CO2致裂器深孔预裂增透数值模拟研究

CO2预裂爆破增透数值模拟初步工作探讨
一、数值模拟软件现状
目前数值模拟软件较多，在航天、岩土、汽车、化工等领域各有专用，针对现有课题研究，通过资料收集，现统计几种可行的软件，介绍如下：
（1）LS-DYNA:普遍采用的动力学有限元软件，具有炸药模型，爆破算例较多。

（2）FLAC：国内做的岩土的专用软件，采用有限差分法，但未发现爆破相关的模拟算例。

（3）UDEC:离散元软件，适合非连续介质力学计算，但与爆破相关的算例甚少。

（4）RFPA:国产的有限元软件（东北大学），较适合岩土损伤及流固耦合等基础理论研究，有相关算例。

二、课题研究机理简述
压缩气体爆破的机理研究甚少，且相对复杂，而目前国内对固体炸药爆破机理研究较多，有一定的认同度。

现采用人们普遍接受的“两段论”即爆炸冲击波所引起的应力波破碎和压缩气体膨胀做功共同作用理论：压缩CO2瞬间释放高压气体先向煤岩介质传播冲击波，它在孔壁周围形成密集的径向裂纹网（破碎圈），冲击波很快衰减形成应力波，应力波超前对介质深部进行损失，产生新的裂缝。

膨胀气体深入裂缝进行拉伸破坏，致使裂缝扩展、贯通。

三、模拟软件定型
针对以上研究机理，建议进行如下几步模拟研究：
（1）CO2起爆轰击破碎阶段，采用LS-DYNA软件；
（2）膨胀气体准静态做功致裂与扩展阶段，采用RFPA软件。

四、预计模拟计算可得结论
（1）定性指出CO2起爆的应力波/压力传递；
（2）可能实现CO2起爆冲击波破碎煤岩过程；
（3）通过RFPA准静态模拟，可得出单孔压裂与裂缝扩展；
（4）可以模拟多孔/控制孔产生裂隙相互扩展、贯通的影响过程；（5）可能实现低透气性煤层非线性渗流压力梯度模拟。

