超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研究

孙可明，辛利伟，吴 迪

(辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

为解决煤层渗透率普遍偏低的问题，已对提高煤层渗透性进行了长期探索和实践[1-4]。目前提高煤层渗透性的方法主要有开采解放层、水力压裂、水力割缝、深孔爆破等增透技术，但低渗透煤层的瓦斯抽采率仍偏低。发展安全、高效、环保的低渗透煤层增透技术迫在眉睫，超临界CO2气爆技术是一种安全高效的致裂增透技术。利用CO2爆破致裂技术提高煤层注水率解决煤矿安全问题的研究已取得显著成效[5]，Anon[6]介绍了CO2爆破筒的构成和工作原理等，并应用于土耳其部分煤矿以提高块煤率。目前中国煤矿应用高压气体爆破煤岩的实验和理论研究较少，主要集中在爆破增透煤层渗透性、爆破落煤、处理巷道三角区悬顶等方面的实验分析，煤炭科学研究总院在平顶山进行了CO2爆破筒地面实验。邵鹏等[7]、徐颖[8]分析了高压空气爆破采煤原理，并进行了实验验证。吴锦旗等[9]、周西华等[10]、赵立朋[11]进行了液态CO2预裂增透的工业性试验，取得了良好的效果。曾范永[12]、高坤[13]、陈静[14]、李守国[15]对高压气体爆破进行了实验和模拟研究，研究了高压气体冲击煤体前后煤层渗透率的变化规律，并得到气体压力分布规律。但煤岩在气爆冲击压力作用下的破坏机理依然不清，超临界CO2具有近似液体的密度、近似气体的黏度和100倍液体的扩散系数等固有属性，不能把炸药预裂爆破等化学爆破理论直接应用于超临界CO2气爆这种物理爆破，CO2气爆致裂技术的机理研究落后于实践。孙可明等[16]进行了大量超临界CO2气爆致裂煤体实验，并对超临界CO2气爆致裂规律进行研究，增透效果显著，爆破过程降温明显且不受瓦斯和粉尘影响，具有广泛的工业应用价值。

研究超临界CO2气爆煤体致裂机理对控制气爆范围、致裂效果和提高增透效果等提升超临界CO2气爆致裂技术应用水平有重要应用价值。本文中，利用自主研发的超临界CO2气爆装置，在多通道电液伺服相似材料试验台上，对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行超临界CO2气爆实验，用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息，并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行观测，分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征。

1 超临界CO2气爆实验

1.1 超临界CO2气爆实验系统

使用DGS-8-1000KN多通道微机控制电液伺服多功能相似材料模拟试验系统作为爆破模型的制作和加载平台，自主研发了超临界CO2爆破发生装置，主要包括：储液系统、增压系统、数字采集控制系统。超临界CO2爆破发生装置如图1所示。使用动态应变仪实时采集预埋应变传感器信号以监测气爆过程中监测点的应变变化信息，反映爆破过程中介质状态改变和受载规律，超临界CO2气爆实验现场如图2所示。

1.2 气爆模型的制作

考虑到超临界CO2气爆煤体致裂范围，选用大块原煤制作试件，实验煤样取自阜新海州矿，测得物理力学参数如表1所示，其中：E为弹性模量，σt为抗拉强度，σc为抗压强度，ρ为密度，μ为泊松比。由于原煤形状不规则，为便于固定和加载，使用混凝土将煤样浇筑成尺寸为1 m×1 m×0.5 m的试件，如图3所示。煤体中含有大量节理、裂隙等，其非均质性会导致动态数据的离散，为便于多试件、重复性实验的比较，增加超临界CO2气爆混凝土大试件的实验。混凝土采用粒径小于0.5 mm的石英砂为骨料，按照6∶1的体积比，掺适量水搅拌均匀，在多功能相似模拟试验台上浇筑试件。制作∅50 mm×100 mm的物理力学参数测试试件，相同条件下养护15天，所得试件的物理力学参数如表1所示。

表1 试件物理力学参数Table 1 Physical mechanics parameters of samples

为监测气爆过程中试件内部材料的受载过程，在模型浇筑过程中预埋多组应变传感器，传感器可测爆孔的环向和径向2个正交方向的应变，其响应频率大于200 kHz，传感器分布和爆破模型尺寸如图4所示。原煤试件是在预定位置钻取监测孔，用水泥将传感器封装在孔底以监测煤体内部应变变化，模型周边用槽钢施加固定约束。

