二氧化碳充装量与致裂效果的模拟分析.pdf

煤炭科孛硼究总皖 C H I N A C O A LR E S E A R C Hl N S T I I “ U T E 硕士学位论文 作者姓名 学科专业 导师姓名 完成时间 詹德帅 岩土工程 黄亮高研究员邱天德副研究员 二o 七年四月 煤炭科学研究总院研究生院 G r a d u a t e c h o o I o f C h i n a C o a IR e s e a r c h I n s t i t u t e 万方数据 C h i n aC o a lR e s e a r c hln s t i t u t e Adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r ’Sd e gr e e C ar b onDio x id eFillin g C a p a c i t ya n d C r a c k i n gE f f e c t S imula t ion A u t h o r ’SN a m e s p e c i a l i t y S u p e r v i s o r ”’‘11 』‘ f i n l S n e Qt l m e A n a l y s i s D e s h u a iZ h a n G e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g P r o f ．L i a n g g a oH u a n g A ss o c i a t eP r o f ．T i a n d eQ i u A p r i l1 0 m ，2 0 1 7 万方数据 煤炭科学研究总院学位论文原创声明 本人郑重声明此处所提交的学位论文二氧化碳充装量与致裂效果的模拟 分析，是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签锄叩吼三驴夕年丫月 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 ≯审 二氧化碳充装量与致裂效果的模拟分析系本人在煤炭科学研究总院攻 读学位期间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归煤炭科学研究 总院所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解煤炭 科学研究总院关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送 交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校睁论文加入中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总库。本人授权煤 炭科学研究总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论 文的全部或部分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“√” 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密留 作者签名钐喀s H 滔期易纠7 年中月≯乡日 翮签嘞日期弘，7 年辱月哆曰 万方数据 摘要 摘要 本文以潞安集团司马煤矿工作面增透为工程背景，以理论研究，数值模拟和 现场试验研究相结合的研究方法，进行了爆破的数值模拟计算，开展了工作面煤 层爆破增透试验。数值模拟部分进行了在不同充装量条件下影响半径的计算；试 验采用流量法、示踪法分析爆破增透的影响范围。文章取得以下研究成果 首先进行二氧化碳的热力学分析，在忽略气体膨胀时在膨胀力做功的前提下， 以液态二氧化碳蒸发到标况条件下释放的能量为参考，得到液态二氧化碳爆破时 产生的能量。以材料力学为基础，根据广义胡克定律推算出二氧化碳爆破时的爆 破压力。 根据爆破理论，断裂力学理论以及煤体的结构特征，详细分析了液态二氧化 碳爆破煤体的作用过程，以及各个作用阶段的破坏标准。 利用有限元分析软件计算仅在充装量单一条件下的爆破模拟，并借助 o r i g i n 软件对计算结果进行了数据处理与分析得到三种不同充装量的爆破影响 半径。 以充装量1 0 0 0 9 的二氧化碳爆破装置进行增透煤层试验，以流量观测法和示 踪法相结合，测得爆破影响半径，与模拟所得出的结果相近。 关键词二氧化碳爆破；充装量；释放能量；影响半径；爆破机理 万方数据 A B S T R A C T A B S T R A C T I nt h i sp a p e r , t h ew o r k i n ga r e ao fS i m ac o a lm i n ei nL u a nG r o u pi se x p a n d e di n t o e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb l a s t i n gi s c a r r i e do u tb y t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df i e l dt e s t ．