超臨界CO2氣爆煤體致裂機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

孫可明，辛利偉，吳 迪

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為解決煤層滲透率普遍偏低的問(wèn)題，已對(duì)提高煤層滲透性進(jìn)行了長(zhǎng)期探索和實(shí)踐[1-4]。目前提高煤層滲透性的方法主要有開(kāi)采解放層、水力壓裂、水力割縫、深孔爆破等增透技術(shù)，但低滲透煤層的瓦斯抽采率仍偏低。發(fā)展安全、高效、環(huán)保的低滲透煤層增透技術(shù)迫在眉睫，超臨界CO2氣爆技術(shù)是一種安全高效的致裂增透技術(shù)。利用CO2爆破致裂技術(shù)提高煤層注水率解決煤礦安全問(wèn)題的研究已取得顯著成效[5]，Anon[6]介紹了CO2爆破筒的構(gòu)成和工作原理等，并應(yīng)用于土耳其部分煤礦以提高塊煤率。目前中國(guó)煤礦應(yīng)用高壓氣體爆破煤巖的實(shí)驗(yàn)和理論研究較少，主要集中在爆破增透煤層滲透性、爆破落煤、處理巷道三角區(qū)懸頂?shù)确矫娴膶?shí)驗(yàn)分析，煤炭科學(xué)研究總院在平頂山進(jìn)行了CO2爆破筒地面實(shí)驗(yàn)。邵鵬等[7]、徐穎[8]分析了高壓空氣爆破采煤原理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。吳錦旗等[9]、周西華等[10]、趙立朋[11]進(jìn)行了液態(tài)CO2預(yù)裂增透的工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好的效果。曾范永[12]、高坤[13]、陳靜[14]、李守國(guó)[15]對(duì)高壓氣體爆破進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，研究了高壓氣體沖擊煤體前后煤層滲透率的變化規(guī)律，并得到氣體壓力分布規(guī)律。但煤巖在氣爆沖擊壓力作用下的破壞機(jī)理依然不清，超臨界CO2具有近似液體的密度、近似氣體的黏度和100倍液體的擴(kuò)散系數(shù)等固有屬性，不能把炸藥預(yù)裂爆破等化學(xué)爆破理論直接應(yīng)用于超臨界CO2氣爆這種物理爆破，CO2氣爆致裂技術(shù)的機(jī)理研究落后于實(shí)踐。孫可明等[16]進(jìn)行了大量超臨界CO2氣爆致裂煤體實(shí)驗(yàn)，并對(duì)超臨界CO2氣爆致裂規(guī)律進(jìn)行研究，增透效果顯著，爆破過(guò)程降溫明顯且不受瓦斯和粉塵影響，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

研究超臨界CO2氣爆煤體致裂機(jī)理對(duì)控制氣爆范圍、致裂效果和提高增透效果等提升超臨界CO2氣爆致裂技術(shù)應(yīng)用水平有重要應(yīng)用價(jià)值。本文中，利用自主研發(fā)的超臨界CO2氣爆裝置，在多通道電液伺服相似材料試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)原煤和混凝土大試件(1 m×1 m×0.5 m)進(jìn)行超臨界CO2氣爆實(shí)驗(yàn)，用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集試件內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的變形和破壞信息，并用工業(yè)窺鏡對(duì)爆破孔內(nèi)裂隙分布進(jìn)行觀(guān)測(cè)，分析氣爆應(yīng)力波的變化規(guī)律和氣爆后試件的破壞形貌特征。

1 超臨界CO2氣爆實(shí)驗(yàn)

1.1 超臨界CO2氣爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

使用DGS-8-1000KN多通道微機(jī)控制電液伺服多功能相似材料模擬試驗(yàn)系統(tǒng)作為爆破模型的制作和加載平臺(tái)，自主研發(fā)了超臨界CO2爆破發(fā)生裝置，主要包括：儲(chǔ)液系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、數(shù)字采集控制系統(tǒng)。超臨界CO2爆破發(fā)生裝置如圖1所示。使用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀實(shí)時(shí)采集預(yù)埋應(yīng)變傳感器信號(hào)以監(jiān)測(cè)氣爆過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化信息，反映爆破過(guò)程中介質(zhì)狀態(tài)改變和受載規(guī)律，超臨界CO2氣爆實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

