二氧化碳切槽定向致裂机理及实验研究

摘要

二氧化碳致裂技术是一种专为高瓦斯矿井研制的新型物理“冷”爆致裂技术，比传统水力压裂、化学炸药爆破安全性高、威力大、操作简便、绿色环保等优点，更容易适应井下环境。目前国内外对该技术的致裂机理、影响范围、致裂当量、裂纹分布等方面进行了理论、实验、实践试验研究，在高瓦斯矿井提高煤层透气性、工作面预裂消突、顶板上隅角治理、顶煤弱化等煤矿安全领域得到了广泛的认可。对二氧化碳致裂技术研究还是将其视为一种常致裂手段，其应用方面的研究还不够细化。本文以矿井无煤柱开采切顶成巷顶板控制技术对定向爆破的安全性、断裂精准性、围岩稳定性方面的要求，借鉴切槽定向技术在水力压力和化学炸药爆破技术中成功结合的经验，提出二氧化碳切槽定向致裂技术，并进行了理论分析和实验研究。 首先，对现阶段国内外二氧化碳致裂技术的研究成果进行总结，将二氧化碳致裂技术与化学炸药、水力压裂技术进行了简要对比，二氧化碳致裂能量主要来源于气化的高能二氧化碳的动态冲击作用和气体准静态压力，计算了1kg液态二氧化碳相当于220gTNT当量，起裂后体积增加500多倍，致裂范围主要分为压碎区、裂隙区、震动区，说明二氧化碳致裂技术与化学炸药爆破除工作原理不同外，致裂能量、致裂效果方面在很大程度相似，为二氧化碳切槽定向技术的提出提供理论依据。 其次，运用切槽定向控制理论、断裂力学理论为依据，建立了二氧化碳切槽定向断裂的力学几何模型，分析了二氧化碳致裂切槽孔时，切槽对应力波、二氧化碳准静态压力在切槽尖端的应力集中作用和切槽根部的裂纹抑制作用，同时计算了切槽尖端的应力强度因子，分析了切槽对裂纹起裂、扩展规律的影响。理论分析表明:采用对圆形孔切槽的方法，可以实现二氧化碳致裂过程中裂纹的定向控制、保护围岩的目的。 以理论分析为基础上，制定详细的实验方案，搭建二氧化碳定向致裂实验系统，采用圆形孔和切槽孔的水泥砂浆模型对理论研究进行实验验证。实验结果表明：切槽减少了圆形孔裂纹数量、改变了分布形态，变为沿槽线方向的一条裂纹，切槽使孔壁强度降低和应力集中作用，使试块起裂压力降低为圆形孔的50％，当致裂压力相同时，由于切槽对能量的集中作用，应力波呈现出明显的方向性，槽线方向应变峰值显著增高，衰减幅度降低。实验研究和理论分析结果相符，表明运用二氧化碳致裂切槽孔的方法可以控制裂纹扩展方向，达到定向破断、保护围岩的目的。 最后，利用二氧化碳定向致裂实验系统对不同切槽参数（角度、深度）试块进行致裂实验，对比不同致裂效果、起裂压力、应变峰值等数据，得出了最佳的切槽参数：角度60°且深度2?3 R，致裂效果最好且工艺简便。

目录

005