射流参数对双孔液态CO_(2)相变冲击岩石裂纹扩展的影响

液态CO_(2)相变作用时的射流形状与冲击方向影响着破岩效果。基于自行构建的试验系统,结合LS-DYNA数值模拟,研究了双孔液态CO_(2)在不同气流释放方向组合下的岩石裂纹扩展规律。结果表明:双孔X方向相背冲击时,岩石裂纹并不能在两孔之间扩展贯通。双孔X方向相对冲击时,两孔之间形成贯穿裂纹。双孔Y方向同向冲击时,裂纹沿初始冲击方向扩展,并在孔周围扩展形成多条裂纹。数值模拟结果表明:在不同释放口组合冲击作用下,X方向相对冲击时裂纹在两孔之间形成贯穿,初始裂纹继续扩展贯穿至前后侧面。X方向相背冲击下的试样裂隙主要向预留孔四周扩展。Y方向同向冲击下试样内部裂隙沿初始气流冲击方向的反方向扩展,并未形成贯穿裂纹。从裂纹定向扩展效果而言,双孔X方向相对冲击效果最好,Y方向同向冲击次之,X方向相背冲击最差。从顶面主裂纹扩展数量而言,X方向相背冲击最多,Y方向同向冲击次之,X方向相对冲击最少。研究结果可为CO_(2)冲击致裂技术应用提供指导。

液态CO_(2)相变致裂技术在水下清礁中的应用

液态CO_(2)相变致裂是以CO_(2)为介质的物理膨胀过程,具有良好的安全性、可控性、适用性。目前,该技术在水下清礁中的应用案例较少,尚缺乏指导性操作方案。文章通过福建南平港延平新城港区洋坑作业区码头工程实例,提出CO_(2)相变致裂单孔能量计算方法,以及单方岩石致裂TNT当量初步取值,阐述了该技术在水下清礁施工中的主要技术参数推算方法。

液态CO_(2)相变致裂在低渗低透强突出煤层的应用研究

针对低透气性煤层瓦斯含量高、预抽效果不理想的问题,采用液态CO_(2)相变致裂技术,在穿层钻孔中利用瞬间产生的高压CO_(2)气体冲击煤体,产生大量裂隙并促使裂隙发育、扩展,以达到提高煤层透气性的目的。在绿塘煤矿南二采区S204工作面进行的试验表明:液态CO_(2)相变致裂技术可有效提高瓦斯抽采效果,试验后平均抽采流量为0.057 m^(3)/min,是试验前的4.3倍,是相同抽采时间内水力冲孔措施平均抽采流量的2.3倍;抽采浓度也有所提升;在试验考察期内流量衰减系数降低到0.046 d^(-1),增透效果显著。

液态CO_(2)管道输送注入端相变特性试验研究

液态CO_(2)输送过程具有不稳定性,尤其是管道注入端易受外界环境影响发生相变而造成管路堵塞。因此,研究注入端液态CO_(2)相变特性对非稳态输送具有重要意义。通过自主搭建的耐高压管道式CO_(2)相变特性测试系统研究了不同初始压力下注入端压力及温度的变化情况,分析了注入端相态变化及传热特性。结果表明:液态CO_(2)注入平均质量流量一定时输入管道后发生热交换,瞬时相变导致注入端压力先上升后逐渐降低,温度在短时间内保持不变后快速下降,最终压力和温度趋于稳定;不同平均质量流量下,注入端压力/温度变化趋势一致,平均质量流量越大,气化过程越缓慢,所需时间越长;管道初始压力为1 MPa时,注入端CO_(2)介质由气态变为气液两态最终变为过热液体,通过温度-压力特性曲线得出,注入端压力和温度变化较小,前后压力差为0.099 MPa;管道内预先充入一定量CO_(2)气体,可防止温度和压力大幅度变化而产生干冰堵塞管道。

