二氧化碳相变致裂软岩实验研究.pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2020. 02. 008 二氧化碳相变致裂软岩实验研究 ❋ 王 燕①② 孙伟博①② 张丁丁①② ①西安科技大学能源学院陕西西安,710054 ②教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室陕西西安,710054 [摘 要] 为了研究二氧化碳相变产生的高压气体动态破岩的机理,通过建立设有分布式光纤传感器的物理模型 结合数值模型的方法,研究了二氧化碳相变致裂煤体的内部效应,得到了二氧化碳相变高压气体动压破岩的机理 及岩体裂隙、强度和二氧化碳相变气体压力等参数之间的关系。 研究表明气体准静压破坏煤体主要集中在煤体 强度薄弱的区域,且气体压力要高于煤体破坏的最低极限值;原生裂隙会改变二氧化碳相变致裂煤体的空间范围 和煤体的破坏程度,原生裂隙与炮孔之间的夹角越小、距离越近,越明显。 [关键词] 二氧化碳相变;分布式光纤传感器;岩石致裂;数值模拟 [分类号] TD235. 3 Experimental Study on Fracture of Soft Rock Fracturing by Phase Change of Carbon Dioxide WANG Yan①②, SUN Weibo①②, ZHANG Dingding①② ① School of Energy Engineering, Xian University of Science and Technology （Shaanxi Xian, 710054） ② Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention, Ministry of Education （Shaanxi Xian, 710054） [ABSTRACT] In order to study the mechanism of dynamic rock breaking by high pressure gas generated by carbon dio- xide phase transition, internal effect of carbon dioxide phase change cracking in coal was studied by establishing a physical model with distributed optical fiber sensing and numerical model. The mechanism of high-pressure gas dynamic pressure rock breaking and the relationship between rock mass fissure, strength and gas pressure of carbon dioxide phase change were obtained. Results show that gas pressure damaged coal is mainly concentrated in the area where the strength of the coal is weak, and the gas pressure is higher than the minimum limit of coal body damage. Primary crack will change the spatial extent of the coal body and the degree of damage of the coal body. The smaller the angle between the crack and the blast hole is and the closer the distance is, the more obvious it is. [KEYWORDS] carbon dioxide phase transition; distributed optical fiber sensing; rock fracture; numerical simulation 引言 煤炭是我国的主要能源[1]。 中国 95％ 以上的 高瓦斯和突出矿井煤层均属于低渗透煤层,随着开 采深度的增加,煤层的透气性愈加降低[2],需要有 安全、高效的增透方法解决这一问题。 二氧化碳相 变致裂技术出现在 20 世纪 50 年代[3-5],由于其经济 性、安全性等方面高于传统火药,因此具有较高的研 究价值[6-7]。 二氧化碳相变致裂技术是通过液态二 氧化碳在极短的时间内和有限的空间内急剧转化为 气态二氧化碳,释放 100 200 MPa 的压力,对煤体 造成冲击,增加煤层的裂隙,提高透气性。 文虎 等[8]通过现场实验研究发现,液态二氧化碳压裂 时,钻孔内的裂隙扩展形式为破碎区裂隙起裂➝弱 面扩展➝微孔隙破坏,且压裂效果优于水压致裂。 王兆丰等[9]通过实验发现,二氧化碳相变致裂在软 煤中也具有很好的增透效果。 董庆祥等[10]研究了 二氧化碳致裂能量与 TNT 直接的关系。 现有研究 多着重于二氧化碳致裂的现场应用。 