液态CO2相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO₂相变爆破钻孔布置参数，研究双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响，基于LS-DYNA有限元软件模拟分析单孔爆破、双孔不同孔间距爆破及添加控制孔爆破的裂隙扩展特征，并在山西某矿15号煤层进行液态CO₂相变致裂现场试验。结果表明：液态CO₂单孔爆破的有效致裂半径为2.16 m;双孔爆破有效致裂半径为2.54 m,较单孔有效致裂半径提高了17.59%。随着炮孔间距的增大，两炮孔中间连线贯通区由完全贯通演化至非连续贯通，当孔间距为5 m时，致裂效果最好。含控制孔爆破较双孔爆破有效致裂半径提高了8.27%,控制孔主导了爆生主裂隙的定向扩展及孔壁环向裂隙的生成，裂隙扩展速度和影响范围均有显著增加。液态CO₂相变致裂后，平均瓦斯抽采体积分数提高了2.68倍，平均瓦斯抽采流量提高了6.09倍。     

松软煤层水不耦合装药预裂爆破的力学特性数值分析北大核心CSCD

针对低透气性松软煤层瓦斯难以抽采的现实问题,进行了松软煤层水介质不耦合装药预裂爆破增透的研究。理论上,分析了水不耦合装药爆破在孔壁上形成的初始冲击波压力,并结合断裂力学计算得出煤体中形成的粉碎区和裂隙区范围。同时,利用ANSYS/LS-DYNA三维数值模拟软件,建立了水和空气不耦合装药的松软煤体爆破模型,进行了数值模拟对比分析。研究结果表明:水不耦合爆破后,松软煤体中形成的裂纹数量以及裂隙区范围明显较优,采集到的应力曲线,水不耦合装药爆破后形成的压、拉应力峰值分别是空气不耦合装药爆破的3.71倍和2.58倍;水不耦合装药爆破改善了爆破效果,应用于低透气性松软煤层的预裂爆破增透中,能够有效提高煤层的透气性,抑制瓦斯动力灾害事故。     

松软煤层水不耦合装药预裂爆破的力学特性数值分析

针对低透气性松软煤层瓦斯难以抽采的现实问题,进行了松软煤层水介质不耦合装药预裂爆破增透的研究。理论上,分析了水不耦合装药爆破在孔壁上形成的初始冲击波压力,并结合断裂力学计算得出煤体中形成的粉碎区和裂隙区范围。同时,利用ANSYS/LS-DYNA三维数值模拟软件,建立了水和空气不耦合装药的松软煤体爆破模型,进行了数值模拟对比分析。研究结果表明:水不耦合爆破后,松软煤体中形成的裂纹数量以及裂隙区范围明显较优,采集到的应力曲线,水不耦合装药爆破后形成的压、拉应力峰值分别是空气不耦合装药爆破的3.71倍和2.58倍;水不耦合装药爆破改善了爆破效果,应用于低透气性松软煤层的预裂爆破增透中,能够有效提高煤层的透气性,抑制瓦斯动力灾害事故。     

深埋突出煤层深孔控制爆破致裂机理和防突效果研究

基于理论分析和数值模拟,探究深孔控制爆破技术在深埋低透高瓦斯煤层防突方面的适用性。考虑爆炸波、爆生气体、煤层原始瓦斯压力、煤层地应力对裂隙的作用。研究深埋低透高瓦斯煤层深孔控制爆破裂隙的扩展的过程、机理及防突效果。对比了理论分析结果和典型的现场试验结果。得出的结论是,煤层深孔控制爆破致裂,是在爆炸波的动态冲击震裂和爆生气体及煤层瓦斯压力的尖劈压裂作用下共同完成的;深埋高应力煤层深孔控制爆破机理与常规浅孔采掘爆破机理不同;控制孔在高应力煤层中的导裂作用并不显著,其主要起到卸压孔和抽放孔的作用。几个典型的高应力低透突出煤层的工程实践表明,采用深孔控制爆破技术后,均获得良好的增透效果,且均未发生煤与瓦斯突出事故。     

