曾范永，曾祥俊，劉 擎

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

煤層甲烷是一種新型潔凈能源，其開發(fā)利用不僅可彌補(bǔ)常規(guī)能源的不足，對(duì)改善煤礦生產(chǎn)安全和保護(hù)大氣環(huán)境也有重要意義[1]。煤層甲烷主要以吸附狀態(tài)賦存于煤基塊的微孔隙中，在一定壓力下處于動(dòng)平衡狀態(tài)，其產(chǎn)出機(jī)理遵循“解吸—擴(kuò)散—滲流”的過程，即：從煤基塊孔隙表面解吸，通過基塊和微孔隙擴(kuò)散到裂隙中，以達(dá)西流方式經(jīng)裂隙流向井筒的一個(gè)過程，當(dāng)儲(chǔ)層壓力降低，被吸附的甲烷分子就從煤的內(nèi)表面脫離，解吸出來(lái)進(jìn)入游離狀態(tài)[1-2]。目前大部分煤礦采掘過程中瓦斯和火焰是并存的，采取的主要預(yù)防措施就是把火焰和瓦斯隔離。高壓氣體爆破是一種無(wú)炸藥爆破，同時(shí)也是一種新型煤層卸壓增透技術(shù)，即利用高壓氣體瞬間爆破產(chǎn)生的高壓氣體和沖擊波沖擊煤層，使原始煤層產(chǎn)生裂隙并卸壓，一方面為煤層瓦斯的涌出提供通道，另一方面可以降低煤層的應(yīng)力，使吸附的瓦斯氣體解析出來(lái)，從而為瓦斯抽采提供良好的保證[2-3]。

1 模擬煤層高壓氣體爆破增透實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)概述

為了進(jìn)一步研究高壓氣體爆破對(duì)煤層的影響情況，結(jié)合已有高壓氣體爆破試驗(yàn)系統(tǒng)(主要由CZ-0.41/200型高壓氣體壓縮機(jī)、高壓氣體管路及密封系統(tǒng)、高壓氣包、操作臺(tái)和爆破筒等組成)，該試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0～21MPa范圍內(nèi)氣體壓力的控制[4-5]。

實(shí)驗(yàn)中，以粉煤灰代替砂子來(lái)鋪設(shè)煤層。 實(shí)驗(yàn)選用的材料包括骨料、膠料及緩凝劑。其中骨料包括砂， 云母， 粉煤灰；膠料包括石灰，石膏；緩凝劑包括硼砂[6-7]。相似材料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。通過撕擰螺栓給模擬煤層施加圍壓，通過配重施加軸壓，能滿足試驗(yàn)的要求，模擬煤層試件的尺寸為2.3m×2m×1.5m，起爆孔直徑為20mm，導(dǎo)向孔的直徑為12mm。有導(dǎo)向孔的情況下，在起爆孔兩側(cè)布置導(dǎo)向孔，如圖1所示。

表1 相似材料的力學(xué)性能參數(shù)

圖1 模擬煤層高壓氣體爆破布孔示意

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及過程

方案一：在無(wú)導(dǎo)向孔的情況下進(jìn)行單點(diǎn)和多點(diǎn)高壓氣體爆破實(shí)驗(yàn)。

方案二：在起爆孔兩側(cè)設(shè)置不對(duì)稱的導(dǎo)向孔，然后進(jìn)行單點(diǎn)起爆和多點(diǎn)起爆。

方案三：無(wú)導(dǎo)向孔情況下，選取孔深為0.3，0.5，0.8以及1.0m進(jìn)行高壓氣體爆破實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過程：采用無(wú)導(dǎo)向孔狀態(tài)下進(jìn)行單點(diǎn)和多點(diǎn)高壓氣體爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)后精確測(cè)量裂縫情況及裂隙長(zhǎng)度，記錄數(shù)據(jù)。重新制作模擬煤層，進(jìn)行有導(dǎo)向孔的單點(diǎn)和多點(diǎn)高壓氣體爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)后精確測(cè)量裂縫情況及裂隙長(zhǎng)度，記錄數(shù)據(jù)。在無(wú)導(dǎo)向孔的情況下，通過調(diào)整起爆點(diǎn)的深度，觀察高壓氣體爆破的裂隙情況，結(jié)合煤體實(shí)驗(yàn)結(jié)論，進(jìn)而總結(jié)出合理的高壓氣體爆破方案[8-12]。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：起爆點(diǎn)的位置、單點(diǎn)起爆或是多點(diǎn)起爆以及有無(wú)導(dǎo)向孔等因素是影響煤層增透效果的重要因素；當(dāng)起爆點(diǎn)的位置選在整個(gè)煤層的中上部時(shí)效果最好；多點(diǎn)起爆比單點(diǎn)起爆產(chǎn)生的裂隙更多，延伸得更遠(yuǎn)；在導(dǎo)向孔的作用下，裂縫沿著導(dǎo)向孔方向不斷延伸擴(kuò)展，并且將導(dǎo)向孔貫通，使煤體產(chǎn)生相互貫通的裂縫，為煤層內(nèi)瓦斯的運(yùn)移提供了良好的通道。

2 數(shù)值模擬

根據(jù)模擬煤層的實(shí)際特點(diǎn)，建立相應(yīng)的二維模擬模型，模型大小定為 12m×12m。模型通過有限元離散求解共劃分得到1250個(gè)基本單元，具體如圖2所示。根據(jù)非均等的積數(shù)步長(zhǎng)不斷增大，初始值選取0.5s，終止值選取1800s。

