安顺煤矿瓦斯治理技术研究

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作者 周霏 《煤》 2016年第2期19-22,25,共5页

通过对安顺煤矿9102工作面防突技术的研究,采用地下抽采技术布置并利用突出敏感指标(钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑量S、钻屑量解吸指标K1值(或Δh2)等)进行消突验证,得到常规的瓦斯治理井下抽采和突出敏感指标相结合的瓦斯治理新思路,对... 通过对安顺煤矿9102工作面防突技术的研究,采用地下抽采技术布置并利用突出敏感指标(钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑量S、钻屑量解吸指标K1值(或Δh2)等)进行消突验证,得到常规的瓦斯治理井下抽采和突出敏感指标相结合的瓦斯治理新思路,对同类矿井瓦斯治理具有借鉴意义。 展开更多

关键词 瓦斯治理 突出敏感指标 采煤工作面 掘进工作面 钻孔布置

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低渗煤层瓦斯抽采钻孔注浆封堵技术研究 被引量：1

2

作者 许胜军 王迪 +1 位作者 何伟 张志康 《煤炭技术》 CAS 2024年第11期188-192,共5页

为解决低渗煤层瓦斯抽采钻孔封孔质量差,导致的瓦斯抽采效率降低等问题,提出适用于低渗煤层瓦斯抽采钻孔的封孔材料及注浆压力的研究。通过对瓦斯抽采钻孔封孔参数的确定,选取合适的注浆材料配比,并采用COMSOL Multiphysics数值模拟封... 为解决低渗煤层瓦斯抽采钻孔封孔质量差,导致的瓦斯抽采效率降低等问题,提出适用于低渗煤层瓦斯抽采钻孔的封孔材料及注浆压力的研究。通过对瓦斯抽采钻孔封孔参数的确定,选取合适的注浆材料配比,并采用COMSOL Multiphysics数值模拟封孔压力参数对注浆效果的影响。得到封孔注浆材料封孔水泥浆液配比为1:2;注浆压力应介于1.2~1.8 MPa。经现场跟踪和抽采效果分析,在注浆压力为1.8 MPa时,在孟津煤矿12070底抽巷试验了8个钻孔,发现采用所提出的注浆材料配比和注浆压力能够产生很好封孔效果,瓦斯抽采浓度有明显提升。 展开更多

关键词 低渗煤层 封孔注浆 注浆材料 注浆压力

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Y型通风采煤工作面瓦斯爆炸传播规律模拟研究 被引量：2

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作者 刘佳佳 张扬 +1 位作者 张翔 聂子硕 《爆炸与冲击》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期180-192,共13页

针对Y型通风采煤工作面的瓦斯爆炸传播规律,利用Fluent模拟软件,结合余吾煤矿N2105工作面实际情况开展了数值模拟研究。结果表明:模拟结果与前人的实验结果之间的最大相对误差为11.3%,最小相对误差仅为1.7%,验证了数学模型的可靠性;确... 针对Y型通风采煤工作面的瓦斯爆炸传播规律,利用Fluent模拟软件,结合余吾煤矿N2105工作面实际情况开展了数值模拟研究。结果表明:模拟结果与前人的实验结果之间的最大相对误差为11.3%,最小相对误差仅为1.7%,验证了数学模型的可靠性;确定了瓦斯爆炸数值模拟最合理的关键参数网格尺寸、迭代步长和点火温度分别为0.4 m、0.10 ms和1800 K;进风顺槽、胶带顺槽、回风巷道和工作面的瓦斯爆炸超压峰值与爆源之间的距离符合指数函数关系,到达超压峰值所需时间与爆源之间的距离符合线性函数关系;距巷道分叉口7.5 m处,工作面超压衰减率为41.03%,胶带顺槽超压衰减率为25.99%,发生爆炸时胶带顺槽内更危险;工作面分叉处湍流区由右侧逐渐向左侧移动,且巷道分叉处超压峰值会增大;回风巷道火焰消散时间最短,胶带顺槽火焰消散时间次之,工作面火焰消散时间最长;胶带顺槽和回风巷道火焰消散方向与瓦斯爆炸初期火焰传播方向相反,工作面火焰消散方向与瓦斯爆炸初期火焰传播方向一致。 展开更多

