中国安全科学学报

c₁	0.376 194	c₁₅	-2.794 98
c₂	0.118 836	c₁₆	5.623 93
c₃	-3.043 79	c₁₇	-2.938 31
c₄	2.274 53	c₁₈	0.988 759
c₅	-1.238 63	c₁₉	-3.047 11
c₆	0.250 442	c₂₀	2.323 16
c₇	-0.115 350	c₂₁	1.073 79
c₈	0.675 104	c₂₂	-0.000 059 972 4
c₉	0.198 861	c₂₃	0.000 088 533 9
c₁₀	0.216 124	c₂₄	0.003 164 18
c₁₁	-0.583 148	c₂₅	10
c₁₂	0.011 974 7	c₂₆	50
c₁₃	0.053 727 8	c₂₇	800 00
c₁₄	0.026 521 6	—	—
b₂	$c 1 + c 2 T' + c 3 T' 2 + c 4 T' 3 + c 5 T' 4 + c 6 T' 5$
b₃	$c 7 + c 8 T' + c 9 T' 2$
b₄	$c 10 + c 11 T'$
b₅	$c 12 + c 13 T'$
b₆	$c 14 T'$
b₇	$c 15 T' 3 + c 16 T' 4 + c 17 T' 5$
b₈	$c 18 T' 3 + c 19 T' 4 + c 20 T' 5$

c₁	0.376 194	c₁₅	-2.794 98
c₂	0.118 836	c₁₆	5.623 93
c₃	-3.043 79	c₁₇	-2.938 31
c₄	2.274 53	c₁₈	0.988 759
c₅	-1.238 63	c₁₉	-3.047 11
c₆	0.250 442	c₂₀	2.323 16
c₇	-0.115 350	c₂₁	1.073 79
c₈	0.675 104	c₂₂	-0.000 059 972 4
c₉	0.198 861	c₂₃	0.000 088 533 9
c₁₀	0.216 124	c₂₄	0.003 164 18
c₁₁	-0.583 148	c₂₅	10
c₁₂	0.011 974 7	c₂₆	50
c₁₃	0.053 727 8	c₂₇	800 00
c₁₄	0.026 521 6	—	—
b₂	$c 1 + c 2 T' + c 3 T' 2 + c 4 T' 3 + c 5 T' 4 + c 6 T' 5$
b₃	$c 7 + c 8 T' + c 9 T' 2$
b₄	$c 10 + c 11 T'$
b₅	$c 12 + c 13 T'$
b₆	$c 14 T'$
b₇	$c 15 T' 3 + c 16 T' 4 + c 17 T' 5$
b₈	$c 18 T' 3 + c 19 T' 4 + c 20 T' 5$

试验号	泄能片厚度/mm	CO₂质量/ kg	释放口径/mm	装药量/ g
1	1.0	0.33	18	40
2	1.0	0.36	20	50
3	1.0	0.39	22	60
4	1.5	0.33	20	60
5	1.5	0.36	22	40
6	1.5	0.39	18	50
7	2.0	0.33	22	50
8	2.0	0.36	18	60
9	2.0	0.39	20	40

试验号	泄能片厚度/mm	CO₂质量/ kg	释放口径/mm	装药量/ g
1	1.0	0.33	18	40
2	1.0	0.36	20	50
3	1.0	0.39	22	60
4	1.5	0.33	20	60
5	1.5	0.36	22	40
6	1.5	0.39	18	50
7	2.0	0.33	22	50
8	2.0	0.36	18	60
9	2.0	0.39	20	40

试验号	1	2	3	4	5	6	7	8	9
定容容器压力峰值	1.23	1.21	1.34	1.76	1.30	1.39	1.65	1.80	1.35

试验号	1	2	3	4	5	6	7	8	9
定容容器压力峰值	1.23	1.21	1.34	1.76	1.30	1.39	1.65	1.80	1.35

试验号	1	2	3	4	5	6	7	8	9
CO₂内能	176.14	183.02	196.70	225.12	188.79	201.29	218.07	238.24	198.87