T h eb l a s t i n ga n dp e n e t r a t i o n t e s to fc o a ls e a mi Sc a r r i e do u t ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np a r ti Su s e dt oc a l c u l a t et h e r a d i u so fi n f l u e n c eu n d e rd i f f e r e n tf i l l i n gc o n d i t i o n s ．T h ei n f l u e n c eo fb l a s t i n ga n d p e n e t r a t i o ni sa n a l y z e db yf l o wm e t h o da n dt r a c e rm e t h o d ．T h ea r t i c l eo b t a i n e dt h e f o l l o w i n gr e s e a r c hr e s u l t s F i r s t ，t h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so fc a r b o nd i o x i d e ，i nt h en e g l e c to fg a s e x p a n s i o ni nt h ee x p a n s i o nf o r c eu n d e r t h ep r e m i s eo fd o i n gw o r k ，t h el i q u i dc a r b o n d i o x i d ee v a p o r a t i o nt ot h es t a n d a r dc o n d i t i o n so ft h er e l e a s eo fe n e r g ya sar e f e r e n c e ， t h el i q u i dc a r b o nd i o x i d eb l a s t i n ge n e r g yg e n e r a t e d ．B a s e do nt h em e c h a n i c so f m a t e r i a l s ，t h eb l a s t i n gp r e s s u r eo fc a r b o nd i o x i d eb l a s t i n gi sd e d u c e da c c o r d i n gt ot h e g e n e r a l i z e dH o o k e ’Sl a w ． A c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fb l a s t i n g ，t h et h e o r yo ff r a c t u r em e c h a n i c sa n dt h e s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o a lb o d y , t h ep r o c e s so fa c t i o no fl i q u i dc a r b o nd i o x i d e b l a s t i n gc o a lb o d ya n dt h ef a i l u r ec r i t e r i o no f e a c hs t a g ea r ea n a l y z e di nd e t a i l ． T h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ew a su s e dt oc a l c u l a t et h eb l a s t i n gs i m u l a t i o n o n l yu n d e r t h es i n g l ec o n d i t i o no ft h ef i l l i n gq u a n t i t y , a n dt h er e s u l to ft h ec a l c u l a t i o n w a sa n a l y z e da n da n a l y z e db yu s i n gt h eo r i g i ns o f t w a r et og e tt h er a d i u so ft h ei m p a c t o ft h et h r e ed i f f e r e n tf i l l i n gq u a n t i t i e s ． T h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tb ym e a n so f f l o wo b s e r v a t i o na n dt r a c e rm e t h o d ， a n dt h ei n f l u e n c er a d i u so fb l a s t i n gw a sm e a s u r e d ，w h i c hw a ss i m i l a rt Ot h er e s u l t o b t a i