CN109801682A - 一种基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型构造方法，计算拟等效单孔液态二氧化碳相变致裂时释放的爆炸能量；基于爆炸能量相等，将单孔液态二氧化碳相变致裂爆源等效为单孔柱状耦合装药的炸药爆源，并求出所选炸药类型的当量质量；计算煤体经液态二氧化碳相变致裂后的破碎区半径；求解煤体经液态二氧化碳相变致裂后的裂隙区半径，根据上述步骤得到等效炸药模型的装药半径和装药高度。利用该方法构造的炸药模型不仅同被等效的液态二氧化碳相变致裂模型具有同等的爆炸能量，还具有同等的致裂半径范围，且采用等效炸药模型对液态二氧化碳相变致裂机理进行深一步的理论或数值模拟分析时具有更强的可操作性。

Description

一种基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型构造 方法

技术领域

本发明属于二氧化碳相变致裂技术领域，尤其涉及一种基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型构造方法。

背景技术

相比传统的炸药化学爆破，液态二氧化碳的相变爆破致裂技术具有安全性高、工艺简单、可控性强和致裂效果好等优点，近些年在煤炭开采领域尤其在提高煤层致裂增透效果和瓦斯抽采效率方面得到较为广泛的应用。高压气体致裂机理还处在探索性研究阶段，目前没有形成统一的理论模型来系统地分析和准确地量化评价含瓦斯煤体的二氧化碳相变致裂能量消耗、损伤演化过程和致裂效果。因炸药爆炸机理相对成熟，很多学者尝试采用炸药爆炸机理解释液态二氧化碳的相变致裂作用过程，其中包括将液态二氧化碳爆破当量为爆炸能量相等或爆生气体体积相等的炸药爆破，研究仅限定量出等效质量或等效体积的炸药，并没有进一步研究分析出具体的炸药模型。液态二氧化碳物理爆破致裂过程有明显异与炸药化学爆破致裂过程的特征，简单地同能量等效或同体积等效只关注了其中一项特征，等效出来的炸药模型无法准确地分析煤层致裂领域最为关注的致裂增透效果。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型构造方法，利用该方法构造的炸药模型不仅同被等效的液态二氧化碳相变致裂模型具有同等的爆炸能量，还具有同等的致裂半径范围，且采用等效炸药模型对液态二氧化碳相变致裂机理进行深一步的理论或数值模拟分析时具有更强的可操作性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型构造方法，包括如下步骤：

S1：根据所选液态二氧化碳致裂器，计算拟等效单孔液态二氧化碳相变致裂时释放的爆炸能量E；

S2：基于爆炸能量相等，将单孔液态二氧化碳相变致裂爆源等效为单孔柱状耦合装药的炸药爆源，并求出所选炸药类型的当量质量M；

S3：求解煤体经液态二氧化碳相变致裂后的破碎区半径r_c；

S4：根据破碎区半径r_c，求解煤体经液态二氧化碳相变致裂后的裂隙区半径r_f；

S5：将步骤S4得到的裂隙区半径r_f代入柱状耦合装药条件下装药半径求解模型中，得到等效炸药模型的装药半径r和装药高度h：

其中：

ρ₀、ρ分别为炸药和煤体的密度，Kg/m³；

C_p为煤体的纵波波速，m/s；

D₀为炸药的爆速，m/s；

σ_td为煤层的动态抗拉强度，MPa；

σ_cd为煤层的动态抗压强度，MPa；

α₁为煤层的冲击波衰减指数，

α₂为煤层的应力波衰减指数，

λ为侧应力系数，

μ为煤层的泊松比。

进一步的，爆炸能量E的求解公式为：

其中，P₁为液态二氧化碳致裂管释放的压力，MPa；V为储液管的体积，L；k为二氧化碳气体的绝热系数，k＝1.295；P₀为标准大气压，取P₀＝0.1013MPa。

