高压水射流装置冲孔参数模拟与试验研究

张嘉勇，崔 啸，郭立稳，2，许 慎

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.北华航天工业学院，河北 廊坊 065000)

基础研究

高压水射流装置冲孔参数模拟与试验研究

张嘉勇1，崔 啸1，郭立稳1，2，许 慎1

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.北华航天工业学院，河北 廊坊 065000)

采用伯努利方程和机械能衡算公式计算了新设计的螺旋杆式水射流冲孔增透装置的射流有效破煤速度。通过数值模拟分析了不同射速时水射流流体状态，依据煤体坚固性系数f和抗拉强度确定了装置的有效冲孔范围，并针对钱家营矿-600m水平7煤层进行了现场试验考证。研究结果表明：通过控制水射流装置的水压与流量可调节水射流出口速度，射速随水压、流量的增加而增加，对煤体产生的破碎范围也随之增加。通过数值模拟与现场试验结果分析，证实了数值模拟研究中依据煤体坚固性系数f与抗拉强度能够客观地确定不同射速下的冲孔范围，为装置的现场应用提供了参数支撑。

高压水射流；流体参数；冲击范围；数值模拟

高压水射流破煤增透是解决我国高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽、排困难的主要方法之一。通过高压水射流冲击产生的切应力和拉应力，可在煤体内部形成孔洞，随着围岩收缩变形，达到卸压增透，扩大瓦斯抽、排半径的目的[1-5]。

国内外许多学者对高压水射流装置做出了大量研究，王耀锋等[6]综述了国内水力化煤层增透技术的研究进展，分析了理论研究和工程应用中存在的问题；王新新[7]探究水力冲孔之后煤层中瓦斯的分布规律及其形成机理，进一步研究了水力冲孔瓦斯抽采和卸压增透的机理；沈春明[8]采用相似物理模拟实验的方法建立相似模型，测定煤体在割缝卸压变化过程中透气性的变化规律。上述研究主要对高压水射流装置在突出煤层中的应用效果，卸压范围及钻孔相关参数优化进行了研究，尚未对高压水射流装置本身流体参数进行系统地分析，水力参数与煤体参数的匹配问题也需进一步分析。利用水射流装置的流速与煤体的坚固性系数计算有效的冲孔范围，从而为装置的远程控制提供参考依据，并通过数值模拟和现场试验验证计算结果的准确性，为设备的推广应用提供了理论依据。

1 水射流装置设计

为防止冲孔过程中会排出的煤体堵塞钻孔研制了螺旋杆式高压水射流装置，由高压枪嘴、螺旋枪管、高压水管、远程液压泵站、枪管支架和供水管路等组成，如图1所示。人员操作远程液压泵站驱动液压马达，推动枪管进行冲孔破煤。驱动装置在轨道上前进，保障水射流冲击距离，从而增加冲孔深度，扩大了卸压增透范围。

图1 螺旋型高压水射流装置

2 水射流装置流体参数

2.1 枪管内流体流动线路

流体通过高压水管进入回转套→马达枪管→4个螺旋枪管→枪嘴射出共7个环节。由于装置各个部件连接时内径不同，会造成一定的阻力损失。为研究水射流装置的流体参数，必须确定各环节枪管管径变化。水射流装置内部结构如图2所示。

图2 水射流装置内部结构

2.2 流体流动的守恒原理

根据伯努利方程在枪管内的流体的应用，考虑该装置各阶段截面上的平均动能和流动摩擦产生的机械能损失可得：

(1)

2.3 阻力损失

直管造成的机械能损失为直管阻力损失(或称沿程阻力损失)；管件造成的机械能损失为局部阻力损失[9]。

2.3.1 直管阻力损失

(2)

式中，l为直管长度，m；摩擦系数λ为Re数和相对粗糙度的函数，即

(3)

式中，ε为绝对粗糙度。

当Re>4000，至足够大的Re时，λ不再随Re而变，其值取决于相对粗糙度ε/d，可用下式计算。

(4)

