文摘

二氧化碳相变压裂是一种新型的物理爆破技术,正逐渐用于采矿和地下空间工程。岩石破碎效率的改进应用程序中的关键问题。在这篇文章中,田间试验的有限公司₂相变进行了压裂。基于应变监测和压裂坑体积测量、有限公司的变化₂灌装量和剪切岩石碎片的薄板厚度有限公司₂相变压裂是调查。实验结果表明,破碎坑的形状像一个长椭圆锥面射流方向和较短的垂直喷射流的方向。增加的有限公司₂填充量,挖掘坑体积逐渐增加,但增长率逐渐下降。粉因素恒定在一定数量收费,超过这个电荷量后,粉有限公司因素₂显著增加。随着剪切板料厚度的增加,虽然顾问峰值应力逐渐增加,其增长率仍然不变。火山口总量及其增长速度逐渐增加相同的情况。此外,剪切薄板厚度增加,有限公司₂粉系数不断降低,下降率保持不变。

1。介绍

由于有害影响爆破地震波、噪音、岩石、飞行和有害气体,使用炸药在易燃和可燃,敏感区域是有限的(1,2]。因此,迫切需要有一个安全、环保、高效防爆的岩石破坏的方法。作为一种新型的物理岩石破碎技术有限公司₂相变压裂破坏了岩体的扩张能量有限公司₂气相相变。整个压裂过程无火花,相变的产品是一种阻燃无害的气体(3,4]。一般而言,其安全性和环境保护是远比爆破,这种技术有广阔的应用前景是一种另类的爆破技术。

1914年,英国公司Cardox开发了一个系统的渗透性和恢复low-breathing和汽油煤层,减少煤尘和减少瓦斯爆炸风险。它叫做Cardox管系统。此后不久,Cardox管系统被广泛用于煤矿在美国,德国,英国,法国和其他国家。由于煤炭开采技术的快速发展和机械化生产的煤矿,煤矿逐步停止使用Cardox管系统。近年来,有限公司₂相变压裂已广泛应用于岩石开挖领域由于其多个优势(5),如pile-well开挖(6,瓦斯抽放7- - - - - -9)、煤巷道开挖(10,11],煤矿开采(12]。

岩石碎片评估一种新的岩石开挖方法至关重要。通过测试在布拉瓦约金矿,辛格(13)证实,合并后的爆轰两公司的效果₂压裂管五水井一样充满了炸药,表明这种技术是一个很好的岩石破坏的方法。一些学者也研究了岩石破碎与不同初始参数。詹(14调查不同公司的影响₂灌装量有效破坏范围的煤通过数值模拟,表明损伤半径和深度与灌装量呈正相关。Zhang et al。15,16)进行压裂测试混凝土砌块,建立了peridynamics模型来研究裂缝的发展,并指出气体影响楔和天然气都是重要的岩石碎片,和裂纹扩展的方向是垂直于二氧化碳的释放。周et al。4与他们有一个类似的结论通过现场试验和数值模拟表明,压裂裂纹扩展速度与时间减少。道等。17)之间的岩石破坏机制相比二氧化碳相变压裂和爆破后得出一个结论:没有破碎区有限公司₂相变压裂;因此,爆炸能量利用率相应改善。田(18]研究了围压对裂缝的数量和形状,并指出产生的裂缝的数量有限₂相变水力压裂的压裂比。

先前的研究的影响因素的岩石碎片有限公司₂相变压裂几乎进行岩体质量好,完整的混凝土砌块和土壤,裂纹演化过程进行调查。裂隙岩体的岩石破碎特征所引起的有限公司₂相变压裂尚未明确。此外,很少有研究对初始参数的影响压裂岩石破碎特征。通过原位测试,探讨公司的影响₂灌装量和剪切板厚度对裂缝性泥岩岩石碎片,与动态应变监测和坑体积测量。测试结果可以提供对裂隙岩体钻孔设计提供了参考依据。

