煤层割缝喷嘴结构优化与试验

沈华建

（1.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400030；2.中建三局工程设计有限公司，湖北 武汉 430072）

高压水射流煤层割缝技术是利用高压水射流动态损伤特性，对煤体进行割缝，引起煤体的应力场和裂隙场的变化，进而改变低透气性煤层的瓦斯运移规律，促进吸附瓦斯转变为游离瓦斯，增加煤层裂隙率和透气性，最终达到提高瓦斯抽采率的目的[1-2]。

割缝器割缝喷嘴的性能好坏直接影响到煤体切槽的深度和煤体瓦斯暴露面积，从而影响煤层瓦斯抽采率。以往的喷嘴设计主要以经验值为主，对于锥直型喷嘴，收缩角常取为13 °，直线段长度取为2～4 倍喷嘴直径[3-4]。然而由于该割缝喷嘴与常规喷嘴流道结构有所不同（主要表现在受割缝器结构尺寸的影响，喷嘴总长受限、流动方向、流道截面积发生突变），在喷嘴内部形成强烈的紊流区域，产生大量的涡旋和回流，喷嘴出流较为发散，大大影响了射流的切割性能。这就导致按照常规经验值设计的割缝喷嘴射流打击力大大降低，使割缝深度远小于设计值，影响高压水射流煤层钻进割缝系统设备的工作效率，降低了煤层瓦斯抽采率，已成为该技术进一步发展的瓶颈[5]。为此以工程应用为出发点，通过对割缝器喷嘴流场进行CFD 模拟，研究了高压水在总长受限、流动方向以及流道截面突变特殊条件下的流动特性，采用正交设计的方法优化了喷嘴结构参数，得出具有最佳切割能力的喷嘴结构形式，并与原喷嘴切割能力进行对比，为提高高压水射流煤层割缝能力提供依据。

1 喷嘴结构

煤层割缝器喷嘴采用的是目前最常用的锥直型喷嘴，煤层割缝喷嘴结构图如图1。由于其特殊的工作环境，其在总长度上受到限制，加上特殊的流道结构均使得割缝喷嘴的结构参数的选取与常规喷嘴会有不同，按照煤矿打瓦斯孔常用的75 mm 三翼钻头计算，喷嘴段总长度最大长度取为26 mm。

图1 煤层割缝喷嘴结构图Fig.1 Nozzle structure for coal seam slotting

影响喷嘴性能的喷嘴结构参数有以下3 个：进入到喷嘴收敛段之前的稳定段l、收敛段的收缩角θ、直线段的长度L，且在喷嘴总长受限的条件下，该3 个因素互相影响。除喷嘴结构因素外，喷嘴内壁面的粗糙程度也是影响喷嘴性能的重要参数，本研究中的喷嘴采用自行加工，加工后的喷嘴内壁采用人工精磨，尽量减小内壁粗糙度对喷嘴性能的影响。

2 喷嘴结构数值模拟优化

1）控制方程。喷嘴内外部流体流动为高速湍流流动，其基本方程除了要满足一般流体流动的守恒方程以外，还要添加湍流方程[6]。

2）几何模型及网格划分。采用CAD 和GAMBIT联合建立二维计算模型[7]，由于计算模型相对较小，因此采用四边形网格单元，网格间距 0.5 mm。

3）边界条件。采用有限体积法[8-9]模拟淹没状态下喷嘴内外部流场，边界条件设置见表1，采用SIMPLE 压力场修正算法对压力和速度进行耦合计算。

4）模拟参数。喷嘴出口直径d 取决于射流的流量和压力，是设计喷嘴的依据。研究的煤层割缝喷嘴的额定流量为 200 L/min，驱动压力 31.5 MPa，最终喷嘴直径定为 3 mm。喷嘴的切割性能主要与稳定段长度l、收缩角θ、直线段长度L 3 个因素有关。针对以上 3 个因素，每个因素在合适的范围内取4个水平（稳定段长度取 0、3、6、9 mm,收缩角取 10°、20°、30°、40°，直线段长度取 3、6、9、12 mm）。按照所选取的3 因素4 水平的模型，选取正交表L16（43）安排数值试验，共进行16 次数值试验。

表1 边界条件设置Table 1 Boundary conditions setting

5）优化指标。优化指标是衡量正交设计实验效果的质量指标。现场应用表明，喷嘴结构参数对煤层割缝器工作效率有较大影响。适合煤层割缝工况条件下的割缝喷嘴不仅要求产生是射流会聚性好，而且要求射流在同等靶距下具有较大速度，具备更大的打击力，而射流对靶件的打击力与射流的动压力有直接对应关系。射流的动压力与射流速度成正比例关系，相比射流速度，考察射流动压力更能够区分喷嘴性能的优劣。喷嘴优化的指标设为射流动压力，通过考察不同型号的喷嘴在相同工作压力下的射流动压力来对比喷嘴性能。考察具体内容为：在距喷嘴出口150 mm 处喷嘴轴线上的射流动压力值。射流的动压力pk与射流速度v 有以下对应关系：

