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基于不同爆破致裂方式的液态二氧化碳相变增透应用研究

孙建中  
【摘要】:对于单一低渗透性煤层,除采取水力化技术和深孔预裂爆破措施进行煤层增透外,近年来又发展了一种液态二氧化碳相变爆破增透技术,作为一种新型的煤层增透技术,该技术具有爆破不产生火花、压力可控、易于储存和运输和安全性高等诸多优点。本文首先对二氧化碳液相、气相物理性质进行了阐述,通过分析液态二氧化碳爆破过程热力学变化,分析了二氧化碳由液态转化为气态的能量转变过程,研究了液态二氧化碳转变为气态的热力学计算公式,并给出了部分压力、温度下气化潜热和膨胀功,根据TNT当量模型计算了试验所用储液管TNT当量。其次,结合爆破理论,分析了高压二氧化碳气体在煤体致裂的作用过程及应力波传播规律,根据损伤断裂力学理论计算了致裂应力波形成的初始宏观裂纹尖端的有效应力强度因子,分析了致裂产生的高压二氧化碳气体作用下裂纹的扩展过程,并研究了裂缝动态延伸规律。利用有限元分析软件ANSYS_LS_DYNA3D,以断裂力学理论为基础,建立了液态二氧化碳爆破致裂作用计算模型,对液态二氧化碳在煤体中爆破产生的应力场进行数值模拟;通过研究爆破后煤体中应力波的传播规律,分析了煤体内的应力波及裂纹扩展情况,研究了不同当量作用下煤体裂隙发育及影响范围。在总结理论研究和数值模拟的基础上,确定了五种不同的液态二氧化碳爆破增透方案,通过在潞安集团常村煤矿3#煤层进行试验,分析了该爆破增透技术的效果。经液态二氧化碳相变爆破增透后,瓦斯抽采量提高1.4~3.5倍,平均提高2.5倍,爆破增透效果显著。不同爆破增透方案对提高瓦斯抽采效果也有一定的区别,从抽采纯量上可以看出,采用二次爆破或延迟爆破增透方案对于提高瓦斯抽采效果有更为明显的作用。


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