煤层液态CO_(2)相变致裂半径范围的影响因素研究

为提高煤层瓦斯抽采效率,减少矿井瓦斯灾害事故掌握不同因素对液态CO_(2)相变致裂半径范围的影响特征,以液态CO_(2)气爆能量释放的三硝基甲苯(TNT)当量转化为基础构建煤体爆破损伤演化模型;利用LS-DYNA软件模拟煤层物性参数(煤层地应力σ、煤体抗拉强度S_(t)、瓦斯压力P_(g))和孔径d对液态CO_(2)相变致裂半径L范围的影响;运用灰色关联分析理论,结合数值模拟结果分析爆破影响因素主次顺序。结果表明:液态CO_(2)相变致裂半径范围与瓦斯压力和钻孔孔径呈递增关系与煤层地应力呈递减关系;地应力对致裂半径范围的影响程度最强,钻孔孔径次之,瓦斯压力影响程度相对较弱,煤体抗拉强度变化对致裂半径范围的影响甚微。

液态CO_(2)相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO_(2)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CO_(2)相变致裂现场试验。结果表明:液态CO_(2)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CO_(2)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。

铝粉粒径对CO_(2)相变爆炸激发药剂性能影响研究

为了研究铝粉粒径对CO_(2)相变爆炸激发药剂性能的影响,通过热量法(TG)、引燃试验、耐温试验和反应热试验,研究其热分解特性、安全性、耐温性和反应热的变化。结果表明:加入40、80和120μm的铝粉后,激发药剂的热分解特性无明显变化,含40μm铝粉激发药剂表观活化能降低52.92 kJ/mol,含80μm和120μm铝粉激发药剂表观活化能分别增加55.21 kJ/mol和57.53 kJ/mol。加入不同粒径铝粉后,各试样均能在空气中被引燃,燃烧过程均伴随着白烟产生。其中,加入120μm铝粉的激发药剂与不含铝粉以及含40、80μm铝粉的激发药剂相比燃烧更剧烈。实验结果表明,含不同粒径铝粉的激发药剂均能被电引火药头激发,但试样未被完全引燃。这些激发药剂在封闭环境和一定压力下(大于或等于0.2 MPa)时,能够被可靠引燃且无明显爆炸现象,表明其安全性良好。在70℃保温48 h后,加入铝粉的激发药剂整体并未发生明显变化,温度指数T_(s)在70℃左右,表明其耐温性能良好。当不同粒径的铝粉质量百分数相同时,反应热提高均为12%左右,表明粒径对激发药剂反应热影响很小。

液态CO_(2)相变致裂参数及应用效果研究

为了深入研究致裂机理,结合岩石力学和气体射流方程对CO_(2)致裂的原理分析,借助地面实验平台进行了相关致裂参数的测定研究,得到了致裂过程的压力波形图。通过实验发现该爆破与传统爆破不同,其致裂过程没有产生爆轰波,基于致裂的原理确定了致裂过程前期主要为高压气体的冲击作用,后期主要为气体的膨胀作用;在忻州窑矿进行了致裂效果的现场试验,通过钻孔窥视仪对不同装液量下的致裂孔的破坏情况考察,确定了同等条件下装液量直接影响致裂的效果,研究成果为CO_(2)致裂机理更深一步的研究奠定了基础。

液态CO_(2)相变爆炸激发药剂安全性的试验研究

为了测试新研制的CO_(2)相变爆炸激发药剂的安全性,依据GJB5891.22-2006火工品药剂试验方法的第二十二部分“机械撞击感度试验”和第二十四部分“摩擦感度试验”方法,对其进行了撞击感度和摩擦感度测试,按照《危险货物运输爆炸品的认可和分项试验方法》,开展了12m跌落试验、75℃热稳定性试验和外部火烧试验。结果表明,在1.2kg钢锤、500mm落高条件下,25发撞击感度试验爆炸概率为0;在1.5kg钢锤、摆角100°、表压2.45MPa条件下,25发摩擦感度试验爆炸概率为0;12m跌落试验和75℃热稳定性试验中激发药剂试样均未出现燃烧或爆炸现象,75℃热稳定性试验结束时激发药剂的温度仅比试验温度75℃高出0.5℃,表明激发药剂为热稳定性物质;外部火烧试验结果表明,144kg激发药剂在露天敞开的条件下,仅用1min左右时间就燃烧完全,但未发生爆炸,也没有危险的迸射物射出。各试验结果均表明,激发药剂的危险感度低、安全性好,其原因在于激发药剂组分中C_(2)H_(8)N_(2)O_(4)对燃烧反应具有一定的抑制作用,精确控制其含量,可使激发药剂具有良好的燃烧性能和较高的安全性。

