王長(zhǎng)祿， 彭然， 鄭義， 李偉， 姚海飛，4

（1. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦山智能通風(fēng)事業(yè)部，北京 100013；2. 煤科通安(北京) 智控科技有限公司，北京 100013；3. 北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013；4. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

煤炭作為我國(guó)主體能源為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐，在將來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將持續(xù)發(fā)揮其維護(hù)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的“壓艙石”作用。在新時(shí)代的能源體系下，國(guó)家對(duì)煤炭領(lǐng)域發(fā)展提出了安全高效、精準(zhǔn)綠色、低排放、低損害的要求，同時(shí)，科學(xué)用煤也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”的關(guān)鍵[1]。液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)是目前提高瓦斯抽采效率最為安全可靠的技術(shù)手段之一，其特性完全符合國(guó)家對(duì)煤炭行業(yè)的發(fā)展要求。

預(yù)測(cè)液態(tài)CO2相變致裂半徑是確定瓦斯抽采布孔間距的前提，直接影響瓦斯抽采效果。探明影響液態(tài)CO2相變致裂因素，提高預(yù)測(cè)精度，一直是行業(yè)內(nèi)科研人員研究的重點(diǎn)。R. H. Nilson等[2]建立了流體-氣體共同作用下的巖體裂紋擴(kuò)展積分方程，直觀分析了爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用與煤體裂紋擴(kuò)展關(guān)系。黃榮樽[3]從水平和垂直裂隙的起裂方面分析了影響裂隙擴(kuò)展的各種因素，首次得到了裂縫形成壓力和發(fā)育方向的預(yù)測(cè)模型。文虎等[4]進(jìn)行了液態(tài)CO2相變致裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)致裂過程中應(yīng)力在煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)損傷的綜合作用是提高瓦斯抽采的主要因素，同時(shí)提出了影響致裂半徑的判定依據(jù)。張東明等[5]建立了地應(yīng)力條件下液態(tài)CO2相變致裂擴(kuò)展機(jī)理模型，提出了相變發(fā)生后拉伸損傷區(qū)的理論方程，揭示了液態(tài)CO2相變致裂裂紋擴(kuò)展的力學(xué)機(jī)理。董慶祥等[6]為了更準(zhǔn)確地計(jì)算液態(tài)CO2相變膨脹開裂所用的能量，首次利用TNT當(dāng)量法引入能量利用率，為建立氣爆致裂數(shù)值模型提供理論支撐。周西華等[7]考慮地應(yīng)力對(duì)液態(tài)CO2相變致裂半徑的影響，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算得到地應(yīng)力影響因素下的單孔爆破半徑。趙寶友等[8]將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究了瓦斯壓力和煤體堅(jiān)固性系數(shù)對(duì)爆破效果的影響，發(fā)現(xiàn)2組單因素對(duì)致裂半徑呈正效應(yīng)的影響?，F(xiàn)有研究大多局限于單因素對(duì)液態(tài)CO2相變致裂半徑的影響，且計(jì)算方法各異。由于井下環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致影響液態(tài)CO2相變致裂半徑的因素較多，爆破后產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展規(guī)律相對(duì)復(fù)雜，需應(yīng)用合理方法進(jìn)行多因素的耦合分析，并針對(duì)液態(tài)CO2相變致裂半徑的計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高預(yù)測(cè)精度和爆破后裂紋擴(kuò)展的可控性。

鑒于此，筆者在考慮地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體堅(jiān)固性系數(shù)3組影響因素耦合條件下，應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行液態(tài)CO2相變致裂數(shù)值模擬分析，采用正交設(shè)計(jì)法結(jié)合多元回歸分析處理模擬數(shù)據(jù)，建立了液態(tài)CO2相變致裂半徑預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，以指導(dǎo)液態(tài)CO2相變爆破現(xiàn)場(chǎng)布孔方式，提高瓦斯抽采效率。

