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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

二氧化碳相变爆破致裂机理与应用研究进展

2024-04-28



本论文创新点

(1)揭示了二氧化碳相变爆破致裂机理,通过分析二氧化碳相变射流传播特征,提出了相变爆破中等应力起裂和高压气体协同作用破岩机理,基于卸载波理论分析了不同速率冲击作用下岩体起裂路径。

(2)明晰了相变爆破致裂影响因素,研究了泄能方向、煤岩体性质、爆破参数、初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等因素对相变爆破致裂效果的影响,实现了相关主控因素的定量分析。

(3)探讨了二氧化碳相变爆破不同工程应用效果,揭示了相变爆破多重裂隙渗流特征,确定了高瓦斯煤层致裂增透效果,验证了预裂提升块煤率可行性,探究了相变爆破预裂顶板垮落特性,并提出相变爆破致裂研究展望。

题 目

二氧化碳相变爆破致裂机理与应用研究进展


作 者

袁永1,2,陈忠顺1,2,梁小康1,2,申海生1,2,左磊1,2,孟朝贵1,2,王圣志1,2

单 位

1. 中国矿业大学 矿业工程学院

2. 中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室


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摘   要

煤岩体结构改造是解决煤矿许多技术难题的共性核心科学问题,二氧化碳相变爆破因其安全可控、能量易调节等优点成为煤岩体致裂的有效手段之一。为确定二氧化碳相变爆破致裂机理,扩展相变爆破致裂工程应用,分析了二氧化碳相变爆破原理和致裂器材与装备,统计比较不同方式相变爆破能量计算方式,相较于传统炸药爆破,相变爆破属于一种低能量致裂方式;通过分析二氧化碳相变射流传播特征,探究相变爆破中等应力起裂和高压气体协同作用方式,煤岩体在中等冲击作用下,受到拉应力破坏产生径向初始断裂,并在冲击波和卸载波综合作用下形成多重起裂特征,高压气体在多重裂隙中进一步扩展,驱动裂隙向外扩展,明确了相变爆破应力气体协同致裂过程;进一步研究了泄能方向、煤岩体性质、爆破参数、初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等因素对相变爆破致裂效果的影响,泄能方向对煤岩体破坏起到直接作用,引发非对称损伤破坏,煤岩体抗压强度和致裂孔间距是影响致裂效果的关键因素,初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等影响裂纹发育扩展特征;在相变爆破致裂工程应用方面,揭示了相变爆破多重裂隙渗流特征,确定了高瓦斯煤层致裂增透效果,对比了预裂前后煤体截割特征,验证了预裂提升块煤率可行性,并探究了相变爆破预裂顶板垮落特性。针对相变爆破致裂应从多速率冲击破碎、损伤破坏多尺度分析、致裂过程多物理场耦合及延时相变爆破技术等方向进一步扩展研究,拓宽二氧化碳相变爆破应用场景。



作者简介



    
 袁永

    教授

 博士生导师


袁永,男,1983年6月生,河南泌阳人,教授,博士生导师,现任中国矿业大学矿业工程学院副院长,兼任智能采矿工程系主任,曾获江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、全国煤炭青年科技奖、矿业石油安全领域青年科技人才提名奖等荣誉,澳大利亚阿德莱德大学、中国科学院武汉岩土力学研究所访问学者,兼任中国岩石力学与工程学会煤矿智能开采与岩层控制分会理事,科技部国家科技专家库专家、《采矿与安全工程学报》《采矿与岩层控制学报》编委,《Processes》《Frontiers in Earth Science》客座主编、《煤炭科学技术》青年专家委员会委员。



研究方向

相变爆破、智能采矿、卸压增透与灾害防控

主要成果

长期从事相变爆破、智能采矿、卸压增透与灾害防控方面的教学与研究工作,揭示了二氧化碳爆破应力波的传播特征与指数递减规律,提出了基于卸载波传播的不同冲击作用下岩体致裂路径,分析了相变爆破作用下煤体裂隙扩展规律,评价了相变爆破裂隙损伤扩展特征,建立了煤体裂隙-渗流耦合模型,定量评价了致裂增透效果,确定了二氧化碳相变爆破显著性影响因素,提出了相变爆破主要参数优化方式,拓展了二氧化碳预裂爆破提高坚硬煤层块煤率的研究方向;提出了“基于地质条件CT探测的采煤机预设轨迹+三机协同控制+视频监控干预”的智能化开采模式,主要包括智能开采系统的立体化设计方法,智能开采辅助决策支持系统,复杂条件煤层综采割煤轨迹与割煤速度调控方法;揭示了薄/极薄煤层卸压开采应力-渗流-损伤耦合作用机制,提出了钻采卸压增透参数确定方法;提出了复杂条件煤层大采高综采/综放采场支架-围岩稳定性控制技术,浅埋残留煤柱重复采动致灾机理与预裂爆破防控方法,超长综采工作面双采煤机开采工艺和顶板控制技术。

主持国家自然科学基金项目2项、国家重点研发计划项目子课题1项、国家“863计划”项目子课题1项、江苏省自然科学基金项目2项、教育部博士点基金项目1项以及与企业联合攻关项目30余项。出版专著4部、副主编教材1部,发表SCI检索及“三类高质量论文”60余篇,其中第一/通讯作者40余篇;授权发明专利18项、软件著作权3项。荣获省部级二等奖13项、三等奖2项。

注重科教融合,主讲《采矿学》、《智能采掘》、《智能化开采》等专业主干课程,主持中国矿业大学“动力中国·课程思政”示范课程项目和示范团队项目各1项,获第三届全国采矿工程专业青年教师讲课比赛一等奖,中国矿业大学教学成果一等奖、校多媒体课件一等奖与校教学成果二等奖各1项。

引用格式


袁永,陈忠顺,梁小康,等.二氧化碳相变爆破致裂机理与应用研究进展[J].煤炭科学技术,2024,52(2):63-78.

YUAN Yong,CHEN Zhongshun,LIANG Xiaokang,et al. Mechanism and application of carbon dioxide phase change blasting fracturing[J]. Coal Science and Technology,2024,52(2):63−78.

END

责任编辑:朱恩光

整       理:黄小雨

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