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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

煤层钻孔静态爆破致裂半径数值模拟

为了研究煤层钻孔静态爆破过程中煤体的破碎范围以及确定合理的瓦斯抽采钻孔间距,通过设计实验测定了破碎材料的反应参数,并根据煤体基本参数和煤体变形的数学模型,利用COMSOL软件对煤层钻孔静态爆破对煤层的作用范围进行了数值模拟分析。研究结果表明,静态爆破使用的破碎材料产生的膨胀压力可以达到45~65 MPa,在孔径为100 mm的膨胀钻孔作用下,膨胀致裂半径达到了1.3 m,确定了该煤层抽放钻孔的合理间距。     

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...     

CO2气爆致裂半径影响因素数值模拟研究

为了提高CO₂相变致裂增透效果,明确不同因素对CO₂致裂半径的影响。本文计算了液态CO₂相变气爆能量的TNT当量转化并采用LS-DYNA软件模拟研究了不同地应力、瓦斯压力、致裂器泄放压力对致裂半径的影响,给出了各个影响因素与致裂半径的关系式。结果表明：随着地应力的增大,有效致裂半径逐渐降低;瓦斯压力的存在使煤体内裂隙呈膨胀张开状态,降低煤岩的有效压缩应力,使得煤层中的原始瓦斯压力对有效致裂半径的扩大有积极的正效应。泄放压力的增大提高了爆生气体射流的冲击速度,增大了气爆冲击波对周围煤岩体的径向压缩效能,增大了气爆应力波能量,3种因素联合作用使得气爆有效致裂半径随致裂器泄放压力的增大而增大。     

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。     

呼吸器气瓶用爆破片性能研究

基于呼吸器气瓶的相关工作特性,对其压力敏感元件即爆破片的爆破机理进行了理论研究,结合弹性力学相关理论,建立了圆板形爆破片爆破压力的数学模型,同时对其影响参数进行了深入研究,并通过有限元分析验证了理论研究的正确性。研究结果表明:在安全阀体无倒角情况下,爆破片破坏形式为剪切破坏;反之,爆破片破坏形式为拉伸破坏。拉伸破坏时,爆破片爆破压力与安全阀体倒角和泄压孔径大小呈反比关系,而与自身厚度呈正比关系,各参数影响程度由大到小依次是爆破片厚度、泄压孔直径、安全阀体倒角。     

泄爆口参数对柱形容器泄爆过程影响的数值分析

本文基于流体力学软件Fluent,通过模拟9.5%的甲烷-空气混合气体在柱形容器内的燃爆与泄爆过程,分析了不同泄爆口位置以及不同泄爆口数量等因素对泄爆过程的影响。结果表明:泄爆过程中普遍存在二次压力峰值现象,泄爆口越远离点火位置,二次压力峰值到达时间越长,峰值压力持续时间越长,压力泄放越慢;等截面积条件下,增加泄爆口数量能在一定程度上加快容器内的压力泄放。     

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。     

230905工作面坚硬顶板深孔预裂爆破效果分析

以新集一矿230905工作面为工程背景,该工作面存在坚硬顶板,强度高、厚度大,导致顶板难以垮落。采用数值模拟和现场试验等方法,分析了顶板预裂爆破后工作面推进过程中覆岩应力场演化规律及塑性区破坏特征,提出了采用扇形孔的布置方式对坚硬顶板难冒落问题进行人工预裂放顶。结果表明：预裂爆破后,煤壁前方压力峰值得到削减,在前方未切顶处形成应力集中,采空区上方岩层以拉伸-剪切破坏为主。结合顶板破坏形态特征,制定了深孔预裂爆破方案,对工作面支架的稳定性进行了定量分析,为后续工作面推进过程中的支护提供依据。     

液态CO_2相变致裂试验研究

为提高液态CO_2相变致裂技术的威力,开展多组不同厚度破裂片、不同CO_2装填量和活化剂进行试验,定量测得致裂管内瞬态压强变化规律。实验结果表明,峰值压力受破裂片厚度、CO_2装填量和活化剂质量的影响,由于破裂片厚度小可承受内压力较低,导致破裂片的厚度起到了决定性作用;为研究CO_2装填密度对峰值压力的影响,基于高压维里状态方程分析了密闭空间条件下压力、温度和CO_2装填量间的关系,其结果可直接用于致裂管与破裂片的设计与优化。     

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...     

坚硬顶板高压定向水力致裂现场试验研究

为了削弱宽沟煤矿B_(4-1)煤上方坚硬岩石的整体结构,降低岩石强度,实现减弱可能发生或潜在的冲击危险的目的,通过理论分析确定了高压水力致裂的主要参数,包括B4-1煤上方坚硬岩层致裂的层位、致裂位置及致裂压力,开展了现场高压定向水力致裂技术试验研究。研究表明,宽沟煤矿B_(4-1)煤上方粉砂岩的致裂压力为28.3~29.6 MPa,试验实现了致裂半径5~7m以上;煤层上方细砂岩、中砂岩的致裂压力为42.7~43 MPa,致裂半径为2~5 m,现场试验表明高压定向水力致裂能够有效降低坚硬顶板的强度和整体性厚度。