西山礦區(qū)煤層順層孔CO₂爆破增透試驗研究

賀志宏 夏仕柏

摘要：為提高西山礦區(qū)煤層透氣性，縮短瓦斯抽采達標時間，分析了煤層順層孔CO2預裂增透技術可行性，模擬了CO2預裂增透半徑。研究結果表明：CO2爆生氣體計算壓力大于圍巖作用下煤體強度，CO2爆破煤層增透具備技術可行性；數(shù)值模擬顯示，經過CO2預裂爆破后，預裂效果最好的是屯蘭礦2#煤，煤層裂隙半徑4.20m，其次是屯蘭礦8#煤，煤層裂隙半徑3.90m，再次是馬蘭礦8#煤，煤層裂隙半徑3.45m，最后是東曲礦8#煤，煤層裂隙半徑3.30m；現(xiàn)場試驗表明，東曲礦8#煤爆破孔間距按6.5m布置，壓裂區(qū)平均單孔抽采純流量是未壓裂區(qū)的3.2倍。

關鍵詞：低透氣性煤層；瓦斯抽采；二氧化碳爆破；西山礦區(qū)

中圖分類號：TD712.6 文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2017）04-0054-05

Abstract：In order to improve permeability of coal seam in Xishan mining area ， shorten gas drainage standards time the feasibility of CO2 blasting pre splitting technology in coal seam was analysed； and the CO2 pre crack penetration radius was simulated. The results show that the CO2 detonation pressure was greater than the strength of coal within the surrounding rock， and coal seam permeability could be feasibly increased by using CO2 blasting； simulations show that pre splitting effect of Tunlan 2# coal was the best， with fissured circle radius 4.20m， Tunlan 8# coal pre splitting radius 3.90m， and Malan 8# coal pre splitting radius 3.45m， Dongqu 8# coal pre splitting radius 3.30m； field test shows the average flow rate of single hole drainage in fractured zone was 3.2 times of that of non-fractured zone when the blasting holes of Dongqu 8# coal was placed at intervals of 6.5m.

Key words：low permeability coal seam； gas drainage； CO2 blasting； Xishan coal-mining area

西山礦區(qū)開采的2#、8#煤層，由于其煤層透氣性差，屬于較難抽采煤層，要消除采掘工作面前方區(qū)域的突出危險性需要進行大量的瓦斯抽采鉆孔施工，且抽采時間較長，嚴重影響到采掘工作面作業(yè)進度。提高低透氣性煤層的瓦斯抽采效果一直是西山礦區(qū)高瓦斯、突出礦井瓦斯抽采工作中難以解決的問題，為此采取了各種增加煤層透氣性的方法，例如水力壓裂、水力沖孔、深孔爆破等。但由于工藝復雜、設備龐大、安全性不夠、不利于在采掘工作面狹小的空間采用等因素，使用效果不理想[1]。因此，探索適合礦掘進工作面瓦斯抽采增透技術，在保證安全的條件下采取措施增大煤層的透氣性，提高煤層瓦斯鉆孔抽采量，是西山礦區(qū)高瓦斯、突出礦井安全生產必須解決的問題。

文獻[2]分析了氣相壓裂工藝在石門揭煤作業(yè)中的可行性；文獻[3]研究了液態(tài)CO2具體爆破過程、爆破裂隙擴展規(guī)律；文獻[4]研究了低滲透煤層注超臨界CO2增透煤層裂隙發(fā)育宏、微觀演化規(guī)律；文獻[5-7]開展了高壓爆生氣體應力波致裂煤巖體機理研究；文獻[8]研究了液態(tài)CO2相變致裂煤層增透布孔方式；一般認為CO2預裂爆破強化抽采具有水力化措施、炸藥深孔爆破等不具備的諸多優(yōu)點，對于改善低滲透煤層透氣性具有良好作用[9-11]。綜上，利用CO2相變產生高壓氣體致裂煤巖體已取得一些基本認識，但開展工業(yè)試驗較少。有必要針對西山礦區(qū)松軟低透氣性煤層群開采條件，開展CO2預裂爆破強化抽采試驗，以找到更加安全、經濟及高效的煤層增透方法。

