張兵兵 崔曉榮 陳晶晶

(宏大爆破有限公司，廣東省廣州市，510000)

CO2致裂增透技術(shù)源于國(guó)外，最早用于大型水庫(kù)、堤壩附近的爆破工作，可適用于易燃、可燃材料的處理，且不屬于傳統(tǒng)的爆破范疇，應(yīng)用范圍較廣。近年來(lái)國(guó)內(nèi)很多學(xué)者逐漸認(rèn)識(shí)到了CO2致裂增透技術(shù)的優(yōu)越性，通過(guò)改進(jìn)技術(shù)和致裂裝置的不斷更新升級(jí)，將這項(xiàng)致裂增透技術(shù)引入到了煤炭開采領(lǐng)域。該技術(shù)具備安全可靠的特點(diǎn)，適用于低透氣性煤層，可有效地增加裂隙擴(kuò)展范圍，從而提高煤體的透氣性。

孫可明等模擬分析了不同爆生氣體壓力作用下的CO2致裂過(guò)程，認(rèn)為致裂產(chǎn)生的裂隙擴(kuò)展范圍與超臨界CO2爆生氣體壓力有關(guān)；曹運(yùn)興在潞安礦區(qū)的5所煤礦進(jìn)行了CO2致裂增透的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為煤層受致裂鉆孔的影響，產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)雜且具有高滲透性的裂縫網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于提高瓦斯抽采效率作用效果良好；王兆豐在河南九里山煤礦進(jìn)行了液態(tài)CO2相變致裂試驗(yàn)，致裂后各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)較致裂前都有了很大提高，增透效果顯著；郭愛軍等在寺家莊某進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行了瓦斯鉆孔施工及CO2致裂孔布置試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：致裂孔周邊位置瓦斯?jié)舛容^低，瓦斯抽采效果好，形成了以致裂孔為中心的內(nèi)側(cè)瓦斯?jié)舛冉档蛥^(qū)和外側(cè)瓦斯?jié)舛壬邊^(qū)。

綜上所述，CO2致裂增透技術(shù)應(yīng)用在低透氣性煤層中，加速了煤層原生裂隙的擴(kuò)展發(fā)育。但對(duì)于CO2致裂增透技術(shù)的影響因素方面，相關(guān)的研究資料較少，尤其是地應(yīng)力與煤體普氏系數(shù)的影響。因此，開展地應(yīng)力及煤體普氏系數(shù)與CO2致裂增透效果的數(shù)值模擬研究有著一定的研究意義。

1 CO2致裂增透機(jī)理

煤層卸壓可采用爆破的方式進(jìn)行處理，而爆破可分為物理爆破與化學(xué)爆破。傳統(tǒng)的化學(xué)爆破主要為炸藥爆破，其利用炸藥在介質(zhì)中產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波來(lái)實(shí)現(xiàn)破碎煤巖體的目的。但在一些特殊區(qū)域如高瓦斯煤層，炸藥爆破則不能適用，故需要一種更為有效的卸壓方式。而新型的CO2致裂增透技術(shù)屬于物理爆破的一種，具有安全可靠的特性，不會(huì)在煤層中產(chǎn)生火花及引起煤層瓦斯爆炸，可較好地達(dá)到卸壓增透的效果。

在高壓狀態(tài)，氣態(tài)的CO2可轉(zhuǎn)化為液態(tài)，可利用特有的致裂管裝置進(jìn)行儲(chǔ)存。受外界引爆裝置的影響，在受熱狀態(tài)下，液態(tài)的CO2迅速向氣態(tài)轉(zhuǎn)化，體積迅速膨脹，巨大的能量在有限的致裂管中沿著釋放孔向煤層中急劇釋放，可在一定程度上破壞煤體的原生結(jié)構(gòu)，形成一定區(qū)域的裂隙擴(kuò)展區(qū)，使得部分裂隙形成相互貫通，進(jìn)而達(dá)到致裂的效果。由于CO2致裂的壓力小于炸藥的破壞能力，且致裂壓力可通過(guò)調(diào)節(jié)致裂管實(shí)現(xiàn)，處于可控范圍，不會(huì)破壞煤體的主體結(jié)構(gòu)。液態(tài)CO2引爆后，會(huì)在致裂鉆孔周圍產(chǎn)生不同區(qū)域，如圖1所示。

1—鉆孔；2—破碎區(qū)；3—裂隙區(qū)；4—震動(dòng)區(qū)圖1 致裂形成的區(qū)域

裂隙區(qū)的范圍越大，致裂的效果越好。但裂隙的擴(kuò)展不僅受到致裂壓力的影響，同時(shí)還要受到地應(yīng)力與煤層普氏系數(shù)的制約，因此，有必要開展地應(yīng)力與煤層普氏系數(shù)對(duì)CO2致裂效果影響規(guī)律的研究。