关键词 Y型通风 采煤工作面 瓦斯爆炸 超压峰值 火焰传播

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基于两堵两注通管直连技术的瓦斯抽采研究

4

作者 许胜军 王楹 +4 位作者 刘笑天 张志康 张东鑫 李海超 李阳 《煤炭技术》 CAS 2024年第8期214-218,共5页

为解决“两堵一注”封孔工艺及传统连管方式在孟津煤矿实施存在的弊端,提出了“两堵两注”通管直连技术,提高了瓦斯抽采浓度,延长了瓦斯抽采时间。为此,采用巷道松动圈理论分析了该矿合适的封孔长度;采用离散元数值模拟方法建立巷道模型... 为解决“两堵一注”封孔工艺及传统连管方式在孟津煤矿实施存在的弊端,提出了“两堵两注”通管直连技术,提高了瓦斯抽采浓度,延长了瓦斯抽采时间。为此,采用巷道松动圈理论分析了该矿合适的封孔长度;采用离散元数值模拟方法建立巷道模型,分析了巷道周围应力分布,确定了钻孔的最佳封孔深度;开展了“两堵两注”封孔地面实验和通管直连技术现场实验。结果表明:孟津煤矿二1煤层工作面顺层瓦斯抽采钻孔封孔长度至少为6.75 m;该矿12070工作面穿层钻孔最佳封孔深度为15~30 m;“两堵两注”技术能有效对抽采钻孔进行封堵;通管直连技术在现场应用中大幅度提高了瓦斯抽采浓度,延长了瓦斯抽采时间。 展开更多

关键词 松软煤层 瓦斯抽采 两堵两注 通管直连技术

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不同变异系数煤层应力场与瓦斯场规律的数值模拟研究 被引量：2

5

作者 王峰 刘强 +5 位作者 邱黎明 刘勇 徐九洲 郭明功 马涛 张国雷 《西安科技大学学报》 CAS 北大核心 2024年第2期268-278,共11页

为揭示煤层厚度变化对煤层突出危险性的影响,建立了煤层变形场和瓦斯场耦合模型,并基于高斯分布建立了不同煤层变异系数的煤层模型,揭示了不同变异系数下的煤层应力场和瓦斯场分布规律。结果表明:稳定煤层与非稳定煤层应力场差别显著,... 为揭示煤层厚度变化对煤层突出危险性的影响,建立了煤层变形场和瓦斯场耦合模型,并基于高斯分布建立了不同煤层变异系数的煤层模型,揭示了不同变异系数下的煤层应力场和瓦斯场分布规律。结果表明:稳定煤层与非稳定煤层应力场差别显著,非稳定煤层在煤层较薄处产生了应力集中现象,向厚煤层区域掘进时呈线性减小;煤层较厚处稳定煤层的应力大于非稳定煤层,且随着煤层变异系数的增加进一步减小;不同变异系数煤层随着变异系数的增加应力逐渐增加,主应力的增长速率随着掘进距离的增加逐渐增加;煤层厚度变化导致了煤层受到顶板的水平应力作用,在煤层较薄处,顶板水平应力指向煤层,导致煤层较薄处产生了应力集中,在煤层较厚处,顶板水平应力背离煤层,导致煤层应力相比较薄处小,且瓦斯浓度大、渗透率小、构造煤发育较多,在扰动下容易发生突出。 展开更多

关键词 煤与瓦斯突出 煤层厚度 煤层变异系数 多物理场 瓦斯压力

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磨料属性影响高压磨料气体射流破岩效果的理论及实验研究 被引量：9

6

作者 刘勇 张涛 +1 位作者 魏建平 梁博臣 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期1335-1342,共8页

为明确磨料粒径、密度和速度对磨料气体射流冲蚀率的综合影响规律,采用数值计算方法分析了磨料粒径、磨料密度、气体压力与磨料速度的耦合关系,确定了磨料速度的计算方程;在此基础上,基于弹塑性压痕断裂理论,建立了考虑时间因素的磨料... 为明确磨料粒径、密度和速度对磨料气体射流冲蚀率的综合影响规律,采用数值计算方法分析了磨料粒径、磨料密度、气体压力与磨料速度的耦合关系,确定了磨料速度的计算方程;在此基础上,基于弹塑性压痕断裂理论,建立了考虑时间因素的磨料射流冲蚀磨损率的理论计算模型,并利用高压磨料气体射流破岩实验结果对其进行了修正。研究结果表明,在固定气体压力条件下,冲蚀率随磨料粒径、密度的增加先增加后减小;粒径相较于密度对冲蚀率影响更为显著;在气体压力为20 MPa时,常用的磨料种类和粒径中80目石榴石为最优磨料;修正的磨料气体射流冲蚀理论模型数学形式简单,综合考虑了磨料的能量转化效率和磨料的破碎对冲蚀率的影响,与实验结果具有较好的一致性。 展开更多

关键词 磨料气体射流 破岩 冲蚀率 磨料属性

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氮气喷出对管道瓦斯爆炸的阻爆研究 被引量：11

7

作者 路长 张运鹏 +3 位作者 朱寒 王鸿波 路昊昕 潘荣锟 《爆炸与冲击》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第4期11-21,共11页

