二氧化碳致裂器泄能关键参数研究

为致裂器爆破能达到最佳的效果,开展了准静态强度测试、动态爆破致裂试验,分析了二氧化碳致裂器泄放压力与定压剪切片厚度、发热材料用量和液态二氧化碳充装量之间的关系,并得出了泄放压力模型;通过压力的计算分析和三维流体模拟,分析出泄能口的最优布置方式。试验结果表明:定压剪切片厚度为3 mm时,准静态抗剪强度为130 MPa,合理的发热材料用量为113 g,泄放压力峰值约为185 MPa;厚度为4 mm时,准静态抗剪强度为220 MPa,合理的发热材料用量为163 g,泄放压力峰值约为263 MPa;在保证整体刚度和使用寿命前提下,尽量减小泄能通道长度,增大孔直径,断面面积与定压剪切片破断面积相同,腔内壁光滑,泄能口倾角75°为宜。     

液态CO2相变致裂器泄能头气孔压力研究

采用CO₂相变爆破代替传统炸药爆破作为输入能量,对低渗砂岩铀矿层进行“爆破增渗”物理改造,对于提高我国天然铀产量具有十分重要的意义。目前工业化生产的CO₂致裂器主要针对煤岩开采等领域设计,在爆破增渗工况中适应性不佳。为此,对传统致裂器泄能头进行多孔设计、平衡各泄气孔压力,为设计出针对爆破增渗领域的“各气孔压力大且均匀”的致裂器提供理论参考。以RNG k-ε湍流模型为理论基础,基于计算流体动力学（CFD）对致裂器泄能头部分进行了数值仿真试验,分析了泄能头内的气体流动规律及压力分布特征,探讨了位置关系和孔径特征两个因素对泄气孔压力变化的影响规律。结果表明：为保持气孔压力的稳定输出,对称式分布的泄气孔优于交错式分布的泄气孔布置;同时,泄气孔直径设置为由首部至端部递增的非均匀式,可有效降低各气孔之间的压差。上述分析进一步表明：非均匀对称式的泄能头类型更符合爆破增渗的需求。     

二氧化碳致裂器止飞技术研究

基于二氧化碳致裂器爆破瞬间飞管的问题,分析了致裂器内部的压力变化规律、孔内力学变化规律,探讨了致裂器飞管的主要因素,试验结果表明:为了测定爆破瞬间高压、高速气体的压力,通过压力测定系统,精确测定出最直接造成飞管现象的管内压力185 MPa,同时也分析了泄能孔面积和方向对飞管的影响;通过压力的计算和三维流体模拟,提出了3种止飞手段,封孔止飞作为常规辅助手段,计算封孔物长度,机械止飞膨胀摩擦角为30°,泄能口倾角75°,上下排列,两两径向对称,这些止飞手段,很大程度上提高了致裂器爆破的效果,确保致裂器在瓦斯抽采方面的广泛应用。     

CO_2致裂器泄能过程分析

理论分析结合数值计算,对泄能过程中储液管内CO2状态变化情况及压力变化进行了分析,并通过测试试验拟合得到了致裂器泄放压力随剪切片厚度变化的数学关系p=14.992e0.4912d。此外,依据TNT当量法计算了单个致裂器正常使用时泄放能量相当于0.15 kg TNT。     

CO_2致裂器在安能煤矿中的试验研究

CO_2致裂器利用物态变化产生能量,本质安全,在煤矿致裂增透中应用广泛。利用CO_2致裂器在安能煤矿10903工作面进行煤层顺层致裂增透,为了得出CO_2致裂器在煤层致裂中应用效果,进行致裂孔增透前后相关参数的对比试验,结果表明,进行强化增透的煤层,内部瓦斯含量最大减幅达到65%,瓦斯纯量增幅达到了原来的4倍,效果显著,为今后CO_2致裂器在煤层致裂增透治理中起到参考作用。     

CO_2致裂器药卷最小起爆长度试验

对CO_2致裂器药卷最小起爆长度进行测试,利用控制变量法分段逐步进行爆破试验,并对爆破效果进行理论分析,讨论工程应用当中药卷的最佳长度。得到不同型号致裂器的安全起爆药卷长度与增大起爆威力的方法,方法对煤层瓦斯抽采致裂及岩石致裂具有指导作用。     

液态CO_2相变致裂增透煤层机理与应用研究

液态CO_2相变致裂增透原理是利用加热药卷瞬间加热液态CO_2,受热后的液态CO_2击破定压泄能片,产生的高压空气和冲击波作用于煤岩体,对煤体产生拉伸破坏作用。液态CO_2相变属于物理爆炸过程,具有安全、可靠的特性。利用高压气体爆炸能量模型计算了液态CO_2相变TNT当量,结合爆破理论、损伤断裂力学理论分析了高压CO_2作用下煤体致裂过程。现场试验的结果表明,液态CO_2相变致裂可以提高钻孔抽采有效影响半径1.5倍,并在此基础上合理确定了布孔方式。     

