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        點(diǎn)式氣相聚能致裂增透技術(shù)試驗(yàn)研究

        2021-09-26 02:51:28呂鋒鐄
        煤炭與化工 2021年8期
        關(guān)鍵詞:點(diǎn)式液態(tài)煤體

        呂鋒鐄

        (山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦,山西 呂梁 033602)

        0 引 言

        隨著煤炭科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,最近幾年來全國各大煤炭集團(tuán)開始推廣使用點(diǎn)式氣相聚能致裂煤層增透技術(shù)[1-3]。近些年來,該技術(shù)是各大高校、科研院所開展的重要研究課題,依據(jù)激發(fā)原理的不同,可將氣相壓裂劃分為2 種形式,高壓空氣聚能壓裂和液體CO2聚能壓裂,與傳統(tǒng)炸藥爆破增透技術(shù)相比,氣相壓裂屬于點(diǎn)式聚能爆破壓裂方式,并不是全斷面接觸式爆破。點(diǎn)式氣相聚能致裂煤體之后,煤層會(huì)發(fā)生卸壓增透反應(yīng),增大煤層的透氣性系數(shù),提高工作面的瓦斯抽采效果[4-6]。

        為了得到點(diǎn)式氣相聚能致裂煤體的規(guī)律,趙丹等[7]通過逾滲理論得到煤巖體破壞準(zhǔn)則及計(jì)算得到氣相聚能致裂非均質(zhì)煤巖體的臨界壓力;賈進(jìn)章等[8]通過從應(yīng)力波傳播和損傷等不同方向研究了氣相聚能致裂機(jī)理;雷云等[9]通過研究提出氣相聚能破巖過程中有兩個(gè)臨界壓力,破巖機(jī)理主要體現(xiàn)在沖蝕破碎和錘沖破碎;韓穎等[10]通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn),研究了氣相聚能以不同速度沖擊破碎巖石過程的流場規(guī)律及應(yīng)力分布規(guī)律。

        但目前科研工作者沒有對點(diǎn)式氣相聚能壓裂煤層后所產(chǎn)生的三維空間增透效果進(jìn)行深入研究,尤其是氣爆后氣體壓力的變化規(guī)律需要進(jìn)行試驗(yàn)研究[11-12]。

        1 試驗(yàn)研究

        氣相聚能壓裂屬于一種物理作用過程,是具有代表性的點(diǎn)式泄壓氣體變化的壓裂增透技術(shù),其核心為精確掌握壓降參數(shù)的大小[13-14]。為了獲得點(diǎn)式氣相聚能致裂煤體的三維效果,設(shè)計(jì)組建一套試驗(yàn)平臺(tái)和測試系統(tǒng),主要開展液態(tài)CO2相變氣爆過程中壓力測定,試驗(yàn)平臺(tái)由4 個(gè)部分組成,厚壁無縫鋼管、CO2致裂器、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)和壓力傳感器。

        通過在不同厚壁鋼管上安設(shè)壓力傳感器,來測定氣爆過程中對應(yīng)地點(diǎn)不同時(shí)間的氣爆壓力值,隨著與爆破口距離的增大,氣體壓力變化情況如圖1所示,氣體壓力上升快慢情況如圖2 所示。

        圖1 氣體壓力變化曲線Fig. 1 Changing curve of gas pressure rise

        圖2 氣體壓力上升快慢變化曲線Fig. 2 Curve of gas pressure chang speed

        由圖1 可知,在起爆口周圍為氣體壓力最大區(qū)域,隨著逐漸遠(yuǎn)離起爆點(diǎn),氣體壓力呈現(xiàn)迅速減少—平緩下降,符合二次拋物線形式,擬合后得到關(guān)系式y(tǒng) = 0.04x2- 5.86x + 227.6。

        由圖2 可知,起爆口附近氣體壓力迅速升高,隨著逐漸遠(yuǎn)離起爆點(diǎn),壓力上升時(shí)間呈現(xiàn)迅速升高—平緩升高—穩(wěn)定不變,符合冪函數(shù)形式,擬合后得到關(guān)系式為y = 8.78x0.1437。

        2 數(shù)值模擬

        由于氣相壓裂煤層屬于三維研究問題,而大多數(shù)科研工作者僅從二維平面角度數(shù)值模擬研究單一因素如何影響液態(tài)CO2相變致裂增透煤層,加之致裂器起爆作用于煤體為定向高速高壓氣體沖擊壓裂煤體過程,所以為得到氣相聚能壓裂煤層的準(zhǔn)確三維結(jié)果,通過第一節(jié)研究的煤層爆破孔內(nèi)氣體壓力變化情況,得到了氣體壓力在爆破孔軸向的變化規(guī)律[15-16]。