试验号	1	2	3	4	5	6	7	8	9
CO₂内能	176.14	183.02	196.70	225.12	188.79	201.29	218.07	238.24	198.87

试验号	泄能片厚度	CO₂ 质量	释放口径	装药量	CO₂内能/kJ
1	水平1	水平1	水平1	水平1	176.14
2	水平1	水平2	水平2	水平2	183.02
3	水平1	水平3	水平3	水平3	196.70
4	水平2	水平1	水平2	水平3	225.12
5	水平2	水平2	水平3	水平1	188.79
6	水平2	水平3	水平1	水平2	201.29
7	水平3	水平1	水平3	水平2	218.07
8	水平3	水平2	水平1	水平3	238.24
9	水平3	水平3	水平2	水平1	198.87

试验号	泄能片厚度	CO₂ 质量	释放口径	装药量	CO₂内能/kJ
1	水平1	水平1	水平1	水平1	176.14
2	水平1	水平2	水平2	水平2	183.02
3	水平1	水平3	水平3	水平3	196.70
4	水平2	水平1	水平2	水平3	225.12
5	水平2	水平2	水平3	水平1	188.79
6	水平2	水平3	水平1	水平2	201.29
7	水平3	水平1	水平3	水平2	218.07
8	水平3	水平2	水平1	水平3	238.24
9	水平3	水平3	水平2	水平1	198.87

变量	泄能片厚度	CO₂质量	释放口径	装药量
K₁	555.86	619.33	617.67	563.8
K₂	615.2	612.05	607.01	602.38
K₃	657.18	596.86	603.56	662.06
k₁	185.29	206.44	205.89	187.93
k₂	205.07	204.02	202.34	200.79
k₃	219.06	198.95	201.19	220.69
R	33.11	7.49	4.04	32.09

变量	泄能片厚度	CO₂质量	释放口径	装药量
K₁	555.86	619.33	617.67	563.8
K₂	615.2	612.05	607.01	602.38
K₃	657.18	596.86	603.56	662.06
k₁	185.29	206.44	205.89	187.93
k₂	205.07	204.02	202.34	200.79
k₃	219.06	198.95	201.19	220.69
R	33.11	7.49	4.04	32.09

方差来源	离差平方和	自由度	均方	F值	P值
泄能片厚度	1 664.90	2.00	832.45	64.16	0.015
CO₂质量	85.00	2.00	42.50	3.28	0.233
释放口径	25.95	2.00	12.98	1	0.5
装药量	1 564.60	2.00	782.30	60.29	0.016

方差来源	离差平方和	自由度	均方	F值	P值
泄能片厚度	1 664.90	2.00	832.45	64.16	0.015
CO₂质量	85.00	2.00	42.50	3.28	0.233
释放口径	25.95	2.00	12.98	1	0.5
装药量	1 564.60	2.00	782.30	60.29	0.016

试验号	泄能片厚度/mm	CO₂质量/kg	释放口径/mm	装药量/g
1	1.0	0.33	18	60
2	1.2	0.33	18	60
3	1.4	0.33	18	60
4	1.6	0.33	18	60
5	1.8	0.33	18	60
6	2.0	0.33	18	60
7	2.2	0.33	18	60

试验号	泄能片厚度/mm	CO₂质量/kg	释放口径/mm	装药量/g
1	1.0	0.33	18	60
2	1.2	0.33	18	60
3	1.4	0.33	18	60
4	1.6	0.33	18	60
5	1.8	0.33	18	60
6	2.0	0.33	18	60
7	2.2	0.33	18	60

38 mm型CO₂致裂器内部参数对致裂器做功能力影响

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鲁寨军 ¹^,² , 王志富 ¹^,² , 姚术健 ¹^,² , 钟睦 ¹^,²^,^** , 史湘石 ¹^,² , 陈斐鹏 ¹^,²

中国安全科学学报 | 安全工程技术 2024,34(9): 78-86

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中国安全科学学报 | 安全工程技术 2024, 34(9): 78-86

38 mm型CO₂致裂器内部参数对致裂器做功能力影响

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鲁寨军¹^,², 王志富¹^,², 姚术健¹^,², 钟睦¹^,²^,^**, 史湘石¹^,², 陈斐鹏¹^,²

