高压气爆实验系统的研究

陈 真，任志强，朱思源

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

煤层瓦斯微孔隙、低渗透性和高吸附性的特点，导致瓦斯抽采是世界性的难题，长期以来没有较好的解决方法。为了增强煤体内部瓦斯的增透效果和提高煤层瓦斯的抽采效率，国内外学者在提高煤体增透方面进行了大量的研究，并形成了一批先进科技成果。我国现主要采用深孔欲裂爆破以及水利切割等多种强化增透方法[1-2]来提高煤层裂隙扩展，提高煤体渗透性，促使煤层瓦斯更容易从煤体中释放出来，从而提高其抽采效率，同时消除煤体间的危险性[3-4]。现如今，采用强化的方法进行瓦斯的抽采，可以使钻孔的卸压范围扩大、煤体的透气性增加、瓦斯抽采效率增强[5-6]。除此之外，还有很多技术应用效果并不理想，而且有一定的局限性：① 炸药预裂爆破仍未根本解决长钻孔爆破的装药参数及封孔工艺，而且炸药审批困难，运输及储存受到严格管制。② 水力压裂对煤体封孔效果提出了较高的要求，由于压裂方向不可调控，容易形成新的压力增高范围。③ 水利冲孔容易引起巷道瓦斯超限，且对下向穿层钻孔煤层增透效果较弱。

为了使煤层瓦斯的抽采效果得到提高，学者们[7-13]进行了一系列高压气体爆破致裂煤层瓦斯增透机理的研究、高压气爆实验系统装置的研究、高压气体爆破增透工艺技术的应用等。根据已有研究成果，自行研制一套高压气体爆破实验系统，用来提高煤体内部的裂纹扩展，进而增强煤层瓦斯的抽采。除此之外，在某种程度上替代炸药爆破，并可应用于实际工程领域中。

1 高压气爆煤体致裂机理

高压气体爆破致使煤体产生裂纹的原因是气爆后产生的爆破冲击波、应力波以及大量的超高压气体相互促进的效果。首先，高速电磁阀开口打开，瞬间释放出的高压气体迸发出爆破冲击波，由于冲击波本身的特性，致使炮孔内壁近区煤体产生冲击变形。近似在炮孔内径的3倍左右，煤体发生强烈破坏并形成变形破碎区。然后，当超高压气体穿过煤体破碎区后，大量的冲击能量被削弱，致使爆破冲击波衰减为应力波，而应力波又在煤体内部四处流动。对煤体而言，其本身的动抗压强度远大于动抗拉强度，所以在应力波的冲击扰动下，煤体自身将产生拉伸破坏和压缩破坏。当气爆产生的切应力削弱到小于煤体本身的动抗拉强度时，裂纹将会终止扩展。最后，由于高压气体产生的尖劈效应，使煤体内部原始裂纹破坏，并继续向四周延伸，最终在炮孔附近形成裂隙网。气爆后煤体内部裂纹示意如图1所示。

A-破碎区；B-裂纹区；C-扰动区；R0-破碎区半径；R1-裂纹区半径图1 气爆后煤体内部裂纹示意

2 高压气体爆破实验装置

高压气体和地应力共同作用下含初始裂纹煤体的气爆实验系统主要包括储液系统、空气压缩机、增压系统、压力釜、电磁阀、高压气管等组成。高压气爆实验设备装置如图2所示。

图2 气爆实验系统设备示意

2.1 空气压缩机

高压空气压缩机采用的额定电压为220 V，输出功率为2.2 kW，排气量0.28 m3/min，排气压0.8 MPa，以及比功率为10 kW/(m3·min-1)的设备。将提前储备好处于自由状态下的气体，经过压缩，流经机组内的分离器和过滤器后，去除夹杂在高压气体中的水、油气和其他颗粒杂质，使排出的高压气体符合需要的相关标准，因此是安全可靠的高压气源补给系统。

2.2 增压泵

空气增压泵是适用于增强压力的工作中，能够将工作系统的高压气体按照对应比例1∶100进行继续提高，仅需要将系统内经空气压缩机压缩后的气体作为气源即可。当空气压缩机将输出的气体输送到增压泵中，增压泵的驱动端活塞向后方进行工作时，会把增压气体吸入泵中，这时泵内高压端出口的单向阀门关闭。反之，当驱动活塞向前方运作时，高压端的小活塞也会紧接着向前方进行运动。此时，高压开口阀门打开，进口阀门关闭，高压气体会从出口输出，直至压力达到平衡。

2.3 压力釜

压力釜作为一种超高压储气设备，不仅实现了工作系统中高压气体供给由不稳定、不连续向稳定连续气体供应转变的缓冲设备，连接于增压泵和高速电磁阀之间。而且该压力釜装置体积1 L，最大承压为80 MPa。可以为高压气体爆破实验提供大量的高压气体，避免了爆破试验中气体不足，无法达到预期理论结果并需要长时间加压的问题，实现高效连续的高压气体爆破实验，让整个工作系统可以维持持续正常工作。

2.4 高速电磁阀

高速电磁阀里有密闭的腔，当接通电源时，产生的电磁力会吸合先导孔阀芯，紧接着导孔会打开。主阀活塞上腔压力下降，在主活塞的上腔和下腔会形成上底下高的压力，这样下腔产生的压力会推动主活塞打开阀门；当断开电源时，弹簧的弹性力复位关闭先导孔。此时，在主活塞上腔继续增压，在主活塞上腔和下腔会形成上高下低的压力，高压气体的压力和弹簧的弹性力推动主活塞，阀会自动关闭。

3 高压气体爆破技术工艺流程

利用高压气体增压泵对经过高压空气压缩机压缩后的气体进行加压，然后通过高压气管将高压气体输送至高压气体储存装置中，紧接着高压气体会流入到高速电磁阀的管腔中，当高压气体压力达到所需试验的压力时，电磁阀的出口阀门会瞬间打开，产生的高压气体冲击波对炮孔附近的煤体进行冲击，形成大小不一但相互交错的裂隙网，以达到瓦斯抽采增效的目的。

4 结 语

(1)高压气体在炮孔内冲击作用下致使煤体产生裂纹，实际上是产生的高能爆破冲击波、应力波以及大量高压气体等因素相互作用下，煤体自身的裂纹发生延伸，最后生成交叉裂纹网。

(2)介绍了高压气体爆破技术的工艺流程，高压气体爆破设备实现了额定输出压力80 MPa的气爆工作。

(3)通过致使煤体产生大量的裂纹，煤体内部孔隙增加，瓦斯煤层的渗透率提高。