一种应用于高瓦斯煤巷CO2高压气体致裂的设计方法与流程

本公开一般涉及煤巷开采技术领域，具体涉及一种应用于高瓦斯煤巷co2高压气体致裂的设计方法。

背景技术：

目前我国的很多煤矿为高瓦斯矿井，随着煤炭需求总量的不断增加，开采已持续向深部推进，深部煤层中瓦斯赋存含量大幅度增加。针对深部低透气性高瓦斯煤层，常规的瓦斯抽放方法如预抽、本煤层抽采等方法，难以有效地使得煤层的瓦斯大量游离出来，造成煤层中瓦斯压力极大。主要存在的问题有：钻孔有效影响范围小，施工工作量大，抽放效率低，需要采取卸压增透、扩大钻孔有效影响范围、提高钻孔密封效果等有效技术措施，以达到提高瓦斯抽放效率的目的。在煤层巷道掘进期间，瓦斯超限情况频频发生，降低了巷道掘进速度，影响正常接替工作，严重影响到掘进面的安全正常生产。如何有效解决煤层掘进高瓦斯的影响，已刻不容缓。

针对煤层高瓦斯的赋存特征，已有的煤层掘进面进行了一些有效的尝试工作，即采用co2预裂增透技术。在煤层巷道高瓦斯地段利用co2预裂技术，扩大了煤层的透气性，使得瓦斯抽采浓度大大增加。但预裂也使得煤体裂隙分布范围较之以往，扩展幅度更大，煤层巷道顶板的破碎程度更为严重。就瓦斯抽采效果而言，预裂范围较大时，抽采效果越好。但是若预裂过度，极易引起掘进面冒顶事故。采用怎样的设计方法，在既能保证瓦斯抽采效果的同时，又能有效加强巷道冒顶控制，是现有技术亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种应用于高瓦斯煤巷co2高压气体致裂的设计方法。

第一方面，本申请实施例提供了一种应用于高瓦斯煤巷co2高压气体致裂的设计方法，包括以下步骤：

确定预裂技术的相关设计参数，其中预裂孔设有用以实现定向预裂的楔形槽；

根据所述预裂技术的相关设计参数，对煤体的定向co2预裂增透过程进行数值模拟，其中，在进行定向co2致裂模拟过程中，将煤体的预裂增透过程视为二维问题，建立平面应变力学模型，根据测量结果确定模型的边界条件；

根据爆破管定向压裂的所述数值模拟结果，获取压裂裂隙扩展区域范围，预测定向co2致裂对煤层瓦斯抽采的效果。

根据煤巷的地质条件和裂隙情况，确定所述数值模拟中煤岩体的力学参数，确保数值模拟的情况与实际工程地质情况相符。

所述数值模拟过程考虑岩石破坏和流固耦合问题，确保模拟的准确性。

所述数值模拟采用真实破裂过程分析rfpa系统进行模拟。

所述对煤体的定向co2预裂增透过程进行数值模拟为模拟一个定向预裂孔的的裂隙扩展区域范围，获得一个致裂孔的影响规律。

还包括对煤体的co2预裂增透过程进行三维数值模拟，获取致裂条件下裂隙扩展规律，非定向致裂孔的三维数值模拟与定向致裂孔的二维数值模拟相结合，可以更全面的反映预裂增透的扩展规律。

所述获取致裂条件下裂隙扩展规律包括，获取爆破不同阶段的裂纹发展情况。

进行所述三维数值模拟中，根据气象压裂后的裂隙区半径，确定致裂孔的间距，使致裂孔的布局更加科学合理。

设计方法还包括对定向压裂前后单孔压裂抽放流量进行对比分析，以检测所述数值模拟条件下的定向co2致裂对煤层瓦斯的抽采效果。数值模拟与现场检验相结合，确保设计参数的准确合理。

本申请实施例提供的应用于高瓦斯煤巷co2高压气体致裂的设计方法，针对co2致裂产生裂隙的无方向性，提出了定向co2致裂技术，即在co2爆破管提前开楔形槽，人为控制裂隙扩展方向。对比非定向致裂技术，采用数值模拟技术，发现定向致裂后，在致裂孔周围形成了较为均匀的裂隙分布范围。且裂隙分布基本沿掘进煤层掘进方向，煤层顶板裂隙分布较小，很好地保证了巷道的稳定性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了定向co2压裂裂隙扩展示意图；

