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基于低透气性煤层的二氧化碳爆破增透技术试验研究

时间:2022-01-08 来源:中国煤炭杂志官网 分享:

基于低透气性煤层的二氧化碳爆破增透技术试验研究

孙珍平1,2

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁省抚顺市,113122;2.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁省抚顺市,113122)

为考察利用二氧化碳爆破增透技术对低透气性煤层瓦斯抽采效果的影响,采用理论分析研究了二氧化碳爆破增透技术对低透气性煤层的增透原理,并在20321工作面回风巷道进行了二氧化碳增透技术试验,对比分析了爆破孔间距分别为2 m和3 m时与爆破前的增透效果。试验表明,距离2 m处的抽采孔瓦斯抽采浓度提高至5倍,抽采纯量提高至6倍,160 min后瓦斯浓度衰减明显;距离3 m处抽采孔瓦斯抽采浓度提高至4倍,抽采纯量提高至4倍,120 min后瓦斯浓度衰减明显。

关键词 二氧化碳爆破增透技术 瓦斯抽采 低透气性煤层 爆破孔间距

抽采煤层瓦斯是治理矿井瓦斯的治本措施,但由于受煤层自身透气性和煤层自然条件的限制,抽采原始煤层瓦斯效率甚低,特别是低透气性煤层瓦斯抽采技术仍是世界各国在积极攻关解决的技术难题。面对低透气性煤层难抽采的问题,大部分矿井因缺乏抽采技术手段而处于被动局面,只能是靠增大巷道断面提高风量、降低煤炭产量等措施维持生产,严重制约了煤矿企业的经济发展。为提高低透气性煤层瓦斯抽采率,降低煤层瓦斯涌出,保证矿井安全生产,开展低透气性煤层瓦斯抽采增效技术研究已是当务之急。

1 理论研究

1.1 爆生气体致裂作用

二氧化碳爆破增透机理为液态二氧化碳在引爆管的媒介作用下瞬间使得二氧化碳被气化,体积瞬间膨胀,使该作用力作用在煤体上,当该空间内的压力达到临界值时,使得煤体间的裂隙被撑开,煤体裂隙充分发育,达到增加煤体裂隙的目的。液态二氧化碳瞬间释放的能量极大,产生极强的应力波,周围的煤体均被破坏,周围煤体的应力平衡被打破,应力将会重新分布,在此过程中煤体出现的是塑性变形,并伴随着诸多裂隙产生。

当液态二氧化碳被瞬间气化,产生的能量作用在煤体表面时,在应力波的冲击下,煤体的表面会形成一个类似于圆的应力分布范围,如图1所示。图中pm可以近视认为是二氧化碳作用在圆心处的动压;pr可以看作压力分布区域范围内各点的压力,且这些点的压力随着距压力分布区域中心的径向距离的增大而减小,直至压力变为零。

图1 煤体表面受力分布情况图

用量纲法对二氧化碳产生冲击范围内各点的压力pr进行分析,其计算公式为:

式中: λ——量纲为1的径向距离;

R——二氧化碳射流最大半径,m;

r——二氧化碳射流最小半径,m;

pm——近视认为是二氧化碳作用在圆心处的动压,MPa;

pr——压力分布区域范围内各点的压力,MPa。

量纲为1的函数f(λ)应满足以下边界条件:

(3)

根据泰勒公式和上式计算得到:

f(λ)=13λ2+2λ3

(4)

因为二氧化碳爆破具有轴对称性,将式(1)和式(2)代入式(4)中积分得:

(5)

式中: ρ——二氧化碳的密度,kg/m3

Q——二氧化碳射流流量,m3/s;

v——二氧化碳射流速度,m/s;

α——常数。

同时,裂隙发育范围内,在爆炸应力波和二氧化碳冲击波双重力作用下,二氧化碳气体顺着裂隙方向进入煤体,从而使得煤体的裂隙进一步张开,使得煤体裂隙重复发育,这样极大地提高了煤体的透气性。

1.2 二氧化碳气体驱替置换作用

煤体的形成过程中,在煤体内部会产生大量的发育成熟的裂隙,而裂隙中存在一些气体,如甲烷、二氧化碳等,具有一定的吸附能力,根据试验研究,煤体对气体的吸附能力不尽相同,煤体对二氧化碳的吸附能力最强,甲烷次之,氮气最弱。因此,当二氧化碳进入煤体后,对煤体中吸附的甲烷具有竞争驱替作用,使得甲烷被挤出,实现增透的目的。

