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Theoretical analysis and engineering application of controllable shock wave technology for enhancing coalbed methane in soft and low‑permeability coal seams

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International Journal of Coal Science & Technology 2024年第2期11卷 123-142页

作者： Guodong Qiao Zegong Liu Yongmin Zhang Changping Yi Kui Gao shigui fu Youzhi Zhao School of Safety Science and Engineering Anhui University of Science and TechnologyHuainan 232001AnhuiChina Institute of Energy Hefei Comprehensive National Science CenterHefei 230031AnhuiChina School of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong UniversityXi’an 710049ShanxiChina Division of Mining and Geotechnical Engineering LuleåUniversity of TechnologyLuleåSweden

Coalbed methane(CBM)is a significant factor in triggering coal and gas outburst disaster,while also serving as a clean *** the increasing depth of mining operations,coal seams that exhibit high levels of gas content and low permeability have become increasingly *** controllable shockwave(CSW)technology has proven effective in enhancing CBM in laboratory settings,there is a lack of reports on its field applications in soft and low-permeability coal *** study establishes the governing equations for stress waves induced by *** numerical inversion was employed to analyse the dynamic response of the coal seam during CSW ***,quantitative calculations were performed for the crushed zone,fracture zone,and effective CSW influence range,which guided the selection of field test *** results of the field test unveiled a substantial improvement in the gas permeability coefficient,the average rate of pure methane flowrate,and the mean gas flowrate within a 10 m radius of the antireflection *** enhancements were notable,showing increases of 3 times,13.72 times,and 11.48 times,***,the field test performed on the CSW antireflection gas extraction hole cluster demonstrated a noticeable improvement in CBM *** antireflection,the maximum peak gas concentration and maximum peak pure methane flow reached 71.2%and 2.59 m^(3)/min,*** findings will offer valuable guidance for the application of CSW antireflection technology in soft and low-permeability coal seams.

关键词： CSW antireflection in coal seams CBM extraction enhancement Soft and low-permeability coal seams Field test

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切缝药包超前预裂爆破厚硬顶板矿压与瓦斯综合防治试验研究

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中国矿业大学学报 2024年第2期53卷 334-345,376页

作者：乔国栋刘泽功高魁周云权傅师贵安徽理工大学安全科学与工程学院安徽合肥230031 合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽合肥230031

针对厚硬顶板导致高矿压、高位钻孔瓦斯抽采效果不佳的问题,通过爆破相似模拟试验与理论分析相结合的研究方法,对普通爆破与切缝药包爆破载荷作用下物模的宏观裂纹分布模式、损伤特征以及应变和应力的演化规律进行分析,对爆破弱化半径... 详细信息

针对厚硬顶板导致高矿压、高位钻孔瓦斯抽采效果不佳的问题,通过爆破相似模拟试验与理论分析相结合的研究方法,对普通爆破与切缝药包爆破载荷作用下物模的宏观裂纹分布模式、损伤特征以及应变和应力的演化规律进行分析,对爆破弱化半径进行定量计算.结果表明:模型表面爆破裂纹分布差异显著;使用损伤度(D)及波降率(η)对岩石爆破损伤情况进行定量表征,发现切缝药包爆破比普通爆破造成的有效损伤范围更大;动态应变信号分析表明,切缝方向上应力波波阵面速度更快、强度更高,岩层受到的爆炸动载更强,测点的峰值应变及峰值应力均显著大于普通爆破.理论计算表明切缝药包爆破弱化半径(21.8 m)大于普通爆破(16.5 m),使用切缝药包超前预裂爆破厚硬顶板可以保障巷道稳定性,并且更具经济效益.研究成果为解决厚硬顶板条件下的矿压与上隅角瓦斯综合防治问题具有一定的指导意义.