液态CO_(2)-水循环作用下煤体的物理改性规律及增润减尘效应

煤层注水是预防煤矿粉尘危害的主动性、治本性措施,也是防治瓦斯突出、冲击地压等灾害的重要手段之一。但我国大量煤层具有高地应力、低孔隙率、低渗透性的特点,传统方法和技术面临水注入难、注水周期长、煤体假性润湿等瓶颈。为此,利用液态CO_(2)具有的低温冷冻、高渗透性、相变自增压、酸化解堵等优异特性,提出液态CO_(2)-水循环作用致裂增润煤体的新思路,研制了液态CO_(2)循环冷浸试验系统,联合低场核磁共振仪研究了液态CO_(2)-水循环作用对煤孔隙结构的影响规律,联用电液伺服压力实验机探究了循环作用对煤体力学特性的改变机理,运用截齿破碎煤岩产尘试验系统研究了循环作用后煤体破碎过程的产尘特性。结果表明:液态CO_(2)-水循环作用使煤体有效孔隙度(φ_(NF))增加,增幅与循环作用次数呈正相关,煤体内部束缚流体变少,自由流体增多,T2截止值(T_(2cutoff))随之降低,结合分形理论发现基于渗流孔隙的分形维数Ds具有明显的分形特征,煤体原生孔隙经历了“扩容”的过程,微裂隙与原始裂隙形成贯通,循环作用增强了有效渗流通道连通性,优化了煤的孔隙网络与渗流条件。随着循环次数的增加,煤的最大应力σ_(c)呈指数衰减至4.93 MPa,应变ε_(c)线性增加至2.29×10^(-2),煤的抗压强度减弱,变形能力增加,循环作用改变了煤基质间联结状态,产生的冻胀力对煤体施加挤压作用加剧了裂隙的扩展,脆性指数B5最大降幅为34.71%,显著减弱了煤体脆性,具有了更好的抗动载荷或冲击能力;煤体对外加能量的存储能力弱化,改变了煤在截割过程中的破坏形式,试验条件下煤体破碎过程全尘产尘率降低了74%,呼吸性粉尘占比下降至2%,大幅减弱了粉尘危害性。

液态CO_(2)相变破岩时相邻天然气管道防护研究

在随州城市综合管廊基坑开挖工程中,保护相邻天然气管道不受到破坏十分关键。为此,首先开展乳化炸药和液态CO_(2)相变破岩的爆破漏斗试验。一方面基于FARO Focus~S 150型三维激光扫描仪和Split-Desktop 4.0软件对开挖后的漏斗形状和块度进行分析,另一方面基于NUBOX-8016型测振仪分析振动频率和峰值质点振动速度(PPV)的衰减规律,通过线性拟合方法获得适用于该工况的萨道夫斯基公式。其次使用拟合得到的萨道夫斯基公式理论计算相邻天然气管道的最小安全距离。最后基于LS-DYNA建立三维数值模型对理论结果进行验证。试验结果表明,单根DM95-2.5液态CO_(2)致裂管相变破岩产生的爆破漏斗直径和深度分别为1.14 m和0.59 m,爆堆块度主要分布在4~15 cm之间。液态CO_(2)致裂技术相比乳化炸药具有更强的破岩和改善块度均匀性的能力,此外在减灾方面具有更大的优势。数值模拟结果表明,根据拟合的萨道夫斯基公式确定液态CO_(2)相变爆破参数是可靠的。研究结果对于同类工程具有重要的参考价值。

液态CO_2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CO_(2)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CO_(2)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CO_(2)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。

煤层液态CO_(2)相变致裂半径预测研究

预测致裂半径是确定液态CO_(2)相变致裂增透瓦斯抽采技术布孔间距的前提,直接影响瓦斯抽采效果。现有预测方法大多基于单因素。为掌握多因素对液态CO_(2)相变致裂半径的影响规律,有效预测布孔间距,采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,结合正交试验,开展了煤层液态CO_(2)相变致裂半径预测研究。数值模拟结果表明:影响液态CO_(2)相变致裂半径的因素主次顺序为地应力>瓦斯压力>煤体坚固性系数;致裂半径随地应力增大而减小,随瓦斯压力和煤体坚固性系数增大而增大,且呈线性关系。对数值模拟结果进行多元回归分析,建立了基于地应力、瓦斯压力及煤体坚固性系数3组不同因素耦合条件下的液态CO_(2)相变致裂半径预测模型。在煤矿现场进行工业性试验,基于预测模型计算结果设置抽采钻孔,采用压力指标法对瓦斯抽采效果进行测试分析,结果表明:液态CO_(2)相变致裂孔两侧观测孔的瓦斯压力随时间增加呈递减趋势,且抽采初期距致裂孔越远,则压力越大,与理论分析及数值模拟结果一致;液态CO_(2)相变有效致裂范围与预测结果基本相符;观测孔瓦斯抽采体积分数较自然抽采孔提高73.4%,瓦斯抽采效率显著提高。