《超临界CO2气爆致裂低渗透煤体增透特性研究》篇一一、引言随着煤炭资源的日益紧张和开采难度的不断增加，低渗透煤体的开采成为煤炭工业面临的重要问题。

为了提高低渗透煤体的开采效率和产量，研究人员一直在探索各种有效的增透技术。

近年来，超临界CO2气爆致裂技术因其独特的物理化学性质，被广泛应用于低渗透煤体的增透研究中。

本文旨在研究超临界CO2气爆致裂低渗透煤体的增透特性，为该技术的应用提供理论依据和实践指导。

二、研究背景及意义低渗透煤体由于其孔隙度和渗透率较低，导致开采难度大、产量低。

传统的开采方法往往难以满足现代煤炭工业的需求。

超临界CO2气爆致裂技术作为一种新型的增透技术，具有独特的优势。

超临界CO2具有较高的扩散性和溶解性，能够有效地渗透到煤体内部，通过气爆作用致裂煤体，从而提高煤体的渗透性。

因此，研究超临界CO2气爆致裂低渗透煤体的增透特性，对于提高低渗透煤体的开采效率和产量，促进煤炭工业的可持续发展具有重要意义。

三、研究内容与方法本研究采用实验和数值模拟相结合的方法，对超临界CO2气爆致裂低渗透煤体的增透特性进行研究。

具体研究内容包括：1. 实验部分：首先，制备低渗透煤体样品，并进行基础物理性质和化学性质的测试。

然后，通过超临界CO2气爆致裂实验，观察煤体在气爆作用下的变化过程和增透效果。

同时，记录实验过程中的压力、温度等参数，为后续的数值模拟提供依据。

2. 数值模拟部分：建立低渗透煤体模型，运用流体力学和热力学理论，对超临界CO2在煤体内的扩散、溶解和气爆过程进行数值模拟。

通过模拟结果，分析超临界CO2气爆致裂的机理和增透效果。

3. 数据分析与讨论：对实验和数值模拟结果进行数据分析，讨论超临界CO2气爆致裂的影响因素和增透机制。

同时，对比不同条件下的增透效果，为实际应用提供指导。

四、实验结果与分析1. 实验结果通过超临界CO2气爆致裂实验，观察到低渗透煤体在气爆作用下的变化过程。

在气爆过程中，超临界CO2迅速渗透到煤体内部，通过物理和化学作用致裂煤体，形成更多的孔隙和裂缝。

24内蒙古水利2020年第12期（总第220) f分析研究]氧化碳在泄漏过程中对盖层裂隙影响的数值模拟研究杜晓峰，张志夫，邓腾林(水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特010020)[摘要]文章以鄂尔多斯盆地C02地质储存示范工程区为主要研究区，研究地层为二叠系上统石千 峰组（P3S)，应用数值模拟软件T0UGHREACT/EC02N,通过改变裂隙底部储存层中初始气体饱和度，模 拟研究区内C02在裂隙底部以固定压力方式泄漏过程中，C02 -咸水-岩石相互作用对盖层裂隙的影 响。

模拟结果将为C02地质储存技术（CGS)的发展提供具有实际意义的参考。

[关键词]C02泄漏；深部咸水;C02 -咸水-岩相互作用；数值模拟中图分类号:P641文章标识码：B文章编号：1009 - 0088 (2020)12 - 0024 - 031研究区域概况鄂尔多斯盆地c o2地质储存示范工程区范围109。

531~ llO K E JY lC T N ~39°3(TN。

属北温带 干旱半干旱大陆性气候,年平均气温为151左右，年 平均降雨量为358. 2 mm。

鄂尔多斯盆地为沉积盆地，沉积厚度可达数万米，二叠系上统石千峰组厚度为 291 m,底板埋深1 990 m。

研究区内主要为近水平的 沉积地层，无岩浆活动和变质构造，地质活动稳定，构 造单一，适合作为二氧化碳储存的场所。

2数值模拟方法2. 1模拟软件介绍及原理2.1.1 软件介绍TOUGHREACT2.0版本是201丨年由许天福等学 者发布，是在t〇U gh2的现有框架下耦合地球化学反应 模块,加人了考虑粘土的吸附解吸。

本文选用了针对 CGS技术中深部咸水层中二氧化碳，水，盐多相流混 合反应开发的EC02N模块，该模块通过建立的地质 模型，并输人模拟区域参数文件，热力学参数数据库，动力学参数数据库以及C02TAB文件，使地球深部的 地球化学反应的结果得到较为准确的反应。

低渗透高瓦斯煤层液态二氧化碳相变致裂增透数值模拟研究王崇勋
【期刊名称】《中国煤层气》
【年(卷),期】2018(15)5
【摘要】针对低渗透高瓦斯煤层瓦斯高效抽采是制约煤炭工业安全与可持续发展的难题,提出不受煤层赋存条件影响及本质安全型的液态二氧化碳相变致裂增透技术.通过理论分析得出液态二氧化碳气爆致裂煤层的增透机理,并推导得出了气爆应力波引起的煤体初始裂隙长度的数学模型.运用数值模拟分析得出了气爆增透煤层影响半径与不同地应力时非线性指数关系式为R=8.7788e-0.034σ;同时还得出气爆增透煤层影响半径与煤体自身坚固性系数呈类抛物线趋势,煤的坚固性系数为1.15左右时增透效果最优.
【总页数】4页(P21-24)
【作者】王崇勋
【作者单位】山西煤炭运销集团长治有限公司,山西046000
【正文语种】中文
【相关文献】
1.液态二氧化碳致裂增透技术在下沟煤矿的应用 [J], 邹德龙;王岩;刘东;李鑫;赵海波;崔宏磊
2.高瓦斯低渗透煤层切槽致裂增透机理及数值模拟研究 [J], 李耀谦;张俭
3.低渗透性煤层CO2相变致裂增透规律及应用 [J], 王宗明;衡献伟;钱国辉;蒋欣恒;陈廷全
4.低透气性高瓦斯煤层CO2相变致裂强化增透技术 [J], 王文林; 王方田; 耿继业
5.高瓦斯煤层干胀致裂增透技术试验研究 [J], 张龙;吴爱军;王辉;刘文
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收稿日期：２０１８?０８?２２作者简介：杨亮煜（１９８９－），男，山西襄垣人，助理工程师，从事煤矿瓦斯治理工作。

