高壓氣爆實驗系統(tǒng)的研究

陳 真，任志強，朱思源

(河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000)

煤層瓦斯微孔隙、低滲透性和高吸附性的特點，導致瓦斯抽采是世界性的難題，長期以來沒有較好的解決方法。為了增強煤體內(nèi)部瓦斯的增透效果和提高煤層瓦斯的抽采效率，國內(nèi)外學者在提高煤體增透方面進行了大量的研究，并形成了一批先進科技成果。我國現(xiàn)主要采用深孔欲裂爆破以及水利切割等多種強化增透方法[1-2]來提高煤層裂隙擴展，提高煤體滲透性，促使煤層瓦斯更容易從煤體中釋放出來，從而提高其抽采效率，同時消除煤體間的危險性[3-4]?，F(xiàn)如今，采用強化的方法進行瓦斯的抽采，可以使鉆孔的卸壓范圍擴大、煤體的透氣性增加、瓦斯抽采效率增強[5-6]。除此之外，還有很多技術(shù)應用效果并不理想，而且有一定的局限性：① 炸藥預裂爆破仍未根本解決長鉆孔爆破的裝藥參數(shù)及封孔工藝，而且炸藥審批困難，運輸及儲存受到嚴格管制。② 水力壓裂對煤體封孔效果提出了較高的要求，由于壓裂方向不可調(diào)控，容易形成新的壓力增高范圍。③ 水利沖孔容易引起巷道瓦斯超限，且對下向穿層鉆孔煤層增透效果較弱。

為了使煤層瓦斯的抽采效果得到提高，學者們[7-13]進行了一系列高壓氣體爆破致裂煤層瓦斯增透機理的研究、高壓氣爆實驗系統(tǒng)裝置的研究、高壓氣體爆破增透工藝技術(shù)的應用等。根據(jù)已有研究成果，自行研制一套高壓氣體爆破實驗系統(tǒng)，用來提高煤體內(nèi)部的裂紋擴展，進而增強煤層瓦斯的抽采。除此之外，在某種程度上替代炸藥爆破，并可應用于實際工程領(lǐng)域中。

1 高壓氣爆煤體致裂機理

高壓氣體爆破致使煤體產(chǎn)生裂紋的原因是氣爆后產(chǎn)生的爆破沖擊波、應力波以及大量的超高壓氣體相互促進的效果。首先，高速電磁閥開口打開，瞬間釋放出的高壓氣體迸發(fā)出爆破沖擊波，由于沖擊波本身的特性，致使炮孔內(nèi)壁近區(qū)煤體產(chǎn)生沖擊變形。近似在炮孔內(nèi)徑的3倍左右，煤體發(fā)生強烈破壞并形成變形破碎區(qū)。然后，當超高壓氣體穿過煤體破碎區(qū)后，大量的沖擊能量被削弱，致使爆破沖擊波衰減為應力波，而應力波又在煤體內(nèi)部四處流動。對煤體而言，其本身的動抗壓強度遠大于動抗拉強度，所以在應力波的沖擊擾動下，煤體自身將產(chǎn)生拉伸破壞和壓縮破壞。當氣爆產(chǎn)生的切應力削弱到小于煤體本身的動抗拉強度時，裂紋將會終止擴展。最后，由于高壓氣體產(chǎn)生的尖劈效應，使煤體內(nèi)部原始裂紋破壞，并繼續(xù)向四周延伸，最終在炮孔附近形成裂隙網(wǎng)。氣爆后煤體內(nèi)部裂紋示意如圖1所示。

A-破碎區(qū)；B-裂紋區(qū)；C-擾動區(qū)；R0-破碎區(qū)半徑；R1-裂紋區(qū)半徑圖1 氣爆后煤體內(nèi)部裂紋示意

2 高壓氣體爆破實驗裝置

高壓氣體和地應力共同作用下含初始裂紋煤體的氣爆實驗系統(tǒng)主要包括儲液系統(tǒng)、空氣壓縮機、增壓系統(tǒng)、壓力釜、電磁閥、高壓氣管等組成。高壓氣爆實驗設(shè)備裝置如圖2所示。

