液态CO_2相变致裂机理及应用技术研究

为了更好地将液态CO2相变致裂技术应用到煤层增透领域中,达到经济快速消突的目的,通过理论对致裂过程进行了分析,将致裂过程分成冲击波作用和高压气体作用过程。并根据气体力学和断裂力学理论建立了致裂的力学方程,计算得到了十三矿致裂影响半径为8.2m,同时通过现场试验验证了计算得到的影响半径是准确的,为液态CO2相变致裂技术在增透消突机制、技术参数等方面的研究奠定了基础。     

二氧化碳相变爆破致裂机理与应用研究进展

煤岩体结构改造是解决煤矿许多技术难题的共性核心科学问题,二氧化碳相变爆破因其安全可控、能量易调节等优点成为煤岩体致裂的有效手段之一。为确定二氧化碳相变爆破致裂机理,扩展相变爆破致裂工程应用,分析了二氧化碳相变爆破原理和致裂器材与装备,统计比较不同方式相变爆破能量计算方式,相较于传统炸药爆破,相变爆破属于一种低能量致裂方式;通过分析二氧化碳相变射流传播特征,探究相变爆破中等应力起裂和高压气体协同作用方式,煤岩体在中等冲击作用下,受到拉应力破坏产生径向初始断裂,并在冲击波和卸载波综合作用下形成多重起裂特征,高压气体在多重裂隙中进一步扩展,驱动裂隙向外扩展,明确了相变爆破应力气体协同致裂过程;进一步研究了泄能方向、煤岩体性质、爆破参数、初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等因素对相变爆破致裂效果的影响,泄能方向对煤岩体破坏起到直接作用,引发非对称损伤破坏,煤岩体抗压强度和致裂孔间距是影响致裂效果的关键因素,初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等影响裂纹发育扩展特征;在相变爆破致裂工程应用方面,揭示了相变爆破多重裂隙渗流特征,确定了高瓦斯煤层致裂增透效果,对比了预裂前后煤体截割特征,验证了...     

冲击气压对含层理泥岩致裂形态的影响规律及声发射响应

为获得高压空气冲击致裂煤岩增透过程的动态响应特征，利用自研的高压空气冲击致裂煤岩体真三轴实验系统，开展了各冲击气压下高压空气冲击致裂含层理泥岩实验，得到了泥岩致裂形态规律及在致裂过程中动态破坏特征。实验结果表明：高压气体冲击致裂泥岩过程呈现4个显著阶段，分别为气压上升阶段、气压衰减阶段、气压回升阶段、气压持续降低阶段；当冲击气压较小时，试块产生沿层理的裂缝，当冲击气压增大时，试块出现跨层理破坏，当冲击气压为28 MPa时，试块出现大量的破坏孔洞；声发射信号特征分析发现，随着冲击气压的增大，声发射信号覆盖频段越宽，从RA-AF分析中发现，试块破裂以张拉破坏为主、剪切破坏为辅。     

二氧化碳致裂器在土石方工程中的应用

二氧化碳气体致裂技术,是一种理念先进、方法安全、效果显著的爆破技术,属于物理致裂技术,具有致裂过程无火花外露、致裂威力大、无需验炮、操作简便、不属于民爆产品,其运输、储存和使用免审批等优点,被许多石方工程广泛应使用。本文从二氧化碳致裂器的工作原理、相较于传统爆破法施工的优势、行业发展现状,以及工程中的应用实例等方面,对二氧化碳气体致裂器设备行业的科技发展现状和进步进行了探讨,希望能为该产业的健康发展和进一步的推广应用提供有益的参考。     

高压氮气致裂增透实验系统的研发及应用

以气体射流冲击和高压氮气的准静态膨胀作用理论为基础,自主研制了高压氮气爆破致裂煤岩体实验系统,开展了不同氮气压力(5、7.5、10 MPa)和不同高压容器体积(1、2、3 L)条件下的高压氮气爆破致裂实验,以获得煤岩体在高压氮气爆破致裂过程中的动态变化规律。结果表明:随着氮气压力的提高,试块从最初的纵向主裂纹扩展为纵横2条主裂纹,次生裂纹更加发育,试块的裂纹增多、破碎度和裂纹扩展断裂区增大;同等压力下,随着高压容器体积的增大,试块主裂纹长度明显增加,次生裂纹扩展受到抑制。由高压氮气爆破致裂的p-t曲线分析,可将高压氮气爆破致裂过程根据其特点的不同分为3个阶段:气体射流冲击阶段、起裂阶段和断裂阶段。     

