低滲透高瓦斯煤層液態二氧化碳相變致裂增透數值模擬研究

王崇勛

(山西煤炭運銷集團長治有限公司，山西 046000)

中國自然資源呈現富煤貧氣的現狀，由于埋藏淺部的煤炭資源開采逐漸減少，深部低滲透高瓦斯煤層瓦斯治理難度隨之增大。國內外現行針對低滲透高瓦斯煤層增透技術主要為五個研究方向，一是采動卸壓增透技術，該技術受煤層賦存地質條件限制，僅能夠在部分近距離煤層群開采過程中應用。二是深孔控制爆破增透技術，該技術在煤層增透過程中，采用炸藥作為主要材料，然而在使用過程中存在極大的安全隱患，且國家現階段政策限制民用炸藥的批準量。三是水力增透技術，高壓水射流和水力沖孔增透技術在煤礦井下增透時易誘導煤與瓦斯突出災害；水力壓裂增透技術在地面井區域壓裂效果較好，但在煤礦井下局部壓裂增透技術存在理論、配套裝備和評價體系不完善。四是高壓空氣爆破，該增透技術在加壓空氣過程中存在較大安全隱患，加壓設備占據煤層巷道狹窄空間，現階段最大爆破壓力值100MPa左右，不及采用炸藥的深孔控制爆破壓力值的10%，煤層增透效果受限。五是煤層注氣增透技術，該增透技術已建立較完善的理論和實驗基礎，但在現場應用方面驗證較少。本文提出采用液態二氧化碳相變氣爆增透技術，該技術具有不受煤層賦存地質條件和采掘巷道限制，取代炸藥的本質安全型增透技術。本文擬采用數值模擬的方法研究不同因素對液態二氧化碳相變氣爆的影響。

1 液態二氧化碳相變氣爆致裂煤層裂紋擴展分析

由彈性力學理論，可知煤層增透目標鉆孔孔壁四周任意一點的應力狀態為：

(1)

式中：σrrgeo、σθθgeo、σrθgeo分別為極坐標時致裂煤體任何一點的應力狀態；σyygeo為垂直方向的地應力分量；K為水平方向的地應力側壓力系數；θ為水平方向與極坐標的夾角。

已有研究表明液態二氧化碳相變氣爆產生的氣體和爆破波峰值壓力的計算表達式為：

(2)

(3)

式中：Pg和Ps分別為液態二氧化碳相變氣爆產生氣體和爆破波的峰值壓力；ρ0為二氧化碳的密度；D為液態二氧化碳相變的爆速；d1和d2分別是致裂器和致裂鉆孔的直徑，l1和l2分別是致裂器儲氣腔和致裂鉆孔的深度，n為增量系數，一般取值為8～11。

氣爆產生的沖擊沖擊波在鉆孔周圍煤層內衰減較快，氣爆壓力與傳播距離的關系為：

(4)

氣爆沖擊波在煤體中的波速與波陣面上質點運動速度關系式為：

D=a+bv

(5)

式中：v為波陣面上質點運動速度；a和b分別為實驗測試得出的常數。

氣爆沖擊波在煤體中傳播逐漸衰減為應力波，應力波波速為cp，根據動量守恒，沖擊波傳播至壓縮邊緣處壓力峰值可表示為：

Pm=ρccpvr

(6)

氣爆沖擊波壓縮邊緣處煤巖質點的位移速度可表示為：

vr=(cp-a)/b

(7)

由式(4)～(7)可得出相變氣爆近區的半徑為：

(8)

因此，在氣爆粉碎區形成的裂紋擴展長度L1為：

(9)

已有研究表明，應力波的衰減系數則由下式表達：

α=[3-μ/(2-μ)]

(10)

根據泊松效應，氣爆應力波在裂隙區的切向拉應力峰值的表達式為：

(11)

裂隙區內煤體任意點的總切向應力可表示為：

(12)

把煤體動抗拉強度σdt替代σθθ1，從而得出相變氣爆后應力波引起徑向裂隙的擴展范圍的表達式為：

(13)

液態二氧化碳相變氣爆應力波致裂煤體的初始裂紋長度的表達式為：

(14)

