Research on mechanism of fracture formation, pressure relief, and permeabilityenhancement with composite technology of cavitation and CO2-frac
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摘要:
我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重，目前增透主要采用静力型技术和动力型技术，不同程度地解决了瓦斯治理难题。为获得更好的复合造缝卸压增渗效果，开发出造穴−气相压裂复合技术，综合采用185 MPa高压力CO2冲击煤样、数值模拟、光纤应变监测3种技术手段，研究造穴−气相压裂复合技术的瓦斯治理机理。结果表明：①煤样在CO2气相压裂应力波作用下，在煤基质表面新形成损伤坑（DM）和三翼型裂隙（TRW）典型显微构造。②煤层在静力型和动力型荷载复合作用下近钻孔中心范围内煤层中原始的裂隙被重新打开，形成以钻孔为中心的放射状多尺度、张剪性破坏为主的裂缝，该裂缝能够充分均化应力集中区，并使得煤层产生不可逆的破坏，其应力扰动范围为24 m。③在有效的气相压裂−造穴复合技术影响范围内，造穴孔有助于提高气相压裂应力波的能量利用效率，避免能量耗散在无效的震动区，充分导通压裂孔与造穴孔多尺度裂缝，使得煤层裂缝区域范围大、连续性强、卸压充分。研究为解决煤层低渗、难抽、高地应力的问题提供了参考。
Abstract:Coal mine disasters caused by coal and gas outbursts are severe in China. Currently, static and dynamic technologies are mainly used to address the difficult gas control problem. The gas control mechanism of the composite technology of cavity making and gas phase fracturing is studied by comprehensively using three technical methods: 185 MPa high pressure CO2 impact coal sample, numerical simulation, and fiber optic strain monitoring. The research results indicate that ① under the action of CO2 gas phase fracturing stress waves, typical microstructures such as damage pits (DM) and three wing cracks (TRW) are newly formed on the surface of the coal matrix in coal samples. ② Under the action of static and dynamic loads, the original fractures in the coal seam within the range near the borehole center are reopened along the direction of vertical fracture, forming a radial multi-scale, tensile-dominant fracture with the borehole as the center. The fracture can fully equalize stress concentration zones and cause irreversible damage to the coal seam, with a stress disturbance range of 24 m. ③ Within the influence range of effective gas phase fracturing hole making composite technology, hole making holes help to improve the energy utilization efficiency of gas phase fracturing stress waves, avoid energy dissipation