单位文秘网 2021-07-23 08:11:19 点击: 次
摘要:为提高西山矿区煤层透气性,缩短瓦斯抽采达标时间,分析了煤层顺层孔CO2预裂增透技术可行性,模拟了CO2预裂增透半径。研究结果表明:CO2爆生气体计算压力大于围岩作用下煤体强度,CO2爆破煤层增透具备技术可行性;数值模拟显示,经过CO2预裂爆破后,预裂效果最好的是屯兰矿2#煤,煤层裂隙半径4.20m,其次是屯兰矿8#煤,煤层裂隙半径3.90m,再次是马兰矿8#煤,煤层裂隙半径3.45m,最后是东曲矿8#煤,煤层裂隙半径3.30m;现场试验表明,东曲矿8#煤爆破孔间距按6.5m布置,压裂区平均单孔抽采纯流量是未压裂区的3.2倍。
关键词:低透气性煤层;瓦斯抽采;二氧化碳爆破;西山矿区
中图分类号:TD712.6 文献标志码:A文章编号:1672-1098(2017)04-0054-05
Abstract:In order to improve permeability of coal seam in Xishan mining area , shorten gas drainage standards time the feasibility of CO2 blasting pre splitting technology in coal seam was analysed; and the CO2 pre crack penetration radius was simulated. The results show that the CO2 detonation pressure was greater than the strength of coal within the surrounding rock, and coal seam permeability could be feasibly increased by using CO2 blasting; simulations show that pre splitting effect of Tunlan 2# coal was the best, with fissured circle radius 4.20m, Tunlan 8# coal pre splitting radius 3.90m, and Malan 8# coal pre splitting radius 3.45m, Dongqu 8# coal pre splitting radius 3.30m; field test shows the average flow rate of single hole drainage in fractured zone was 3.2 times of that of non-fractured zone when the blasting holes of Dongqu 8# coal was placed at intervals of 6.5m.
Key words:low permeability coal seam; gas drainage; CO2 blasting; Xishan coal-mining area
西山礦区开采的2#、8#煤层,由于其煤层透气性差,属于较难抽采煤层,要消除采掘工作面前方区域的突出危险性需要进行大量的瓦斯抽采钻孔施工,且抽采时间较长,严重影响到采掘工作面作业进度。提高低透气性煤层的瓦斯抽采效果一直是西山矿区高瓦斯、突出矿井瓦斯抽采工作中难以解决的问题,为此采取了各种增加煤层透气性的方法,例如水力压裂、水力冲孔、深孔爆破等。但由于工艺复杂、设备庞大、安全性不够、不利于在采掘工作面狭小的空间采用等因素,使用效果不理想[1]。因此,探索适合矿掘进工作面瓦斯抽采增透技术,在保证安全的条件下采取措施增大煤层的透气性,提高煤层瓦斯钻孔抽采量,是西山矿区高瓦斯、突出矿井安全生产必须解决的问题。
文献[2]分析了气相压裂工艺在石门揭煤作业中的可行性;文献[3]研究了液态CO2具体爆破过程、爆破裂隙扩展规律;文献[4]研究了低渗透煤层注超临界CO2增透煤层裂隙发育宏、微观演化规律;文献[5-7]开展了高压爆生气体应力波致裂煤岩体机理研究;文献[8]研究了液态CO2相变致裂煤层增透布孔方式;一般认为CO2预裂爆破强化抽采具有水力化措施、炸药深孔爆破等不具备的诸多优点,对于改善低渗透煤层透气性具有良好作用[9-11]。综上,利用CO2相变产生高压气体致裂煤岩体已取得一些基本认识,但开展工业试验较少。有必要针对西山矿区松软低透气性煤层群开采条件,开展CO2预裂爆破强化抽采试验,以找到更加安全、经济及高效的煤层增透方法。
本文从理论上分析了液态CO2相变瞬间气体最大压力,并与煤体强度进行了对比。数值模拟了爆生气体应力波传播过程中煤体剪应力、声发射演化过程。在此基础上进行高压气体爆破增透参数设计,结合工程实例进行分析,以为煤层增透工程提供参考。
1.1爆破器材
液态CO2爆破器实物和组成结构如图1所示,爆破器具体技术参数如表1所示。
1.2液态CO2相变压力
计算爆生气体压力为122MPa,煤体在5~25MPa围压下,抗压强度在48~97MPa 之间,因此,可以使用上述二氧化碳爆破器进行煤层爆破增透试验。
二氧化碳预裂爆破对周围岩石施加的载荷属动态载荷。RFPA2D-Dynamic以线性有限元和弹性统计损伤理论为建模基础,能够进行岩石类脆性材料的动态破坏过程的数值模拟[12-13]。通过对钻孔内二氧化碳预裂爆破过程的模拟,得出相关爆破技术参数,预计爆破增透效果,可以更好指导开展现场试验[14-15]。
2.1数值模拟参数
所建模型为平面应变模型,钻孔尺寸:长度200m,直径113mm;动载荷施加长度:自封孔段(10m)里端向里20m;动态荷载施加:150Mpa的三角波,时间步长0.1ms,加载步1000步。煤体物理力学参数如表2所示。
2.2爆破致裂过程分析
1) 爆破过程煤体剪应力
以屯兰矿8#煤数值模拟结果为例,分析二氧化碳预裂爆破过程中的煤体应力、声发射演化规律和破坏过程,屯兰矿8#煤二氧化碳预裂爆破钻孔轴向剖面不同时间节点剪切应力演化过程如图2所示。
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