超临界CO_(2)管道瞬态输送工艺研究进展及方向

长距离超临界CO_(2)管道瞬态输送的核心技术还有待突破,相关模型和方法亟需工业规模示范工程的验证及修正。以成就型综述法,对超临界CO_(2)管道输送过程中停输、水击、泄漏和放空工况下形成的CO_(2)瞬态流加以描述、成果比较和综合评价。结果表明:超临界CO_(2)瞬态流的关键因素是温度、压力、相态变化、协同作用;超临界CO_(2)管道安全停输时间可定义为从停输开始至管内任一点流体即将进入气液共存区的时间;CO_(2)发生相变首先造成流速突变,进而是压力的突变,产生水击现象,引起新的瞬变流动;站场放空系统的设计目标是在放空过程不出现冰堵、材料冷脆、噪声污染、放空系统激振等问题的前提下,放空时间尽量短;埋地管道泄漏规律涉及到土壤渗流场、温度场、浓度场等多场耦合问题。研究结果可为超临界CO_(2)管道流动安全保障提供参考。

超临界CO_(2)管道安全停输再启动过程和安全停输时间影响因素

超临界CO_(2)管道在停输和再启动等瞬态过程中,流体易发生相变,密度、比热容等物性参数会发生阶跃式变化,使得管内的CO_(2)流体体积发生剧烈波动,将对管道产生脉动冲击,危害管道安全。为了明确超临界CO_(2)管道安全停输时间的影响因素,从安全控制的角度出发,首先结合超临界CO_(2)物性、相图和准临界性质,确定了超临界CO_(2)管道安全停输时间的定义,从管道停输开始至管内任一点流体进入气液共存区的时间;然后依托新疆油田CO_(2)管输示范工程,分别采用商业软件和MATLAB编程的方式,建立超临界管输水力热力计算模型,探究了管道停输及再启动过程中管内温度、压力、密度及相态协同变化波动规律;最后采用因素轮换法研究了主要工艺参数和环境参数对管道安全停输时间的影响规律。结果表明:降低首站出站温度、提高管道运行压力、较高土壤环境温度、较低管土总传热系数有助于延长超临界CO_(2)管道的安全停输时间。研究结果可为超临界CO_(2)管道安全运行提供一定理论支持和技术保障。

松散煤体内液N_(2)/CO_(2)注入过程的降温特性对比实验

为对比液态CO_(2)/N_(2)注入松散煤体后的降温特征,自主设计实验平台开展了松散煤体内压注液态CO_(2)/N_(2)实验,得到了注入期间及停注后的煤温变化规律,利用注入期间的冷却区域扩大率和注入后的传热率分析对比了两者对煤体的冷却能力。结果表明:压注时,液态CO_(2)/N_(2)的冷却效果均随着注入时间的增加而增强,随着与压注口的距离增加而减弱。压注液态N_(2)形成的冷却区域随着时间沿渗流路径缓慢扩大,而液态CO_(2)则在压注口瞬间相变为气态并形成较为稳定的冷却区域。说明液态N_(2)的冷却作用主要取决于自身极低温度导致的剧烈温差,而液态CO_(2)则由于相变潜热形成低温区。停注后,持续的降温效果主要取决于初始温度梯度,总体来讲,相同压注量下,液态CO_(2)对煤体的持续冷却能力优于液态N_(2)。