二氧化碳相变致裂技术在司家营铁矿的研究与应用

利用二氧化碳相变致裂技术进行破岩是一种新型岩体致裂方式,与传统炸药爆破相比,其具有振动小、污染少、飞石易控制等特点。采用现场试验的方法旨在探究此技术在露天矿山采场推广应用的可行性。通过对现场振动监测结果以及致裂效果的比较和分析,得出二氧化碳相变致裂技术在发生致裂的阶段中不会产生任何对空气和人体有害的气体,并且无粉尘、无破坏性震动。最大程度上降低了对矿区内构筑物和环境的破坏,能够基本满足司家营露天矿山一些特定的台阶推进和扩帮需求。     

高压空气爆破致裂效果影响因素分析北大核心

为了提高低透气性煤层的增透效果,提出了高压空气爆破增透技术,阐述了高压空气爆破技术工作原理和工艺流程,利用高压空气的瞬间爆破冲击煤体,使煤体产生裂隙网络,从而有效地增加煤层透气性,同时分析了影响高压空气爆破煤体致裂效果的几个影响因素。通过数值模拟,研究地应力、高压气体、煤体硬度、瓦斯压力对高压空气爆破时裂隙产生的影响,结果显示高压空气爆破冲击可以有效地使煤岩介质产生破碎裂纹,地应力对裂隙扩展效果具有明显的抑制作用;高压气体、煤体硬度、瓦斯压力的大小对裂隙的产生和扩展具有积极作用。     

高压空气爆破致裂效果影响因素分析

为了提高低透气性煤层的增透效果,提出了高压空气爆破增透技术,阐述了高压空气爆破技术工作原理和工艺流程,利用高压空气的瞬间爆破冲击煤体,使煤体产生裂隙网络,从而有效地增加煤层透气性,同时分析了影响高压空气爆破煤体致裂效果的几个影响因素。通过数值模拟,研究地应力、高压气体、煤体硬度、瓦斯压力对高压空气爆破时裂隙产生的影响,结果显示高压空气爆破冲击可以有效地使煤岩介质产生破碎裂纹,地应力对裂隙扩展效果具有明显的抑制作用;高压气体、煤体硬度、瓦斯压力的大小对裂隙的产生和扩展具有积极作用。     

二氧化碳膨胀爆破不同步影响因素探究

针对二氧化碳膨胀爆破过程中不同炮孔中的致裂管时常出现爆破不同步的问题,选择电点火头电阻值、致裂管结构及激发管药剂与二氧化碳气体质量配比等影响二氧化碳膨胀爆破不同步的主要因素进行分析,得出以下结论:串联电路中影响爆破不同步的主要原因为电阻差异造成电点火药头功率大小不一致,升温速率有差异;不同膨胀管结构中,重复性致裂管同步性较好,影响孔外充气一次性管不同步的主要因素为致裂管的破裂方式,孔内充气一次管爆破同步性受炮孔填塞质量影响较大;试验获得的激发管药剂与液态二氧化碳的最佳质量配比约为1:8,根据此配比可合理配置不同致裂管中的气体充装量,确保气体相变时压力保持一致,提高爆破同步性.     

顶板水压致裂卸压效果评价及工程应用

大平煤业3111工作面运输顺槽为厚层坚硬顶板,采用高压水致裂技术对其进行弱化,并通过钻孔孔内观测、邻孔出水分析、矿压观测等方式对致裂效果进行分析。结果表明,采用高压水致裂技术后,顶板岩层得以弱化,矿压显现程度降低,起到了防治冲击地压的作用。     

水力致裂弱化坚硬顶板现场试验研究

针对济三煤矿6305工作面坚硬厚层砂岩顶板难以断裂跨落,采用波兰水力致裂技术进行顶板的致裂。通过对不同孔深的致裂钻孔进行注水致裂,然后观测布置在周围的观测钻孔是否有水流出,以确定最大的致裂半径,根据现场试验验证,最大致裂半径可达6～10 m。同时对比致裂过程前后钻孔的煤粉量,验证了致裂后煤岩体的应力明显降低,从而能有效防止冲击矿压的发生。最后分析微震监测系统SOS接收到的致裂过程矿震波形特点与频谱分布图,得出在致裂过程中会诱发小矿震,震动频率相对较大,能量主要集中在高频部分。     