in ineffective vibration areas, fully connect the multi-scale fractures of the fracturing hole and hole making hole, making the coal seam fracture area wide, continuous, and fully depressurized, which fundamentally solves the problem of low permeability, difficult extraction, and high ground stress in the coal seam.
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0. 引 言
我国瓦斯灾害频发，瓦斯爆炸和突出是我国煤矿井下安全生产面临的最大挑战。造成我国瓦斯灾害频发的主要原因有2个方面：一方面，我国煤田地质构造复杂，普遍存在构造煤，煤层具有低渗透性、难抽采和易发生煤与瓦斯突出等显著特征；另一方面，随着采掘深度增加、地应力增大和渗透率进一步降低，瓦斯压力和瓦斯含量不断增加，瓦斯治理难度增大，效率降低，瓦斯灾害日益严重，严重制约了煤矿采掘的合理接替和安全高效开采。瓦斯高效抽采是治理瓦斯灾害的根本技术措施。经过长期研究和大量实践，世界上主要的煤炭生产国成功开发和应用了多种低渗透煤层强化增透技术，按照煤层的力学响应特性，主要分为“静力型”和“动力型”强化增透2类。静力型强化增透技术包括底板巷道预抽[1]、气体驱替[2]、煤层密集钻孔卸压[3-4]、开采保护层应力释放增透[5]、水力压裂[6-7]、水力割缝、冲孔和造穴[8-13]。这些增透技术中，造穴技术是利用高压水、气射流或机械钻具截割煤体，在煤层中形成洞穴与卸压圈，在国内外得到了广泛的应用。自20世纪80年代以来，该技术在美国圣胡安盆地得到了大规模应用，并取得了良好的效果。在中国，该技术自1958年在北票、焦作、南桐等地开展利用以来，主要用于煤矿井下煤层瓦斯抽采造穴，并逐渐发展出了水力冲孔造穴、机械造穴、空气动力造穴等技术系列，在淮南、平顶山和阳泉矿区多个煤矿开展应用。
与静力型增透技术相比，动力型增透技术主要通过物理或化学的方法产生高频、高速和高压的应力波，在煤层中产生更大范围的卸压半径和裂缝，充分释放煤层弹性势能，使煤层渗透性大幅度提高，从而达到造缝卸压、高效抽采瓦斯目的，这类方法主要包括高压气体爆破[14-15]、深孔炸药爆破[16]和CO2气相压裂[17-22]。与其他2种动力型技术相比，CO2气相压裂为一种新型本质安全的非炸药强化增透技术，自2012年以来，河南理工大学、重庆大学、中国矿业大学、中煤科工集团、贵州大学、沈阳研究院等多家科研单位在全国百个矿井进行规模化试验研究和工业应用。应用结果表明，回采工作面的煤层渗透率提高了1～2个数量级，瓦斯抽采浓度和流量提高了1个数量级，瓦斯抽采达标时间缩短了2/3；煤巷掘进工作面的卸压防突效果显著，掘进速度提高了1～3倍，实现了低渗高瓦斯煤层的安全快速掘进[18, 22-30]。
为进一步扩大增透技术改造煤层的有效影响半径、提高瓦斯抽采效率，研究者[31-34]尝试将造穴和CO2气相压裂技术联合应用到煤矿瓦斯治理工程中，取得了良好的现场应用效果。但是如何将2种荷载类型的技术有效地结合起来，充分发挥2种技术的优势，实现更加快速卸压、高效抽采的瓦斯治理效果，仍需深入研究这2类荷载作用煤样后破坏特征和煤层应力演化规律，进而揭示造穴−气相压裂复合造缝卸压增渗机理。
笔者以阳泉矿区新景煤矿的3号煤层为研究对象，在实验室内完成煤样CO2气相压裂冲击试验，然后借助场发射扫描电镜(FESEM)观测微裂隙发育特征，采用数值模拟方法模拟复合技术作用下煤体的损伤演化特征，结合煤矿井下在回采工作面复合增透技术的光纤测试数据，揭示煤层气相压裂−造穴复合增透技术多尺度造缝、卸压和增渗机理。这将为造穴−气相压裂复合技术应用提供理论支撑，保证煤矿安全生产水平和瓦斯治理效果，具有重要推广应用意义。
1. 试样制作和CO2气相压裂冲击试验
1.1 试验煤样和试件制作
新景煤矿位于阳泉矿区西部，与整体构造形态一致，矿井构造总体表现为 NE高、SW 低的不规则单斜构造，倾角平缓，一般为 3°～11°。井田构造以次级褶皱为主。3号煤层埋深467～553 m，赋存稳定，结构简单，属中灰、低硫的优质无烟煤，以镜煤、亮煤为主，内生裂隙发育。煤层厚度平均2.47 m，坚固性系数 f为0.35～0.52，层理及节理发育。煤层顶底板为粉砂质泥岩，含煤岩系柱状如图1所示。