表2 模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖2 網(wǎng)格的劃分

通過模擬結(jié)果的云圖來(lái)分析高壓氣體瞬間沖擊到不同地應(yīng)力的煤層上，煤層內(nèi)部應(yīng)力的變化情況和分布情況。

以地應(yīng)力為25MPa為例，進(jìn)行高壓氣體單點(diǎn)和多點(diǎn)起爆沖擊煤層的數(shù)值模擬，觀察分析在40MPa和80MPa壓力作用下對(duì)煤層中氣體壓力分布的影響，模擬結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 40MPa沖擊煤層時(shí)氣體壓力場(chǎng)分布

圖4 80MPa沖擊煤層時(shí)氣體壓力場(chǎng)分布

地應(yīng)力為35MPa，在高壓氣體壓力為60MPa和80MPa時(shí)，采用多點(diǎn)起爆的方法連續(xù)使高壓氣體瞬間沖擊到煤層上，觀察高壓氣體作用于煤層時(shí)應(yīng)力分布變化情況，具體如圖5所示。

圖5 不同壓力沖擊煤層時(shí)氣體壓力場(chǎng)分布

由數(shù)值模擬結(jié)果可知：

(1)煤層內(nèi)應(yīng)力分布以沖擊壓力的大小為基礎(chǔ)，隨著高壓氣體爆破沖擊壓力的增加，煤層內(nèi)部受影響的范圍增大，并且煤層內(nèi)部產(chǎn)生裂隙的范圍也在不斷地增加。

(2)高壓氣體爆破的起爆點(diǎn)距離自由面越近，對(duì)煤層影響越大，煤層內(nèi)部應(yīng)力變化越大，這也正好說明了高壓氣體爆破對(duì)煤層的影響效果越好。

(3)條件相同情況下，高壓氣體多點(diǎn)起爆對(duì)煤層的影響效果優(yōu)于單點(diǎn)起爆對(duì)煤層的影響效果，多點(diǎn)起爆能夠很好地達(dá)到煤層增透的效果。

(4)通過分析圖5可以得到，高壓氣體起爆時(shí)的壓力越大，煤層內(nèi)部的應(yīng)力變化也越發(fā)明顯，煤層內(nèi)部滲透性增加顯著。隨著高壓氣體的起爆壓力不斷增加，高壓氣體作用在煤層上的應(yīng)力值也有相應(yīng)的變化，越靠近自由面，煤層內(nèi)部增透效果越明顯，與實(shí)驗(yàn)結(jié)論完全吻合。

為了進(jìn)一步研究地應(yīng)力對(duì)高壓氣體爆破效果的影響，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入到Origin繪圖軟件，繪制高壓氣體在40MPa及80MPa高壓作用下，多點(diǎn)連續(xù)沖擊地應(yīng)力在30MPa及20MPa的煤層，得到如圖6和圖7所示的對(duì)比曲線圖。

圖6 不同地應(yīng)力下，高壓氣體40MPa時(shí)應(yīng)力曲線對(duì)比

圖7 不同地應(yīng)力下，高壓氣體80MPa時(shí)應(yīng)力曲線對(duì)比

由圖6和圖7可知：地應(yīng)力是影響應(yīng)力分布的重要因素，地應(yīng)力在距離地表附近與煤層內(nèi)的地應(yīng)力差不多，地應(yīng)力對(duì)煤層影響不大；超過一定深度，隨著煤層深度的增加，地應(yīng)力也不斷增大，對(duì)煤層的影響也在不斷加大，故對(duì)煤層內(nèi)瓦斯的滲流也有很大的影響。所以把煤層內(nèi)瓦斯順利地采集出來(lái)，需要采取相應(yīng)的手段給煤層卸壓，使煤層內(nèi)部產(chǎn)生多條裂隙，既給煤層卸壓，又可以給瓦斯流動(dòng)提供通道，煤層內(nèi)部的瓦斯可以順利從煤層內(nèi)流出來(lái)。

3 結(jié) 論

通過相似模擬和數(shù)值模擬煤層爆破實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論：

(1)起爆點(diǎn)的位置、單點(diǎn)起爆或是多點(diǎn)起爆以及有無(wú)導(dǎo)向孔等因素是影響高壓氣體爆破沖擊煤層卸壓效果的重要因素。

(2)高壓氣體爆破方法對(duì)煤層的增透效果顯著，特別是在有導(dǎo)向孔的情況下進(jìn)行高壓氣體爆破實(shí)驗(yàn)，煤層內(nèi)部產(chǎn)生大量裂縫，裂縫沿著導(dǎo)向孔方向不斷延伸擴(kuò)展，并且將導(dǎo)向孔貫通，使煤層產(chǎn)生相互貫通的裂縫，煤層增透效果更加明顯。

(3)高壓氣體爆破孔的深度離地面較淺的范圍增透效果最好，隨著爆破孔深度的增加，由于受地應(yīng)力的影響需要增大起爆壓力才能使煤層滲透率增加得更加明顯。

(4)多點(diǎn)起爆比單點(diǎn)起爆產(chǎn)生的裂隙更多，延伸得更遠(yuǎn)，增透效果更好。

(5)地應(yīng)力大小是影響高壓氣體爆破增透效果的重要因素，隨著地應(yīng)力的增加，煤層的滲透率增加量相應(yīng)地減小，并近似呈線性變化。

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