第 49 卷 第 2 期 爆 破 器 材 Vol. 49 No. 2 2020 年 4 月 Explosive Materials Apr. 2020 ❋ 收稿日期2019-05-23 第一作者王燕（1978 - ）,女,博士,讲师,主要从事矿山绿色开采、采矿方法等方面的教学与科研工作。 E-mailwangyan1126＠163. com 通信作者孙伟博（1979 - ）,男,博士,讲师,主要从事数字化爆破、矿山爆破技术及爆破装备、爆破灾害防治、爆破块度预测及优化等方面的研究。 E-mail sweibo＠163. com 万方数据 由于二氧化碳致裂只有高压气体准静压作用于 岩石上,其破碎岩石的内部效应与炸药爆破时的内 部效应有所不同,研究二氧化碳相变产生的高压气 体的破岩机理,掌握岩体裂隙对其破岩的影响规律, 有利于更好地将该技术应用于工程实践。 1 物理实验 1. 1 实验材料 采用相似实验的方法研究二氧化碳相变致裂影 响区域,首先需配置相似材料。 以某矿山煤体为研 究对象,测得煤体抗压强度为 22 MPa。 通过配比实 验,得到平均抗压强度为 0. 106 MPa、相似比为 1∶ 200 的相似材料,各组分质量比为 m（煤粉）∶m（细 砂）∶m（大白粉）∶m（石膏） 7∶7∶1∶1。 1. 2 实验模型 炸药爆破产生的宏观裂隙区约为炮孔半径的 15 倍,由于二氧化碳相变产生的气体压力约为炸药 爆炸时压力的几十分之一,且没有爆热和冲击波的 存在,宏观裂隙的区域要小于炮孔半径的 15 倍[11]。 所以,按爆破钻孔半径的 15 倍设计模型可以满足实 验要求。 设钻孔的半径为 10 mm,模型的外形尺寸为 300 mm 300 mm 300 mm,通过模型中心位置预 制直径 20 mm、深度 100 mm 的圆柱形空腔来模拟。 为了有效地测量三维实体模型内部裂隙变化,利用 布里渊散射光[12-13]在光纤中布里渊频移、散射光功 率和外界的温度、应变有对应的关系的特性[14-16], 采用布里渊分布式光纤传感器来检测三维实体模型 内部裂隙的变化情况。 在实验模型内装填混合好的相似材料,装填 100 mm高后,将长500 mm、直径 20 mm 的 PVC管放 置在试件中心;继续装填相似材料至H1120 mm高 度,在此水平面布置半径为R1120 mm的光纤;之 后相继在H2150 mm、H3180 mm水平面布置半 径分别为 R2 100 mm、R3 50 mm 的光纤,如图 1 所示。 图 1 中,L 表示光纤距离光纳仪的距离。 三 层光纤传感器布置完成后,继续装填实验模型至 300 mm 高。 利用压缩空气作为模拟二氧化碳致裂时的高压 气体,利用光纳仪接收光纤传感器信号。 实验系统 如图 2 所示。 1. 3 实验方法 实验时,将实验模型上的圆柱形空腔的上部 图 1 光纤传感器布置图 Fig. 1 Layout of optical fiber sensor 图 2 测试实验系统 Fig. 2 Experimental system 100 mm 用带孔的软木封闭,将气瓶输气管通过软木 塞上的小孔插入到空腔中,用密封胶封闭管道周围 的空隙,并在周围压上铁砖,按表 1 所示的实验测试 条件,在设定时间内加压,完成测试后更换模型,重 复进行 6 组实验。 表 1 实验测试条件 Tab. 1 Test conditions 序号压力/ MPa时间/ s 1＃0. 503 2＃0. 505 3＃0. 507 4＃0. 753 5＃0. 755 6＃0. 757 1. 4 实验结果与分析 将各组实验得到的应变数据导入到 Origin 中, 得到不同测量高度处的应变曲线,如图 3 所示。 从图3中可以看出,0. 50 MPa 时,煤体的应变 随压力作用时间的变化变动不大,煤体的应变量十 分接近;当压力提高到0. 75 MPa 时,煤体的应变随 作用时间的变化产生了明显的不同,应变量均高于 0. 50 MPa时煤体的应变量;作用3 s 和 5 s 时,在3 个测量平面均出现了明显的应变峰值,作用时间越 742020 年 4 月 二氧化碳相变致裂软岩实验研究 王 燕,等 万方数据 （a）120 mm （c）150 mm （e）180 mm （b）120 mm 局部放大 （d）150 mm 局部放大 （f）180 mm 局部放大 图 3 不同测量高度处的应变位移图 Fig. 3 Strain displacement at different measuring heights 长,应变量越大。 这说明 0. 50 MPa 时,气体压力对 煤体的准静压作用仅能使煤体产生微量的应变,还 不足以产生明显的微裂纹,应变量与气体压力作用 时间基本无关。 0. 75 MPa 时,气体压力对煤体的准 静压作用能够使煤体产生较大的应变,并伴随有微 裂纹的产生;特别是在微裂纹处,应变量与气体压力 作用时间有关,作用时间越长,应变量越大。 当 0. 75 MPa 且作用时间达到 7 s 时,煤体发生 了极大的应变,说明此时煤体产生了明显的裂纹。 裂纹主要集中在光纤长度 3. 35 3. 52 m、7. 65 7. 90 m 和 11. 95 12. 05 m 区间内,以这些区间为 弧长对应到爆破钻孔中心部分的煤体,均产生了较 大的裂隙。 在破坏区域内,由于煤体被破坏,失去了 自身的强度,导致原来与煤体连接的光纤与煤体脱 离,在光纤上施加的原有应力消失,使光纤卸载松 弛,从而产生了负应变。 