二氧化碳相變預裂增透爆破參數優化研究

畢建乙

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西呂梁，033602）

0 引言

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

針對這種現象，科研工作者提出了液態CO2致裂增透技術，周西華等[9]基于損傷力學和空氣動力學，分析液態CO2爆破過程中致裂筒主管內高壓氣體的壓力時程變化，現場試驗發現爆破后煤層透氣性系數提高17.49～22.76 倍；王海東[10]在晉能集團馬堡煤礦開展試驗，得到在掘進工作面實施CO2可控相變致裂防突技術后，相對常規密集排放鉆孔消突技術，CO2可控相變致裂防突技術鉆屑瓦斯解吸指標Δh2較少50%，瓦斯抽采量增大2倍，顯著提高掘進速度；何福勝等[11]在高瓦斯低透氣性煤層實施CO2相變致裂爆破增透技術，通過理論分析和FLAC3D數值模型，得到當爆破參數為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，借助理論分析和數值模擬的方法，研究液態CO2致裂增透技術[12-13]，并在18205 材料巷開展現場試驗，對比分析爆破前后瓦斯抽采效果，實現低透氣性煤層高效率回采目的[14]。

1 CO2爆破裂隙圈半徑計算公式

采用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量計算方法計算型號為MZL200-1180/50的爆破器TNT當量，定壓泄能片的極限壓力為200 MPa，儲液管的容積約1L，裝液量為1 kg。液態CO2爆破時釋放的能量可用下式計算：

式中：Eg為氣體爆破能量，kJ；P1為主管內氣體壓力，MPa；P2為標準大氣壓力，取0.101 MPa；V為主管體積，m3；K為CO2絕熱指數，取1.295。

將數據代入式（1），可得出液態CO2爆破器啟動后釋放的能量為764 kJ。液態CO2爆破器的近似TNT 當量WTNT采用式（2）計算:

式中: QTNT為1 kgTNT 爆炸能，取4 250 kJ/kg。

經過計算，型號為MZL200-1180/50的液態CO2爆破器的當量約為180 gTNT。

壓縮氣體或液體爆破之后所產生的沖擊波壓力計算式為：

式中：p-透射入巖石的初始壓力，MPa；

ρ0-二氧化碳的密度，kg/cm3；

Dv-爆炸的速度，m/s；

K-不耦合系數；

lc-軸向系數，表示軸向不留空氣柱；

γ-爆轟產物的膨脹絕熱指數。一般取γ=3；

n-爆炸產物膨脹碰壁時的壓力增大系數，一般取n=10。

通過查閱文獻發現沖擊波波陣面上的超壓取決于產生沖擊波的能量，還和距爆炸中心的距離有關。具有能量E 的爆源爆炸短時間釋放至爆源內部，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。

根據以上公式推算出爆源在爆炸時，所產生的爆破裂隙圈半徑R的計算公式是：

2 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣礦區，屬于河東煤田離柳礦區，隸屬于山西焦煤西山煤電有限責任公司，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 型上行通風方式，瓦斯涌出量是14.15 m3/min，導致上隅角、工作面瓦斯濃度較大，嚴重制約著工作面的快速開采。

3 數值模擬

3.1 控制孔對多孔爆破的的數值模擬

應力波和沖擊波在煤體介質中是以負指數衰減的規律進行傳播，而且在高應力和地應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單個鉆孔CO2致裂爆破后產生的裂隙區域的半徑大小。通過實驗室測定得到地應力是10 MPa時，單個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。

開展數值模擬時設置CO2致裂器間距為10 m和爆破孔間距為12 m，在兩個致裂孔中點處設置一個控制孔以增加自由面。構建多個鉆孔持續開展液態CO2致裂爆破的FLAC3D模型參數見表1，其中間隔布置致裂鉆孔和控制孔，以等效均布壓的方法在模型頂部施加覆巖重力10 MPa。

表1 煤層基礎參數

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

圖1 液態CO2爆破效果對比

研究結果證明：控制孔的半徑越大，爆破后裂隙區的影響面積就越大。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值模擬

