润东煤业综放工作面CO_(2)爆破顶煤技术研究

针对润东煤矿放顶煤开采工作面推进后顶煤坚硬不易断裂并呈大块状态,无法进入后部溜槽的问题,结合CO_(2)预裂爆破的特点,在工作面两巷道距切眼20 m外使用炸药进行预裂爆破、工作面机头机尾段各15 m范围采用CO_(2)预裂爆破技术进行顶煤预裂爆破试验,并对现场实施过程中存在的问题进行了改进。通过在巷道两侧提前用炸药爆破和切眼范围内用CO_(2)预裂顶煤爆破两项措施的结合,CO_(2)致裂爆破区域支架后方顶煤大部分垮落。工作面煤块大块率由40%降低至5%,块煤基本可顺利进入后部溜槽,提高了煤炭回收率,经济效益显著。

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。

基于SPH算法的CO_(2)相变破岩数值模拟

为解决液态CO_(2)相变爆破破岩仿真中面临的网格畸变等问题,基于光滑粒子流体动力学分析方法(SPH)建立了高压射流冲击破岩数值仿真模型。并通过开展不同射流速度下的液态CO_(2)相变爆破破岩数值仿真研究,探讨了高压射流作用下裂纹扩展的规律和机理。得出对于强度为24 MPa的煤岩,单孔冲击峰值压力在67.2~90.1 MPa,射流冲击速度在250~280 m/s时爆破破裂效果最佳。然后对比了煤岩、大理岩等不同岩体性质下的爆破破坏特征,进一步证实该方法在液态CO_(2)相变爆破仿真中的有效性,为液态CO_(2)相变破岩仿真提供了一种新思路。同时仿真结果可以为液态CO_(2)相变致裂技术在实际工程中的参数选择提供参考。

CO_(2)相变爆破致裂管内压力变化试验研究

为研究CO_(2)相变爆破过程中致裂管内压力变化规律,通过现场试验获得压力与时间关系曲线,并且通过改变CO_(2)充装质量、激发药剂质量和泄能片厚度,获得致裂管中压力变化规律,采用试验参数计算出73型号致裂器爆破当量。研究结果表明,致裂管体不同位置处达到的峰值压力不同,最大处峰值压力比最小处峰值压力高1.30~1.67倍;爆破过程致裂管中压力变化分为4个阶段,泄压阶段极为迅速,在数微秒间,并且随CO_(2)充装质量增大而增加;在CO_(2)充装质量1100 g、激发药剂质量180 g和泄能片厚度4.0 mm条件下,该型号致裂器爆破当量最大为0.378 kg乳化炸药,研究成果为工程应用提供技术参考。

水下钻孔CO_(2)气爆和乳化炸药爆破对比分析

水下爆破作业中飞石、毒气、振动等爆破共生物严重影响水下环境安全,为完成水下炸礁爆破施工任务和不破坏水下生态环境的要求。通过长期的施工经验的思考和总结,提出了水下钻孔CO_(2)气爆代替乳化炸药爆破的施工技术方案。文章通过对比水下破岩CO_(2)气爆与乳化炸药爆破,分析在相同作用效果下,CO_(2)使用量,水击波和地震波数据,以及对鱼类的影响。总结了CO_(2)在水下膨胀破岩作业中的工艺、技术及施工方法,计算出钻孔爆破孔距、排距等相关参数。

CO_(2)气爆水击波与地震波效应试验研究

在航道疏浚工程中对高于设计水底标高的水下礁石,多采用水下钻爆清礁工艺。而水下岩层通过钻爆清挖后仍有部分岩石未能完全清除并残留不规则,不稳定的水下浅点。实际施工中经常采用乳化炸药水下钻孔爆破或裸露爆破法清除这类孤石,裸爆相对于钻孔爆破,炸药与岩面的接触面小,炸药使用量大,会出现能量利用率低、炸药单耗高、噪音和水击波大,影响生态环境等问题。为了分析浅点爆破影响因素,进行现场监测研究,对比水下薄层岩石裸露爆破法和钻孔爆破法,在相同作用效果下,CO_(2)裸爆、钻孔CO_(2)气爆和钻孔乳化炸药爆破水击波和地震波数据。以防城港18#~22#泊位码头基槽、停泊地开挖、炸礁及清礁工程为例,根据岩层性质、岩层形态、被炸岩石顶部的水深和浅点厚度等制定药包排列和用药量方案。通过对比分析得出相同气瓶条件,CO_(2)裸爆水击波超压值是钻孔CO_(2)气爆的1.87~41.9倍。应用水下钻孔乳化炸药爆破是CO_(2)气爆水击波的7.9~18.7倍,产生的振动数值是后者的3~10倍。本文以解决实际工程问题为基本出发点,在研究水下爆破水击波传播规律的基础上,综合分析水中冲击波有害效应影响规律。