为探究喷出氮气对瓦斯爆炸火焰传播的抑制能力,设置三种氮气喷头布置方式来进行阻爆实验,采用的氮气喷出压力有0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa,爆炸开始后喷射氮气,爆炸结束后氮气立刻关闭。结果表明,单喷头距泄压口20 cm时,各压力下喷出... 为探究喷出氮气对瓦斯爆炸火焰传播的抑制能力,设置三种氮气喷头布置方式来进行阻爆实验,采用的氮气喷出压力有0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa,爆炸开始后喷射氮气,爆炸结束后氮气立刻关闭。结果表明,单喷头距泄压口20 cm时,各压力下喷出的氮气都未能阻爆,但火焰在整个管道内的平均传播速度随氮气压力增大而减小;单喷头距泄压口35 cm时,喷气压力0.5 MPa下成功阻爆,其他喷气压力下未能阻爆;双喷头喷气时,喷气压力0.3、0.4、0.5 MPa情况下都能够阻爆,且喷气压力越大,火焰被阻止的位置越靠前。阻爆的实现,需要氮气在阻爆位置将管道截面上的预混气稀释到可燃极限以下,因而氮气量是影响稀释的重要参数。单喷头时,喷头距离泄压口远更易于实现阻爆。采用双喷头时,氮气区扩大,阻爆所需氮气压力、氮气总量比单喷头时都大为降低。 展开更多

关键词 甲烷 阻爆 氮气 喷头布置 火焰

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非刀具破岩理论与技术研究进展与趋势 被引量：5

8

作者 魏建平 蔡玉波 +4 位作者 刘勇 余大炀 黄逸 李兴 高梦雅 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期801-832,共32页

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... 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40~70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。 展开更多

关键词 岩石破碎 非刀具破岩 刀具破岩 硬岩破碎 深地空间

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超临界二氧化碳短时作用煤体裂隙演化CT/XRD实验研究

9

作者 刘勇 李海超 +3 位作者 魏建平 邓玉洁 李翔 高梦雅 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期3829-3844,共16页

ECBM可以在提高煤层气开采效率的同时实现CO_(2)封存,推动“双碳”目标实现,在深部煤层气的开发中具有广泛的应用前景。煤层裂隙结构和分布规律决定了超临界二氧化碳(SC-CO_(2))的压裂效果,是提高煤层气开采效率的关键。长时作用下SC-CO... ECBM可以在提高煤层气开采效率的同时实现CO_(2)封存,推动“双碳”目标实现,在深部煤层气的开发中具有广泛的应用前景。煤层裂隙结构和分布规律决定了超临界二氧化碳(SC-CO_(2))的压裂效果,是提高煤层气开采效率的关键。长时作用下SC-CO_(2)与煤体接触产生的吸附膨胀和溶解萃取作用能够改变煤体裂隙形态,但压裂过程中SC-CO_(2)与煤体接触时间较短,短时作用下SC-CO_(2)的吸附膨胀及溶解萃取作用对煤体裂隙的影响尚未明确。因此开展了SC-CO_(2)短时作用下煤体的裂隙演化研究,通过CT扫描研究不同变质煤体裂隙随累计浸泡时间的变化规律;建立CT二维扫描图像的灰度分布函数并构建浸泡时间与裂隙演化规律的关系,定量表征煤体裂隙的变化。结合XRD实验研究浸泡时间对煤体物质成分变化的影响,明确SC-CO_(2)短时作用煤体裂隙演化规律的主要原因。结果表明:SC-CO_(2)短时作用下吸附膨胀作用会导致煤体裂隙收缩,溶解萃取作用使裂隙发生扩展;浸泡煤体过程中吸附膨胀和溶解萃取作用同时发生且强度随时间发生变化,在不同时间段内分别交替占据对煤体裂隙的主导作用;不同变质煤会影响吸附膨胀和溶解萃取作用的强度和主导时间。褐煤浸泡30 min时吸附膨胀占据主导作用,浸泡90~240 min溶解萃取作用增强并占据主导。烟煤浸泡30~90 min时吸附膨胀作用较强,浸泡90~240 min时溶解萃取占据主导。无烟煤浸泡30~150 min时吸附膨胀作用占据主导,浸泡150~240 min时溶解萃取占据主导。 展开更多

关键词 超临界二氧化碳 短时浸泡 裂隙发展 吸附膨胀 溶解萃取

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围压条件下粒子冲击破岩裂隙扩展机理研究

10

作者 刘勇 李兴 +2 位作者 郭鑫辉 魏建平 宋大钊 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2024年第8期1-10,33,共11页

