不同埋深條件下二氧化碳致裂爆破技術(shù)增透效果試驗(yàn)研究

張開(kāi)加

(煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧省沈陽(yáng)市，110016)

我國(guó)大部分高突煤層為透氣性較差的煤層，采用常規(guī)的預(yù)抽瓦斯方法效果不理想，難以解除煤層采掘時(shí)的瓦斯威脅。特別是隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力相應(yīng)增加，進(jìn)一步降低煤層的透氣性，增加預(yù)抽煤層瓦斯的難度。低透氣性煤層瓦斯抽采已成為防治煤與瓦斯突出和瓦斯治理工作的瓶頸。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研究煤層注水、水力壓裂、水力割縫、松動(dòng)爆破、大直徑鉆孔及預(yù)裂控制爆破等多種卸壓增透、強(qiáng)化預(yù)抽煤層瓦斯的方法。二氧化碳爆破技術(shù)最早開(kāi)始于20世紀(jì)初，早期主要應(yīng)用于煤礦井下開(kāi)采，后擴(kuò)展到管道清洗、清堵等民用爆破領(lǐng)域。近年來(lái)，二氧化碳爆破技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于低透氣性煤層致裂增透方面，并形成了成套的技術(shù)裝備。其原理是通過(guò)發(fā)熱裝置加熱，使液態(tài)二氧化碳在20～40 ms內(nèi)迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，其體積瞬間膨脹600多倍，利用高壓氣體瞬間膨脹作用，使介質(zhì)破裂，從而達(dá)到物理爆破的目的。二氧化碳致裂爆破增透技術(shù)實(shí)際上是利用液態(tài)二氧化碳代替?zhèn)鹘y(tǒng)炸藥來(lái)開(kāi)展深孔致裂爆破來(lái)增加煤層裂隙度、提高煤層透氣性的工藝技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)二氧化碳致裂爆破增透技術(shù)應(yīng)用效果的考察，研究地應(yīng)力、爆破密度與二氧化碳致裂爆破增透效果的關(guān)系，探尋黑龍江興山煤礦17#煤層在不同埋藏深度條件下的二氧化碳致裂爆破增透工藝參數(shù)。

1 液態(tài)二氧化碳爆破效果影響因素分析

液態(tài)二氧化碳爆破后產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力波和高壓氣體，在兩者的共同作用下對(duì)煤巖體的破壞是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。二氧化碳致裂爆破過(guò)程中，首先是應(yīng)力波的作用在煤體中產(chǎn)生徑向裂隙，在應(yīng)力波向前傳播的同時(shí)，高壓氣體緊隨其后迅速膨脹，進(jìn)入由應(yīng)力波產(chǎn)生的徑向裂隙中，由于氣體的尖劈作用，使裂隙繼續(xù)擴(kuò)展。煤層中通常含有節(jié)理，在爆破過(guò)程中裂隙將優(yōu)先朝層理方向發(fā)展。對(duì)于水平布置的鉆孔，垂直于裂縫面的上覆巖層地應(yīng)力對(duì)裂縫擴(kuò)展起阻礙作用，因此在分析爆破裂隙發(fā)展過(guò)程時(shí)，應(yīng)將地應(yīng)力因素考慮進(jìn)去，才能使結(jié)果更符合實(shí)際。

為簡(jiǎn)化分析，模型中假設(shè)二氧化碳?xì)怏w充滿了裂隙尖端，且僅考慮垂直方向上的地應(yīng)力對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響，如圖1所示?？紤]地應(yīng)力的爆破裂隙擴(kuò)展如圖2所示。

圖1 考慮地應(yīng)力的斷裂力學(xué)模型

圖2 考慮地應(yīng)力的爆破裂隙擴(kuò)展模型

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，預(yù)裂爆破中的裂隙主要為張開(kāi)型、滑開(kāi)型以及兩者的綜合型，裂隙是否擴(kuò)展取決于裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子是否大于裂隙的臨界斷裂韌度值，裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

(1)

式中：Kr——裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子；

x——裂隙段任意長(zhǎng)度，m；

σ——地應(yīng)力，MPa；

rb——爆破孔直徑，m；

L——裂隙擴(kuò)展瞬間長(zhǎng)度，m；

P(x)——?dú)怏w壓力沿裂縫長(zhǎng)度方向分布，MPa。

作為近似計(jì)算，假設(shè)快速氣化的二氧化碳?xì)怏w壓力沿裂縫長(zhǎng)度方向呈近似性下降，則裂縫內(nèi)任一位置氣體壓力：

(2)