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。

岩质路堑液态CO_(2)相变爆破充装量的试验研究

为研究CO_(2)充装量对相变爆破振动的影响,进一步促进液态CO_(2)相变爆破在岩体开挖领域的应用。基于酒-额铁路工程,根据起爆经验模型设计不同CO_(2)充装量工况试验,选用VHL状态方程计算得出89型致裂器不同充装量的等当量岩石炸药量,对爆破试验结果、振动监测信号进行分析。结论是:(1)对于一般路基台阶,随着充装量减少,爆破能量逐渐降低,裂缝由台阶岩体表面及临空面充分发展转变为仅向致裂器射流方向1.5m范围内局部开裂;(2)CO_(2)爆破与传统化学炸药爆破相比振动影响区域较小,呈现出在近距离内爆破振动强度大且在爆心距4.85m左右处峰值质点振速(PPV)衰减至较小值的特点;(3)充装量对近爆和中近爆区域影响显著,随着充装量的增加,近爆及中近爆区域PPV值呈倍数增长,且中近爆区域的增幅更大,爆破振动能量频带分布逐渐由中低频频带流向极低频频带,能量分布及子频带数更加集中,实际工程中应利用微差爆破等方式避免低频集中高能量振动波对周边建构筑物的危害影响。

氧气高炉喷吹CO_(2)对冶炼参数的影响研究

采用物料平衡、热平衡方法,模拟计算了氧气高炉喷吹CO_(2)后理论燃烧温度、鼓风动能、焦比、炉腹煤气量、直接还原度及炉顶煤气量的变化规律。结果表明,随着CO_(2)喷入量增加,氧气高炉的理论燃烧温度和直接还原度降低,鼓风动能、焦比、炉腹煤气量和炉顶煤气热值提高。CO_(2)喷入量为100 m^(3)/t时,理论燃烧温度降低到2267℃,鼓风动能提高到1780.41 kg·m/s,能够满足高炉炼铁的正常生产需求。

液态CO_(2)煤层增透技术及应用研究

为增加煤层透气性,强化瓦斯抽采效果,提高瓦斯的利用率,提出低渗透煤层液态CO_(2)气爆致裂增透技术。基于煤矿瓦斯相关基础数据和液态CO_(2)爆破致裂增透机理,阐述液态CO_(2)爆破的原理、过程和能量的转化,分析液态CO_(2)气爆能量释放的TNT当量转化;根据监测爆破过程中致裂器内CO_(2)压力变化过程曲线的变化情况,分析爆破过程中在致裂器内液态CO_(2)压力在4个不同阶段的变化。采用ANSYS/LS-DYNA模拟软件建立不同爆破参数下的爆破模型,模拟出单孔和双孔液态CO_(2)爆破演化过程,从Mises应力云图、煤岩损伤云图对比分析液态CO_(2)爆破效果。利用LS-DYNA有限元分析模拟软件对致裂器不同布置方式下煤岩损伤扩展规律进行模拟。根据数值模拟结果进行CO_(2)相变爆破工业试验,综合评价液态CO_(2)气爆致裂增透效果。结果表明:利用相对压力指标法测得单孔爆破半径约2.5 m,与数值模拟结果接近。经CO_(2)相变爆破后,煤层透气性系数比增透前提高了50多倍;瓦斯抽采体积分数比增透前提高了73.7%;抽采流量是普通抽采孔的5.1倍。数值模拟和现场井下工业试验结果均证明,采用液态CO_(2)爆破能够提高煤体吸附瓦斯的解吸率,增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,促进煤岩体内原生缝隙的发育,使煤层瓦斯抽采效果明显提高。研究成果可为液态CO_(2)气爆工艺的实际施工提供理论依据,为我国低透气性煤层瓦斯抽采难题提供解决办法。