为揭示粒子冲击下围压对岩石裂隙形成及扩展机制的影响,开展了粒子冲击破岩试验和微纳米工业CT(compnted tomography)扫描试验,明确了围压对粒子冲击作用下岩石裂隙扩展特征的影响;并对不同围压条件下的粒子冲击进行数值模拟,分析了岩... 为揭示粒子冲击下围压对岩石裂隙形成及扩展机制的影响,开展了粒子冲击破岩试验和微纳米工业CT(compnted tomography)扫描试验,明确了围压对粒子冲击作用下岩石裂隙扩展特征的影响;并对不同围压条件下的粒子冲击进行数值模拟,分析了岩石的应力场和裂隙场演化过程,揭示了围压影响裂隙扩展的内在机制。结果表明,粒子冲击岩石后,在岩石内部形成破碎区和晶间主裂隙扩展区。压应力导致形成的剪切应力和拉应力是破碎区形成的主要原因,而晶间主裂隙扩展区形成的主要原因是切向衍生拉应力。围压使岩石颗粒间产生预应力,导致切向衍生拉应力需克服颗粒之间的初始压应力才能形成张拉裂隙;围压的增大导致岩石颗粒间剪切裂隙比例和摩擦效应提升,产生相同裂隙数目消耗能量增大,抑制了晶间主裂隙扩展区和破碎区的形成,破碎效果降低。 展开更多

关键词 水射流 粒子射流 冲击破岩 辅助破岩 硬岩掘进

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酸化-气润湿反转对煤吸附特性影响的实验研究

11

作者 肖知国 郝梅 +2 位作者 唐志昊 刘永强 钱程 《煤炭科学技术》 CSCD 北大核心 2024年第S2期79-87,共9页

在深部开采阶段,随地应力增大煤层透气性降低。煤层酸化技术通过溶解或溶蚀孔裂隙中的填充物以提高透气性,而水锁效应限制了该技术的发展,气润湿反转剂的加入可以有效减轻酸化后的水锁效应。为了探讨酸化时加入气润湿反转剂对煤吸附特... 在深部开采阶段,随地应力增大煤层透气性降低。煤层酸化技术通过溶解或溶蚀孔裂隙中的填充物以提高透气性,而水锁效应限制了该技术的发展,气润湿反转剂的加入可以有效减轻酸化后的水锁效应。为了探讨酸化时加入气润湿反转剂对煤吸附特性的影响,以山西TL煤为研究对象,制备了原煤、蒸馏水浸泡煤、酸液浸泡煤和酸液+气润湿反转剂浸泡煤,干燥处理后分别进行了甲烷等温吸附实验、XRD实验和高压压汞实验。甲烷等温吸附实验结果表明,酸液+气润湿反转剂浸泡煤的吸附常数a值大于原煤和蒸馏水浸泡煤,但小于酸液浸泡煤,说明水分浸润降低了煤对甲烷的吸附能力,而酸化促进了吸附性能的提升,气润湿反转剂的加入又降低了煤对甲烷的吸附能力;XRD实验表明经酸液浸泡后的煤样中绿泥石矿物消失不见,高岭石、伊利石和钙长石的成分明显减少,酸液+气润湿反转剂浸泡煤的石英含量明显减少;高压压汞测试结果显示蒸馏水浸泡煤、酸液浸泡煤和酸液+气润湿反转剂浸泡煤的孔容均大于原煤,且酸液+气润湿反转剂浸泡煤小于蒸馏水浸泡煤和酸液浸泡煤。通过对实验结果的理论分析厘清了酸化-气润湿反转对煤体吸附特性的影响机制,气润湿反转剂的加入降低了煤对的甲烷吸附性能,促进酸化反应并产生新物质,而且在水楔作用和干燥升温作用下改变了煤的孔隙特性。在煤层酸化实践中,应及时进行清洗,避免失水后反应物重新固化,堵塞孔隙。 展开更多

关键词 酸化 气润湿反转 瓦斯 煤吸附特性 水锁效应

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工作面高效回采智能化调控技术研究

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作者 秦晓 刘春 陈伟杰 《煤》 2024年第6期9-17,共9页

针对采煤机和刮板输送机连续高速运转造成的能源浪费和运输效率低的问题,基于多传感器信息融合技术,选取采煤机摇臂振动信号、截割电机电流信号以及调高油缸压力信号作为表征信号,利用RBF神经网络识别参数得到采煤机的煤岩截割状态。开... 针对采煤机和刮板输送机连续高速运转造成的能源浪费和运输效率低的问题,基于多传感器信息融合技术,选取采煤机摇臂振动信号、截割电机电流信号以及调高油缸压力信号作为表征信号,利用RBF神经网络识别参数得到采煤机的煤岩截割状态。开展采煤机煤岩截割实验,读取采煤机截割煤、岩时的参数信号进行分析,验证预测效果为97.2%.对采煤机双向割煤过程中刮板输送机载煤量的变化进行分析,探究负载与电机电流的关系,为刮板输送机-采煤机协同调速提供依据和控制策略,有效解决采煤机和刮板输送机恒速运行模式下刮板输送机负载变化过大,避免了煤量短时过度累积和卸载。研究结果为加强矿区的安全建设提供一定的技术依据,避免了各种装置及设备的损失,对提高提煤矿的经济效益具有重要意义。 展开更多