2 應(yīng)力對(duì)煤層裂隙的影響

2.1 應(yīng)力與煤體滲透能力的關(guān)系

CO2致裂增透效果受應(yīng)力的影響較大，而煤層的應(yīng)力又與煤層埋深密切相關(guān)。當(dāng)煤層埋深較大時(shí)，相對(duì)于淺埋煤層而言，煤體的滲透能力下降幅度較大。當(dāng)保持煤層瓦斯壓力不變時(shí)，應(yīng)力與煤體滲透率存在一定的聯(lián)系，即垂直應(yīng)力越高，煤體的滲透能力越低。隨著應(yīng)力的增加，煤層將呈現(xiàn)難以滲透的趨勢(shì)。故應(yīng)力的存在，一定程度上阻礙了煤層裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展。

2.2 應(yīng)力對(duì)煤層裂隙擴(kuò)展的力學(xué)分析

應(yīng)力越高，導(dǎo)致煤體透氣性能力越低，進(jìn)而影響到煤層裂隙的擴(kuò)展發(fā)育程度。故對(duì)應(yīng)力與煤層裂隙擴(kuò)展二者之間的關(guān)系進(jìn)行力學(xué)分析有著一定的意義。由于煤層受圍巖壓力的不斷影響，故可建立如圖2所示的煤層裂隙擴(kuò)展模型，分析煤體裂隙擴(kuò)展與應(yīng)力之間的關(guān)系。

圖2 煤體裂隙擴(kuò)展模型

簡(jiǎn)化后，在應(yīng)力作用下I、II型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子滿足：

(1)

K——側(cè)壓系數(shù)；

β——裂隙與垂直應(yīng)力的夾角，(°)；

KI、KII——應(yīng)力作用下裂紋的I型和II型應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPa·m1/2；

a——裂隙長(zhǎng)度的一半，m。

由式(1)可以得出，隨著應(yīng)力的增加，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，阻礙了致裂產(chǎn)生的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育。故如何有效地降低煤層地應(yīng)力大小，對(duì)煤層進(jìn)行卸壓處理，是必須要解決的一項(xiàng)工作。

3 CO2致裂增透效果數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

某煤礦膠帶下山煤層巷道埋深為400 m，煤層平均煤厚為6.05 m，煤層傾角僅為3°，可認(rèn)為是近水平煤層。致裂孔直徑選取94 mm，處于計(jì)算域中心，且單個(gè)CO2致裂器長(zhǎng)度為1.5 m，裝入液態(tài)CO2質(zhì)量為1.5 kg。采用FLAC3D模擬軟件建立煤層液態(tài)CO2爆破動(dòng)力有限差分?jǐn)?shù)值模型時(shí)，計(jì)算域?yàn)?0 m×10 m×5 m，采用模型參數(shù)轉(zhuǎn)化后的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，先施加應(yīng)力，對(duì)CO2致裂孔進(jìn)行靜力計(jì)算，此時(shí)的邊界條件為固定模型四周及底部。再對(duì)致裂裂隙擴(kuò)展進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，此時(shí)的邊界條件為模型四周和底部為粘彈性自由邊界場(chǎng)。煤層的相關(guān)力學(xué)參數(shù)：密度為2500 g/cm3，彈性模量為622 MPa，泊松比為0.25，內(nèi)聚力為2.25 MPa，內(nèi)摩擦角為47°，抗壓強(qiáng)度σc為4.57 MPa，抗拉強(qiáng)度σt為0.48 MPa。對(duì)應(yīng)的CO2致裂模型如圖3所示。

圖3 CO2致裂增透模型

3.2 數(shù)值模擬方案

(1)模擬垂直應(yīng)力分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa以及水平側(cè)壓系數(shù)分別為0.5、1、1.5、2對(duì)CO2致裂增透效果的影響。分析鉆孔周邊圍巖塑性區(qū)范圍的變化，得出應(yīng)力與致裂半徑對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

(2)模擬煤體普氏系數(shù)分別為0.1、0.3、0.5、0.7時(shí)，對(duì)CO2致裂增透效果的影響。分析鉆孔周邊圍巖塑性區(qū)范圍的變化，得出煤體普氏系數(shù)與致裂半徑對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 不考慮水平應(yīng)力的影響

不同垂直應(yīng)力對(duì)致裂效果的影響規(guī)律如圖4所示。致裂半徑隨垂直應(yīng)力的變化曲線如圖5所示。

圖4 垂直應(yīng)力對(duì)致裂效果的影響規(guī)律

由圖5可知，單致裂孔作用下，當(dāng)應(yīng)力為10 MPa時(shí)，CO2致裂半徑可達(dá)1.1 m；且隨著地應(yīng)力增加，致裂半徑范圍逐漸減少，表明垂直應(yīng)力對(duì)煤層致裂增透效果的阻礙作用增強(qiáng)，一定程度上驗(yàn)證了理論分析的正確性；垂直應(yīng)力分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的致裂半徑分別為1.1 m、0.7 m、0.65 m。另外，隨著應(yīng)力的增加，致裂半徑減小幅度逐漸降低。通過(guò)對(duì)塑性區(qū)變化情況的分析，可得致裂影響區(qū)域隨垂直應(yīng)力的增加逐漸減小。

