CO2氣爆致裂半徑影響因素數值模擬研究

劉兵

（山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046013）

0 引言

我國50%的煤礦屬高瓦斯礦井，隨著開采深度及強度的增加，瓦斯災害對煤礦的威脅日益嚴重[1]，增透技術是保證煤炭安全開采的重要手段，液態CO2相變致裂技術是一種物理爆破方法，是一種環境友好的綠色增透技術，具有破巖效率高、振動小、無污染的特點，克服了傳統炸藥爆破的危險性高等缺點，因其安全可靠，逐漸成為前沿增透技術之一。目前，對于CO2相變致裂技術，國內外專家學者已作出大量的研究。周西華[2]采用FLAC3D軟件計算不同地應力下單孔爆破有效半徑，發現隨著地應力的增大，有效影響半徑線性減小；經氣爆后，煤層透氣性系數提高17.49～22.76倍。董慶祥[3]分析CO2致裂原理，采用壓縮氣體與水蒸氣容器模型進行TNT當量轉化，為數值模擬奠定了基礎。雷云[4]第一次建立了不耦合裝藥條件下，CO2相變爆破孔初始沖擊壓力、裂隙圈有效半徑和爆破孔孔徑3個主要爆破參數變量的數學模型，為后人預估致裂范圍提供了理論支持。趙建平[5]研究了高地應力下巖石雙孔爆破的損傷規律，其研究發現，損傷與炮孔連線上增大，垂直炮孔線方向上損傷逐漸減小，損傷面積與跑間距呈鐘型，存在極值點使得損傷面積最大。

國內外專家學者在CO2致裂理論與技術上進行了很多研究，但是關于CO2相變致裂半徑影響因素的研究相對不足，各因素對致裂半徑的影響方式并不明確。因此筆者本文借助數值模擬方法，旨在研究地應力、瓦斯壓力、泄放壓力對致裂效果的影響，以期為CO2相變致裂技術的推廣提供借鑒。

1 液態CO2爆破TNT當量轉化

CO2相變爆破過程屬于超壓物理爆破，通過儲液管內CO2壓力的迅速改變短時間內釋放大量能量，對致裂器周圍煤巖體絕熱膨脹做功的過程。CO2相變所釋放的能量可由水蒸氣爆破能量計算[3]，本文所研究MZL275-83/1000致裂器參數見表1。

表1 MZL275-83/1000致裂器參數

CO2爆破時釋放能量

式中：P為定壓泄能片泄爆臨界壓力，MPa；P0為標準大氣壓力，MPa；Vc為CO2充裝體積，m3，K=1.295,將以上參數帶入式（7）可得Eg為1 837 kJ。

CO2變氣爆釋放出的能量換算成TNT當量約為：

式中：QTNT為1 kgTNT爆炸的釋能，取4 250 kJ/kg。所選型號液態CO2致裂器爆炸當量約為432 gTNT。

2 液態CO2不耦合致裂數值模型

模型尺寸為12 m×12 m×0.1 m，如圖1所示，在模型的表面施加軸向約束。邊界面設置為無反射邊界。采用軟件內MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型、MAT_RHT材料模型和MAT_NULL材料模型來表征致裂器、煤巖和空氣[6]。

圖1 液態CO2相變氣爆幾何模型

3 數值模擬結果及分析

3.1 地應力的影響分析

前人研究表明，地應力對煤層增透技術實施效果具有一定影響。結合馬堡煤礦152采區15205煤層工作面實際情況，對該煤層工作面在不同地應力條件下實施相變氣爆后的煤巖損傷演變進行了數值仿真，如圖2所示，分別取地應力為5，10，15，20 MPa時的液態CO2相變致裂煤巖損傷云圖。

圖2 不同地應力的煤巖損傷演變云圖

由圖2可以看出，不同地應力條件下相變氣爆有效影響范圍均呈近似圓形，但隨著地應力的逐漸增大，液態CO2相變氣爆的有效致裂范圍不斷縮小即地應力增幅與煤巖有效致裂半徑降幅存在關聯。為進一步對氣爆有效致裂半徑與地應力的相關關系進行定量研究，利用軟件后處理中Measure功能測量各個云圖中淺藍色內圈范圍，即除煤巖擾動震蕩區外的煤巖壓碎區及煤巖裂隙區，得出各實驗方案下的有效致裂半徑。不同地應力下液態CO2相變致裂有效半徑與地應力關系如圖3所示。

圖3 煤巖有效致裂半徑隨地應力的變化關系

由圖3可知，相變氣爆后的有效致裂范圍隨著地應力的增大呈現非線性減小趨勢，二者定量擬合關系如式（3），其相關性系數為0.962。

在液態CO2相變氣爆過程中，氣爆荷載所產生的環向拉應力能夠引起煤層產生徑向裂紋，與此相對，煤層中的地應力會持續對煤巖產生環向壓縮應力，該應力可以限制環向拉應力的張拉效果，這將會導致裂隙發育受阻，使得裂隙范圍縮小，同時，高地應力會降低煤巖中準靜態應力場作用下煤體裂隙尖端的應力強度因子，不利于裂隙發育。

