co2致裂器深孔预裂增透数值模拟研究

1、CO2 致裂器深孔预裂增透数值模拟研究 王子雷 煤炭科学研究总院建井研究分院 天地科技股份有限公司 摘 要： 为了解决高瓦斯工作面瓦斯抽采难题, 以司马煤矿 1211 工作面为工程研究背景, 进行 CO2致裂器深孔预裂数值模拟, 结果表明两致裂孔间距 10m、致裂器与连接杆按照 1:3 连接时为最佳方案, 并在 1211 工作面运输巷与回风巷完成致裂增透工作, 验证了按该方式布置时深孔预裂增透效果较好, 对司马煤矿及类似条件下深孔预裂增透技术具有很好的借鉴意义。关键词： CO2 致裂器; 深孔预裂; 瓦斯抽采; 数值模拟; 致裂孔间距; 作者简介：王子雷 (1981-) , 男, 山东莱芜人, 副研究员, 硕士研究生, 2006年毕业于煤炭科学研究总院建井研究所, 岩土工程专业, 从事井巷技术及相关装备研究, 发表论文多篇。收稿日期：2017-8-7基金：二氧化碳致裂器及增透技术研究与应用, 项目编号:KJ-2016-B-09, 项目类别:天地科技“科技创新基金”面上项目Numerical Simulation of Deep-hole Pre-splitting Anti-refle

2、ction With Carbon Dioxide FracturerWang Zilei Institute of Mine Construction Tiandi Science and Technology Co.Ltd.; Abstract： In order to solve the problem of gas extraction in high gas face, using numerical simulation of deep-hole pre-splitting anti-reflection with carbon dioxide fracturer which taking the 1211 working face of Sima coal mine as the engineering research background.To determine the best solution that the spacing between two induced hole is 10 m and the connection ratio of carbon

3、dioxide fracturer and draw-baris 1:3.Completed the work of fracturing and anti-reflectionin 1211 working face conveyance road and return airway.It is proved that the effect of deep-hole pre-splitting is better in this way, and it has great significance for deep-hole pre-splitting anti-reflection technology in Sima coal mine and similar conditions.Keyword： carbon dioxide fracture; deep-hole pre-splitting; gas extraction; numerical simulation; induced hole spacing; Received： 2017-8-71 引言煤炭在我国一次能源消

4、费中占 70%以上, 而目前我国煤炭资源埋深大于 600m 的约占总量的 73.2%1-3。由于我国煤层赋存条件差, 深部地质构造更加复杂, 煤层瓦斯 80%90%以吸附状态存在, 煤层瓦斯压力和煤与瓦斯突出频率也会随着采深的增加而不断增加。高瓦斯矿井瓦斯治理的根本途径是瓦斯抽放, 但由于我国大部分为低透气性煤层, 因此采用传统的瓦斯抽放难以取得预期效果。国内通常采用炸药预裂技术手段使煤层裂隙扩展, 增加煤层透气性, 消除瓦斯突出危害, 深孔爆破强化技术也在工程实例应用中取得很好效果4-9。但是炸药预裂在长钻孔爆破技术及封孔工艺方面仍不成熟10-11, 且炸药预裂可能会引起煤尘或瓦斯的二次爆炸, 可控性差, 危险性大。为了解决炸药预裂可控性及危险性的难题, 采用 CO2致裂器作为煤层增透设备。本文通过数值模拟确定出深孔预裂宜采用的致裂孔间距及致裂器布置方式。2 CO2致裂器工作原理CO2致裂器主要由充装阀、发热装置、储液管、剪切片、释放头等部分组成, 致裂器结构见图 1。CO 2致裂器在使用时, 通过起发器启动储液管内的发热装置, 释放大量热量使储液管内的液态二氧化碳在 20ms 内气