圖5 致裂半徑隨垂直應(yīng)力的變化曲線

3.3.2 考慮水平應(yīng)力的影響

在煤層實(shí)際賦存中，煤層不僅受垂直應(yīng)力的影

響，同時(shí)還受水平應(yīng)力的作用，因此研究不同水平側(cè)壓系數(shù)對(duì)致裂半徑的影響，更切合實(shí)際情況。由于巷道埋深約為400 m，固定地應(yīng)力為10 MPa，分析不同的水平側(cè)壓系數(shù)，即λx=λy=0.5、1.0、1.5、2.0時(shí)，致裂半徑隨水平應(yīng)力的變化關(guān)系。水平側(cè)壓系數(shù)對(duì)致裂效果的影響規(guī)律如圖6所示。

致裂半徑隨水平側(cè)壓系數(shù)的變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，隨著水平側(cè)壓系數(shù)λx的增加，即煤層水平應(yīng)力的增加，側(cè)壓系數(shù)為0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的裂隙區(qū)范圍為1.2 m，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)增加至2.0時(shí)裂隙區(qū)的范圍為1.7 m，表明側(cè)壓系數(shù)的增加，有利于水平方向裂隙的擴(kuò)展發(fā)育，但當(dāng)水平側(cè)壓系數(shù)大于2時(shí)，曲線趨于平緩，即裂隙半徑逐漸趨于穩(wěn)定。水平側(cè)壓系數(shù)為0.5、1、1.5、2時(shí)，對(duì)應(yīng)的致裂半徑分別為0.6 m、0.82 m、0.85 m、0.85 m。

圖6 水平側(cè)壓系數(shù)對(duì)致裂效果的影響規(guī)律

3.3.3 煤體普氏系數(shù)的影響

煤體是一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，煤層自身賦存狀態(tài)的不同，導(dǎo)致原始裂隙發(fā)育程度也不相同。為了研究煤層自身屬性對(duì)致裂效果的影響，分析了不同煤體普氏系數(shù)對(duì)致裂效果的影響，主要觀察對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)變化情況，模擬結(jié)果有助于更好解釋不同煤體自身賦存狀態(tài)對(duì)致裂半徑的影響。普氏系數(shù)對(duì)致裂效果的影響規(guī)律如圖8所示。

圖7 致裂半徑隨水平側(cè)壓系數(shù)的變化曲線

致裂半徑隨普氏系數(shù)的變化曲線如圖9所示。由圖9可以看出，隨著煤體普氏系數(shù)的增加，煤層塑性區(qū)的范圍呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；當(dāng)煤體硬度較小時(shí)，裂隙擴(kuò)展范圍也較小，究其原因在于，煤體松軟時(shí)原生裂隙發(fā)育程度較高，CO2致裂產(chǎn)生的沖擊波和爆生氣體壓力峰值較低，沖擊波衰減速率快，產(chǎn)生的裂隙區(qū)影響區(qū)域小；若煤體硬度增加時(shí)，煤體受致裂的影響范圍越大，裂隙擴(kuò)展程度擴(kuò)大，但隨著普氏系數(shù)的增加，致裂影響半徑的增加幅度呈緩慢增加的趨勢(shì)；普氏系數(shù)增至一定程度后，致裂半徑影響范圍將趨于穩(wěn)定不變。煤體普氏系數(shù)分別為0.1、0.3、0.5、0.7時(shí)對(duì)應(yīng)的致裂半徑分別為0.9 m、0.92 m、1.0 m、1.1 m。

圖8 普氏系數(shù)對(duì)致裂效果的影響規(guī)律

4 結(jié)論

(1)分析了CO2致裂增透技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及作用機(jī)理，研究了應(yīng)力與煤層透氣性的關(guān)系，建立了地應(yīng)力與煤層裂隙擴(kuò)展相互作用力學(xué)模型，得出垂直應(yīng)力的存在阻礙了煤層裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育，需要進(jìn)行有效的卸壓處理。

圖9 致裂半徑隨普氏系數(shù)的變化曲線

(2)建立了CO2致裂增透的數(shù)值模擬模型，給出了數(shù)值模擬方案。并對(duì)不同地應(yīng)力作用下的塑性區(qū)、致裂半徑的變化情況進(jìn)行了分析。得出隨著垂直應(yīng)力增加，煤層裂隙的擴(kuò)展范圍不斷減小，而水平應(yīng)力越大，越有利于水平裂隙的擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力大到一定程度時(shí)，致裂半徑隨應(yīng)力的變化趨于平緩。

(3)采用數(shù)值模擬的方法分析了煤體普氏系數(shù)對(duì)CO2致裂增透的影響規(guī)律，隨著煤體普氏系數(shù)的增加，煤層塑性區(qū)的范圍呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。普氏系數(shù)增至一定程度后，致裂半徑影響范圍將趨于穩(wěn)定不變。