由于在煤体形成过程中,伴随着瓦斯等气体的产生,对煤体进行二氧化碳爆破后,煤体中的瓦斯等气体被二氧化碳气体置换出来,由式(6)可以得出,当二氧化碳进入煤体后,煤体的空间总体积一定,总气体量增加,从而甲烷等原始气体的压力下降,进而使得煤体中甲烷被解析出来,使得煤体达到新的压力平衡。

(6)

式中: V1——甲烷在p1下的吸附量,m3/t;

a1——甲烷的吸附常数,m3/t;

b1b2——甲烷的吸附常数,MPa-1

p1——甲烷的分压力,MPa;

p2——二氧化碳的分压力,MPa。

2 现场试验

2.1 试验区概况

本次试验区选择在大斗沟矿20321工作面进行。20321工作面主要开采石炭纪二叠系山2#煤层,煤层厚度为0~6.18 m,平均厚度为2.12 m。煤层倾角为3°~12°,工作面倾向长度200 m,煤种为1/3焦煤和气煤,矿井产量150万t/a,煤层赋存较稳定,结构较简单,区域内大部分可采,试验区距离切眼200 m,试验区内无断层。区域内瓦斯含量2.2 m3/t,煤层透气性系数0.0233 md,瓦斯衰减系数为0.0695 d-1

2.2 试验钻孔布置

本次试验分两个区域进行。第一处试验区域:在20321工作面回风巷道距离切眼300 m范围内,布置6个单排抽采钻孔,钻孔间距为4 m,钻孔深度为100 m,钻孔直径为89 mm,开孔高度距底板1.5 m,钻孔编号为1#~6#,在抽采钻孔中间施工一个二氧化碳增透爆破孔,钻孔参数和抽采孔参数一致;第二处试验区域:在第一处试验区域往切眼方向100 m处施工6个单排抽采孔,钻孔间距为6 m,其余钻孔参数和第一处试验钻孔参数一致,钻孔编号为7#~12#,同时也在抽采钻孔中间施工一个二氧化碳增透爆破孔,钻孔参数和抽采孔参数一致。试验区域一、二位置及钻孔布置如图2所示。对于二氧化碳增透爆破孔,现场施工采用人工方式将二氧化碳爆破筒送入煤壁,每节爆破筒的长度为1.5 m,在爆破筒的端头设有螺纹,将爆破筒之间通过螺纹进行连接。

图2 试验区位置图

3 爆破前后抽采效果对比分析

爆破前后瓦斯浓度监测数据见表1。爆破间距为4 m、6 m时爆破前后瓦斯浓度与纯量变化如图3和图4所示。

由图3可以看出,致裂爆破后,在抽采孔与爆破孔之间的煤体形成裂纹,宏观考察抽采孔的单孔瓦斯抽采浓度、瓦斯流量和纯量提高效果非常显著,爆破后单孔瓦斯抽采纯量提高6倍左右,钻孔瓦斯抽采浓度提高5倍左右,在致裂爆破后的160 min后钻孔瓦斯浓度衰减的较明显;个别抽采孔的瓦斯浓度明显高于其他的抽采孔,这是因为煤体属于不均匀介质,各相不同性,在爆破的过程中裂隙发育的也不均匀,有些抽采孔浓度偏高说明该抽采孔裂隙发育较好,所以抽采效果明显。

1 爆破前后瓦斯浓度监测 %

-15min-10min-5min5min10min15min30min60min90min120min180min1#0 130 450 231 88 23 62 641 370 780 560 262#0 250 560 242 012 18 03 51 421 160 780 373#0 340 210 162 14 22 020 681 341 280 650 424#0 030 210 183 62 50 80 20 560 230 170 245#0 220 370 243 26 41 50 71 30 630 580 366#0 150 230 140 340 721 70 130 560 770 640 367#0 260 450 361 248 04 0111 670 520 440 278#0 430 320 140 62 341 340 360 40 450 280 179#0 240 540 370 561 342 030 320 180 320 190 1210#0 170 080 210 542 051 470 3251 40 130 230 211#0 050 140 042 04 00 350 421 040 780 370 3212#0 040 010 020 12 83 075 72 030 290 250 24

