【摘 要】
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我国地质条件复杂,煤层瓦斯含量高,低透气性煤层瓦斯抽采困难,导致矿井瓦斯灾害频发。随着矿井开采深度的延伸,煤层地应力和瓦斯含量增大,渗透率进一步降低,对煤矿安全生产威胁日益严重。低透气性煤层增透技术的研究与实施是提高瓦斯抽采效率、解决煤矿瓦斯灾害的有效途径。本文基于损伤力学、断裂力学和流体力学等基础理论,结合煤层物理力学特性和渗透率特点,采用理论分析、数值模拟和井下工业试验相结合的方法,深入研究液
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我国地质条件复杂,煤层瓦斯含量高,低透气性煤层瓦斯抽采困难,导致矿井瓦斯灾害频发。随着矿井开采深度的延伸,煤层地应力和瓦斯含量增大,渗透率进一步降低,对煤矿安全生产威胁日益严重。低透气性煤层增透技术的研究与实施是提高瓦斯抽采效率、解决煤矿瓦斯灾害的有效途径。本文基于损伤力学、断裂力学和流体力学等基础理论,结合煤层物理力学特性和渗透率特点,采用理论分析、数值模拟和井下工业试验相结合的方法,深入研究液态CO2爆破煤层增透的原理、爆破裂纹扩展规律和爆破效果,研究煤层注气的膨胀增透作用机理,提出低透煤层液态CO2爆破增透注气促抽瓦斯技术,最终达到增透煤层和促进瓦斯抽采的目的。主要研究:（1）液态CO2爆破技术研究液态CO2爆破技术原理及特点,为煤层增透、巷道掘进、工作面落煤、放顶等工作提供参考;采用压缩气体与水蒸气容器爆破方法计算型号为MZL200-1180/50的爆破器液态CO2的当量为180gTNT;监测并分析液态CO2爆破过程中主管内压力变化规律。（2）液态CO2爆破煤层裂纹扩展规律综合应力波、煤岩体力学、断裂力学等理论,研究液态CO2爆破致裂及增透机理;分析控制孔对爆破裂隙的导向作用;研究液态CO2爆破过程中粉碎区、径向裂隙、切向裂隙和环向裂隙的产生及扩展规律。（3）液态CO2爆破煤层数值模拟建立FLAC3D有限差分本构模型,研究地应力、控制孔、煤体硬度和孔间距对煤层液态CO2爆破范围的影响,结果表明:在10MPa地应力时,煤层水平层理上,单孔液态CO2爆破有效影响半径为出气孔方向6m和出气孔法向4m;煤体进行液态CO2爆破的理想f值范围是0.5～2.5;爆破器间距5m和爆破孔间距7.5m时,多孔连续爆破能够达到理想的爆破效果;监测与爆破不同距离煤体质点应力和位移变化曲线,结果表明:距离爆破孔由远及近煤层透气性的变化规律为负指数型增加。建立不同渗透率的单孔抽采COMSOL数值模型,结果表明:爆破前后钻孔抽采有效影响半径达到1.5m的时间分别为55d和10d。（4）液态CO2爆破井下试验在七台河矿区实施井下液态CO2爆破增透抽采试验,考察各试验地点爆破有效影响半径和透气性变化规律,并监测瓦斯抽采参数,得出:随着地应力的增加,液态CO2爆破有效影响半径线性减小;爆破后钻孔自然瓦斯流量衰减系数由0.7253d-1降低为0.0476d-1;爆破后煤层透气性系数提高17.49～22.76倍,瓦斯抽采浓度提高3.16倍,瓦斯抽采纯量提高5.75倍,瓦斯抽采混量提高1.71倍。（5）低透煤层液态CO2爆破增透注气促抽瓦斯技术研究煤层注气的膨胀增透作用机理,采用煤层注气抽采有效影响半径表征不同注气压力下煤层注气促抽瓦斯效果,进行COMSOL注气抽采数值模拟和井下试验,结果表明:煤层0.5MPa低压和3MPa高压注气抽采有效影响半径达到3.5m的时间分别为37d和20d,爆破后0.5MPa注气抽采有效影响半径达到3.5m的时间为20d,说明液态CO2爆破增透和煤层注气都能起到良好的促抽瓦斯效果;综合可行性、经济成本和促抽瓦斯效果选定液态CO2爆破煤层注气为理想促抽瓦斯技术方案,并在亭南煤矿205工作面进行现场应用,爆破后注气抽采平均瓦斯抽采浓度提高2.57倍,瓦斯抽采纯量提高8.92倍,瓦斯抽采混量提高3.43倍。低透煤层液态CO2爆破增透注气促抽瓦斯技术的研究,对降低煤层增透成本、提高增透效果和瓦斯抽采效率具有现实意义,为低成本增透和强化瓦斯抽采技术的实施推广提供参考。
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