关键词：超前预裂爆破切缝药包厚硬顶板高位钻孔矿压防治瓦斯抽采

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构造煤层顶板爆破跨界面致裂增透机制研究及应用

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煤田地质与勘探 2024年第4期52卷 35-46页

作者：高魁王有为乔国栋田宇傅师贵安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 煤矿深井开采灾害防治技术科技研发平台(安徽理工大学) 安徽淮南232001

深部煤炭开采地质条件恶化,原生煤在多期构造运动作用下形成松软低渗高瓦斯构造煤层,煤层钻孔施工困难,爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实。针对目前构造煤层顶板爆破致裂增透关键技术没有得到根本突破问题,构建试验模型进行煤层... 详细信息

深部煤炭开采地质条件恶化,原生煤在多期构造运动作用下形成松软低渗高瓦斯构造煤层,煤层钻孔施工困难,爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实。针对目前构造煤层顶板爆破致裂增透关键技术没有得到根本突破问题,构建试验模型进行煤层顶板爆破相似模拟试验和数值分析,监测跨界面应力波传播和宏观三维裂隙演化形态,再现了爆破应力波传播和煤岩体内部损伤破坏过程。研究表明:(1)构造煤层爆破损伤范围主要集中在爆破孔和煤层上下煤岩交界面附近煤体;构造煤顶板爆破产生跨界面致裂卸压裂纹,爆破损伤沿爆破孔向四周岩体扩展,最后蔓延到煤层底板,爆破孔位置和上部煤岩交界面以及煤层内部的损伤较为严重。(2)爆破应力波从构造煤层顶板传播到煤岩交界面时发生波的透射和反射,透射的压缩应力波破坏煤体;反射的拉伸应力波反作用于煤岩交界面区域岩体。(3)爆破累积损伤产生的跨界面交叉裂纹卸压,使顶板岩层裂隙和构造煤层裂隙贯通,有利于构造煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。现场应用表明,煤层顶板爆破瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升,瓦斯抽采纯量从爆破前的0.07 m^(3)/min提高到1.73 m^(3)/min,体积分数从10.46%上升到68.50%,并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部构造煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

关键词：构造煤模拟试验爆破卸压煤层增透瓦斯治理

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柱状聚能药管聚能罩角度对煤层爆破增透效果试验研究

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 129-138页

作者：杨帅刘泽功张健玉傅师贵乔国栋张鑫安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001

为解决传统预裂爆破煤体裂隙无序扩展导致增透效果不佳的问题,开展了聚能爆破药管不同聚能罩张开角度对煤层增透效果影响研究。通过建立聚能罩微元闭合理论模型,分析了随着聚能罩角度减少时形成聚能射流的速度和质量变化;以此为基础对... 详细信息

为解决传统预裂爆破煤体裂隙无序扩展导致增透效果不佳的问题,开展了聚能爆破药管不同聚能罩张开角度对煤层增透效果影响研究。通过建立聚能罩微元闭合理论模型,分析了随着聚能罩角度减少时形成聚能射流的速度和质量变化;以此为基础对聚能爆破增透机制进行了分析。在实验室搭建了可从煤体宏观裂纹和应变数据多角度对试验模型进行分析的双向加载气固耦合爆破相似模拟试验系统,对含瓦斯煤体试块进行普通爆破和不同聚能张开角爆破模拟对比试验。结果表明,使用聚能药包相较于普通爆破能够有效引导裂纹在聚能罩开口方向上定向发育;随着聚能罩角度减少,聚能爆破后形成的裂纹在聚能方向上更加平滑,裂纹宽度也随之增加,试块剖面更加平整;根据超动态应变仪反演结果,1号测点60°、80°和100°聚能爆破的压应力峰值分别为普通爆破的1.52倍,1.26倍和1.08倍,且60°聚能爆破到达应力峰值的时间最短,表明随着聚能罩开口的减小,聚能方向上能量集中现象越明显。通过ANSYS/LS-DYNA软件对4种不同角度的聚能爆破进行对比分析。模拟结果中60°聚能爆破初始形成的聚能射流有效应力最大,聚能方向产生的裂纹最长。试验和模拟结果表明通过使用60°聚能药包可得到更好的爆破效果,研究成果对松软高瓦斯煤层聚能爆破增透有一定的参考意义。

