c(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為：

(5)

式中：σrrgeo、σθθgeo、σrθgeo分別為極坐標(biāo)下煤體任一點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)；σyygeo為豎向地應(yīng)力分量；K為水平地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)；θ為極坐標(biāo)與水平方向的夾角。

圖2 地應(yīng)力作用下炮孔附近煤體的應(yīng)力狀態(tài)

楊小林等通理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)的研究結(jié)果，認(rèn)為采用炸藥情況下進(jìn)行煤體爆破損傷是爆炸沖擊波、爆炸應(yīng)力波、爆生氣體和瓦斯氣體共同作用的結(jié)果，并將煤體爆破損傷分為爆炸波作用的初始階段和爆生氣體與瓦斯氣體作用的后期階段；那么采用CO2相變致裂時(shí)壓力較小，較炸藥爆破能量相差近一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)為鉆爆一體，即泄爆口通過(guò)煤粉與實(shí)體煤壁緊密接觸，所以只應(yīng)考慮爆炸應(yīng)力波、高壓氣體和瓦斯氣體共同作用即可達(dá)到理論計(jì)算的目的。

爆炸波作用下煤體初始裂隙的力學(xué)模型如圖3所示：L為爆炸應(yīng)力波作用下初始裂隙區(qū)沿炮孔徑向的長(zhǎng)度，m。

圖3 爆炸波作用下煤體初始裂隙力學(xué)模型

鑒于彈性應(yīng)力波在煤體內(nèi)隨傳播距離的變化規(guī)律可表示為：

P=Ps(r′)-α

(6)

式中：r′=r/rb，r′為比距，rb為炮孔半徑，m；r為距爆破筒中心的距離，m；α=[2+μ/(1-μ)]為沖擊波在粉碎區(qū)內(nèi)的衰減系數(shù)，可近似取2，μ為泊松比。

根據(jù)泊松比效應(yīng)，爆炸應(yīng)力波在裂隙區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力峰值σθθmax，Pa：

σθθmax=P[( μ/(1-μ))(rb/r)α

(7)

以往關(guān)于應(yīng)力波作用下初始裂隙區(qū)的理論分析大都沒(méi)有考慮地應(yīng)力的影響，由于裂隙區(qū)內(nèi)爆炸應(yīng)力波的峰值較粉碎區(qū)內(nèi)沖擊波峰值小很多，若煤層的地應(yīng)力水平較高，尤其是高地應(yīng)力情況下，應(yīng)考慮地應(yīng)力對(duì)煤體初始裂隙擴(kuò)展的影響，因此，初始裂隙區(qū)內(nèi)煤體任意一點(diǎn)的總切向應(yīng)力：

σθθ1=σθθgeo+σθθmax

(8)

以煤體的動(dòng)抗拉強(qiáng)度σdt，Pa，取代式(8)中的σθθ1，Pa，可求得爆炸應(yīng)力波引起的煤體初始裂隙長(zhǎng)度：

L=rb[(μPm/(1-μ)/(σdt-σθθgeo))1/α-1]

(9)

依據(jù)前面的計(jì)算公式(4)可以確定CO2相變致裂應(yīng)力波波峰值為定值。

2.2 煤體爆破中遠(yuǎn)區(qū)裂隙擴(kuò)展的理論分析

高壓CO2氣體作用下擴(kuò)展初始裂隙生成爆破中遠(yuǎn)裂隙區(qū)的力學(xué)模型如圖4所示。圖示中t為時(shí)間，s；Pg是t時(shí)刻裂隙內(nèi)高壓氣體的峰值壓力，Pa；Pmg是煤層的原始瓦斯壓力， Pa； L(t)為t時(shí)刻裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度，m；a是裂紋擴(kuò)展的總長(zhǎng)度，m。

圖4 高壓氣體作用下煤體裂隙的擴(kuò)展模型

與煤層地應(yīng)力和高壓CO2氣體相比，裂隙內(nèi)瓦斯壓力的變化可忽略不計(jì)，在裂隙擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程中可認(rèn)為瓦斯壓力為定值。因此，徑向擴(kuò)展裂隙的尖端周向應(yīng)力σθθ，m，可表達(dá)為：

σθθ=Pg(t)+Pmg+σθθgeo

(10)