作者信息

¹ 中南大学交通运输工程学院，湖南长沙 410075

² 中南大学极端流动力能前沿科学中心，湖南长沙 410075

鲁寨军 (1975—)，男，湖南醴陵人，博士，教授，主要从事动力学分析及相关测试技术、CO₂液气相变冷弹射技术、CO₂液气相变致裂技术等方面的研究。E-mail：qlzjzd@csu.edu.cn。

姚术健，教授

通讯作者:

^** 钟睦(1970—)，男，湖南邵阳人，硕士，讲师，主要从事CO₂液气相变技术理论与应用研究。E-mail：zhongmu@csu.edu.cn。

Impact of internal parameters on the fracturing performance of 38mm CO₂ fracturing tool

Zhaijun LU¹^,², Zhifu WANG¹^,², Shujian YAO¹^,², Mu ZHONG¹^,²^,^**, Xiangshi SHI¹^,², Feipeng CHEN¹^,²

Affiliations

¹ School of Transportation Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410075，China

² Research Center of Advanced Scientific Research on Extreme Fluid Power，Central South University，Changsha Hunan 410075，China

出版时间: 2024-09-28 doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.09.1378

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摘要

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为快速获得液态CO₂致裂器内部参数对致裂器做功能力的影响特征，优化提高液态CO₂致裂器做功能力，提高煤层瓦斯抽采效率，设计液态CO₂致裂器做功能力快速评估试验装置。使用煤矿用38 mm型致裂器进行4水平3因素的9组正交试验，分析液态CO₂致裂器发热管内部装药量、主管内液态CO₂填充量、泄能片厚度以及泄能头释放口径对于致裂器做功能力的影响主次顺序；进一步对其中最重要的影响因素进行固定变量试验，分析最重要影响因素对液态CO₂致裂器做功能力的影响特征。结果表明：对于煤矿用38 mm型CO₂致裂器，泄能片厚度对于液态CO₂致裂器做功能力的影响最大，发热管内部装药量次之，主管内液态CO₂填充量及泄能头释放口径影响最弱；液态CO₂ 致裂器做功能力随着泄能片的厚度增加而增加，但当泄能片厚度增加到一定程度时，液态CO₂ 致裂器做功能力增幅不够明显，达到一定厚度泄能片不会破裂，当38 mm型致裂器内部参数设置为CO₂质量0.33 kg、释放口径18 mm、装药量60 g、泄能片厚度2.0 mm时致裂器做功能力对应三硝基甲苯(TNT)当量为0.202 kg，相对当前工地使用参数做功能力提升21.9 %。

关键词

CO₂致裂器 / 内部参数 / 做功能力 / 液态CO₂填充量 / 发热管内部装药量 / 泄能片厚度 / 泄能头释放口径

Abstract

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In order to swiftly elucidate the influence of internal parameters on the fracturing performance of a liquid CO₂ fracturing tool and optimize its functionality for enhanced coal seam gas extraction efficiency，a rapid assessment experimental apparatus was designed. A set of 9 orthogonal experiments involving 4 horizontal and 3 influencing factors was conducted utilizing a 38 mm mining-specific fracturing tool. The study analyzed the relative significance of the internal charge quantity in the heating tube，liquid CO₂ filling volume in the main pipe，the thickness of the fracture plate，and the caliber of the release aperture on the fracturing tool's performance. Furthermore，pivotal influencing factors were subjected to fixed-variable experiments to explore their impact patterns on the fracturing performance of the liquid CO₂ fracturing tool. Results indicate that，for the 38 mm mining-specific CO₂ fracturing tool，the thickness of the fracture plate exerts the most substantial influence on the fracturing tool's performance，followed by the internal charge quantity in the heating tube. The impact of the liquid CO₂ filling volume in the main pipe and the caliber of the release aperture is comparatively weaker. The fracturing performance of the liquid CO₂ fracturing tool gradually stabilizes with an increase in the thickness of the fracture plate，reaching a point where the plate does not rupture. When the internal parameters of the 38 mm fracturing tool are set to a CO₂ mass of 0.33 kg，a release caliber of 18 mm，a charge quantity of 60 g，and a fracture plate thickness of 2.0 mm，the tool's fracturing performance corresponds to a TNT(Trinitrotoluene) equivalent of 0.202 kg which is enhanced by 21.9 % compared to the current on-site parameters.