n e db ys i m u l a t i o n ． K e yw o r d s c a r b o nd i o x i d eb l a s t i n g ；f i l l i n gc a p a c i t y ；e m i te n e r g y i n f l u e n c er a d i u s ； b l a s t i n gm e c h a n i s m ；p e n e t r a t i o nt e c h n o l o g y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 万方数据 目录 目录 第l 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景及意义⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．3 1 ．3 研究方法和研究内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 第2 章二氧化碳爆破基础理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 二氧化碳特性⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．7 2 ．2 能量产生机理．．⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯．⋯．．．⋯．．．⋯．．．．7 2 ．3 二氧化碳爆破能量⋯．⋯．．．．．．．．。．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．8 2 ．4 泄能分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．9 2 ．4 ．1 爆破压力分析⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2 ．4 ．2 爆破压力变化规律．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．1l 2 ．5 本章小结．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．。．．．．．1 2 第3 章二氧化碳爆破作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 3 ．1 爆破过程分析．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 3 3 ．2 动载荷作用下煤岩体力学性能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．1 6 3 ．3 预裂爆破破坏准则．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 6 3 ．3 ．1 应力波的作用．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．⋯⋯．．1 7 3 ．3 ．2 粉碎区煤体破坏准则．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 3 ．3 ．3 裂隙区煤体破坏准则．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 8 3 ．4 煤体破坏范围．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 9 3 ．4 ．1 压碎圈的生成范围．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 9 3 ．4 ．2 裂隙圈的形成范围．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．1 9 3 ．4 ．3 裂纹扩展．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 0 3 ．5二氧化碳驱动裂纹扩展及破坏准则．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 4 3 ．5 ．1 二氧化碳气体准静态应力作用影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 5 3 ．5 ．2 二氧化碳气体驱动下的宏观裂纹扩展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 7 TTT 万方数据 目录 3 ．6 本章小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 8 第4 章模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 软件介绍．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．2 9 4 ．2 计算模型．