超临界CO2气爆致裂规律实验研究

针对我国低渗透性煤层增透困难的现状,研发了可控超临界二氧化碳气爆发生装 置,对不同强度的模拟煤体进行了不同温压条件下的超临界CO2气爆实验,结合孔内窥 镜观测和外观测量手段,对爆后宏观裂隙数目和长度等爆破响应信息进行统计分析。结 果表明:气爆裂纹起裂所需的最小爆破压力与介质的抗拉强度呈指数式增长的关系,主 要是固体材料在动力载荷作用下强度增大引起的;超临界二氧化碳气爆后产生宏观裂隙 的数目和累计长度与爆破压力满足Logistic函数关系,是裂隙面积超线性增加所消耗能 量也超线性增加的结果;超临界CO2对温压条件敏感,爆破有降温作用,是良好的物理 爆破原料,使用超临界二氧化碳作为爆破原料的爆破效果优于空气爆破效果。     

考虑串孔影响的穿层水力扩孔合理冲煤量研究

在煤层增透方面,穿层水力扩孔冲出煤量主要依据经验以及遵循“能冲尽冲”的原则,致使串孔现象严重,针对这一问题,采用理论分析、数值模拟结合工程试验的方法,阐明了串孔致因机理和串孔前后扩孔孔硐内负压损失分布特征,构建了考虑吸附膨胀应力和Klinkenberg效应的扩孔孔硐附近煤体瓦斯流动流-固耦合数学模型,利用Comsol软件,模拟了不同冲煤量下扩孔孔硐附近煤体所受应力分布和煤体渗透率的变化情况。研究结果表明:随着煤体不断被冲出,孔硐有效抽采半径相对变化率呈现衰减趋势;扩孔孔硐附近最大主应力呈现先急剧减小再增大,然后降低直至原始应力大小的趋势;渗透率的变化趋势与最大主应力恰好相反;扩孔孔硐周围煤体渗透率的增加主要受煤体的径向位移所控制,孔硐周围煤体大幅径向位移会产生串孔现象,渗透率虽得到大幅度提高,但瓦斯抽采效果和安全采掘很难保证,需要厘定出水力扩孔合理冲出煤量。     

穿层爆破中控制孔对裂隙扩展作用机理试验研究

为研究控制孔在穿层爆破中对裂隙扩展的作用机理,在实验室内进行穿层爆破相似模拟试验。研究表明:煤岩体试块上表面产生了贯穿炮孔和控制孔的裂隙,侧面生成了多条不规则的裂隙,试块内部出现了包括沿控制孔方向发展的多个断裂面;炮孔和控制孔连线上产生了较高拉应力,炮孔和控制孔连线方向上拉应变峰值是炮孔45°方向上的拉应变峰值的1.12倍;爆破产生的压缩应力波P和在控制孔处反射生成的反射横波Sr、反射纵波Pr在控制孔附近的煤岩体上产生应力叠加,造成煤岩体损伤,最终形成贯穿裂隙。穿层爆破中控制孔对爆生裂隙的扩展起到导向作用,但由于穿层爆破中煤岩交界面的存在,使得应力波出现复杂的反射、透射、叠加效应,造成煤层内裂隙无序发育,工程现场应予以重视。     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用*

为解决高瓦斯矿井开采过程中煤体透气性差、瓦斯预抽周期长、抽采效果不佳的难题,提出利用深孔预裂爆破技术提高煤体裂隙发育度,增加煤体透气性,从而提高瓦斯抽采率的方法。通过现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法,分析深孔预裂爆破卸压增透内在机理,确定爆破影响半径为4.5~5.3 m,并在A110605工作面进行现场应用,同时考察煤层增透效果。研究结果表明:煤层爆破致裂后,平均瓦斯抽采浓度提高了2.17倍,平均瓦斯抽采纯量提高了2.02倍,煤层透气性系数提高了近5.3倍,煤层卸压增透效果显著,很大程度上消除了煤与瓦斯突出危险性,为实现工作面的安全开采及正常接替提供了保障。     

低透气性煤层钻射一体化瓦斯抽采技术研究与应用

为提高低透气性煤层的瓦斯抽采效果,开发了钻射一体化技术,并在韩村矿进行了试验研究。试验过程中,金属射流首先在煤层中射出主裂缝,随后推进剂延迟爆破产生高能爆生气体压裂煤体,破坏煤体的致密结构,在钻孔周围形成松动裂隙圈,达到煤层增渗效果。结果表明,钻孔瓦斯抽采体积分数由措施前的10.1%增加到措施后的42.2%,钻孔瓦斯抽采流量由0.026 m3/min增加到措施后的0.077 m3/min。钻射一体化技术措施增透效果显著,比同等条件下的普通钻孔抽采效果成倍提高,为高瓦斯低透气性煤层高效抽采瓦斯提供了一种有效途径。     