济三煤矿深孔定向水力致裂防冲技术

煤矿坚硬顶板是诱发冲击矿压的重要因素,在系统分析了济三煤矿两起典型冲击矿压发生特点的基础上,指出了济三煤矿矿压特点为坚硬顶板型冲击矿压.针对目前治理坚硬顶板技术还存在明显不足的情况,在引进波兰定向水力装备的基础上,开发了适合济三煤矿条件下的深孔定向水力致裂防冲技术.通过改进供液与送管工艺,实现了此技术的自动化与孔深限制,极大地拓展了技术的效率与安全性.在63下05与53下 07工作面进行了垂直分层与倾斜切断顶板应用,最大孔深达到了20 m,致裂半径10m以上.钻屑法监测结果显示,致裂顶板区域,钻屑量较致裂前明显减少,并均低于临界值.     

液氮致裂烟煤渗透率及其应力敏感性研究

为了研究液氮致裂条件下烟煤渗透率及其应力敏感性演变规律,取许疃煤矿自然含水率烟煤进行了多次液氮致裂实验,分析了液氮致裂前后不同应力条件下渗透率变化特征,探究了液氮致裂作用对煤应力敏感性影响规律。结果表明:恒定围压下渗透率随着有效应力减小,呈现出先减小后增大的趋势,符合二次函数分布;多次液氮致裂能有效提高煤体渗透率,渗透率随致裂次数的增加而增加,但增长速率逐渐变缓;定义了渗透率离散度来表征改变气体压力所引起渗透率值改变的波动范围,渗透率离散度经过第一次液氮致裂后有明显增加,而其余几次液氮致裂波动范围很小;在同一气体压力下,围压敏感性系数随着围压增大而减小,渗透率损害率随着致裂次数和气体压力增大而增大;第一次液氮处理对煤体渗透率和应力敏感性影响最为显著,后几次液氮处理影响较小。     

顶板多层位定向割缝高压致裂防冲技术

为了实现坚硬顶板型冲击地压防治的安全高效可控,研究了多层位定向割缝高压致裂技术。采用UDEC数值模拟研究了顶板定向致裂前后的运动与能量释放规律。结果表明:坚硬顶板经倾斜与分层定向致裂后,来压步距分别降低了7.7%与17%;系统动能释放降低了47.8%与50%,系统总能量释放降低了28%与41%,从而减弱了对煤体的冲击效应。顶板分层以及多层位定向致裂防冲效果优于倾斜切顶。通过改进供液与送管工艺,实现此技术的自动化与孔深限制,拓展了技术的效率与安全性,最大孔深达到20 m,致裂半径10 m以上。现场钻屑法与微震监测结果表明,致裂顶板区域,钻屑量较致裂前明显减少,并均低于临界值,致裂期间与区域内震动频次与震动能量降低,尤其是大能量震动信号显著减少,表明冲击危险性显著降低,证明此技术防治顶板冲击地压的有效性。     

巷道内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制

为探索深部冲击地压巷道稳定性控制技术,解决冲击地压巷道支护与卸压之间的矛盾,以义马矿区常村煤矿21170运输巷为研究对象,依据冲击地压巷道的强弱强结构模型,采用理论分析、数值模拟、现场试验相结合,分析了强弱强结构消波吸能特性以及内强小结构破坏能量准则和弱结构吸能效应。根据钻孔破碎区力学特征理论推导了多次反复致裂中间弱结构卸压区影响因素,多次反复致裂半径与钻孔半径、初始应力、内摩擦角、弹性模量、降模量、峰值强度和致裂半径修正系数有关。通过数值模拟分析了内强小结构内置钢管支撑护壁技术对巷道围岩的强度和支护体结构完整性控制效果以及周围煤岩体的应力、位移的破坏规律。研究了内强小结构主动支护强化技术,中间卸压防冲弱结构的内置套管反复掏裂致裂方法,并通过微震能量监测验证了弱结构防冲吸能效应。研究结果表明:内置钢管支撑护壁技术在保护内强小结构不受破坏的作用下可以多次进行弱结构致裂,既防内强小结构松动圈裂隙扩展,又防止巷道支护层的整体失稳。工程实践表明:锚杆索主动支护+液压抬棚减跨强力支护+卸压防冲弱结构组成的"内支-外卸"组合技术,微震监测显示震动能量减少了50%,巷道两帮位移和顶板下沉显著较小,有效维护了巷道围岩稳定性,保证了工作面顺利安全回采。     