注:表中负值表示爆破前,正值表示爆破后

图3 抽采孔1#~6#(孔间距4 m)在爆破前后瓦斯抽采效果图

图4 抽采孔7#~12#(孔间距6 m)在爆破前后瓦斯抽采效果图

由图4可以看出,致裂爆破后单孔瓦斯抽采效果比较明显,现场考察的结果表明,9#抽采孔的效果有所降低,但爆破后总体单孔瓦斯抽采纯量提高4倍左右,钻孔瓦斯抽采浓度提高4倍左右,在裂爆爆破后的120 min后瓦斯浓度衰减的较明显。

同时通过表1的对比分析,1#~12#抽采孔的抽采浓度、纯量等可以得出如图3和图4同样结果,说明对于该矿2#煤层二氧化碳爆破在短时间内有明显的效果。

4 结论

(1)通过理论分析,研究了二氧化碳爆破增透技术的作用机理,为低透气性煤层增透提供了理论基础。

(2)在20321工作面回风巷道进行二氧化碳爆破增透试验,通过对孔间距分别为4 m、6 m和爆破前的抽采孔研究,孔间距为4 m处的抽采孔瓦斯抽采浓度提高至5倍,抽采纯量提高至6倍,160 min后瓦斯浓度衰减明显;孔间距为6 m处的抽采孔瓦斯抽采浓度提高至4倍,抽采纯量提高至4倍,120 min后瓦斯浓度衰减明显。说明对于该煤矿2#煤层二氧化碳爆破在短时间内有明显的效果。

参考文献

[1] 刘明举,孔留安,郝富昌等.水力冲孔技术在严重突出煤层中的应用[J].煤炭学报,2005(8)

[2] 王新新,夏仕柏,石必明等.潘三矿13-1煤层水力冲孔试验研究[J].煤炭科学技术,2011(4)

[3] 刘彦伟,任培良,夏仕柏等.水力冲孔措施的卸压增透效果考察分析[J].河南理工大学学报(自然科学版),2009(6)

[4] 李国旗,毛振彬,任培良.底板巷水力冲孔快速消突技术在李沟矿的应用[J].煤矿安全,2009(11)

[5] 梁冰.煤和瓦斯突出固流耦合失稳理论[M].北京:地质出版社,2000

[6] 徐颖,程玉生,王家来.国外高压气体爆破[J].煤炭科学技术,1997 (5)

[7] 肖正学.断裂控制爆破裂纹发展规律的研究[J].岩石力学与工程学报,2002(4)

[8] 林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996

[9] 袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社,2004

[10] 王兆丰.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J].焦作工学院学报(自然科学版),2003(4)

[11] Trevits Michael A., King Roger L.Vertical borehole methane drainage system for mining operations[J].Mini Symposium-Society of Mining Engineers of AIME,1983(1)

[12] 孙珍平. 渗流作用下巷道围岩稳定性分析研究[D].安徽理工大学,2013

[13] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992

[14] 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册(修订版)[M].北京:煤炭工业出版社,2005

[15] 黄喜贵.瓦斯抽放工[M].北京:煤炭工业出版社,2003

Experimental study on CO2 antireflective blasting technology based on low breathability of coal seam

Sun Zhenping1,2

(1. China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun, Liaoning 113122, China;2. State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun, Liaoning 113122, China)

Abstract In order to study the influences of CO2 antireflective blasting technology on gas extraction effects in low-breathability coal seam, the antireflective theory of the CO2 antireflective blasting technology was studied by using theoretical analysis method, and the test was conducted in return airway of 20321 working face, which contrastively analyzed the antireflective effects before and after the blasting, and analyzed the differences when the pitch of holes was 2 m and 3 m respectively. The test results showed that when the pitch of holes was 2 m and , the gas extraction concentration in holes was increased by 4 times and the extraction quantity was increased by 5 times, after 160 minutes, the gas concentration decreased obviously; while the pitch of holes was 3 m, the gas extraction concentration in holes was increased by 3 times and the extraction quantity was increased by 3 times, after 120 minutes the gas concentration decreased obviously.

Key words CO2 antireflective blasting technology, gas extraction, low-breathability coal seam, pitch of blasting holes

引用格式孙珍平.基于低透气性煤层的二氧化碳爆破增透技术试验研究[J].中国煤炭,2018,44(6):118-122.

Sun Zhenping . Experimental study on CO2 antireflective blasting technology based on low breathability of coal seam [J].China Coal, 2018,44(6):118-122.

中图分类号 TD712.6

文献标识码 A

作者简介孙珍平(1985-),男,安徽安庆人,硕士研究生,助理研究员,主要研究方向为矿井瓦斯治理与防治。

(责任编辑 张艳华)

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