5、化, 体积膨胀可达 600 倍12-15, 引起管内压力在瞬间急剧上升, 直到达到定压剪切片的抗剪切强度并将其冲破, 高压气体从释放头的排气孔释放。在进行预裂增透时, 爆炸应力波以及高压气体作用下的煤岩破坏是一个相当复杂的动力学过程。首先是液态二氧化碳受热急剧膨胀变成高压气体作用在钻孔壁上, 进而对钻孔周围煤体产生压缩变形, 使钻孔周围形成一定区域的压缩粉碎区, 此区域称为爆破近区;随着时间的进行, 应力波形成的压力逐渐减小, 当压力降到一定程度时, 煤体中的微小裂纹开始发育, 在高压二氧化碳气体尖劈作用下会促使裂隙进一步发育扩展, 形成支段裂隙, 钻孔周围支段裂隙在一定区域内贯通, 与爆破初期形成的主裂隙相互沟通, 形成环状裂纹, 此区域称为爆破中远区。大量裂隙的产生和发展提高了煤层的透气性, 促使大量吸附状态的瓦斯转化为游离状态, 裂隙为游离状态的瓦斯提供释放通道, 并且由于二氧化碳对煤体的吸附性高于瓦斯, 释放的二氧化碳同时可以起到驱替游离瓦斯的作用, 所以更好地起到提高瓦斯抽采量和抽采效率的效果。图 1 CO2 致裂器结构图 下载原图1-充装阀;2-发热装置;3-储液管;4 定

6、压剪切片;5-释放头3 CO2致裂器爆破预裂数值模拟影响煤体裂隙及其透气性的因素众多, 如煤层埋藏深度、硬度、煤厚等自然条件, 另外瓦斯含量、煤的孔隙率、瓦斯压力、煤层原始透气性等因素的影响也不容忽视, 影响因素众多但不能一一考察。除高压二氧化碳气体, 原有的地应力及瓦斯压力也同时作用于煤岩体。由于环境因素众多, 将煤体假设成纯固体, 忽略瓦斯压力对其的影响, 利用有限元软件 COMSOL Multiphysics 采用有限单元法对控制方程、边界条件及初始条件对 CO2致裂器爆破进行离散求解。多爆破孔施工时, 缩短爆破孔间距有利于裂纹沟通带宽度增加, 但是会减少裂纹有效沟通长度16, 从经济及施工进程多方面考虑, 需要确定合适的致裂孔间距, 在保证预裂效果的同时加大致裂孔间距。选取最佳的致裂孔间距及致裂器与连接杆的比例, 既可以起到良好的致裂增透效果, 又可以缩短施工周期、节约致裂成本。本文以山西潞安集团司马煤矿 1211 工作面 3 号煤层为工程背景, 进行数值模拟方案设计及建立。3.1 数值模拟方案设计数值模拟共设计 2 套方案进行对比, 需要建立不同的致裂器布置和致裂孔间距数值模

7、型共 6 种。方案一:当致裂器与连接杆按照比例为 1:2 连接时, 两致裂孔间距分别取 8m, 9m, 10m 以及 11m 等 4 种布置方式, 确定最佳的致裂孔间距;方案二:在确定最佳致裂孔间距的情况下, 致裂器与连接杆比例分别取 1:2、1:3以及 1:4 的 3 种连接方式, 确定最佳致裂器与连接杆的连接方式。通过比较分析致裂器各模型的计算结果, 确定致裂器最优排布方式以及煤层受高压二氧化碳作用产生的形变规律。3.2 数值模型的建立建立三维计算模型, 根据实际的煤层瓦斯抽采过程, 以原始煤层透气性系数为基础, 不考虑巷道对煤层透气性的影响, 对钻孔周围形成的裂隙在地压等作用下再次愈合的情况下进行模拟, 同时也不考虑裂隙随时间的运移愈合的情况。由于计算机运算能力有限, 需要用有限体积的数值模型模拟无限大的地层条件不允许, 根据对称性原理, 建立的模型大小均为 30m30m15m, 现场施工时采用 MZL200-51/1400 致裂器, 按照实际致裂孔孔径 75mm 选取, 通过有限元离散求解将模型划分为若干离散单元。根据工程实际情况, 按照边界上已知的函数进行边界条件设定:四周均