通過上述理論推導可知，液態二氧化碳相變氣爆的爆破波作用下煤巖爆破松動的范圍不僅與致裂器裝液量有關，而且也與煤體的物理性質和地應力有關。

2 液態二氧化碳相變氣爆致裂煤層計算模型構建

為了研究不同因素對液態二氧化碳相變氣爆致裂煤層的影響，采用有限差分軟件FLAC3D對液態二氧化碳相變氣爆致裂煤層過程的進行動力模擬。致裂目標煤層為三向應力狀態，簡化為二維平面應變問題開展研究，實驗煤層的物理參數如表1所示。

表1 模擬煤層物理參數

建立單孔致裂條件下FLAC3D數值計算模型，模型尺寸為40m×30m×6m，氣爆鉆孔位于模型的中間，鉆孔直徑為94mm，深度為14m，模型上方等效均布壓方式施加上覆巖層自重應力10MPa。

3 液態二氧化碳相變氣爆致裂煤層數值模擬結果

3.1 地應力對氣爆致裂煤層的影響分析

通過在計算模型上方等效均布壓方式分別施加上覆巖層自重應力0MPa、8MPa、16MPa和24MPa，研究不同地應力下條件下液態二氧化碳氣爆致裂煤層影響結果，如圖1所示。

圖1 不同地應力條件下氣爆致裂煤層塑性區

通過數值模擬得出了不同地應力條件下液態二氧化碳相變氣爆致裂影響半徑，如表2所示，地應力與致裂半徑擬合曲線如圖2所示。

表2 不同地應力條件下氣爆有效影響半徑表

圖2 氣爆煤層影響半徑與地應力的變化關系曲線

圖2為氣爆煤層影響半徑與地應力變化的擬合關系曲線，可定量說明氣爆致裂影響半徑隨地應力的變化關系，煤體氣爆致裂影響范圍隨地應力的增加而呈現非線性的指數函數形式減小，二者定量關系為R = 8.7788e-0.034σ，相關性系數為0.9741。綜合上述分析，在井下運用液態二氧化碳相變氣爆過程中要考慮地應力的影響，合理選用致裂器的型號以提高設計增透半徑。

3.2 煤體自身強度對氣爆致裂煤層的影響分析

煤體自身強度是煤體形成過程中自有物理特性，不同地質條件下煤層的堅固性系數不同，本文選取中國境內不同礦區煤層的相應的堅固性系數f值開展數值模擬研究，模型上方等效均布壓方式施加上覆巖層自重應力為8MPa，氣爆致裂煤層塑性區結果如圖3所示。

圖3 煤體不同堅固性系數條件下氣爆致裂煤層塑性區

圖4 煤體不同堅固性系數與增透影響半徑的關系曲線

由圖4煤體不同堅固性系數與增透影響半徑的關系擬合曲線可以看出，煤的堅固性系數為1.15左右時，氣爆導致的煤層增透影響半徑最大，高于或低于該堅固性系數值時，氣爆增透影響半徑逐漸減小。分析原因是：堅固性系數小的松軟煤體內孔隙較多，力學強度較低，會導致氣爆粉碎區加大，前期耗能較大導致裂隙范圍減小；而堅固性系數較大的硬煤由于初始裂紋尖端應力強度因子較大，煤體裂紋擴展所需爆破應力隨之增加，不利于裂紋的產生和擴展，爆破裂隙區范圍較小。

4 結論

(1)理論分析了液態二氧化碳氣爆致裂煤層的增透機理，并推導得出了相變氣爆應力波引起的煤體初始裂隙長度的數學模型。

(2)數值模擬分析得出了氣爆煤層影響半徑與不同地應力的變化關系呈非線性的指數函數，二者定量關系為R=8.7788e-0.034σ，相關性系數為0.9741。

(3)數值模擬分析得出了氣爆煤層影響半徑與煤體自身堅固性系數變化關系呈類拋物線趨勢，當煤體的堅固性系數在1.15左右時，氣爆致裂影響半徑為最大值，而堅固性系數增大或減小均不利于氣爆對煤體的增透效果。