定向水力致裂对煤层顶板三向应力的影响研究

煤层顶板水力致裂是处理坚硬顶板和防治冲击地压的重要技术手段之一，为了研究水力致裂技术对煤层顶板三向应力的影响，通过现场开展煤层顶板定向水力致裂试验，采用光纤光栅三向应力传感器得到了致裂前后顶板岩层的三向应力。结果表明：水力致裂之后，监测断面处顶板岩层三个主应力均有所降低，最大降幅约为20%，而主应力方向变化很小|在工作面坐标系下，致裂部位处各应力分量的降幅受致裂面方位的影响。顶板水力致裂能够显著降低或者转移顶板岩层三向应力，对致裂部位具有良好的卸压效果。研究成果可为现场水力致裂钻孔布置提供参考，并可用于冲击地压防治研究。     

CO_2气相致裂技术及在煤矿煤仓掘进中的应用

为解决昊华能源股份有限公司红庆梁煤矿井下煤仓凿井速度慢、施工效率低的问题,在国内首次开展了CO_2气相致裂掘进的技术应用。根据CO_2致裂器性能、岩层地质条件和现场试验条件,完成了气相掘进致裂钻孔设计、布孔,以及施工工艺应用和煤仓掘进施工。应用表明:致裂器可以在特殊领域替代炸药进行掘进;凿井过程安全,无有毒有害气体产生,单循环致裂掘进深度1~1.2m,不会对围岩稳定性产生影响;致裂后矸石松动显著易破碎,而且容易清理,提高了作业效率。     

基于正交试验的CO2致裂器泄能头的参数优化

为了对CO_2致裂器泄能头的参数设计提供优化方案,采用ANSYS-CFX对CO_2致裂器的泄能头内部的流场进行数值模拟与仿真,分析了CO_2致裂器的单孔泄能头在不同入口气体压力、扩张段长度、收缩断面直径下所受最大压力,建立了由25组数值模型构成的正交试验表。通过正交试验分析可得:在入口气体压力为290 MPa、扩张段长度为40 cm、收缩断面直径为0.073 m时,CO_2致裂器泄能头所承受的压力最大,达到317.2 MPa。研究结果可为提高CO_2致裂器使用的安全性提供理论支撑。     

航天固体推进剂对煤储层致裂增透试验研究

高瓦斯低渗透性的煤储层严重制约煤炭和煤层气的高效生产，必须对煤储层进行致裂增透。航天固体推进剂爆燃能够产生大量的高能气体冲击煤储层，可以达到致裂增透煤储层的目的。为研究航天固体推进剂致裂煤体特性，首先以民用航天固体推进剂配方为基底，研发了一种用于煤储层致裂增透的固体推进剂，并对其性能、感度、耐压和耐温性能进行了测试，然后采用模拟煤样开展了航天固体推进剂致裂试验，并对试验过程中的孔壁压力和模拟煤样内应变进行了监测，最后根据试验结果分析了模拟煤样的破坏特征。结果表明：航天固体推进剂性能良好，具备防水、耐压和不产生CO等优点，能够适应煤矿井下的环境。试验过程中孔壁压力时程曲线呈现急速升压阶段、缓慢升压阶段和非线性降压阶段，孔壁压力上升时间约为18 ms；孔内压力峰值较低且分布不均匀，孔中压力峰值为118.1 MPa，孔底压力峰值为85.3 MPa。航天固体推进剂致裂过程中，模拟煤样内产生的应力波由压缩相和拉伸相组成，应力波强度较低、持续时间长并且随距离的增大衰减缓慢。航天固体推进剂致裂煤储层以高能气体的准静态作用为主，应力波能量的利用率较高。研究结果为航天固体推进剂在煤层气开采领域的应用提供...     

CO2致裂技术在煤层瓦斯抽采中的应用研究

针对目前瓦斯治理困难、抽采效率低,且现存的增透抽采技术存在潜在危险、抽采效果差等问题,运用机理分析、数值模拟和工业试验等综合方法,论述了液态CO₂相变致裂技术装备组成和致裂基本原理;同时使用FLUENT软件对相关技术参数进行了数值模拟和系统优化。结果表明:CO₂致裂利用高压气体破碎煤岩体,增大了煤岩层的透气效果;模拟结果得出“c”结构平直圆柱形为释放孔最优结构,且释放最优直径和压力分别为25 mm和276 MPa;致裂后瓦斯抽采效果大幅度提高,可为低透气性煤层瓦斯高效抽采提供技术指导。