关键词 采煤机 刮板输送机 精准控制 BP神经网络

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低压磨料空气射流切割硬岩评价模型及应用

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作者 魏建平 蔡玉波 +5 位作者 张铁岗 薛熠 姬松涛 陈长江 张慧栋 刘勇 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期349-359,共11页

低压磨料空气射流破岩能力强、能耗低,是一种解决硬岩掘进效率低、刀具损耗严重最具潜力的技术之一。但采用磨料射流技术进行破岩割缝时,由于评价指标(割缝深度、宽度、体积)单一、普适及通用性差,导致磨料射流在不同工况下的最佳割缝... 低压磨料空气射流破岩能力强、能耗低,是一种解决硬岩掘进效率低、刀具损耗严重最具潜力的技术之一。但采用磨料射流技术进行破岩割缝时,由于评价指标(割缝深度、宽度、体积)单一、普适及通用性差,导致磨料射流在不同工况下的最佳割缝参数难以确定,极大限制了磨料射流技术的推广应用效果。为此,提出一种综合考虑磨料射流割缝深度、宽度和体积等缝槽参数之间定量关系的评价模型。通过对岩石割缝形貌进行三维重构,并进行均值化处理,得到射流割缝缝槽形态分布方程。将缝槽形态曲线方程的均值面积A与分布函数振幅a1的比值定义为割缝特征宽度b,并将b与a1的比值定义为宽高比P。利用P对磨料射流割缝效果进行评判,得到如下结论:在P≤0.5时,表示能形成更窄更深的割缝,且当P越小时,割缝窄深特征更明显;当P>0.5时,表示能够形成更宽更浅的割缝。利用P对不同割缝参数条件下的割缝效果进行表征,得出当需要获得较深的割缝形态时,应控制射流冲击靶距为40 mm,磨料粒径在60~90目(0.16~0.25 mm),磨料莫氏硬度应控制在7.0以上,采用16~32 g/s的磨料质量流量和60°的冲击角度。当获得宽且浅的割缝形态时,可选择磨料粒径大于90目(0.16 mm),磨料莫氏硬度低于7.0,使磨料质量流量低于8 g/s并控制射流冲击角度超过75°,射流靶距大于40 mm。 展开更多

关键词 磨料空气射流 硬岩切割 割缝形貌 评价模型 割缝参数

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磨料水射流旋转切割煤岩最优参数匹配模型研究

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作者 魏建平 校朋伟 +2 位作者 张慧栋 陈长江 刘勇 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第1期192-202,共11页

随着煤炭开采向深部延伸,纯水射流技术已逐渐无法满足高地应力和高煤岩强度条件下破煤增透需求。磨料水射流能有效提高水射流破岩能力,磨料水射流旋转切割卸压技术可实现高地应力、坚硬煤层的高效增透。射流压力和旋转速度是影响磨料水... 随着煤炭开采向深部延伸,纯水射流技术已逐渐无法满足高地应力和高煤岩强度条件下破煤增透需求。磨料水射流能有效提高水射流破岩能力,磨料水射流旋转切割卸压技术可实现高地应力、坚硬煤层的高效增透。射流压力和旋转速度是影响磨料水射流旋转切割煤岩效果的重要因素,明确磨料水射流旋转切割硬煤力学特征及规律是合理匹配射流压力和旋转速度的前提。采用数值模拟和实验研究相结合的方法,分析了不同射流压力和旋转速度匹配关系对射流冲击靶体力学作用机制的影响,明确了不同射流压力和旋转速度对磨料水射流旋转割缝效果的影响规律。研究结果表明,磨料颗粒高速撞击煤岩产生的法向力主要取决于射流压力,而切向力则同时取决于射流压力和旋转速度,法向力和切向力在磨料颗粒冲击破煤过程中作用不同,两者共同决定了磨料水射流旋转切割煤岩效果;当射流压力小于25 MPa时,割缝深度随射流压力升高而增加,超过25 MPa后割缝深度增加速率显著降低;在割缝时间恒定条件下,磨料射流旋转切割深度随转速的增加始终呈上升趋势;提出以最优匹配系数n作为同一射流压力下不同转速切割效果的评判指标,发现不同工况条件下淹没与非淹没条件下的n值存在显著差异,当前研究条件下非淹工况最优参数匹配系数n为0.0020156,淹没工况最优参数匹配系数为0.000299;建立了磨料水射流旋转割缝射流压力和旋转速度最优匹配参数计算模型,可根据射流压力直接计算得到最优匹配转速,使射流切割效果最优。 展开更多

关键词 磨料水射流割缝 煤层增透 最优参数匹配 射流压力 旋转速度

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柔性刀具冲击破煤能量演化及关键参数

15

作者 刘勇 张志康 +2 位作者 魏建平 徐向宇 郜英俊 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期965-974,共10页

