井工矿坚硬顶煤顶板控制方法的技术经济分析

采煤工作面坚硬顶板(煤)不能及时垮落,导致围岩控制与安全保障等一系列问题。传统处理坚硬顶板(煤)的方法是炸药爆破,近年来对水力致裂、二氧化碳相变致裂、静力膨胀剂等坚硬顶板(煤)控制的新方法也进行了研究和探索。本文从能量控制的角度出发,根据固定钻孔中破岩能量是否恒定,将炸药爆破、二氧化碳相变致裂和静力膨胀剂划分为定能量破岩方式,将水力致裂划分为变能量破岩方式,通过对比各种顶板(煤)控制方法的作用范围和经济性,得出水力致裂的作用范围和经济性优于炸药爆破,炸药爆破的作用范围和经济性优于二氧化碳相变致裂。水力致裂在安全性、单孔作用范围、施工便捷性和经济性等多个方面均具有明显优势,对于井工矿坚硬顶板(煤)来说,水力致裂控制技术是今后的发展方向。     

松软低透煤层深孔微差聚能爆破致裂机理

针对松软低透煤层微差聚能爆破致裂增透问题,在分析微差聚能爆破作用过程及影响因素的基础上,利用流固耦合算法建立了微差聚能爆破数值模型,研究了煤体单元应力及裂隙发育特征,并通过煤层深孔微差聚能爆破现场试验探讨了微差聚能爆破致裂机理及对煤层增透的影响。结果表明:深孔微差聚能爆破的新自由面和应力波叠加效应是促进爆生裂隙扩展、衍生裂隙形成的关键因素,炮孔间煤体在短时间内经两次爆破作用使裂隙进一步发育和扩展。先爆炮孔为后爆炮孔提供了新的裂隙面,爆炸应力波经裂隙面绕射、反射并与入射波叠加,使裂隙面附近煤岩体处于拉伸应力状态并促进衍生裂隙的形成;后爆炮孔利用先爆炮孔形成的残余应力场使爆生裂隙密度增加,扩大了煤体致裂范围。微差时间与炮孔间距是影响爆生裂隙扩展特征的重要因素,在其他条件不变的情况下,两者共同作用决定了爆生裂隙的发育形态。当先爆炮孔产生的应力波在微差时间内传播距离小于炮孔间距时,爆炸应力波在两炮孔间煤体中相互叠加增强,随后在裂隙面之间发生反射形成拉伸应力波对煤岩体产生复杂的破坏作用,在原有爆生裂隙间形成新的裂隙。煤层实施深孔微差聚能爆破后增透效果显著,先爆炮孔附近煤体裂隙在后爆炮孔作用下进一步发育,炮孔间煤体裂隙随孔间距减小更易贯通。     

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。     

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。     

裂隙倾角对水中高压电脉冲致裂煤岩体效果的影响

为了探究裂隙倾斜角度对水中高压电脉冲致裂煤岩体效果的影响,采用含有预制中心孔和平行预制裂隙的煤岩体相似试样,以预制裂隙倾角为变量进行了真三轴水中高压电脉冲致裂试验,基于试验结果分析了裂纹扩展特征.利用颗粒流程序进行模拟,进一步研究了裂隙倾角对裂纹扩展特征的影响。研究结果表明:围压作用下,平行裂隙之间的区域应力降低,裂隙两端产生了应力集中,在冲击载荷的作用下裂纹更容易在应力降低区域产生并向应力集中区延伸;随着裂隙倾角的增大,裂隙对应力波能量的消耗先增加后减小,裂纹长度和宽度呈现先增加后减小的趋势;在高压电脉冲的作用下,试样在中心孔处、预制裂隙两端和预制裂隙内侧生成微裂纹,随着应力波在裂隙处发生反射和衍射,应力集中区域发生转移,在这个过程中微裂纹发展成宏观裂纹使裂隙与中心孔连通.研究结果为高压电脉冲致裂技术在工程上运用和钻孔位置的合理选取提供了依据。     

煤层液态CO2相变致裂增透技术试验研究

液态 CO２ 相变致裂煤层增透技术可以有效解决煤层渗透性差、瓦斯抽采率低等难题.以长治矿区３号煤层为工程背景,通过理论分析导向裂隙、初始裂隙和裂隙扩展３个阶段的裂隙区半径,利用数值模拟研究单孔、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,并进行 了 现 场 工 业 性 试 验.研 究 结 果 表 明:单 孔 液 态CO２ 相变致裂爆破煤层的最大破坏范围为６m,爆破孔中间设置空孔可以扩大相变爆破致裂的破坏范围;实施液态CO２相变致裂技术后,３号煤层平均瓦斯抽采率由０．５７％增加到０．９２％,单孔瓦斯抽采率提高了１．２５~２．９１倍,瓦斯抽采率明显提升.该研究为液态 CO２ 相变致裂煤层增透技术提供 了理论依据和现场指导.     