2。公司的原则₂阶段Transition-Induced岩石碎片

有限公司₂相变压裂管由一个雷管,加热管、液体存储管,垫片,一个剪切板,一个能源消耗的头。当我们进行有限公司₂压裂时,我们应该首先填充液体二氧化碳进入储液管,然后填充有限公司₂压裂管插入predrilled洞信号线保留和孔密封。然后,加热管将激励电流和在短时间内立即释放大量的热量。而液态二氧化碳吸收热量和转移到超临界状态,存储管的压力不断上升。当存储管的内部压力超过板的剪切强度、剪切板坏了。超临界二氧化碳迅速转移到高压气体和释放的出口能量流失。同时,高压气体立即带来强劲的破坏力;围岩的喷射方向首先冲击压力作用下被压缩,导致一定数量的裂缝。然后,高压气体进入裂缝的影响;这些裂缝传播又向前下高压气体楔(18,19]。在这个过程中,剪切板的厚度决定了压应力峰值;注入的二氧化碳量确定的总量高压气体和气体楔的持续时间,这两个产生决定性影响的岩石碎片。岩石破坏过程的有限公司₂相变压裂图所示1。

如今,在描述公司的力量₂相变压裂,有限公司₂相变压裂通常相当于压力容器爆炸。当我们计算压力容器的物理能量爆炸,爆炸能量计算方法的液化天然气和高温饱和水容器和高压气体的爆炸能量计算方法和饱和水蒸气容器广泛应用。前者的方法主要是用于描述过热液体,和液体二氧化碳不是过热液体;因此,这种方法是不适合这种压裂技术。相比之下,二氧化碳的存在状态在储液管和爆炸触发条件符合高压气体的爆炸能量计算方法和饱和水蒸气容器,这是公认的最广泛的方法。这个方法是由相应的方程 在哪里二氧化碳的总爆炸能量,kJ;p压裂管的最大内压,MPa;是存储管的有效容积,m³;和K二氧化碳的绝热指数,作为1.295。

3所示。效应的二氧化碳灌装量在岩石碎片

3.1。现场试验

Strong-to-medium风化泥岩与基本质量等级在这个实验被选为压裂中;其单轴抗压强度小于10 MPa,属于极软岩。研究二氧化碳灌装量的影响在岩石碎片,五种压裂管道具有不同能力选择,如图2(一个)。

液态二氧化碳灌装过程中,当压裂管的内部压力达到预设值时,该灌装机无法按液态二氧化碳压裂管。那时,我们应该消除压裂管填充填充货架和测量质量的二氧化碳。公司的灌装设备₂压裂管和权重的台秤压裂前后管填充数据所示2 (b)和2 (c)。

钻井之后,满压裂管放入钻孔,medium-coarse砂和砾石的小块选为阻止材料防止管飞行。尽管是钻孔,我们也连接钢链提升压裂管的双重保护。然后加热管连接,导火索是导致一个安全的范围内,和五个压裂管道不同的灌装量依次引爆。

此外,由于二氧化碳的质量和太少太厚剪切板可能会导致压裂管未能引爆,一个测试压裂与二氧化碳460克和3.5毫米剪切板进行正式测试之前探索压裂管在这种情况下是否可以引爆。结果表明,3.5毫米剪切板可以摧毁压裂管即使最小的能力。因此,有限公司₂填充量在这些测试是460克,585克,760克,870克,960克,分别。此外,在所有的测试中,剪切板厚度是3.5毫米,钻孔深度和直径是900毫米和115毫米,分别。

3.2。测试结果

压裂管引爆后,大量的雾仍在压裂陨石坑,这是由于液体的蒸发和热吸收二氧化碳,导致降低周围温度和空气中的水蒸气凝结成小水滴,雾的形成。此外,公司的形态₂相变陨石坑是明显不同于爆破,火山口喷射方向形状是长的。原因是高压二氧化碳只能释放两个对称释放黑洞由于压裂管的特殊结构,导致Mohaupt喷射方向的影响。负载的喷射方向远高于其他方向;这个方向的围岩是首先受损引起的动态应力,导致大量的初始裂缝。然后,高压有限公司₂扩展到初始裂缝,导致他们继续传播。由于井下喷射方向首先经历了飞机,相应的轴长度有限公司₂相变陨石坑是更长,如图3。相比之下,爆破坑之前,利文斯顿爆破坑原则,因为爆破能量释放在每个方向,都有圆形火山口;周围的岩石四面八方得到相同程度的碎片。

定量分析的影响,不同的公司₂填充量在岩石碎片,飞机垂直的轴钻孔被选为参考平面。压裂陨石坑的碎片清理干净;之间的距离火山口的轮廓和参考平面测量在100毫米×100毫米的网格来找出每个测点的坑深度。该地区年代_我每个截面的压裂火山口通过辛普森方程,计算和坑体积获得了棱镜体积公式: 在哪里年代_我是坑横截面的面积,m²;B测量两个相邻点之间的水平距离,B= 0.1;和Y_我测点的压裂坑深度吗我,m。