設置10 MPa 的地應力，構建模型的尺寸為40×50×5 m3，劃分網格80 000 個，共有節點89 991 個。采用三組爆破筒間距和爆破孔間距不同的參數開展模擬，分別是8 m×10 m、6 m×8 m和5 m×7 m，模型的物理力學參數見表2，模擬結果如圖2所示。

表2 模型力學參數

由圖1 可得，當爆破器間距和爆破器間距分別為10 m和12 m時，相鄰的兩個爆破孔之間在爆破后出現空白區，未能達到增透效果，而如果縮小爆破器間距和爆破孔間距，將會使爆破區域互相疊加，顯著削弱爆破能力，爆破成本明顯增加，同時爆破增多會使煤體嚴重破碎，工作面回采將會受到影響。從圖2（a）發現，當爆破參數為8 m×10 m（爆破器間距和爆破孔間距）時，爆破效果不理想；當爆破參數為6 m×8 m 時，相對圖2（a）爆破有效半徑明顯增加，但是仍然存在部分空白區域不能達到增透效果；當爆破參數為5 m×7 m時，爆破孔間周圍全部區域都在CO2有效爆破面積內，取得良好的爆破效果。即當爆破器間距5 m 和爆破孔間距7 m，液態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鉆孔連續爆破

4 爆破前后抽采效果對比

煤體實施液態CO2預裂爆破后，其透氣性系數將發生明顯提升，通過Comsol Multiphysics 5.0 軟件開展模擬，主要研究CO2預裂爆破前后有效影響半徑的變化情況。在煤層原巖應力未受到采動影響時，煤層中的瓦斯保持吸附與解吸的平衡狀態；當原巖應力被破壞后，煤層瓦斯原來的吸附和解吸的平衡狀態被打破，煤體中的瓦斯開始由高壓區運移至低壓區。為了方便開展計算，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律。為了確保持續不斷進行抽采瓦斯，將模型四周邊界設置是壓力邊界，其大小近似與瓦斯壓力0.3 MPa 相等，設置鉆孔的抽采負壓為13 kPa。煤層基礎參數見表3。

表3 煤層基礎參數

4.1 爆破前瓦斯抽采效果

圖3 為未實施CO2預裂爆破技術前瓦斯抽采壓力場的變化情況，當瓦斯抽采負壓不變時，隨著時間的延長瓦斯抽采有效影響半徑逐漸擴大，根據搜集的數據，借助數據分析軟件畫出有效影響半徑與瓦斯抽采時間二者之間的變化曲線，如圖4。從圖4發現瓦斯抽采有效影響半徑與抽采時間二者之間成指數增加的關系，瓦斯抽采鉆孔的有效影響半徑隨著抽采時間的延長，其增加幅度在逐漸減緩，因為煤層的透氣性系數低，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 隨著抽采時間瓦斯抽采有效影響半徑發生的變化

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間的關系情況。從圖6 得到，實施CO2預裂爆破后，在抽采10 d 時瓦斯抽采有效影響半徑增加到1.5 m，最終穩定在2.5 m，打破了煤層的原巖應力平衡狀態，產生失穩現象煤層內部形成無數的裂縫裂隙，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 隨著抽采時間瓦斯抽采有效影響半徑發生的變化

4.3 爆破后瓦斯抽采濃度和抽采流量的變化

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

圖7 透氣性系數變化情況

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CO2爆破打破了煤層原巖應力條件，瓦斯解吸和吸附的平衡狀態被破壞，吸附態瓦斯開始向游離態轉變。另外，大量CO2氣體填充至孔隙中，由于煤基質對CH4的吸附能力遠小于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CH4的解吸速度減慢，最終達到穩定平衡狀態。

5 結論

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

（2）數值模擬分析控制孔的存在對爆破效果的影響以及不同爆破參數的液態CO2爆破效果，因自由面會反射爆破產生的沖擊波，控制孔能顯著提高有效影響半徑；當爆破參數為5 m×7 m時，可取得最佳的爆破效果。

（3）模擬實施爆破技術前后單孔瓦斯抽采效果，結果證明未實施爆破技術時抽采60天時，抽采鉆孔的有效影響半徑只有1.5 m；實施爆破技術后抽采僅10 d時，抽采鉆孔的有效影響半徑就增至1.5 m，液態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抽采。