进一步的，所选炸药类型的当量质量M的求解公式为：

其中，Q_E为1Kg所选类型炸药的爆炸能，KJ/Kg。

进一步的，破碎区半径r_c的采用如下公式进行求解：

其中，P₁为液态二氧化碳致裂管释放的压力，MPa；σ_cd为煤层的动态抗压强度，MPa；α₁为煤层的冲击波衰减指数，μ为煤层的泊松比；r₁为液态二氧化碳致裂器的钻孔半径，m。

进一步的，裂隙区半径r_f采用如下公式进行求解：

其中，λ为侧应力系数，σ_td为煤层的动态抗拉强度，MPa；α₂为煤层的应力波衰减指数，

进一步的，步骤S4中煤体经液态二氧化碳相变致裂后的裂隙区包括破碎区。

进一步的，等效炸药模型为TNT炸药模型。

则基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型为装药半径为r、装药高度为h的柱状耦合装药模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)采用本发明所构造出的等效炸药模型不仅实现了液态二氧化碳相变致裂能量的等效，同时在煤层致裂领域最为关注的致裂效果方面实现了致裂范围等效，有助于借鉴炸药爆破理论和技术研究成果来进一步研究液态二氧化碳相变致裂机理。

(2)本发明构造出了具有具体装药半径和装药高度的柱状耦合装药炸药模型，为开展液态二氧化碳相变致裂相关理论分析或数值模拟研究时输入具体等效模型信息提供了可操作性。

(3)本发明量化了含有具体参数的单孔液态二氧化碳相变致裂煤层的能力，对液态二氧化碳爆破工程方案设计和参数优化具有重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

根据炸药爆炸机理，柱状耦合装药条件下单孔炸药爆炸形成的裂隙区半径r_f'满足如下关系式：

其中：ρ0、ρ分别为炸药和煤体的密度，Kg/m³；C_p为煤体的纵波波速，m/s；D₀为炸药的爆速，m/s；σ_td为煤层的动态抗拉强度，MPa；σ_cd为煤层的动态抗压强度，MPa；σ_R为破碎区与裂隙区交界处的径向应力；α₁为煤层的冲击波衰减指数，α₂为煤层的应力波衰减指数，λ为侧应力系数，μ为煤层的泊松比；r为炸药的装药半径。

进一步推出：

破碎区与裂隙区交界处的径向应力σ_R可表示为如下形式：

将公式(9)代入公式(8)，可得出柱状耦合装药条件下装药半径求解模型：

本发明提出一种基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型构造方法，采用本发明所构造出的等效炸药模型不仅实现了液态二氧化碳相变致裂能量的等效，同时在煤层致裂领域最为关注的致裂效果方面实现了致裂范围等效，有助于借鉴炸药爆破理论和技术研究成果来进一步研究液态二氧化碳相变致裂机理，包括如下步骤：

步骤一：根据所选液态二氧化碳致裂器，计算拟等效单孔液态二氧化碳相变致裂时释放的爆炸能量E(单位：KJ)：

其中，P₁为液态二氧化碳致裂管释放的压力，MPa；V为储液管的体积，L；k为二氧化碳气体的绝热系数，k＝1.295；P₀为标准大气压，取P₀＝0.1013MPa。

步骤二：基于爆炸能量相等，将单孔液态二氧化碳相变致裂爆源等效为单孔柱状耦合装药的炸药爆源，并求出所选炸药类型的当量质量(单位：Kg)：

其中，Q_E为1Kg某类型炸药的爆炸能，KJ/Kg。

步骤三：计算煤体经液态二氧化碳相变致裂后的破碎区半径r_c(单位：m)：

其中，P₁为液态二氧化碳致裂管释放的压力，MPa；σ_cd为煤层的动态抗压强度，MPa；α₁为煤层的冲击波衰减指数，μ为煤层的泊松比；r₁为液态二氧化碳致裂器的钻孔半径，m。

步骤四：计算煤体经液态二氧化碳相变致裂后的裂隙区(包括破碎区)半径r_f(单位：m)：

其中，λ为侧应力系数，σ_td为煤层的动态抗拉强度，MPa；α₂为煤层的应力波衰减指数，

步骤五：将步骤四中煤体经液态二氧化碳相变致裂后的裂隙区半径r_f替换公式(10)中的柱状耦合装药条件下单孔炸药爆炸形成的裂隙区半径r_f'，得到等效炸药模型的装药半径r：