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。     

不同埋深条件下二氧化碳致裂爆破技术增透效果试验研究

根据断裂力学理论,分析了爆破压力、地应力对液态二氧化碳致裂爆破裂纹扩展和增透效果的影响。基于理论分析结果,在黑龙江兴山煤矿17#煤层开展试验研究。试验结果表明,17#煤层在埋藏深度为330m条件下,在泄放压力为150MPa或200MPa、爆破口间距为1180mm或2180mm时,增透效果相近,爆破口间距为3180 mm时,无论二氧化碳致裂爆破泄放压力为150MPa或200 MPa,增透效果均较差;埋藏深度为792m条件下,二氧化碳致裂爆破泄放压力200MPa、爆破口间距1180mm时的增透效果最好。     

液态二氧化碳相变致裂掏槽破岩试验研究

为研究液态二氧化碳相变致裂技术在掏槽破岩作业中的适用性问题,分析了应力波与高压二氧化碳准静态荷载共同作用下的二氧化碳相变致裂破岩规律,并通过搭建压力测试平台,实际测得二氧化碳致裂器峰值泄放压力可达185 MPa,致裂作用全部过程持续约200 ms,致裂关键参数有利于破断岩石,结合岩巷掘进的工程实际,试验了2种致裂方式的掏槽破岩方案,并对试验过程的爆破振动进行监测。结果表明:相较于方案一中每个孔安放单根致裂器,方案二采用了二氧化碳致裂器多管联爆的方式,结合合理的致裂孔与空孔参数布置,可取得更好的掏槽效果,掏槽区域布置6个掏槽致裂孔、2个中心空孔,每个致裂孔安放2根首尾相接的二氧化碳致裂器,致裂后形成的掏槽槽洞深度可达1.6 m,落岩体积约4.2 m3,形成的掏槽空间能够满足掘进需求,作业效率更高,并且在损伤累积效应作用下,槽洞底部的扩展裂隙可为下一循环的掏槽作业创造有利条件;此外,致裂过程最大振动速度为0.376 cm/s,振动、噪声、扬尘都较小,不会影响周边环境,证明该技术适用于掏槽破岩作业,为岩巷掘进、城市地下隧洞开挖等工程提供了新的作业手段和技术参考。     

CO_2爆破增透技术的试验研究

针对低透性高瓦斯煤层透气性差,瓦斯含量高,预抽采难度大、效率低等难题,研发出CO_2致裂器爆破增透技术,采用井下试验和数值模拟相结合的方法,研究发现:CO_2致裂器爆破煤层,会促使煤层产生大量裂隙,并使得原有裂隙得到扩展,从而达到提高煤层透气性的目的。     

气相聚能压裂煤层的三维效应研究北大核心

液体二氧化碳相变气爆是一种点式气相聚能压裂技术,其对煤体致裂的三维效应是探究增透效果的重要判据。基于自主设计搭建的物理实验平台,实验研究得出了气爆压降的时空演化规律,气爆气体压力峰值与爆破口距离的空间关系呈二次抛物线形式,拟合关系式为y=0.04x2-5.86x+227.6;气爆气体压力上升时间与爆破口距离的时间关系呈幂函数形式,拟合关系式为y=8.78x0.143 7。数值模拟分析得出气相聚能压裂煤体的塑性区呈现以爆破孔轴向为长轴的近似椭圆体发育的分布规律;当气爆峰值压力为160 MPa和200 MPa时,2种工况对应的最大有效致裂半径分别为0.50 m和0.60 m,最大致裂半径增加约20%;致裂体积分别为0.50 m3和0.95 m3,致裂体积增加近1倍。     

气相聚能压裂煤层的三维效应研究

液体二氧化碳相变气爆是一种点式气相聚能压裂技术,其对煤体致裂的三维效应是探究增透效果的重要判据。基于自主设计搭建的物理实验平台,实验研究得出了气爆压降的时空演化规律,气爆气体压力峰值与爆破口距离的空间关系呈二次抛物线形式,拟合关系式为y=0.04x~2-5.86x+227.6;气爆气体压力上升时间与爆破口距离的时间关系呈幂函数形式,拟合关系式为y=8.78x~(0.143 7)。数值模拟分析得出气相聚能压裂煤体的塑性区呈现以爆破孔轴向为长轴的近似椭圆体发育的分布规律;当气爆峰值压力为160 MPa和200 MPa时,2种工况对应的最大有效致裂半径分别为0.50 m和0.60 m,最大致裂半径增加约20%;致裂体积分别为0.50 m~3和0.95 m~3,致裂体积增加近1倍。     

