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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

非刀具破岩理论与技术研究进展与趋势

2024-06-07


创新点
1无刀具破岩技术是突破高地应力、坚硬岩石破碎技术瓶颈的可行性思路
2无刀具破岩技术能耗高、适用性差是限制其广泛工程应用的关键原因
3充分发挥各种无刀具破岩技术的技术优势,提出了多种非刀具破岩技术协同破岩的思路

4构建了低压磨料空气射流割缝卸除高地应力-粒子冲击体积破碎岩石的破岩理念。

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非刀具破岩理论与技术研究进展与趋势

作者魏建平1,2,蔡玉波1,2,刘勇1,2,余大炀1,2,黄逸1,2,李兴1,2,高梦雅1,2
单位:1.河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地;2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
我国深部资源储量丰富,目前1000m以深的煤炭资源量占已探明煤炭资源储量的53%,超过4500m以深的油气资源储量占探明油气资源储量的1/3,超过3000m的地热资源占探明地热储量的95%以上。深部资源的高效开采是保障我国能源战略顺利实施的重要保障。随着我国浅中部资源的逐渐枯竭,开采深部资源将逐渐成为常态。我国千米矿井已多达50余座,果勒3C井已经突破9000m,2口万米钻井已开始施钻。但深部地层的高地应力、高地温等极端复杂条件为地下井巷建设、钻井和资源开采等工程带来前所未有的难度。高地应力、高地温岩石掘进导致刀具磨损快、寿命短,严重遏制了工程效率,在高地应力坚硬围岩隧道掘进工程中,TBM刀具使用时间为1~2d,换刀时间占据施工时间的30%以上。在深地页岩气、干热岩等非常规能源钻井工程中,刀具磨损是抑制工程效率的主要因素,甚至成为决定深地资源是否能够开采的决定性因素。突破高地应力、高地温和坚硬岩石破碎技术瓶颈,解决深地层出不穷复杂地层钻探难题,是推动深地战略和能源战略顺利实施的关键。

相比于刀具破岩,无刀具破岩技术以非刀具截割、冲击的方式破岩,从源头上解决了刀具磨损和换刀的难题。根据破岩作用机理的不同,非刀具破岩技术可分为:以动载荷冲击破岩为主的高压水射流破岩技术、超临界二氧化碳射流破岩技术等;以热应力为主的激光破岩技术、微波破岩技术等;和以冲蚀磨损为主的磨料空气射流技术、磨料水射流技术等。几乎所有的非刀具破岩技术在其发展之初并非为了解决岩石破碎难题。比如水射流切割技术主要用于机加工、表面处理和清洁等领域,并发挥了重要作用,甚至成为不可取代的技术。凭借水射流优秀的切割、破碎能力,逐渐被推广应用于石油钻井、射孔和煤层卸压增透等资源开采领域。但其破岩能力并不能完全解决井巷建设、地下空间开挖的问题,仍需要配合刀具联合破岩。采用水射流辅助刀具破岩不仅能够预先破碎岩体,降低岩石力学强度,而且能够充分冷却刀具,提高掘进效率。但仅使用水射流进行破岩并不能满足现有的工程需求,在硬岩掘进时,水射流技术需要极高的水压(≥200 MPa)才能有效切割岩石,比能耗为刀具的40~70倍,不仅增加了整机功率而且对设备的耐压和安全性能提出了更高要求。即便采用磨料水射流可以降低破岩阈值,但由于磨料连续供给、工具磨损等关键难题,(超)高压水射流在硬岩破碎领域并没有得到广泛应用。激光破岩技术最早提出是用于金属加工,并逐渐推广应用于岩石破碎领域。岩石与金属材料不同,其导热性差,依靠热应力切割的激光需要较高的功率才能实现岩石的有效熔化和破碎。尤其在环境恶劣的掘进工作面,激光能量衰减严重。这一问题在以热应力为主的破岩技术中普遍存在。目前尚未见以热应力为主的破岩技术在工程中广泛应用的相关报道。

在刀具破岩技术对硬岩破碎领域的瓶颈无法突破时,非刀具破岩技术是突破该瓶颈的可行性途径。但非刀具破岩技术尚无法达到工程应用的要求。为促进深地战略的实施,寻求非刀具破岩技术的发展方向,充分发挥其破岩优势,解决硬岩破碎关键难题势在必行。为此,笔者系统梳理了非刀具破岩技术,根据破岩机理的不同进行分类,归纳总结了各技术的发展历史、破岩机理,进一步明确各技术优势,指出非刀具破岩技术发展方向,展望硬岩破碎完全无刀化的思路和前景,为突破高地应力、高地温硬岩破碎提供理论支撑。
摘要
 ABSTRACT