本文從理論上分析了液態(tài)CO2相變瞬間氣體最大壓力，并與煤體強度進行了對比。數(shù)值模擬了爆生氣體應力波傳播過程中煤體剪應力、聲發(fā)射演化過程。在此基礎上進行高壓氣體爆破增透參數(shù)設計，結合工程實例進行分析，以為煤層增透工程提供參考。

1液態(tài)CO2爆破技術

1.1爆破器材

液態(tài)CO2爆破器實物和組成結構如圖1所示，爆破器具體技術參數(shù)如表1所示。

1.2液態(tài)CO2相變壓力

計算爆生氣體壓力為122MPa，煤體在5～25MPa圍壓下，抗壓強度在48～97MPa 之間，因此，可以使用上述二氧化碳爆破器進行煤層爆破增透試驗。

2液態(tài)CO2爆破致裂過程數(shù)值模擬

二氧化碳預裂爆破對周圍巖石施加的載荷屬動態(tài)載荷。RFPA2D-Dynamic以線性有限元和彈性統(tǒng)計損傷理論為建?；A，能夠進行巖石類脆性材料的動態(tài)破壞過程的數(shù)值模擬[12-13]。通過對鉆孔內二氧化碳預裂爆破過程的模擬，得出相關爆破技術參數(shù)，預計爆破增透效果，可以更好指導開展現(xiàn)場試驗[14-15]。

2.1數(shù)值模擬參數(shù)

所建模型為平面應變模型，鉆孔尺寸：長度200m，直徑113mm；動載荷施加長度：自封孔段（10m）里端向里20m；動態(tài)荷載施加：150Mpa的三角波，時間步長0.1ms，加載步1000步。煤體物理力學參數(shù)如表2所示。

2.2爆破致裂過程分析

1） 爆破過程煤體剪應力

以屯蘭礦8#煤數(shù)值模擬結果為例，分析二氧化碳預裂爆破過程中的煤體應力、聲發(fā)射演化規(guī)律和破壞過程，屯蘭礦8#煤二氧化碳預裂爆破鉆孔軸向剖面不同時間節(jié)點剪切應力演化過程如圖2所示。

起爆后20ms時，由于液態(tài)的二氧化碳正在轉化為高壓氣體的初期，此時的應力對煤體產生剪切作用，特別是在預裂管兩端，應力比較集中，但未達到煤體破壞極限。爆破孔周圍壓力呈環(huán)形狀態(tài)分布，此時煤體的應力狀態(tài)為彈性狀態(tài)。隨著爆破孔壓力的不斷增加，爆破孔周圍煤體的應力狀態(tài)也開始變成塑性狀態(tài)，形成的高應力區(qū)也越來越大；當爆炸產生的壓應力大于煤體的抗壓強度時，煤體產生破裂，并不斷向外擴展。應力波在逐漸擴展的過程遇到煤層頂?shù)装鍟r發(fā)生反射，反射的應力波將對煤體產生再次破壞。40ms時，煤體開始產生大量破壞，破壞范圍貫穿整個煤層厚度方向，在鉆孔軸向方向煤體沿著頂?shù)装逶杏严叮⑾蜚@孔深處發(fā)展。60ms時，煤體沿著鉆孔方向產生全斷面裂隙。

2）爆破過程煤體聲發(fā)射

圖3表示的是爆破過程中聲發(fā)射場的變化情況。煤體的聲發(fā)射是材料內部產生局部微破裂時產生的彈性波，只有當細觀基元體產生脆性破壞時，它才會因彈性回彈而發(fā)射出明顯的彈性波；細觀基元體尺寸取得越小，材料越均勻，這種彈脆性的性質就越明顯。通過聲發(fā)射圖可以看出煤體內的能量變化，即在不同階段煤體的破壞情況，紅色為煤體所受到拉應力作用形成的破壞。認為巖石的聲發(fā)射同破壞單元數(shù)成正比，通過統(tǒng)計破壞單元數(shù)監(jiān)測聲發(fā)射。當起爆后20ms時，爆孔周圍產生較多的高能量，但此時煤體還未發(fā)生破壞，這種高能量來自鉆孔內二氧化碳預裂管的爆破。當?shù)竭_40ms時，爆破孔周圍高能量破壞振動有所減少，低能量破壞振動集中產生，在預裂管里端處的煤體優(yōu)先出現(xiàn)大范圍的破壞。60ms時，高能量破壞振動極速增加，說明破壞的范圍隨著爆破孔壓力的增加不斷擴大，同時收到頂?shù)装暹吔鐚討B(tài)載荷應力波的反射作用，不斷疊加震蕩的高能量應力波進一步造成煤體的擾動破壞。