水不耦合装药对深孔预裂爆破应力波能量的影响

从理论上探讨了在深孔预裂爆破过程中,水不耦合装药对爆轰冲击波的形成和应力波传播规律的影响,利用Matlab编程求解了冲击波初始参数和沿爆破孔径向方向上传播到爆破孔孔壁处的参数;并根据弹性理论提出并求解了正入射情况下爆破孔孔壁表面上的初始冲击压力。在淮南矿业集团丁集矿进行了水不耦合装药深孔预裂爆破实验,并对实验获得的应力波信号进行归一化频谱分析研究。数值计算和现场实验均表明:通过在煤层中进行深孔预裂爆破实验研究发现,当ξ的值为1.5左右时,爆生应力波在10~50Hz内的分能量最强,同时具有最高的信噪比,这与理论计算结果相吻合。因而,在利用煤层爆破强化增透技术时应将不耦合装药系数设计为1.5左右,同时适当加大爆破药柱的用量,以获得最佳的增透效果。     

含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破技术研究

针对在含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层开采时，一方面煤层瓦斯抽采困难，另一方面煤层中的坚硬夹矸难破碎的问题，开展含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破研究。理论上，分析多向聚能装药对爆破的影响，引入多向聚能影响系数，计算得出了不同方向上裂隙的范围。通过相似模拟试验，验证了多向聚能爆破实际效果；利用LS-DYNA数值模拟软件，对不同装药方式爆破作用下煤与夹矸裂隙的发育特征及应力演化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:多向聚能爆破能够将爆破能量积聚在夹矸弱化和煤层增透的方向上，形成以导向裂隙为主，大量分支裂隙为辅的裂隙网，在夹矸弱化和煤层增透方向上的应力峰值分别为普通爆破的1.21倍和1.16倍。多向聚能爆破能够在提高破碎坚硬夹矸能力的同时提升煤体中裂隙的发育程度，从而大幅优化爆破效果。     

基于液电效应的高压电脉冲对煤体致裂实验研究*

为分析基于液电效应的高压电脉冲致裂煤体效果,采用电脉冲应力波实验和微观观测方法对潞安矿区煤样裂隙发展过程及其特征进行研究。结果表明:液电效应能明显致裂煤体,且作用次数越多,煤体裂隙密度越大、裂隙网络越贯通,同时煤体孔裂隙等结构薄弱部位的存在能促进裂隙的发育;液电效应对煤体作用可分为4个阶段,其中裂隙快速发展阶段是适合现场作用阶段;高压电脉冲通过液电效应产生冲击波和其他次生作用,且对煤体组成成分无影响;在现场应用中,应充分考虑煤体性质、钻孔布局等,采用“单点多次、多次连续、分段进行、全孔作业”的作业方式。该实验研究为基于液电效应的高压电脉冲技术应用提供支撑。     

二氧化碳致裂对煤岩孔隙表面分形特征影响实验研究

为了探究二氧化碳致裂对贵州高瓦斯低渗透煤层的孔隙致裂增透作用,提出了应用低温氮吸附与FHH模型相结合的方法,分析致裂前后煤样的微观孔隙特征变化,并将分形维数与孔隙特征参数结合。研究结果表明:二氧化碳致裂对煤的孔隙具有明显的作用效果,致裂后煤岩体中微孔含量、比表面积减少,而孔容、平均孔直径增加;致裂作用会使煤的分形维数减小,孔隙表面受致裂效果会趋于光滑;受二氧化碳致裂作用,分形维数的大小与平均孔直径、孔容和吸附量等存在负相关关系,与比表面积、微孔含量等呈正相关关系。     