1 理論分析

1.1 液態(tài)CO2相變爆破裂紋擴(kuò)展機(jī)理

液態(tài)CO2相變爆破起爆后，熱藥卷會(huì)在電流的激發(fā)下瞬間釋放熱能，熱量升高使液態(tài)CO2立即進(jìn)入超臨界狀態(tài)。該狀態(tài)下的液態(tài)CO2急劇氣化，體積瞬間增大700多倍，同時(shí)導(dǎo)致致裂器管內(nèi)氣體壓力迅速增大。當(dāng)致裂器內(nèi)氣體壓力達(dá)到預(yù)定值后，泄爆端頭處預(yù)設(shè)的剪切片破裂，氣態(tài)CO2通過導(dǎo)向孔向致裂器周圍煤體噴發(fā)，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊壓力。

進(jìn)行液態(tài)CO2相變爆破時(shí)產(chǎn)生的沖擊波、應(yīng)力波及爆生氣體對(duì)煤體的破壞過程相當(dāng)復(fù)雜[9]。爆炸瞬時(shí)產(chǎn)生的氣體會(huì)瞬間作用到爆破孔的孔壁上，同時(shí)在煤體壁面形成高強(qiáng)度的沖擊能，從而形成大面積的粉碎區(qū)。之后產(chǎn)生的爆生氣體開始迅速發(fā)育，使徑向裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。這一徑向、環(huán)向裂隙互相交錯(cuò)形成的區(qū)域稱為爆破中區(qū)。應(yīng)力波繼續(xù)傳導(dǎo)并逐漸衰減，形成裂隙擴(kuò)展區(qū)。當(dāng)應(yīng)力波衰減到不再對(duì)煤體造成破壞，只能以地震波形式傳播，該區(qū)域稱為震動(dòng)區(qū)[10-11]，如圖1所示。

圖1 液態(tài)CO2相變爆破裂隙發(fā)育分布Fig. 1 Fracture development distribution by liquid CO2 phase transition blasting

應(yīng)力在煤體中的傳播過程可以采用胡克定律來描述[12]：

式中：ρ為煤體密度，kg/m3；u，v，w為煤體質(zhì)點(diǎn)位移分量，m；t為時(shí)間，s；σx，σy，σz分別為煤體質(zhì)點(diǎn)在x（橫向）、y（縱向）、z（垂向）方向的應(yīng)力分量，MPa；τxy，τxz，τyz分別為煤體質(zhì)點(diǎn)在xy，xz，yz平面的應(yīng)力分量，MPa。

在煤體介質(zhì)中，通常認(rèn)為平面應(yīng)力波的傳播方向與x方向平行，則

式中：εx，εy，εz分別為x，y，z方向的正應(yīng)變分量；θ為相對(duì)體積變形量。

式（4）可轉(zhuǎn)換為

式中cp為縱波傳播速度，m/s，，λ，G為拉梅常數(shù)。

由胡克定律和平面波可知：

質(zhì)點(diǎn)傳播過程主要受縱波傳播速度cP和橫波傳播速度cS的影響，將初始和邊界條件代入式（6），得

式中：E為煤體彈性模量，MPa；μ為煤體泊松比。

隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，爆破后產(chǎn)生的應(yīng)力波能量逐漸減弱，對(duì)傳導(dǎo)后期煤體的作用越來越小。應(yīng)力峰值在均質(zhì)煤體中的衰減規(guī)律為[13]

式中：r為煤體質(zhì)點(diǎn)與爆炸中心距離，m；σr為r處應(yīng)力波峰值，MPa；F0為孔壁壓力，MPa；r0為裝藥半徑，m；α為應(yīng)力衰減系數(shù)。

應(yīng)力波的沖擊作用會(huì)導(dǎo)致破碎煤體沖擊至裂隙圈，使煤體密度增加，對(duì)應(yīng)力傳播起阻截作用，阻礙高壓氣體的應(yīng)力波傳導(dǎo)。當(dāng)應(yīng)力波傳至一定距離后，衰減為壓縮應(yīng)力波與拉伸應(yīng)力波，當(dāng)能量衰減到一定程度，粉碎區(qū)的產(chǎn)生為壓縮應(yīng)力波的作用，裂隙擴(kuò)展區(qū)的產(chǎn)生為拉伸應(yīng)力波的作用，最終以弱能量地震波的形式傳播，直到能量耗盡。