液态CO2相变爆破技术布孔参数优化研究

瓦斯抽采是防止瓦斯灾害最常用的技术手段之一,为了解决高瓦斯低渗透煤层抽采难、抽采效果不好的技术难题.采用液态CO2相变爆破增透技术,通过理论分析、数值模拟计算、工业试验,研究了液态CO2相变爆破增透技术致裂区裂纹扩展延伸规律,采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件模拟分析了单孔爆破有效影响半径范围,研究了钻孔间距、致裂器间距及致裂器布置方式对致裂效果的影响,将模拟得到的抽采参数在三元煤矿1312采区进行瓦斯抽采试验,对比爆破前后的瓦斯涌出量及煤层透气性系数.研究结果表明:爆破后钻孔瓦斯涌出量衰减强度降低了77.3％,煤层透气性提高为原来的45倍.液态CO2爆破钻孔布置参数优化后,可使煤层增透效果更佳,从而提高瓦斯的抽采效率,在高瓦斯低渗透煤层卸压增透方面起到了积极作用.     

预裂爆破参数的理论计算及应用

爆炸应力波及爆生气体在损伤岩体中形成的应力场衰减规律及破岩机理是预裂爆破参数计算的基础。根据孔壁初始冲击压力与岩石强度的关系,得出了预裂爆破不耦合系数范围。然后,分析了损伤岩体中爆生气体形成的静态应力场,得出了预裂爆破形成的初始裂隙圈和炮孔间距。最后,以紫金山露天矿为试验现场,对理论研究进行了验证,为露天矿深孔预裂爆破的施工设计提供了参考依据。     

大宁煤矿水压致裂控顶技术研究

为了减少大宁煤矿综采工作面强烈矿压引起的巷道破坏、提高工作面推进速度、减少复用巷道巷修工程,缓解工作面接替紧张的现象,通过对液态二氧化碳致裂、爆破致裂、水压致裂煤岩体的3种方式进行分析。结合大宁煤矿突出矿井、大煤柱护巷的布置方式以及工作面顶板特性,采用水压致裂的方式,对工作面顺槽及切眼顶板进行预裂,从而改变采场大结构产生的应力集中分布,减少巷道围岩破坏。运用理论计算的方式,确定了水压致裂关键技术参数,并提出了高压胶囊分割,实现分段压裂的方式充分保证致裂效果。     

斜沟煤矿18205工作面CO2致裂增透最优钻孔布置参数研究

为了得到斜沟煤矿18205工作面CO2致裂爆破钻孔最优布置参数,提高煤层瓦斯透气性系数,依据物理爆破原理,推导出了二氧化碳致裂器爆破时产生裂隙圈半径的计算公式;并通过FLAC^3D数值模拟软件进行模拟,得出:爆破孔间距为7 m、爆破器间距为5 m时,液态CO2致裂爆破可实现最佳的增透效果,当爆破孔间距越大时,透气性系数提高幅度越大,煤层增透效果越显著,抽采效率越高。     

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。     

深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究

为了对深部高应力裂隙煤岩体变形破坏特征及改性强化机理进行研究,首先采用小孔径水压致裂法对埋深500 m左右和1000 m左右的地应力分布特征进行现场实测研究,以此为基础对比分析了不同埋深条件下地应力分布特征、煤岩体破裂强度及典型裂隙分布发育特征,拟合得到了不同埋深条件下裂隙煤岩体摩尔强度包络线公式。采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应力水平条件下煤岩体不同角度裂隙变形破坏特征。根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的关系,探讨了影响深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素。通过建立裂隙悬臂梁力学模型,采用格里菲斯裂纹扩展破坏准则分析了裂隙扩展临界载荷和裂隙不同角度间的关系。基于现场实测及数值模拟研究结果,通过对不同埋深煤岩体破裂强度的统计分析,结合煤岩体改性强化的工艺及装备要求,提出了深部裂隙煤岩体改性强化的基本原则及临界值范围。基于上述研究成果,在千米深井工作面巷道进行了现场试验,得到了裂隙煤岩体改性强化高压注浆全过程改性压力曲线。通过对裂隙煤岩体不同改性强化阶段浆液扩散特征的分析,最大注浆改性强化压力为30 MPa,一般为15~20 MPa,与提出的改性原则相符。通过现场取样表征分析、实验室扫描电镜对尺度2~20μm浆液固结体特征进行对比分析,采用纳米压痕试验对浆液固结体和煤岩体的界面弹性模量效应进行了分析,从宏观到微观验证了裂隙煤岩体改性强化效果良好。     

煤层深孔聚能爆破致裂增透机理研究

针对高瓦斯低透气性煤层钻孔瓦斯抽放效率低的问题,以郑州煤炭工业（集团）有限责任公司大平煤矿为例,提出了煤层深孔聚能爆破致裂增透方法.利用爆破特殊装药结构积聚爆炸能量,驱使聚能罩侵彻煤体形成初始裂隙,并在爆生气体的二次驱动下扩大煤体断裂带范围.现场爆破试验及瓦斯抽放效果证明,煤层深孔聚能爆破裂隙有效影响半径为5~6 m,钻孔瓦斯抽放浓度平均提高200%~300%.     