步骤六：最后计算出等效炸药模型的装药高度h(单位：m)：

则基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型为装药半径为r、装药高度为h的柱状耦合装药模型。

实施例

一种基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型构造方法，包括如下步骤：

步骤一：若拟等效对象为井下常用的MZT275-51/1000型液态二氧化碳致裂器(钻孔半径为30mm)：储液管长度为1.0m，储液管外径51mm，储液管容积为1.32L，液态二氧化碳充装质量为0.7Kg，释放压力为275MPa。根据公式(3)计算出拟等效液态二氧化碳相变致裂时释放的爆炸能量：E＝1027.3KJ。

步骤二：基于爆炸能量相等，将步骤一中的单孔液态二氧化碳相变致裂爆源等效为单孔柱状耦合装药的TNT炸药爆源(爆炸能Q_E＝4250KJ/Kg)，根据公式(4)求出TNT炸药的当量质量：M＝0.2417Kg。

步骤三：取某致裂煤层的力学参数为：σ_cd＝20MPa、σ_td＝0.5MPa、μ＝0.31、ρ＝1400Kg/m³、C_p＝1600m/s，根据公式(5)计算出该煤体经液态二氧化碳相变致裂后的破碎区半径：r_c＝0.0875m。

步骤四：根据公式(6)进一步计算出该煤体经液态二氧化碳相变致裂后的裂隙区(包括破碎区)半径：r_f＝3.0545m。

步骤五：取TNT炸药的材料参数：ρ₀＝1630Kg/m³、D₀＝6930m/s，根据公式(1)计算出等效炸药模型的装药半径：r_b＝0.0243m。

步骤六：最后根据公式(2)计算出等效炸药模型的装药高度：h＝0.0798m。

则基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的TNT炸药模型为装药半径为24.3mm、装药高度为79.8m m的柱状耦合装药模型。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型构造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据所选液态二氧化碳致裂器，计算拟等效单孔液态二氧化碳相变致裂时释放的爆炸能量E；

S2：基于爆炸能量相等，将单孔液态二氧化碳相变致裂爆源等效为单孔柱状耦合装药的炸药爆源，并求出所选炸药类型的当量质量M；

S3：求解煤体经液态二氧化碳相变致裂后的破碎区半径r_c；

S4：根据破碎区半径r_c，求解煤体经液态二氧化碳相变致裂后的裂隙区半径r_f；

S5：将步骤S4得到的裂隙区半径r_f代入柱状耦合装药条件下装药半径求解模型中，得到等效炸药模型的装药半径r和装药高度h：

其中：

ρ₀、ρ分别为炸药和煤体的密度，Kg/m³；

C_p为煤体的纵波波速，m/s；

D₀为炸药的爆速，m/s；

σ_td为煤层的动态抗拉强度，MPa；

σ_cd为煤层的动态抗压强度，MPa；

α₁为煤层的冲击波衰减指数，

α₂为煤层的应力波衰减指数，

λ为侧应力系数，

μ为煤层的泊松比。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：爆炸能量E的求解公式为：

其中，P₁为液态二氧化碳致裂管释放的压力，MPa；V为储液管的体积，L；k为二氧化碳气体的绝热系数，k＝1.295；P₀为标准大气压，取P₀＝0.1013MPa。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所选炸药类型的当量质量M的求解公式为：

其中，Q_E为1Kg所选类型炸药的爆炸能，KJ/Kg。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：破碎区半径r_c采用如下公式进行求解：

其中，P₁为液态二氧化碳致裂管释放的压力，MPa；σ_cd为煤层的动态抗压强度，MPa；α₁为煤层的冲击波衰减指数，μ为煤层的泊松比；r₁为液态二氧化碳致裂器的钻孔半径，m。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：裂隙区半径r_f采用如下公式进行求解：

其中，λ为侧应力系数，σ_td为煤层的动态抗拉强度，MPa；α₂为煤层的应力波衰减指数，

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：等效炸药模型为TNT炸药模型。