點式氣相聚能致裂增透技術(shù)試驗研究

呂鋒鐄

（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

隨著煤炭科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，最近幾年來全國各大煤炭集團(tuán)開始推廣使用點式氣相聚能致裂煤層增透技術(shù)[1-3]。近些年來，該技術(shù)是各大高校、科研院所開展的重要研究課題，依據(jù)激發(fā)原理的不同，可將氣相壓裂劃分為2 種形式，高壓空氣聚能壓裂和液體CO2聚能壓裂，與傳統(tǒng)炸藥爆破增透技術(shù)相比，氣相壓裂屬于點式聚能爆破壓裂方式，并不是全斷面接觸式爆破。點式氣相聚能致裂煤體之后，煤層會發(fā)生卸壓增透反應(yīng)，增大煤層的透氣性系數(shù)，提高工作面的瓦斯抽采效果[4-6]。

為了得到點式氣相聚能致裂煤體的規(guī)律，趙丹等[7]通過逾滲理論得到煤巖體破壞準(zhǔn)則及計算得到氣相聚能致裂非均質(zhì)煤巖體的臨界壓力；賈進(jìn)章等[8]通過從應(yīng)力波傳播和損傷等不同方向研究了氣相聚能致裂機(jī)理；雷云等[9]通過研究提出氣相聚能破巖過程中有兩個臨界壓力，破巖機(jī)理主要體現(xiàn)在沖蝕破碎和錘沖破碎；韓穎等[10]通過理論分析和現(xiàn)場試驗，研究了氣相聚能以不同速度沖擊破碎巖石過程的流場規(guī)律及應(yīng)力分布規(guī)律。

但目前科研工作者沒有對點式氣相聚能壓裂煤層后所產(chǎn)生的三維空間增透效果進(jìn)行深入研究，尤其是氣爆后氣體壓力的變化規(guī)律需要進(jìn)行試驗研究[11-12]。

1 試驗研究

氣相聚能壓裂屬于一種物理作用過程，是具有代表性的點式泄壓氣體變化的壓裂增透技術(shù)，其核心為精確掌握壓降參數(shù)的大小[13-14]。為了獲得點式氣相聚能致裂煤體的三維效果，設(shè)計組建一套試驗平臺和測試系統(tǒng)，主要開展液態(tài)CO2相變氣爆過程中壓力測定，試驗平臺由4 個部分組成，厚壁無縫鋼管、CO2致裂器、動態(tài)信號采集系統(tǒng)和壓力傳感器。

通過在不同厚壁鋼管上安設(shè)壓力傳感器，來測定氣爆過程中對應(yīng)地點不同時間的氣爆壓力值，隨著與爆破口距離的增大，氣體壓力變化情況如圖1所示，氣體壓力上升快慢情況如圖2 所示。

圖1 氣體壓力變化曲線Fig. 1 Changing curve of gas pressure rise

圖2 氣體壓力上升快慢變化曲線Fig. 2 Curve of gas pressure chang speed

由圖1 可知，在起爆口周圍為氣體壓力最大區(qū)域，隨著逐漸遠(yuǎn)離起爆點，氣體壓力呈現(xiàn)迅速減少—平緩下降，符合二次拋物線形式，擬合后得到關(guān)系式y(tǒng) = 0.04x2- 5.86x + 227.6。

由圖2 可知，起爆口附近氣體壓力迅速升高，隨著逐漸遠(yuǎn)離起爆點，壓力上升時間呈現(xiàn)迅速升高—平緩升高—穩(wěn)定不變，符合冪函數(shù)形式，擬合后得到關(guān)系式為y = 8.78x0.1437。

2 數(shù)值模擬

由于氣相壓裂煤層屬于三維研究問題，而大多數(shù)科研工作者僅從二維平面角度數(shù)值模擬研究單一因素如何影響液態(tài)CO2相變致裂增透煤層，加之致裂器起爆作用于煤體為定向高速高壓氣體沖擊壓裂煤體過程，所以為得到氣相聚能壓裂煤層的準(zhǔn)確三維結(jié)果，通過第一節(jié)研究的煤層爆破孔內(nèi)氣體壓力變化情況，得到了氣體壓力在爆破孔軸向的變化規(guī)律[15-16]。

