西山矿区煤层顺层孔CO2爆破增透试验研究

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  摘要:为提高西山矿区煤层透气性,缩短瓦斯抽采达标时间,分析了煤层顺层孔CO2预裂增透技术可行性,模拟了CO2预裂增透半径。研究结果表明:CO2爆生气体计算压力大于围岩作用下煤体强度,CO2爆破煤层增透具备技术可行性;数值模拟显示,经过CO2预裂爆破后,预裂效果最好的是屯兰矿2#煤,煤层裂隙半径4.20m,其次是屯兰矿8#煤,煤层裂隙半径3.90m,再次是马兰矿8#煤,煤层裂隙半径3.45m,最后是东曲矿8#煤,煤层裂隙半径3.30m;现场试验表明,东曲矿8#煤爆破孔间距按6.5m布置,压裂区平均单孔抽采纯流量是未压裂区的3.2倍。
  关键词:低透气性煤层;瓦斯抽采;二氧化碳爆破;西山矿区
  中图分类号:TD712.6 文献标志码:A文章编号: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
  西山礦区开采的2#、8#煤层,由于其煤层透气性差,属于较难抽采煤层,要消除采掘工作面前方区域的突出危险性需要进行大量的瓦斯抽采钻孔施工,且抽采时间较长,严重影响到采掘工作面作业进度。提高低透气性煤层的瓦斯抽采效果一直是西山矿区高瓦斯、突出矿井瓦斯抽采工作中难以解决的问题,为此采取了各种增加煤层透气性的方法,例如水力压裂、水力冲孔、深孔爆破等。但由于工艺复杂、设备庞大、安全性不够、不利于在采掘工作面狭小的空间采用等因素,使用效果不理想[1]。因此,探索适合矿掘进工作面瓦斯抽采增透技术,在保证安全的条件下采取措施增大煤层的透气性,提高煤层瓦斯钻孔抽采量,是西山矿区高瓦斯、突出矿井安全生产必须解决的问题。


  文献[2]分析了气相压裂工艺在石门揭煤作业中的可行性;文献[3]研究了液态CO2具体爆破过程、爆破裂隙扩展规律;文献[4]研究了低渗透煤层注超临界CO2增透煤层裂隙发育宏、微观演化规律;文献[5-7]开展了高压爆生气体应力波致裂煤岩体机理研究;文献[8]研究了液态CO2相变致裂煤层增透布孔方式;一般认为CO2预裂爆破强化抽采具有水力化措施、炸药深孔爆破等不具备的诸多优点,对于改善低渗透煤层透气性具有良好作用[9-11]。综上,利用CO2相变产生高压气体致裂煤岩体已取得一些基本认识,但开展工业试验较少。有必要针对西山矿区松软低透气性煤层群开采条件,开展CO2预裂爆破强化抽采试验,以找到更加安全、经济及高效的煤层增透方法。
  本文从理论上分析了液态CO2相变瞬间气体最大压力,并与煤体强度进行了对比。数值模拟了爆生气体应力波传播过程中煤体剪应力、声发射演化过程。在此基础上进行高压气体爆破增透参数设计,结合工程实例进行分析,以为煤层增透工程提供参考。

1液态CO2爆破技术


  1.1爆破器材
  液态CO2爆破器实物和组成结构如图1所示,爆破器具体技术参数如表1所示。
  1.2液态CO2相变压力


  计算爆生气体压力为122MPa,煤体在5~25MPa围压下,抗压强度在48~97MPa 之间,因此,可以使用上述二氧化碳爆破器进行煤层爆破增透试验。

2液态CO2爆破致裂过程数值模拟


  二氧化碳预裂爆破对周围岩石施加的载荷属动态载荷。RFPA2D-Dynamic以线性有限元和弹性统计损伤理论为建模基础,能够进行岩石类脆性材料的动态破坏过程的数值模拟[12-13]。通过对钻孔内二氧化碳预裂爆破过程的模拟,得出相关爆破技术参数,预计爆破增透效果,可以更好指导开展现场试验[14-15]。   2.1数值模拟参数
  所建模型为平面应变模型,钻孔尺寸:长度200m,直径113mm;动载荷施加长度:自封孔段(10m)里端向里20m;动态荷载施加:150Mpa的三角波,时间步长0.1ms,加载步1000步。煤体物理力学参数如表2所示。
  2.2爆破致裂过程分析
  1) 爆破过程煤体剪应力
  以屯兰矿8#煤数值模拟结果为例,分析二氧化碳预裂爆破过程中的煤体应力、声发射演化规律和破坏过程,屯兰矿8#煤二氧化碳预裂爆破钻孔轴向剖面不同时间节点剪切应力演化过程如图2所示。