2 数值模拟 在物理实验的基础上,通过数值模拟的方法,分 析岩体内部存在节理构造时二氧化碳相变致裂破岩 的情况。 2. 1 微观参数标定 使用 PFC 软件构建数值模型。 二氧化碳相变 84 爆 破 器 材 第 49 卷第 2 期 万方数据 致裂数值计算模型尺寸与室内实验试样保持一致, 颗粒相互接触类型采用平行黏结模型。 通过单轴抗 压实验,得到一组微观力学参数的计算结果,与实验 结果基本一致,如图 4 所示。 将该微观参数载入计 算模型。 图 4 试样单轴压缩试验应力-应变曲线 Fig. 4 Stress-strain curve of uniaxial compression test 2. 2 模拟计算 分两个部分,第一部分分析不同压力下煤体裂 隙扩展情况,并与实验情况相比较,以验证数值模型 的可靠性;第二部分分析煤体原生裂隙对二氧化碳 相变致裂的影响。 根据实验中使煤体致裂的压力以 及模型中心模拟钻孔的表面积,可以推算出模拟钻 孔内壁颗粒所受的力,通过 Fish 语言编程,将力施 加到颗粒上。 根据实验时压力加载时间,用 Solve Time 命令设定加载时间。 2. 3 结果与分析 先对模型钻孔施加 0. 50 MPa 压力,作用时间 7 s,得到的模拟结果如图 5（a）所示;可以看出,在 模拟钻孔周围出现了少量的裂隙,有少量的煤体破 裂。 然后,对模型钻孔施加 0. 75 MPa 压力,作用时 间 3 s,得到的模拟结果如图 5（b）所示;可以看出, 在模拟钻孔周围出现了大量的裂隙,有大量煤体破 裂。 不同强度的煤体有一个最低破坏压力值,在此 值以下,即使作用时间较长,对煤体的破坏也是有限 的;当超过这一限定值后,煤体能够在较短的时间产 生破坏。 这一结论与实验结论一致。 第二部分数值计算共分 7 组,分析煤体内原生 裂隙受到二氧化碳相变致裂时内部裂纹的扩展,对 应的煤体原生裂隙的角度分别为 0、15、30、45、 60、75和 90。 7 组计算的边界条件一致,结果如 图 6 所示。 图 6（a）表示无原生裂隙时煤体裂隙扩展和破 裂情况。将图 6（a）与后面各组计算结果对比,可以 看出,在相同受压条件下,存在原生裂隙的煤体比无 （a） 0. 50 MPa 作用 7 s （b） 0. 75 MPa 作用 3 s 图 5 不同压力和作用时间时的模拟结果 Fig. 5 Simulation results at different pressures and action times 裂隙煤体的裂隙扩展的范围更广,分离下的煤体的 数量更多。 因为原生裂隙的存在,裂隙处煤体的强 度降低,在同样载荷条件下,煤体更容易被破坏。 对比图 6（b） 图 6（h）,原生裂隙角度不同时, 煤体破坏的趋势也不相同。 裂隙倾角为 0时,模型 受压后裂隙向原生裂隙的方向扩展较多,其他方向 的裂隙与没有裂隙的煤体扩展的区域相接近。 这说 明当原生裂隙与压力作用方向平行时,裂纹将优先 从原生裂隙方向发展。 因为一方面,原生裂隙处强 度较低,容易出现滑移破坏;另一方面,当高压气体 进入原生裂隙后会在裂隙端部产生应力集中,加剧 裂纹的扩展。 同样的现象出现在原生裂隙倾角为 15和 30时。 在原生裂隙为 45时,在有原生裂隙的一端,裂 隙向 45 90方向扩展较多,在 45 90之间的裂 隙量相对较少,并且在原生裂隙外侧的裂隙增加量 还要小于无原生裂隙煤体。 这是因为,原生裂隙的 存在改变了原有压力传递的方向,使压力在裂隙面 上产生了一个卸载,所以使得裂隙面的另一侧的破 坏降低。 同时,在裂隙的端部产生应力集中,使得裂 隙的扩展更多地限定在了 45 90范围内。 原生裂隙倾角为 90时,在有原生裂隙的一端, 裂隙主要集中在原生裂隙与模拟钻孔之间,在其他 区域相对较少。 原生裂隙的存在使压力范围集中在 原生裂隙与模拟钻孔之间,在同样的作用时间下,这 一区域的煤体的破坏程度更高。 裂隙距离模拟钻孔 越近,在相同时间内,煤体的破裂程度越高;距离越 942020 年 4 月 二氧化碳相变致裂软岩实验研究 王 燕,等 万方数据 图 6 不同角度原生裂隙煤体的破坏情况 Fig. 6 Failures of coal mass with different primary fracture 远,影响越小。 3 结论 1） 气体准静压破坏煤体主要集中在某一煤体 强度薄弱的区域,对煤体强度较高的区域破坏得较 弱。 所以,在利用二氧化碳相变进行煤体致裂时,二 氧化碳相变后的压力要根据煤体的强度进行调整, 要高于煤体破坏的最低极限值。 同时,在有结构面、 节理、裂隙的煤体中应用二氧化碳相变进行致裂的 效果要优于完整煤体。 2） 原生裂隙会改变二氧化碳相变致裂煤体的 空间范围和煤体的破坏程度,原生裂隙与爆破钻孔 之间的夹角越小、距离越近,越明显。 3） 在利用二氧化碳相变进行煤体致裂时,二氧 化碳相变后的压力要根据煤体的强度进行调整,通 过实验确定压力最低极限值;在有裂隙的煤体中应 用二氧化碳相变进行致裂时,爆破钻孔要根据需要 调整与裂隙之间的角度。 参 考 文 献 [1] 杜泽生,范迎春,薛宇飞,等. 二氧化碳爆破采掘装备 及技术研究[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44（9）36-42. 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