曾范永，曾祥俊，刘 擎

(1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008)

煤层甲烷是一种新型洁净能源，其开发利用不仅可弥补常规能源的不足，对改善煤矿生产安全和保护大气环境也有重要意义[1]。煤层甲烷主要以吸附状态赋存于煤基块的微孔隙中，在一定压力下处于动平衡状态，其产出机理遵循“解吸—扩散—渗流”的过程，即：从煤基块孔隙表面解吸，通过基块和微孔隙扩散到裂隙中，以达西流方式经裂隙流向井筒的一个过程，当储层压力降低，被吸附的甲烷分子就从煤的内表面脱离，解吸出来进入游离状态[1-2]。目前大部分煤矿采掘过程中瓦斯和火焰是并存的，采取的主要预防措施就是把火焰和瓦斯隔离。高压气体爆破是一种无炸药爆破，同时也是一种新型煤层卸压增透技术，即利用高压气体瞬间爆破产生的高压气体和冲击波冲击煤层，使原始煤层产生裂隙并卸压，一方面为煤层瓦斯的涌出提供通道，另一方面可以降低煤层的应力，使吸附的瓦斯气体解析出来，从而为瓦斯抽采提供良好的保证[2-3]。

1 模拟煤层高压气体爆破增透实验

1.1 实验概述

为了进一步研究高压气体爆破对煤层的影响情况，结合已有高压气体爆破试验系统(主要由CZ-0.41/200型高压气体压缩机、高压气体管路及密封系统、高压气包、操作台和爆破筒等组成)，该试验系统可实现0～21MPa范围内气体压力的控制[4-5]。

实验中，以粉煤灰代替砂子来铺设煤层。 实验选用的材料包括骨料、胶料及缓凝剂。其中骨料包括砂， 云母， 粉煤灰；胶料包括石灰，石膏；缓凝剂包括硼砂[6-7]。相似材料的力学性能参数如表1所示。通过撕拧螺栓给模拟煤层施加围压，通过配重施加轴压，能满足试验的要求，模拟煤层试件的尺寸为2.3m×2m×1.5m，起爆孔直径为20mm，导向孔的直径为12mm。有导向孔的情况下，在起爆孔两侧布置导向孔，如图1所示。

表1 相似材料的力学性能参数

图1 模拟煤层高压气体爆破布孔示意

1.2 实验方案及过程

方案一：在无导向孔的情况下进行单点和多点高压气体爆破实验。

方案二：在起爆孔两侧设置不对称的导向孔，然后进行单点起爆和多点起爆。

方案三：无导向孔情况下，选取孔深为0.3，0.5，0.8以及1.0m进行高压气体爆破实验。

实验过程：采用无导向孔状态下进行单点和多点高压气体爆破试验，试验后精确测量裂缝情况及裂隙长度，记录数据。重新制作模拟煤层，进行有导向孔的单点和多点高压气体爆破试验，试验后精确测量裂缝情况及裂隙长度，记录数据。在无导向孔的情况下，通过调整起爆点的深度，观察高压气体爆破的裂隙情况，结合煤体实验结论，进而总结出合理的高压气体爆破方案[8-12]。

1.3 实验结果及分析

相似模拟实验结果如表2所示。根据实验结果可知：起爆点的位置、单点起爆或是多点起爆以及有无导向孔等因素是影响煤层增透效果的重要因素；当起爆点的位置选在整个煤层的中上部时效果最好；多点起爆比单点起爆产生的裂隙更多，延伸得更远；在导向孔的作用下，裂缝沿着导向孔方向不断延伸扩展，并且将导向孔贯通，使煤体产生相互贯通的裂缝，为煤层内瓦斯的运移提供了良好的通道。

2 数值模拟

根据模拟煤层的实际特点，建立相应的二维模拟模型，模型大小定为 12m×12m。模型通过有限元离散求解共划分得到1250个基本单元，具体如图2所示。根据非均等的积数步长不断增大，初始值选取0.5s，终止值选取1800s。

表2 模拟试验结果

图2 网格的划分

通过模拟结果的云图来分析高压气体瞬间冲击到不同地应力的煤层上，煤层内部应力的变化情况和分布情况。

以地应力为25MPa为例，进行高压气体单点和多点起爆冲击煤层的数值模拟，观察分析在40MPa和80MPa压力作用下对煤层中气体压力分布的影响，模拟结果如图3和图4所示。

图3 40MPa冲击煤层时气体压力场分布

图4 80MPa冲击煤层时气体压力场分布

地应力为35MPa，在高压气体压力为60MPa和80MPa时，采用多点起爆的方法连续使高压气体瞬间冲击到煤层上，观察高压气体作用于煤层时应力分布变化情况，具体如图5所示。

图5 不同压力冲击煤层时气体压力场分布

由数值模拟结果可知：

(1)煤层内应力分布以冲击压力的大小为基础，随着高压气体爆破冲击压力的增加，煤层内部受影响的范围增大，并且煤层内部产生裂隙的范围也在不断地增加。

(2)高压气体爆破的起爆点距离自由面越近，对煤层影响越大，煤层内部应力变化越大，这也正好说明了高压气体爆破对煤层的影响效果越好。

(3)条件相同情况下，高压气体多点起爆对煤层的影响效果优于单点起爆对煤层的影响效果，多点起爆能够很好地达到煤层增透的效果。

(4)通过分析图5可以得到，高压气体起爆时的压力越大，煤层内部的应力变化也越发明显，煤层内部渗透性增加显著。随着高压气体的起爆压力不断增加，高压气体作用在煤层上的应力值也有相应的变化，越靠近自由面，煤层内部增透效果越明显，与实验结论完全吻合。

为了进一步研究地应力对高压气体爆破效果的影响，将相应的数据输入到Origin绘图软件，绘制高压气体在40MPa及80MPa高压作用下，多点连续冲击地应力在30MPa及20MPa的煤层，得到如图6和图7所示的对比曲线图。

图6 不同地应力下，高压气体40MPa时应力曲线对比

图7 不同地应力下，高压气体80MPa时应力曲线对比

由图6和图7可知：地应力是影响应力分布的重要因素，地应力在距离地表附近与煤层内的地应力差不多，地应力对煤层影响不大；超过一定深度，随着煤层深度的增加，地应力也不断增大，对煤层的影响也在不断加大，故对煤层内瓦斯的渗流也有很大的影响。所以把煤层内瓦斯顺利地采集出来，需要采取相应的手段给煤层卸压，使煤层内部产生多条裂隙，既给煤层卸压，又可以给瓦斯流动提供通道，煤层内部的瓦斯可以顺利从煤层内流出来。

3 结 论

通过相似模拟和数值模拟煤层爆破实验，分析实验结果得到如下结论：

(1)起爆点的位置、单点起爆或是多点起爆以及有无导向孔等因素是影响高压气体爆破冲击煤层卸压效果的重要因素。

(2)高压气体爆破方法对煤层的增透效果显著，特别是在有导向孔的情况下进行高压气体爆破实验，煤层内部产生大量裂缝，裂缝沿着导向孔方向不断延伸扩展，并且将导向孔贯通，使煤层产生相互贯通的裂缝，煤层增透效果更加明显。

(3)高压气体爆破孔的深度离地面较浅的范围增透效果最好，随着爆破孔深度的增加，由于受地应力的影响需要增大起爆压力才能使煤层渗透率增加得更加明显。

(4)多点起爆比单点起爆产生的裂隙更多，延伸得更远，增透效果更好。

(5)地应力大小是影响高压气体爆破增透效果的重要因素，随着地应力的增加，煤层的渗透率增加量相应地减小，并近似呈线性变化。

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