雷 云，李成武，張楷明，趙寶友

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；4.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新123000）

深部礦井低滲透高瓦斯煤層高效增透問(wèn)題一直是制約煤礦安全生產(chǎn)的重要難題，多年來(lái)針對(duì)煤層增透技術(shù)領(lǐng)域已發(fā)展為多個(gè)研究方向，如采動(dòng)卸壓增透技術(shù)、深孔控制爆破增透技術(shù)、水力增透技術(shù)和和電磁增透技術(shù)等[1-5]。近年來(lái)，一些學(xué)者開(kāi)始運(yùn)用高壓氣體膨脹動(dòng)力能的氣相致裂增透技術(shù)應(yīng)用在低滲透高瓦斯煤層增透領(lǐng)域，其中液體二氧化碳相變爆破增透技術(shù)具有本質(zhì)安全與驅(qū)替的雙重特征具有較好的研究和應(yīng)用價(jià)值[6-11]。目前，河南理工大學(xué)的曹運(yùn)興，王兆豐等以二氧化碳為介質(zhì)的氣相致裂技術(shù)在沁水煤田東部和河南等地的低滲透煤層開(kāi)展順層和穿層致裂工程應(yīng)用[12-13]。煤炭科學(xué)技術(shù)研究院的霍中剛團(tuán)隊(duì)對(duì)氣相致裂技術(shù)進(jìn)行改良并在煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[14-15]。煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院的雷云團(tuán)隊(duì)依托國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)，自主開(kāi)發(fā)研制以液態(tài)二氧化碳為介質(zhì)的氣相致裂增透技術(shù)與配套裝備，并在河?xùn)|煤田、沁水煤田等諸多礦區(qū)成功應(yīng)用[16-17]。Guozhong Hu[18]等系統(tǒng)性的分析了液態(tài)二氧化碳相變氣相致裂的基本原理及設(shè)備工作機(jī)制，基于改進(jìn)的氣相致裂設(shè)備在中國(guó)河南境內(nèi)的天安煤礦13號(hào)煤層開(kāi)展井下實(shí)驗(yàn)研究，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在煤體中液態(tài)二氧化碳相變致裂的影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)32.08 m，抽采鉆孔內(nèi)瓦斯平均流量增加1.64倍。Wei Zhang[19]等理論推導(dǎo)并建立了采用不耦合氣相致裂條件下的爆破孔初始沖擊壓力峰值、裂隙圈有效半徑和爆破致裂鉆孔孔徑3個(gè)主要參數(shù)變量的爆破數(shù)學(xué)模型，基于顆粒離散元軟件PFC2D數(shù)值分析了氣相致裂對(duì)煤體的損傷區(qū)和破壞區(qū)的范圍，得出了氣相致裂力鏈的傳遞演化規(guī)律。Xuelin Yang[20]等理論分析了氣相致裂應(yīng)力、流動(dòng)和破壞準(zhǔn)則的力學(xué)問(wèn)題并建立起相應(yīng)的控制方程。Haidong Chen[21]等系統(tǒng)性的分析了液態(tài)二氧化碳相變氣相致裂的基本原理及設(shè)備工作機(jī)制，基于改進(jìn)的氣相致裂設(shè)備在中國(guó)河南境內(nèi)的天安煤礦13號(hào)煤層開(kāi)展井下實(shí)驗(yàn)研究，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在煤體中液態(tài)二氧化碳相變致裂的影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)32.08 m，抽采鉆孔內(nèi)瓦斯平均流量增加1.64倍。綜上已有研究表明，氣相致裂在煤層增透領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。液態(tài)二氧化碳相變氣爆是1種點(diǎn)式氣相致裂增透技術(shù)，在工礦領(lǐng)域極具替代炸藥可行性的物理爆破技術(shù)，其核心在于相變產(chǎn)生能量巨大的動(dòng)能，較傳統(tǒng)化學(xué)藥劑爆破更安全和可控。為了實(shí)現(xiàn)可控的長(zhǎng)距離超高壓氣相致裂，研究氣相致裂非穩(wěn)態(tài)瞬變壓降演化機(jī)制是深入開(kāi)展該技術(shù)的基礎(chǔ)。

1 液態(tài)二氧化碳相變氣爆壓力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究氣相致裂壓力瞬變演化機(jī)制，自主搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以厚壁無(wú)縫鋼管模擬致裂鉆孔，在厚壁鋼管不同位置設(shè)置壓力傳感器以捕集壓力信號(hào)，壓力信號(hào)傳輸?shù)絼?dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[22]。

