初应力条件下超临界CO2气爆致裂规律研究

为研究地下爆破工程中初始地应力条件下超临界CO2气爆的致裂规律,利用自主研发的三轴加载式超临界CO2气爆实验系统,对不同应力组合工况下混凝土试件进行了超临界CO2气爆致裂实验,实验结果表明超临界CO2气爆爆破峰值压力低且高压持续时间长,致裂过程不同于传统炸药爆破,分为动态和准静态过程：应力波将气爆孔附近介质压碎形成粉碎区,在环向拉应力作用下粉碎区周围介质产生径向裂隙的动态过程,高压CO2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙继续扩展的准静态过程,得到了气爆后试件沿最大初始压应力方向开裂的规律。通过理论计算的方法分析了初应力作用下气爆过程中介质应力状态的变化规律,揭示了初应力影响裂纹起裂和扩展的机理：位于气爆孔最大初始压应力方向的介质产生初始环向压应力最小,在超临界CO2径向冲击产生的环向拉应力作用下首先发生开裂;位于气爆孔最小初始压应力方向介质中初始环向压应力最大,开裂所需的径向冲击压力增大,开裂滞后;垂直裂隙方向的应力抑制裂隙的张开而阻碍CO2气体的进入,同时增大了裂隙扩展所需的气楔压力,气楔作用效果大幅减弱,对裂隙扩展的阻碍作用显著。裂隙的扩展速度与扩展距离呈“S型”曲线关系,初始压应力越大,裂隙扩展相同距离降低的速度值越大,且压碎区和裂隙扩展范围逐渐减小。     

超临界CO2气爆非均质煤体破裂规律模拟研究

为揭示超临界CO2气爆含割理裂隙非均质煤体的致裂规律,开发了识别实际煤体图像获取其割理裂隙几何信息的M atlab程序,将几何信息与煤体非均质物性参数关联并导入Abaqus中,实现了非均质煤体有限元表征,并采用SPH与FEM联合求解的方法模拟超临界CO2气爆非均质煤体的致裂过程,得到了弱面倾角、弱面到爆孔中心距离及初应力的变化对煤体气爆致裂效果的影响规律.模拟结果表明,初应力对主裂缝的萌生和扩展具有导向作用,气爆裂缝沿最大初应力方向扩展;弱面倾角相同时,弱面离爆孔越近,穿过弱面的裂缝尺度和密度越大,弱面离爆孔较远时,弱面完全阻断了裂缝的扩展;弱面到爆孔中心距离相同时,弱面倾角越大,弱面对裂缝扩展的阻碍作用越大,穿过弱面的裂缝尺度和密度越小,应力波透射率越小.现场气爆增透煤体时,应考虑割理裂隙和地应力特征合理布置气爆孔位置及爆破参数.     

超临界CO2在低渗透煤层中渗流规律的实验研究

利用自主研发的THM三场耦合渗流实验系统,进行不同孔隙压力和温度条件下的超临界CO2在低渗透煤层中的渗流实验,得出不同温度下流速和压力梯度之间的关系,从而得到了低渗透煤层注入超临界CO2的非达西渗流规律,即流速与压力梯度变化规律呈现正指数关系.随着压力梯度的增大,渗透系数也不断的增大,且呈现正指数关系;在同一体积应力和压力梯度的条件下,温度越高,流速越快;温度在临界点附近,流速和渗透系数增加很快.     

超临界CO_2气爆致裂爆生气体压力沿破裂面变化规律实验研究

为了揭示超临界CO_2气爆致裂煤岩体过程中爆生气体压力沿破裂面的变化规律和不同超临界压力对爆生气体压力分布的影响,利用自主研发的超临界CO_2气爆实验系统进行爆生气体压力分布测试实验。采用气爆孔周预制弱层的方法,解决了气爆实验传感器难以捕捉裂纹位置的问题。得到了破裂面爆生气体压力与到气爆孔距离和时间的关系式。实验结果表明:气爆过程中破裂面任一点处的爆生气体压力随时间衰减曲线,与气爆孔底爆生气体压力衰减曲线的变化特征相似,服从负指数曲线变化规律,随时间增加,衰减曲线斜率逐渐减小;破裂面任一时刻爆生气体压力,满足近气爆孔处气体压力大于远孔位置的气体压力的规律;随着超临界压力增大,各监测点爆生气体压力峰值增大,相邻监测点压力峰值差增大,监测点达到压力峰值对应时间减小,相邻监测点达到压力峰值的时间间隔变短。     