1.2 液態(tài)CO2相變爆破TNT當(dāng)量計(jì)算

從性質(zhì)上說，液態(tài)CO2相變爆破屬于物理爆炸的范疇，是短時(shí)間內(nèi)液相變氣相的物理變化，其原理與TNT爆炸瞬間產(chǎn)生數(shù)倍于炸藥體積的高溫高壓氣體雖不完全相同，但二者過程基本一致[14-15]。因此，可以應(yīng)用TNT當(dāng)量計(jì)算法轉(zhuǎn)換液態(tài)CO2相變致裂的爆破能。TNT當(dāng)量計(jì)算公式為

式中：eg為氣體爆炸能量，kJ；P1為爆炸氣體壓力，取275 MPa；V為致裂器體積，m3；K為介質(zhì)的絕熱指數(shù)，取1.295；P2為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，取0.101 08 MPa。

液態(tài)CO2相變爆破釋放能量的TNT當(dāng)量為

式中Q為1 kg TNT爆炸能量，取4 250 kJ。

經(jīng)TNT當(dāng)量計(jì)算可知，液態(tài)CO2相變致裂時(shí)，每1 kg爆破能量與397 g的TNT相同。本文液態(tài)CO2致裂器裝液量為1.48 kg，爆破當(dāng)量等于588 g TNT。

2 液態(tài)CO2相變致裂數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模型建立

選用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。設(shè)置液態(tài)CO2相變致裂數(shù)值模型尺寸為6 m×6 m，致裂孔孔徑為94 mm。模型由炸藥、空氣和煤體3個(gè)部分組成，采用流固耦合方式。在模型頂部均勻施加12 MPa載荷，側(cè)壓系數(shù)取1.5，模擬18 MPa水平應(yīng)力，模型邊界為非反射界面邊界。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置煤體材料參數(shù)，見表1。

添加*MAT_ADD_EROSION來控制煤體單元的失效，當(dāng)單元體超過原有荷載時(shí)會(huì)發(fā)生失效而被刪除，以便直觀表示液態(tài)CO2相變爆破后裂隙的發(fā)展規(guī)律。同時(shí)進(jìn)行參量簡(jiǎn)化，將煤體近似看作均質(zhì)，煤體處于等溫狀態(tài)，液態(tài)CO2相變致裂數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 液態(tài)CO2相變致裂數(shù)值模型Fig. 2 Numerical model of liquid CO2 phase transition cracking

2.2 模擬方案正交設(shè)計(jì)

煤體外部因素的可變性較大，且不同的內(nèi)部因素對(duì)于煤體形變和破壞的影響程度不同。本文選取對(duì)煤體形變影響較大的地應(yīng)力、瓦斯壓力及煤體堅(jiān)固性系數(shù)這3組因素，應(yīng)用正交設(shè)計(jì)法[16]對(duì)液態(tài)CO2相變爆破作用下的3組影響因素進(jìn)行綜合分析，以確定不同因素對(duì)液態(tài)CO2相變致裂半徑的影響程度，建立液態(tài)CO2相變致裂半徑預(yù)測(cè)模型[17]。為了降低模擬工作量，提高預(yù)測(cè)模型的精準(zhǔn)度，采用正交設(shè)計(jì)及多元線性回歸分析法[18-19]，結(jié)合ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算。

正交設(shè)計(jì)設(shè)置3個(gè)水平因素，為地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體堅(jiān)固性系數(shù)。將這3個(gè)因素輸入正交設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行3因素4水平運(yùn)算，其中留有1列水平因素用于誤差分析[20]，得到正交設(shè)計(jì)方案L9（34），共9組對(duì)比方案，見表2。

表2 模擬方案正交設(shè)計(jì)Table 2 Orthogonal design of simulation scheme

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

由于煤體在爆破作用下所受的應(yīng)力應(yīng)變十分復(fù)雜，為了表現(xiàn)液態(tài)CO2相變爆破過程中爆炸應(yīng)力場(chǎng)的傳播與分布情況，采用LS-PREPOST后處理軟件動(dòng)態(tài)描繪模型在不同時(shí)刻的損傷云圖，如圖3所示。