图2为采用线切割仪器将大块原始煤样加工成圆柱状试件的流程，图2中的原始煤样采集于3号煤层的3217工作面。3217工作面位于新景矿佛洼3号煤南翼中段，属+525 m水平，3号煤层为稳定中厚煤层，煤层以镜煤、亮煤为主，内生裂隙发育，属中灰、低硫的优质无烟煤。其煤层倾角为1°～9°，平均5°；其厚度为2.46～2.64 m，平均为2.56 m；煤的坚固性系数 f 为0.52～0.62，煤层瓦斯含量11.69～12.27 m3/t；煤层瓦斯压力0.87～1.05 MPa。工作面辅助进风巷、回风巷北部为一倾向SW的单斜构造，煤层倾角2°～5°；中段为轴向NE向斜构造，煤层倾角2°～5°；南部为轴向NE背斜构造，煤层倾角3°～5°。3217辅助进风巷为“矩形”断面，巷道断面净宽5.0 m，净高2.6 m；切巷净宽6.5 m，净高2.6 m。
将制作好的圆柱状煤试件两端打磨平整，保证两端面平整度不大于0.02 mm，进行动力冲击试验。煤试件的宏观煤岩组分以亮煤和镜煤为主，煤岩类型为半亮−半暗型，最大镜质组反射率为2.36%，煤体结构类型以碎裂煤和碎粒煤为主，裂隙发育，煤质参数见表1。
表 1 新景煤矿3号煤基础参数Table 1. Basic parameters of No. 3 coal seam in Xinjing coal mineRo,max/% Mad/% Ad/% Vdaf/% $ \rho $/(t∙m−3) ${2.28\sim 2.87} $ ${0.52\sim2.12} $ ${7.31\sim35.76} $ ${9.11\sim16.22} $ ${1.35\sim1.41}$ 注：ρ为视密度。 1.2 CO2气相压裂煤样试验装置
自行搭建的CO2气相压裂煤样试验装置如图3所示，主要包括：固定CO2气相压裂系统的钢制模拟钻孔钢管；CO2气相压裂装置；模拟钻孔钢管两端2个顶部开孔的煤样盒，煤样盒的下端部设有通气孔，并与CO2气相压裂装置的喷气孔相对应，保证高压CO2射流直接作用煤样端面。
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图 3 CO2气相压裂煤样试验装置及方法1—煤样；2—煤样盒；3—爆破片；4—储液管；5—加热器；6—居中夹持器；7—钻孔模拟钢管；8—密封法兰盘；9—充气头；10—液态CO2；11—喷气头；12—喷气孔Figure 3. Experiment apparatus and methods for CO2 gas fracturing on coal specimen1.3 试验步骤
CO2气相压裂煤岩的试验方法为:
1) 将充满液态CO2的气相压裂装置固定在钻孔模拟钢管中，调整喷气孔的位置，密封钢管两端的法兰盘。
2) 将装有煤样的煤样盒安装在钻孔模拟钢管壁上，与CO2气相压裂装置喷气孔对应。
3) 使用爆破压力为185 MPa，通电激发加热器，高压CO2流体通过喷气孔直接冲击煤样，取出冲击后的煤样，手选10 mm以下的试验煤样颗粒，进行扫描电镜（FESEM）观察分析研究。
4) 依次完成4组煤样的压裂试验，共计选取12个冲击样品。
1.4 冲击前后煤试件微观形貌
根据FESEM原始煤试件的观测结果，可以从煤基质的表面发育情况、孔隙、微裂隙的类型及连通情况进行定性与半定量的描述，图4为原始煤样不同放大倍数FESEM观察到的典型微观形貌。
煤基质表面孔隙较为发育，其中孤立孔多为圆形和椭圆形，同时发育有多个孔隙串联一起的串联孔（黄色圆圈标注），部分区域串联孔发育成不同形状，孤立孔和串联孔大多数为开放孔，无黏土充填。这类孔隙在煤体变质过程中，热力作用形成的气孔[35]。另外在煤基质表面发育微米级裂隙（白色方框标注），但裂隙和孔隙呈孤立发育，几乎不存在孔−裂隙串联现象，裂隙整体形态较为曲折，裂隙转向前较为平直，裂隙开口基本无黏土矿物填充，表现为剪切型裂隙。总之，未受到CO2气相压裂作用的煤试件，其孔隙和裂隙的发育特征与以往研究学者的观察结果相同[36-38]。
冲击后煤基质的微观发育特征（图5）所示，煤样在高压CO2的冲击波和应力波的作用在煤基质表面形成损伤坑（Damage Mark，简称DM）、三翼型裂隙（Tri-Radial-Wing，简称TRW）和锯齿状裂隙等典型的显微构造特征。
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图 5 冲击后煤基质的微观发育特征Figure 5. Development characteristics of coal matrix after impacting图5a表明，煤样受到CO2射流束的大小和时间不同，DM的表现形式也不同，射流束能量越大，DM面积越大，并以DM为中心形成TRW；射流束能量较小时，对应的DM面积小且无TRW发育。另一方面，应力波在裂隙界面形成反射拉伸波和透射压缩波，即交变应力波；这对新生的TRW裂隙和原始裂隙形成疲劳张拉破坏，表现为锯齿状裂隙（图5b）。上述现象表明CO2这类动力型改造技术可以打通煤层纳米−微米级裂隙，使得原有孤立的裂隙和孔隙串联，形成从微观至宏观的多尺度裂缝网路，为瓦斯高效运移提供了通道，大幅度提高煤层渗透率。