多孔线性控制套筒致裂效果影响因素分析

针对坚硬难垮落顶板弱化问题,在分析多孔线性控制套筒致裂机理的基础上,建立700mm×300mm×400mm试块。通过套筒致裂压力及钻孔孔壁周围应变变化情况,分析孔壁周围应力大小、分布及应力集中现象,研究钻孔直径、孔间距、套筒致裂压力对应力集中现象的影响,同时分析这三者对裂纹扩展方向的影响,得出套筒致裂最优法。试验结果表明:(1)套筒致裂效果受钻孔直径、孔间距和套筒压力等综合因素影响,采用大直径、大间距的布孔方式可获得较好的致裂效果;(2)多孔线性控制致裂试验的张性裂缝扩展方向主要沿着各钻孔中心连线方向;(3)钻孔直径30mm、间距300mm的试块致裂压力为18.6MPa,远大于顶板岩体抗拉强度,将套筒致裂法应用于顶板弱化是可行的。本研究对解决采空区坚硬顶板大面积悬顶具有理论意义和应用价值。     

超临界CO_2作用后煤微观结构与渗透率变化规律实验研究

在宏观超临界CO_2增透实验基础上进行微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,自编Matlab程序,计算孔隙率,得到煤各微区孔隙率和渗透率矩阵,绘制孔隙率和渗透率等值线图。结果表明:增透实验前后煤微观结构差别显著,经超临界CO_2作用后,煤微观孔隙充分发育,孔隙的数量、尺寸明显增加,孔隙率是增透前的9.11倍;随着孔隙压力的增大,煤中粒间孔隙数量增多,孔隙之间的连通性增加,孔隙率呈指数增大的趋势,煤体各微区孔隙率等值线密集程度增加;煤体的渗透率随着孔隙率的增加呈正指数递增的趋势,且随着孔隙压力的增加,渗透率呈指数递增的变化规律,渗透率等值线的密集程度增加,宏微观实验结果是一致的,随着注入超临界CO_2孔隙压力的增加,煤微观孔隙结构的发育程度提高,为煤层气的运移提供更多的通道,有效提高了煤体的渗透性。     

超临界CO_2作用下煤体膨胀变形规律试验研究

为解决采用应变片对超临界CO_2作用下煤体膨胀变形进行点测量时,试验结果离散性大、超临界CO_2作用导致应变片易脱离破损等问题,自主研发了具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测量装置,对不同温度、压力的超临界CO_2作用下,煤体膨胀体积变形规律进行研究。结果表明:煤体膨胀体积应变随超临界CO_2作用时间增加呈现先增大后趋于稳定的变化规律;当孔隙压力不变时,膨胀体积应变随超临界温度的升高而增加,温度越高,达到稳定膨胀变形所需时间越长;当温度不变时,随着超临界孔隙压力增加,膨胀体积应变也随之增大,但达到稳定膨胀变形所需时间随孔隙压力的升高呈先增加后减少的趋势;超临界CO_2作用下,煤体体积应变随温度和孔隙压力均呈"S型"Logistic函数规律变化;膨胀体积应变对超临界温度和孔隙压力的变化率具有分区性,其变化率大小排序依次为:近临界区跨临界区高临界区。     