CO_(2)相变致裂岩石的损伤范围的计算及影响因素研究

在CO_(2)相变致裂岩石技术中,为探究岩石损伤范围与CO_(2)相变致裂参数的关系,根据Mises准则和损伤力学理论建立了CO_(2)相变冲击岩石的致裂损伤半径计算公式。利用3DEC软件模拟了不同泄能片厚度下岩石的致裂损伤半径,并与理论计算相比较,验证了所建模型的准确性。分析了泄能片厚度、岩石强度、致裂孔孔径、CO_(2)充装质量等因素对岩石损伤的影响规律。结果表明:岩石的致裂损伤半径与泄能片厚度、CO_(2)充装质量呈对数增长关系,与岩石强度、致裂孔孔径呈指数衰减关系;增加泄能片厚度是增大岩石致裂损伤半径的最有效手段;致裂孔孔径的增大会使岩石的损伤范围迅速减小。可为CO_(2)相变致裂岩石的损伤机制、技术参数选取等提供参考。

煤层液态CO_(2)相变致裂增透技术试验研究

液态CO_(2)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CO_(2)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CO_(2)相变致裂爆破煤层的最大破坏范围为6 m,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CO_(2)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CO_(2)相变致裂煤层增透技术提供了理论依据和现场指导。

煤岩HJC模型参数确定及液态CO_(2)爆破特性研究

Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型在冲击爆炸工程数值模拟中广泛应用。为了探寻煤岩体合理的模型参数,确定液态CO_(2)爆破的实际效果和致裂范围,以陕北神木某矿区CO_(2)爆破开采为依托,由静力学特性试验和分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)冲击试验得到该矿煤岩的基本物理力学参数;运用正交实验法,采用基于LS-DYNA3D平台的数值模拟方法再现了SHPB冲击压缩试验的全过程,用Person相关系数判定试验与模拟应变信号的吻合度,反演得到HJC模型的主要敏感参数B和N;引入*MAT-ADD-EROSION失效条件,采用抗压、抗拉失效准则,真实再现CO_(2)爆破中裂纹萌生、扩展、贯通直至形成裂隙区的全过程,较好地模拟了爆破冲击岩体的碎裂特征,有效反映工作面煤岩体的几何非线性特性;对比分析了液态CO_(2)爆破和原始炸药爆破的裂纹扩展特征及爆破效果;研究了液态CO_(2)爆破应力波衰减规律,给出压碎区和裂隙区的范围。结果表明:液态CO_(2)爆破应力波衰减及能量释放过程较为持续平缓,在裂隙区主要产生细长型裂纹,裂隙区面积远大于炸药爆破;相同当量下,液态CO_(2)爆破范围大于炸药爆破范围,且CO_(2)爆破压碎区面积减小、裂隙区面积增大,煤岩主要表现为块状破碎。将研究结果应用于该矿区CO_(2)爆破开采工业性试验中,考虑4个致裂器同时作用,采取方形布孔方式,计算确定爆破孔距及排距均为0.7 m,试验结果表明,实际爆破效果良好,块煤率较炸药提高了38.5%。

新疆油田超临界CO_(2)管道安全停输工艺边界范围确定

[目的]超临界CO_(2)管道不同于原油、天然气管道,其在停输的瞬态过程中存在相特性变化问题。为保障超临界CO_(2)管道停输后的安全,确定其停输前的安全运行工艺(输送压力、输送温度)边界具有重要意义。[方法]为准确描述管道停输后的瞬态过程,以新疆油田超临界CO_(2)管道示范工程为例,采用OLGA软件建立了水力热力计算模型。同时基于管流连续性方程、运动方程、能量方程、PR状态方程及热力学关系式,采用Matlab编程计算的方式对商业软件模型的准确性进行了验证。根据获得的管道停输过程中管内温度、压力、密度及相态协同变化波动规律,提出在压力和温度协同作用下,以CO_(2)密度发生阶跃变化来确定管道安全停输时间的原则,从而将安全停输时间问题转化为避免输送体系中超临界CO_(2)转变为气相的问题。[结果]基于该示范工程的压力和温度运行参数范围,分别确定了夏季和冬季工况下高压低温、高压高温、低压低温、低压高温共8种典型工艺运行边界。同时对比分析了不同季节、不同边界条件下的停输过程管内参数波动变化特征、温压协同变化关系、相态转变路径及规律等。[结论]高压低温边界最安全,低压高温边界最危险;冬季相比夏季,管道安全停输时间大幅缩短。为指导工程实际,分别给出了夏季和冬季示范工程安全停输工艺边界范围及函数表达式。研究结果可为超临界CO_(2)管道安全运行提供理论支持和技术保障。