随着我国深地战略的逐步实施,深部资源开采和地下空间建设迎来新的机遇,但也面临诸多挑战,高地应力、高地温和坚硬岩体等极端地质条件层出不穷。岩石破碎技术是所有资源开采和地下空间建设的主要工程活动,是决定施工工艺和工程效率的主要因素。在极端地质条件下,以刀具为基础的岩石破碎技术由于刀具磨损快、岩石破碎效率低,已成为遏制深地战略顺利实施的关键技术瓶颈,为解决深地岩石高效破碎难题,保障深地战略的顺利实施,迫切需求革命性的岩石破碎技术。无刀具破岩技术作为刀具破岩技术的重要补充,是突破刀具破岩技术瓶颈的可行性思路。

为此,将无刀具破岩技术归纳为冲击破岩、热应力破岩和冲蚀磨损破岩3类技术体系,系统分析了水射流、激光和磨料空气射流等16种岩石破碎技术,总结了每种技术的发展历史和技术原理,分析了其破岩优势和技术瓶颈。得出,目前非刀具破岩技术没有在资源开采和地下空间建设中广泛应用的主要原因为破岩能耗高、适用较差和技术装备复杂等。相比刀具破岩,非刀具破岩技术破岩能量利用率较低,水射流破岩比能耗为刀具的4070倍。微波、激光和等离子体等技术对施工环境要求较高,无法适用于钻井、隧道掘进等受限和恶劣环境。

为解决极端地质条件岩石破碎难题,提出多种非刀具破岩技术协同破岩的思路,充分发挥每一种非刀具破岩的技术优势,构建了以射流切缝卸除高地应力、粒子冲击体积破碎坚硬岩体的破岩理念,最大限度降低岩石破碎能耗,简化系统装备,为岩石破碎技术向非刀具化发展提供理论支撑。

部分图片





图1  水射流破岩系统


图2  准静态破岩理论


图3  高压水射流破岩效果


图4  高压水射流耦合TBM龙岩号


图5  增压式脉冲水射流系统


图6  脉冲水射流破岩机理


图7  脉冲水射流冲击花岗岩


图8  空化水射流破岩机理


图9  空化水射流破岩系统


图10  空化水射流冲击砂岩


图11  超临界二氧化碳射流冲击破岩机理


图12  超临界CO2实验系统


图13  超临界CO2破煤效果


图14  粒子冲击破岩系统


图15  粒子冲击岩石裂缝拓展


图16  粒子冲击花岗岩破坏效果


图17  炸药爆破破岩原理


图18  炸药爆破效果


图19  高压气体胀裂破岩系统


图20  高压气体胀裂破岩原理


图21  高压气体胀裂破煤效果


图22  微波破岩系统


图23  微波破岩原理


图24  微波破岩效果


图25  激光破岩装置


图26  激光破岩作用机理


图27  激光破岩效果


图29  等离子体电脉冲破岩机理


图30  等离子体破岩系统装置


图31  等离子体破岩效果


图32  高能电脉冲破岩过程


图33  高能电脉冲破岩效果


图36  热力射流破岩原理


图37  液氮射流破岩原理


图39  液氮射流冲击不同温度岩石效果


图40  磨料水射流破岩原理


图42  磨料水射流破岩效果


图43  脉冲射流破岩机理


图44  预混合脉冲磨料水射流系统装置


图45  前混合磨料水射流与超前预混合脉冲磨料水射流破岩效果对比


图47  磨料空气射流定点冲蚀花岗岩


图48  基于Laval基本结构的矩形截面喷嘴


图49  移动条件下低压磨料空气射流切割花岗岩


图50  粒子冲击耦合磨料空气射流隧道掘进


第一作者简介

魏建平,男,1971年生,博士,二级教授、博导,河南省特聘教授。1996年在河南理工大学工作至今,先后担任教研室副主任、主任、学院副院长,现任安全科学与工程学院院长,兼任河南省瓦斯地质与瓦斯治理省部共建国家重点实验室培育基地常务副主任、安全与能源工程学部常务副主任。入选国家“百千万人才工程”并授予“有突出贡献中青年专家”、享受国务院特殊津贴专家、教育部新世纪优秀人才,国家安全生产专家,作为“全国高校黄大年式教师团队”负责人、教育部创新团队带头人,获得中原科技创新领军人才、河南省高层次人才B类、河南省优秀专家、河南省学术技术带头人、河南省科技创新杰出青年、河南省特聘教授、河南省优秀教师等荣誉称号。长期从事煤岩瓦斯动力灾害防控、矿井通风与安全、瓦斯抽采等方面的教学与研究工作。主持承担了国家自然科学基金(5项)、国家“973”课题、教育部创新团队、国家重点研发计划任务、国家“十五”科技攻关、教育部新世纪优秀人才、教育部重点基础研究、河南省重点研发计划等国家、省部级项目20余项。获得国家科技进步二等奖1项、河南省科技进步一等奖1项、中国专利优秀奖1项、河南省科技进步二等奖2项、陕西省科技进步二等奖1项、河南省专利奖二等奖1项,其他省部级科技奖励10多项。发表学术论文近200篇,其中SCIEI检索80多篇。授权国家发明专利60多项、国际专利4项。负责学科在第四轮学科评估中入选A-类学科(河南省属高校唯一A类学科),入选教育部优先发展学科、河南省“双一流”创建学科、河南省优势特色学科等。