为解决硬煤层卸压范围小、增透效果差等难题,基于水动力柔性刀具破煤卸压增透技术,在末端刀齿动能恒定时,优选末端刀齿质量与冲击速度组合,提高能量利用率和破煤效率。为此,开展了柔性刀具冲击破煤试验,分析了不同末端刀齿质量和冲击速... 为解决硬煤层卸压范围小、增透效果差等难题,基于水动力柔性刀具破煤卸压增透技术,在末端刀齿动能恒定时,优选末端刀齿质量与冲击速度组合,提高能量利用率和破煤效率。为此,开展了柔性刀具冲击破煤试验,分析了不同末端刀齿质量和冲击速度条件下煤体破碎质量和平均破碎深度;采用颗粒流数值模拟方法建立了柔性刀具末端刀齿冲击破煤模型,分析了破煤过程中煤体能量和裂隙演化规律,揭示了末端刀齿质量、冲击速度对柔性刀具冲击破煤效果的影响机制。结果表明:末端刀齿动能恒定时,随着刀齿质量的减小和冲击速度的增大,煤体破碎质量和平均破碎深度均呈现先增加后降低的趋势;煤体张剪破碎区面积、总裂隙数和轴向主裂隙最深处距离煤体表面的长度均呈现先增加再降低的趋势;末端刀齿接触煤体后,刀齿动能迅速降低,主要转化为煤体可释放应变能和摩擦能,应变能的积聚释放导致大量裂隙在刀齿正下方生成,形成半圆状张剪破碎区,在张剪破碎区周边裂隙胶结薄弱处形成应力集中,裂隙贯通形成主裂隙向四周扩展;当末端刀齿动能为60.3 J时,刀齿冲击速度为38.8 m/s、质量为0.08 kg,煤体破碎效果最优。随着末端刀齿冲击速度的增大,单位时间内作用于煤体能量密度增大,但冲击力减小,导致煤体应变能峰值呈现先增大再降低的趋势,在应变能峰值最大时,煤体破碎效果最好。 展开更多

关键词 卸压增透 瓦斯抽采 柔性刀具 冲击破煤 能量演化

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液氮循环冷冲击作用下高温花岗岩I型断裂特性研究

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作者 薛熠 杨博鹍 +3 位作者 刘勇 孙强 张云 曹正正 《岩土力学》 北大核心 2025年第2期422-436,共15页

液氮循环压裂技术是一种环境友好且高效的新型无水压裂方法,通过多次液氮冷却作用在干热岩中产生显著的热应力,从而有效地对干热岩储层进行致裂和增渗。为了揭示液氮循环冷冲击作用对干热岩断裂特性及损伤特征的影响机制,对花岗岩试样... 液氮循环压裂技术是一种环境友好且高效的新型无水压裂方法,通过多次液氮冷却作用在干热岩中产生显著的热应力,从而有效地对干热岩储层进行致裂和增渗。为了揭示液氮循环冷冲击作用对干热岩断裂特性及损伤特征的影响机制,对花岗岩试样进行不同循环次数的高温加热-液氮冷却处理,通过三点弯曲试验对处理后的花岗岩试样物理力学特性(包括断裂韧度和破裂特征)进行了分析。基于三维激光扫描技术和分形理论对三点弯曲试验后花岗岩断口表面形貌特征及断面粗糙度进行了定量评价。采用数值方法,利用随机四参数生成法重构非均质花岗岩基质,建立了热-力耦合的混合相场模型,对不同液氮循环次数下高温花岗岩的微裂隙演化及宏观断裂过程进行模拟,分析了液氮循环冷冲击作用对高温花岗岩宏观断裂特性的影响。试验和数值结果表明:高温加热-液氮冷却循环作用会加剧花岗岩的损伤程度,导致断裂韧度等力学参数显著下降。断面分形维数以及形态特征参数与循环次数呈显著正相关,在高循环次数下断面展现出复杂曲折的宏观主裂纹扩展路径。热-力耦合混合相场模型能够有效再现高温加热-液氮冷却循环作用下花岗岩的热-力开裂行为。花岗岩的热损伤主要集中在最大拉伸应变能区域。液氮循环作用下,高温花岗岩的微破裂主要由温度梯度和相邻矿物颗粒之间的热膨胀变形差异引起。液氮循环冷却诱导的微裂隙使得花岗岩I型断裂的扩展路径更加曲折和复杂。 展开更多

关键词 液氮 花岗岩 断裂韧度 断面粗糙度 相场法

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气体环境对自修复封孔材料裂隙愈合及修复机制的影响

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作者 司磊磊 赵桐宇 +4 位作者 魏建平 刘正东 华明国 詹平 姚邦华 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期990-1002,共13页