2. 造穴−气相压裂复合技术造缝卸压效果数值研究
第1节从微观层次揭示了CO2气相压裂技术动力破煤特征。接下来，先从宏观尺度模拟这类动载特性的造缝效果，再探究其与静载造穴增透技术复合改造煤层后的裂缝发育规律和卸压演化特征，揭示造穴−气相压裂复合技术的造缝卸压机理。
2.1 数值模拟流程
1）CO2气相压裂模拟流程。首先，运用ANSYS静力学求解模块计算模型初始应力，然后进入到动力求解模块，同时将压力曲线植入模型，并施加在爆破孔壁；其次，植入模型的动静力学参数、本构模型，设置非反射边界条件。为模拟煤层的非均质特性，在赋予模型参数时，模型每个单元的弹性模量和抗拉强度均符合韦伯尔分布的随机赋值；最后进入ANSYS动力求解LS-DYNA模块动力分析并提取相应的损伤结果及应力参数。其中，地应力与冲击荷载的施加方式如图6所示，图6a为模型施加边界条件示意，图6b为实测的压力时程曲线。数值模拟的循环操作为施加冲击荷载—LS-DYNA分析—动力损伤分析，其中，循环加载流程如图7所示。
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图 6 模型边界条件施加与实测压力时程曲线σ'，σ''—模型边界施加的应力；P—致裂压力Figure 6. Time history curve of pressure and model boundary conditions applied2）造穴−CO2气相压裂复合作用模拟流程。造穴−CO2气相压裂复合作用数值程序实现过程与单独动力作用过程相似。唯一区别是复合作用模拟计算，需要先模拟造穴静载卸压作用对应力扰动规律。该过程与初应力求解方法一致，在ANSYS静力学求解模块实现后，进入动力求解模块。
2.2 模拟方案设计
1）煤的基础参数。新景矿3217巷道煤静力实验测试得到相关力学参数为模拟提供依据，详见表2。动力求解计算时，与应变率相关力学参数，按照张军胜等[39]构建本构方程的求解方法拟合新景煤的应力−应变曲线得到，并引入LS-DYNA模块本构程序。
表 2 新景矿煤的力学参数Table 2. Mechanical parameters of Xinjing coal mine密度$ \rho $/（kg·m−3） 弹性模量$ E $/GPa 泊松比$ \mu $ 抗压强度$ {f_{\mathrm{c}}} $/MPa 抗拉强度$ {f_{\mathrm{t}}} $/MPa 峰后应变$ \varepsilon _I^B $/10−3 极限应变$ {\varepsilon _{\mathrm{s}}} $/10−3 脆性指数n 1400 1.30 0.36 5.94 0.58 14.5 16 0.75 依据ANSYS动力学模块对不同孔网布置方式建立几何模型，区别于传统JWL状态方程的计算方法，采用将压力时程曲线直接作用CO2爆破孔壁的动力分析方法，进而研究CO2气相压裂荷载特性作用下煤体造缝和卸压效果。
2）数值计算模型。图8为孔网分布模型 ，设计2种孔网计算模型，图8a为2个气相压裂孔，图8b为2个气相压裂孔+3个造穴孔，孔洞部分为压裂孔和预制造穴孔，蓝色部分为煤层。模型尺寸：12 m×12 m，压裂孔半径0.05 m，预制造穴孔半径0.25 m。边界条件设置：在模型底部施加双向固定约束，左右两边施加非反射边界模拟应力波在煤层传播特性，求解计算时在压裂孔孔壁上施加实测的压力时程曲线。选取PLANE182单元类型赋值煤层的物理和力学参数，选取显示动力学中迭代计算方法模拟不同荷载特性下煤层的裂缝演化特征和卸压规律。
2.3 模拟结果
图9为不同改造方案煤层裂缝破坏结果，为了直观对比不同孔网布置方式裂缝演化规律，图中被紫颜色占据的单元定义为裂缝，图9a为单独实施气相压裂技术时，随着荷载施加时间延长，裂缝不断扩展的结果；图9b为造穴−气相压裂复合增透煤层后裂缝发育结果。
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图 9 不同增透方案的裂缝发育规律Figure 9. Development law of cracks in different enhancement schemes由图9可知，CO2气相压荷载施加在钻孔时，煤层的裂缝不会瞬间产生，随着计算步增加至25步，宏观裂缝在压裂钻孔周围均匀发育。当计算步增加至40步时，裂缝以钻孔为中心呈放射状，受控初始应力引导作用，呈现上下发育长，左右发育短的演化特征。计算步达到70步时，裂缝扩展基本稳定，钻孔近端裂缝充分沟通，煤层应力释放；由于应力波在煤层传递过程逐渐衰减和耗散，钻孔远端煤层裂缝沟通不完全、卸压不充分，数值计算结果裂缝单元出现不连续发育结果。
