Study on effective influence radius of liquid CO2 phase transition fracturing in high drainage roadway of deep coal seam
本研究结合理论、数值及现场方法，确定了液态CO2相变破裂在等效TNT质量为450克时，可在深部煤层中有效实现21.08–30.16米的影响半径，并建议采用5米的钻孔间距，以显著增强高气量、低渗透性环境下的气体开采。
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在深层地下，由于地壳的重量以巨大的压力向下挤压，煤层中往往蕴藏着大量的天然气。在这些深层、高压的环境中，煤炭本身被压得极其紧密，导致气体无法自由流向地面。这为矿工们制造了危险的情况，因为被困的气体可能会突然爆发，形成被称为“突涌”的剧烈爆炸。为了防止这些灾难并安全地提取这些作为燃料的气体，工程师必须首先将煤炭破碎，以创造气体逃逸的通道。然而，传统的破岩方法往往过于粗放或对于这些脆弱且富含气体的煤层而言过于危险。科学家们一直在寻找一种既能有效破碎煤炭，又不会带来传统炸药相关风险的方法，寻求一种既有足够力量裂开岩石，又足以控制在矿井环境中安全的手段。
在最近的一项研究中，来自中国一家煤炭开采公司和一所大学的研究人员调查了一种被称为“液态二氧化碳相变压裂”的技术。这种方法使用一根装满液态二氧化碳的特制管子。当加热时，液体会迅速转化为气体，并产生巨大的膨胀力。这种膨胀会在管内积聚压力，直到管端的一个预设的小金属片破碎。一旦金属片破裂，高压气体就会瞬间释放，产生冲击波从而使周围的煤炭开裂。研究人员想要确切了解这种裂缝效果能达到多远。如果他们知道冲击力传播的精确距离，他们就能以完美的间隔布置钻孔，以确保整个煤层区域都被破碎，从而使气体能够高效排放，而不会浪费能量或留下危险的气体残留。
为了回答这个问题，团队结合了三种不同的方法：数学计算、计算机模拟和深矿实地测试。首先，他们计算了装置释放的能量。他们发现，爆炸的强度取决于承受压力的金属片的厚度。较厚的金属片需要更高的压力才能破碎，从而导致更强大的气体释放。通过测量这些金属片的厚度，研究人员可以确定释放的精确能量，并以标准炸药（TNT）的等效重量来表示。他们发现，通过将金属片厚度从3.5毫米增加到5.5毫米，能量从大约相当于117克TNT的水平增加到了超过220克。
有了这些能量值后，团队转向计算机模型来可视化煤层内部发生的情况。他们创建了一个煤层的数字模型，并模拟了气体释放的瞬间。模拟显示，冲击波从孔洞向外传播，在靠近源头的地方创造了一个剧烈破坏区，并在远离源头的较远区域创造了一个更广泛的微小裂缝区。计算机结果表明，最显著的破坏发生在半径约5米的范围内，该区域内的煤炭被彻底粉碎。在这一直接区域之外，裂缝继续蔓延，但密度变得较低。模拟表明，在使用较小的能量载荷时，煤炭被充分破碎的有效区域延伸至离孔洞约15米处。当他们增加能量载荷时，这个有效区域增长到了近18米。
为了验证这些计算机预测，研究人员将他们的方法带到了实际矿井中，具体是在平顶山天安煤矿区的一个深部巷道内。该矿区位于近1,000米深的地下，那里的煤炭承受着巨大的压力并含有高水平的气体。他们钻了一系列孔，并安装了液态二氧化碳装置。在一组测试中，他们使用了相当于300克TNT的载荷，在另一组测试中，他们使用了相当于450克TNT的载荷。在引爆载荷后，他们监测了不同距离附近排水孔的气体流量，以观察气体排采情况得到了多少改善。
实地测试证实了该技术是有效的，但现实世界的结果甚至比计算机模型的预测还要令人印象深刻。当使用300克等效载荷时，研究人员观察到，在距离破碎孔16.59至23米之间的孔洞中，气体排采情况得到了显著改善。当他们将载荷增加到450克时，有效范围进一步扩大，达到了21.08至30.16米。这意味着，通过仅仅在孔中增加一根液态二氧化碳管，他们就将有效影响半径增加了约30%。数据显示，在这些区域内，气体流量大幅增加，证明煤炭已被成功破碎以允许气体逃逸。
研究结论指出，对于低渗透性的深层煤层，使用较高的能量载荷是最有效的策略。研究人员建议将钻孔间距设置在约5米，并使用相当于450克TNT的载荷。这种组合能确保相邻孔洞的破碎区相互重叠，从而创建一个连续的裂缝网络，实现最大程度的气体排采。虽然计算机模拟提供了一个有用的下限估计，但实际的实地测试表明，该技术能够影响比最初计算的更大的区域。这一发现为矿井工程师提供了一个清晰且实用的指南：通过调整压裂装置的能量和钻孔间距，他们可以安全且高效地解锁深层、最困难的煤层中所蕴藏的气体。
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