CO2致裂增透機理及影響因素模擬分析

張兵兵 崔曉榮 陳晶晶

(宏大爆破有限公司，廣東省廣州市，510000)

CO2致裂增透技術源于國外，最早用于大型水庫、堤壩附近的爆破工作，可適用于易燃、可燃材料的處理，且不屬于傳統的爆破范疇，應用范圍較廣。近年來國內很多學者逐漸認識到了CO2致裂增透技術的優越性，通過改進技術和致裂裝置的不斷更新升級，將這項致裂增透技術引入到了煤炭開采領域。該技術具備安全可靠的特點，適用于低透氣性煤層，可有效地增加裂隙擴展范圍，從而提高煤體的透氣性。

孫可明等模擬分析了不同爆生氣體壓力作用下的CO2致裂過程，認為致裂產生的裂隙擴展范圍與超臨界CO2爆生氣體壓力有關；曹運興在潞安礦區的5所煤礦進行了CO2致裂增透的現場試驗，認為煤層受致裂鉆孔的影響，產生了一個復雜且具有高滲透性的裂縫網絡，對于提高瓦斯抽采效率作用效果良好；王兆豐在河南九里山煤礦進行了液態CO2相變致裂試驗，致裂后各項評價指標較致裂前都有了很大提高，增透效果顯著；郭愛軍等在寺家莊某進風巷進行了瓦斯鉆孔施工及CO2致裂孔布置試驗，試驗表明：致裂孔周邊位置瓦斯濃度較低，瓦斯抽采效果好，形成了以致裂孔為中心的內側瓦斯濃度降低區和外側瓦斯濃度升高區。

綜上所述，CO2致裂增透技術應用在低透氣性煤層中，加速了煤層原生裂隙的擴展發育。但對于CO2致裂增透技術的影響因素方面，相關的研究資料較少，尤其是地應力與煤體普氏系數的影響。因此，開展地應力及煤體普氏系數與CO2致裂增透效果的數值模擬研究有著一定的研究意義。

1 CO2致裂增透機理

煤層卸壓可采用爆破的方式進行處理，而爆破可分為物理爆破與化學爆破。傳統的化學爆破主要為炸藥爆破，其利用炸藥在介質中產生強大的沖擊波來實現破碎煤巖體的目的。但在一些特殊區域如高瓦斯煤層，炸藥爆破則不能適用，故需要一種更為有效的卸壓方式。而新型的CO2致裂增透技術屬于物理爆破的一種，具有安全可靠的特性，不會在煤層中產生火花及引起煤層瓦斯爆炸，可較好地達到卸壓增透的效果。

在高壓狀態，氣態的CO2可轉化為液態，可利用特有的致裂管裝置進行儲存。受外界引爆裝置的影響，在受熱狀態下，液態的CO2迅速向氣態轉化，體積迅速膨脹，巨大的能量在有限的致裂管中沿著釋放孔向煤層中急劇釋放，可在一定程度上破壞煤體的原生結構，形成一定區域的裂隙擴展區，使得部分裂隙形成相互貫通，進而達到致裂的效果。由于CO2致裂的壓力小于炸藥的破壞能力，且致裂壓力可通過調節致裂管實現，處于可控范圍，不會破壞煤體的主體結構。液態CO2引爆后，會在致裂鉆孔周圍產生不同區域，如圖1所示。

1—鉆孔；2—破碎區；3—裂隙區；4—震動區圖1 致裂形成的區域

裂隙區的范圍越大，致裂的效果越好。但裂隙的擴展不僅受到致裂壓力的影響，同時還要受到地應力與煤層普氏系數的制約，因此，有必要開展地應力與煤層普氏系數對CO2致裂效果影響規律的研究。

2 應力對煤層裂隙的影響

2.1 應力與煤體滲透能力的關系

CO2致裂增透效果受應力的影響較大，而煤層的應力又與煤層埋深密切相關。當煤層埋深較大時，相對于淺埋煤層而言，煤體的滲透能力下降幅度較大。當保持煤層瓦斯壓力不變時，應力與煤體滲透率存在一定的聯系，即垂直應力越高，煤體的滲透能力越低。隨著應力的增加，煤層將呈現難以滲透的趨勢。故應力的存在，一定程度上阻礙了煤層裂隙的進一步擴展。

2.2 應力對煤層裂隙擴展的力學分析

應力越高，導致煤體透氣性能力越低，進而影響到煤層裂隙的擴展發育程度。故對應力與煤層裂隙擴展二者之間的關系進行力學分析有著一定的意義。由于煤層受圍巖壓力的不斷影響，故可建立如圖2所示的煤層裂隙擴展模型，分析煤體裂隙擴展與應力之間的關系。

圖2 煤體裂隙擴展模型

簡化后，在應力作用下I、II型裂紋的應力強度因子滿足：

(1)

K——側壓系數；

β——裂隙與垂直應力的夾角，(°)；

KI、KII——應力作用下裂紋的I型和II型應力強度因子，MPa·m1/2；

a——裂隙長度的一半，m。

由式(1)可以得出，隨著應力的增加，對應的應力強度因子呈現不斷減小的趨勢，阻礙了致裂產生的裂隙進一步擴展發育。故如何有效地降低煤層地應力大小，對煤層進行卸壓處理，是必須要解決的一項工作。