注浆封孔是最常用的抽采钻孔封孔措施,受应力扰动等影响,注浆封堵的裂隙很容易开裂形成次生漏气通道。因此提出研发可使再生裂隙自愈合的注浆封孔材料,然而井下空气环境复杂,特别是封孔材料的裂隙愈合性能取决于其与空气环境产生物质交... 注浆封孔是最常用的抽采钻孔封孔措施,受应力扰动等影响,注浆封堵的裂隙很容易开裂形成次生漏气通道。因此提出研发可使再生裂隙自愈合的注浆封孔材料,然而井下空气环境复杂,特别是封孔材料的裂隙愈合性能取决于其与空气环境产生物质交换后所生成的自修复产物,因此深入研究不同气体环境对封孔材料裂隙愈合性能的影响,对于改进封孔材料配比,实现抽采钻孔长效密封具有重要意义。研究了自修复封孔材料分别在真空环境、CO_(2)环境及空气环境下的裂隙自愈合及修复产物生成规律。结果发现,在空气环境下封孔材料在6 d内可实现宽度为1.82 mm的裂隙自修复,在CO_(2)环境下封孔材料在8 d内可实现1.51 mm的裂隙自修复,而真空环境下封孔材料在15 d内仅能使裂隙宽度减小0.1 mm,无法实现完全愈合。不同环境下封孔材料与外界的物质交换规律不同,其质量变化存在较大差异,其中空气环境下可分为失水减重阶段、动态增重阶段、二次失水减重阶段和稳定阶段;CO_(2)环境下分为迅速碳化增重阶段、缓速增重阶段和平衡阶段;而真空环境下试件质量几乎保持稳定。结合碳化作用和水分蒸发作用分析了不同环境下封孔材料质量变化的内在规律。自愈合产物粗糙度测试结果表明,空气环境下自愈合产物粗糙度最大,真空环境次之,CO_(2)环境最小。微观测试结果表明,CO_(2)不会改变封孔材料的主体结构,仅能够略微提升封孔材料水化产物中CaCO_(3)的含量,并造成基体孔隙减小;但CO_(2)可明显提升自修复产物中CaCO_(3)的占比,并对促进自修复产物粒径大小有显著作用。不同气体环境条件下自修复产物的生成原理具有较大差异,真空环境下自修复产物的生成在于多孔结构导致的析出作用;CO_(2)环境下自修复产物生成以碳化作用产生的碳酸盐为主,析出作用为辅;二次水化作用生成的硅酸盐在空气环境下自修复产物的占比最大,碳化作用产生的碳酸盐次之,析出作用贡献最小。适度提高养护环境的CO_(2)浓度及湿度对裂隙自愈合的效率具有促进作用。研究结果对于实现抽采钻孔长效密封具有重要意义。 展开更多

关键词 封孔材料 自修复 裂隙愈合 气体养护环境 水化产物

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低压超声速磨料空气射流喷嘴结构 被引量：1

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作者 刘勇 李志平 +3 位作者 魏建平 蔡玉波 余大炀 黄逸 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期1704-1716,共13页

硬岩隧道掘进刀具磨损严重、换刀频繁是限制高效掘进的主要因素,低压磨料空气射流辅助刀具破岩是突破硬岩隧道掘进技术瓶颈的可行性思路,为实现辅助高横移速度刀具破岩,提出了矩形喷嘴。矩形喷嘴能有效提高磨料在移动方向集束性,进而减... 硬岩隧道掘进刀具磨损严重、换刀频繁是限制高效掘进的主要因素,低压磨料空气射流辅助刀具破岩是突破硬岩隧道掘进技术瓶颈的可行性思路,为实现辅助高横移速度刀具破岩,提出了矩形喷嘴。矩形喷嘴能有效提高磨料在移动方向集束性,进而减小切缝宽度,提高切缝深度。为明确矩形喷嘴对磨料加速及破岩的影响规律,采用加长扩张段长度和截面近似等效设计了圆形喷嘴及矩形喷嘴;然后基于数值方法确定了喷嘴扩张段长度对气体及磨料加速的影响,并对比分析了喷嘴不同断面形状对磨料加速和分布特征的影响。最后通过开展低压磨料空气射流冲蚀破碎花岗岩实验,研究了喷嘴结构和横移速度对冲蚀效果的影响,分析了不同断面形状喷嘴的切割效率,确定了适用辅助刀具破岩的最佳喷嘴结构。数值结果表明压力2 MPa时,加长扩张段长度,气固两相能量转化更充分,磨料加速更充分,但随着喷嘴扩张段持续加长,磨料速度提升不明显;相比圆形断面喷嘴,矩形断面喷嘴对磨料加速稍差,但仍能将磨料加速至300 m/s,且经矩形喷嘴加速的磨料在自由流域呈扁平矩形分布,有效提高了磨料在刀具横移方向的集束性。实验表明圆形喷嘴扩张段加长,岩石冲蚀深度不断增加,当扩张段长度为145 mm时,花岗岩冲蚀深度分别为23.90、20.23 mm,扩张段长度持续加长,岩石的冲蚀深度提高并不显著。当横移速度为0.02 m/s时,喷嘴C_(4)、R_(1)、R_(2)切割玄武岩深度分别为3.35、12.15、8.25 mm,花岗岩深度分别为5.2、14.9、11.5 mm;横移速度为0.30 m/s时,喷嘴C_(4)、R_(1)切割玄武岩深度分别为0.8、3.0 mm,花岗岩深度分别为1.0、3.6 mm。对比喷嘴C_(4),和数值模拟结果相同,矩形喷嘴能使磨料聚能、磨料利用充分,切割效率较优。且喷嘴R_(1)的切割效率最好,喷嘴结构最优。研究结论将为磨料空气射流辅助刀具破岩提供理论和技术支撑。 展开更多