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－２７９８．２０１９．０２．０１９ＣＯ２爆破预裂增透试验研究杨亮煜（潞安环能股份公司常村煤矿，山西长治　０４６１０２）摘　要：影响瓦斯抽采效果的主要因素是煤层透气性，为提高瓦斯抽采效果，常村煤矿实施了ＣＯ２爆破预裂增透技术，通过构建ＡＮＳＹＳ３Ｄ数学模型，研究不同应力下应力波在煤体中的传播范围，分析主裂隙及次生裂隙的发育。

现场实践证明，在抽压应力、爆破应力作用下煤层裂隙发育具有明显差异，抽采纯量显著提高，为常村煤矿瓦斯治理提供了指导。

关键词：ＣＯ２爆破预裂；煤层透气性；抽采效果中图分类号：ＴＤ２３５．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００５?２７９８（２０１９）０２?００４６?０２ ＣＯ２预裂爆破成缝的机理，国内外许多学者进行了系统而深入的探究，而且取得了许多突破性的进展，从不同方向上解释爆破裂隙生成、发展、形成的规律［１］。

煤与瓦斯突出事故发生的潜在因素是由于作业面前方煤体所处的力学状态，即卸压带、集中应力带与原始应力带，集中应力带包括破裂带与弹性带两部分［２］。

处于卸压带时，地应力与瓦斯压力值均小于煤体应力原始值，作为消除突出的防护带存在；位于集中应力带时，径向应力小于原始地应力数值，切向应力大于原始地应力，煤层气体流动性降低，当煤体有煤与瓦斯突出危险性时，瓦斯流动受阻难以释放，煤体中存在高压力的瓦斯，一旦暴露就可能导致突出事故的发生［３－４］。

１　ＣＯ２致裂增透结构装置与特性１．１　ＣＯ２致裂增透装置液态ＣＯ２致裂增透技术的主要优点是：致裂威力大、无火花外露、方法安全、效果显著。

液态ＣＯ２原料属于常压低温或常温高压产品，具有成本低、运输、存储、使用方便的优点，普遍应用于煤矿瓦斯治理与火灾治理。

ＣＯ２致裂增透装置主要由储液管、加热管、释放管、定压泄能片和注液阀等部件组成，如图１所示。

煤与瓦斯突出煤层CO2相变致裂增透技术试验研究摘要：现阶段中国煤层强化增透技术主要包括开采保护层、深孔预裂爆破、水力压裂、水力冲孔（割缝）和密集钻孔等，但由于部分技术措施的条件和工艺不完善，煤层的增透效果并不理想。

近年来，液态CO2相变裂解技术作为一种新的技术手段，已经应用于煤矿开采、顶板爆破、增透等技术领域。

液态CO2相变破裂技术作为一种物理爆破方法，克服了传统炸药易产生火花、高压爆轰、易破坏、危险性高的缺点。

关键词：CO2相变致裂；煤层增透；影响半径；抽采效果；瓦斯抽采；对车集煤矿煤层瓦斯压力较高、透气性差、瓦斯预抽难度大等问题，提出了在二2煤层进行CO2相变致裂增透技术试验。

进行了CO2相变致裂技术原理和CO2致裂装置研究，设计了CO2相变致裂增透影响半径试验方案和CO2相变致裂增透瓦斯抽采效果试验方案。

一、CO2相变致裂增透技术1.CO2相变致裂增透技术原理。

CO2在低于31℃、压力大于7．35MPa时以液态存在，而超过31℃时开始气化，且随温度的变化，CO2的压力也不断变化。

利用这一特点，在致裂器主管内充装液态CO2，使用发爆器快速激发加热装置，液态CO2瞬间气化膨胀并产生高压，体积膨胀600倍以上，当气化后的CO2压力达到定压泄能片的极限强度时（可设定压力），定压泄能片破断，高压气体从放气头释放，作用在煤（岩）体上，从而达到致裂的目的。