3 CO2致裂增透效果數值模擬分析

3.1 數值模型的建立

某煤礦膠帶下山煤層巷道埋深為400 m，煤層平均煤厚為6.05 m，煤層傾角僅為3°，可認為是近水平煤層。致裂孔直徑選取94 mm，處于計算域中心，且單個CO2致裂器長度為1.5 m，裝入液態CO2質量為1.5 kg。采用FLAC3D模擬軟件建立煤層液態CO2爆破動力有限差分數值模型時，計算域為10 m×10 m×5 m，采用模型參數轉化后的Mohr-Coulomb準則，先施加應力，對CO2致裂孔進行靜力計算，此時的邊界條件為固定模型四周及底部。再對致裂裂隙擴展進行動力計算，此時的邊界條件為模型四周和底部為粘彈性自由邊界場。煤層的相關力學參數：密度為2500 g/cm3，彈性模量為622 MPa，泊松比為0.25，內聚力為2.25 MPa，內摩擦角為47°，抗壓強度σc為4.57 MPa，抗拉強度σt為0.48 MPa。對應的CO2致裂模型如圖3所示。

圖3 CO2致裂增透模型

3.2 數值模擬方案

(1)模擬垂直應力分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa以及水平側壓系數分別為0.5、1、1.5、2對CO2致裂增透效果的影響。分析鉆孔周邊圍巖塑性區范圍的變化，得出應力與致裂半徑對應的關系。

(2)模擬煤體普氏系數分別為0.1、0.3、0.5、0.7時，對CO2致裂增透效果的影響。分析鉆孔周邊圍巖塑性區范圍的變化，得出煤體普氏系數與致裂半徑對應的關系。

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1 不考慮水平應力的影響

不同垂直應力對致裂效果的影響規律如圖4所示。致裂半徑隨垂直應力的變化曲線如圖5所示。

圖4 垂直應力對致裂效果的影響規律

由圖5可知，單致裂孔作用下，當應力為10 MPa時，CO2致裂半徑可達1.1 m；且隨著地應力增加，致裂半徑范圍逐漸減少，表明垂直應力對煤層致裂增透效果的阻礙作用增強，一定程度上驗證了理論分析的正確性；垂直應力分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa時對應的致裂半徑分別為1.1 m、0.7 m、0.65 m。另外，隨著應力的增加，致裂半徑減小幅度逐漸降低。通過對塑性區變化情況的分析，可得致裂影響區域隨垂直應力的增加逐漸減小。

圖5 致裂半徑隨垂直應力的變化曲線

3.3.2 考慮水平應力的影響

在煤層實際賦存中，煤層不僅受垂直應力的影

響，同時還受水平應力的作用，因此研究不同水平側壓系數對致裂半徑的影響，更切合實際情況。由于巷道埋深約為400 m，固定地應力為10 MPa，分析不同的水平側壓系數，即λx=λy=0.5、1.0、1.5、2.0時，致裂半徑隨水平應力的變化關系。水平側壓系數對致裂效果的影響規律如圖6所示。

致裂半徑隨水平側壓系數的變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，隨著水平側壓系數λx的增加，即煤層水平應力的增加，側壓系數為0.5時對應的裂隙區范圍為1.2 m，當側壓系數增加至2.0時裂隙區的范圍為1.7 m，表明側壓系數的增加，有利于水平方向裂隙的擴展發育，但當水平側壓系數大于2時，曲線趨于平緩，即裂隙半徑逐漸趨于穩定。水平側壓系數為0.5、1、1.5、2時，對應的致裂半徑分別為0.6 m、0.82 m、0.85 m、0.85 m。

圖6 水平側壓系數對致裂效果的影響規律

3.3.3 煤體普氏系數的影響

煤體是一個復雜結構，煤層自身賦存狀態的不同，導致原始裂隙發育程度也不相同。為了研究煤層自身屬性對致裂效果的影響，分析了不同煤體普氏系數對致裂效果的影響，主要觀察對應的塑性區變化情況，模擬結果有助于更好解釋不同煤體自身賦存狀態對致裂半徑的影響。普氏系數對致裂效果的影響規律如圖8所示。

圖7 致裂半徑隨水平側壓系數的變化曲線

致裂半徑隨普氏系數的變化曲線如圖9所示。由圖9可以看出，隨著煤體普氏系數的增加，煤層塑性區的范圍呈現增加的趨勢；當煤體硬度較小時，裂隙擴展范圍也較小，究其原因在于，煤體松軟時原生裂隙發育程度較高，CO2致裂產生的沖擊波和爆生氣體壓力峰值較低，沖擊波衰減速率快，產生的裂隙區影響區域小；若煤體硬度增加時，煤體受致裂的影響范圍越大，裂隙擴展程度擴大，但隨著普氏系數的增加，致裂影響半徑的增加幅度呈緩慢增加的趨勢；普氏系數增至一定程度后，致裂半徑影響范圍將趨于穩定不變。煤體普氏系數分別為0.1、0.3、0.5、0.7時對應的致裂半徑分別為0.9 m、0.92 m、1.0 m、1.1 m。

圖8 普氏系數對致裂效果的影響規律

4 結論

(1)分析了CO2致裂增透技術的優點及作用機理，研究了應力與煤層透氣性的關系，建立了地應力與煤層裂隙擴展相互作用力學模型，得出垂直應力的存在阻礙了煤層裂隙的進一步擴展發育，需要進行有效的卸壓處理。

圖9 致裂半徑隨普氏系數的變化曲線

(2)建立了CO2致裂增透的數值模擬模型，給出了數值模擬方案。并對不同地應力作用下的塑性區、致裂半徑的變化情況進行了分析。得出隨著垂直應力增加，煤層裂隙的擴展范圍不斷減小，而水平應力越大，越有利于水平裂隙的擴展。當應力大到一定程度時，致裂半徑隨應力的變化趨于平緩。

(3)采用數值模擬的方法分析了煤體普氏系數對CO2致裂增透的影響規律，隨著煤體普氏系數的增加，煤層塑性區的范圍呈現增加的趨勢。普氏系數增至一定程度后，致裂半徑影響范圍將趨于穩定不變。