Key words

CO₂ fracturing tool / internal parameters / capacity to do work / liquid CO₂ filling volume / internal charge quantity in heating tube / thickness of fracture plate / caliber of release aperture

引用本文

鲁寨军, 王志富, 姚术健, 钟睦, 史湘石, 陈斐鹏. 38 mm型CO₂致裂器内部参数对致裂器做功能力影响. 中国安全科学学报, 2024 , 34 (9) : 78 -86 . DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.09.1378

Zhaijun LU, Zhifu WANG, Shujian YAO, Mu ZHONG, Xiangshi SHI, Feipeng CHEN. Impact of internal parameters on the fracturing performance of 38mm CO₂ fracturing tool[J]. China Safety Science Journal, 2024 , 34 (9) : 78 -86 . DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.09.1378

正文

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0 引言

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煤炭开采过程伴随着大量煤层气产生，给煤矿生产带来较多安全问题^[1]，如煤矿瓦斯含量过高，可能引发瓦斯突出、爆炸等事故。目前，用于提高煤层气抽采效率的方法主要有水力压裂^[2-3]、液压开槽^[4]、深孔预裂爆破技术^[5]、气体压裂技术^[6]、瓦斯抽采钻孔技术^[7]等。液态CO₂相变压裂技术压裂半径范围较大，在有效开采煤层气方面具有更广泛的应用前景。常见的液态CO₂相变致裂器的做功能力有限，无法满足厚煤层压裂改造的要求，因此，需要提高液态CO₂相变致裂器的做功能力，扩大其致裂范围，以满足厚煤层压裂改造的要求。

诸多学者围绕液态CO₂相变致裂器的做功能力开展了深入研究。沈玉旭等^[8]利用数值模拟方法研究了单孔、多孔以及不同钻孔间距下的液态CO₂相变致裂低透气煤层裂隙扩展规律；马小敏^[9]提出工作面分区增透高效抽采技术，运用分组试验和理论分析方法，研究了不同布孔工艺参数条件下CO₂相变致裂对低透气煤层瓦斯抽采的增透作用规律；贾进章等^[10-11]研究了地应力、瓦斯压力、煤体抗拉强度及孔径大小对液态CO₂相变致裂半径的影响，并研究了双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响，双孔爆破有效致裂半径明显提高；YAN Hao等^[12]研究了不同煤岩界面强度对CO₂致裂注入压力-时间演化规律的影响，分析了CO₂裂纹在煤岩界面区域的扩展模式，揭示了煤岩界面强度对裂纹扩展规律的影响。尤横等^[13]考虑了CO₂充装质量、激发药剂质量和泄能片厚度等不同影响因素下致裂管中压力变化规律，并给出73型号致裂器的最大爆破当量；SHANG Zheng等^[14]研究了CO₂致裂器的泄能头释放口径、泄能片厚度以及注液密度对致裂器内部压力变化的影响；ZHANG Yanan等^[15]分析了致裂器释放压力及致裂器泄能头释放口径对液体CO₂爆破效果下岩石裂纹扩展机制。

大量研究集中于CO₂致裂器外界影响因素，如孔网参数布置、煤层抗拉强度、地应力、瓦斯应力对煤层扩展机制、范围等。然而，CO₂致裂器作为CO₂气体压裂技术的能量储备器，是CO₂气体做功的源头，CO₂致裂器内部本身各参数设置对CO₂做功性能有着重要影响，当前研究较少，且未分析内部参数对CO₂致裂器做功能力的量化特性，并基于该特性优化参数。鉴于此，笔者拟搭建致裂器做功能力快速评估试验系统，并基于4个致裂器的可调参数，设计正交试验，分析4个主要参数对CO₂致裂器做功能力的影响权重，在此基础上进行扩展延伸，进一步分析主要影响因素对于CO₂致裂器做功能力的影响特性，以期为提高液态CO₂致裂能力提供理论参考与借鉴。

