曾范永，曾祥俊，劉 擎

(1.江蘇建筑職業(yè)技術學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

煤層甲烷是一種新型潔凈能源，其開發(fā)利用不僅可彌補常規(guī)能源的不足，對改善煤礦生產(chǎn)安全和保護大氣環(huán)境也有重要意義[1]。煤層甲烷主要以吸附狀態(tài)賦存于煤基塊的微孔隙中，在一定壓力下處于動平衡狀態(tài)，其產(chǎn)出機理遵循“解吸—擴散—滲流”的過程，即：從煤基塊孔隙表面解吸，通過基塊和微孔隙擴散到裂隙中，以達西流方式經(jīng)裂隙流向井筒的一個過程，當儲層壓力降低，被吸附的甲烷分子就從煤的內表面脫離，解吸出來進入游離狀態(tài)[1-2]。目前大部分煤礦采掘過程中瓦斯和火焰是并存的，采取的主要預防措施就是把火焰和瓦斯隔離。高壓氣體爆破是一種無炸藥爆破，同時也是一種新型煤層卸壓增透技術，即利用高壓氣體瞬間爆破產(chǎn)生的高壓氣體和沖擊波沖擊煤層，使原始煤層產(chǎn)生裂隙并卸壓，一方面為煤層瓦斯的涌出提供通道，另一方面可以降低煤層的應力，使吸附的瓦斯氣體解析出來，從而為瓦斯抽采提供良好的保證[2-3]。

1 模擬煤層高壓氣體爆破增透實驗

1.1 實驗概述

為了進一步研究高壓氣體爆破對煤層的影響情況，結合已有高壓氣體爆破試驗系統(tǒng)(主要由CZ-0.41/200型高壓氣體壓縮機、高壓氣體管路及密封系統(tǒng)、高壓氣包、操作臺和爆破筒等組成)，該試驗系統(tǒng)可實現(xiàn)0～21MPa范圍內氣體壓力的控制[4-5]。

實驗中，以粉煤灰代替砂子來鋪設煤層。 實驗選用的材料包括骨料、膠料及緩凝劑。其中骨料包括砂， 云母， 粉煤灰；膠料包括石灰，石膏；緩凝劑包括硼砂[6-7]。相似材料的力學性能參數(shù)如表1所示。通過撕擰螺栓給模擬煤層施加圍壓，通過配重施加軸壓，能滿足試驗的要求，模擬煤層試件的尺寸為2.3m×2m×1.5m，起爆孔直徑為20mm，導向孔的直徑為12mm。有導向孔的情況下，在起爆孔兩側布置導向孔，如圖1所示。

表1 相似材料的力學性能參數(shù)

圖1 模擬煤層高壓氣體爆破布孔示意

1.2 實驗方案及過程

方案一：在無導向孔的情況下進行單點和多點高壓氣體爆破實驗。

方案二：在起爆孔兩側設置不對稱的導向孔，然后進行單點起爆和多點起爆。

方案三：無導向孔情況下，選取孔深為0.3，0.5，0.8以及1.0m進行高壓氣體爆破實驗。

實驗過程：采用無導向孔狀態(tài)下進行單點和多點高壓氣體爆破試驗，試驗后精確測量裂縫情況及裂隙長度，記錄數(shù)據(jù)。重新制作模擬煤層，進行有導向孔的單點和多點高壓氣體爆破試驗，試驗后精確測量裂縫情況及裂隙長度，記錄數(shù)據(jù)。在無導向孔的情況下，通過調整起爆點的深度，觀察高壓氣體爆破的裂隙情況，結合煤體實驗結論，進而總結出合理的高壓氣體爆破方案[8-12]。

1.3 實驗結果及分析

相似模擬實驗結果如表2所示。根據(jù)實驗結果可知：起爆點的位置、單點起爆或是多點起爆以及有無導向孔等因素是影響煤層增透效果的重要因素；當起爆點的位置選在整個煤層的中上部時效果最好；多點起爆比單點起爆產(chǎn)生的裂隙更多，延伸得更遠；在導向孔的作用下，裂縫沿著導向孔方向不斷延伸擴展，并且將導向孔貫通，使煤體產(chǎn)生相互貫通的裂縫，為煤層內瓦斯的運移提供了良好的通道。