液态CO2相变致裂过程属于高压气体冲击波对其周围煤体的破坏作用，致裂启动后加热管经脉冲高压电击催化反应产生热量，将液态气体瞬间转化为气体，并冲破致裂筒顶端的破裂片经过释放筒定向地作用到致裂孔周边煤体上。

当高压气体冲击波产生的应力大于煤体的极限抗压强度时，煤体将在强应力作用下发生压缩破坏变形，形成裂隙高度发育的压实区；随后，产生的高压气体将沿裂隙进入煤体深部，经气楔的作用将使裂隙向深处发育，整个作用区可分为冲击波直接作用区、压实区和裂隙发育区。

另外煤体对二氧化碳的吸附性远高于对瓦斯的吸附性，使得爆破后的二氧化碳能够滞留，且驱替出大量煤体吸附的瓦斯。

《超临界CO2气爆致裂低渗透煤体增透特性研究》篇一一、引言随着煤炭资源的日益紧缺和开采难度的增加，低渗透煤层的开采成为煤炭工业面临的重要问题。

超临界CO2气爆技术作为一种新型的煤层增透技术，在低渗透煤体开采中具有广泛的应用前景。

本文旨在研究超临界CO2气爆致裂低渗透煤体的增透特性，以期为低渗透煤层的有效开发提供理论支持和技术指导。

二、研究背景及意义低渗透煤层因其储层物性差、开采难度大，一直是煤炭工业的难题。

传统的开采方法往往效率低下，难以满足生产需求。

而超临界CO2气爆技术作为一种新型的煤层增透技术，具有操作简便、成本低廉、效果显著等优点，对于提高低渗透煤层的开采效率和资源利用率具有重要意义。

因此，研究超临界CO2气爆致裂低渗透煤体的增透特性，对于推动煤炭工业的可持续发展具有重要意义。

三、研究内容与方法本研究采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，对超临界CO2气爆致裂低渗透煤体的增透特性进行研究。

