高压脉冲水射流切缝技术在石门揭煤中的应用

分析了平煤股份四矿三水平副井己15专回通路煤层赋存条件,编制了石门揭煤方案,设计了高压水射流钻孔切缝实施工艺。现场试验表明,高压脉冲水射流切缝技术的钻孔数减少35.5%,石门揭煤时间缩短35%以上,实现了安全快速揭煤的预期目标。

不同岩性高压水射流切缝机理研究

硬岩掘进机在高强度岩体中存在掘进速度低、滚刀磨损快等问题,高压水射流可在掌子面切缝以降低岩体完整性,从而提升滚刀破岩性能,探究高压水射流切割岩石机理是研究高压水射流辅助TBM掘进的重要一环。运用高压水射流数控平台分别对砂岩、大理岩和花岗岩进行了高压水射流切割试验,射流压力从150MPa增至300MPa。通过观察岩石表观损伤、测量切缝深度与宽度获得岩石宏观破坏特征,发现在高压水射流作用下砂岩表面主要以笔直切缝为主,大理岩表面产生连续破碎带,花岗岩表面则产生较大破碎坑,但破碎坑数量明显较少。通过破岩碎屑的筛分试验及射流切槽周边荧光裂纹显现分析岩石损伤特征,发现砂岩切缝形成主要以射流的侵蚀作用为主,颗粒间的胶结物被冲刷剥落,高压水射流的冲击作用不明显,切缝横截面处未发现微裂纹。2种强度更高的结晶岩同时受到高压水射流的侵蚀作用与冲击作用影响,大理岩主要发生穿晶破坏形成“长颈漏斗”形切槽,花岗岩则在水楔作用影响下发生更多沿晶破坏,最终形成较大破碎坑。

超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术

针对高地应力、低透气性煤与瓦斯突出及具有冲击地压危险性煤层复合煤岩动力灾害防治的难题,研究了超高压水射流横向切割煤层、纵向切割预裂顶板防治复合煤岩动力灾害技术。理论分析了超高压水射流切割煤岩体机制,超高压水射流切割冲击煤岩体促使其内部产生剪切应力和拉伸应力,加速煤岩体内部裂纹产生与扩展,促使煤岩体沿轴向和径向发生破坏。揭示了超高压水射流防治复合煤岩瓦斯动力灾害原理,超高压水射流横切是指切割煤体卸压增透,纵断是指切割顶板卸荷消能。通过相似材料配比切割实验得到切缝压力100 MPa,喷嘴直径2.5 mm,钻杆旋转速度60 r/min,单刀割缝时间为10 min条件下,切缝深度最大可达152 cm。数值分析表明钻孔内割缝间距为2 m和割缝钻孔间距为8 m时,卸压增渗效果较好。综合分析确定超高压水射流横切煤层纵断顶板合理工艺技术参数,并应用于中煤新集二矿220108工作面灾害防治实践:切割煤体后单孔平均抽采纯量较未割缝钻孔提高3.5倍,煤层透气性系数较未割缝区域提高30倍,瓦斯抽采达标时间缩短38%,煤体支撑压力降低35%;切割顶板后工作面支架阻力分布在20~25 MPa,厚层坚硬顶板均匀垮落,未出现高能量远场动载荷冲击采场现象,表明超高压水射流切割煤岩体显著降低远、近场应力载荷,减弱煤岩瓦斯复合动力灾害的发生。

高压水射流割缝防突技术在石门揭煤中的应用

本文阐述了淮南矿区朱集煤矿在突出煤层石门揭煤中进行的高压水射流割缝防突技术试验,试验结果表明,该可有效防治石门揭煤过程中的煤与瓦斯突出危险。

高压水射流前方切缝辅助TBM滚刀破岩试验研究

为提升坚硬岩层TBM滚刀破岩效率,降低滚刀磨损及消耗进而提高TBM整机掘进速度,采用最新研制的高压水射流辅助TBM滚刀破岩试验测试系统,进行坚硬花岗岩水射流先行切割滚刀后行破岩的室内试验,研究同一掌子面相同切深、不同刀间距条件下全尺度滚刀的受力规律和破岩特征。结果表明,完整岩石及水射流作用下滚刀的法向力、滚动力和侧向力随刀间距的增加缓慢增加;相比完整岩石,三向力降低幅度分别为19%~41%、10%~34%和16%~59%,破岩体积增加24%~72%,破岩比能降低7%~48%,切割系数升高幅度为6%~17%,且随着刀间距的增加缓慢降低;水射流切缝岩石碎片的尺寸明显增大,但岩粉质量有所降低,岩石破坏多数以张拉破坏为主。