式中：Pm——爆破孔處快速氣化二氧化碳?xì)怏w的初始?jí)毫?，MPa。

將式(2)代入式(1)，可得：

(3)

當(dāng)裂縫長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于炮孔直徑時(shí)，炮孔本身可作為裂縫的一部分，令式中rb=0，可得：

(4)

裂隙失穩(wěn)擴(kuò)展條件為：

Kr≥Krd

(5)

式中：Krd——?jiǎng)討B(tài)斷裂韌性，N/m3/2。

由公式可看出，地應(yīng)力、泄放壓力與裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子均有關(guān)系，而煤層的動(dòng)態(tài)斷裂韌性可認(rèn)為是一固定值。因此，地應(yīng)力、泄放壓力的大小均會(huì)對(duì)裂隙的擴(kuò)展產(chǎn)生影響。裂隙擴(kuò)展情況對(duì)二氧化碳致裂爆破增透技術(shù)的應(yīng)用效果有重要意義，為取得良好的增透效果，不同埋深條件下使用二氧化碳致裂爆破增透的技術(shù)參數(shù)需相應(yīng)的調(diào)整。

2 試驗(yàn)方案

理論分析主要考慮垂直應(yīng)力，忽略水平應(yīng)力的影響，而垂直應(yīng)力與埋深關(guān)系密切。試驗(yàn)選擇在黑龍江興山煤礦17#煤層的不同埋深的工作面進(jìn)行。17#煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，煤層瓦斯含量達(dá)到14.62 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.121 m2/(MPa2·d)，雖然屬于可以抽采煤層，但煤質(zhì)松軟，抽采鉆孔成孔率低，抽采濃度低，鉆孔流量衰減快，抽采效果較差。

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在二水平北一石門21705工作面運(yùn)輸巷和四水平零石門41701工作面運(yùn)輸巷。二水平北一石門21705工作面運(yùn)輸巷平均埋深330 m，四水平零石門41701工作面運(yùn)輸巷平均埋深792 m。

本次試驗(yàn)采用的爆破裝置為沈陽(yáng)研究院生產(chǎn)，技術(shù)規(guī)格參數(shù)如表1，另外配有長(zhǎng)度為1 m的連接桿。

表1 二氧化碳爆破裝置技術(shù)規(guī)格參數(shù)表

二氧化碳致裂增透爆破主要技術(shù)參數(shù)包括泄放壓力和爆破口間距，在2個(gè)地點(diǎn)分別進(jìn)行不同技術(shù)參數(shù)的試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)各布置二氧化碳致裂爆破增透鉆孔6個(gè)，如圖3所示。爆破技術(shù)參數(shù)如下：

(1)1號(hào)孔致裂管選用MZL150-50/1180型，爆破口間隔1.18 m(致裂管與致裂管直接相連)；

(2)2號(hào)孔致裂管選用MZL150-50/1180型，爆破口間隔(1.18+1)m(致裂管間增加1根連接桿)；

(3)3號(hào)孔致裂管選用MZL150-50/1180型，爆破口間隔(1.18+2)m(致裂管間增加2根連接桿)；

(4)4號(hào)孔致裂管選用MZL200-50/1180型，爆破口間隔1.18 m(致裂管與致裂管直接相連)；

(5)5號(hào)致裂管選用MZL200-50/1180型，爆破口間隔(1.18+1)m(致裂管間增加1根連接桿)；

(6)6號(hào)孔致裂管選用MZL200-50/1180型，爆破口間隔(1.18+2)m(致裂管間增加2根連接桿)。

為防止鉆孔間相互影響，鉆孔間距設(shè)置為15 m。鉆孔垂直巷幫，沿煤層布置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度30 m。為保證安全，鉆孔留15 m的保護(hù)段，即從鉆孔15 m位置以后開(kāi)始放置致裂管，如圖3所示。

圖3 致裂鉆孔布置及試驗(yàn)方案示意圖

3 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)

在二水平北一石門21705工作面運(yùn)輸巷和四水平零石門41701工作面運(yùn)輸巷2個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)按照設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案依次實(shí)施二氧化碳致裂爆破。正常情況下，爆破30 min后進(jìn)入試驗(yàn)地點(diǎn)，利用鉆機(jī)拆除鉆孔內(nèi)的致裂管及連接管，然后馬上進(jìn)行封孔，并連接抽采管路。