1.2 氣爆模型的制作

考慮到超臨界CO2氣爆煤體致裂范圍，選用大塊原煤制作試件，實(shí)驗(yàn)煤樣取自阜新海州礦，測(cè)得物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，其中：E為彈性模量，σt為抗拉強(qiáng)度，σc為抗壓強(qiáng)度，ρ為密度，μ為泊松比。由于原煤形狀不規(guī)則，為便于固定和加載，使用混凝土將煤樣澆筑成尺寸為1 m×1 m×0.5 m的試件，如圖3所示。煤體中含有大量節(jié)理、裂隙等，其非均質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的離散，為便于多試件、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的比較，增加超臨界CO2氣爆混凝土大試件的實(shí)驗(yàn)。混凝土采用粒徑小于0.5 mm的石英砂為骨料，按照6∶1的體積比，摻適量水?dāng)嚢杈鶆颍诙喙δ芟嗨颇M試驗(yàn)臺(tái)上澆筑試件。制作?50 mm×100 mm的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試試件，相同條件下養(yǎng)護(hù)15天，所得試件的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 試件物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanics parameters of samples

為監(jiān)測(cè)氣爆過(guò)程中試件內(nèi)部材料的受載過(guò)程，在模型澆筑過(guò)程中預(yù)埋多組應(yīng)變傳感器，傳感器可測(cè)爆孔的環(huán)向和徑向2個(gè)正交方向的應(yīng)變，其響應(yīng)頻率大于200 kHz，傳感器分布和爆破模型尺寸如圖4所示。原煤試件是在預(yù)定位置鉆取監(jiān)測(cè)孔，用水泥將傳感器封裝在孔底以監(jiān)測(cè)煤體內(nèi)部應(yīng)變變化，模型周邊用槽鋼施加固定約束。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1) 啟動(dòng)微機(jī)控制電液伺服系統(tǒng)，鎖定多功能相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)的可動(dòng)邊框。

(2) 將氣爆頭插入爆孔預(yù)定深度并固定，打開(kāi)采集控制系統(tǒng)，用CO2沖洗出氣路中的空氣。

(3) 注入液態(tài)CO2并升溫至預(yù)定溫壓條件，調(diào)試動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀并開(kāi)始采集，啟動(dòng)爆破。

(4) 爆破后使用高清工業(yè)窺鏡觀(guān)察和測(cè)量爆孔內(nèi)部情況，統(tǒng)計(jì)并記錄裂隙特征等信息。

為得到氣爆時(shí)試件受到的沖擊壓力，將高頻壓力傳感器固定于?16 mm的鋼管，安裝在爆破噴嘴處并啟動(dòng)爆破。考慮到試件的強(qiáng)度和尺寸，為更好的體現(xiàn)致裂效果，選用22 MPa、35 ℃的超臨界CO2，并測(cè)得該狀態(tài)下氣爆沖擊壓力時(shí)程曲線(xiàn)，如圖5所示。在該爆破條件下超臨界CO2從壓力釜到爆破噴嘴的壓力損失很小，試件受到的沖擊壓力峰值達(dá)19.8 MPa，遠(yuǎn)超試件的抗壓強(qiáng)度，且超過(guò)試件抗壓強(qiáng)度的壓力持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)得到了超臨界CO2氣爆后不同試件的裂隙形貌分布，如圖6所示。原煤和混凝土試件爆破前后爆破孔內(nèi)的對(duì)比，如圖7所示。

由圖6～7可以看出，氣爆孔及附近的材料發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，形成錯(cuò)綜復(fù)雜的裂隙群，氣爆噴嘴附近的爆破孔直徑明顯增加，形成爆破空腔，由于煤體內(nèi)存在大量弱面結(jié)構(gòu)，氣爆形成的裂隙群更加密集，混凝土試件因?qū)O2濾失小而泄壓緩慢，相同氣爆條件下形成的爆破空腔更大。粉碎區(qū)外的介質(zhì)在氣爆作用下發(fā)生開(kāi)裂破壞，裂隙以爆破點(diǎn)為中心呈放射狀分布，即氣爆裂隙區(qū)，距離氣爆孔更遠(yuǎn)區(qū)域的介質(zhì)沒(méi)有明顯的破壞。