CO2相变爆破增裂技术在煤巷顺层预抽钻孔中的应用

针对低透气性煤层瓦斯抽采难题,提出CO2相变爆破增裂技术,通过对放置于钻孔中的液态CO2加热造成瞬间气化形成高压膨胀爆破,使煤岩体产生大量裂隙以达到卸压增透目的,提高瓦斯抽采效率,同时降低顶板压力,保障安全掘进。在常村煤矿1213回风顺槽采用CO2相变爆破增裂技术,并对爆破增裂孔及普通抽采孔瓦斯抽采参数进行对比,结果显示增裂孔瓦斯抽采浓度是普通预抽钻孔的1.3倍,瓦斯纯量是普通预抽钻孔的1.5倍,有效提高抽采效率,同时单进水平由每月90 m提高至120 m,为煤巷安全高效掘进创造条件。     

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。     

提高煤层透气性的理论研究

为提高煤化程度高、低透气性难抽放的焦煤瓦斯抽放率,论文研究应用水压致裂和爆破致裂技术,可产生适当数目的孔边裂纹和贯通裂纹,实验发现钻孔周围的裂纹数目、几何形态、连通状况等与致裂压力、煤岩体力学性质、应力分布、钻孔直径和周围介质中膨胀波传播速度相关,借助钻孔水压致裂和爆破致裂技术可以提高煤层透气性。     

缝槽水压爆破导向裂缝扩展实验研究

针对西南地区薄煤层在使用传统深孔预裂爆破技术增加煤体透气性时,爆生裂缝无序扩展至顶底板引发顶底板失稳破断的技术难题,结合刻槽爆破裂缝导向性和水压爆破高效性,提出缝槽水压爆破技术。通过实验对比分析了耦合装药爆破、缝槽空气不耦合爆破、缝槽水压爆破形成的裂缝特征及应力演化规律。结果表明：缝槽水压爆破能大面积定向预制二维平面裂缝;在相同装药量下,缝槽水压爆破制造的煤体暴露面积是缝槽空气不耦合装药爆破的1.42倍、耦合装药爆破的11倍;其爆炸应力峰值略高于耦合装药爆破,达到割缝空气不耦合装药的1.5倍。而且,缝槽尖端方向应力变化大于其他方向,引起更大的质点振动,利于煤岩体破断,导向裂缝起裂和扩展,更有利于保护煤层顶底板。     

煤巷掘进工作面CO_2相变致裂防治煤与瓦斯突出技术

通过理论研究和工业试验,确定了CO_2相变致裂技术防突措施,并提出了适合试验矿井掘进工作面的防突措施工艺参数,系统评价了CO_2相变致裂技术措施的有效性、适应性和安全性。研究结果表明:CO_2相变致裂技术防突措施是利用CO_2液气两相转变时产生的能量剪断剪切片产生应力波及高压气体使煤体产生裂隙,以提高煤层渗透率达到防治煤与瓦斯突出的目的。通过煤层掘进巷道试验验证了该技术的可行性。     

爆破应力波在构造带煤岩的传播规律及破坏特征

针对煤矿井下爆破作业扰动到构造带煤岩体容易诱发煤与瓦斯突出事故的现实背景,根据爆破应力波在构造带煤岩的传播规律结合相似模拟实验和数值分析,研究应力波对构造带煤岩的损伤破坏特征及其对煤与瓦斯突出的影响作用机理。研究发现,爆破应力波从岩体传播到构造松软煤层时,在煤岩交界面发生了波的透射和反射;透射的压缩应力波作用于煤体,使煤层裂隙增加;反射的拉伸应力波反作用于岩体,使位于岩体内相应测点的应力值增大约1.1倍,在靠近松软煤体一侧的岩体内形成交叉网状裂纹,加大了岩体的破坏程度和破坏范围。构造松软煤体加强爆破应力波的反射拉伸和爆破振动的累积效应导致构造带煤岩交界面的煤岩体损伤严重,当煤岩体的强度不能抵抗瓦斯内能和煤岩体的弹性潜能时将会发生煤与瓦斯突出。     

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.