當(dāng)裂紋尖端的周向應(yīng)力σθθ小于煤體或煤體原生裂隙的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度σdt時(shí)，徑向初始裂隙才停止擴(kuò)展，形成爆破中遠(yuǎn)裂隙區(qū)。因此，爆破中遠(yuǎn)區(qū)裂隙擴(kuò)展的條件為：

σθθ>σdt=Pg(t)+Pmg+σθθgeo>σdt

(11)

圖5 8406回采工作面CO2相變致裂示意圖

鑒于高壓CO2氣體在煤巖體裂隙內(nèi)的傳播過(guò)程極為復(fù)雜，以往關(guān)于氣體致裂的研究只考慮高壓氣體隨裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度的變化規(guī)律。李寧和陳莉靜等借鑒Nilson等的研究成果，采用式(12)表示高壓CO2氣體在裂隙內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律：

Pg(x,t)=Pg0[1-((x-rb)/a)t]

(12)

式中：Pg0是高壓CO2氣體流入初始裂隙時(shí)的壓力，Pa；x為t時(shí)刻裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度，m。

采用式(13)來(lái)反映裂隙內(nèi)高壓CO2氣體隨時(shí)間的衰減規(guī)律：

Pg(x,t)=Pg0(1-α)t

(13)

式中：α為裂隙開(kāi)裂的相對(duì)速度，α=vc/CP，vc為裂隙的穩(wěn)定擴(kuò)展速度0.38CP，m/s。式(13)表明，高壓CO2氣體隨裂隙擴(kuò)展的衰減規(guī)律即與裂隙擴(kuò)展速度或長(zhǎng)度有關(guān)，又與裂隙的擴(kuò)展時(shí)間有關(guān)，這與只考慮和裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度因素相關(guān)的高壓CO2氣體衰減規(guī)律相比更為合理。

那么，煤層深孔爆破裂隙最終擴(kuò)展的長(zhǎng)度為：

a=L(t1)=0.38Cpt1

(14)

式中：t1為裂紋擴(kuò)展所經(jīng)歷的時(shí)間，s。

聯(lián)立式(2)、式(11)、式(13)和式(14)，可得到高壓CO2氣體作用下，裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度。

3 煤礦井下爆破試驗(yàn)

3.1 工作面概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為陽(yáng)煤(集團(tuán))五礦8406回采工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面,老頂為中粒砂巖,直接頂為砂巖,厚度為6.24m,有0.2～0.3m厚的泥巖偽頂,底板為砂質(zhì)泥巖,煤層傾角為6°,構(gòu)造軟煤分層厚度為0.1～0.3m，煤層瓦斯含量9m3/t，煤層瓦斯壓力P值為0.56MPa，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.45,巷道掘進(jìn)速度平均為150m/月,回風(fēng)流最高瓦斯?jié)舛纫话銥?.5%左右，瓦斯吸附常數(shù)a=42.988m3/t，b=0.986MPa-1,ΔP=15,透氣性系數(shù)為3.15m2/(MPa2d),煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

3.2 CO2相變致裂技術(shù)防突措施有效性檢驗(yàn)

8406回采工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面瓦斯治理區(qū)域措施為底板巷穿層孔區(qū)域預(yù)抽，主要是從底板巷施工穿層鉆孔，鉆孔直徑φ94mm，間距為5m，百米鉆孔抽采瓦斯量為0.002m3/min，工作面期間掘進(jìn)采用CO2相變致裂技術(shù)作為局部防突措施，采用預(yù)測(cè)、防突措施、措施效果檢驗(yàn)和安全防護(hù)措施“四位一體” 綜合防突技術(shù)思路，即首先進(jìn)行區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)的煤層瓦斯含量小于8m3/t 證明區(qū)域預(yù)抽措施有效，允許掘進(jìn)。然后進(jìn)行局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，效檢指標(biāo)采用鉆屑指標(biāo)法,其臨界值S=4.5kg，Δh2=200,當(dāng)預(yù)測(cè)無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)，留出預(yù)測(cè)超前距進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè);預(yù)測(cè)有突出危險(xiǎn)時(shí)采用液態(tài)CO2爆破防突措施，然后進(jìn)行效果檢驗(yàn)，措施效果檢驗(yàn)有效后，留出效檢超前距采進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。