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 0 4 ．3 数值模拟计算的定解条件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯3 0 4 ．4 数值模拟结果及分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 2 4 ．5 本章小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 8 第5 章二氧化碳爆破现场试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1 高压二氧化碳爆破技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．3 9 5 ．1 ．1 二氧化碳致裂器工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．3 9 5 ．1 ．2 二氧化碳致裂器结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 9 5 ．2 工程概况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1 5 ．2 ．1 矿井瓦斯涌出情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯4 1 5 ．2 ．2 矿井瓦斯抽采情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．4 2 5 ．3 爆破试验方案．．．．．．⋯⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2 5 ．3 ．1 试验钻孔布置情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2 5 ．3 ．2 试验方案设计．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 3 5 ．3 ．3 试验串接方案⋯．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．4 4 5 ．4 试验工艺．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．4 4 5 ．4 ．1 实施条件．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．⋯．．．．．．4 4 5 ．4 ．2 实施过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 5 5 ．4 ．3 数据测量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 5 5 ．4 ．4 有效半径的测定方法．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 6 5 ．5 试验结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．4 6 5 ．5 ．1 流量法观测结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 6 5 ．5 ．2 示踪法观测结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．5 1 5 ．6 本章小结．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．5 2 第6 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．1 主要结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 3 T V 万方数据 目录 6 ．2 展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．5 6 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 1 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 V 万方数据 第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1 研究背景及意义 我国地层地质条件优越，所以煤炭矿产资源丰富，在世界各国中，煤炭产量 占首要位置。煤炭已经成为国内经济和社会发展的重要基础，而且在未来很长的 时间内，煤炭仍将一直作为我国主要能源n3 。煤炭工业的发展为迎合快速增长的 经济需要更上一层。 我国煤矿9 5 ％以上是井工开采，开采深度随着综采机械化程度的提高变得越 来越深，相应的瓦斯涌出量也在逐步增加，使原来的低瓦斯矿井升为高瓦斯矿井， 高瓦斯矿井升为煤与瓦斯突出矿井眩3 。 瓦斯是指煤矿在生产的过程当中，产生了以甲烷为主的各种有毒有害气体的 总称，它是煤在形成过程中所产生的。