图2示出了煤岩力学参数表；

图3示出了定向co2压裂模型示意图；

图4示出了定向co2压裂裂隙分布情况；

图5示出了煤层瓦斯抽采难易程度表；

图6示出了单孔定向压裂前后瓦斯流量对比；

图7示出了10根爆破管初期裂隙的扩展状态；

图8示出了10根爆破管中后期裂隙的扩展状态；

图9示出了15根爆破管初期裂隙的扩展状态；

图10示出了15根爆破管中后期裂隙的扩展状态；

图11示出了110us时钻孔周围的破坏形态；

图12示出了340us时钻孔周围出现径向主裂纹；

图13示出了550us时钻孔周围的径向主裂纹进一步扩展；

图14示出了裂纹扩展的最终形态。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

常村矿23采区胶带下山掘进面煤体松软，在co2致裂作用下，掘进面裂隙分布较原生裂隙而言，其分布区域发生了很大的变化。裂隙分布范围较大时，极易引起掘进面冒顶片帮等现象，难以有效控制冒顶的发生；裂隙分布范围较小时，赋存的瓦斯含量仍很大，抽采效果不佳。因此，我们研究裂隙分布规律，本质上是为抽采效果和防冒顶服务的，也可为后期冒顶控制技术提供一定的参考。

在采用co2致裂技术作用于胶带下山巷道发现：裂隙发育范围较大，但裂隙发育的方向十分随机，毫无规律可言。对沿掘进方向的煤层产生的裂隙范围和煤层顶板方向的裂隙范围均较大，虽然十分有利于游离瓦斯的抽采，但同时更容易引起掘进面的冒顶，存在着安全隐患。本申请进行了定向co2致裂技术的相关模拟研究，以期提供更好的施工方案。

1.co2定向致裂技术原理

co2定向致裂技术与传统的致裂技术相比，产生的裂隙扩展方向可控，对抽采煤层内游离瓦斯和控制冒顶更为有利。所谓定向指的是采用相关技术手段，控制爆破产生的裂隙扩展方向，如在爆破管相关位置提前开楔形槽。

根据压裂过程中煤岩体裂隙首先在弱面产生与发展这一客观事实，提出co2定向压裂技术，即通过增加定向压裂孔，人为创造弱面，诱导压裂过程中裂隙向定向孔方向生成与扩展，从而充分利用液态co2压裂能量，消除非定向co2压裂，压裂后存在局部应力集中和卸压盲区的现象，达到整体卸压增透消突的目的。如图1所示，即为采用定向co2压裂后的煤体裂隙扩展示意图。

2.co2定向致裂模拟

定向co2压裂涉及岩石破坏和流固耦合等问题，利用真实破裂过程分析rfpa系统进行模拟。将其视为二维问题，建立平面应变力学模型。依据井下测量结果，模型受垂直应力约为12.5mpa。整个模型划分为400×400个单元，模型的瓦斯初始压力为2.85mpa。其它力学参数与图2相同。如图3所示为15根爆破管作用下的定向致裂模型图。

从图4的裂隙分布情况可以看出：与非定向压裂相比，15根爆破管定向压裂之间的裂隙发育明显较多，而且由于定向孔的导向作用，压裂后在煤岩体内部的压裂孔周围产生了一个近似圆柱形压缩粉碎圈和一个沿着压裂孔与定向孔连心线方向的贯穿压裂裂缝面，达到了控制压裂裂隙定向扩展、孔与孔之间相互贯通的目的，致裂孔形成的较为均匀区域长度为36m，较非定向致裂形成的裂隙范围为29m而言，范围有所增加模拟效果良好。有效解决了非定向co2压裂压裂时裂纹在煤体中无序扩展、压裂后易出现应力集中以及压裂孔之间出现瓦斯流通屏障等问题。

为了检测定向co2致裂对煤层瓦斯抽采的效果，对定向压裂前后单孔压裂抽放流量进行了对比分析。选取3个预抽孔进行流量统计，分别记录压裂前20d和压裂后20d瓦斯流量，取平均值并作图，如图6所示。

由地质勘探资料得知：胶带下山掘进工作面煤的孔隙率在3.95-4.26%，透气性系数在0.003237～0.2419m2/mpa2.d，百米钻孔瓦斯流量在0.02m3/min，衰减系数在0.2173d-1，瓦斯放散初速度14.4-16.335mmhg。图5所示的为煤层瓦斯抽采难易程度表，由表可以认定胶带下山所在的3#煤层属于较难抽采煤层。