后清理破碎岩石的破碎坑,破碎坑的边界是确定。自公司₂相变压裂火山口是椭圆,钻洞为中心,火山口直径测量每隔45°。长轴的长度和椭圆的短轴数,如图4所示。

从图4可以看出,随着有限公司₂填充量的增加,破碎坑的长轴长度逐渐增加,但短轴长度先增加然后减少。与公司₂填充量增加,坑体积逐渐增长;的有限公司₂粉因素保持不变在一定填充量,超出它显著增加,如图5。当有限公司₂填充量增加从460克到970克,即使坑体积的增长速度放缓,其值逐渐增加。它也可以发现,在有限公司₂灌装量超过一定值,其影响力在火山口的增长变得越来越小而成粉末因子明显增大。有限公司的原因是₂灌装量并不是唯一的因素影响坑体积;剪切板厚度限制的峰值压力有限公司₂相变压裂也控制着岩石碎片。而峰值压力是恒定的,如果只有有限公司₂填充量的增加,有明显的阈值体积压裂火山口。当坑体积达到阈值时,它是没有意义的,进一步增加填充量,这只会增加施工成本,降低了经济效率。为了更好的提高能源利用率的岩石碎片,有必要进一步探索岩石碎片剪切板厚度的影响。

4所示。剪切板厚度的影响在岩石碎片

4.1。现场试验

承认剪切板是最重要的组成部分,影响峰值冲击力量。当压裂管的绝对压力超过剪切板强度、高压二氧化碳气体将通过能源消耗驱逐头(20.]。剪切板的厚度是决定因素在决定其失败的压力,和人们普遍认为剪切板厚,相应的失效压力越高。控制厚度作为一个变量,所有剪切表是由Q235a钢在这些测试。剪片厚度为1.5毫米,2.0毫米,2.5毫米,3.0毫米,3.5毫米被选中;一个压裂管900毫米的长度。的有限公司₂灌装量的五个测试755克,760克,760克,755克,750克,分别。虽然有一些变异的数量有限₂之间不同的管道,这种变化是在一个误差可以忽略不计。

不同于以前的测试,由于剪切板大大影响岩体的峰值应力,应变测试了。考虑到更高的影响出现在飞机的方向,所有的白手起家的应变测试设备被安装在距离2米的钻孔方向喷射。在监视点的应变信号收集使用动态应变测试仪器DH5960。应变测量测试设计的原理示意图如图6;准备和安装白手起家的应变测试设备的过程如下:(1)准备几个普通的酒吧和铁表和焊接三个铁皮X,Y,Z在底部的酒吧。三个铁皮相互垂直;的表Z有一个长边的长轴方向相同普通酒吧。(2)使石膏应变块,把搅拌速凝石膏倒进模具,石膏凝固后拿出来,和波兰块足够表面要光滑。(3)之前附加应变的应变仪,电阻应变仪的测量;然后环氧树脂应使用附加应变片的应变仪,以确保牢固粘合与应变块和粘合剂层均匀,粘贴每个铁皮上的石膏应变块. .(4)通过终端,将应变仪连接到电线和电线数量。由于绝缘电阻和粘接强度的应变仪将减少与潮湿的影响,加上画石膏作为保护层的表面应变仪。此外,上述治疗可以避免损伤引起的摩擦时的钻孔应变测试设备安装。(5)埋葬predrilled的应变测试装置测量孔,并确保应变仪是在同一深度压裂管和气体出口X表指向压裂管;然后用快凝石膏阻止钻孔。

如图7当我们开始进行有限公司₂相变压裂,白手起家的应变测试装置首次安装如上所述,然后压裂管葬。应该注意的方向线连接的两个对称气体媒体应该在同一的长轴X当安装压裂管板。

4.2。测试结果

4.2.1。准备峰值应力与剪切板厚度不同

在这些测试中,DH5960超级动态信号测试系统被用来记录微应变。DH5960超级动态信号测试系统,具有20 MHz最大瞬态采样率和1 MHz频率响应,是专为影响和爆破试验。此外,采用千兆以太网交换机扩展;只有一台电脑也可以实现无限多通道超动态信号并行同步测试和分析。以满足动态应变测量的需求,在这些测试中,我们设置一个测量20000赫兹的频率。从现场试验中的应变实时曲线可以通过一系列的干扰因素如电磁领域,WNOISE函数是用来消除干扰现场应变数据更加现实的压力信号。该方法流程分离信号和噪声小波分解系数的帮助下信号和噪声在小波变换的不同特点。