式中:pk为射流动压力,MPa；ρ 为水的密度，kg/m3；v 为射流速度，m/s。

3 模拟结果分析

3.1 射流动压数值计算和优化指标分析

根据以上数值解法和边界条件，分别模拟了16种不同结构喷嘴内外部流场，淹没状态下锥直型喷嘴速度分布云图如图2。

根据数值计算，提取各组不同型号的喷嘴射流在150 mm 处的射流轴向动压力值并进行对比分析，数值计算结果见表2，其中，pk为离出口150 mm处喷嘴轴线上的射流动压力值。优化结果表明，结构参数为 0-30-9 的喷嘴具有最佳的喷射性能。

3.2 影响因素显著性分析

图2 淹没状态下喷嘴内外部流场速度分布图Fig.2 Distribution of velocity field inside and outside the nozzle in submerged environment

表2 数值计算结果Table 2 Numerical results

割缝喷嘴性能与喷嘴稳定段长度、收缩角、直线段长度3 个因素有关。通过对割缝喷嘴的各个结构参数进行显著性分析，可以判断出各个参数对喷嘴性能的影响大小。

在Xij进行实验得到因素j 第i 水平的实验结果指标Yij，Yij是服从正态分布的随机变量。在Xij下做了n 次试验得到n 个实验结果，分别为Yijk（k=1,2,…,n）。有计算参数如下：

式中:Kij为第j 因素在第i 水平的统计参数;n 为第j 因素在第i 水平下的实验次数;Yijk为第j 因素在第i 水平下第k 个实验结果指标值。

评价因素显著性的参数极差Rj[10]为：

式中:Rj为评价因素显著性的参数。

极差越大说明该因素的水平改变对实验结果影响也越大。从表2 可以看出，喷嘴收缩角的极差最大，为0.758，说明喷嘴收缩角对喷嘴性能的影响最大，而稳定段长度及直线段长度的影响较小。按极差的大小，影响喷嘴性能的参数的主次顺序为：喷嘴收缩角＞稳定段长度＞直线段长度，根据该结果，在进行喷嘴加工时，割缝喷嘴各个结构参数的加工精度要求依次从高到低依次为：喷嘴收缩角＞稳定段长度＞直线段长度。

3.3 拟合曲线

以影响因素的水平作为横坐标，以喷嘴射流在距出口处150 mm 的射流动压力值作为纵坐标，绘制喷嘴结构参数与喷嘴性能的趋势，各因素对喷嘴性能的影响如图3。

图3 各因素对喷嘴性能的影响Fig.3 Effect of factors on nozzle performance

在喷嘴总长一定的情况下，射流在距出口150 mm 处的射流轴线动压力值与稳定段长度的关系呈近似直线的关系，随着稳定段长度的增加，射流在距出口 150 mm 处的射流轴线动压力值呈直线递减；距出口 150 mm 处的射流轴线动压力与喷嘴收缩角的关系呈二次多项式关系，随着喷嘴收缩角的增加，距喷嘴出口 150 mm 处的射流动压力值先增加，后有减少趋势；距出口 150 mm 处的射流轴线动压力与直线段长度的关系呈二次多项式关系，随着直线段长度的增加，距出口150 mm 的射流轴线动压力值加速递减，这主要是因为随直线段长度的增加，直线段内壁对流动的摩擦阻力的增加。

4 割缝试验验证

1）试验喷嘴。由于数值模拟在计算过程中对实际问题进行了大量的简化，为了验证优化结果的正确性，将优化喷嘴与原喷嘴的性能进行试验对比，优化喷嘴与原喷嘴的结构参数见表3。

2）试验设备及试验材料。试验设备连接如图4。高压泵使用流量为 200 L/min，额定压力为31.5 MPa 的柱塞泵；流量计采用电子显示的高压涡轮流量计，在切割试验中钻机转速为 30 r/min，采用纯水切割。在割缝试验中，切割材料使用混凝土填充。混凝土中水泥、河沙、石子配比：水泥∶河沙∶石子=1∶4∶4，单轴试验测试得其平均单轴抗压强度为6.13 MPa，试样强度高于松软低透气性煤层。

3）试验结果。喷嘴结构优化后，喷嘴射流结构的变化必然引起切割深度的变化，切割深度直接反映射流的切割能力，优化喷嘴和原喷嘴的切割深度随切割时间的变化值如图5。试验结果表明：与原喷嘴相比，优化喷嘴具有更高的切割能力，切割深度为原有喷嘴的1.5 倍以上。

5 结 语

1）正交设计结果表明：对于煤层割缝喷嘴，喷嘴稳定段长度为0 mm，收缩角为30°，直线段长度为9 mm 时，喷嘴具有最佳切割能力。

2）对3 种影响因素的显著性分析可知，影响喷嘴性能的参数的主次顺序依次为：喷嘴收缩角＞稳定段长度＞直线段长度。

3）原喷嘴与优化喷嘴进行割缝能力对比试验结果表明：优化的喷嘴结构类型具有优良的切割性能。

图5 喷嘴切割深度随时间的变化Fig.5 Change of nozzle cutting depth with time