高压脉冲水射流割缝半径及影响半径的测试方法

为了更好掌握高压脉冲水射流割缝切割范围与影响范围,增强高压脉冲水射流在各煤层的适应性,获得合理的射流割缝参数,对平煤股份十矿己15煤层高压脉冲射流割缝深度及影响半径进行了测试,得出当喷嘴直径为3 mm、泵压为20 MPa、出煤量大于4 t时高压脉冲水射流割缝半径为1 m,其影响半径为4 m,为优化工作面穿层高压脉冲射流割缝钻孔的布置、进一步强化瓦斯抽采效果提供依据。

高压水射流割缝防突技术研究与应用

作者简要介绍高压磨料水射流技术防突原理、工作面试验应用、效果分析及建议。

基于高压水射流割缝的煤层增透技术

为提高煤层透气性,缩短煤层预抽时间,提高本煤层预抽效果,在杜儿坪矿68307回风巷采用高压水射流割缝技术,介绍了施工设计、方式、封孔设计等现场实施情况,与未实施该技术的68307机轨巷相比,抽采瓦斯浓度平均提高20%,瓦斯纯量提高2.13 m^(3)/min,达到了减少钻孔量、缩短抽采时间、提高抽采量的目的,提前完成了对目标区域的瓦斯抽采,保证了矿井的抽采达标及正常生产接续。

超高压水射流割缝技术在下石节煤矿2305综采工作面的应用

随着新时期煤矿灾害治理技术的快速发展,我国煤矿开采水平也在不断提高,针对煤层低透气性、抽采效率低等问题,积极采用超高压水射流割缝技术,改善煤层透气性,具有重要意义。本文主要针对下石节煤矿2305综采工作面低透气性瓦斯抽放问题,对超高压水射流割缝技术展开分析讨论。

水力割缝防突技术应用实践

介绍了大平矿16121运输巷掘进工作面的地质和瓦斯地质情况,根据高压水射流割缝防突技术的原理和适用条件,在该面进行了试验,经过试验效果的对比和分析,证实该技术适合该面的条件,具有良好的安全效果和经济效益。

煤层顶板深孔“钻—切—压”预裂防冲技术试验研究

针对现有顶板定向水力压裂技术中缝槽预制工序繁琐、成缝质量差的问题,提出钻孔、高压水射流切缝、高压水力压裂(钻-切-压)一体化预裂顶板防冲技术,并在葫芦素煤矿进行了试验研究。试验结果表明:“钻-切-压”一体化技术与装备在不退钻杆的前提下能够进行人工切槽,并采用单孔后退式多次压裂,提高了施工效率;使用的对称双孔型高压射流器能够高效形成4~5 mm宽度的人工缝槽,增大了切缝效果,并降低了压裂时裂缝起裂压力,扩展了压裂半径,单轴抗压强度为50~60 MPa的顶板岩层,单次压裂半径最大可达15 m;“钻-切-压”技术弱化顶板使得巷道围岩应力水平降低,临空巷道附近高能微震事件数量大幅减少,微震频次和能量无急剧变化,保证了工作面顺利回采。

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

为了提高坚硬岩层隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50~80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。

坚硬顶板水射流预制缝槽定向预裂防冲技术试验

我国大部分冲击地压发生与煤层上覆坚硬顶板密切相关,为了提高坚硬顶板预裂卸压效果,提出一种坚硬顶板水射流预制缝槽定向预裂卸压防冲方法。针对砂岩顶板,通过室内高压水射流切割岩石,测定不同水力化参数下岩石破坏深度、宽度以及冲蚀体积等缝槽特征指数值的变化规律,并进行现场试验。结果表明,单因素切缝特征试验时,岩石缝槽的特征指数深度、宽度、冲蚀体积与射流压力、喷嘴直径、重复切割次数呈正相关关系;与喷嘴横移速度呈负相关关系,岩石缝槽的特征指数随着靶距的增加呈现先增加后减小的趋势,切割效率最优靶距在5d处;五因素四水平正交试验时,影响缝槽卸压最优化的5个关键因素主次关系分别为喷嘴移动速度、重复切割次数、射流压力、喷嘴直径以及靶距;基于实验室研究规律,选择参数,对顶板高压水射流割缝进行井下试验研究。对于单轴抗压强度68 MPa顶板岩层,切缝半径相比传统刀具式切缝提高了10倍,并降低了压裂时裂缝起裂压力,顶板岩层水射流预制缝的聚能引导下,单次压裂半径最大可达15 m,防冲卸压效果良好。

