点式气相聚能致裂增透技术试验研究

吕锋鐄

（山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033602）

0 引 言

随着煤炭科学技术的发展，最近几年来全国各大煤炭集团开始推广使用点式气相聚能致裂煤层增透技术[1-3]。近些年来，该技术是各大高校、科研院所开展的重要研究课题，依据激发原理的不同，可将气相压裂划分为2 种形式，高压空气聚能压裂和液体CO2聚能压裂，与传统炸药爆破增透技术相比，气相压裂属于点式聚能爆破压裂方式，并不是全断面接触式爆破。点式气相聚能致裂煤体之后，煤层会发生卸压增透反应，增大煤层的透气性系数，提高工作面的瓦斯抽采效果[4-6]。

为了得到点式气相聚能致裂煤体的规律，赵丹等[7]通过逾渗理论得到煤岩体破坏准则及计算得到气相聚能致裂非均质煤岩体的临界压力；贾进章等[8]通过从应力波传播和损伤等不同方向研究了气相聚能致裂机理；雷云等[9]通过研究提出气相聚能破岩过程中有两个临界压力，破岩机理主要体现在冲蚀破碎和锤冲破碎；韩颖等[10]通过理论分析和现场试验，研究了气相聚能以不同速度冲击破碎岩石过程的流场规律及应力分布规律。

但目前科研工作者没有对点式气相聚能压裂煤层后所产生的三维空间增透效果进行深入研究，尤其是气爆后气体压力的变化规律需要进行试验研究[11-12]。

1 试验研究

气相聚能压裂属于一种物理作用过程，是具有代表性的点式泄压气体变化的压裂增透技术，其核心为精确掌握压降参数的大小[13-14]。为了获得点式气相聚能致裂煤体的三维效果，设计组建一套试验平台和测试系统，主要开展液态CO2相变气爆过程中压力测定，试验平台由4 个部分组成，厚壁无缝钢管、CO2致裂器、动态信号采集系统和压力传感器。

通过在不同厚壁钢管上安设压力传感器，来测定气爆过程中对应地点不同时间的气爆压力值，随着与爆破口距离的增大，气体压力变化情况如图1所示，气体压力上升快慢情况如图2 所示。

图1 气体压力变化曲线Fig. 1 Changing curve of gas pressure rise

图2 气体压力上升快慢变化曲线Fig. 2 Curve of gas pressure chang speed

由图1 可知，在起爆口周围为气体压力最大区域，随着逐渐远离起爆点，气体压力呈现迅速减少—平缓下降，符合二次抛物线形式，拟合后得到关系式y = 0.04x2- 5.86x + 227.6。

由图2 可知，起爆口附近气体压力迅速升高，随着逐渐远离起爆点，压力上升时间呈现迅速升高—平缓升高—稳定不变，符合幂函数形式，拟合后得到关系式为y = 8.78x0.1437。

2 数值模拟

由于气相压裂煤层属于三维研究问题，而大多数科研工作者仅从二维平面角度数值模拟研究单一因素如何影响液态CO2相变致裂增透煤层，加之致裂器起爆作用于煤体为定向高速高压气体冲击压裂煤体过程，所以为得到气相聚能压裂煤层的准确三维结果，通过第一节研究的煤层爆破孔内气体压力变化情况，得到了气体压力在爆破孔轴向的变化规律[15-16]。

利用FLAC3D 有限差分软件数值模拟研究气相聚能压裂煤层的三维效应，合理简化试验煤层的赋存条件，构建三维数值模型并开展研究。三维数值模型主要开展模拟液态CO2致裂煤层的三维范围，此模型为在二维平面模型基础上通过沿着面外法线方向扩展20 m 得到，尺寸为竖直方向上贯穿顶底板岩层和煤层。液态CO2相变致裂煤层的三维数值模型如图3 所示。

图3 数值模型Fig. 3 Numerical model

在平面模型的底部和两侧面施加面法向位移约束边界条件，在模型顶部提供20 MPa 的均布荷载，表示煤层上部未建立的覆岩自重应力，在模型水平方向施加的侧压力系数为1.25，在模型面外法线方向施加的侧压力系数为1.5。在三维模型前后部分施加面外法线方向的位移约束，其余和平面模型一样。通过拉剪复合破坏准则的摩尔库伦理论弹塑性本构代表煤岩体的力学特征，煤岩体的参数见表1。数值模拟液态CO2相变致裂煤层的归一化相变气爆时程曲线如图4 所示。

表1 煤岩体参数Table 1 Parameters of coal and rock mass

图4 气爆时程曲线Fig. 4 Time history curve of gas explosion

在模拟各种工况条件时首先要模拟产生初始地应力场，等到模型计算稳定后，开始清零位移场和速度场，接着开始模拟相应具体工况条件。数值模拟液态CO2相变致裂煤层工况时，要在地应力稳定后，开始模拟开挖致裂钻孔，接着再施加归一化相变气爆时程曲线开展模拟气爆致裂过程。模拟得到气爆后压力达到160 MPa、200 MPa 时，沿着爆破孔的轴向塑性区和竖向塑性区，具体情况如图5～ 图6 所示。

图5 压力峰值160 MPa 时塑性区分布情况Fig. 5 Distribution of plastic zone at 160 MPa peak pressure

图6 压力峰值200 MPa 时塑性区分布情况Fig. 6 Distribution of plastic zone at 200 MPa peak pressure

由图5～图6 发现，在液态CO2相变致裂煤层过程中，气爆后压力达到160 MPa 和200 MPa 时，因气爆后压力没有呈现以爆破孔轴向均匀分布，最终导致塑性区沿着爆破孔的轴向形成椭圆形分布，气爆后压力达到160 MPa 时的最大有效爆破半径为0.50 m，爆破后的体积分别为0.50 m3，气爆后压力达到200 MPa 时的最大有效爆破半径为0.60 m，爆破后的体积为0.95 m3，可得到最大爆破半径增大了20%，爆破体积增大了1 倍。以上数值模拟结果得到，因爆破孔内气体压力呈现非均匀分布，导致爆破区域没有形成圆柱体分布，气爆后压力对爆破影响面积起着重要影响作用；要想得到最佳的气爆致裂增透效果，现场试验时需要选择气爆后压力大的爆破筒，如果现场实际条件满足要求，可对爆破孔进行多次致裂增透。

3 结 论

（1） 通过试验获得起爆后气体压力变化规律，气体压力的最大地点为爆破筒泄爆口处，随着逐渐远离起爆点，气体压力呈现迅速减少—平缓下降，符合二次抛物线形式，拟合后得到关系式y =0.04x2- 5.86x + 227.6，相关性系数为0.85；随着逐渐远离起爆点，压力上升时间呈现迅速升高—平缓升高—稳定不变，符合幂函数形式，拟合后得到关系式为y = 8.78x0.1437，相关性系数为0.99。

（2） 模拟结果得到气爆后压力达到160 MPa和200 MPa 时，最大有效爆破半径为0.50 m 和0.60 m，爆破后的体积分别为0.50 m3和0.95 m3，可得到最大爆破半径增大了20%，爆破体积增大了1 倍。