CO2相變爆破致裂增透裂紋擴展數值模擬研究

王曉東

(華陽新材料科技集團有限公司技術中心，山西 陽泉 045000)

1 前言

煤層氣作為近年來不斷崛起的優質能源逐漸走進人們的視野。煤層氣又稱“瓦斯”，是一種儲存在煤層內以甲烷為主要氣體、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。我國煤層氣資源儲量極其豐富，其總儲量可排世界前三位。煤層氣作為一種“綠色能源”“可持續發展型能源”，既是煤礦井下災害事故的致因因素之一，又是造成溫室效應的一種有害氣體源[1]。因此，對于煤層氣資源的開發利用可有效增加新能源在能源結構中的占比、改善保障煤礦生產安全、減少環境污染。受地質條件以及煤炭沉降條件的影響，我國大部分煤層的透氣性較低，實施瓦斯抽采相對困難。對于單一煤層而言，現有的瓦斯抽采解決辦法有設置密集鉆孔或者對單一煤層進行長時間抽采，目前所采取的這些方法不僅提高了抽采成本，而且降低了抽采效率。因此，增加煤層的透氣性，提高煤層瓦斯抽采效率以及降低瓦斯抽采的成本是目前急需解決的問題。

液態CO2相變爆破煤層致裂增透技術作為一種新型提高瓦斯抽采效率的技術，實施方便簡單，成本低廉，整體安全性高，受到了眾多學者以及煤炭行業從業者的青睞。張健[2]利用二氧化碳相變爆破技術在煤礦開展現場爆破試驗，極大地提高了煤層的瓦斯抽采效率，并且也有效地解決壓力集中導致的煤和瓦斯突出和掘進工作面應力集中的問題。洪林[3]利用FLAC3D與Comsol模擬軟件模擬了二氧化碳相變爆破，研究認為液態二氧化碳多孔連續爆破能夠達到最理想的爆破增透效果，且控制孔的半徑越大，增透效果越明顯，瓦斯抽采效率越高。黃曉實[4]將二氧化碳爆破致裂器應用在巖石深孔預裂爆破中，分析了致裂器噴嘴形狀對于爆破致裂效果的影響。

前人對于二氧化碳相變爆破煤層致裂的研究多側重于現場試驗中[5-10]，較少利用實驗室數值模擬研究其致裂的效果。因此，將二氧化碳相變爆破煤層致裂現場試驗與LS-DYNA數值模擬中煤層爆破裂紋擴展表征致裂效果相結合，對于提高二氧化碳相變爆破致裂效果，提高爆破致裂效率有著良好的指導意義。

2 CO2相變爆破致裂煤層增透技術及原理分析

CO2相變爆破致裂煤層增透技術主要是通過液態CO2瞬間受熱由液態轉化為氣態，體積迅速增大膨脹產生的巨大壓力，壓力產生的應力波和高壓氣體共同作用于周圍煤體域，促使原煤層裂隙擴展的同時產生新的裂隙 ，增大煤層透氣性的同時提高煤層內瓦斯抽采效率[11]。

現場試驗中所用CO2致裂器如圖1所示。其操作過程分為4個步驟：CO2致裂器的拼裝、向致裂器內沖入適當的液態CO2、將制備好的致裂器安裝在井下和致裂起爆。液態CO2充裝設備由液態CO2鋼瓶、壓力泵、空氣壓縮機等設備組成，利用壓力泵將液態CO2充入特制的儲液管內，并將壓力保持在固定范圍。組裝其他部件，將制備好的致裂器安裝在井下準備起爆，將封孔器用封孔高壓管路與致裂器連接，并將發爆母線固定于頂桿之上。將頂桿推進到符合設計要求的深度。檢查孔內設備的連接情況，確認可靠后，連接壓力泵及測壓表。用壓力泵向封孔器內注水至一定壓力后，調節頂桿，固定致裂器。安裝工藝如圖2所示。

