CO2致裂增透机理及影响因素模拟分析

张兵兵 崔晓荣 陈晶晶

(宏大爆破有限公司，广东省广州市，510000)

CO2致裂增透技术源于国外，最早用于大型水库、堤坝附近的爆破工作，可适用于易燃、可燃材料的处理，且不属于传统的爆破范畴，应用范围较广。近年来国内很多学者逐渐认识到了CO2致裂增透技术的优越性，通过改进技术和致裂装置的不断更新升级，将这项致裂增透技术引入到了煤炭开采领域。该技术具备安全可靠的特点，适用于低透气性煤层，可有效地增加裂隙扩展范围，从而提高煤体的透气性。

孙可明等模拟分析了不同爆生气体压力作用下的CO2致裂过程，认为致裂产生的裂隙扩展范围与超临界CO2爆生气体压力有关；曹运兴在潞安矿区的5所煤矿进行了CO2致裂增透的现场试验，认为煤层受致裂钻孔的影响，产生了一个复杂且具有高渗透性的裂缝网络，对于提高瓦斯抽采效率作用效果良好；王兆丰在河南九里山煤矿进行了液态CO2相变致裂试验，致裂后各项评价指标较致裂前都有了很大提高，增透效果显著；郭爱军等在寺家庄某进风巷进行了瓦斯钻孔施工及CO2致裂孔布置试验，试验表明：致裂孔周边位置瓦斯浓度较低，瓦斯抽采效果好，形成了以致裂孔为中心的内侧瓦斯浓度降低区和外侧瓦斯浓度升高区。

综上所述，CO2致裂增透技术应用在低透气性煤层中，加速了煤层原生裂隙的扩展发育。但对于CO2致裂增透技术的影响因素方面，相关的研究资料较少，尤其是地应力与煤体普氏系数的影响。因此，开展地应力及煤体普氏系数与CO2致裂增透效果的数值模拟研究有着一定的研究意义。

1 CO2致裂增透机理

煤层卸压可采用爆破的方式进行处理，而爆破可分为物理爆破与化学爆破。传统的化学爆破主要为炸药爆破，其利用炸药在介质中产生强大的冲击波来实现破碎煤岩体的目的。但在一些特殊区域如高瓦斯煤层，炸药爆破则不能适用，故需要一种更为有效的卸压方式。而新型的CO2致裂增透技术属于物理爆破的一种，具有安全可靠的特性，不会在煤层中产生火花及引起煤层瓦斯爆炸，可较好地达到卸压增透的效果。

在高压状态，气态的CO2可转化为液态，可利用特有的致裂管装置进行储存。受外界引爆装置的影响，在受热状态下，液态的CO2迅速向气态转化，体积迅速膨胀，巨大的能量在有限的致裂管中沿着释放孔向煤层中急剧释放，可在一定程度上破坏煤体的原生结构，形成一定区域的裂隙扩展区，使得部分裂隙形成相互贯通，进而达到致裂的效果。由于CO2致裂的压力小于炸药的破坏能力，且致裂压力可通过调节致裂管实现，处于可控范围，不会破坏煤体的主体结构。液态CO2引爆后，会在致裂钻孔周围产生不同区域，如图1所示。

1—钻孔；2—破碎区；3—裂隙区；4—震动区图1 致裂形成的区域

裂隙区的范围越大，致裂的效果越好。但裂隙的扩展不仅受到致裂压力的影响，同时还要受到地应力与煤层普氏系数的制约，因此，有必要开展地应力与煤层普氏系数对CO2致裂效果影响规律的研究。

2 应力对煤层裂隙的影响

2.1 应力与煤体渗透能力的关系

CO2致裂增透效果受应力的影响较大，而煤层的应力又与煤层埋深密切相关。当煤层埋深较大时，相对于浅埋煤层而言，煤体的渗透能力下降幅度较大。当保持煤层瓦斯压力不变时，应力与煤体渗透率存在一定的联系，即垂直应力越高，煤体的渗透能力越低。随着应力的增加，煤层将呈现难以渗透的趋势。故应力的存在，一定程度上阻碍了煤层裂隙的进一步扩展。

2.2 应力对煤层裂隙扩展的力学分析

应力越高，导致煤体透气性能力越低，进而影响到煤层裂隙的扩展发育程度。故对应力与煤层裂隙扩展二者之间的关系进行力学分析有着一定的意义。由于煤层受围岩压力的不断影响，故可建立如图2所示的煤层裂隙扩展模型，分析煤体裂隙扩展与应力之间的关系。

图2 煤体裂隙扩展模型

简化后，在应力作用下I、II型裂纹的应力强度因子满足：

(1)

K——侧压系数；

β——裂隙与垂直应力的夹角，(°)；

KI、KII——应力作用下裂纹的I型和II型应力强度因子，MPa·m1/2；

a——裂隙长度的一半，m。

由式(1)可以得出，随着应力的增加，对应的应力强度因子呈现不断减小的趋势，阻碍了致裂产生的裂隙进一步扩展发育。故如何有效地降低煤层地应力大小，对煤层进行卸压处理，是必须要解决的一项工作。