實(shí)驗(yàn)采用氣相致裂器為沈陽(yáng)研究院開(kāi)發(fā)的MZL300-63/1000型氣相致裂器，氣體加注壓力為10～15 MPa，致裂器泄爆閥片選用200 MPa，加熱體型號(hào)為D150/130，致裂器二氧化碳充裝量（900±50）g，壓力傳感器選用壓阻式100、200 MPa 2種型號(hào)，頻響均大于100 kHz，能夠滿(mǎn)足氣相致裂時(shí)爆生氣體壓力監(jiān)測(cè)和氣體動(dòng)力學(xué)信號(hào)捕捉的技術(shù)要求。氣相致裂鉆孔模擬器長(zhǎng)度為1 300 mm，外徑為112 mm，內(nèi)徑為78 mm，4個(gè)壓力監(jiān)測(cè)捕捉點(diǎn)均勻設(shè)置在模擬器上，液態(tài)二氧化碳相變致裂壓降實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖如圖1。

圖1 液態(tài)二氧化碳相變致裂壓降實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring points of liquid carbon dioxide phase change gas explosion pressure test

2 液態(tài)二氧化碳相變氣爆壓力時(shí)程分布規(guī)律

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)成功捕捉采集到了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣相致裂壓力變化的全部數(shù)據(jù)，考慮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自有振動(dòng)波干擾情況，監(jiān)測(cè)了正對(duì)氣爆口處濾波變化曲線(xiàn)，氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處氣體壓力和濾波變化時(shí)程曲線(xiàn)如圖2。氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處氣體壓力時(shí)程擬合曲線(xiàn)如圖3。

由圖2可知，正對(duì)致裂器卸爆口A點(diǎn)處的壓力變化呈現(xiàn)明顯的瞬間升壓和非穩(wěn)態(tài)壓降的階段。由于氣體非均勻噴出與壓電傳感器自身噪聲耦合效應(yīng)，導(dǎo)致局部發(fā)生壓力無(wú)規(guī)律非穩(wěn)態(tài)波動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)得出正對(duì)致裂器卸爆口A點(diǎn)處為壓力峰值點(diǎn)最大壓力為244 MPa，該峰值的升壓時(shí)間約1.2 ms。

圖3 氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處氣體壓力時(shí)程擬合曲線(xiàn)Fig.3 Gas pressure time history fitting curves of gas phase cracking monitoring point A

為了更好分析研究卸爆口處升壓與壓降瞬變特征，將圖3簡(jiǎn)化后的的氣體壓力時(shí)程進(jìn)行擬合?？梢缘贸?，卸爆口處升壓段擬合函數(shù)為pg=201 940t；非穩(wěn)態(tài)壓降段呈現(xiàn)拋物線(xiàn)式，壓力時(shí)程擬合函數(shù)為pg=-22.59ln（t－t0）+15.84。式中：pg為對(duì)應(yīng)時(shí)間氣體壓力，MPa；t為氣爆發(fā)生后的某時(shí)間，s；t0為氣爆發(fā)生時(shí)的時(shí)間，s。氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)B氣體壓力和濾波變化時(shí)程曲線(xiàn)如圖4，氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)B氣體壓力時(shí)程擬合曲線(xiàn)如圖5。

圖4 氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)B氣體壓力和濾波變化時(shí)程曲線(xiàn)Fig.4 Time history curves of gas pressure and filter change at gas phase cracking monitoring point B

圖5 氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)B氣體壓力時(shí)程擬合曲線(xiàn)Fig.5 Gas pressure time history fitting curves of gas phase cracking monitoring point B

由圖4和圖5可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B處氣爆發(fā)生后的壓力峰值為60 MPa，升壓時(shí)間15.13 ms；與監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處為峰值壓力244 MPa和升壓時(shí)間1.2 ms相比變化顯著，壓力時(shí)程擬合后升壓段函數(shù)為pg=3 793.10 t；壓降段擬合函數(shù)為pg=-9.58ln（t－t0）+12.71，壓降段的變化更趨緩和。氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)C氣體壓力和濾波變化時(shí)程曲線(xiàn)如圖6，氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)C氣體壓力時(shí)程擬合曲線(xiàn)如圖7。

圖6 氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)C氣體壓力和濾波變化時(shí)程曲線(xiàn)Fig.6 Time history curves of gas pressure and filter change at gas phase cracking monitoring point C

圖7 氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)C氣體壓力時(shí)程擬合曲線(xiàn)Fig.7 Gas pressure time history fitting curves of gas phase cracking monitoring point C

由圖6和圖7可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C處氣爆發(fā)生后的壓力峰值為22.42 MPa，升壓時(shí)間為15.42 ms；與監(jiān)測(cè)點(diǎn)B處比較壓力峰值降為1/3左右，而升壓時(shí)間相近；升壓段擬合函數(shù)為pg=1 453.80t，壓降段擬合函數(shù)為pg=-3.31l n（t－t0）＋4.36。氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)D氣體壓力和濾波變化時(shí)程曲線(xiàn)如圖8，氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)D氣體壓力時(shí)程擬合曲線(xiàn)如圖9。

