低渗煤层二氧化碳相变爆破裂隙—渗流演化规律

发布时间：2020-09-07 16:54

　　针对单一低渗高瓦斯煤层开采问题,采用二氧化碳相变爆破致裂增透方式,提升煤体渗透率,是实现该条件煤体安全开采的有效措施,在现场已得到广泛应用。但是,相变爆破产生冲击应力特性不同于传统炸药爆破,相关基础理论研究仍存在欠缺。为揭示二氧化碳相变爆破致裂机理及裂隙煤体增透渗流特征,开展以下研究:(1)分析了二氧化碳相变爆破起裂机理。通过对相变爆破过程中二氧化碳物理性质的分析,确定了相变爆破能量方程及体积压力等参数对其影响;分析了爆破孔在爆破冲击应力作用下受力特征及孔壁在应力波与卸载波作用下产生断裂机理。(2)揭示了二氧化碳相变爆破裂纹演化规律。采用数值模拟方法确定了相变爆破裂纹特征与随时间的扩展演化,相变爆破在煤体中形成多重裂隙和主裂隙,裂纹主要受相变爆破作用在钻孔周围产生拉应力作用。同时将炸药爆破、相变爆破和水压致裂等不同致裂方式引起的煤体损伤破坏特征采用分形方式进行对比。(3)研究了裂隙煤体增透瓦斯渗流特性。以相变爆破产生的裂隙煤体为基础,研究致裂后煤体增透及瓦斯渗透过程,煤体裂隙形成瓦斯流动的优势通道,煤体中的瓦斯向距离最近的裂隙中汇集,相变爆破煤体裂隙分布范围广,能够对整个煤体起到卸压增透作用。(4)检验了二氧化碳相变爆破致裂增透现场应用效果。高河能源E2307工作面采用相变爆破之后,在煤体中产生了多处裂隙,促进了瓦斯的解析与流动。压裂孔瓦斯抽采浓度由15%提高到了50%以上,煤体透气性系数提高了10~20倍以上,提高了瓦斯抽采效率,保障了矿井的安全生产。该论文有图55幅,表8个,参考文献131篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

瓦斯等级,矿井

.1 背景及研究意义（Background and Research Significance）我国能源赋存具有“富煤、贫油、少气”的特点，根据中华人民共和国自源部发布的《中国矿产资源报告》显示[1]，2000m 以浅，煤炭预测资源储量.88 万亿 t，资源查明率为 30.3%，其中查明储量为 15980.01 亿 t，且查明储量增长。这一地理赋存条件决定了煤炭在我国一次能源消费中的重要地位，在一段时间内，我国煤炭产量仍会维持较高水平。煤炭资源与瓦斯资源伴随而明的煤层气储量达到 1023 亿 m3，其中可采储量为 470 亿 m3，在 2000m 以瓦斯储量为 36.81 亿 m3，处于世界上第三，煤层气开发潜力巨大[2, 3]。其中气的赋存有明显的地域特征，煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井在我国广泛分目繁多，我国瓦斯矿井分布范围如图 1-1 所示[2, 4-6]。，突出矿井与高瓦斯矿全国范围内均有分布，主要分布在我国中东部及西南地区，如河南、山西、、云南、四川、贵州、湖南、重庆等省份的突出及高瓦斯矿井共计 2865 处全国总量的 87.2％。

爆破原理,二氧化碳,相变,储液

[96]，它由注液头、发热管、储液管、定压泄能片和排气头等部分组成。二氧化碳相变爆破原理如图2-2所示，利用充装设备将液态二氧化碳充进储液管内，当发热管通过电流时，发热管会加热储液管中的二氧化碳气体，随着温度增加，二氧化碳开始急剧汽化，其体积膨胀为原来的 660 多倍，储液管内的压力急剧增加，当压力超过定压泄能片的强度时，高压二氧化碳将泄能片破裂，并通过排气头喷出，高压气体直接作用在周围固体介质之中，使得介质产生破坏并侵入其裂隙中，产生更大范围的裂隙，并产生较小的震动和声音。爆破管在完成爆破任务时可以将其回收，再次完成二氧化碳充装与爆破的过程。依据爆破不同的参数

特性图,二氧化碳,特性

10图 2-4 不同状态二氧化碳特性Figure 2-4 Characteristics of carbon dioxide in different states当二氧化碳温度与压力不断增加时，二氧化碳会逐渐演化为超临界状态，二氧化碳变化实际演示图像如图 2-5 所示，刚开始时，二氧化碳为气液共存状态，由于气体密度较液体密度高，在两种类型中间产生明显的分界线，随着温度与压力的增大，气液分界线逐渐模糊，最终形成超临界二氧化碳。二氧化碳爆破管内刚开始充装二氧化碳时，由于充装含量较小，二氧化碳以气体的形式存在与爆破管内，随着充装量的不断增加，爆破管内二氧化碳开始液化为液态二氧化碳，二氧化碳以气液共存的状态存在，随着充装过程的不断持续，二氧化碳液态占据主要部分。当激发爆破管内的发热管时，二氧化碳温度不断增加，分子运动不断加剧，由于爆破管内的体积处于恒定状态，二氧化碳压力也不断增加，从而使二氧化碳转变为超临界状态，当爆破管内的压力大于定压泄能片额定压力时，泄能片

【参考文献】