平顶山矿区单一突出煤层瓦斯抽采新技术

介绍了平顶山矿区瓦斯赋存规律和瓦斯抽采技术体系,详细阐述了瓦斯抽采技术的研究及应用现状,包括高压水力压裂增透技术、高压水力冲孔防突技术、穿层深孔控制松动爆破防突技术、高压脉冲水射流钻割一体化增透技术、高压磨料射流割缝防突技术、分源抽采综合治理瓦斯技术、气润湿反转法提高瓦斯抽采率和地面钻井抽采技术,上述瓦斯抽采方法的应用有效提高了瓦斯预抽效率,对于煤层瓦斯含量≤10 m3/t、>10～15 m3/t、≥15 m3/t的突出煤层,瓦斯预抽率分别达>20%、>45%、>50%。

巷道快速掘进技术在贵州省煤与瓦斯突出煤层中的探讨与应用

巷道快速掘进技术是一项系统工程。为了实现矿井高产高效，必须以巷道快速掘进技术为前提和保障。本文以贵州省为例，探讨了巷道快速掘进技术的研究现状及影响因素。针对贵州某矿突出综合检测指标经常超限、掘进速度慢等问题，采用了高压水射流割缝与瓦斯抽放边抽边掘相结合技术。研究表明：该项技术能有效削弱煤层突出危险性，大幅度提高瓦斯抽放量且巷道掘进速度提高了2-3倍。同时根据贵州省的本土情况，提出了针对性地建议和措施，能为巷道快速掘进技术的推广与应用提供一定的指导。

水射流在新型TBM联合破岩中的破岩能力研究

隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)发展至今已经有一百多年的历史,随着开挖环境的变化,以传统刀具为主要破岩形式的TBM的掘进效率已经越来越难以满足施工的需求,因此提出了新的联合破岩方法,即机械-水力联合破岩方式。主要以试验的形式,首先研究的是在不同的切割参数下,水射流切割不同的岩石所能形成的切槽的深度,然后在此试验规律的基础上,采用重复切割同一条切缝的方法增加切割深度。研究结果表明:(1)射流压力越大,切割速度越慢,切割深度越大;切割较软岩石时,靶距对切割深度有一定的影响,切割较硬岩石时,靶距对切割深度的影响较小;(2)多次重复切割能够有效的增加切割深度,但切割深度的增加程度与切割参数有关系,射流压力越大,切割速度越慢,靶距越小,切割深度增加的程度越大。研究成果对于指导TBM的改进,提高掘进效率具有重要参考价值。

铁路隧道排水盲管结晶沉积疏通清洗技术

隧道排水系统中普遍存在泥砂、碳酸钙等沉积和结垢造成的堵塞问题,造成隧道排水不畅,进而引起隧道渗漏水、衬砌开裂等结构性病害。分析了高压水射流清洗法、气水脉冲清洗法和酸洗法的技术特点。结合工程案例,详细介绍了采用高压水射流清洗和气水脉冲结合化学清洗的方法对某新建高铁隧道堵塞的环向排水盲管进行疏通的过程,结果表明,经过高压水射流清洗以及气水脉冲结合化学清洗的方式清洗后的管道沉积、结垢明显减少,管道基本畅通。由此证明了这两种方法对于隧道排水盲管的疏通是行之有效的。

超薄陶瓷纳秒紫外激光高深宽比盲切工艺研究

氧化铝陶瓷具有热导率高、散热性好、介电常数小等特点,是移动通信、集成电子等领域常用的基板材料,但其高硬度、高脆性的特性致使其在常规的机械加工过程中极易出现裂纹、崩裂等。本课题组采用纳秒紫外激光对超薄陶瓷板的盲切工艺进行研究,通过控制纳秒激光的三个主要加工参数——激光重复频率、扫描速度和重复次数,分析切缝深度和切缝宽度的变化规律。实验结果表明:随着激光重复频率增大,切缝宽度先增大后基本不变,切缝深度则先增大后减小;随着扫描速度减小和重复次数增多,切缝深度先增大后减小,切缝宽度的波动较小。以切缝深宽比为指标,通过正交试验得到超薄陶瓷基板盲切时单道多次扫描的最大深宽比是4.0137,最优参数组合为:激光重复频率40 kHz,扫描速度0.07 m/s,重复次数25次。