液态气体破岩技术应用于原料矿山开采的实验研究

液态气体破岩技术采用纯液氧或液态氮氧混合体,经物理相变气化膨胀做功破岩,是一种新型的矿山开采破岩技术。以某水泥原料矿山为例,结合该矿山的地质条件、生产现状、液态气体相变能量转换规律等,确定破岩作业的技术参数和施工方式,并进行破岩技术应用实验。破岩效果测试评价表明:该技术破岩效率较高,相较于炸药爆破,实施过程中带来的振动、噪声、飞石等次生有害效应更小,且无有毒有害污染物产生,比机械破岩方式更为经济。

具备近似等压放电过程的近似等温压缩CO_(2)储能系统特性研究

为满足小容量特殊负载对(近似)稳定电能供应的需求,本文遵循(近似)等温压缩空气储能的基本原理,采用液压活塞和压力容器壁内置螺旋盘管换热的方式,基于气/液相变过程,提出了具备近似等压放电过程的近似等压等温压缩CO_(2)储能系统。通过建立系统核心部件的热力学分析模型与性能评价指标,分析了该系统在初次充放电循环中的性能,探究了压力容器初始压力、最大压力和螺旋盘管水温等参数变化时的系统性能,探索了系统有、无螺旋盘管换热对性能的影响规律。结果表明,该系统在初次充放电循环中充放电效率、热效率和能量密度分别为62.67%、53.05%和0.500 3 kW·h·m^(-3)。同时,该系统在放电过程中可以获得近似恒定的电能输出,输出功率在636~840 kW范围内变化。本文的研究工作可丰富压缩气体储能理论体系,具有重要的实用价值和现实意义。

相变离子液体体系吸收分离CO_(2)的研究现状及展望

全球工业化的迅速发展及人口增长使得化石燃料消耗不断增加,导致二氧化碳(CO_(2))排放量逐年递增,引发全球化气候问题。醇胺吸收法目前在工业CO_(2)捕集应用最广泛,主要以单乙醇胺、甲基二乙醇胺等水溶液为吸收剂,存在溶剂损耗大、再生能耗高等问题,开发高效低能耗的新型吸收剂是实现CO_(2)大规模捕集的关键。离子液体具有气体亲和性好、蒸气压低、结构性质可调等特点,其中相变离子液体体系因节能潜力大被认为是新一代CO_(2)吸收剂,其吸收CO_(2)后由均相变为互不相溶的液-液或液-固两相,再生时仅需对CO_(2)富相加热处理,可有效减少吸收剂再生体积,降低再生能耗。重点总结近五年相变离子液体体系在CO_(2)分离的研究现状和进展,对不同相变行为的液-液和液-固相变离子液体体系分类阐述和讨论,并对其发展趋势进行展望。

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。

低渗煤层液态CO_2相变射孔破岩及裂隙扩展力学机理

液态CO_2相变射孔致裂增透技术作为一种有效的低渗煤层强化抽采方法,已被广泛的应用研究。但由于该技术在破岩及裂隙扩展力学机理方面研究不足,在一定程度上影响该技术进一步发展及应用。基于热工学、弹性力学、断裂力学等理论基础,建立了液态CO_2相变气体射流压力模型,理论分析了液态CO_2相变射孔破岩力学机理、地应力条件下裂隙扩展力学机理。采用PFC2D离散元颗粒流分析软件,进行数值模拟研究,分析了不同地应力及射流压力条件下液态CO_2相变射孔破岩及裂隙分布特征。在以上研究基础上,在川煤集团白皎煤矿进行现场试验,研究表明该技术可有效提高低渗煤层瓦斯抽采效率。

液态CO_2相变破岩技术在地铁基坑开挖中的应用

针对硬岩地质的地铁基坑开挖工程,传统的炸药破岩技术存在着炸药审批困难、储存运输风险高和爆破能量难以控制等问题。为解决上述问题,以长沙某地铁基坑开挖工程为背景,运用液态CO_2相变破岩技术替代传统炸药爆破进行破岩开挖,并对其破岩效果和安全性进行分析与监测。研究结果表明:液态CO_2相变破岩技术在破岩效果上能替代传统炸药爆破的方式,在安全性上符合爆破安全规程规定,可在类似硬质岩体的开挖工程中推广使用。

高压气液两相射流多级脉动破煤岩特性及致裂机理

为了提高水射流破煤岩性能和卸压增透效果,通过理论分析建立了高压气液两相射流的冲击动压模型,推导出影响其破煤岩性能的关键参数体系。采用自主研发的高压气液两相射流破煤岩试验系统,研究了关键参数对气液两相射流的破煤岩特性的影响规律,结果表明:与纯水射流相比,气液两相射流破煤岩压力阈值降低约50%,破碎深度增加25%,破碎坑直径是纯水射流的2倍,破煤岩效率提高80%以上。煤岩体破碎是气-液-固三相耦合作用的结果:气体的掺入改变射流的结构,产生局部脉动作用,强化了射流破岩能力;高压液相脉动冲击作用激发裂纹起裂,高压气相的多级溃灭作用促进裂纹扩展;气相多级溃灭与液相脉动冲击交替作用,最终使煤岩体裂隙贯通、破坏。