高压水射流装置枪身材料为无缝钢管，其绝对粗糙度ε为0.2/mm。

2.3.2 局部阻力损失

局部阻力损失是由于流道的急剧变化使流动边界层分离，产生大量旋涡消耗机械能[11]。水射流装置局部阻力损失主要为流道的突然扩大与突然缩小。突然扩大的局部阻力损失为：

(5)

式中，ξ为局部阻力系数;u1为扩大前流动的平均速度，m/s;A1，A2为扩大前后的流道截面积。

突然缩小的局部阻力损失为：

(6)

式中，u2为缩小后流动的平均速度，m/s。

2.3.3 枪管的阻力损失

共经历70，50，32，40mm变径，根据质量守恒，如图2所示枪管本身沿程阻力损失为：

式中，qv为流体流量，m3/s。

2.4 水射流装置射速计算

如图2所示，枪管接口处的流体的压强为p1，流体自枪管从枪嘴射出，其出口压强为外界大气压pa，根据机械能衡算式(7)可得枪嘴流体射速。

(7)

3 水射流有效破煤速度及范围

3.1 破煤临界冲击速度

岩石坚固性系数f表征的是岩石抵抗破碎的相对值。因为岩石的抗压能力最强，故把岩石单轴抗压强度极限的1/10作为岩石的坚固性系数[12]。

f=R/10

(8)

式中，R为岩石标准试样的单向极限抗压强度值，MPa。

根据机械能守恒及式(8)可以得出破煤所需临界流体射速，如式(9)所示。

(9)

式中，f为煤体坚固性系数，MPa；ρ为流体密度，取1000kg/m3。

由式(9)可得出不同坚固性系数，煤体破碎所需的流体射速之间的关系，如图3所示。

图3 不同坚固性系数破煤流体射速

3.2 冲击范围的数值模拟

3.2.1 几何模型

数值模拟模型如图4所示，模型尺寸为2m×0.5m，区域内为空气，在20℃，标准大气压下，其密度为675.845kg/m3，动力黏度为1.81×10-5Pa·s，共划分4664个单元。在空气区域左侧中部为1个直径6mm的水射流出口，其密度为1000kg/m3，动力黏度为1.005×10-3Pa·s，根据图4所示，选定水射流的出口射速分别设为100～300m/s。

图4 数值模型

3.2.2 煤体基本参数

钱家营矿-600m水平十采区四中轨道斜巷处煤体参数如表1所示。

表1 煤层物理性质参数

3.2.3 模拟结果分析

(1)图5为不同水射流出口射速云图，由图5可以得出，在不同射速的流体流动状态及流型基本相同。在固定的枪嘴参数下，随着射速的增加，对相同参数煤层作用的有效距离及范围逐渐扩大，钻孔扩大倍数也就越大，水力冲孔的卸压增透效果也随之更加明显。

图5 不同射速的流体速度

按照射流在空气中运动，可分为动量射流(射流)、浮力羽流(羽流)、浮力射流(浮射流)，其中动量射流依靠初始动量维持运动[13]，随着射流进一步运动与扩散，会形成不同流体速度域，如图6所示。通过不同的速度域与煤体参数可估算有效的冲击范围。

(2)为确定水力冲孔的有效冲击距离及孔径，采用钱家营矿-600m煤层的煤体参数，以坚固性系数为0.7和抗拉强度为0.8MPa作为主要参数，根据式(9)确定水射流射速大于118m/s。

图7为选定水射流射速为120～300m/s，分析其作用下的冲孔距离及冲孔直径。随着水射流射速的提高，冲孔距离及冲孔直径呈增长趋势，通过对数据进行二次多项式拟合，作为高压水射流装置实际操作的数据参考。

图6 不同射速下速度域范围

图7 冲孔范围随射速增加的变化规律

3.3 现场试验

为检验装置的冲孔效果及作用范围，现场测试在钱家营矿-600m水平十采区四中轨道斜巷处进行，将现场试验数据与模拟结果进行对比，验证了计算结果的准确性。

3.3.1 水射流射速计算

3.3.2 冲孔效果对比

在有效冲孔时间(泵站维持较高的稳定压力和流量的时间)内，水射流破煤成孔，如图8所示。通过现场观测分析，螺旋杆式水射流装置破煤和“输煤”能力明显得到提高，枪头进尺速度明显加快。