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。     

煤与瓦斯突出煤层CO_2相变致裂增透技术试验研究

针对车集煤矿煤层瓦斯压力较高、透气性差、瓦斯预抽难度大等问题,提出了在二_2煤层进行CO_2相变致裂增透技术试验。进行了CO_2相变致裂技术原理和CO_2致裂装置研究,设计了CO_2相变致裂增透影响半径试验方案和CO_2相变致裂增透瓦斯抽采效果试验方案。现场试验结果表明,本次CO_2相变致裂增透试验的影响半径为4 m;在观测的15 d内,致裂组的平均瓦斯抽采流量为普通抽采组平均瓦斯抽采流量的1.7倍。     

复合增透技术在高瓦斯低渗透煤层中的应用

针对高瓦斯低渗透煤层透气性差、渗透率低导致瓦斯抽采效率低,制约矿井安全高效开采等问题,提出水力压裂与CO_2相变气爆致裂复合作用增加煤层透气性的技术方案。采用RFPA~(2D)-Flow软件对不同水压作用下钻孔周边煤体裂纹形成过程及向四周延展的规律进行模拟分析,采用FLAC~(3D)软件对在不同长度预裂缝条件下CO_2相变气爆致裂作用的影响程度进行模拟分析,同时在常村煤矿3106工作面进行工业试验。模拟分析和现场验证结果表明:水力压裂试验中,水压达到28 MPa时,作用的有效影响半径达到2.5 m;CO_2相变气爆致裂作用影响区域范围与预裂缝长度之间呈线性关系,采用复合增透法能够使煤体的有效影响作用半径由2.5 m提高到7 m,通过30 d的现场数据采集分析,瓦斯压力由原0.43 MPa降低到0.15 MPa,瓦斯抽采效果显著,为类似条件下煤层瓦斯抽采提供技术参考。     

CO_2致裂器在煤层致裂中的应用研究

在安能煤矿10918工作面进行煤层顺层CO_2致裂增透,提高煤层透气性的试验中,为了得出CO_2致裂器在煤层致裂中应用效果,进行致裂孔增透前后相关参数的对比试验,结果表明,进行强化增透的煤层,内部瓦斯含量最大减幅达到59%,瓦斯纯量增幅达到了原来的3.6倍,效果显著。     

液态CO_2相变致裂技术在金佳煤矿的应用

为更好地在低渗透、高瓦斯、强突出煤层中应用CO_2致裂技术,在金佳煤矿11224运输巷与212石门进行CO_2相变致裂的防突预抽现场试验,通过比较煤层致裂后的瓦斯压力与含量变化,确定CO_2致裂技术在顺层孔与穿层孔中的差异,研究结果表明:一次液态CO_2相变致裂时间为2.0～2.5 h,且需要多次注入液态CO_2致裂才能提高瓦斯抽采效果;采用液态CO_2致裂技术可在原来基础上减少煤层瓦斯含量6%～12%,减少煤层瓦斯压力9%～12%,并且运用在穿层孔的效果要优于顺层孔,但是穿层孔的规律不如顺层孔稳定;液态CO_2致裂技术的致裂半径为6 m,为提高致裂效果可采用叠加致裂的布孔方式,增大钻孔群的抽采效果。该对比研究结果为液态CO_2相变致裂技术运用在煤矿瓦斯突出与防治领域提供了有效依据。     

CO_2致裂器深孔预裂煤体裂隙扩展范围试验研究

为了得出CO_2致裂器串接进行深孔预裂的影响半径,在山西某煤矿3~#煤层进行了2组试验,研究了在抽采区和未抽采区2种不同工况下深孔预裂的影响半径,并结合理论计算的结果进行了分析,结果表明,利用串接CO_2致裂器进行深孔爆破,钻孔深度100 m的情况下,影响半径约5 m,为致裂增透方案的设计和现场施工提供了有力的技术支持。     

CO_2致裂器充装阀气密性试验装置研究

CO_2致裂技术是应用液态CO_2瞬间气化产生冲击,达到预裂煤层、岩层的目的,充装阀是CO_2致裂器的重要部件。设计了一套简便并实用的充装阀气密性试验装置,利用该装置对10支充装阀进行了试验,并实际充装液态CO_2进行了验证,结果表明,在试验装置上能够保持很好气密性的充装阀,20 h实际泄漏量均能控制在5%以内,性能稳定。