关键词：煤层增透聚能爆破聚能罩角度裂纹扩展

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松软煤层底板爆破致裂增透模拟试验研究及应用

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 102-110页

作者：高魁王秘乔国栋田宇傅师贵王有为安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室安徽淮南232000

针对松软煤层爆破增透钻孔施工困难,爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实的问题,提出在底板岩层开展爆破作业,达到松软煤层增透进而增加瓦斯有效抽采时间的目的。为了监测跨界面应力波传播规律及煤层损伤状况,在实验室构建了物理模... 详细信息

针对松软煤层爆破增透钻孔施工困难,爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实的问题,提出在底板岩层开展爆破作业,达到松软煤层增透进而增加瓦斯有效抽采时间的目的。为了监测跨界面应力波传播规律及煤层损伤状况,在实验室构建了物理模型并开展了煤层底板爆破相似模拟试验。同时使用数值模拟的研究方法对煤层底板爆破过程中煤、岩体内部的损伤及裂隙的演化过程进行补充。结果表明:松软煤层底板爆破裂纹沿爆破孔向四周岩体扩展,爆破孔位置和底板煤岩交界面以及煤层内部的破坏较为严重,产生跨界面损伤裂纹。爆炸应力波从松软煤层底板岩层传播到松软煤层时,岩体和松软煤体的交界面产生透射压缩应力波和反射拉伸应力波,透射波作用于松软煤体,使煤层裂隙增加;反射波反作用于岩体,在煤岩交界面形成交叉裂纹,使底板岩层裂隙和松软煤层裂隙贯通,有利于松软煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。潘一东煤矿现场应用表明,煤层底板爆破增透后瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升,抽采纯量从0.06 m^(3)/min提高到1.46 m^(3)/min,增加了23.33倍;瓦斯浓度从爆破前的10.46%上升到45.50%左右,增加了3.34倍,并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部松软煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

关键词：松软煤层爆破增透裂隙演化爆炸应力波卸压瓦斯抽采

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高地应力下岩体控制爆破机理与损伤演化特征研究

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采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 867-878页

作者：傅师贵刘泽功张健玉乔国栋张鑫杨帅安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽合肥230031

为研究高地应力作用下深孔控制爆破损伤情况及裂隙演化规律,以淮南潘三矿深孔松动控制爆破瓦斯增透为工程背景,通过对控制孔导向、应力波传播及地应力下控制孔周围岩体应力理论分析和数值模拟,结合岩石爆破裂隙分形维数,探讨了高地应力... 详细信息

为研究高地应力作用下深孔控制爆破损伤情况及裂隙演化规律,以淮南潘三矿深孔松动控制爆破瓦斯增透为工程背景,通过对控制孔导向、应力波传播及地应力下控制孔周围岩体应力理论分析和数值模拟,结合岩石爆破裂隙分形维数,探讨了高地应力对岩体控制爆破裂隙的演化影响。结果表明:控制孔对爆生裂纹的扩展有一定的定向效果,但深部矿区处所受高地应力会影响该定向效果。当控制孔与爆破孔的连线方向与最大主应力方向一致时,爆破定向效果达到最佳;刚起爆时,控制孔为爆破孔提供自由面,降低最小抵抗线;随着地应力的影响,裂纹扩展方向沿最大主应力方向进一步促进爆破孔与控制孔之间的岩体损伤。最后,通过分析不同地应力状态下爆破裂隙的演化情况和分形维数,建立了裂纹分形维数D与损伤量w的预测模型,能较好地预测高地应力下岩体的损伤程度。

关键词：高地应力岩石爆破分形维数控制爆破数值模拟

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地应力作用下聚能爆破煤体损伤特征试验研究

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采矿与安全工程学报 2024年第5期41卷 1078-1090页