液态CO_2相变致裂破岩与炸药破岩综合对比分析

为了降低传统炸药爆破带来的危害,介绍了基于液态二氧化碳相变致裂爆破技术。在液态二氧化碳致裂现场试验和振动监测的基础上,对二氧化碳相变致裂与炸药爆破的破岩机理和引起的爆破振动进行了分析。此外,通过计算比较了两种破岩方式破碎单位体积岩石的气体生成量、气体成分及其对环境的影响。结果表明:液态二氧化碳相变致裂技术能有效提高能量的利用率,且能有效降低爆破震动。破碎单位体积岩石,液态二氧化碳相变致裂技术和传统岩石乳化炸药爆破生成的爆炸气体量分别为0.21 kg和0.202~0.217 kg。液态二氧化碳相变属于物理变化,爆破产物只含无毒的二氧化碳气体,传统岩石乳化炸药爆破属于化学变化,爆炸过程中生成大量CO、NO、NO2、NxOy和硫氧化合物等有毒有害气体。液态二氧化碳相变致裂破岩在环保和减灾方面具有明显的优越性,这为液态二氧化碳相变致裂技术在工程爆破中的推广提供了依据。

液氮对含水煤岩体增透作用的影响机制研究

为了研究液氮对含水煤岩的作用机制,利用自行研制的自增压式液氮冷浸装置对不同含水饱和度煤样进行液氮冷浸试验,对比分析了液氮冷浸前后煤样渗透率变化规律和微观孔、裂隙发育情况,并从理论角度解释了液氮冷浸对含水煤样的损伤机制。结果表明,经液氮冷浸后,煤样渗透率随含水饱和度的增大而增大,增加幅度成指数型增长且增加幅度在70.6%~1 254.9%;在煤样饱水情况下,液氮对煤岩的影响以水冰相变造成的体积膨胀为主,其微观结构破坏程度远高于干燥煤样,煤样出现裂隙延伸、裂隙加宽等现象,增透效果更好。

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。

井工矿坚硬顶煤顶板控制方法的技术经济分析

采煤工作面坚硬顶板(煤)不能及时垮落,导致围岩控制与安全保障等一系列问题。传统处理坚硬顶板(煤)的方法是炸药爆破,近年来对水力致裂、二氧化碳相变致裂、静力膨胀剂等坚硬顶板(煤)控制的新方法也进行了研究和探索。本文从能量控制的角度出发,根据固定钻孔中破岩能量是否恒定,将炸药爆破、二氧化碳相变致裂和静力膨胀剂划分为定能量破岩方式,将水力致裂划分为变能量破岩方式,通过对比各种顶板(煤)控制方法的作用范围和经济性,得出水力致裂的作用范围和经济性优于炸药爆破,炸药爆破的作用范围和经济性优于二氧化碳相变致裂。水力致裂在安全性、单孔作用范围、施工便捷性和经济性等多个方面均具有明显优势,对于井工矿坚硬顶板(煤)来说,水力致裂控制技术是今后的发展方向。

气液两相射流破岩流场数值模拟

为解决传统水射流破岩资源消耗巨大的问题,急需研究出一种高效节能的射流破岩技术,以达到节能减排、绿色可持续发展的目的。基于计算流体力学方法,在水射流的基础上加入定量气相,形成气液两相射流,并对其进行数值仿真,研究了气液两相射流的速度场、压力场特性,分析了气相体积分数、入射压力和喷距对气液两相射流破岩性能参数的影响规律。研究结果显示:气相体积分数为30%的气液两相射流的最大轴向速度为288 m/s,相比纯水射流提升超过19%。当射流从喷嘴喷出,高压的气泡溃灭会形成高速溃灭微射流,提高射流速度和射流冲击力。随气相体积分数增加,射流最大轴向速度不断增加,而驻点压力略有下降。随入射压力增加时,射流最大轴向速度呈上升趋势,但增幅逐渐变缓。当喷距增加到35 mm时,射流中的大部分气泡在靶面附近发生溃灭,对靶面产生脉动冲击,使驻点压力回升到26 MPa,此时驻点压力高,射流扩散较小,射流破岩性能良好。

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。

基于LCA方法的二氧化碳爆破环境影响分析

为了考察二氧化碳爆破的环保性能,采用生命周期评价(LCA)方法分析了从原材料和能源生产、致裂器加工组装、现场爆破和最终废弃物处置全阶段所造成的环境影响,定量地得出了生命周期影响评价结果。结果表明,二氧化碳爆破生命周期对海洋生态毒性方面的环境影响程度最高,其次是淡水生态毒性、淡水富营养化、金属资源枯竭以及人类毒性。在二氧化碳爆破整个生命周期中,主要污染环节是包括钢铁生产过程和电能生产过程在内的原材料和能源生产阶段,对环境影响的贡献占比超过50%。通过与传统爆破方法生命周期评价对比发现,二氧化碳爆破并不比传统爆破方法更清洁环保,反而对水体造成了巨量污染,需要引起重视并进一步改进。

液态二氧化碳相变爆破技术的研究现状与展望

二氧化碳爆破是一种污染小、振动小、效率高的物理破岩技术,在人员及建筑物密集的施工环境下填补了炸药爆破应用受限的空缺,应用于煤体增透、岩石破碎、矿山开采及管道疏通等方面。通过对现有研究成果的调研分析,在二氧化碳爆破理论研究、设备研发、工程应用及数值分析方面阐述了学者们的一些研究进展,总结了二氧化碳爆破的能量分析方法,探讨了二氧化碳相变爆破技术当前存在的问题,展望了该技术未来的研究方向,以期为未来二氧化碳相变爆破技术的研究提供参考。

陕北某油田长2储层敏感性评价

通过分析储层岩石性质、储层流体性质,然后再进行储层敏感性评价,为该区域后期开发提供依据。实验结果表明:储层岩石中黏土矿物含量降低,注入水矿化度在44 660~49 550 mg/L。该区域长2储层表现为弱速敏性、中等偏弱水敏性、无到中等偏弱酸敏和弱碱敏性。

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。