1 内部参数对做功能力影响权重试验

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1.1 试验装置设计及做功能力评估原理

CO₂致裂器的模型结构如图1所示，其中，CO₂致裂器本身可调的参数为发热管内部装药量、主管内液态CO₂填充量、泄能片厚度以及泄能头释放口径。

CO₂致裂器本身可调的参数为发热管内部装药量、主管内液态CO₂填充量、泄能片厚度以及泄能头释放口径，为定量评估以上参数设置对CO₂相变致裂器做功能力的影响，设计做功能力快速评估试验系统，如图2所示。

做功能力快速评估试验系统置包括CO₂致裂器(为防止爆炸，管壁已加厚)、定容容器、压力传感器、数据采集器以及数据处理电脑。当CO₂致裂器压力达到泄能片破裂强度，CO₂从泄能头释放口喷入到定容容器中，定容容器中压力上升到峰值p，结合定容容器中CO₂的密度ρ，采用真实气体方程即可计算出定容容器中CO₂内能，通过比较定容容器中CO₂内能的大小，评估不同参数设计下CO₂致裂器做功能力的大小。依据文献[16]结果，选择Feng真实气体方程^[17]来计算CO₂的物性参数。

(1) $\begin{array}{l} \frac{p}{\rho R_{\mathrm{g}} T}=1+b_{2} \rho^{\prime}+b_{3} \rho^{\prime 2}+b_{4} \rho^{\prime 3}+b_{5} \rho^{-4}+b_{6} \rho^{\prime 5}+ \\ b_{7} \rho^{\prime 2} \exp \left[-c_{21} \rho^{2}\right]+b_{8} \rho^{-4} \exp \left[-c_{21} \rho^{\prime 2}\right]+ \\ c_{22} \rho^{\prime} \exp \left[-c_{27}(\Delta T)^{2}\right]+ \\ c_{23} \frac{\Delta \rho}{\rho^{\prime}} \exp \left[-c_{25}(\Delta \rho)^{2}-c_{27}(\Delta T)^{2}\right]+ \\ c_{24} \frac{\Delta \rho}{\rho^{\prime}} \exp \left[-c_{26}(\Delta \rho)^{2}-c_{27}(\Delta T)^{2}\right] \end{array}$

式中：

R g

为CO₂气体常数，0.188 9 J/(g·K);T为CO₂的温度，K;

ρ'

为中间变量；

Δ T 、 Δ ρ

为中间变量，具体计算见下式；c₁~c₂₇及b₂~b₈为系数，具体的值见表1。

(2)

ρ' = ρ ρ c

式中

ρ c

为CO₂临界密度，取467.6 kg/m³。

(3)

Δ T = 1 - T'; Δ ρ = 1 - ρ'

(4)