操作参数对MEA法捕集高炉煤气CO_(2)系统性能的影响研究

为了研究操作参数对MEA法捕集高炉煤气CO_(2)吸收/解吸过程的影响,采用Aspen Plus软件建立了CO_(2)捕集分离系统工艺流程,模拟操作参数变化对再生能耗、吸收剂流量、冷却水用量的影响。结果表明:在模拟操作参数范围内,吸收剂流量受贫液负荷影响最大,随着贫液负荷的上升而增加,增加了282.1%;再生能耗受解析塔入口富液温度影响最大,随着解析塔入口富液温度的上升而降低,降低了44.35%;冷却水用量主要受贫液负荷、贫液温度、富液温度和解吸塔操作压力影响。

液态CO_(2)相变致裂器泄能头气孔压力研究

采用CO_(2)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CO_(2)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。

深井CO_(2)爆破致裂干热岩系统综合效应预评价

CO_(2)爆破致裂工艺为建造商业化EGS储层提供了新方案,有望突破深层地热能行业发展的技术瓶颈,但目前未见CO_(2)致裂技术用于干热岩系统的综合性能评价研究。基于此研究不足,借助数学建模定量科学评价其综合性能,解决此技术效果的不确定性和模糊性,填补深井地热系统综合评价体系的空白。考虑到深井CO_(2)爆破干热岩系统是一个多变、模糊、复杂的非线性系统,该文选取AHP-FCE优化数学模型,AHP对深井爆破干热岩系统复杂问题分层,构建递阶层次结构,通过Matlab将专家的定性判断定量化,进而确定FCE中各层评价指标权重大小,再通过FCE模糊关系合成原理,对多因素影响下的深井CO_(2)爆破致裂干热岩系统综合评分为83.36,预评价结果为较好,可考虑将CO_(2)爆破致裂器用于干热岩开采。评定结果可作为深井CO_(2)爆破致裂干热岩建设过程中的数据支撑,为地热开采工程提供一定的理论依据。

CO_(2)矿物封存技术研究进展

CO_(2)捕集与封存技术是目前实现碳减排最有效的方法。其中CO_(2)矿物封存(又称CO_(2)矿化)是利用CO_(2)与含钙镁硅酸盐矿物进行反应使CO_(2)以稳定的碳酸盐形式永久储存起来。本文首先介绍了CO_(2)矿化的基本原理和技术路线,其中间接矿化反应条件较温和、矿化效率更高、得到的产物也更纯,因此对于CO_(2)间接矿化的研究也更广泛。本文综述并对比了天然矿物及工业固废矿化CO_(2)的研究进展,指出工业固废更有利于CO_(2)矿化过程。工业固废矿化CO_(2)过程矿化CO_(2)的同时处理了工业固废,实现以废治废,因此它在经济上也是具有一定优势。在此基础上,本文以高炉渣为代表,介绍了其矿化CO_(2)的详细研究进展,指出采用可循环的助剂、回收高炉渣中有价元素可提升矿化过程经济性。对于CO_(2)矿化过程的放大试验、生命周期的评估及低能耗的新工艺开发将是CO_(2)矿物封存实现工业化的关键。

红砂岩地层路基开挖可抛掷液态CO_(2)相变致裂技术

以勇进路路基边坡开挖为背景,开展液态CO_(2)相变致裂试验,得出该地质条件下CO_(2)相变破岩效果较好的爆破参数:孔间排距为1.3~1.5m,采用与边坡倾斜角度一致的斜钻孔(60°~80°),钻孔深度6~7m,单孔致裂管数2根,堵塞长度为1.5m,最小抵抗线为2.0~3.5m。致裂后的裂纹贯穿效果好,且宽度较大,土石方开挖效率得到显著提高。现场振动、粉尘、噪声等监测数据较小,说明一次性液态CO_(2)致裂管相变爆破对周边环境的影响较小。该技术在路基边坡开挖中应用较方便,在破岩效果上满足工程要求,可适用于红砂岩地层等同类地质条件下的土石方开挖,其他地质条件可适当调整孔网参数以达到最优的致裂效果。