在接抽后的30 d內(nèi)按時(shí)觀測(cè)、記錄鉆孔抽采流量、抽采濃度指標(biāo)。瓦斯抽采純量是衡量抽采效果的重要指標(biāo)，根據(jù)2個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)鉆孔抽采流量、濃度指標(biāo)計(jì)算觀測(cè)期間每分鐘的瓦斯抽采純量，如圖4～ 7所示。

圖4 1號(hào)試驗(yàn)地點(diǎn)1-1、1-2、1-3號(hào)孔致裂后抽采純量

圖5 1號(hào)試驗(yàn)地點(diǎn)1-4、1-5、1-6號(hào)孔致裂后抽采純量

圖6 2號(hào)試驗(yàn)地點(diǎn)2-1、2-2、2-3號(hào)孔致裂后抽采純量

圖7 2號(hào)試驗(yàn)地點(diǎn)2-4、2-5、2-6號(hào)孔致裂后抽采純量

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)鉆孔在30 d內(nèi)的瓦斯抽采總量。為方便對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將各個(gè)鉆孔單位時(shí)間瓦斯抽采純量最大值、30 d累計(jì)抽采瓦斯純量等主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

4 數(shù)據(jù)整理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析分三類進(jìn)行：同一地點(diǎn)相同泄放壓力不同爆破口間距的數(shù)據(jù)對(duì)比分析、同一地點(diǎn)相同爆破口間距不同泄放壓力的數(shù)據(jù)對(duì)比分析、不同地點(diǎn)相同泄放壓力相同爆破口間距的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，具體如下：

4.1 同一地點(diǎn)相同泄放壓力不同爆破口間距

(1)在1號(hào)試驗(yàn)地，1-1、1-2、1-3號(hào)鉆孔使用相同型號(hào)的致裂管(MZL150-50/1180)，1-4、1-5、1-6號(hào)鉆孔使用相同型號(hào)的致裂管(MZL200-50/1180)。

由圖4可知，1-1、1-2號(hào)鉆孔單位時(shí)間瓦斯抽采純量隨抽采時(shí)間變化的趨勢(shì)比較一致，均在10 d以后出現(xiàn)較大幅度的衰減，而1-3號(hào)鉆孔單位時(shí)間瓦斯抽采純量在保持4 d后就開(kāi)始大幅下降；1-1、1-2號(hào)鉆孔30 d內(nèi)累計(jì)抽采瓦斯純量均超過(guò)700 m3，1-3號(hào)鉆孔僅為498 m3。1-1、1-2號(hào)鉆孔致裂增透效果接近，1-3號(hào)鉆孔致裂增透效果較差。

由圖5可知，1-4與1-5號(hào)孔高效抽采的時(shí)間保持6～7 d，1-6號(hào)鉆孔保持的時(shí)間較短；1-4、1-5號(hào)鉆孔30 d內(nèi)累計(jì)抽采瓦斯純量均超過(guò)700 m3，1-6號(hào)鉆孔僅為537 m3。1-4、1-5號(hào)鉆孔致裂增透效果接近，1-6號(hào)鉆孔致裂增透效果較差。

(2)在2號(hào)試驗(yàn)地，2-1、2-2、2-3號(hào)鉆孔使用相同型號(hào)的致裂管(MZL150-50/1180)，2-4、2-5、2-6號(hào)鉆孔使用相同型號(hào)的致裂管(MZL200-50/1180)。

由圖6可知，2-1、2-2、2-3號(hào)鉆孔單位時(shí)間瓦斯抽采純量與時(shí)間的關(guān)系曲線同未采取措施情況下的曲線比較接近，高抽采純量維持時(shí)間很短，致裂增透效果均不理想。2-1、2-2、2-3號(hào)鉆孔30 d內(nèi)的瓦斯抽采總量分別為668 m3、595 m3、510 m3，隨爆破口間距的增大而減少。

由圖7可知，2-4、2-5、2-6號(hào)鉆孔單位時(shí)間瓦斯抽采純量與時(shí)間的關(guān)系曲線存在明顯的差別，2-4號(hào)鉆孔衰減曲線較緩，2-5號(hào)鉆孔次之，2-6號(hào)鉆孔衰減曲線最陡；2-4、2-5、2-6號(hào)鉆孔30 d內(nèi)的瓦斯抽采總量分別為1079 m3、712 m3、561 m3，隨爆破口間距的增大而減少。