甲烷无味、无色、易燃、易爆，它是煤变 质过程中分子内部节理发生变化的产物。煤层内部的瓦斯主要有两种状态，一种 是吸附状态另一种是游离状态。在所有煤层内部存在的瓦斯量中，吸附的瓦斯量 占到九成以上，游离的瓦斯不到一成∞3 。随着煤层被开采，煤层中所存在的瓦斯会 受到扰动而释放，从而导致瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等情况的发生Ⅲ。 据统计，我国国有重点煤炭企业中，低瓦斯矿井占5 5 ．6 ％，其余几乎全部为高瓦 斯矿井嵋3 。而高瓦斯突出矿井的渗透率几乎都在f 1 ．0 0 1 ～o ．1 1 1 0 。, u m 范围内，均属 于低透性煤层强3 。瓦斯治理艰难的直接原因就是煤层透气性低，从而导致了瓦斯 抽采效果差。因此，寻找高效、经济、适用范围广的增透新方法，是目前国内外 煤层气开发及矿井瓦斯治理的重点工作之一。 长期以来，我国学者在提高煤层的透气性方面进行了大量的试验与研究盯t 8 | 。 我国在增加煤层裂隙方面开展的技术有炸药预裂、水力压裂和水力冲孔等技术措 施。因为煤层的裂隙增加直接促使煤层透气性提高，瓦斯进而更容易被解吸出来， 这样就会使瓦斯抽采效率提高，使煤层的突出危险性降低田 1 0 ，1 13 。这些技术虽然在 解决瓦斯超限的工作中起到了一定的作用，但是有很明显局限性炸药预裂的长 钻孔装药参数问题没有得到明显的解决，由于炸药属于很强破坏力的危险物品所 以审批手续繁琐，申请困难，并且在运输过程当中危险系数高受n 2 ’”，1 4 1 ；封孔效 果直接导致水力压裂效果的好坏，而且水力压裂的方向具有不可控性，容易形成 1 万方数据 第1 章绪论 新的应力增高区n 鼠1 6 ，17 | ；由于水力冲孔技术尚没有解决容易造成巷道瓦斯超限的 问题，所以应用范围面不广n 8 1 9 2 0 | 。煤矿开采的深度加大，导致煤层瓦斯含量增 加，而传统的煤层增透技术不足以应对这种透气性差的煤层，有待寻求一种增强 煤层透气性的新方法乜1 ’2 2 1 。 近年来，由国内外学者专家提出了一种基于液态气体气化产生能量从而进行 爆破致裂增透的方法晗3 ，24 | 。高压气体爆破是一种相变的物理爆破。英国、美国在 六十年代初就已经开始研究这种有别于传统炸药爆破的物理相变的新方法，并取 得了良好的效果乜5 ’矧。首先利用机械电子设备使二氧化碳液化，再通过外部加热 装置使二氧化碳相变产生能量从而对周围介质进行做功。 液态二氧化碳爆破原理为将充有液态二氧化碳的爆破装置通过钻机打入钻 孔中，药管通电后产生大量的热，液态二氧化碳在吸收了大量的热量后变成气态 二氧化碳，液态的二氧化碳不断气化使密闭的容器内的压力不断升高∞引，一旦定 压剪切片的剪切应力不足以抵抗管内的压力时，剪切片瞬间破断，高压二氧化碳 气体瞬间被释放出来，为爆破介质提供变形的能量，从而使煤体介质产生相对位 移产生裂隙。 这种主要依靠液态二氧化碳受热后在密闭空间内相变提供能量的物理爆破 有别于传统的炸药爆破瞳8 ’29 | 。在对煤体造成爆轰冲击初期具有6 0 2 0 0 M P a 的压力， 爆破增加了煤层内的裂纹，从而整体提高了煤层的透气性。而且煤体对甲烷的吸 附能力要远远小于煤体对二氧化碳的吸附，所以二氧化碳以一定压力进入煤体裂 隙内将原本吸附的甲烷吸驱赶出去，从而降低瓦斯的吸附率。在两者共同作用下 起到了提高矿井瓦斯的抽采效果∞0 1 。 传统化学变化的炸药爆破与二氧化碳物理爆破有着本质性的差别。二氧化碳 物理爆破以二氧化碳气体作为驱替介质，与煤体内部的瓦斯竞争吸附，使吸附状 态的瓦斯转变为游离状态，促使瓦斯产生解吸和扩散，使煤层渗透率增加b 1 | 。因 为这种爆破的优点突出，所以近几年国内开始大规模的采用二氧化碳预裂增透， 经过长时间的试验发现二氧化碳预裂增透技术不仅操作简单，安全性高，而且爆 破本质为物理爆破，不产生明火，不可能引爆瓦斯。此项与传统钻孔抽采相比， 很大程度的减少了钻孔量、同时降低打钻成本，从而高效的解决了提高瓦斯抽采 效率的问题。 国内外专家将液态C 0 爆破技术引入提高煤层透气性，降低煤矿放顶的危险， ≯ 万方数据 第l 章绪论 消除煤层瓦斯涌突等工作中，取得良好效果口2 j 。二氧化碳爆破增透技术为物理爆 破，爆破过程本质安全，且能营造惰性气体环境，具有抑爆、抑燃的优点，爆破 过程中不产生扬尘以及C 0 等有毒有害物质。此项技术克服了传统增透技术配套 设施体积大且昂贵、危险性系数高等缺点，为矿山的安全开采和预裂提供可靠保 证，广泛适用于煤矿和非煤矿山b 3 | 。 1 ．2 国内外研究现状 郭志兴在地面进行了二氧化碳爆破筒模拟爆破试验，根据实验结果得出 二氧化碳爆破筒具有安全可靠，操作方便，适应面广等优点可有效地避免因 炸药爆破产生火焰引起的爆炸事故∞引。 邵鹏，徐颖阐明了液态气体的爆破工作机理，并研制了的高压气体爆破实验 系统，通过此套系统进行了一系列的实验．实验结果表明此套爆破实验系统具 有良好的实验性，而且得出了破碎介质所需要的破膜压力随着材料强度的提高呈 非线性增长呤5 j 。 高坤博士运用瓦斯在煤层中的赋存流动理论，详细阐述瓦斯在裂隙中的运移 过程后指出煤体在高压空气爆破作用后，煤体的透气性会有所增强。作者从艾友 煤矿和海州煤矿选取实验煤样，通过实验测定了煤样的渗透率变化规律，将物理 参数变化值与实验参数变化值进行对比，得出渗透率与高压气体压力呈幂函数关 系‘36 | 。 高坤，王继仁利用实验装置进行了相关实验。