这些电阻应变仪测量某一方向的应变测点。获取动态应力峰值,应变值获得需要转换(21- - - - - -23]。自从监视点的三维应力状态,三个垂直应变仪贴三个主应力方向。假设主应变的径向,切向和垂直方向的测点ε_x,ε_y,ε_z分别根据广义胡克定律,相应的主应力σ_x,σ_y,σ_z径向、切向和垂直方向如下: 在哪里θ是体积应变, ,E动态弹性模量,是动态泊松比。

研究剪切薄板厚度之间的关系和峰值应力,峰值压力五个测试记录;然后在每个测试峰值应变转换为峰值应力方程(3),如图8。

从图8可以看出,当剪切薄板厚度是一样的,垂直方向的峰值应力(Z测点的方向)是最大的,和峰值应力在径向(X方向和切向Y方向)方向并无多大差别,表明主导应力方向垂直的方向。随着剪切板料厚度的增加,合成应力也不断增长。当剪切薄板厚度变化从1.5毫米到3.5毫米,1.371 MPa的合成应力增加。可以看出,峰值应力随剪切板强度的增长,其增长率是不变。测量峰值应力的峰值应力能反映钻孔壁的方向压裂的空气出口。指出剪切板厚,峰值应力越大。

4.2.2。坑体积不同的剪切板厚度

前面的坑体积和火山口形貌测量方法是利用与可变剪切薄板厚度的测试。此外,公司₂粉获得的因素这五个测试。结果如图9和10。

可以看出,随着剪切板料厚度的增加,坑体积压裂陨石坑的和长轴长度逐渐增加,CO₂粉因素减少,而短轴的长度增长和下降。此外,当有限公司₂灌装量相当于在这五个测试中,飞机方向的峰值应力逐渐增加剪切板厚度的增加,导致的增长有效的岩体损伤范围。

当剪切薄板厚度变化从1.5毫米到2.5毫米,坑体积增加0.059³和粉因素减少1.19公斤/ m³。随着剪切薄板厚度变化从2.5毫米到3.5毫米,坑体积增加0.132³和粉因素减少1.30公斤/米³。指出与剪切板料厚度的增加,增长率坑体积增加,但粉的递减率因素保持不变。

比较测试结果为不同的公司₂灌装量水平和不同剪切板厚度、弹坑体积的变化可以看出,与变量有限公司₂填充的弹坑体积小于可变剪切板厚度。此外,结论可以从评价指标,如粉因素和坑半径,剪切的影响薄板厚度在岩石碎片显然比液态二氧化碳的量。

5。结论

摘要压裂弹坑体积计算,公司的影响₂灌装量和剪切板厚度在岩石碎片通过原位岩石断裂试验研究。此外,动态应变试验的影响下有限公司₂相变进行压裂。得到了以下结论:(1)公司的压裂火山口₂相变压裂是明显不同于爆破,长在喷射方向和短垂直喷射流的方向。它的形状像椭圆锥面。(2)的有限公司₂填充量的增加,坑体积逐渐增加,其增长率逐渐下降。公司的粉末的因素₂在某公司保持不变₂灌装量和增加显著除此之外的价值。火山口的长轴的长度逐渐增加而增加有限₂填充量,但短轴的长度增加和减少。(3)当剪切薄板厚度增加,相应的合成应力的增长,但增长斜率是恒定的。即使粉因素减少,火山口的价值总量及其增长速度不断增加和日益增长的剪切板厚度。长时间运行和短轴长度的变化模式可变剪切板厚度是一样的,在变量有限公司₂填充量。总体上,剪切板厚度对岩石碎片的影响大于有限公司₂灌装量。

虽然我们测量压力的变化特征是一致的与现有的理解,应该注意的是,上述结论是通过有限数量的测试。得到一个更通用的统计法律,更多的测试在不同的裂隙岩体在未来需要进行。岩石属性和围压对岩石破碎裂隙应进一步探讨在较大的岩体,在深岩岩石开挖工程具有重要意义。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这项研究的出版物。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号。42072309、41807265和41972286)和爆破工程湖北省重点实验室(批准号。HKLBEF202002和HKLBEF202001)基础。