  起爆后20ms时,由于液态的二氧化碳正在转化为高压气体的初期,此时的应力对煤体产生剪切作用,特别是在预裂管两端,应力比较集中,但未达到煤体破坏极限。爆破孔周围压力呈环形状态分布,此时煤体的应力状态为弹性状态。随着爆破孔压力的不断增加,爆破孔周围煤体的应力状态也开始变成塑性状态,形成的高应力区也越来越大;当爆炸产生的压应力大于煤体的抗压强度时,煤体产生破裂,并不断向外扩展。应力波在逐渐扩展的过程遇到煤层顶底板时发生反射,反射的应力波将对煤体产生再次破坏。40ms时,煤体开始产生大量破坏,破坏范围贯穿整个煤层厚度方向,在钻孔轴向方向煤体沿着顶底板孕育裂隙,并向钻孔深处发展。60ms时,煤体沿着钻孔方向产生全断面裂隙。
  2)爆破过程煤体声发射
  图3表示的是爆破过程中声发射场的变化情况。煤体的声发射是材料内部产生局部微破裂时产生的弹性波,只有当细观基元体产生脆性破坏时,它才会因弹性回彈而发射出明显的弹性波;细观基元体尺寸取得越小,材料越均匀,这种弹脆性的性质就越明显。通过声发射图可以看出煤体内的能量变化,即在不同阶段煤体的破坏情况,红色为煤体所受到拉应力作用形成的破坏。认为岩石的声发射同破坏单元数成正比,通过统计破坏单元数监测声发射。当起爆后20ms时,爆孔周围产生较多的高能量,但此时煤体还未发生破坏,这种高能量来自钻孔内二氧化碳预裂管的爆破。当到达40ms时,爆破孔周围高能量破坏振动有所减少,低能量破坏振动集中产生,在预裂管里端处的煤体优先出现大范围的破坏。60ms时,高能量破坏振动极速增加,说明破坏的范围随着爆破孔压力的增加不断扩大,同时收到顶底板边界对动态载荷应力波的反射作用,不断叠加震荡的高能量应力波进一步造成煤体的扰动破坏。
  3)爆破增透半径
  从图4可以看出,经过二氧化碳预裂爆破后,在钻孔轴向剖面上,预裂效果最好的是屯兰矿2#煤;在预裂管周围不仅产生了煤体破碎带,还在钻孔深处产生大量裂隙,裂隙圈半径4.20m。其次是屯兰矿8#煤,预裂半径3.90m,再次是马兰矿8#煤,预裂半径3.45m,最小的是东曲矿8#煤,预裂半径3.30m。

3现场试验


  3.1工作面概况
  东曲矿28210工作面回采8#煤,盖山厚度226~370m,上方2#、4#煤已回采,4#~8#煤的层间距为70m。28210工作面走向长1 323~1 343m,倾向长224m,煤层厚度为3.10~4.50m,平均3.97m。煤层倾角2°~8°,平均5°,结构较复杂,夹一至二层夹石,煤层厚度变化不大,属较稳定煤层。根据东曲矿煤层瓦斯基本参数测定报告,+860水平二采区8#煤层:煤层瓦斯压力0.25~0.30MPa;煤层孔隙率为4.41%;煤层透气性系数为0.396m2/(MPa2·d); 瓦斯吸附常数为a=30.738m3/t·r、 b=0.860MPa-1;煤层原始瓦斯含量6.67m3/t。
  3.2爆破致裂方案
  根据数值模拟结果,东曲矿8#煤CO2爆破致裂半径为3.30m,考虑影响爆破致裂其他因素,爆破孔间距设计为6.5m,控制孔间距6.5m,爆破孔与控制孔间隔布置。现场爆破增透试验采用分段式连续爆破,爆破孔与控制孔在同一水平,布置在煤层中部,控制孔前期作为爆破控制孔增加自由面,爆破结束作为抽采孔进行瓦斯抽采,同时监测爆破前后瓦斯抽采参数。
  3.3爆破增透瓦斯抽采效果
  28210胶带巷本煤层CO2爆破压裂区与未压裂区瓦斯抽采情况对比如图5所示,压裂区平均单孔抽采纯流量为0.022 3m3/min,未压裂区平均单孔抽采纯流量为0.007m3/min,压裂区的平均单孔抽采纯流量为未压裂区的3.2倍。东曲矿8#煤预裂钻孔半径按3.25m设计较为合理,实施CO2预裂爆破增透可取得增透增流的预期效果。

4结论


  1) 根据气体状态方程,CO2爆生气体计算压力为122MPa,大于围岩作用下煤体强度,可以使用CO2爆破器进行煤层爆破增透试验。
  2) 数值计算表明,经过CO2预裂爆破后,预裂效果最好的是屯兰矿2#煤,煤层裂隙半径4.20m,其次是屯兰矿8#煤,煤层裂隙半径3.90m,再次是马兰矿8#煤,煤层裂隙半径3.45m,最差的是东曲矿8#煤,煤层裂隙半径3.30m。
  3) 现场试验表明,东曲矿8#煤爆破孔间距6.5m时,压裂区的平均单孔抽采纯流量为未压裂区的3.2倍,CO2预裂爆破可起到增透增流效应。
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  (责任编辑:李丽,编辑:丁寒)
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