复杂环境下CO_(2)膨胀爆破工程应用

为了安全顺利地完成邻近省级文物保护单位的莲塘风电场风机道路开挖工程,结合25#风机道路开挖工程实例,阐述了CO_(2)膨胀爆破作用机理,研究了炮孔间距的理论和经验2种确定方法,探讨并规范了危害控制措施及施工工艺流程,重点分析了飞管的形成及炮孔装填结构。工程应用表明:CO_(2)膨胀爆破技术具有本质安全、危害小易控制、无火花、无毒生气体、爆温低等特点,在某些安全要求高且不宜使用炸药的工程中有着广阔的应用前景,可为类似工程提供有益的参考。

液态CO_(2)致裂技术在管廊基坑台阶开挖中的应用

为了研究液态CO_(2)相变致裂下的岩体损伤并获得合理的台阶爆破参数,以随州市绕城南路地下综合管廊为工程背景,在DM95-2.5型致裂器的破岩性能现场试验的基础上,对致裂器破岩能力进行炸药的当量转化。并基于LS-DYNA有限元法对致裂性能进行2D数值模拟验证,最后对液态CO_(2)相变致裂技术在基坑台阶开挖中的运用进行3D数值模拟研究。结果表明:试验和数值模拟得到的DM95-2.5型致裂器破岩有效半径分别为1.15 m和1.05 m,二者之间具有良好的一致性;单管DM95-2.5型致裂器可等效转化为0.63 kg 2号岩石乳化炸药;当采用孔间距2.0 m,最小抵抗线1.5 m的单排炮孔起爆台阶时,炮孔之间裂纹全部贯通,开挖部分岩体破碎充分且无明显大块产生,爆破效果十分理想。本研究成果可为液态CO_(2)相变技术在同类台阶开挖工程中的运用提供理论指导和重要的参考价值。

CO_(2)气爆含控制孔煤层裂隙演化颗粒流模拟

CO_(2)深孔预裂爆破是实现低透煤层瓦斯抽采的重要煤层增透技术手段。为更加准确地分析CO_(2)气爆作用下煤层裂隙演化规律,解决CO_(2)爆破过程存在非连续、大变形的问题,基于颗粒流方法(PFC)建立细观数值模型。通过将CO_(2)气爆应力波等效为半球面谐振波,分析CO_(2)气爆作用下煤层颗粒速度场;以颗粒膨胀加载法和动边界条件处理法,应用PFC2D构建二维数值模拟模型,分析CO_(2)气爆含控制孔煤层裂隙演化规律。结果表明:CO_(2)爆破应力波入射过程中,钻孔边界发生明显的动力效应,自孔周呈现推进式破坏区;煤层埋深增加,起裂压力增大,主裂纹形成后裂隙扩展范围增大;设置控制孔能有效加速裂隙发育,裂隙扩展深度和影响范围均有显著增加。该模拟可以解释爆破应力波的传播规律和描述煤岩体的动力破坏过程。

CO_(2)预裂爆破技术在初次放顶过程中的应用

燕子山矿4^(#)煤层8204工作面在初采期间老顶为粗、中、粉粒砂岩,岩体节理裂隙率低、稳定性好,导致老顶初次折断距离过大,老顶的集中垮落易造成矿压显现、瓦斯异常涌出等危害,设计应用了CO_(2)预裂爆破技术。应用效果表明该技术能够有效控制工作面初次放顶距离,避免了初采期间老顶集中垮落造成矿压显现、瓦斯异常涌出等难题,并且该技术不产生超标的毒害气体,安全环保。

直径186mm CO_(2)致裂器在露天铁矿开采中的应用

为了将CO_(2)爆破技术推广应用到露天铁矿开采以减少爆破振动和飞石等危害,研制了可重复使用的直径186 mm的大型致裂器,并在河北省某铁矿开采中开展了试验性应用。结果表明试验达到了预期的爆破松动效果,单根致裂器爆破方量126 m^(3)。连续3个多月的施工,共开采了2.5×10^(5)t矿石,使用致裂器900多根次,未对100 m外的养殖场产生影响,表现出有害效应小、做功能力较大、爆破效果好、成本适中等优点,表明该型CO_(2)致裂器适合于露天铁矿开采。