2 數(shù)值模擬

根據(jù)模擬煤層的實際特點，建立相應的二維模擬模型，模型大小定為 12m×12m。模型通過有限元離散求解共劃分得到1250個基本單元，具體如圖2所示。根據(jù)非均等的積數(shù)步長不斷增大，初始值選取0.5s，終止值選取1800s。

表2 模擬試驗結果

圖2 網(wǎng)格的劃分

通過模擬結果的云圖來分析高壓氣體瞬間沖擊到不同地應力的煤層上，煤層內部應力的變化情況和分布情況。

以地應力為25MPa為例，進行高壓氣體單點和多點起爆沖擊煤層的數(shù)值模擬，觀察分析在40MPa和80MPa壓力作用下對煤層中氣體壓力分布的影響，模擬結果如圖3和圖4所示。

圖3 40MPa沖擊煤層時氣體壓力場分布

圖4 80MPa沖擊煤層時氣體壓力場分布

地應力為35MPa，在高壓氣體壓力為60MPa和80MPa時，采用多點起爆的方法連續(xù)使高壓氣體瞬間沖擊到煤層上，觀察高壓氣體作用于煤層時應力分布變化情況，具體如圖5所示。

圖5 不同壓力沖擊煤層時氣體壓力場分布

由數(shù)值模擬結果可知：

(1)煤層內應力分布以沖擊壓力的大小為基礎，隨著高壓氣體爆破沖擊壓力的增加，煤層內部受影響的范圍增大，并且煤層內部產(chǎn)生裂隙的范圍也在不斷地增加。

(2)高壓氣體爆破的起爆點距離自由面越近，對煤層影響越大，煤層內部應力變化越大，這也正好說明了高壓氣體爆破對煤層的影響效果越好。

(3)條件相同情況下，高壓氣體多點起爆對煤層的影響效果優(yōu)于單點起爆對煤層的影響效果，多點起爆能夠很好地達到煤層增透的效果。

(4)通過分析圖5可以得到，高壓氣體起爆時的壓力越大，煤層內部的應力變化也越發(fā)明顯，煤層內部滲透性增加顯著。隨著高壓氣體的起爆壓力不斷增加，高壓氣體作用在煤層上的應力值也有相應的變化，越靠近自由面，煤層內部增透效果越明顯，與實驗結論完全吻合。

為了進一步研究地應力對高壓氣體爆破效果的影響，將相應的數(shù)據(jù)輸入到Origin繪圖軟件，繪制高壓氣體在40MPa及80MPa高壓作用下，多點連續(xù)沖擊地應力在30MPa及20MPa的煤層，得到如圖6和圖7所示的對比曲線圖。

圖6 不同地應力下，高壓氣體40MPa時應力曲線對比

圖7 不同地應力下，高壓氣體80MPa時應力曲線對比

由圖6和圖7可知：地應力是影響應力分布的重要因素，地應力在距離地表附近與煤層內的地應力差不多，地應力對煤層影響不大；超過一定深度，隨著煤層深度的增加，地應力也不斷增大，對煤層的影響也在不斷加大，故對煤層內瓦斯的滲流也有很大的影響。所以把煤層內瓦斯順利地采集出來，需要采取相應的手段給煤層卸壓，使煤層內部產(chǎn)生多條裂隙，既給煤層卸壓，又可以給瓦斯流動提供通道，煤層內部的瓦斯可以順利從煤層內流出來。

3 結 論

通過相似模擬和數(shù)值模擬煤層爆破實驗，分析實驗結果得到如下結論：

(1)起爆點的位置、單點起爆或是多點起爆以及有無導向孔等因素是影響高壓氣體爆破沖擊煤層卸壓效果的重要因素。

(2)高壓氣體爆破方法對煤層的增透效果顯著，特別是在有導向孔的情況下進行高壓氣體爆破實驗，煤層內部產(chǎn)生大量裂縫，裂縫沿著導向孔方向不斷延伸擴展，并且將導向孔貫通，使煤層產(chǎn)生相互貫通的裂縫，煤層增透效果更加明顯。

(3)高壓氣體爆破孔的深度離地面較淺的范圍增透效果最好，隨著爆破孔深度的增加，由于受地應力的影響需要增大起爆壓力才能使煤層滲透率增加得更加明顯。

(4)多點起爆比單點起爆產(chǎn)生的裂隙更多，延伸得更遠，增透效果更好。

(5)地應力大小是影響高壓氣體爆破增透效果的重要因素，隨著地應力的增加，煤層的滲透率增加量相應地減小，并近似呈線性變化。

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