1—主管；2—充氣閥；3—泄能閥；4—發熱裝置；5—電極引出體

1—CO2致裂器；2—連接件；3—封孔器；4—封孔引出桿；5—固定器

3 CO2相變爆破致裂增透裂紋數值模擬及結果分析

3.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立以現場試驗相關數據為基礎。建立40 m×20 m的二維模型，鉆孔直徑0.094 m。根據文獻[12]中的致裂半徑公式，代入表1中的具體參數進行計算可得致裂半徑約為8.4 m。因現場試驗鉆孔布置數量為16個，為簡化模型及減少計算量，有限元模型中爆破鉆孔數量布置為3個，通過LS- PrePost軟件設置點火時間一致控制三個鉆孔同時起裂，分別建立鉆孔相距10 m、5 m、3 m三個數值模擬計算模型。在所建立的有限元模型中，炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN。空氣模型采用*MAT_NULL，煤體采用 *MAT_PLASTIC_KINEMATIC[13-16]。以鉆孔間距10 m的數值模型為例，建立的有限元模型如圖3所示，模型中主要參數具體數值見表1。

圖3 有限元模型(鉆孔間距10 m)

表1 有限元模型參數值設置

根據上表建立有限元模型，由于該模型模擬的是煤體爆炸區域的一部分，為保證模擬的準確性及提高計算效率，在煤體域邊界添加無反射邊界條件，計算時長設置為0.002 s。

3.2 數值模擬結果分析

本次數值模擬設置了爆破鉆孔相距10 m、5 m、3 m三種不同條件下二氧化碳相變爆破致裂模型，通過數值模擬結果裂紋發展對比分析致裂效果。

1)鉆孔相距10 m煤體爆破裂紋效果

圖4所示為鉆孔間距為10 m二氧化碳相變爆破致裂裂紋擴展隨時間變化的壓力云圖。

圖4 鉆孔間距10 m爆破致裂裂紋擴展及壓力云圖

根據圖4可以看出，在t=0.000 2 s時刻，二氧化碳相變爆破沖擊波傳播至煤體域并逐漸在煤體域內形成爆破致裂空腔區。在t=0.000 4 s時，沖擊波繼續向四周傳播，逐漸形成煤體域的壓碎區。t=0.001 6 s時，爆破致裂裂紋擴展發育情況逐漸穩定，煤層二氧化碳相變爆破致裂區域明顯，通過裂紋拓展區域可判斷煤層致裂范圍。

2)鉆孔相距5 m煤體爆破裂紋效果

圖5所示為鉆孔間距為5 m二氧化碳相變爆破致裂裂紋擴展隨時間變化的壓力云圖。

圖5 鉆孔間距5 m爆破致裂裂紋擴展及壓力云圖

根據圖5爆破鉆孔間距5 m條件下不同時刻爆破致裂煤體域壓力云圖變化，可以看出在t=0.000 2 s時刻，二氧化碳相變爆破沖擊波傳播至煤體域并逐漸在煤體域內形成爆破致裂空腔區，該階段致裂耗時與鉆孔間距10 m模擬數值模擬結果一致。根據上圖可知，未到t=0.000 4 s時刻，即已形成爆破致裂壓碎區，該階段耗時較短。t=0.001 3 s時，煤體域裂紋區發育擴展趨于穩定，通過裂紋可判斷爆破致裂半徑范圍。

3)鉆孔相距3 m煤體爆破裂紋效果

圖6所示為鉆孔間距為3 m二氧化碳相變爆破致裂裂紋擴展隨時間變化的壓力云圖。

圖6 鉆孔間距3 m爆破致裂裂紋擴展及壓力云圖

根據圖6可知，在鉆孔間距為3 m條件下t=0.000 2 s時爆破沖擊波傳播至煤體域，沖擊波逐漸向煤體四周傳播并逐漸形成裂紋。t=0.001 8 s時裂隙區發育完成。

由圖4、5、6爆破裂紋裂隙拓展及壓力云圖變化情況可知，鉆孔間距設置對于同等裝藥量條件下爆破致裂效果有著顯著影響，隨著鉆孔間距設置的增大，二氧化碳爆破致裂效果更佳。結合二氧化碳相變爆破致裂現場試驗結果與數值模擬計算結果可知，在二氧化碳相變爆破實際煤體增透過程中，爆破鉆孔間距設置為10 m情況下可獲得理想的最佳爆破致裂效果。

4 CO2相變爆破致裂增透現場試驗分析

4.1 試驗設計

根據以往抽采情況，在貴州省安順市宏發煤礦1903工作面回風巷進行普通抽采鉆孔抽采瓦斯效果不太理想，而CO2致裂是提高瓦斯抽采效率的有效手段，且現場試驗中的煤體的煤層堅固性系數f值為0.54(煤層堅固性系數大于突出臨界值 0.5，表明煤層煤質較硬)，符合CO2致裂的應用條件。在貴州省安順市宏發煤礦1903工作面回風巷開展CO2相變爆破致裂增透現場試驗，根據1903工作面回風巷具體施工特點，實際在1903工作面回風巷下幫布置14個致裂孔，上幫布置2個致裂孔，致裂孔布置示意圖如圖7所示。

