05-高压气体爆破对模拟煤层渗透性影响的规律研究

2018年2月煤矿开采

COALMININGTECHNOLOGY

Vol.23No.1（SeriesNo.140）

February

2018

高压气体爆破对模拟煤层渗透性影响的规律研究

1，21

曾范永，曾祥俊，刘

擎

1

（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）

［摘要］为了明确高压气体爆破对模拟煤层渗透性的影响，根据实际煤层的特点，利用所研

发的高压气体爆破装置进行模拟煤层的高压气体爆破实验，并进行了相关的数值模拟，进而进一步验证实验的相关结论。通过实验得到：起爆点的位置选在整个煤层的中上部增透效果最好；同时多点起爆比单点起爆产生的裂隙更多，延伸的更远；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。

［关键词］

高压气体爆破；渗透性；围压；孔隙压力

［文献标识码］A

［6225（2018）01-0078-03文章编号］1006-［中图分类号］TD712.6

StudyInfluenceHighPressureGasBlastingtoSimulatedCoalSeamPermeability

2

ZENGFan-yong1，，ZENGXiang-jun1，LIUQing1

（1.JiangsuVocationalInstituteofArchitecturalTechnology，Xuzhou221116，China；2.StateKeyLaboratoryforGeomechanics＆

DeepUndergroundEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China）

Abstract：Inordertostudyinfluencehighpressuregasblastingtosimulatedcoalseampermeability，accordingactualcoalseamchar-acters，thehighpressuregasblastingtestofsimulatedcoalseamwasproceededbyhighpressuregasblastingequipment，andthenrel-evantnumericalsimulationwasalsodone，andtherelevantconcludesofexperimentwasverifiedmore.Accordingexperiments，thein-tensifierpermeabilitywasthebestastheblastingpositionlocatedmiddle-upperpartoftotalcoalseam，fracturesappearedmoreduringmorelocationblastingthansinglepointblasting，extendmore，underguidingholeeffect，fractureextendingalongguidingholedirec-tion，andthenguidingholewouldbecut-through，andcut-throughfractureswouldappearedincoalseam，itprovedfavourablechan-nelforgasmigration.

Keywords：highpressuregasblasting；permeability；confiningpressure；porepressure

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］

保证11.1

［2－3］

。

。煤层甲烷主要以

模拟煤层高压气体爆破增透实验实验概述

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］

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］

。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

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

［6－7］

。相似材料的力学性能参数如表1剂包括硼砂

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

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2018.01.019［收稿日期］2017－11－07

［基金项目］国家重点基础研究发展计划（973）项目：深部复合地层围岩与TBM的相互作用机理及安全控制（2014CB046905）［作者简介］曾范永（1984－），男，吉林梅河口人，讲师，博士研究生，主要从事力学及煤层气开发等方面的教学和研究工作。［引用格式］曾范永，曾祥俊，刘擎.高压气体爆破对模拟煤层渗透性影响的规律研究［J］．煤矿开采，2018，23（1）：78－80，26.

78

曾范永等：高压气体爆破对模拟煤层渗透性影响的规律研究2018年第1期

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

参数抗压强度/MPa抗拉强度/MPa

泊松比数值

1.480.19

0.21

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

实验方法冲击压最大裂隙力/MPa裂缝情况长度/mm无导向孔单点爆破8方向相对集中250无导向孔多点爆破8多方向发散290有导向孔单点爆破8裂隙贯通1250有导向孔多点爆破8主干裂隙沿导向孔方向扩展1270无导向孔起爆点深度0.3m8方向相对集中220无导向孔起爆点深度0.5m8方向相对集中250无导向孔起爆点深度0.8m8方向相对集中190无导向孔起爆点深度1.0m

8

方向相对集中

150

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

79

总第140期煤矿开采2018年第1期

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

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80

图7不同地应力下，高压气体80MPa时应力曲线对比

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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（下转26页）

［［总第140期煤矿开采2018年第1期

好地检验围岩变形控制方案的有效性，在5103巷道布置10个测点观测实施方案后巷道表面变形位移曲线，如图10所示。顶底板移近量减少42%，两帮移近量减少40%。巷道变形区域由超前30m变为超前15m。保证了5103巷道的正常使用，实现了综放工作面的高产高效。

有效地控制了临空巷道的围岩变形，此方案已广泛应用于马脊梁矿其他综放回采工作面。

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图105103巷道表面位移

5结论

（1）采用FLAC数值模拟，顶底板移近量最大

达到2000mm，两帮移近量最大800mm，巷道表面位移实测，结果发现：8103工作面回采过程中，5103巷道围岩变形严重，顶底板移近量最大达到1500mm，两帮移近量最大800mm，影响范围为超前50m，严重区域为超前30m范围。

（2）提出“APＲ+PＲS”的临空巷道围岩控制方案，即主动卸压+被动加强支护。主动卸压包括：顶板水压致裂、CO2底板致裂等；被动加强支护包括：增加单体支设密度、巷道内加支木垛。（3）通过周期来压步距、支架工作阻力、巷道表面位移监测验证“APＲ+PＲS”临空巷道围岩控制方案的有效性。工作面来压步距显著减小、支架工作阻力在8000～9000kN所占比例下降9.76%、顶底板移近量减少42%、两帮移近量减少40%、巷道变形严重区域由超前30m变为超前15m。

（4）“APＲ+PＲS”的临空巷道围岩控制方案

檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶院学报，1997，12（17）：322－325.（上接80页）

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［责任编辑：施红霞］

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