关键词 磨料空气射流 喷嘴结构 硬岩掘进 磨料加速分布 切割效率

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自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率调制 被引量：1

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作者 魏建平 李翔 +3 位作者 刘勇 沈荷莲 李海超 高梦雅 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期2675-2690,共16页

SC-CO_(2)射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率,具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广,自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系,能充分发挥谐... SC-CO_(2)射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率,具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广,自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系,能充分发挥谐振效应,达到更好的破煤效果。喷嘴结构是影响射流冲击频率的关键,现有的自振脉冲水射流频率调制方法并不适用于SC-CO_(2)射流。为实现对SC-CO_(2)射流冲击频率的调制,采用大涡模拟研究不同喷嘴结构对自激振荡脉冲SCCO_(2)射流冲击频率的影响规律,通过权重分析得到不同喷嘴结构参数对射流冲击频率的影响程度。采用射流冲击频率测定实验及破煤实验验证喷嘴结构对射流冲击频率的影响规律以及射流冲击频率调制方法的可靠性。结果表明:振荡腔直径、振荡腔长度、碰撞壁角度是影响射流冲击频率的关键因素,可通过调节振荡腔结构实现对射流冲击频率的大幅调制,从而达到谐振效应。调节振荡腔结构使射流冲击频率与煤的固有频率形成谐振时破煤效果显著提升,且谐振倍数越小,射流破煤效果越好,能够有效提高破煤效率。当煤的固有频率是25 Hz时,设置上游和下游喷嘴出口直径为2.5、3.0 mm,调节振荡腔直径、长度、角度分别为10 mm、3 mm、120°,射流冲击频率达到25051.83 Hz,是煤体固有频率的1002.0倍,与煤的固有频率形成谐振效应,有效提高了破煤效率。 展开更多

关键词 自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流 自激振荡喷嘴 冲击频率调制 谐振破煤 煤层气开采

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低压磨料空气射流切槽辅助TBM滚刀破岩规律

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作者 张宏图 杨耀浦 +2 位作者 刘勇 魏建平 李志平 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期4429-4440,共12页

全断面隧道掘进机(TBM)在矿井开采中应用逐渐推广,坚硬围岩巷道与隧道施工过程中存在掘进困难、刀具损耗严重的问题,如何实现高强度高磨蚀性地层安全掘进对于指导地下工程建设和能源开发等具有重要意义。为此,提出低压磨料空射流切槽辅... 全断面隧道掘进机(TBM)在矿井开采中应用逐渐推广,坚硬围岩巷道与隧道施工过程中存在掘进困难、刀具损耗严重的问题,如何实现高强度高磨蚀性地层安全掘进对于指导地下工程建设和能源开发等具有重要意义。为此,提出低压磨料空射流切槽辅助滚刀破硬岩技术思路。基于低压磨料空气射流辅助滚刀破岩综合实验平台,研究不同切槽深度对滚刀破岩刀具受力和岩石破碎的影响。采用PFC数值分析不同切槽深度下刀具垂直载荷、裂纹扩展、比能耗和岩石应力场等变化规律,进一步解释切槽辅助滚刀破岩过程中刀具受力减小原因。形成以下主要结论:切槽底端是滚刀破岩过程应力集中区域,主裂纹从滚刀与岩石作用位置到切槽底端扩展贯通,当切槽深度大于8 mm后形成滚刀压痕处高、切槽底端低的“岩脊”状岩石破坏特征,随着切槽深度增加,岩脊高度逐渐变大。切槽后主裂纹与切槽边缘和岩石断面贯通,呈现三角状岩石破碎体,切槽深度越大,岩石块状破碎体的体积越大,同时滚刀最大垂直载荷越小,数值模拟结果与相关实验结果具有一致性。低压磨料空气射流切槽为20 mm时,滚刀最大垂直载荷为不切槽时的68%。切槽过后滚刀破岩过程中刀具两侧岩石应力减小,进一步使滚刀破岩过程刀具传递力的大小降低并朝着切槽底端传递,切槽起到移除侧向约束的作用,降低了刀具贯入的垂直载荷,形成大块状的岩石破碎体,从而减小破岩比能耗。 展开更多

关键词 滚刀破岩 低压磨料空气射流 辅助切槽 破岩效率 岩石应力场

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