8、为不透气边界, 通量为零, 瓦斯气体的流量为零, 四周均约束为法线方向位移, 地应力按照 8MPa 进行设定, 二氧化碳气体冲击力选取 200MPa。数值模拟参数参照司马煤矿 1211 工作面 3 号煤层地质条件进行选取, 具体数值见表 1。表 1 数值模拟参数 下载原表 3.3 数值模拟结果分析(1) 方案一模拟结果。爆破后截取 2 钻孔中间位置 (即 y=15m 处) 且垂直于 y轴切片图如图 2 所示。从图中可以看出:越靠近高压二氧化碳气体冲击位置, 煤层的应变越大, 作用效果越好;煤层整体变形趋势为在高压二氧化碳气体冲击位置处, 呈不规则圆弧向四周发展;z 方向最大应变在间距为 8m 时, 最大应变为0.278mm;间距为 9m 时, 最大应变为 0.266mm;间距为 10m 时, 最大应变为0.259mm;间距为 11m 时, 最大应变为 0.23mm。利用 Origin 绘图软件, 绘制两钻孔中间位置 (即 y=15m 处) 且垂直于 y 轴平面的应变曲线图, 如图 3 所示。根据应变曲线图可以看出, 沿 2 钻孔中间位置, 在 x=18m 处附近位移形变达到最大, 即在

9、钻孔底部位置附近位移形变达到最大。钻孔间距为 8m, 9m 和 10m 的情况时, 相同位置处位移形变相差不大, 同钻孔间距为 11m 的情况相比位移形变相差较大, 综合考虑钻孔施工成本及施工效果, 钻孔间距取 10m 为最优的钻孔布置方案。图 2 致裂器与连接杆 12 布置时两钻孔中间位置平面切片图 (y=15m) 下载原图图 3 致裂器与连接杆 1:2 布置时中间位置平面 (y=15m) 不同致裂孔间距的应变曲线图 下载原图(2) 方案二模拟结果。致裂孔间距为 10m 时按照致裂器与连接杆比例 13 和14 分别进行数值模拟, 模拟爆破后截取 2 钻孔中间位置 (即 y=15m 处) 且垂直于 y 轴切片图如图 4 所示。从切片图中可以看出, 在高压二氧化碳气体作用下, 煤层应变最大处发生在致裂钻孔孔底释放孔处附近, 致裂器连接杆比例按12 模拟时, 在 x=18m 处位移形变最大为 0.259mm;致裂器连接杆比例按 13模拟时, 在 x=18m 处位移形变最大为 0.251mm;致裂器连接杆比例按 14 模拟时, 在 x=22.5m 处位移形变最大为 0.226mm。绘制 2 钻孔中间位置 (即 y=15m处) 且垂直于 y 轴平面的应变曲线图, 如图 5 所示。从图中可以看出, 在致裂钻孔间距为 10m 时, 致裂器与连接杆比例为 12 和 13 时的位移形变相差不大。在司马煤矿 1211 工作面致裂孔设计深度为 100m, 根据目前单根致裂器起爆成本约 30 元计算, 成本对比见表 2。从表中可以看出, 单孔按照 12 布置在成本相较于 13 布置时多出 150 元, 成本增加 39%, 由于两者致裂效果相差不大, 因此 13 的布置方式优于 12 的方式。13 方案的成本比 14 时多18%, 但是 1:4 布置方式在致裂效果相比于 13 布置时较差, 综合考虑投入设备成本, 致裂器与连接杆比例 13 为最优的布置方案。图 4 致裂孔间距 10m 时 2 钻孔中间位置平面切片图 (y=15m) 下载原图表 2 成本对比表 下载原表 图 5 致裂孔间距 10m 时中间位

《co2致裂器深孔预裂增透数值模拟研究》由会员小**分享，可在线阅读，更多相关《co2致裂器深孔预裂增透数值模拟研究》请在金锄头文库上搜索。