图8 水射流冲孔现场试验

将数值模拟结果和现场试验数据进行对比(表2)。在相同枪嘴直径与出口射速的参数下，数值模拟计算得出的水射流装置有效冲击范围与冲击距离与钱家营矿-600m水平十采区四中轨道斜巷处测定实验数据基本吻合，所以模拟结果对本装置在井下使用及冲孔结果预测提供一定的参考价值。

表2 数值模拟与现场试验数据对比

4 结 论

(1)通过理论计算，依据水压、流量和高压水射流装置本身参数，可得出水射流冲击速度；通过调节流量和水压，可控制作用于工作面的水射流冲击速度。随着流量和水压的增加，水射流速度提高，有效冲击范围和冲击距离也明显提高。

(2)依据煤体坚固性系数f及抗拉强度参数，采用数值模拟分析，可确定在不同水射流冲击速度下，水射流有效冲击范围，可有效防止水射流装置冲孔过程中发生卡钻、煤体阻塞等事故的发生。

(3)对于煤体强度较高的煤层，为了增加卸压范围，冲孔直径应随之增加；同样一些较软煤层，为防止掏槽后发生局部冒落现象，应减小冲孔直径，所以通过调节流量和水压，控制冲孔范围，为实现本装置的远程操作提供数据参考，保障生产安全。

[1]刘明举，孔留安，郝富昌，等.水力冲孔技术在严重突出煤层中的应用[J].煤炭学报，2005，30(4)：451-454.

[2]刘英振，魏建平，刘彦伟.水力冲孔消突措施试验研究[J].煤炭科学技术，2011，39(3):67-70.

[3]张嘉勇，郭立稳，罗新荣.高压小射流掏槽防突装置设计与试验研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29(5)：741-745.

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[5]郝富昌，孙丽娟，刘明举.考虑卸压和抽采效果的水力冲孔布控参数优化研究[J].采矿与安全工程学报，2014，31(5)：756-763.

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[11]刘 猛，陈良勇，段钰锋.水煤浆流经局部管件阻力特性的研究[J].中国电机工程学报，2008，28(26)：40-45.

[12]刘 岩，赵遂安，赵义强，等.影响煤层气井钻采工艺的工程地质因素分析[J].中国煤层气，2013，10(6)：40-43.

[13]卞晓静.横流条件下垂直动量射流数值模拟[J].河海大学学报(自然科学版)，2006，34(5)：530-533.

ExperimentalStudyandNumericalSimulationofPunchingParametersofHigh-pressureWaterJet

ZHANG Jia-yong1，CUI Xiao1，GUO Li-wen1，2，XU Shen1

(1.Mine Engineering School，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China)

The effectively coal broken speed of new designing screw rod water jet punching and anti-reflection equipment was calculated by bernoulli’s equation and mechanical energy balance formula.Water jet state in different speed were analyzed by numerical simulation，an effectively punching scope of equipment was determined by coal strength ‘f’ and tensile strength，field test was practical in No.7 coal seam at -600m level of Qianjiaying coal mine.The results showed that water jet outlet velocity could be adjusted by water pressure and flow，water jet speed increased with water pressure and flow increased，and coal broken scope increased also.By numerical simulation and field test，punching scope under different water jet speed could be determined objectively by coal body firmness coefficient ‘f’ and tensile strength，it’s field testing references for parameter supporting.

high-pressure water jet；fluid parameters；punching scope；numerical simulation

2017-08-01

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.002

国家自然科学基金资助项目(51374089)；河北省自然科学基金资助项目(E2016209249)；华北理工大学科学研究基金资助项目(Z201619)

张嘉勇(1977-)，男，河南南阳人，博士，副教授，主要研究方向为矿井瓦斯防治。

崔 啸(1992-)，男，河北秦皇岛人，博士研究生，主要研究方向为矿井瓦斯防治。

张嘉勇，崔 啸，郭立稳，等.高压水射流装置冲孔参数模拟与试验研究[J].煤矿开采，2017，22(6)：5-9.

TD713

A

1006-6225(2017)06-0005-05

李青]