研究方向

煤岩瓦斯动力灾害防控、射流理论与技术

主要成果

长期致力于煤岩瓦斯动力灾害防控、矿井瓦斯高效抽采等基础理论及成套技术研究,取得多项创新性成果。提出了采用水射流射孔控制水力压裂裂缝扩展、延缓裂缝闭合的技术工艺,开发了多级破煤二级冲孔技术装备及配套工艺,形成了破碎围岩区立体加固-多级破煤二级冲孔-高效瓦斯抽采一体化技术体系;明晰了高应力、高瓦斯条件下围岩复合型动力灾害的孕育、演化、发生、发展的基本规律和条件,揭示了围岩复合型动力灾害的发生机制,构建了复合型动力灾害的工作面预测指标体系,形成了复合动力灾害防治工程措施;揭示了注浆封孔堵漏降渗机制,研制了绿色煤基浆液封孔材料,研发了抽采钻孔合理封孔深度原位测定装备、多级承压钻屑回填封孔装备及配套工艺;研究了多因素控制下受载含瓦斯煤的瓦斯渗流特性,明晰了受载含瓦斯煤的多尺度-多机制渗流特性,完善了受载含瓦斯煤岩体瓦斯运移规律和理论。研究成果在河南、山西、安徽、陕西等多个矿区推广应用,为我国矿井瓦斯灾害防治工作提供了有力的理论与技术支撑。

通讯作者简介

刘勇,教授,博士生导师,2012年毕业于重庆大学安全工程专业获博士学位,国家公派澳大利亚莫纳什大学访问学者,入选河南省杰出青年、中原英才-青年拔尖人才、河南省高层次人才、河南省科技创新人才、河南省教育厅学术技术带头人、中国煤炭青年科技奖、国际矿山安全杰出青年、河南理工大学杰出青年等荣誉称号。主持承担国家自然科学基金4项,中国博士后科学基金、河南省科技攻关重点项目等省部级项目10余项;第一或通讯作者发表学术论文78篇;出版学术专著1部;授权发明专利43项;荣获河南省科技进步二等奖3项、三等奖2项,中国煤炭工业科学技术一等奖1项、中国职业安全健康协会科学技术一等奖1项、煤炭工业协会科技进步二等奖5项;兼任《煤炭学报》第三届青年编委、《煤田地质与勘探》青年编委、《International Journalof Mining Science and Technology青年编委、《河南理工大学学报》青年编委,国内外重要学术期刊评审专家。

研究方向

射流理论与技术、矿山灾害防治                                          

主要成果

长期从事射流理论与技术、矿山灾害防治等方面的研究,取得多项创新性成果。(1)聚焦高效低耗的钻井技术,以提高超临界CO2射流破岩效率为目标,以调制高性能超临界 CO2射流和破岩能量转化效率为手段,创新性的提出了自振脉冲超临界CO2射流,建立了其高性能调制方法体系,促进了碳封存工程应用。(2)创新性提出了低压高超声速磨料空气射流高效破煤岩的科学构想,构建了其高效破岩方法体系,研制了低压高超声速磨料空气射流破煤岩系统装备,获得多项专利支持,应用于煤矿瓦斯抽采和辅助 TBM/盾构掘进等领域,突破了低渗煤层瓦斯抽采效率低的技术瓶颈,实现了瓦斯高效抽采和利用;攻克了采掘装备刀具快速磨损和掘进效率低的难题,为TBM/盾构产业升级和制造业高质量发展奠定了基础。(3)针对深地岩体破碎能耗高、难度大的技术难题,提出预混合脉冲磨料水射流破煤岩技术,研发了预混合脉冲磨料水射流破煤岩导向压裂技术和系统装备,应用于煤层瓦斯抽采、坚硬顶板治理和沿空留巷切顶等工程,解决了深地煤层瓦斯高效抽采、坚硬顶板垮落等多项技术难题,实现了煤层瓦斯高效抽采,提高了采掘交替速度,保障了煤矿安全高效开采。




来源:

魏建平,蔡玉波,刘勇,等. 非刀具破岩理论与技术研究进展与趋势[J]. 煤炭学报,2024,49(2):801−832.

  责任编辑:宫在芹
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毕业于黑龙江科技学院,采矿工程、工商管理双学士学位,采矿工程高级...

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