3）爆破增透半徑

從圖4可以看出，經過二氧化碳預裂爆破后，在鉆孔軸向剖面上，預裂效果最好的是屯蘭礦2#煤；在預裂管周圍不僅產生了煤體破碎帶，還在鉆孔深處產生大量裂隙，裂隙圈半徑4.20m。其次是屯蘭礦8#煤，預裂半徑3.90m，再次是馬蘭礦8#煤，預裂半徑3.45m，最小的是東曲礦8#煤，預裂半徑3.30m。

3現(xiàn)場試驗

3.1工作面概況

東曲礦28210工作面回采8#煤，蓋山厚度226～370m，上方2#、4#煤已回采，4#～8#煤的層間距為70m。28210工作面走向長1 323～1 343m，傾向長224m，煤層厚度為3.10～4.50m，平均3.97m。煤層傾角2°～8°，平均5°，結構較復雜，夾一至二層夾石，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層。根據(jù)東曲礦煤層瓦斯基本參數(shù)測定報告，+860水平二采區(qū)8#煤層：煤層瓦斯壓力0.25～0.30MPa；煤層孔隙率為4.41%；煤層透氣性系數(shù)為0.396m2/（MPa2·d）； 瓦斯吸附常數(shù)為a=30.738m3/t·r、 b=0.860MPa-1；煤層原始瓦斯含量6.67m3/t。

3.2爆破致裂方案

根據(jù)數(shù)值模擬結果，東曲礦8#煤CO2爆破致裂半徑為3.30m，考慮影響爆破致裂其他因素，爆破孔間距設計為6.5m，控制孔間距6.5m，爆破孔與控制孔間隔布置?，F(xiàn)場爆破增透試驗采用分段式連續(xù)爆破，爆破孔與控制孔在同一水平，布置在煤層中部，控制孔前期作為爆破控制孔增加自由面，爆破結束作為抽采孔進行瓦斯抽采，同時監(jiān)測爆破前后瓦斯抽采參數(shù)。

3.3爆破增透瓦斯抽采效果

28210膠帶巷本煤層CO2爆破壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)瓦斯抽采情況對比如圖5所示，壓裂區(qū)平均單孔抽采純流量為0.022 3m3/min，未壓裂區(qū)平均單孔抽采純流量為0.007m3/min，壓裂區(qū)的平均單孔抽采純流量為未壓裂區(qū)的3.2倍。東曲礦8#煤預裂鉆孔半徑按3.25m設計較為合理，實施CO2預裂爆破增透可取得增透增流的預期效果。

4結論

1） 根據(jù)氣體狀態(tài)方程，CO2爆生氣體計算壓力為122MPa，大于圍巖作用下煤體強度，可以使用CO2爆破器進行煤層爆破增透試驗。

2） 數(shù)值計算表明，經過CO2預裂爆破后，預裂效果最好的是屯蘭礦2#煤，煤層裂隙半徑4.20m，其次是屯蘭礦8#煤，煤層裂隙半徑3.90m，再次是馬蘭礦8#煤，煤層裂隙半徑3.45m，最差的是東曲礦8#煤，煤層裂隙半徑3.30m。

3） 現(xiàn)場試驗表明，東曲礦8#煤爆破孔間距6.5m時，壓裂區(qū)的平均單孔抽采純流量為未壓裂區(qū)的3.2倍，CO2預裂爆破可起到增透增流效應。

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（責任編輯：李麗，編輯：丁寒）