圖3 液態(tài)CO2相變致裂模擬演化過程Fig. 3 Simulated evolution process of liquid CO2 phase transition cracking

煤體進(jìn)行液態(tài)CO2相變致裂后，應(yīng)力波傳導(dǎo)規(guī)律和裂紋擴(kuò)展規(guī)律如下：t=0～20 μs時(shí)，鉆孔內(nèi)部在起爆后瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的應(yīng)力波，由于爆破孔附近的煤壁吸收了大量應(yīng)力波能量，導(dǎo)致鉆孔周圍的煤壁被大面積壓碎，形成粉碎區(qū)，t=20 μs時(shí)，主裂紋萌生；t=20～35 μs時(shí)鉆孔中心高壓區(qū)面積逐漸增大，逐步形成新的裂縫，應(yīng)力波從煤層的粉碎區(qū)繼續(xù)向外擴(kuò)展延伸，逐步形成煤體裂縫，為爆破中區(qū)，t=35 μs時(shí)開始初現(xiàn)分支裂紋；35～80 μs時(shí)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，為裂隙擴(kuò)展區(qū)，t=80 μs時(shí)裂隙圈的損傷區(qū)達(dá)到最大，氣爆產(chǎn)生的應(yīng)力波由塑性應(yīng)力波變?yōu)閺椥詰?yīng)力波；隨著高壓氣體壓力不斷衰減，裂紋向遠(yuǎn)處延伸的驅(qū)動(dòng)力越來越小，t=100 μs時(shí)，延伸裂紋的尖端最大軸向應(yīng)力小于其自身動(dòng)態(tài)極限抗拉強(qiáng)度，裂紋停止擴(kuò)展，為爆破外圍的震動(dòng)區(qū)。可看出爆破產(chǎn)生氣體作用下的煤體損傷破壞是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)演化過程。

根據(jù)液態(tài)CO2相變致裂數(shù)值模擬的正交設(shè)計(jì)方案，控制方程及邊界條件等保持不變，只改變正交設(shè)計(jì)中的2組因素值，利用LS-PREPOST進(jìn)行后處理，觀察3組因素值改變對(duì)致裂半徑的影響，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 三因素耦合作用下的致裂效果Fig. 4 Cracking effect under three factors coupling

為分析各因素對(duì)液態(tài)CO2相變致裂半徑的影響程度，將數(shù)值模擬正交設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行均值計(jì)算并進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表3。

表3 致裂半徑極差分析Table 3 Range analysis of cracking radius

根據(jù)表3中的極差可知，液態(tài)CO2相變致裂半徑的影響因素主次順序?yàn)榈貞?yīng)力＞瓦斯壓力＞煤體堅(jiān)固性系數(shù)。對(duì)表3中的均值點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖5所示。

圖5 各因素對(duì)液態(tài)CO2相變致裂半徑的影響Fig. 5 Influence of various factors on liquid CO2 phase transition cracking radius

從圖5可直觀看出各因素對(duì)液態(tài)CO2相變致裂半徑的影響規(guī)律：

1） 致裂半徑隨地應(yīng)力增大而減小，原因是隨著煤層地應(yīng)力增大，煤層原有裂隙的閉合程度增大，導(dǎo)致煤層滲透率降低，抑制相變致裂后裂隙的發(fā)育。

2） 致裂半徑隨瓦斯壓力增大而增大，原因是煤體中賦存的瓦斯壓力會(huì)導(dǎo)致煤體有效強(qiáng)度降低，有利于尖端裂隙的發(fā)育。

3） 致裂半徑隨煤體堅(jiān)固性系數(shù)增大而增大，原因是堅(jiān)固性系數(shù)較小的煤體脆性較大，爆破應(yīng)力作用下的煤體堅(jiān)固性系數(shù)越小，則越易破碎形成粉碎區(qū)，不利于應(yīng)力波的傳導(dǎo)，對(duì)裂隙發(fā)育起一定的阻礙作用。