其 中 ， T' = T T c

式中

T c

为CO₂临界温度，取304.13 K。

Feng方程的具体焓h可描述为：

(5) $\begin{array}{c} \frac{h-h_{0}}{R_{\mathrm{g}} T}=\left(\frac{p}{\rho R_{\mathrm{g}} T}-1\right)+\left(\frac{c_{2}}{T^{\prime}}+2 \frac{c_{3}}{T^{\prime 2}}+3 \frac{c_{4}}{T^{3}}+\right. \\ \left.4 \frac{c_{5}}{T^{\prime 4}}+5 \frac{c_{6}}{T^{\prime 5}}\right) \rho^{\prime}+\frac{1}{2}\left(\frac{c_{8}}{T^{\prime}}+2 \frac{c_{9}}{T^{\prime 2}}\right) \rho^{\prime 2}+ \\ \frac{1}{3}\left(\frac{c_{11}}{T^{\prime}}\right) \rho^{\prime 3}+\frac{1}{4}\left(\frac{c_{13}}{T^{\prime}}\right) \rho^{4}+\frac{1}{5}\left(\frac{c_{14}}{T^{\prime}}\right) \rho^{，5}+ \\ \frac{1}{c_{21}^{2}}\left(3 \frac{c_{18}}{T^{\prime 3}}+4 \frac{c_{19}}{T^{4}}+5 \frac{c_{20}}{T^{5}}\right) \times \\ {\left[1-\left(1+c_{21} \rho^{\prime 2}\right) \exp \left(-c_{21} \rho^{\prime 2}\right)\right]-} \\ 2 c_{22} c_{27} T^{\prime} \Delta T \rho^{\prime} \exp \left[-c_{27}(\Delta T)^{2}\right]+ \\ \frac{c_{23} c_{27}}{c_{25}} T^{\prime} \Delta T \exp \left[-c_{25}(\Delta \rho)^{2}-c_{27}(\Delta T)^{2}\right]+ \\ \frac{1}{c_{21}^{2}}\left(3 \frac{c_{15}}{T^{\prime 3}}+4 \frac{c_{16}}{T^{4}}+5 \frac{c_{17}}{T^{\prime 5}}\right)\left[1-c_{27}(\Delta T)^{2}\right]+ \\ \frac{c_{24} c_{27}}{c_{26}} T^{\prime} \Delta T \exp \left[-c_{26}(\Delta \rho)^{2}-c_{27}(\Delta T)^{2}\right] \end{array}$

式中

h 0 = ∫ 0 T c p d T

为CO₂的初始焓值，比热容

c p

可用下式描述：

(6)

c p = 0.45 + 1.67 η - 1.27 η 2 + 0.39 η 3

其中，

(7)

η = T 1 000 000

内能u表示为：

(8)

u = h - p ρ

式中h为CO₂的焓。

1.2 试验参数设置

采用煤矿用38 mm型CO₂致裂器进行正交试验，当前煤矿现场中38 mm型CO₂致裂器使用参数为泄能片厚度设置1.5 mm，液态CO₂填充量为0.36 kg，发热管内部装药量50 g，泄能头释放口径22 mm。

为保证工作现场实际使用效果，相关参数不宜设置太低，做功能力太低失去使用意义；考虑到试验安全，如果参数设置太高，CO₂致裂器可能存在爆炸风险，所以参数不宜设置太高，故正交试验中参数设置围绕目前现场使用参数展开。泄能片厚度设为1.0、1.5、2.0 mm，液态CO₂填充量设为0.33、0.36、0.39 kg，发热管内部装药量设为40、50、60 g，因为结构尺寸原因，泄能头释放口径最大只能为22 mm，故参数只能以下降梯度设置，为22、20、18 mm。CO₂致裂器做功能力主要影响因素研究的正交试验工况见表2。

1.3 正交试验结果

正交试验定容容器内压力曲线如图3所示，定容容器内峰值压力见表3，获得定容容器内峰值压力后可根据Feng方程计算得到定容容器内CO₂所含内能，见表4。

2 正交试验结果分析

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2.1 极差分析

根据Feng方程所计算定容容器内CO₂所含内能，计算并分析各影响因素的极差大小，正交试验结果见表5。

极差分析见表6。表6中，R为各影响因素的极差，由表6可知：泄能片厚度的极差R_A=33.11，发热管内部装药量的极差R_D=32.09，远大于泄能头释放口径的极差R_C=4.04与液态CO₂填充量的极差R_B=7.49，表明对于38 mm型煤矿用CO₂致裂器，泄能片厚度与发热管内部装药量对于致裂器释放后CO₂所含内能影响显著，泄能头释放口径与液态CO₂填充量对于CO₂内能影响较小。

每个影响因素下的K_i值表示试验结果中该影响因素水平为i的3组试验的CO₂内能之和，k_i=K_i/n，n为水平数，k_i为K_i的均匀化结果，K_i与k_i直观反映了影响因素的不同水平对CO₂内能的影响。每个影响因素下的k_i越大，表示该影响因素取i水平时的CO₂内能越大，根据k_i计算值绘制4个因素的水平趋势如图4所示。由图4a、图4d可得，泄能片厚度、发热管内部装药量与致裂器释放后CO₂所含内能的大小呈正相关，由图4b、图4c看出，液态CO₂填充量、泄能头释放口径与致裂器释放后CO₂所含内能大小呈负相关。