对比2种计算方案裂缝演化结果可知，同一计算时间步，煤层预先设计造穴孔能够产生更大面积裂缝区，且在各个孔之间的裂缝占据单元更多（图9a和图9b），这说明先实施造穴孔有助于应力波快速传递和能量利用，形成大范围裂缝。另一方面，随着计算步增加，裂缝发育范围到造穴孔附近不再向前扩展，在孔洞周围不断产生、贯通，形成大范围裂缝卸压区。
2种方案裂缝演化结果表明，造穴孔设计对于CO2气相压裂产生的应力波具有双重作用：其一，CO2气相压裂改造煤层初期，产生的应力波在煤层传播过程中受到造穴孔卸压空间引导作用，沿着造穴孔方向发育，形成大面积的卸压区。其二，造穴孔设置有助于提高气相压裂应力波在有效影响范围内能量利用效率，避免能量耗散在无效的震动区，充分导通压裂孔与造穴孔多尺度裂缝，使得裂缝区域范围大、连续性强、卸压充分。
模拟结果表明，为了能够充分发挥造穴−CO2气相压裂2种技术的造缝、卸压和增透能力，需要优化造穴和压裂孔的孔间距，发挥造穴静载卸压技术对于动载改造技术的应力波的引导和反射作用，增大裂缝发育范围和卸压程度。
3. 煤层的应力扰动规律试验及响应机制
3.1 CO2气相压裂煤层的应变监测方案
为了进一步探究合理的布孔方式和复合技术的增透卸压机理，在新景煤矿回采工作面，采用准分布式光纤监测技术开展造穴−CO2气相压裂改造煤层的应变时空演化规律试验，获取CO2气相压裂和造穴煤层的应变时空演化规律，综合分析压裂−造穴后煤层的裂缝发育特性、应力扰动和裂缝动态破坏规律，揭示复合技术的造缝特征、增透和卸压机理。本次试验区域布设在新景矿3217工作面的辅助进风巷与切巷交叉处的本煤层部位，如图10所示。
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图 10 3217工作面工程平面图及试验区域位置Figure 10. Engineering plan of No. 3217 mining face and location of testing area图11为布设方案，其中4条光纤(1-4)，2个气相压裂孔(A1和A2)，2个造穴孔(B1和B2)。施工工艺：依次施工下排1～4号光纤测试孔，将分布式光纤光缆固定在硬质PVC管上，随PVC管下放到钻孔内，孔口位置接封孔囊袋，全孔段注水泥封孔，等水泥凝固稳定后，监测光纤应变数据作为煤层应变初始值。在A1、A2处实施CO2气相压裂，孔径113 mm，孔深60 m，入孔压裂管20根/孔，释放压力为185 MPa。在B1、B2处实施造穴孔，孔径113 mm，造穴半径250 mm，造穴段间距5 m。煤层改造后，开展光纤监测，监测周期20～30 d。
3.2 气相压裂、造穴−气相压裂复合增透煤层的应变测试结果
1）气相压裂增透煤层的应变测试结果。气相压裂后煤层的光纤应变数据呈现3种演化规律：在监测周期内应变均小于3×10−6，无明显波动（图12a，1号孔）；全孔段范围产生拉应变区和压应变区（图12b，2号孔）；在压裂孔位置产生明显的应变峰值，且应变峰值随着时间增加波动增长（图12c，3号和4号孔）。
进一步分析图12b， 2号光纤测试数据0～2 min内，首先在15 m位置产生张拉应变，其应变为150×10−6，全孔段主要以张拉应变为主；监测时间持续到6 min时，该处的应变值达到最大200×10−6，同时煤层内部产生向孔口的位移变形，在孔口一定范围内煤层监测到压缩应变；随着监测时间到达10 min时，光纤拉应变值基本稳定，表明煤层的动力扰动冲击阶段基本结束。20～150 min煤层内部变形不断向孔口累积，光纤压应变值不断增加，最后趋于稳定；最终，逐渐在全控段形成煤层压缩区、张拉区、扰动区。对比1和2号光纤数据可以确定CO2气相压裂的影响半径在5～10 m。
由图12c可知，垂直钻孔方向CO2气相压裂改造煤层过程为：0～2 min内煤层受到高压CO2流体作用，光纤数据在致裂孔附近出现拉应变峰值区，煤层发生张剪破坏为主宏观裂缝；2～10 min内煤体受到准静态的相变后的高压CO2气体作用，拉应变区进一步增加；60～150 min仅个别光纤应变监测点产生不超过3×10−6的波动，这表明该技术的动力冲击和准静态作用结束。结合钻孔2个方向光纤监测数据，以监测过程煤层应变不超过3×10−6为依据，确定该技术的应力扰动范围为18 m，影响半径为9 m。
