氣相致裂非穩態瞬變壓降演化機制研究

雷 云，李成武，張楷明，趙寶友

（1.中國礦業大學（北京），北京100083；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；4.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新123000）

深部礦井低滲透高瓦斯煤層高效增透問題一直是制約煤礦安全生產的重要難題，多年來針對煤層增透技術領域已發展為多個研究方向，如采動卸壓增透技術、深孔控制爆破增透技術、水力增透技術和和電磁增透技術等[1-5]。近年來，一些學者開始運用高壓氣體膨脹動力能的氣相致裂增透技術應用在低滲透高瓦斯煤層增透領域，其中液體二氧化碳相變爆破增透技術具有本質安全與驅替的雙重特征具有較好的研究和應用價值[6-11]。目前，河南理工大學的曹運興，王兆豐等以二氧化碳為介質的氣相致裂技術在沁水煤田東部和河南等地的低滲透煤層開展順層和穿層致裂工程應用[12-13]。煤炭科學技術研究院的霍中剛團隊對氣相致裂技術進行改良并在煤礦現場應用[14-15]。煤科集團沈陽研究院的雷云團隊依托國家科技重大專項，自主開發研制以液態二氧化碳為介質的氣相致裂增透技術與配套裝備，并在河東煤田、沁水煤田等諸多礦區成功應用[16-17]。Guozhong Hu[18]等系統性的分析了液態二氧化碳相變氣相致裂的基本原理及設備工作機制，基于改進的氣相致裂設備在中國河南境內的天安煤礦13號煤層開展井下實驗研究，現場實驗發現在煤體中液態二氧化碳相變致裂的影響范圍最遠可達32.08 m，抽采鉆孔內瓦斯平均流量增加1.64倍。Wei Zhang[19]等理論推導并建立了采用不耦合氣相致裂條件下的爆破孔初始沖擊壓力峰值、裂隙圈有效半徑和爆破致裂鉆孔孔徑3個主要參數變量的爆破數學模型，基于顆粒離散元軟件PFC2D數值分析了氣相致裂對煤體的損傷區和破壞區的范圍，得出了氣相致裂力鏈的傳遞演化規律。Xuelin Yang[20]等理論分析了氣相致裂應力、流動和破壞準則的力學問題并建立起相應的控制方程。Haidong Chen[21]等系統性的分析了液態二氧化碳相變氣相致裂的基本原理及設備工作機制，基于改進的氣相致裂設備在中國河南境內的天安煤礦13號煤層開展井下實驗研究，現場實驗發現在煤體中液態二氧化碳相變致裂的影響范圍最遠可達32.08 m，抽采鉆孔內瓦斯平均流量增加1.64倍。綜上已有研究表明，氣相致裂在煤層增透領域具有較好的應用前景。液態二氧化碳相變氣爆是1種點式氣相致裂增透技術，在工礦領域極具替代炸藥可行性的物理爆破技術，其核心在于相變產生能量巨大的動能，較傳統化學藥劑爆破更安全和可控。為了實現可控的長距離超高壓氣相致裂，研究氣相致裂非穩態瞬變壓降演化機制是深入開展該技術的基礎。

1 液態二氧化碳相變氣爆壓力實驗設計

為了研究氣相致裂壓力瞬變演化機制，自主搭建實驗平臺以厚壁無縫鋼管模擬致裂鉆孔，在厚壁鋼管不同位置設置壓力傳感器以捕集壓力信號，壓力信號傳輸到動態信號采集系統進行數據分析[22]。

實驗采用氣相致裂器為沈陽研究院開發的MZL300-63/1000型氣相致裂器，氣體加注壓力為10～15 MPa，致裂器泄爆閥片選用200 MPa，加熱體型號為D150/130，致裂器二氧化碳充裝量（900±50）g，壓力傳感器選用壓阻式100、200 MPa 2種型號，頻響均大于100 kHz，能夠滿足氣相致裂時爆生氣體壓力監測和氣體動力學信號捕捉的技術要求。氣相致裂鉆孔模擬器長度為1 300 mm，外徑為112 mm，內徑為78 mm，4個壓力監測捕捉點均勻設置在模擬器上，液態二氧化碳相變致裂壓降實驗監測點分布圖如圖1。

圖1 液態二氧化碳相變致裂壓降實驗監測點分布圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring points of liquid carbon dioxide phase change gas explosion pressure test

2 液態二氧化碳相變氣爆壓力時程分布規律

實驗測試系統成功捕捉采集到了4個監測點的氣相致裂壓力變化的全部數據，考慮實驗系統自有振動波干擾情況，監測了正對氣爆口處濾波變化曲線，氣相致裂監測點A處氣體壓力和濾波變化時程曲線如圖2。氣相致裂監測點A處氣體壓力時程擬合曲線如圖3。

由圖2可知，正對致裂器卸爆口A點處的壓力變化呈現明顯的瞬間升壓和非穩態壓降的階段。由于氣體非均勻噴出與壓電傳感器自身噪聲耦合效應，導致局部發生壓力無規律非穩態波動現象。實驗得出正對致裂器卸爆口A點處為壓力峰值點最大壓力為244 MPa，該峰值的升壓時間約1.2 ms。

圖3 氣相致裂監測點A處氣體壓力時程擬合曲線Fig.3 Gas pressure time history fitting curves of gas phase cracking monitoring point A