2.2 方差分析

方差分析根据方差分析验证正交试验的结果，由2.1节中极差分析的结论可知：泄能头释放口径大小对内能的影响显著性最低，因此，将泄能头释放口径大小合并到误差项中分析，方差分析结果见表7。表7中，F值表示影响因素影响液态CO₂相变爆破致裂强度的大小，F值越大，影响强度越大。可知：各因素对于液态CO₂相变爆破致裂强度影响的主次顺序依次为泄能片厚度、发热管内部装药量、液态CO₂填充量、泄能头释放口径。表中最后一列P值在多因素试验设计中表示各因素对试验的影响程度，即因素在试验中的重要性。P值越小，认为该因素越重要。当0≤P≤0.05时，认为该影响因素是重要因素。置信度=(1-P)×100%，文中P值选用0.05，则对应置信度为95%。由P值得出，38 mm型煤矿用CO₂致裂器内部参数对其做功能力大小的影响显著性为：泄能片厚度>发热管内部装药量>液态CO₂填充量>泄能头释放口径，泄能片厚度及发热管内部装药量为重要影响因素。方差分析结果与极差分析结果保持一致，验证了正交试验结果的可靠性。

CO₂致裂器内部各参数之间的交互作用也可能存在影响，由表7中P值可知：液态CO₂填充量以及泄能头释放口径的影响远远低于泄能片厚度与发热管内部装药量带来的影响，所以忽略液态CO₂填充量以及泄能头释放口径与其他参数的交互影响，仅分析泄能片厚度与发热管内部装药量的交互作用。图5为泄能片厚度与装药量交互作用图。由图5可知：二者存在交互作用，但3条线几乎平行，可见交互作用微弱。综上所述，CO₂致裂器内部参数相互之间的交互作用对致裂器做功能力大小影响可忽略。

泄能片厚度对致裂器释放后CO₂所含内能大小影响大是因为当发热管内部装药量一致时，药剂燃烧后，致裂器内液态CO₂吸热使致裂器内压力上升，当泄能片厚度较薄时，泄能片破裂较早，此时致裂器内药剂未充分燃烧即随CO₂喷出，燃烧效率较低，CO₂获得的能量少，使得CO₂所含内能小，导致其做功能力低；当泄能片厚度较厚时，泄能片破裂晚，此时致裂器内药剂在充分燃烧后才随CO₂喷出，燃烧效率高，CO₂获得的能量高，使得CO₂所含内能大，使其具有较高的做功能力。

极差分析与方差分析结果一致，说明试验结果可靠。各因素交互作用影响分析结果证明2个主要影响因素泄能片厚度与发热管内部装药量交互作用微弱，可以忽略。所以，可确定在正交试验工况中以2.0 mm泄能片厚度、0.33 kg液态CO₂填充量、18 mm泄能头释放口径、60 g发热管内部装药量作为38 mm型煤矿用CO₂致裂器使用参数可以获得更高的膨胀做功能力。

3 泄能片厚度对致裂器做功能力影响

收起

根据第2节中正交试验结论，泄能片厚度与发热管内部装药量均具有重要影响，但是，增加发热管内部装药量会提高CO₂致裂器内部的压力。当前煤矿现场中药量较大，试验中最大药量已经高于煤矿现场药量，如果药量再增加，可能会发生爆管危险，出于对试验安全的考虑，不探究发热管内部装药量影响特性。在保持液态CO₂填充量0.33 kg、泄能头释放口径18 mm、发热管内部装药量60 g不变的情况下通过改变泄能片厚度，进行做功能力评估试验。选取对38 mm型致裂器做功能力影响最大的影响因素泄能片厚度作为研究对象，开展泄能片厚度对致裂器做功能力影响的试验，试验工况见表8。