2）复合技术增透煤层的应变测试结果。图13为B2和A1 2种技术共同作用煤层后垂直钻孔方向典型的光纤应变曲线。由图13可知，复合技术增透煤层后，光纤的应变数据变化规律与单独压裂不同，主要是造穴孔卸载的长时效应，稳定周期在10 d。煤层在造穴孔B2（25 m）位置产生最大拉应变，应变为93×10−6，在气相压裂孔A1（35 m）位置产生的最大拉应变值为49×10−6，这大于单一气相压裂技术的拉应变峰值（18×10−6）；同时，围绕着气相压裂孔及造穴孔，煤层发生大幅度的拉伸及压缩应变。按照煤层产生3×10−6应变依据确定复合技术的影响范围为24 m。
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图 13 造穴−气相压裂复合光纤应变曲线Figure 13. Fiber optic strain curve of composite technology of cavitation and CO2-frac综合图12和13可知，造穴−气相压裂在孔间距10 m条件下，造穴技术形成的大尺度洞穴裂缝为气相压裂产生应力波提供自由面，提高动载能量利用率；另一方面，应力波形成的纳米～微米的裂缝能够与大尺裂缝沟通，形成从宏观至微观的多尺度裂缝网络，为瓦斯解吸−渗流−扩散提供了高效的通道。
4. 造穴−气相压裂复合造缝卸压增渗机理分析
通过造穴−气相压裂复合技术的煤体微观裂缝破坏特征、损伤演化特征和煤层应变扰动规律3个方面分析，可知煤层的造缝卸压效果是准静态的高压CO2气楔与造穴形成的裂缝耦合作用结果，造缝卸压增渗网络形成主要包括3个阶段：
第一阶段，剪切片破裂后0～10 min内，高压混合相CO2流体冲击煤层钻孔壁，微观尺度上在煤基质颗粒表面形成损伤集中区，即“损伤坑”，以“损伤坑”为中心在周围形成微米尺度的“三翼型”分支裂隙，充分沟通煤层内的割理裂隙。裂缝在煤层中发育，终止于顶、底板界面（图5）。
第二阶段，10～150 min，钻孔内的高压CO2流体完全气化，宏观尺度上形成以压裂孔为中心的放射状新生裂缝，裂纹的总体扩展方向受到主应力的影响，沿着最大主应力和造穴孔方向扩展，在煤层中产生宏观裂缝。
第三阶段，造穴−气相压裂复合作用产生的裂缝及卸压作用逐渐增大，围绕着气相压裂孔及造穴孔，煤层发生大幅度的拉伸及压缩应变，造成煤层多尺度裂缝破坏，煤层卸压，形成大范围应力扰动区，复合影响区域可达24 m（图14）。
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图 14 造穴−气相压裂煤层的造缝卸压增渗机理概念模型Figure 14. Conceptual model for mechanism of fracture formation, pressure relief, and permeability enhancement induce by cavitation and CO2-frac in coal seams基于CO2气相压裂的作用过程，造穴−气相压裂复合技术的造缝卸压增渗机理为：
1）垂直压裂孔方向，煤层在静力和动力2类荷载作用下近钻孔中心范围内煤层中原始裂隙被重新打开，形成以钻孔为中心的多尺度、张剪性破坏性质的裂缝。尤其造穴孔设置能够充分利用气相压裂应力波能量，发挥了两种技术的造缝优势，在有效影响范围内裂缝充分沟通，形成了多尺度裂缝网络，达到造缝卸压效果。
2）在影响区内，沿压裂方向形成多簇放射状裂缝卸压圈，全孔段内从孔底至孔口形成逐增的应力扰动区域，应力扰动区域向自由面位移、释放煤层内部积聚的能量，在全孔段范围内产生不同尺度的张剪性裂缝，使煤层内瓦斯快速释放，瓦斯压力降低、煤层应力均化，这从根本上解决煤层低渗、难抽、高地应力的问题。
5. 结 论
1）气相压裂技术应力波作用能够在短时间内破坏煤层，形成多尺度张剪性质的裂缝。微观尺度上，在煤基质颗粒表面产生互相串联的“损伤坑”“微米级三翼型分支裂隙”。
2）在有效的气相压裂−造穴复合技术影响范围内，造穴孔有助于提高气相压裂应力波的能量利用效率，避免能量耗散在无效的震动区，充分导通压裂孔与造穴孔多尺度裂缝，使得煤层裂缝区域范围大、连续性强、卸压充分。
3）造穴−气相压裂复合技术能够形成多簇放射状裂缝卸压圈，应力扰动区域向自由面位移、释放煤层内部积聚的能量，在全孔段范围内产生了多尺度的张剪性裂缝。这种类型裂缝能够释放煤层弹性势能，使得煤层产生不可逆破坏，充分均化应力集中区，为瓦斯解吸−扩散−渗流提供了高效的通道。
4）造穴−气相压裂复合技术充分发挥了2种技术造缝、卸压优势，使煤层内瓦斯快速释放，瓦斯压力降低、煤层应力均化，从根本上解决煤层低渗、难抽、高地应力的问题，该技术在类似瓦斯地质条件具有科技借鉴和推广应用价值。