圖8 氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)D氣體壓力和濾波變化時(shí)程曲線(xiàn)Fig.8 Time history curves of gas pressure and filter change at gas phase cracking monitoring point D

由圖8和圖9可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D處氣爆發(fā)生后的壓力峰值為21.37 MPa，升壓時(shí)間為15.60 ms；對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、監(jiān)測(cè)點(diǎn)C處的壓力時(shí)程曲線(xiàn)可發(fā)現(xiàn)，距離卸爆口越大監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力峰值和升壓時(shí)間相差越小的規(guī)律，壓力時(shí)程擬合曲線(xiàn)越接近。監(jiān)測(cè)點(diǎn)D處升壓段的擬合函數(shù)為pg=1 369.90t；壓降段的擬合函數(shù)為pg=-2.68ln（t－t0）+4.01。氣爆氣體壓力峰值與爆破口距離的變化擬合曲線(xiàn)如圖10，氣爆氣體壓力升壓時(shí)間與爆破口距離的變化擬合曲線(xiàn)如圖11。

圖9 氣相致裂監(jiān)測(cè)點(diǎn)D氣體壓力時(shí)程擬合曲線(xiàn)Fig.9 Gas pressure time history fitting curves of gas phase cracking monitoring point D

圖10 氣爆氣體壓力峰值與爆破口距離的變化擬合曲線(xiàn)Fig.10 Variation curve of the pressure peak of air explosion and the distance from the blast hole

圖11 氣爆氣體壓力升壓時(shí)間與爆破口距離的變化擬合曲線(xiàn)Fig.11 Variation curve of gas pressure rise time and blasting mouth distance

由圖10可知，正對(duì)氣相致裂器卸爆口處為鉆孔壓力峰值點(diǎn)，隨著距離卸爆口距離增加，壓力峰值先加速降低，隨后趨于平穩(wěn)，擬合后總體呈現(xiàn)二次拋物線(xiàn)的變化趨勢(shì)，擬合函數(shù)為y=0.04x2-5.86x+227.46，相關(guān)性系數(shù)R2=0.85，式中：y為壓力峰值，MPa；x為距離爆破點(diǎn)的距離，cm。

由圖11可知，正對(duì)氣相致裂器卸爆口處升壓速度極快，隨著距離增加后面監(jiān)測(cè)點(diǎn)升壓時(shí)間趨于一致，擬合后總體呈現(xiàn)冪函數(shù)的變化趨勢(shì)，擬合函數(shù)為y=8.78x0.1437，相關(guān)性系數(shù)為R2=0.99。

3結(jié)論

1）氣爆觸發(fā)后壓力時(shí)程整體呈現(xiàn)急速上升段和非線(xiàn)性下降段的趨勢(shì)；由于氣體非均勻噴出與壓電傳感器自身噪聲耦合效應(yīng)，導(dǎo)致局部發(fā)生壓力無(wú)規(guī)律非穩(wěn)態(tài)波動(dòng)現(xiàn)象。

2）實(shí)驗(yàn)得出正對(duì)卸爆口處壓力達(dá)到峰值為244 MPa，升壓時(shí)間極快約為1.2 ms；分析得出爆破口A點(diǎn)處的升壓段和壓降段的壓力時(shí)程擬合函數(shù)分別為pg=201 940t和pg=-22.59ln（t－t0）＋15.84；監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、點(diǎn)C、點(diǎn)D處的壓力時(shí)程分布升壓段擬合函數(shù)分別為pg=3 793.10t，pg=1 453.80t和pg=1 369.90t，壓降段的擬合函數(shù)分別為pg=-9.58ln（t－t0）+12.71，pg=-3.31ln（t－t0）+4.36和pg=-2.68ln（t－t0）+4.01，壓力峰值分別為60、22.42、21.37 MPa，升壓時(shí)間分別為15.13、15.42、15.60 ms。

3）實(shí)驗(yàn)分析得出氣爆口處為氣相致裂壓力峰值點(diǎn)，隨距離卸爆口距離增加呈現(xiàn)二次拋物線(xiàn)形式的衰減趨勢(shì)，升壓速度呈現(xiàn)出與卸爆口距離增加，先迅速增加后趨于平穩(wěn)的冪函數(shù)形式。

4）氣相致裂氣爆產(chǎn)生的爆生氣體在鉆孔內(nèi)并非均勻分布，而是呈現(xiàn)出非穩(wěn)態(tài)瞬變升壓和壓降的規(guī)律，系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)得出不同位置壓力峰值及其壓降數(shù)學(xué)模型，基于此在工程應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)結(jié)合以上研究成果進(jìn)行優(yōu)化致裂工藝和方案設(shè)計(jì)。