作者：杨帅刘泽功常帅张健玉傅师贵乔国栋张鑫安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽合肥230031

为研究地应力影响下聚能爆破对煤层的损伤情况及裂纹扩展规律,以聚能爆破作用机理和地应力下爆破孔环向应力分布规律为理论基础,通过相似模拟试验和数值模拟与分形维数相结合的方法,探讨了地应力作用下聚能爆破煤体裂纹扩展规律。试验... 详细信息

为研究地应力影响下聚能爆破对煤层的损伤情况及裂纹扩展规律,以聚能爆破作用机理和地应力下爆破孔环向应力分布规律为理论基础,通过相似模拟试验和数值模拟与分形维数相结合的方法,探讨了地应力作用下聚能爆破煤体裂纹扩展规律。试验结果表明:相对于无地应力条件,3组对照试验1#测点的应力大小和动载作用时间均减少,证明地应力对聚能爆破存在抑制作用。聚能爆破受地应力的影响会减少裂纹发育的长度,但依然能够保证裂纹的定向发育。当聚能方向平行于最大主应力方向时,聚能方向裂纹会得到延长;反之,裂纹长度将会减少。通过ANSYS/LS-DYNA对不同侧压系数(k)下煤体聚能爆破进行模拟,结果表明:k越大对聚能方向裂纹发育抑制越明显;k越小则对聚能方向裂纹发育起促进作用。同时,通过线性拟合得到损伤量w和分形维数D之间的函数关系,建立了煤体损伤预测模型。

关键词：聚能爆破地应力数值模拟分形维数裂纹扩展

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深部高瓦斯煤层爆破致裂增透裂纹扩展规律研究

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煤炭科学技术 2024年第7期52卷 89-100页

作者：张鑫刘泽功张健玉傅师贵乔国栋杨帅常帅安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001

针对深部高瓦斯煤层在地应力作用下爆破增透时裂纹扩展规律尚不明确的问题,首先根据爆破应力波的传播和叠加,从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律;然后通过室内试验研究了不同地应力条件下单孔爆破裂纹扩... 详细信息

针对深部高瓦斯煤层在地应力作用下爆破增透时裂纹扩展规律尚不明确的问题,首先根据爆破应力波的传播和叠加,从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律;然后通过室内试验研究了不同地应力条件下单孔爆破裂纹扩展特征,在此基础上,对不同侧压系数下双孔爆破裂纹扩展机理以及贯通过程进行数值模拟研究,并结合ImageJ图像识别软件和LS-Pre-Post软件,以裂纹密度和扩展长度为量化指标表征地应力对裂纹发育程度的影响;最后根据室内试验和数值模拟研究结果,给出考虑地应力影响下的煤层爆破致裂增透爆破孔布置方案建议。单孔爆破室内试验结果表明:地应力可以减小爆破荷载引起的拉应力,从而抑制裂纹扩展;在非静水地应力条件下,与较大主应力方向正交的拉应力受到削弱,导致该方向的裂纹扩展受到抑制,使裂纹优先向高应力方向扩展;双孔爆破数值模拟研究结果表明:侧压系数不为1时,爆生裂纹扩展呈现出方向性,主裂纹倾向于向较高地应力方向扩展,造成爆破裂纹区域呈椭圆形,长轴和较大地应力方向一致。根据室内试验和数值计算结果,在深部煤层进行爆破致裂增透时,宜沿较大地应力方向钻孔,有利于提高爆破致裂增透效果。研究成果对深部高瓦斯煤层爆破增透时了解裂纹扩展机理以及优化炮孔布置方案具有指导意义。

关键词：高瓦斯煤层地应力裂纹扩展裂隙区范围爆破增透

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爆炸荷载作用下深部煤体损伤特征试验研究

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振动与冲击 2024年第19期43卷 276-286页

作者：杨帅刘泽功张健玉傅师贵乔国栋张鑫常帅安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 合肥综合性国家科学中心能源研究院合肥230031