基于THM耦合冻结煤层温度场演化规律研究*

为研究冻结煤层温度场演化规律,针对煤层注液冷冻防治煤与瓦斯突出方法,建立热流固（THM）耦合方程,应用COMSOL软件分析冻结过程中渗透率、温度场、有效冻结半径等参数的时空演化规律,并对不同布孔方式冻结效果进行对比。研究结果表明:冻结过程中渗透率与有效冻结半径均先快速增加后缓慢增加,有效冻结半径随冻结时间增加呈幂函数关系;多孔布置冻结孔时,随冻结时间增加,有效冻结范围增大;同一冻结时间,距冻结孔越远,温度变化越缓慢,研究结果可为冻结煤层防治煤与瓦斯突出提供理论指导。     

The shaped blasting experimental study on damage and crack evolution of high stress coal seam

In the deep high stress coal and rock mass, the efficiency of the ordinary blasting method is constantly affected by the high pressure. This study investigates the shaped blasting technology with increased blasting efficiency, develops a mechanical model for coal crack expansion during shaped blasting, and examines the force-energy action of energy-gathering jets during coal splitting. The established model was combined with experiments and simulations to reveal the damage and evolution of cracks in coal and rock masses. Experiments demonstrate that shaped blasting can create an energy-gathering jet that causes a directional fracture in the test block. The peak of compressive strain in the energy-gathering direction is 1.12 times greater than that of ordinary blasting, and the static action period of the explosive gas is prolonged by 1.3 μs according to the stress curve. Moreover, the peak pressure strain increased 3.2 times, and the pull strain peak increased 3.92 times. The damage amount was represented by the resistivity and ultrasonic wave speed, and shaped blasting causes 1.2 and 1.5 times greater damage than ordinary blasting. The research results provide technical methods for safe and rapid penetration blasting in deep high-ground stressed coal mines.     

深孔预裂爆破在深井高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采中的应用

为解决潘一东矿深井低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽采率低的问题,提出了运用深孔预裂爆破技术提高煤层透气性,进行瓦斯预抽,进而提高瓦斯抽采率,降低煤层突出危险性的方法。通过数值模拟阐述了深孔预裂爆破技术的作用机理,并对潘一东矿应用效果进行了现场考察。研究表明:在低透气性煤层实施深孔预裂爆破技术后,煤层透气性得以提高,平均瓦斯抽采量提高了3倍,有效地提高了瓦斯抽采率,降低了煤体瓦斯压力和含量,从而在一定程度上降低了煤与瓦斯突出的危险性。     

Study on difference of outburst elimination effect between sub-layers of soft coal and hard coal under the condition of gas per-drainage

The effect of drainage and outburst elimination are obviously different between soft and hard coal sub-layers under per-drainage of coal seam, and hence, the location of per-drainage borehole related to the soft sub-layer is the key that determines whether the outburst can be eliminated in whole coal seam. This paper discusses the differences between soft and hard coal from fields of pore radius distribution, pore structure, surface area and permeability, and the per-drainage effect was numerical simulated under different distance between per-drainage hole and soft sub-layer. Moreover, the optimum hole arrangement of outburst elimination is given in the paper. The result of research shows that the macro-pore with aperture that is larger than 50,000 nm, is dominant at about 50% in hard coal, correspondingly, the micro-pore with aperture less than 100 nm accounts for about 41.23% in soft coal. The surface area of soft coal is 1.6 times as that of hard coal. The residual gas content in soft coal sub-layer is obviously more than it in hard coal sub-layer under the same pre-drainage condition. To 5.5 m-thick coal seams which top is a soft coal sub-layer of 0.5 m-thick, pre-drainage gas can eliminate danger of gas outburst in whole coal seam at the seam time after 455 days drainage when the per-drainage holes are 1.0 m distances from the soft coal sub-layer.     

城市地铁岩溶隐患多孔电阻率联合成像技术研究*

为有效解决二维电法在探测异常体空间形态上的不足,基于有限差分算法,建立溶洞与跨孔电阻率组合模型,探讨溶洞剖面投影位置及偏移距与电阻率响应变化特征,将跨孔电阻率数据体进行跨孔三维联合反演成像。结果表明:溶洞模型距跨孔探测剖面较近时,实际投影至剖面上位置不同,导致探测效果差异较大;随溶洞模型偏移距增大,溶洞投影中心位置电阻率整体表现为前期缓慢、中期迅速、后期减缓并最终趋于稳定的非线性变化趋势,溶洞模型旁侧效应影响范围约8 m。三维联合反演结果能立体可视化展示溶洞空间发育形态,在城市地铁超前地质灾害精准探测方面具有一定应用价值。