圖2 氣爆實驗系統(tǒng)設(shè)備示意

2.1 空氣壓縮機

高壓空氣壓縮機采用的額定電壓為220 V，輸出功率為2.2 kW，排氣量0.28 m3/min，排氣壓0.8 MPa，以及比功率為10 kW/(m3·min-1)的設(shè)備。將提前儲備好處于自由狀態(tài)下的氣體，經(jīng)過壓縮，流經(jīng)機組內(nèi)的分離器和過濾器后，去除夾雜在高壓氣體中的水、油氣和其他顆粒雜質(zhì)，使排出的高壓氣體符合需要的相關(guān)標準，因此是安全可靠的高壓氣源補給系統(tǒng)。

2.2 增壓泵

空氣增壓泵是適用于增強壓力的工作中，能夠?qū)⒐ぷ飨到y(tǒng)的高壓氣體按照對應比例1∶100進行繼續(xù)提高，僅需要將系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)空氣壓縮機壓縮后的氣體作為氣源即可。當空氣壓縮機將輸出的氣體輸送到增壓泵中，增壓泵的驅(qū)動端活塞向后方進行工作時，會把增壓氣體吸入泵中，這時泵內(nèi)高壓端出口的單向閥門關(guān)閉。反之，當驅(qū)動活塞向前方運作時，高壓端的小活塞也會緊接著向前方進行運動。此時，高壓開口閥門打開，進口閥門關(guān)閉，高壓氣體會從出口輸出，直至壓力達到平衡。

2.3 壓力釜

壓力釜作為一種超高壓儲氣設(shè)備，不僅實現(xiàn)了工作系統(tǒng)中高壓氣體供給由不穩(wěn)定、不連續(xù)向穩(wěn)定連續(xù)氣體供應轉(zhuǎn)變的緩沖設(shè)備，連接于增壓泵和高速電磁閥之間。而且該壓力釜裝置體積1 L，最大承壓為80 MPa?？梢詾楦邏簹怏w爆破實驗提供大量的高壓氣體，避免了爆破試驗中氣體不足，無法達到預期理論結(jié)果并需要長時間加壓的問題，實現(xiàn)高效連續(xù)的高壓氣體爆破實驗，讓整個工作系統(tǒng)可以維持持續(xù)正常工作。

2.4 高速電磁閥

高速電磁閥里有密閉的腔，當接通電源時，產(chǎn)生的電磁力會吸合先導孔閥芯，緊接著導孔會打開。主閥活塞上腔壓力下降，在主活塞的上腔和下腔會形成上底下高的壓力，這樣下腔產(chǎn)生的壓力會推動主活塞打開閥門；當斷開電源時，彈簧的彈性力復位關(guān)閉先導孔。此時，在主活塞上腔繼續(xù)增壓，在主活塞上腔和下腔會形成上高下低的壓力，高壓氣體的壓力和彈簧的彈性力推動主活塞，閥會自動關(guān)閉。

3 高壓氣體爆破技術(shù)工藝流程

利用高壓氣體增壓泵對經(jīng)過高壓空氣壓縮機壓縮后的氣體進行加壓，然后通過高壓氣管將高壓氣體輸送至高壓氣體儲存裝置中，緊接著高壓氣體會流入到高速電磁閥的管腔中，當高壓氣體壓力達到所需試驗的壓力時，電磁閥的出口閥門會瞬間打開，產(chǎn)生的高壓氣體沖擊波對炮孔附近的煤體進行沖擊，形成大小不一但相互交錯的裂隙網(wǎng)，以達到瓦斯抽采增效的目的。

4 結(jié) 語

(1)高壓氣體在炮孔內(nèi)沖擊作用下致使煤體產(chǎn)生裂紋，實際上是產(chǎn)生的高能爆破沖擊波、應力波以及大量高壓氣體等因素相互作用下，煤體自身的裂紋發(fā)生延伸，最后生成交叉裂紋網(wǎng)。

(2)介紹了高壓氣體爆破技術(shù)的工藝流程，高壓氣體爆破設(shè)備實現(xiàn)了額定輸出壓力80 MPa的氣爆工作。

(3)通過致使煤體產(chǎn)生大量的裂紋，煤體內(nèi)部孔隙增加，瓦斯煤層的滲透率提高。