为研究深部地应力影响下爆破后煤体的损伤情况及裂纹扩展规律,建立了地应力下煤体损伤模型和爆破孔环向应力分布规律。通过相似模拟试验和数值模拟与分形维数相结合的方法,探讨了地应力作用下煤体爆破后裂纹扩展规律。理论分析表明,炮... 详细信息

为研究深部地应力影响下爆破后煤体的损伤情况及裂纹扩展规律,建立了地应力下煤体损伤模型和爆破孔环向应力分布规律。通过相似模拟试验和数值模拟与分形维数相结合的方法,探讨了地应力作用下煤体爆破后裂纹扩展规律。理论分析表明,炮孔受地应力的影响会发生二次应力分布;在双向等压条件下,裂纹沿偏离主应力方向45°发展,在双向异压条件下,裂纹朝与主应力角度为θ(θ=arctan(σ_(x)/σ_(y)))方向发展。对比四组相似模拟试验:相对于无地应力条件下,3组对照试验各测点的应力大小和动载作用时间均减少,证明地应力对煤体爆破后的裂纹扩展起抑制作用;煤体裂纹会朝最大主应力方向扩展,最小地应力方向裂纹长度会随着应力差的增大而减小。通过ANSYS/LS-DYNA软件建立了三维煤体模型对不同地应力条件下进行了爆破模拟,模拟结果表明:平行于最大主应力方向的裂纹发育受到促进作用,而垂直于最大主应力方向的裂纹则会受到抑制。同时,通过线性拟合得到损伤量w和分形维数D之间的函数关系,建立了w=5.4381D10.45381的煤体损伤预测模型。

关键词：煤体爆破地应力数值模拟分形维数裂纹扩展

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深部高瓦斯低渗煤层定向聚能爆破裂纹扩展规律试验研究

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振动与冲击 2024年第13期43卷 217-226页

作者：张鑫刘泽功高魁张健玉傅师贵乔国栋杨帅安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001

针对深部高瓦斯低渗煤层爆破增透时爆破有效致裂范围较小,爆破能量利用率低的问题,首先根据爆破应力波的传播和叠加,从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律;然后利用自主搭建的爆破试验平台进行了有无地应力... 详细信息

针对深部高瓦斯低渗煤层爆破增透时爆破有效致裂范围较小,爆破能量利用率低的问题,首先根据爆破应力波的传播和叠加,从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律;然后利用自主搭建的爆破试验平台进行了有无地应力普通爆破及地应力下不同聚能方向爆破试验研究;最后将爆破后4组试块的裂纹扩展及应力发展规律分别进行对比分析,得出爆生裂纹的扩展规律以及应力峰值的涨幅关系。研究结果表明,在裂纹扩展方面,地应力的存在对煤岩体普通爆破裂纹的扩展起抑制作用,整体裂纹扩展范围较小且呈椭圆形分布;聚能方向与水平较大主应力方向一致时,有利于定向裂纹的扩展,整体裂纹扩展范围较大;聚能方向与竖直较小主应力方向一致时,在爆破初期因聚能效应裂纹沿聚能方向扩展,在裂纹扩展后期,受地应力影响垂直方向上煤岩体受到的切向压应力较大,制约了定向裂纹的扩展,整体裂纹扩展范围较小。应力传播方面,在无地应力与加载地应力普通爆破情况下,爆破孔周围应力呈下降趋势,最高降幅达39.1%;地应力下水平方向聚能爆破相对于普通爆破时,聚能方向的应力峰值提高了72.2%。研究成果运用于深部高瓦斯低渗煤层爆破中,可以有效提高爆破能量利用率和裂纹扩展范围,对瓦斯解吸具有积极意义。

关键词：地应力聚能爆破爆炸应力波裂纹扩展范围损伤特征

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