二氧化碳致裂器爆破技术在煤矿巷道掘进的实践

王坪煤电有限责任公司在303盘区2303巷掘进过程中试验使用二氧化碳致裂器爆破作业工艺。结果表明:二氧化碳致裂器爆破不会产生有毒气体,而且可以有效地提高爆破的掘进效率,二氧化碳致裂器可回收利用,实现了煤矿巷道安全高效的掘进。     

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...     

干热岩热储建造的二氧化碳爆破致裂器优化设计

干热岩作为一种可再生的清洁能源,如何开采具有重要意义,但温度和深度双重因素导致干热岩型地热资源开采难度大。在开采过程中,储层建造是其中的关键技术。储层建造产生大规模的体积裂隙网络,以保证有大面积的换热通道进行长期的热能提取,二氧化碳爆破致裂技术作为一种新方法为储层建造提供了新思路。本文简述了二氧化碳爆破致裂技术,以及爆破过程中二氧化碳充装量、活化剂用量、定压片厚度之间的内在关系,重点优化了用于干热岩型地热储层建造的二氧化碳致裂器,设计了致裂器内部结构的具体参数,完善了外部结构和整体系统,最终研发了一种可用于干热岩型地热储层建造的新型二氧化碳致裂器,为干热岩型地热储层建造提供有效的技术手段,填补了耐高温高压的井下二氧化碳致裂器领域的空白。     

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。     

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.     

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。     

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。     

CO_2致裂器强制放顶技术在阳煤一矿的应用

为消除顶板长距离、大面积悬顶带来的生产隐患,阳煤一矿81402工作面进风巷应用CO2预裂爆破强制放顶技术。通过合理确定钻眼布置参数,使用CO2致裂器,利用CO2受热气化膨胀,快速释放高压气体破断落山岩体或煤层,基本解决了落山大面积悬顶问题,CO2预裂技术克服了以往利用炸药爆破预裂中破坏性大、危险性高、粉尘大等缺点,为矿山安全开采和预裂开辟了一条新的途径,对阳泉矿区大面积悬顶预裂技术的发展具有积极的借鉴和推广意义。     

二氧化碳相变预裂增透爆破参数优化研究

为了得到兴县矿区CO_2致裂爆破提高煤层瓦斯透气性系数的钻孔最优布置参数,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:爆破孔间距是7 m、爆破器间距是5 m时,液态CO_2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。     

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。     

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。     

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。     

二氧化碳致裂器爆破技术在布沼坝露天矿的应用

传统化学爆破技术对露天煤矿最大程度提高块煤率作用有限,布沼坝露天矿进行二氧化碳致裂器物理爆破实验,块煤率加大,煤的经济效益提升,且显著减小了爆破飞煤和飞尘对生产安全和环境的影响。该技术不仅为煤矿绿色安全高效提供技术支持,而且为露天煤矿爆破产品的更新提供了一种新思路。     

郭家河煤矿CO2深孔预裂爆破钻孔间距优选

二氧化碳致裂器致裂煤层增透技术是一种基于液态二氧化碳经气化膨胀做功的新型卸压增透技术，合理的爆破钻孔间距能够显著降低爆破成本。以郭家河煤矿1302工作面为例，采用现场试验方法，开展了不同钻孔间距(2.5，3，3.5，4 m)的试样研究。研究表明：钻孔间距越小爆破后瓦斯抽采纯量及浓度越高，当钻孔间距减小至3 m时，钻孔间距进一步减小，对瓦斯抽采效果影响较小，依据试验结果将该工作面爆破钻孔间距确定为3 m。     

二氧化碳致裂器深孔预裂爆破煤层增透新技术

针对低透气性煤层瓦斯抽采难度大、预抽效率低的问题,研发出二氧化碳致裂器深孔预裂爆破煤层增透新技术,通过理论分析、现场试验和数值模拟研究发现:采用二氧化碳致裂器在煤层中进行深孔预裂爆破,可促进煤层孔隙系统发育,提高煤层的透气性,达到强化抽采瓦斯的目的。贝勒煤矿井下试验结果显示,致裂后钻孔瓦斯流量增大3.8~6.7倍,钻孔瓦斯流量衰减系数由0.691 1 d-1降为0.052 8 d-1,煤层透气性系数提高26倍,预裂影响半径达4.5~5.7 m,在很大程度上改善了矿井瓦斯治理的效果,降低了瓦斯治理的经济成本,确保了煤矿采掘接替和安全生产。     

二氧化碳致裂治理坚硬顶板技术应用

针对大同矿区坚硬顶板垮落难题,提出了利用二氧化碳致裂技术来治理坚硬顶板的方法,通过在塔山煤矿8218工作面进行二氧化碳致裂坚硬顶板的试验,结果表明二氧化碳致裂可取得与传统炸药爆破相当的效果,提高了放顶的安全性。     

高压二氧化碳爆破增透机理及试验研究

基于损伤力学,对高压二氧化碳爆破增透机理进行了分析研究。司马煤业有限公司井下试验结果显示,利用高压二氧化碳爆破技术进行煤层强化增透,可使钻孔瓦斯浓度提高1.12~5.68倍,爆破有效影响半径不低于5.9 m。数值模拟结果显示,致裂孔最佳间距为9m。二氧化碳致裂器具有安全、无污染、可控制等优点,应用前景良好。     

产气具气体预裂技术在巨厚层状坚硬岩层的应用

为解决马泰壕煤矿煤层顶板赋存巨厚层状坚硬岩层的问题,选用MCQY1-50型产气具实施气体致裂技术对覆岩进行预裂破坏,达到冲击地压防控的目的。对比爆破冲击、水力压裂和气体致裂技术的优缺点,采用经验分析、理论分析方法对气体致裂范围进行研究,并进行单孔、双孔的燃烧和爆轰过程模拟,分析装置因素和炮孔因素对气体致裂效果的影响。     

二氧化碳致裂器快速充装系统的研制

为了提高二氧化碳致裂器充装效率,研制出二氧化碳致裂器快速充装系统,合理地设计充装系统结构,通过PLC程序控制器,对充装管路的液态二氧化碳的压力、充装重量、充装泵的环境温度进行自动化控制,提高了充装质量,保障二氧化碳致裂器快速充装系统安全可靠的工作。     

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。