3.3 CO2相變致裂防突技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)中共布置3個(gè)順層鉆孔作為爆破孔號(hào)為1#～3#，三花布置，布置4個(gè)鉆孔為控制孔為 4#～7#，深度60m，孔徑94 mm，布置如圖5。

3.4 試驗(yàn)情況

8406回采工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面經(jīng)過(guò)穿層鉆孔預(yù)抽1個(gè)月后開(kāi)始掘進(jìn)，掘進(jìn)期間采用邊掘邊抽的方法掩護(hù)掘進(jìn)，掘進(jìn)單間測(cè)定煤層瓦斯含量為7.5m3/t,爆破前，掘進(jìn)區(qū)打鉆期間，煤屑量大，細(xì)煤粉多，有卡鉆、吸鉆現(xiàn)象，孔內(nèi)瓦斯涌出異常但局部檢測(cè)指標(biāo)S、Δh2經(jīng)常超過(guò)臨界值(瓦斯深度1.1%～1.3%)，爆破后，炮眼周?chē)后w的破裂與松動(dòng)形成卸壓圈，其煤層透氣性系數(shù)大大增加，使煤體瓦斯得以提前緩慢排放、瓦斯壓力下降，同時(shí)改善了煤體應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)幾次爆破前后煤層瓦斯放散初速度和鉆屑量測(cè)定比較，可以看出，爆破后煤層瓦斯放散初速度及鉆屑量明顯減小，通過(guò)爆破前、爆破后生產(chǎn)期間瓦斯涌出情況比較可以看出，爆破后由于爆破生成裂隙，煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，煤體內(nèi)瓦斯重新分布，生產(chǎn)期間瓦斯涌出趨于均衡，瓦斯突高突低涌出現(xiàn)象變少。

采取CO2相變致裂技術(shù)措施后突出指標(biāo)2m間距檢測(cè)值均低于臨界值，充分顯示了深孔控制爆破消突措施的有效性和可靠性，瓦斯涌出量明顯減少，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉档?.5%以下。平均月進(jìn)尺達(dá)到120m/月，最高達(dá)到150m/月,較排放鉆孔等常規(guī)防突措施掘進(jìn)速度提高到1.5倍以上，圖6為致裂前后瓦斯放散初速度及鉆屑量變化規(guī)律。采取CO2相變致裂消突措施后，瓦斯涌出量增加,突出指標(biāo)明顯降低。因此采取CO2相變致裂消突措施是掘進(jìn)工作面作業(yè)安全的重要保證，同時(shí)試驗(yàn)表明，采取措施后杜絕了掘進(jìn)期間及鉆孔施工過(guò)程出現(xiàn)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

圖6 采用CO2相變致裂前后煤體鉆屑指標(biāo)變化示意圖

3.5 CO2相變致裂技術(shù)措施評(píng)價(jià)

(1)采用CO2相變致裂技術(shù)措施8406回采工作面試驗(yàn)期間掘進(jìn)500m，局部預(yù)測(cè)指標(biāo)Δh2僅超過(guò)臨界值2次,因此,CO2相變致裂措施能夠很好地適應(yīng)于煤與瓦斯突出煤層掘進(jìn)消突，措施執(zhí)行時(shí)間短瓦斯在采取措施期間大量釋放,保證了有效掘進(jìn)時(shí)間，掘進(jìn)速度大幅度提高措施后，措施重復(fù)率低,措施執(zhí)行時(shí)間短，掘進(jìn)的有效時(shí)間增加煤巷掘進(jìn)速度提高到原來(lái)的1.5倍以上,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

(2)掘進(jìn)過(guò)程安全,采取CO2相變致裂措施過(guò)程中,掘進(jìn)工作面煤體原應(yīng)力集中帶向前方和巷道的兩幫深部轉(zhuǎn)移,卸壓較快,瓦斯得到充分釋放。掘進(jìn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生突出,而且,采取措施后在致裂期間和正常掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛炔怀蓿诖胧┯行Х秶鷥?nèi)掘進(jìn)致裂后瓦斯涌出呈現(xiàn)遞減的規(guī)律,致裂后瓦斯?jié)舛茸畲鬄?0.85%。