對(duì)液態(tài)CO2相變致裂數(shù)值模擬正交設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行方差分析，置信度分別取90%，95%，99%，結(jié)果見表4。

表4 正交設(shè)計(jì)方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal design

根據(jù)表4中的F比值可以得出，各因素對(duì)液態(tài)CO2相變致裂半徑的影響強(qiáng)度主次順序?yàn)榈貞?yīng)力＞瓦斯壓力＞煤體堅(jiān)固性系數(shù)，這與極差分析的結(jié)果一致。對(duì)于致裂半徑來說，地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體堅(jiān)固性系數(shù)在置信度取90%，95%，99%時(shí)，顯著度均達(dá)到較高水平，表示這3組因素對(duì)致裂半徑的影響較明顯，驗(yàn)證了正交試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，各影響因素與致裂半徑之間可用線性關(guān)系描述。設(shè)致裂半徑為b，地應(yīng)力為a1，瓦斯壓力為a2，煤體堅(jiān)固性系數(shù)為a3。對(duì)表2中9組正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得到致裂半徑與各影響因素之間的預(yù)測(cè)模型：

式（12）的擬合優(yōu)度R2為0.982，表明擬合效果較好。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)布孔參數(shù)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步驗(yàn)證液態(tài)CO2相變致裂數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性及預(yù)測(cè)模型的合理性，在山西省東部某礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)[21]?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得地應(yīng)力為8.2 MPa，瓦斯壓力為0.40 MPa，煤體堅(jiān)固性系數(shù)為0.61，經(jīng)預(yù)測(cè)模型計(jì)算得液態(tài)CO2相變致裂半徑為2.35 m。致裂孔孔徑設(shè)置為89 mm，左右兩側(cè)分別布置3個(gè)觀測(cè)孔，A1，A2，A3觀測(cè)孔距致裂孔距離分別為1，2，3 m，A4，A5，A6觀測(cè)孔距致裂孔距離分別為1.5，2.5，3.5 m，如圖6所示。為避免爆炸沖擊波影響，在觀測(cè)孔右方30 m處布置1個(gè)自然抽采孔。連續(xù)進(jìn)行30 d瓦斯抽采，對(duì)比鉆孔瓦斯壓力及濃度變化，從而對(duì)液態(tài)CO2相變致裂后瓦斯抽采效果進(jìn)行分析。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)布孔方式Fig. 6 Borehole arrangement in industrial field test

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用壓力指標(biāo)法測(cè)定液態(tài)CO2相變致裂半徑范圍。該方法通過煤體殘留瓦斯量設(shè)定瓦斯預(yù)抽采指標(biāo)，并與瓦斯抽采后壓力進(jìn)行對(duì)比分析。液態(tài)CO2相變有效致裂半徑的考察于致裂孔封孔后，待封孔砂漿全部凝固后安裝瓦斯壓力表，測(cè)量記錄時(shí)間共計(jì)30 d，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。煤層原始瓦斯壓力為0.40 MPa，煤層殘余瓦斯壓力為0.23 MPa，煤層瓦斯壓力下降了43%，設(shè)置43%有效線來衡量爆破致裂影響范圍。