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图 3 CO2气相压裂煤样试验装置及方法
1—煤样；2—煤样盒；3—爆破片；4—储液管；5—加热器；6—居中夹持器；7—钻孔模拟钢管；8—密封法兰盘；9—充气头；10—液态CO2；11—喷气头；12—喷气孔
Figure 3. Experiment apparatus and methods for CO2 gas fracturing on coal specimen
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图 5 冲击后煤基质的微观发育特征
Figure 5. Development characteristics of coal matrix after impacting
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图 6 模型边界条件施加与实测压力时程曲线
σ'，σ''—模型边界施加的应力；P—致裂压力
Figure 6. Time history curve of pressure and model boundary conditions applied
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图 9 不同增透方案的裂缝发育规律
Figure 9. Development law of cracks in different enhancement schemes
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图 10 3217工作面工程平面图及试验区域位置
Figure 10. Engineering plan of No. 3217 mining face and location of testing area
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图 13 造穴−气相压裂复合光纤应变曲线
Figure 13. Fiber optic strain curve of composite technology of cavitation and CO2-frac
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图 14 造穴−气相压裂煤层的造缝卸压增渗机理概念模型
Figure 14. Conceptual model for mechanism of fracture formation, pressure relief, and permeability enhancement induce by cavitation and CO2-frac in coal seams
表 1 新景煤矿3号煤基础参数
Table 1 Basic parameters of No. 3 coal seam in Xinjing coal mine
Ro,max/% Mad/% Ad/% Vdaf/% $ \rho $/(t∙m−3) ${2.28\sim 2.87} $ ${0.52\sim2.12} $ ${7.31\sim35.76} $ ${9.11\sim16.22} $ ${1.35\sim1.41}$ 注：ρ为视密度。 
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表 2 新景矿煤的力学参数
Table 2 Mechanical parameters of Xinjing coal mine
密度$ \rho $/（kg·m−3） 弹性模量$ E $/GPa 泊松比$ \mu $ 抗压强度$ {f_{\mathrm{c}}} $/MPa 抗拉强度$ {f_{\mathrm{t}}} $/MPa 峰后应变$ \varepsilon _I^B $/10−3 极限应变$ {\varepsilon _{\mathrm{s}}} $/10−3 脆性指数n 1400 1.30 0.36 5.94 0.58 14.5 16 0.75
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1. 杨鹏，韩锦华. 利用CO_2气相压裂技术提高煤层透气性：以吉宁煤矿为例. 中国矿业. 2024(S2): 301-307 . 
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