具体研究内容与方法如下：1. 理论分析：通过查阅相关文献和资料，了解超临界CO2气爆技术的基本原理和特点，分析其在低渗透煤体增透中的应用。

2. 实验研究：设计并开展超临界CO2气爆实验，观察并记录实验过程中煤体的变化情况，分析超临界CO2气爆对低渗透煤体的致裂效果。

3. 数值模拟：利用数值模拟软件，建立低渗透煤体模型，模拟超临界CO2气爆过程，分析气爆过程中煤体的应力、应变及裂纹扩展等情况。

四、实验结果与分析1. 超临界CO2气爆实验结果：通过实验观察，发现超临界CO2气爆能够有效致裂低渗透煤体，增加煤体的透气性和开采效率。

2. 数值模拟结果：数值模拟结果表明，超临界CO2气爆过程中，煤体内部产生较大的应力波和裂纹扩展，有效改善了煤体的渗透性能。

3. 增透特性分析：超临界CO2气爆通过在煤体内部产生高压和高速冲击波，使煤体发生破碎和裂纹扩展，从而增加煤体的透气性和开采效率。

同时，超临界CO2还能在一定程度上降低煤体内部的气体吸附和扩散阻力，进一步提高煤体的增透效果。

《超临界CO2气爆致裂低渗透煤体增透特性研究》篇一一、引言在煤炭开采与开发领域，低渗透性煤体始终是一个具有挑战性的难题。

由于其低渗透性，导致煤炭开采效率低下，资源利用率不高。

近年来，随着超临界CO2技术的不断发展，其在煤体增透方面的应用逐渐受到关注。

本文旨在研究超临界CO2气爆致裂技术对低渗透煤体的增透特性，为优化煤炭开采和利用提供理论支持。

二、研究背景及意义低渗透性煤体由于其渗透率低，储层中气体和液体的流动受阻，导致开采效率低下。

为了提高煤体的开采效率和资源利用率，需要对低渗透煤体进行增透处理。

超临界CO2技术因其具有无毒、环保、低成本等优点，在煤体增透方面具有广泛的应用前景。

通过研究超临界CO2气爆致裂技术对低渗透煤体的增透特性，可以为优化煤炭开采和利用提供理论支持，同时为相关领域的研究提供借鉴。

三、研究内容与方法（一）研究内容本研究主要针对超临界CO2气爆致裂技术对低渗透煤体的增透特性进行研究。

首先，分析超临界CO2气爆致裂技术的原理和特点；其次，通过实验研究不同条件下超临界CO2气爆致裂对低渗透煤体的影响；最后，分析实验结果，总结超临界CO2气爆致裂技术对低渗透煤体增透特性的规律。

（二）研究方法本研究采用实验研究和理论分析相结合的方法。

首先，通过文献调研和理论分析，了解超临界CO2气爆致裂技术的原理和特点；其次，设计实验方案，采用不同参数下的超临界CO2气爆致裂处理低渗透煤体；最后，通过分析实验结果，总结出超临界CO2气爆致裂技术对低渗透煤体增透特性的规律。

四、实验设计与实施（一）实验材料与设备实验材料为低渗透性煤体，实验设备包括超临界CO2气爆致裂装置、压力传感器、温度传感器、煤样取样器等。

（二）实验方法与步骤1. 制备煤样：取低渗透性煤样进行加工制备，保证煤样的均匀性和可重复性。

2. 设置实验参数：根据不同的研究目的和需求，设置不同的超临界CO2气爆致裂参数，如压力、温度、时间等。

3. 进行实验：将制备好的煤样放入超临界CO2气爆致裂装置中，按照设定的参数进行实验。

液态二氧化碳相变爆破裂纹扩展规律研究及应用液态二氧化碳相变爆破是一种运用物理爆破来对低透气性煤层进行增透的方法,具备安全环保、操作简单、适用范围广的特点。

通过对井下进行相变爆破,煤体透气性大幅度提高,瓦斯得到释放,工作面突出可能性降低。

同时,二氧化碳对瓦斯的驱替作用,可以有效提高瓦斯抽采水平。

本文采用理论分析、数值模拟、现场试验等方法,对液态二氧化碳爆破能量、爆破裂纹扩展机理、爆破裂纹扩展规律以及煤层深孔相变爆破增透效果等进行了系统的研究,主要取得以下研究成果:(1)结合二氧化碳的相态特性,分析了相变爆破过程的能量变化,利用R-K-S气体状态方程计算了高压气体的膨胀功与相变爆破设备的爆炸能量。

(2)结合爆破理论与断裂力学,分析了液态二氧化碳相变爆破裂纹扩展机理,计算了高压二氧化碳冲击形成的应力波造成的粉碎区、裂隙区范围,根据宏观裂纹的有效应力强度因子,研究了高压二氧化碳作用下裂纹动态扩展机理。

在准静态应力场分析的基础上,研究了高压气体作用下中远区裂纹二次扩展的形成条件。

(3)基于SPH计算方法,建立了煤体气爆损伤模型,模拟了单孔液态二氧化碳相变爆破的爆破过程,研究了煤体气爆破坏机理,确定了相变爆破的爆破半径,得到了爆破过程钻孔周围粉碎区形成、径向裂纹萌生与扩展规律。

(4)利用SPH算法建立煤体气爆数值模型,研究了孔间相互作用爆破裂纹的形成与扩展规律。

结合理论计算与数值模拟,得到了双孔爆破合理孔间距。

通过研究控制孔对裂纹的导向作用机理和模拟有控制孔作用的双孔爆破,分析了控制孔对裂纹扩展规律的影响。

根据对不同布孔方式下裂纹扩展规律的分析,梅花形布孔爆破能量分布均匀,降低了爆破能量的重复利用率,减弱了应力集中作用,使得钻孔周围的裂纹能够充分发展,可以取得较好的爆破效果。

(5)通过在龙凤煤矿进行煤层深孔相变爆破增透试验,试验表明,液态二氧化碳爆破具有安全高效、操作简单、无污染,且煤层增透效果显著等特点。