1.3 实验过程

(1) 启动微机控制电液伺服系统，锁定多功能相似材料模拟试验台的可动边框。

(2) 将气爆头插入爆孔预定深度并固定，打开采集控制系统，用CO2冲洗出气路中的空气。

(3) 注入液态CO2并升温至预定温压条件，调试动态应变仪并开始采集，启动爆破。

(4) 爆破后使用高清工业窥镜观察和测量爆孔内部情况，统计并记录裂隙特征等信息。

为得到气爆时试件受到的冲击压力，将高频压力传感器固定于∅16 mm的钢管，安装在爆破喷嘴处并启动爆破。考虑到试件的强度和尺寸，为更好的体现致裂效果，选用22 MPa、35 ℃的超临界CO2，并测得该状态下气爆冲击压力时程曲线，如图5所示。在该爆破条件下超临界CO2从压力釜到爆破喷嘴的压力损失很小，试件受到的冲击压力峰值达19.8 MPa，远超试件的抗压强度，且超过试件抗压强度的压力持续时间较长。

2 实验结果分析

实验得到了超临界CO2气爆后不同试件的裂隙形貌分布，如图6所示。原煤和混凝土试件爆破前后爆破孔内的对比，如图7所示。

由图6～7可以看出，气爆孔及附近的材料发生了严重的破坏，形成错综复杂的裂隙群，气爆喷嘴附近的爆破孔直径明显增加，形成爆破空腔，由于煤体内存在大量弱面结构，气爆形成的裂隙群更加密集，混凝土试件因对CO2滤失小而泄压缓慢，相同气爆条件下形成的爆破空腔更大。粉碎区外的介质在气爆作用下发生开裂破坏，裂隙以爆破点为中心呈放射状分布，即气爆裂隙区，距离气爆孔更远区域的介质没有明显的破坏。

通过处理动态应变仪信号，得到了气爆过程中试件内监测点的应变变化，部分结果如图8所示。对比图8(a)～(d)发现原煤试件应变波形更为复杂，在同一方向距离爆孔位置不同的监测点应变波形重合度低(如图8(a)～(b)所示)，而混凝土试件中相应监测点的应变变化规律相对一致(如图8(c)～(d)所示)，原因是煤体内存有大量节理裂隙等非连续结构，气爆过程中应力波反射、叠加等作用致使监测点的应变变化复杂，混凝土试件材料相对均质，所以不同位置监测点的波形基本一致。

提取不同监测点的应变峰值得到应变峰值与距离气爆孔距离的关系曲线(如图8(e)所示)，应变峰值随测点到气爆孔距离的增加而降低，且降低的幅度逐渐减小，这是应力波的能量随传播距离的增加而衰减的结果。混凝土试件相同位置测点的应变峰值高于原煤试件，原因是煤体中存在大量节理裂隙等结构面，气爆时爆孔周围大量裂隙面开裂消耗较多能量，应力波遇到结构面时会发生反射使得能量进一步降低，产生的应变相应减小。

图8(a)～(d)是裂隙没有穿过监测点时各监测点应变变化时程曲线，可以得出气爆产生的应力波是压缩波，波阵面上的介质是受压的,取波阵面上的微元体，如图9所示，σr为压应力，波阵面上的质点向外振动使得波阵面半径增大，在环向方向产生拉应力，即σθ为拉应力。图8(f)是气爆混凝土试件产生的裂隙穿过应变监测点时，监测点处的应变时程曲线，可以看出在距离爆孔0.1和0.2 m处的传感器应变值已经超过10-2，实际数据已经到达监测系统断线值并且不再变化，即随着试件的开裂应变传感器已经断开，距离气爆孔0.1 m处的传感器数值从2.511×10-3降到-6.718×10-3后直接跳跃到7.608×10-2的断裂值，即气爆时爆孔周围介质在远超其抗压强度的冲击压力(如图5所示)作用下，产生应力波并向外传播，波前应力σr超过材料抗压强度，使得该测点发生压缩破坏，并形成粉碎区；由图8(a)～(d)可知，随着应力波的传播其能量迅速衰减，直至波前应力不足以将介质压碎，但煤和混凝土材料的抗拉强度都远小于抗压强度，所以裂隙在σθ的作用下得以继续扩展，直到拉应力小于材料抗拉强度；距离气爆孔0.3和0.4 m的传感器始终没有断开，都在0.003 7 s左右出现较大的压应变，对比图8(a)～(d)可以得出应力波在0.002 s内完全穿过监测区，即0.003 7 s出现的较大应变是球形波阵面到达产生的；之后分别在0.006和0.009 s附近出现峰值应变，这时拉应变峰值出现在压应变峰值之后且拉应变峰值大于压应变峰值，该过程是由高压CO2气体进入裂隙作用于裂隙面形成气楔，在裂隙尖端产生垂直于裂隙面的拉应力，促使裂隙的扩展，进而形成裂隙区。