3个考察钻孔距压裂孔均为6m，压裂前最大抽放浓度为9%，流量为6.2×10-3m3/min，经大约7天后衰减为零。压裂后单孔瓦斯抽放浓度到16%，流量达28.2×10-3m3/min，抽放浓度稳定。抽放浓度平均增加了80%，瓦斯流量上升了390%。瓦斯抽采效果明显，符合大量从煤层中抽采游离瓦斯的预期目标。

3.裂隙分布数值模拟模型及co2致裂下裂隙分布规律研究

利用三维动力分析软件ansys_ls-dyna3d对co2在岩层钻孔中液气相转化压裂效果进行数值模拟，研究致裂条件下裂隙扩展规律。图2为胶带下山的围岩力学参数。

由图7和图8所示，炸药在钻孔内爆炸后，首先是高压应力波对钻孔周围煤体造成强烈的挤压作用，使周围介质产生冲击变形、压缩、甚至破坏。爆破过程中，不同的时间，煤体中发生不同的变化，在裂隙生成初期，由于强烈的应力波扰动作用先产生主裂隙，因应力波扰动作用的渐弱，主裂隙随着时间的增加而减少，一定时间后停止延展。

根据图7和图8分析，在爆破初期，主裂隙大体沿xy方向发展，考虑原因为强烈的冲击波及爆生气体直接的楔入作用导致裂纹发展呈现单方向性。中后期，由于应力波渐弱，爆生气体作用变小，次生裂隙开始发育。从图7和图8两组图对比可以分析得知，次生裂纹主要是在爆破完成的中后期，这与基本认识相似，从爆破对煤体裂纹作用的发展上来说，越到中后期，爆破作用越小，裂隙发育也就越不明显，更多的是从主裂纹的基础上延展次生裂纹，因而其方向性杂乱无章，也没有一致性。10根二氧化碳爆破管即致裂管长40m时，掘进面煤体裂隙扩展最大为18m，影响范围较大，作用效果良好。

由图9和图10所示，爆破开始后，与模拟10根爆破管模型相类似，炸药在钻孔内爆炸后，首先是高压应力波对钻孔周围煤体造成强烈的挤压作用，使周围介质产生冲击变形、压缩、甚至破坏。

爆破过程中，由于强烈的应力波扰动作用前期以主裂纹发育为主，然后随着时间的推移，应力波扰动作用渐弱，主裂隙随着时间的增加而减少，直至一定时间后停止延展。根据图9和图10分析，在爆破初期，主裂隙大体沿xy方向发展，裂纹非常明显而且多，考虑原因为因强烈的冲击波及爆生气体直接的楔入作用导致裂纹发展呈现单方向性。中后期，由于应力波渐弱，爆生气体作用变小，次生裂隙开始发育。与10根爆破管模型相比较，15根爆破管模型显示出，爆破造成的主裂隙更多，延伸长度更长，且次生裂隙更为明显，裂隙越多，煤体透气性越大，瓦斯运移越容易，对煤层瓦斯抽采越有利。15根二氧化碳爆破管即致裂管长60m时，掘进面煤体裂隙扩展最大为29m，影响范围极大，作用效果完全满足掘进面生产安全要求。

通过以上数值模拟分析可知，如图11-图14所示，气相压裂后110us时炮孔周围开始出现大范围破坏，340us时炮孔周围开始出现径向主裂纹，主裂纹条数为4条。随后主裂纹和次裂纹继续扩展，次裂纹扩展方向具有一定的随机性，主裂纹扩展的主方向为沿径向向外扩展，但在局部表现为一定的随机性。550us时主裂纹条数增加为5条。裂纹扩展终止后五条主裂纹的扩展长度分别为10.4m、8.0m、9.8m、10.2m、11.2m，平均长度9.92m。钻孔直径为115mm时，在常村矿23采区胶带下山掘进面下气相压裂后钻孔周围的裂隙区半径约为10m，因此确定合理的致裂孔间距为20m。

通过对掘进面裂隙扩展规律的研究发现：二氧化碳压裂后，裂隙处于不断扩张的阶段，最终稳定在10m左右，裂隙扩展范围较大，有利于瓦斯游离，瓦斯抽采量将大大增加。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。