通過(guò)處理動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀信號(hào)，得到了氣爆過(guò)程中試件內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化，部分結(jié)果如圖8所示。對(duì)比圖8(a)～(d)發(fā)現(xiàn)原煤試件應(yīng)變波形更為復(fù)雜，在同一方向距離爆孔位置不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變波形重合度低(如圖8(a)～(b)所示)，而混凝土試件中相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化規(guī)律相對(duì)一致(如圖8(c)～(d)所示)，原因是煤體內(nèi)存有大量節(jié)理裂隙等非連續(xù)結(jié)構(gòu)，氣爆過(guò)程中應(yīng)力波反射、疊加等作用致使監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化復(fù)雜，混凝土試件材料相對(duì)均質(zhì)，所以不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的波形基本一致。

提取不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變峰值得到應(yīng)變峰值與距離氣爆孔距離的關(guān)系曲線(xiàn)(如圖8(e)所示)，應(yīng)變峰值隨測(cè)點(diǎn)到氣爆孔距離的增加而降低，且降低的幅度逐漸減小，這是應(yīng)力波的能量隨傳播距離的增加而衰減的結(jié)果。混凝土試件相同位置測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變峰值高于原煤試件，原因是煤體中存在大量節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面，氣爆時(shí)爆孔周?chē)罅苛严睹骈_(kāi)裂消耗較多能量，應(yīng)力波遇到結(jié)構(gòu)面時(shí)會(huì)發(fā)生反射使得能量進(jìn)一步降低，產(chǎn)生的應(yīng)變相應(yīng)減小。

圖8(a)～(d)是裂隙沒(méi)有穿過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化時(shí)程曲線(xiàn)，可以得出氣爆產(chǎn)生的應(yīng)力波是壓縮波，波陣面上的介質(zhì)是受壓的,取波陣面上的微元體，如圖9所示，σr為壓應(yīng)力，波陣面上的質(zhì)點(diǎn)向外振動(dòng)使得波陣面半徑增大，在環(huán)向方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，即σθ為拉應(yīng)力。圖8(f)是氣爆混凝土試件產(chǎn)生的裂隙穿過(guò)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)，可以看出在距離爆孔0.1和0.2 m處的傳感器應(yīng)變值已經(jīng)超過(guò)10-2，實(shí)際數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)斷線(xiàn)值并且不再變化，即隨著試件的開(kāi)裂應(yīng)變傳感器已經(jīng)斷開(kāi)，距離氣爆孔0.1 m處的傳感器數(shù)值從2.511×10-3降到-6.718×10-3后直接跳躍到7.608×10-2的斷裂值，即氣爆時(shí)爆孔周?chē)橘|(zhì)在遠(yuǎn)超其抗壓強(qiáng)度的沖擊壓力(如圖5所示)作用下，產(chǎn)生應(yīng)力波并向外傳播，波前應(yīng)力σr超過(guò)材料抗壓強(qiáng)度，使得該測(cè)點(diǎn)發(fā)生壓縮破壞，并形成粉碎區(qū)；由圖8(a)～(d)可知，隨著應(yīng)力波的傳播其能量迅速衰減，直至波前應(yīng)力不足以將介質(zhì)壓碎，但煤和混凝土材料的抗拉強(qiáng)度都遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，所以裂隙在σθ的作用下得以繼續(xù)擴(kuò)展，直到拉應(yīng)力小于材料抗拉強(qiáng)度；距離氣爆孔0.3和0.4 m的傳感器始終沒(méi)有斷開(kāi)，都在0.003 7 s左右出現(xiàn)較大的壓應(yīng)變，對(duì)比圖8(a)～(d)可以得出應(yīng)力波在0.002 s內(nèi)完全穿過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)，即0.003 7 s出現(xiàn)的較大應(yīng)變是球形波陣面到達(dá)產(chǎn)生的；之后分別在0.006和0.009 s附近出現(xiàn)峰值應(yīng)變，這時(shí)拉應(yīng)變峰值出現(xiàn)在壓應(yīng)變峰值之后且拉應(yīng)變峰值大于壓應(yīng)變峰值，該過(guò)程是由高壓CO2氣體進(jìn)入裂隙作用于裂隙面形成氣楔，在裂隙尖端產(chǎn)生垂直于裂隙面的拉應(yīng)力，促使裂隙的擴(kuò)展，進(jìn)而形成裂隙區(qū)。