定容容器压力如图6所示。可见：在液态CO₂填充量、发热管内部装药量以及泄能头释放口径固定的前提下，随着泄能片厚度从1.0 mm增加到1.6 mm，定容容器压力从1.56 MPa增加到2.08 MPa，压力增加较为明显；泄能片厚度从1.6 mm增加到2.0 mm，定容容器压力仅从2.08 MPa增加到2.21 MPa，增加不够明显；泄能片厚度从2.0 mm增加到2.2 mm，泄能片未发生破裂，可见，对于特定型号的致裂器存在最大泄能片厚度，超过该厚度，泄能片不会破裂，致裂器失效。

根据Feng方程计算得到不同工况下定容容器CO₂所含内能对比，如图7所示。定容容器内CO₂所含内能随着泄能片厚度增加而增加，但是，增加幅度不够明显，当增加至2.0 mm时，接近最大，即致裂器内药剂燃烧效率最高。当泄能片厚度超过2.0 mm，致裂器内压力将不足以使泄能片破裂，致裂器失效。综合第2节分析，可确定对于38 mm型煤矿用CO₂致裂器以2.0 mm泄能片厚度、0.33 kg液态CO₂填充量、18 mm泄能头释放口径、60 g发热管内部装药量作为使用参数可以获得更高的膨胀做功能力。

使用做功能力评估试验系统，对当前煤矿现场中38 mm型CO₂致裂器进行做功能力评估试验，结果如图8所示。定压容器内压力仅为1.37 MPa，根据Feng方程计算得到此时定压容器内CO₂所含内能为232.0 kJ。与之相比，采用优化后的参数设置时，定压容器内CO₂所含内能为282.9 kJ，致裂器膨胀做功能力提升21.9 %。

在爆破工程中，采用三硝基甲苯(Trinitrotoluene，TNT)当量W来表征爆破器材的爆破威力，TNT当量计算见下式^[11]:

(9)

W = E g Q

式中：

E g

为定压容器内CO₂所含内能，kJ;

Q

为1 kg TNT爆炸能，取4 250 kJ/kg。

计算得到液态CO₂填充量0.33 kg、泄能头释放口径18 mm、发热管内部装药量60 g、泄能片厚度2.0 mm时，38 mm型煤矿用致裂器对应的W为0.202 kg。

4 结论

收起

1) 38 mm型煤矿用CO₂致裂器内部参数对其做功能力大小的影响显著性为：泄能片厚度>发热管内部装药量>液态CO₂填充量>泄能头释放口径。且泄能片厚度及发热管内部装药量为重要影响因素。

2) 在其他参数固定时，随着泄能片的厚度增加，定容容器压力逐渐增加，但增加幅度逐渐不够明显，对于特定型号的致裂器存在最大泄能片厚度，超过该厚度，泄能片不会破裂，致裂器失效。

3) 相较于实践中工地使用参数，采用2.0 mm泄能片厚度、60 g发热管内部装药、18 mm泄能头释放口径、0.33 kg液态CO₂这些参数时，38 mm型煤层液态CO₂相变致裂器做功能力提高21.9 %，对应TNT当量为0.202 kg。

5 致谢

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特别感谢湖南训保军训器材有限公司，为本文研究提供相关试验器材。

基金

收起

国家自然科学基金资助(12272414)
湖南省自然科学基金资助(2023RC3045)
湖南省科技创新计划项目(2023RC1026)
中南大学研究生创新项目(QL20230075)

参考文献

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文献

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2024年第34卷第9期

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文章信息

doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.09.1378

接收时间：2024-03-11
首发时间：2025-07-09
出版时间：2024-09-28

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作者

出版历史

收稿日期：2024-03-11
修回日期：2024-06-12

基金

国家自然科学基金资助(12272414)

湖南省自然科学基金资助(2023RC3045)

湖南省科技创新计划项目(2023RC1026)

中南大学研究生创新项目(QL20230075)

作者信息

¹ 中南大学交通运输工程学院，湖南长沙 410075

² 中南大学极端流动力能前沿科学中心，湖南长沙 410075

通讯作者:

^** 钟睦(1970—)，男，湖南邵阳人，硕士，讲师，主要从事CO₂液气相变技术理论与应用研究。E-mail：zhongmu@csu.edu.cn。

参考文献

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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