        利用FLAC3D 有限差分軟件數(shù)值模擬研究氣相聚能壓裂煤層的三維效應(yīng),合理簡化試驗(yàn)煤層的賦存條件,構(gòu)建三維數(shù)值模型并開展研究。三維數(shù)值模型主要開展模擬液態(tài)CO2致裂煤層的三維范圍,此模型為在二維平面模型基礎(chǔ)上通過沿著面外法線方向擴(kuò)展20 m 得到,尺寸為豎直方向上貫穿頂?shù)装鍘r層和煤層。液態(tài)CO2相變致裂煤層的三維數(shù)值模型如圖3 所示。

        圖3 數(shù)值模型Fig. 3 Numerical model

        在平面模型的底部和兩側(cè)面施加面法向位移約束邊界條件,在模型頂部提供20 MPa 的均布荷載,表示煤層上部未建立的覆巖自重應(yīng)力,在模型水平方向施加的側(cè)壓力系數(shù)為1.25,在模型面外法線方向施加的側(cè)壓力系數(shù)為1.5。在三維模型前后部分施加面外法線方向的位移約束,其余和平面模型一樣。通過拉剪復(fù)合破壞準(zhǔn)則的摩爾庫倫理論彈塑性本構(gòu)代表煤巖體的力學(xué)特征,煤巖體的參數(shù)見表1。數(shù)值模擬液態(tài)CO2相變致裂煤層的歸一化相變氣爆時(shí)程曲線如圖4 所示。

        表1 煤巖體參數(shù)Table 1 Parameters of coal and rock mass

        圖4 氣爆時(shí)程曲線Fig. 4 Time history curve of gas explosion

        在模擬各種工況條件時(shí)首先要模擬產(chǎn)生初始地應(yīng)力場,等到模型計(jì)算穩(wěn)定后,開始清零位移場和速度場,接著開始模擬相應(yīng)具體工況條件。數(shù)值模擬液態(tài)CO2相變致裂煤層工況時(shí),要在地應(yīng)力穩(wěn)定后,開始模擬開挖致裂鉆孔,接著再施加歸一化相變氣爆時(shí)程曲線開展模擬氣爆致裂過程。模擬得到氣爆后壓力達(dá)到160 MPa、200 MPa 時(shí),沿著爆破孔的軸向塑性區(qū)和豎向塑性區(qū),具體情況如圖5~ 圖6 所示。

        圖5 壓力峰值160 MPa 時(shí)塑性區(qū)分布情況Fig. 5 Distribution of plastic zone at 160 MPa peak pressure

        圖6 壓力峰值200 MPa 時(shí)塑性區(qū)分布情況Fig. 6 Distribution of plastic zone at 200 MPa peak pressure

        由圖5~圖6 發(fā)現(xiàn),在液態(tài)CO2相變致裂煤層過程中,氣爆后壓力達(dá)到160 MPa 和200 MPa 時(shí),因氣爆后壓力沒有呈現(xiàn)以爆破孔軸向均勻分布,最終導(dǎo)致塑性區(qū)沿著爆破孔的軸向形成橢圓形分布,氣爆后壓力達(dá)到160 MPa 時(shí)的最大有效爆破半徑為0.50 m,爆破后的體積分別為0.50 m3,氣爆后壓力達(dá)到200 MPa 時(shí)的最大有效爆破半徑為0.60 m,爆破后的體積為0.95 m3,可得到最大爆破半徑增大了20%,爆破體積增大了1 倍。以上數(shù)值模擬結(jié)果得到,因爆破孔內(nèi)氣體壓力呈現(xiàn)非均勻分布,導(dǎo)致爆破區(qū)域沒有形成圓柱體分布,氣爆后壓力對爆破影響面積起著重要影響作用;要想得到最佳的氣爆致裂增透效果,現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)需要選擇氣爆后壓力大的爆破筒,如果現(xiàn)場實(shí)際條件滿足要求,可對爆破孔進(jìn)行多次致裂增透。

        3 結(jié) 論

        (1) 通過試驗(yàn)獲得起爆后氣體壓力變化規(guī)律,氣體壓力的最大地點(diǎn)為爆破筒泄爆口處,隨著逐漸遠(yuǎn)離起爆點(diǎn),氣體壓力呈現(xiàn)迅速減少—平緩下降,符合二次拋物線形式,擬合后得到關(guān)系式y(tǒng) =0.04x2- 5.86x + 227.6,相關(guān)性系數(shù)為0.85;隨著逐漸遠(yuǎn)離起爆點(diǎn),壓力上升時(shí)間呈現(xiàn)迅速升高—平緩升高—穩(wěn)定不變,符合冪函數(shù)形式,擬合后得到關(guān)系式為y = 8.78x0.1437,相關(guān)性系數(shù)為0.99。

        (2) 模擬結(jié)果得到氣爆后壓力達(dá)到160 MPa和200 MPa 時(shí),最大有效爆破半徑為0.50 m 和0.60 m,爆破后的體積分別為0.50 m3和0.95 m3,可得到最大爆破半徑增大了20%,爆破體積增大了1 倍。

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