圖7 觀測(cè)孔瓦斯壓力變化Fig. 7 Gas pressure change of observation borehole

由圖7可看出，液態(tài)CO2相變致裂后，致裂孔兩側(cè)觀測(cè)孔測(cè)得的瓦斯壓力隨時(shí)間增加呈遞減趨勢(shì)，且抽采初期距致裂孔越遠(yuǎn)，則壓力越大，主要原因是爆破后應(yīng)力波衰減，導(dǎo)致不同區(qū)域裂隙發(fā)育效果不同，與理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果一致。A1觀測(cè)孔距液態(tài)CO2相變致裂后煤體損傷的粉碎區(qū)較近，煤體在爆生氣體作用下形成較大的裂紋，使瓦斯氣體能夠迅速傳導(dǎo)； A4觀測(cè)孔處于爆破中區(qū)，所受爆破應(yīng)力的影響減小，該區(qū)域的裂隙發(fā)育效果較好，有助于瓦斯氣體傳導(dǎo)；A2和A5觀測(cè)孔處于裂隙擴(kuò)展區(qū)，是受液態(tài)CO2相變致裂影響的末端區(qū)域，為爆破應(yīng)力波能量衰減區(qū)，煤體裂紋擴(kuò)展程度較小，瓦斯氣體傳導(dǎo)速度較慢且濃度較低；A3和A6觀測(cè)孔處于震動(dòng)區(qū)，該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力波衰減到不能再對(duì)煤體造成破壞，但由于距爆破影響范圍較近，也會(huì)使瓦斯氣體沿煤體裂隙傳導(dǎo)至觀測(cè)孔。距致裂孔2 m的A2觀測(cè)孔瓦斯壓力大于A1觀測(cè)孔，且距致裂孔2.5 m的A5觀測(cè)孔瓦斯壓力大于A4觀測(cè)孔，說明當(dāng)致裂器軸向間距為2～2.5 m時(shí)，裂隙分布更均勻，裂隙發(fā)育更好，使得瓦斯抽采更順暢。隨著瓦斯抽采時(shí)間增大，瓦斯壓力逐漸降低，觀測(cè)孔與致裂孔之間的距離越大，下降至43%有效線所需的時(shí)間越長(zhǎng)。抽采30 d后，A1，A2，A4，A5這4個(gè)觀測(cè)孔的瓦斯壓力均下降至43%有效線以下，而A3，A6觀測(cè)孔的瓦斯壓力均下降但未低于43%有效線，由此可知，經(jīng)30 d鉆孔壓力實(shí)測(cè)，液態(tài)CO2相變有效致裂范圍為2～2.5 m，最大誤差為17.5%，誤差較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的合理性。

對(duì)距致裂孔2.5 m的A5觀測(cè)孔和自然抽采孔30 d測(cè)得的瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。可看出液態(tài)CO2相變致裂后單孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)均值為43.84%，較自然抽采孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)均值（25.28%）提高73.4%，說明液態(tài)CO2相變致裂可有效提高瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)。

圖8 鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig. 8 Gas concentration comparison of different borehole

5 結(jié)論

1） 揭示了液態(tài)CO2相變爆破應(yīng)力波傳導(dǎo)機(jī)理和裂紋擴(kuò)展機(jī)理，并利用TNT當(dāng)量轉(zhuǎn)換法得到液態(tài)CO2致裂器的能量釋放當(dāng)量約為588 g TNT。

2） 采用數(shù)值模擬方式得到液態(tài)CO2相變致裂半徑的影響因素主次順序?yàn)榈貞?yīng)力＞瓦斯壓力＞煤體堅(jiān)固性系數(shù)，致裂半徑隨地應(yīng)力的增大而減小，隨瓦斯壓力和煤體堅(jiān)固性系數(shù)增大而增大，且呈線性關(guān)系。對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析，建立了基于地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體堅(jiān)固性系數(shù)3組不同因素耦合條件下液態(tài)CO2相變致裂半徑預(yù)測(cè)模型。

3） 在山西省某礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，采用液態(tài)CO2相變致裂半徑預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果設(shè)置抽采鉆孔，并應(yīng)用壓力指標(biāo)法對(duì)瓦斯抽采效果進(jìn)行測(cè)試分析，可知：液態(tài)CO2相變致裂孔兩側(cè)觀測(cè)孔的瓦斯壓力隨時(shí)間增加呈遞減趨勢(shì)，且抽采初期距致裂孔越遠(yuǎn)，則壓力越大，與理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果一致；液態(tài)CO2相變有效致裂范圍為2～2.5 m，與預(yù)測(cè)結(jié)果2.35 m的最大誤差為17.5%，誤差較小；距致裂孔2.5 m的觀測(cè)孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)均值較自然抽采孔提高73.4%。因此，通過預(yù)測(cè)模型優(yōu)化布孔方式，可顯著提高瓦斯抽采效率。