圖8(f)中隨著與氣爆孔距離的增加，相鄰2個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值的時(shí)間差依次增大，說(shuō)明試件開(kāi)裂的速度在徑向方向隨著開(kāi)裂距離的增加而降低。統(tǒng)計(jì)相同爆破條件下(如圖5所示)不同混凝土試件(如表1所示)相同距離處裂隙擴(kuò)展的速度，得到裂隙擴(kuò)展的平均速度與到氣爆孔距離的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖10所示。從圖中可以看出，裂紋擴(kuò)展速度隨到氣爆孔距離的增加逐步降低，降低的速率先增大后減小，符合S曲線(xiàn)變化規(guī)律，其形式為：

(1)

式中：V為裂紋的擴(kuò)展速度，Vh為裂紋的最高開(kāi)裂速度，Vl為裂紋的最低開(kāi)裂速度，D為裂紋距離氣爆孔的距離，Db為粉碎區(qū)和裂隙區(qū)交界到氣爆孔的距離，K為與材料性質(zhì)等有關(guān)的系數(shù)。

氣爆孔附近的煤巖是在沖擊壓力作用下發(fā)生的破壞，應(yīng)力波傳播速度快且作用時(shí)間短，致使介質(zhì)開(kāi)裂的速度大(圖10中0.15 m之前)；應(yīng)力波之后的高壓CO2氣體作用相對(duì)緩慢，使得裂隙的開(kāi)裂速度大幅降低(圖10中0.25 m之后)；距離爆孔0.15～0.25 m的區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)因受壓形成的粉碎區(qū)和因受拉形成裂隙區(qū)的交界，即沖擊波作用為主和氣楔劈裂作用為主的過(guò)渡區(qū)，由于致裂原因的改變致使開(kāi)裂速度發(fā)生突變。由開(kāi)裂速度與致裂機(jī)理和破壞區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)開(kāi)裂速度可以判定介質(zhì)的破壞形式和所屬破壞區(qū)域，分界速度即D=Db時(shí)裂紋擴(kuò)展速度，本文實(shí)驗(yàn)測(cè)得破壞區(qū)域分界速度為102.63 m/s。

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)超臨界CO2氣爆煤體致裂實(shí)驗(yàn)，得到了煤體及其混凝土材料試件氣爆后的破壞形貌，由內(nèi)而外分為粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和未產(chǎn)生明顯破壞的震動(dòng)區(qū)。

(2) 氣爆孔周?chē)橘|(zhì)在超臨界CO2沖擊產(chǎn)生遠(yuǎn)超材料抗壓強(qiáng)度的球面縱波作用下發(fā)生壓縮性破壞，形成空腔或裂隙網(wǎng)，同時(shí)消耗大量能量，形成粉碎區(qū)；應(yīng)力波在衰減后不足以產(chǎn)生壓縮破壞，但由于脆性材料抗壓不抗拉的特性，應(yīng)力波產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力仍可以使介質(zhì)產(chǎn)生徑向裂隙，應(yīng)力波過(guò)后高壓CO2氣體進(jìn)入裂隙形成氣楔，促使裂隙在拉應(yīng)力的作用下進(jìn)一步發(fā)育和擴(kuò)展，隨著能量的消耗擴(kuò)展速度逐漸下降直至停止，形成裂隙區(qū)。

(3) 由于煤體內(nèi)存在大量節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，氣爆沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)面處發(fā)生反射和疊加，使得應(yīng)力波變化復(fù)雜；相對(duì)于均質(zhì)材料，應(yīng)力波在煤體中傳播消耗能量更多，對(duì)應(yīng)距離的峰值更小；測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)變隨距離氣爆孔距離的增加而減小，煤體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，應(yīng)變峰值隨距離增大而降低的速度越快。

(4) 裂隙在徑向方向的擴(kuò)展速度與其到氣爆孔距離符合“S”型曲線(xiàn)衰減規(guī)律，氣爆致裂速度與致裂機(jī)理和破壞區(qū)域有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即粉碎區(qū)裂隙擴(kuò)展速度快且破壞形式是壓破壞，裂隙區(qū)裂隙擴(kuò)展速度慢且破壞形式是拉破壞，因此根據(jù)裂隙的開(kāi)裂速度可以判定介質(zhì)的破壞形式和所屬破壞區(qū)域。

超臨界CO2氣爆壓降小、作用時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)明火，并且有降溫效果，用于煤巖的致裂增透有良好效果，應(yīng)用前景較大，但煤巖賦存的地質(zhì)環(huán)境一般較為復(fù)雜，超臨界CO2氣爆致裂煤體應(yīng)用于實(shí)際工程還需要考慮載荷、煤巖性質(zhì)等多種影響因素，需要更加全面深入的研究才能實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

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