3.2 原始瓦斯壓力的影響分析

圖4中對應原始瓦斯壓力分別為1、2、3、4 MPa時的液態CO2相變致裂煤巖損傷演變云圖。

圖4 不同原始瓦斯壓力的煤巖損傷演變云圖

觀察圖4可以發現，當原始瓦斯壓力為1 MPa及2 MPa時，氣爆有效致裂范圍的類圓狀保持較好，隨著原始瓦斯壓力的進一步增加，類圓狀特征逐漸被弱化，與此同時，煤巖的有效致裂范圍也在小幅度增加，說明二者存在一定的相關關系，原始瓦斯壓力與有效致裂半徑的擬合曲線如圖5所示。原始瓦斯壓力與煤巖有效致裂半徑間關系式見（4）。該式相關性系數為0.931，兩者相關性較強，擬合效果良好。

圖5 煤巖有效致裂半徑與原始瓦斯壓力的關系

煤巖有效致裂半徑與原始瓦斯壓力呈現出相關性，其原因為：煤巖體積一定的環境下，當煤巖中原始瓦斯壓力越大時，瓦斯賦存量越多，大部分瓦斯以吸附態形式儲存于煤巖中，一方面賦存瓦斯維持了煤巖原生裂隙，使煤體內裂隙呈膨脹張開狀態，在裂隙尖端的煤巖骨架內產生應力集中，使裂隙擴展處于動平衡狀態；另一方面，液態CO2相變氣爆是在煤與瓦斯固流耦合介質中進行的，氣爆發生后，在氣爆荷載作用下，瓦斯壓力瞬間增高，煤巖在爆生氣體和瓦斯壓力共同作用下，裂隙開始擴展。瓦斯壓力越高，貯存的能量越大，對氣爆載荷的響應越強烈，煤體越容易破裂，裂隙越容易擴展。此外，煤層內瓦斯壓力較高時，吸附態瓦斯逸散受限所產生的拉應力與外界對煤巖產生的壓縮應力相互制衡，降低了煤巖本身的有效壓縮應力，裂隙發育擴展需克服的應力減小，氣爆有效致裂半徑隨之增大，即煤層中的原始瓦斯壓力對擴大有效致裂范圍有積極的正效應。

3.3 致裂器泄放壓力的影響分析

液態CO2相變氣爆泄放臨界壓力會對液態CO2膨脹所做的功產生影響。對馬堡煤礦152采區205回采工作面所測物性參數的煤巖實施相變氣爆后的損傷演變進行了模擬，如圖6所示。圖6分別對應致裂器泄放壓力為185、215、245、275 MPa時的煤巖損傷情況。

圖6 不同致裂器泄放壓力的煤巖損傷演變云圖

由圖6可知，在模擬泄放壓力在215、245 MPa時裂隙擴展區域突刺狀現象較為明顯，而當泄放壓力達到275 MPa時該現象減弱，這主要是由于沖擊波作用于煤巖體后，煤巖體內積蓄的彈性勢能可以使沖擊波沿原傳播方向的反方向傳播回致裂器軸心，使煤體形成環向裂隙，但該作用存在過渡狀態與飽和狀態，裂隙擴展區域突刺狀現象消失，說明卸載波作用經過過渡狀態達到飽和，因此圖6后期氣爆有效致裂半徑的增加趨勢變緩。用Measure功能測量各個云圖中淺藍色內圈最遠直線距離作為有效致裂直徑，計算得出不同致裂器泄放壓力時的有效致裂半徑與泄放壓力關系如圖7所示。

圖7 有效致裂半徑與泄放壓力的關系

由圖7可知，液態CO2相變氣爆有效致裂半徑隨著致裂器泄放壓力的增大呈非線性增大，泄放壓力接近275 MPa時，氣爆有效致裂半徑增長緩慢，二者定量關系見式（5）。

其相關性系數為0.996，擬合效果良好。氣爆有效致裂半徑與致裂器泄放壓力呈現出的相關性，分析其原因：隨著致裂器泄放壓力的增大，氣化的高能CO2從導氣口沖出的動力更加強勁，有效提高了爆生氣體射流的沖擊速度，其作用相當于提高炸藥爆速，增大了爆后裂紋尖端的動態應力強度因子峰值導致裂紋擴展速度峰值隨之增大，這將有利于裂紋的長度增加；泄放壓力的提高也增大了氣爆沖擊波對周圍煤巖體的徑向壓縮效能，直接擴展了煤巖壓碎區的范圍及主裂縫凈長；加之，氣爆應力波能量隨之增大，爆炸應力波的動態作用與爆生氣體的準靜態作用不斷增強，擴大了切向拉伸裂隙形成范圍，使鉆孔周圍的壓碎區和裂隙密集區面積均增加，3種因素聯合作用使得氣爆有效致裂半徑隨致裂器泄放壓力的增大而增大。

4 結論

通過研究CO2致裂增透技術的原理和致裂過程可知，MZL275-83/1000液態CO2致裂器爆炸當量約為432 gTNT；隨著地應力的增大，地應力不僅限制環向拉應力的張拉效果，導致裂隙發育受阻，還會降低準靜態應力場作用下煤體裂隙尖端的應力強度因子使得有效致裂半徑逐漸降低。瓦斯壓力的存在使煤體內裂隙呈膨脹張開狀態，降低煤巖的有效壓縮應力，使得煤層中原始瓦斯壓力對有效致裂半徑的擴大有積極的正效應。泄放壓力的增大提高了爆生氣體射流的沖擊速度，增大了氣爆沖擊波對周圍煤巖體的徑向壓縮效能，增大了氣爆應力波能量，3種因素聯合作用使得氣爆有效致裂半徑隨致裂器泄放壓力的增大而增大。