3 CO2致裂增透效果数值模拟分析

3.1 数值模型的建立

某煤矿胶带下山煤层巷道埋深为400 m，煤层平均煤厚为6.05 m，煤层倾角仅为3°，可认为是近水平煤层。致裂孔直径选取94 mm，处于计算域中心，且单个CO2致裂器长度为1.5 m，装入液态CO2质量为1.5 kg。采用FLAC3D模拟软件建立煤层液态CO2爆破动力有限差分数值模型时，计算域为10 m×10 m×5 m，采用模型参数转化后的Mohr-Coulomb准则，先施加应力，对CO2致裂孔进行静力计算，此时的边界条件为固定模型四周及底部。再对致裂裂隙扩展进行动力计算，此时的边界条件为模型四周和底部为粘弹性自由边界场。煤层的相关力学参数：密度为2500 g/cm3，弹性模量为622 MPa，泊松比为0.25，内聚力为2.25 MPa，内摩擦角为47°，抗压强度σc为4.57 MPa，抗拉强度σt为0.48 MPa。对应的CO2致裂模型如图3所示。

图3 CO2致裂增透模型

3.2 数值模拟方案

(1)模拟垂直应力分别为10 MPa、20 MPa、30 MPa以及水平侧压系数分别为0.5、1、1.5、2对CO2致裂增透效果的影响。分析钻孔周边围岩塑性区范围的变化，得出应力与致裂半径对应的关系。

(2)模拟煤体普氏系数分别为0.1、0.3、0.5、0.7时，对CO2致裂增透效果的影响。分析钻孔周边围岩塑性区范围的变化，得出煤体普氏系数与致裂半径对应的关系。

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 不考虑水平应力的影响

不同垂直应力对致裂效果的影响规律如图4所示。致裂半径随垂直应力的变化曲线如图5所示。

图4 垂直应力对致裂效果的影响规律

由图5可知，单致裂孔作用下，当应力为10 MPa时，CO2致裂半径可达1.1 m；且随着地应力增加，致裂半径范围逐渐减少，表明垂直应力对煤层致裂增透效果的阻碍作用增强，一定程度上验证了理论分析的正确性；垂直应力分别为10 MPa、20 MPa、30 MPa时对应的致裂半径分别为1.1 m、0.7 m、0.65 m。另外，随着应力的增加，致裂半径减小幅度逐渐降低。通过对塑性区变化情况的分析，可得致裂影响区域随垂直应力的增加逐渐减小。

图5 致裂半径随垂直应力的变化曲线

3.3.2 考虑水平应力的影响

在煤层实际赋存中，煤层不仅受垂直应力的影

响，同时还受水平应力的作用，因此研究不同水平侧压系数对致裂半径的影响，更切合实际情况。由于巷道埋深约为400 m，固定地应力为10 MPa，分析不同的水平侧压系数，即λx=λy=0.5、1.0、1.5、2.0时，致裂半径随水平应力的变化关系。水平侧压系数对致裂效果的影响规律如图6所示。

致裂半径随水平侧压系数的变化曲线如图7所示。由图7可以看出，随着水平侧压系数λx的增加，即煤层水平应力的增加，侧压系数为0.5时对应的裂隙区范围为1.2 m，当侧压系数增加至2.0时裂隙区的范围为1.7 m，表明侧压系数的增加，有利于水平方向裂隙的扩展发育，但当水平侧压系数大于2时，曲线趋于平缓，即裂隙半径逐渐趋于稳定。水平侧压系数为0.5、1、1.5、2时，对应的致裂半径分别为0.6 m、0.82 m、0.85 m、0.85 m。

图6 水平侧压系数对致裂效果的影响规律

3.3.3 煤体普氏系数的影响

煤体是一个复杂结构，煤层自身赋存状态的不同，导致原始裂隙发育程度也不相同。为了研究煤层自身属性对致裂效果的影响，分析了不同煤体普氏系数对致裂效果的影响，主要观察对应的塑性区变化情况，模拟结果有助于更好解释不同煤体自身赋存状态对致裂半径的影响。普氏系数对致裂效果的影响规律如图8所示。

图7 致裂半径随水平侧压系数的变化曲线

致裂半径随普氏系数的变化曲线如图9所示。由图9可以看出，随着煤体普氏系数的增加，煤层塑性区的范围呈现增加的趋势；当煤体硬度较小时，裂隙扩展范围也较小，究其原因在于，煤体松软时原生裂隙发育程度较高，CO2致裂产生的冲击波和爆生气体压力峰值较低，冲击波衰减速率快，产生的裂隙区影响区域小；若煤体硬度增加时，煤体受致裂的影响范围越大，裂隙扩展程度扩大，但随着普氏系数的增加，致裂影响半径的增加幅度呈缓慢增加的趋势；普氏系数增至一定程度后，致裂半径影响范围将趋于稳定不变。煤体普氏系数分别为0.1、0.3、0.5、0.7时对应的致裂半径分别为0.9 m、0.92 m、1.0 m、1.1 m。

图8 普氏系数对致裂效果的影响规律

4 结论

(1)分析了CO2致裂增透技术的优点及作用机理，研究了应力与煤层透气性的关系，建立了地应力与煤层裂隙扩展相互作用力学模型，得出垂直应力的存在阻碍了煤层裂隙的进一步扩展发育，需要进行有效的卸压处理。

图9 致裂半径随普氏系数的变化曲线

(2)建立了CO2致裂增透的数值模拟模型，给出了数值模拟方案。并对不同地应力作用下的塑性区、致裂半径的变化情况进行了分析。得出随着垂直应力增加，煤层裂隙的扩展范围不断减小，而水平应力越大，越有利于水平裂隙的扩展。当应力大到一定程度时，致裂半径随应力的变化趋于平缓。

(3)采用数值模拟的方法分析了煤体普氏系数对CO2致裂增透的影响规律，随着煤体普氏系数的增加，煤层塑性区的范围呈现增加的趋势。普氏系数增至一定程度后，致裂半径影响范围将趋于稳定不变。