通过对比所测量高压空气爆 破前和高压空气爆破后煤样渗透率的数值后得出受爆介质在高压空气爆破后 总体增透效果明显；在高压空气爆破煤样的实验中，渗透率变化随着裂隙发育 程度增大而增大。在其他实验条件均相同的条件下，如果煤体内部本身存在的 裂隙较小，并且孔隙发育不良，这样的煤体受到实验的气体爆破后增透效果越 好m 3 。 陈静利在多孔介质渗流理论的基础上结合渗流理论，并指出煤体受到高压空 气作用后，爆破介质的压力呈现梯度变化。应用有限元软件，通过建立了煤层的 固一气耦合数学模型，分别模拟了冲击压力和地应力对实验效果产生的影响。通 过分析模拟结果得出如果高压空气冲击的压力值变大，则气体在煤层中的压力 分布范围也会增大而裂隙则是朝着压力低的方向扩展口8 | 。 万方数据 第l 章绪论 周西华，门金龙选取七台河矿区进行液态C 0 。爆破增透煤层的工业性试验， 考察在影响液态C 0 。爆破的诸多因素中，地应力与影响半径之间的关系，以及影 响半径和透气性系数之间的关系，试验结果表明液态C 0 。爆破影响半径随地应力 的增加近线性减小，随爆破压力的增加非线性增加，并得出在此试验条件下液态 C 0 。爆破的最佳爆破压力范围1 6 0 2 8 0 M P a 。划。 周西华教授基于损伤力学和空气动力学等理论基础上，研究液C 0 。爆破的原 理。并利用数值分析软件分析爆破过程中爆破器主管内高压气体压力的时程变化。 通过建立有限差分本构模型，计算不同地应力下单孔爆破有效影响半径，并进行 了爆破前与爆破后抽采效果的对比，详细阐述了爆破作用过程的机理以及二氧化 碳压力在爆破作用过程中的变化规律，为低成本液态C 0 。爆破煤层增透技术实施 提供了参考H 。| 。 霍中刚在贝勒煤矿1 6 0 3 运输巷M 6 煤层中采用二氧化碳致裂器深孔预裂爆 破增透技术，在进行理论分析和数值模拟后与相应的试验结果进行了深度分析。 通过分析实验前后测得的数据得出以下结论钻孔瓦斯在受N - 氧化碳深孔预裂 爆破的扰动后流量衰减系数下降了1 3 倍；煤层透气性系数在爆破后提高了2 6 倍； 抽采影响半径是爆破试验前的4 ．5 - 5 ．7 倍。二氧化碳致裂器在煤层中进行深孔预 裂爆破的效果明显。并通过以上结论进行了设想裂隙系统的开启使煤层透气性 提高，从而起到了提高瓦斯抽采率的效果H 1 | 。 赵立朋以典型高瓦斯低透煤矿3 主采煤层为研究对象进行了C 0 预裂爆破 增透试验。爆破后的两个月内采集了抽放观测的试验数据，并将爆破孔的抽放数 据和普通钻孔抽放数据进行对比，同时以裂隙扩展理论为基础；分析了钻孔瓦斯 流量变化规律且得出二氧化碳爆破煤体产生粉碎区、裂隙发育区、裂隙区，是增 加煤层透气性系数的先决条件这一结论。试验后各项预测指标均合格。为C 0 预 裂爆破增透技术提供有效可靠的理论支撑n 2 | 。 范迎春在新田煤矿主采4 号煤层进行了二氧化碳爆破增透试验，该煤层瓦 斯含量维持在一个较高的水平，而且瓦斯抽采难度较大。采用二氧化碳爆破增 透技术后，钻孔瓦斯涌出量，瓦斯浓度，瓦斯纯量均得到大幅提升。此项研究 解决了矿井后期工作面的瓦斯浓度突增和瓦斯治理难度大的难题H 引。 白文信等人在蒋庄煤矿煤层采用C 0 爆破致裂技术，因为该煤层硬度大， 从而出现了注水难的问题。在进行分析实验数据后得出此项技术使煤层产生裂 4 万方数据 第1 章绪论 隙，从而提高注水效率的结论。试验结果表明，二氧化碳爆破致裂促使钻孔周 围煤体产生裂隙，且有效松动致裂范围明显。C 0 。爆破技术比传统爆破布置的炮 眼数量少，爆破影响半径提高3 5 m ；在采煤过程中空气中的粉尘浓度大幅度降 低，截齿消耗量降低了3 0 ％，工作面环境得到极大改善，且提高了经济效益 [ 4 4 ] o 李志强指出在低透高瓦斯煤层运用二氧化碳爆破技术后，钻孔可抽采的范 围增大，从而提高了煤层内的瓦斯的利用率；C O 。预裂爆破增透技术不仅可以增 加煤层渗透性，而且二氧化碳气体分子的竞争吸附驱替出更多的游离态瓦斯， 比传统增透措施更加高效。通过采用该技术可以有效降低瓦斯压力提高煤层瓦 斯抽采量H 引。 杨小林等人在理论方面采用断裂力学理论，主要探讨了煤体内的爆破气体 的准静态作用，气体驱动裂纹扩展两方面内容，以及裂纹在爆破荷载的作用下 长度的变化规律。用模拟软件进行煤体爆破的模拟实验，通过分析裂纹扩展的 状况得出煤体在进行爆破后，裂纹受到扰动进行延伸和扩展，而裂纹的长度 则是裂纹扩展最重要的指标，其与煤体的抗压强度成反比，与孔隙率成正比； 在炮孔堵塞和不堵塞情况下两种情况下，后者的裂纹数量是前者的1 ．5 - 3 倍 [ 4 6 ] 0 王家来采用机械压缩方法产生高压气体作为爆破介质，主要研究在爆生气 体单独作用下岩石的破坏过程。试验表明，以拉伸破坏为基础建立的静态平衡 方程和爆破的实际作用效果一致；采用准静态力学的分析方法比较适合爆生气 体作用破岩的过程，从而证明了爆生气体破岩的拉伸破坏本质H 7 I 。 1 ．3 研究方法和研究内容 本文将采用理论分析、数值模拟和现场实验相结合的方法对二氧化碳爆破 技术影响爆破效果的充入液态二氧化碳质量这一因素进行研究。详细阐述二氧 化碳爆破后，煤层裂隙的产生、发展和从终结的变化过程。其主要内容包括以 下几个方面 1 ．理论上研究分析二氧化碳爆破煤体的作用过程，包括煤体裂隙的产生、 发展和终结的变化过程，以及影响裂隙产生和发展的因素。 万方数据 第1 章绪论 2 ．