利用FLAC3D 有限差分軟件數(shù)值模擬研究氣相聚能壓裂煤層的三維效應(yīng)，合理簡化試驗煤層的賦存條件，構(gòu)建三維數(shù)值模型并開展研究。三維數(shù)值模型主要開展模擬液態(tài)CO2致裂煤層的三維范圍，此模型為在二維平面模型基礎(chǔ)上通過沿著面外法線方向擴(kuò)展20 m 得到，尺寸為豎直方向上貫穿頂?shù)装鍘r層和煤層。液態(tài)CO2相變致裂煤層的三維數(shù)值模型如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模型Fig. 3 Numerical model

在平面模型的底部和兩側(cè)面施加面法向位移約束邊界條件，在模型頂部提供20 MPa 的均布荷載，表示煤層上部未建立的覆巖自重應(yīng)力，在模型水平方向施加的側(cè)壓力系數(shù)為1.25，在模型面外法線方向施加的側(cè)壓力系數(shù)為1.5。在三維模型前后部分施加面外法線方向的位移約束，其余和平面模型一樣。通過拉剪復(fù)合破壞準(zhǔn)則的摩爾庫倫理論彈塑性本構(gòu)代表煤巖體的力學(xué)特征，煤巖體的參數(shù)見表1。數(shù)值模擬液態(tài)CO2相變致裂煤層的歸一化相變氣爆時程曲線如圖4 所示。

表1 煤巖體參數(shù)Table 1 Parameters of coal and rock mass

圖4 氣爆時程曲線Fig. 4 Time history curve of gas explosion

在模擬各種工況條件時首先要模擬產(chǎn)生初始地應(yīng)力場，等到模型計算穩(wěn)定后，開始清零位移場和速度場，接著開始模擬相應(yīng)具體工況條件。數(shù)值模擬液態(tài)CO2相變致裂煤層工況時，要在地應(yīng)力穩(wěn)定后，開始模擬開挖致裂鉆孔，接著再施加歸一化相變氣爆時程曲線開展模擬氣爆致裂過程。模擬得到氣爆后壓力達(dá)到160 MPa、200 MPa 時，沿著爆破孔的軸向塑性區(qū)和豎向塑性區(qū)，具體情況如圖5～ 圖6 所示。

圖5 壓力峰值160 MPa 時塑性區(qū)分布情況Fig. 5 Distribution of plastic zone at 160 MPa peak pressure

圖6 壓力峰值200 MPa 時塑性區(qū)分布情況Fig. 6 Distribution of plastic zone at 200 MPa peak pressure

由圖5～圖6 發(fā)現(xiàn)，在液態(tài)CO2相變致裂煤層過程中，氣爆后壓力達(dá)到160 MPa 和200 MPa 時，因氣爆后壓力沒有呈現(xiàn)以爆破孔軸向均勻分布，最終導(dǎo)致塑性區(qū)沿著爆破孔的軸向形成橢圓形分布，氣爆后壓力達(dá)到160 MPa 時的最大有效爆破半徑為0.50 m，爆破后的體積分別為0.50 m3，氣爆后壓力達(dá)到200 MPa 時的最大有效爆破半徑為0.60 m，爆破后的體積為0.95 m3，可得到最大爆破半徑增大了20%，爆破體積增大了1 倍。以上數(shù)值模擬結(jié)果得到，因爆破孔內(nèi)氣體壓力呈現(xiàn)非均勻分布，導(dǎo)致爆破區(qū)域沒有形成圓柱體分布，氣爆后壓力對爆破影響面積起著重要影響作用；要想得到最佳的氣爆致裂增透效果，現(xiàn)場試驗時需要選擇氣爆后壓力大的爆破筒，如果現(xiàn)場實際條件滿足要求，可對爆破孔進(jìn)行多次致裂增透。

3 結(jié) 論

（1） 通過試驗獲得起爆后氣體壓力變化規(guī)律，氣體壓力的最大地點為爆破筒泄爆口處，隨著逐漸遠(yuǎn)離起爆點，氣體壓力呈現(xiàn)迅速減少—平緩下降，符合二次拋物線形式，擬合后得到關(guān)系式y(tǒng) =0.04x2- 5.86x + 227.6，相關(guān)性系數(shù)為0.85；隨著逐漸遠(yuǎn)離起爆點，壓力上升時間呈現(xiàn)迅速升高—平緩升高—穩(wěn)定不變，符合冪函數(shù)形式，擬合后得到關(guān)系式為y = 8.78x0.1437，相關(guān)性系數(shù)為0.99。

（2） 模擬結(jié)果得到氣爆后壓力達(dá)到160 MPa和200 MPa 時，最大有效爆破半徑為0.50 m 和0.60 m，爆破后的體積分別為0.50 m3和0.95 m3，可得到最大爆破半徑增大了20%，爆破體積增大了1 倍。