4.2 同一地點(diǎn)相同爆破口間距不同泄放壓力

(1)在1號(hào)試驗(yàn)地，1-1與1-4號(hào)鉆孔爆破口間距相同(1180 mm)，1-2與1-5號(hào)鉆孔爆破口間距相同(2180 mm)，1-3與1-6號(hào)鉆孔爆破口間距相同(3180 mm)，泄放壓力分別為150 MPa、200 MPa。

1-4號(hào)孔的最大單位時(shí)間瓦斯抽采純量稍高于1-1號(hào)孔，但高抽采純量維持的時(shí)間較短，兩者抽采30 d內(nèi)累計(jì)瓦斯抽采純量相當(dāng)。在埋深330 m、爆破口間距為1180 mm情況下，較高的泄放壓力對(duì)提高抽采效果的作用有限。

1-2與1-5號(hào)鉆孔的效果對(duì)比和1-1與1-4號(hào)鉆孔的相似，說(shuō)明在爆破口間距為2180 mm情況下，較高的泄放壓力對(duì)提高抽采效果的作用也有限。

根據(jù)圖4、圖5及表2，1-3、1-6號(hào)鉆孔的效果明顯低于其他鉆孔，兩者的對(duì)比無(wú)意義，不再分析。

(2)在2號(hào)試驗(yàn)地，2-1與2-4號(hào)鉆孔爆破口間距相同(1180 mm)，2-2與2-5號(hào)鉆孔爆破口間距相同(2180 mm)，2-3與2-6號(hào)鉆孔爆破口間距相同(3180 mm)，泄放壓力分別為150 MPa、200 MPa。

2-4號(hào)孔的最大單位時(shí)間瓦斯抽采純量和抽采30 d內(nèi)累計(jì)瓦斯抽采純量均高于2-1號(hào)孔。在埋深792 m、爆破口間距為1180 mm情況下，較高的泄放壓力對(duì)提高抽采效果有明顯的作用。

2-5號(hào)孔的最大單位時(shí)間瓦斯抽采純量和抽采30 d內(nèi)累計(jì)瓦斯抽采純量比2-2號(hào)孔均有所提高，但增加幅度明顯小于爆破口間距為1180 mm時(shí)的情況。

2-3與2-6號(hào)鉆孔的效果對(duì)比和2-2與2-5號(hào)鉆孔的相似，該條件下，較高的泄放壓力對(duì)提高致裂增透效果不明顯。

4.3 不同地點(diǎn)相同泄放壓力相同爆破口間距

從表2可以看出，埋深較大位置鉆孔的最大單位時(shí)間瓦斯抽采純量均高于埋深較小位置相應(yīng)的鉆孔；淺部的1-1、1-2號(hào)鉆孔30 d內(nèi)累計(jì)瓦斯抽采純量明顯高于深部相應(yīng)的2-1、2-2號(hào)，而深部的2-4號(hào)鉆孔30 d內(nèi)累計(jì)瓦斯抽采純量明顯高于淺部相應(yīng)的1-4，其余對(duì)應(yīng)鉆孔間該數(shù)值相差不大。

5 結(jié)論

(1)從理論方面對(duì)二氧化碳致裂爆破技術(shù)效果的影響因素進(jìn)行分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證煤層埋藏深度、爆破裝置的泄放壓力及爆破口間距均會(huì)對(duì)二氧化碳致裂爆破的增透效果產(chǎn)生影響。

(2)黑龍江興山煤礦17#煤層埋藏深度330 m時(shí)，二氧化碳致裂爆破泄放壓力150 MPa或200 MPa、爆破口間距1180 mm或2180 mm時(shí)的增透效果相差不大，因此，從經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，該煤層埋藏深度條件下，采取二氧化碳致裂爆破應(yīng)選擇MZL150-50/1180型致裂管，兩根致裂管間增加一根連接管。

(3)黑龍江興山煤礦17#煤層埋藏深度792 m時(shí)，二氧化碳致裂爆破泄放壓力200 MPa、爆破口間距1180 mm時(shí)的增透效果明顯優(yōu)于其他情況。因此，該煤層埋藏深度條件下，采取二氧化碳致裂爆破應(yīng)選擇MZL200-50/1180型致裂管，致裂管與致裂管直接連接。