為了更好分析研究卸爆口處升壓與壓降瞬變特征，將圖3簡化后的的氣體壓力時程進行擬合。可以得出，卸爆口處升壓段擬合函數為pg=201 940t；非穩態壓降段呈現拋物線式，壓力時程擬合函數為pg=-22.59ln（t－t0）+15.84。式中：pg為對應時間氣體壓力，MPa；t為氣爆發生后的某時間，s；t0為氣爆發生時的時間，s。氣相致裂監測點B氣體壓力和濾波變化時程曲線如圖4，氣相致裂監測點B氣體壓力時程擬合曲線如圖5。

圖4 氣相致裂監測點B氣體壓力和濾波變化時程曲線Fig.4 Time history curves of gas pressure and filter change at gas phase cracking monitoring point B

圖5 氣相致裂監測點B氣體壓力時程擬合曲線Fig.5 Gas pressure time history fitting curves of gas phase cracking monitoring point B

由圖4和圖5可知，監測點B處氣爆發生后的壓力峰值為60 MPa，升壓時間15.13 ms；與監測點A處為峰值壓力244 MPa和升壓時間1.2 ms相比變化顯著，壓力時程擬合后升壓段函數為pg=3 793.10 t；壓降段擬合函數為pg=-9.58ln（t－t0）+12.71，壓降段的變化更趨緩和。氣相致裂監測點C氣體壓力和濾波變化時程曲線如圖6，氣相致裂監測點C氣體壓力時程擬合曲線如圖7。

圖6 氣相致裂監測點C氣體壓力和濾波變化時程曲線Fig.6 Time history curves of gas pressure and filter change at gas phase cracking monitoring point C

圖7 氣相致裂監測點C氣體壓力時程擬合曲線Fig.7 Gas pressure time history fitting curves of gas phase cracking monitoring point C

由圖6和圖7可知，監測點C處氣爆發生后的壓力峰值為22.42 MPa，升壓時間為15.42 ms；與監測點B處比較壓力峰值降為1/3左右，而升壓時間相近；升壓段擬合函數為pg=1 453.80t，壓降段擬合函數為pg=-3.31l n（t－t0）＋4.36。氣相致裂監測點D氣體壓力和濾波變化時程曲線如圖8，氣相致裂監測點D氣體壓力時程擬合曲線如圖9。

圖8 氣相致裂監測點D氣體壓力和濾波變化時程曲線Fig.8 Time history curves of gas pressure and filter change at gas phase cracking monitoring point D

由圖8和圖9可知，監測點D處氣爆發生后的壓力峰值為21.37 MPa，升壓時間為15.60 ms；對比監測點A、監測點B、監測點C處的壓力時程曲線可發現，距離卸爆口越大監測點壓力峰值和升壓時間相差越小的規律，壓力時程擬合曲線越接近。監測點D處升壓段的擬合函數為pg=1 369.90t；壓降段的擬合函數為pg=-2.68ln（t－t0）+4.01。氣爆氣體壓力峰值與爆破口距離的變化擬合曲線如圖10，氣爆氣體壓力升壓時間與爆破口距離的變化擬合曲線如圖11。

圖9 氣相致裂監測點D氣體壓力時程擬合曲線Fig.9 Gas pressure time history fitting curves of gas phase cracking monitoring point D

圖10 氣爆氣體壓力峰值與爆破口距離的變化擬合曲線Fig.10 Variation curve of the pressure peak of air explosion and the distance from the blast hole

圖11 氣爆氣體壓力升壓時間與爆破口距離的變化擬合曲線Fig.11 Variation curve of gas pressure rise time and blasting mouth distance

由圖10可知，正對氣相致裂器卸爆口處為鉆孔壓力峰值點，隨著距離卸爆口距離增加，壓力峰值先加速降低，隨后趨于平穩，擬合后總體呈現二次拋物線的變化趨勢，擬合函數為y=0.04x2-5.86x+227.46，相關性系數R2=0.85，式中：y為壓力峰值，MPa；x為距離爆破點的距離，cm。

由圖11可知，正對氣相致裂器卸爆口處升壓速度極快，隨著距離增加后面監測點升壓時間趨于一致，擬合后總體呈現冪函數的變化趨勢，擬合函數為y=8.78x0.1437，相關性系數為R2=0.99。

3結論

1）氣爆觸發后壓力時程整體呈現急速上升段和非線性下降段的趨勢；由于氣體非均勻噴出與壓電傳感器自身噪聲耦合效應，導致局部發生壓力無規律非穩態波動現象。

2）實驗得出正對卸爆口處壓力達到峰值為244 MPa，升壓時間極快約為1.2 ms；分析得出爆破口A點處的升壓段和壓降段的壓力時程擬合函數分別為pg=201 940t和pg=-22.59ln（t－t0）＋15.84；監測點B、點C、點D處的壓力時程分布升壓段擬合函數分別為pg=3 793.10t，pg=1 453.80t和pg=1 369.90t，壓降段的擬合函數分別為pg=-9.58ln（t－t0）+12.71，pg=-3.31ln（t－t0）+4.36和pg=-2.68ln（t－t0）+4.01，壓力峰值分別為60、22.42、21.37 MPa，升壓時間分別為15.13、15.42、15.60 ms。

3）實驗分析得出氣爆口處為氣相致裂壓力峰值點，隨距離卸爆口距離增加呈現二次拋物線形式的衰減趨勢，升壓速度呈現出與卸爆口距離增加，先迅速增加后趨于平穩的冪函數形式。

4）氣相致裂氣爆產生的爆生氣體在鉆孔內并非均勻分布，而是呈現出非穩態瞬變升壓和壓降的規律，系統性實驗得出不同位置壓力峰值及其壓降數學模型，基于此在工程應用過程中應結合以上研究成果進行優化致裂工藝和方案設計。