控制致裂岩体应力量测的模型试验研究

本文阐明了控制致裂岩体应力量测的基本原理、试验方法。介绍了几种控制致裂的模型试验结果及其分析，证明了控制致裂理论的正确性。     

超临界CO2直旋混合射流破岩特性的实验研究

超临界二氧化碳(CO₂)射流破岩既能降低岩石门限压力又能有效保护储层,直旋混合射流兼具直射流和旋转射流特点可提高破岩效率,基于此提出了超临界CO₂直旋混合射流的破岩方法。为了揭示超临界CO₂直旋混合射流破岩特性,设计加工出叶轮式直旋混合射流喷嘴,通过岩石定点冲击破碎实验对比了该射流与常规水射流的破岩效果,并研究了叶轮长度、叶轮中心孔直径、混合腔长度、喷射距离、射流压力等重要参数对超临界CO₂直旋混合射流破岩效果的影响。结果表明:相同实验条件下,该射流方法的平均破岩能力比常规水射流提高了42.9%;超临界CO₂直旋混合射流破岩易出现较大体积岩屑崩落现象;随着叶轮长度、混合腔长度、喷射距离的增大破岩效果均先增强后减弱,实验条件下上述参数存在最优范围值;叶轮中心孔直径的增大会导致岩石破碎孔深度增加、直径减小;随着射流压力的升高,超临界CO₂直旋混合射流破岩效果有着较为明显的提升。研究结果可为超临界CO₂直旋混合射流破岩方法的进一步研究提供实验依据。     

不同温压超临界CO_2气爆喷孔冲击应力变化规律实验研究

为研究不同温压条件下超临界CO_2气爆过程中气爆管喷孔喷射的爆生气体对被爆物体产生的冲击应力变化规律,自主设计了超临界CO_2气爆实验系统及数据采集装置,实验得到了在不同初始温度和压力下对称双喷孔喷射的超临界CO_2气爆爆生气体冲击应力变化规律:喷孔喷出的爆生气体作用于被爆物体的冲击应力经历应力激增、应力剧减和应力减速衰减三个阶段。冲击应力时程变化曲线呈脉冲波形曲线特征,且冲击应力衰减阶段持续时间大于冲击应力激增持续时间。冲击应力随初始温度和初始压力的增大而增加,初始压力变化引起的气爆冲击应力变化比初始温度变化明显,增大超临界态CO_2的初始压力提高气爆冲击应力优于提高超临界态CO_2的初始温度。最后得到了冲击应力峰值P_(max)与初始温度T和初始压力P的关系P_(max)=ɑT+bP+C。     

惰性气体N2/CO2抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究惰性气体(N₂和CO₂)对瓦斯气体爆炸影响,采用中型尺寸瓦斯爆炸实验装置,在N₂及CO₂体积分数为0%、9%、14%工况下开展了瓦斯爆炸实验研究,获取了N₂和CO₂对矿井瓦斯抑爆特性的影响规律,并针对瓦斯爆炸过程中惰性气体N₂和CO₂对爆炸超压变化的影响及爆炸抑制效果进行了对比分析。结果表明:随着初始混合气体中惰性气体N₂或CO₂含量的升高,瓦斯爆炸超压均明显降低,CO₂的抑爆效果优于N₂;N₂和CO₂对较高浓度瓦斯气的抑爆效果更为显著。     

不同变质程度煤尘爆炸压力特性变化规律实验研究

为研究不同变质程度煤尘爆炸压力特性变化规律,以最大压力pmax和最大压力上升速率(dp/dt)max表征压力特性,使用近球形煤尘爆炸装置对褐煤、长焰煤、不黏煤和气煤的爆炸压力特性变化规律展开分析。研究发现:在4种煤尘样品中,褐煤的pmax和(dp/dt)max均最大,分别达0.71 MPa和65.69 MPa/s。随变质程度增大,长焰煤、不黏煤和气煤的pmax和(dp/dt)max均明显减小,说明以爆炸压力特性为标准,4种煤尘爆炸强度由高到低依次是褐煤、长焰煤、不黏煤和气煤。通过对比爆炸前后煤尘挥发分含量,得出参与爆炸的挥发分含量所占质量分数为46.28%~68.19%。在喷尘压力 p0=2.0 MPa,点火延迟时间t0=100 ms时,4种煤尘pmax值均达最大,分别为0.71、0.60、0.55和0.47 MPa。褐煤、不黏煤和气煤在 p0=2.0 MPa,t0=80 ms时(dp/dt)max达最大,而长焰煤则在 p0=2.0 MPa,t0=100 ms时(dp/dt)max达到最大。     

瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的数值模拟

建立了描述瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘参与爆炸的物理和数学模型,借助流场模拟平台,对瓦斯爆炸 卷扬沉积煤尘参与爆炸的过程进行了数值模拟;并把模拟值与实验值进行了对比;对爆炸过程中的速度场和 温度场进行了深入的分析。通过比较分析爆炸压力、速度场以及温度场,认为模拟结果清楚地展现了沉积煤 尘的扬起和爆炸过程,达到了瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸数值模拟的要求。     

初始温度对CO2抑爆作用的影响

将CO₂充入的液化石油气中并进行点火,研究不同初始温度下CO₂对多元混合气液化石油气爆炸的抑制作用。实验显示:初始温度15℃时CO₂体积分数达到36%时,混合气体退出可爆范围,临界氧浓度为12.8%;初始温度50℃时CO₂体积分数达到39%时,混合气体退出可爆范围,临界氧浓度为12.2%。结果表明:CO₂对液化石油气爆炸的抑制效果在一定程度上要受环境温度的影响。     

温压炸药爆炸性能实验研究

为研究温压炸药的爆炸特性,将25 g温压炸药在5.8 L的密闭爆炸罐中引爆,测试了真空和空气环境下的爆炸压力和爆炸温度,并通过气相色谱分析了爆炸后的气体产物。实验结果表明,温压炸药在空气环境下的平衡压力和平衡温度明显高于真空环境,并且空气中的氧气参与了炸药中铝粉的氧化反应,说明温压炸药在空气环境下存在后燃效应。     

N2/CO2混合气体对甲烷爆炸的影响

将N2和CO2按一定比例混合,从极限氧体积分数、爆炸极限和抑爆效果3个方面研究了N2/CO2混合气体对甲烷爆炸的影响。结果表明:(1)随着惰性混合气中N2含量的增加,极限氧体积分数呈线性下降;(2)任何配比的惰性混合气对爆炸上、下限的影响都可以近似认为是线性变化的;(3)惰性混合气中CO2含量越高,抑爆效果越好。同时,得到的拟合公式能预测N2和CO2任何配比时甲烷的爆炸极限。实验结果能对甲烷实际生产时的惰化处理提供基础数据和依据。     

小尺寸管道内二氧化碳抑制甲烷爆炸效果的实验及数值模拟

为了有效防治矿井瓦斯爆炸事故, 以瓦斯的主要成分甲烷作为模拟气体, 运用自主设计改装的XKWB-S型小尺寸石英玻璃管道实验系统, 结合高速摄影仪, 并采用FLACS数值模拟软件, 研究惰性气体抑爆条件下甲烷燃烧爆炸特性, 进行体积分数为6%~27%的CO₂抑制体积分数为9%CH₄爆炸的实验及数值模拟, 结果表明:各组分混合气体在爆炸传播过程中, 爆炸压力、火焰锋面速度和气体运动速度均呈现一定程度的波动, 且压力和速度没有同时达到最大值; CO₂的加入有效抑制了甲烷/空气反应, 且添加CO₂体积分数越大, 抑爆效果越明显, 模拟结果与实验结果基本吻合。     

N2双流体细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验研究

为了在较低压力下获得较小粒径的细水雾,降低喷雾抑爆系统的运行成本,提高系统的适用性和抑爆效率,自行搭建了尺寸为120 mm×120 mm×840 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台。采用双流体喷嘴将N₂和细水雾送入试验管道,通过调节喷雾压力和喷雾时间开展了双流体细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究,从火焰速度、瓦斯爆炸超压2个方面探讨双流体细水雾的抑爆有效性。实验结果表明:N₂双流体细水雾抑爆效果明显,可以减小瓦斯爆炸强度;随着喷雾时间的延长,爆炸火焰的速度峰值逐渐下降,爆炸超压峰值逐渐下降,平均升压速率逐渐降低;当N₂压力为0.4 MPa、喷雾时间为3 s时,速度峰值比不喷雾时下降60.39%,爆炸超压峰值下降37.76%。