圖7 鉆孔布置示意圖

根據鉆孔的具體施工深度確定致裂器的數量，致裂前檢查測量作業地點附近的瓦斯、CO2濃度，待瓦斯濃度低于0.8%、CO2濃度低于0.5%時進行致裂工作。

4.2 致裂試驗數據分析

透氣性系數對比考察采用劉明舉、何學秋提出的煤層透氣性系數方法測定[17]。向煤層打鉆孔，封孔的同時安置瓦斯壓力表，待表示數穩定后將其拆除，并安裝煤氣表采用日測1次的方法測定鉆孔瓦斯自然流量，直至涌出量穩定。根據煤層徑向不穩定流動理論結合測得的煤層瓦斯壓力、瓦斯含量及鉆孔基本參數綜合計算，最終確定煤層的透氣性系數。所涉及到的計算公式為

(1)

(2)

式中：A——參數；

B——參數；

p——煤層瓦斯壓力，MPa；

p0——絕對瓦斯壓力，通常取0.1 MPa；

r1——鉆孔半徑，m；

λ——煤層透氣性系數；

由式(1)～(2)可知A、B的數值，然后任選F值根據式(3)～(8)反推λ，再根據式(9)求出F值，判斷是否符合范圍。以此方法反復推演最終計算得出煤層的透氣性系數，具體范圍下的選用公式如式(4)～(9)所示。

λ=A1.61·B1/1.64(F=10-2～1)

(3)

λ=A1.39·B1/2.56(F=1～10)

(4)

λ=1.10·A1.25·B1/4(F=10～102)

(5)

λ=1.83·A1.14·B1/7.3(F=102～103)

(6)

λ=2.1·A1.11·B1/9(F=103～105)

(7)

λ=3.14·A1.07·B1/14.4(F=105～107)

(8)

F=B·λ

(9)

式中：T——從排放瓦斯開始到測到瓦斯流量q時的時間間隔，d；

q——煤層單位暴露面積上的瓦斯流量，m3/m2·d，q=Q/(2πr1L)；

Q——T時刻的瓦斯流量，m3/d；

L——鉆孔見煤長度，m，可取煤層厚度；

λ——煤層的透氣性系數，m2/MPa2·d。

未1、未3孔為未致裂增透區域的煤層透氣性系數測定孔，作為原始對照組；6#、7#、8#致裂孔為致裂增透后煤層透氣性系數的測定孔，作為實驗對照組。對各對照組的瓦斯自然流量進行測量，結果見表2，鉆孔瓦斯自然流量測試變化曲線如圖8所示。

表2 煤層鉆孔瓦斯自然流量測試結果

結合測量數據及計算公式計算可得各鉆孔的煤層透氣性系數數值見表3。

表3 煤體致裂后煤層的透氣性系數

液態CO2相變爆破致裂增透前該煤層的透氣性系數λ為0.126～0.135 m2/MPa2·d。進行爆破致裂增透后，煤層的透氣性系數λ上升為0.363～0.441 m2/MPa2·d。表明液態CO2相變爆破煤層致裂后，煤層的透氣性顯著提高其數值增大為原始煤層的3倍，說明液態CO2相變爆破致裂增透技術對于煤層的增透和提高低透氣性煤層瓦斯抽采效率均有較好的意義及效果。

5 結論

(1)利用LS-DYNA數值模擬二氧化碳相變爆破鉆孔間距設置為10 m、5 m、3 m三個數值模擬計算模型，分析其裂紋擴展致裂效果及壓力云圖變化情況可知，在爆破鉆孔間距設置為10 m情況下，爆破致裂裂紋擴展發育情況最佳，可獲得良好的破碎致裂效果。

(2)開展現場爆破致裂增透裂紋擴展試驗后，煤層的透氣性系數λ上升為0.363～0.441 m2/MPa2·d，增大為原始煤層的3倍左右，煤層的透氣性顯著提高。表明該項技術能有效的提高煤層氣開采的效率對于開采災害的降低以及煤礦井下安全事故的預防均有一定意義。