图8(f)中随着与气爆孔距离的增加，相邻2个测点应变峰值的时间差依次增大，说明试件开裂的速度在径向方向随着开裂距离的增加而降低。统计相同爆破条件下(如图5所示)不同混凝土试件(如表1所示)相同距离处裂隙扩展的速度，得到裂隙扩展的平均速度与到气爆孔距离的关系曲线，如图10所示。从图中可以看出，裂纹扩展速度随到气爆孔距离的增加逐步降低，降低的速率先增大后减小，符合S曲线变化规律，其形式为：

(1)

式中：V为裂纹的扩展速度，Vh为裂纹的最高开裂速度，Vl为裂纹的最低开裂速度，D为裂纹距离气爆孔的距离，Db为粉碎区和裂隙区交界到气爆孔的距离，K为与材料性质等有关的系数。

气爆孔附近的煤岩是在冲击压力作用下发生的破坏，应力波传播速度快且作用时间短，致使介质开裂的速度大(图10中0.15 m之前)；应力波之后的高压CO2气体作用相对缓慢，使得裂隙的开裂速度大幅降低(图10中0.25 m之后)；距离爆孔0.15～0.25 m的区域为介质因受压形成的粉碎区和因受拉形成裂隙区的交界，即冲击波作用为主和气楔劈裂作用为主的过渡区，由于致裂原因的改变致使开裂速度发生突变。由开裂速度与致裂机理和破坏区域的对应关系，根据开裂速度可以判定介质的破坏形式和所属破坏区域，分界速度即D=Db时裂纹扩展速度，本文实验测得破坏区域分界速度为102.63 m/s。

3 结 论

(1) 通过超临界CO2气爆煤体致裂实验，得到了煤体及其混凝土材料试件气爆后的破坏形貌，由内而外分为粉碎区、裂隙区和未产生明显破坏的震动区。

(2) 气爆孔周围介质在超临界CO2冲击产生远超材料抗压强度的球面纵波作用下发生压缩性破坏，形成空腔或裂隙网，同时消耗大量能量，形成粉碎区；应力波在衰减后不足以产生压缩破坏，但由于脆性材料抗压不抗拉的特性，应力波产生的环向拉应力仍可以使介质产生径向裂隙，应力波过后高压CO2气体进入裂隙形成气楔，促使裂隙在拉应力的作用下进一步发育和扩展，随着能量的消耗扩展速度逐渐下降直至停止，形成裂隙区。

(3) 由于煤体内存在大量节理、裂隙等结构面，气爆冲击产生的应力波在结构面处发生反射和叠加，使得应力波变化复杂；相对于均质材料，应力波在煤体中传播消耗能量更多，对应距离的峰值更小；测点的峰值应变随距离气爆孔距离的增加而减小，煤体结构越复杂，应变峰值随距离增大而降低的速度越快。

(4) 裂隙在径向方向的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”型曲线衰减规律，气爆致裂速度与致裂机理和破坏区域有对应关系，即粉碎区裂隙扩展速度快且破坏形式是压破坏，裂隙区裂隙扩展速度慢且破坏形式是拉破坏，因此根据裂隙的开裂速度可以判定介质的破坏形式和所属破坏区域。

超临界CO2气爆压降小、作用时间长、无明火，并且有降温效果，用于煤岩的致裂增透有良好效果，应用前景较大，但煤岩赋存的地质环境一般较为复杂，超临界CO2气爆致裂煤体应用于实际工程还需要考虑载荷、煤岩性质等多种影响因素，需要更加全面深入的研究才能实现工业应用。

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