建立爆破增透的数学模型，通过数值模拟的方法，模拟特定的一个条件下 地应力，爆破压力，距离自由面的距离，煤体硬度等因素 ，三种二氧化碳充 装质量的致裂器爆破影响范围和爆破介质质点的位移变量等力学参数的变化规 律。 3 ．现场实验。因现场试验条件有限，试验采用充装量为1 0 0 0 9 ，爆破压力 2 0 0 M P a 的二氧化碳致裂器，通过观察该种类型的二氧化碳致裂器爆破前后煤层 的裂隙情况，测量爆破前后煤层的瓦斯浓度等参数，运用流量法和示踪法相结 合的方法估算爆破影响半径。 4 ．将试验的结果与数值模拟的结果进行对比，如果数值模拟的结果和试验 的结果相类似，且认为通过数值模拟进行的三种不同充装量的致裂器的模拟效 果可行，如两结果不同或差异较大，寻找原因。 万方数据 第2 章高压二氧化碳爆破基础理论 第2 章二氧化碳爆破基础理论 2 ．1 二氧化碳特性 常温下的二氧化碳气体无色、无味。化学式为C 0 。，相对分子质量4 4 。二氧 化碳的临界温度3 1 ．2 ℃、临界压力为7 ．3 M P a 。二氧化碳存在一种比较罕见的超 临界态，超临界态是不同于一般气态、液态、固态H 引。 如果二氧化碳处于临界温度3 1 ．1 ℃、临界压力7 ．3 8 M P a 之上，那么二氧化 碳以超临界状态存在，超临界二氧化碳具有、流动性好、密度大，扩散系数大的 特性H 圳。超临界二氧化碳是介于气液之间一种状态，他兼具了液体的流动特性， 而且与气体的自扩散系数和黏度系数体非常相似，所以超临界的二氧化碳具有较 高的运动速度和分离传质速率啼啦5 1 1 。超临界二氧化碳相较于常规液态二氧化碳， 表面张力更小，密度约为液态二氧化碳的1 ／3 ，较比常规液体可压缩性大很多睛2 | 。 超临界二氧化碳内部不存在气态的二氧化碳睛3 ，54 。。二氧化碳以液态的形式存 在的必要条件是压力大于5 ．1 倍大气压力，温度低于- 5 6 ．56 C 晤5 | 。二氧化碳三相 点压力为O ．5 2 M P a ，温度为- 5 6 。C ，如图所示墨6 | 。 图2 ．1 二氧化碳温度压力与物相的关系图 F i g ．2 ．1 C a r b o nd i o x i d et e m p e r a t u r ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h a s ed i a g r a m 2 ．2 能量产生机理 二氧化碳致裂器工作原理是通过对装入在储液管内的液态二氧化碳的加热， 使其迅速气化，使管内的压力不断升高，当达到剪切片泄放压力时，剪切片瞬间 被剪破，二氧化碳在释放头出气孔处释放，对介质做功，起到爆破的效果。 万方数据 第2 章高压二氧化碳爆破基础理论 爆破前，将液态的二氧化碳以一定的充装压力充入储液管中。液态的二氧化 碳粒子不像气体粒子那样可以几乎不受任何约束地跑遍整个体积，而要在一定的 平均位置附近与近邻粒子撞击数万次才能改变它的平均位置，进入下一个近邻的 球胞。这就是液体的运动特性，也是将液体视为准晶体的思想渊源，所以处理液 体的基本思想是点阵模型，也称为球胞模型晴7 | 。需要注意的是点阵结构是随时间 变化的瞬时结构，在整个结构中假设每个粒子均处在自己相应球胞内的平衡位置 进行独自运动，若不考虑临近粒子的运动所造成的势场的改变，则整个系统的势 能近似地以每个独立的粒子势能之和为基准。 当液态的二氧化碳粒子所处稳定的系统在吸收热量后得到了破坏陆8 。。液态二 氧化碳粒子之间的势能在热量的作用下开始逐渐减少并开始转换为动能，粒子得 到动能后开始杂乱无章的运动；相邻的球胞之间的势能随着动能的不断增加而减 小，但是相对位置没有产生太大的变化，这样在密闭的环境中，随着液态二氧化 碳粒子的动能不断增加，密闭空间内的压力不断升高，随后剪切片被剪破并伴随 着大量二氧化碳气体释放出来。 2 ．3 二氧化碳爆破能量 相变属于物理变化，是指物质在气态、液态、固态三种状态之间的转变的过 程晴⋯，压力和温度是相变的直接影响因素。对于二氧化碳而言，超临界状态临界 点压力为三相节点处的7 ．3 9 M P a ，温度为三相节点处的3 1 ．6 。C 。能量的大小主 要与充入液态二氧化碳的质量，充入液态二氧化碳的压力以及二氧化碳在储液罐 内的物态等条件相关。目前主要以以下三种物理状态的爆破能量为主要计算依据， 分别是介质为液化气体与高温饱和气体的爆炸、介质全部为液体时的爆炸、介质 为高压气体爆炸哺0 3 。 高压二氧化碳爆破过程中，二氧化碳的相变过程分为以下几个步骤首先加 热装置通电产生热量，储液管内的液态C 0 受热使温度急剧上升；紧接着管内二 氧化碳受热由液态转变为气态，管内压力开始升高，储液管内的二氧化碳状态为 气液共存的两项混合状态；压力持续升高使气液混合态转变为次临界状态；当管 内的二氧化碳温度、压力持续升高，如果两者均达到超临界二氧化碳的临界值时， 管内二氧化碳由次临界状态转变为超临界状态，整个转变的过程瞬间完成阳1 | 。 超临界状态下的C 0 。是一种介于液体和气体之间一种特有的状态，所以，用 万方数据 第2 章高压二氧化碳爆破基础理论 二氧化碳全部为液体时的爆破能量的计算方法来计算二氧化碳爆破时所产生的 爆破能量是不准确的哺2 | ；爆破瞬间管内处于高压液化状态的C 0 ，属于永久低温 液体，气体二氧化碳极少n 驯，在充装初期虽然储液管内存在一定量的气态二氧化 碳，但是液态二氧化碳占有总质量的绝大部分，当管内的状态全部为超临界二氧 化碳时，此时储液管内的压力与