高壓水射流煤層割縫深度數值模擬與實驗研究

劉德成,趙 偉,賈林林,王 濤,夏代林,劉 勇

(1.河南龍宇能源股份有限公司,河南 永城 476600; 2.武漢天宸偉業物探科技有限公司,湖北 武漢 430205; 3.河南理工大學 安全科學與工程學院,河南 焦作 454000)

我國淺部煤炭資源逐漸枯竭、開采強度逐漸加大,開采深度正以每年20～30 m向深部延伸[1-4]。隨著我國煤礦開采深度的增加,煤層表現出高地應力、高瓦斯壓力和低滲透性特征,嚴重制約瓦斯抽采效率,導致工作面煤層鉆孔預抽時間長、采掘接替失衡[5-8]。如何實現低透氣性煤層高效瓦斯抽采是我國煤礦瓦斯治理面臨的技術性難題。

高壓水射流割縫技術是提高低透氣性煤層瓦斯抽采效率的有效措施之一,其利用高速射流為動力在煤層內部切割形成均勻環形縫槽,縫槽周圍的煤體在一定范圍內得到較充分卸壓,增大了煤層的透氣性[9-11]。同時,由于高速射流的切割、沖擊作用,縫槽空間周圍的煤體發生位移,增加了煤體中的裂隙網,改善了瓦斯流動條件,大大提高了煤層透氣性[12-14]。紀紹思等[15]分析了割縫鉆孔間的耦合效應,割縫鉆孔的有效影響半徑為7 m,證明鉆孔割縫工藝對提高瓦斯抽采效果具有重要意義;趙嵐等[16]對煤樣進行割縫實驗,明確采用高壓水射流割縫能夠釋放煤體中的部分有效體積應力,增加煤層內裂隙的數量、長度和張開度,從而提高低滲透煤層的滲透率;唐巨鵬等[17]基于Ansys有限元分析軟件對水力割縫技術進行數值模擬研究,發現在縫槽末端產生了應力增高區,導致煤層裂隙擴展,從而縮短瓦斯流動路徑、提高煤層氣產量。

為解決低滲透性中硬煤層順層鉆孔抽采半徑影響范圍較小、抽采效果較差等問題,張永將等[18]研究了工作面順層長鉆孔高壓水力割縫技術,并進行了現場實驗,割縫后鉆孔瓦斯抽采濃度同比提高了1.44倍,瓦斯抽采純流量提高了3倍,有效抽采半徑增加了2.6倍,抽采達標時間縮短40%左右。高壓水射流割縫技術能夠有效改善煤層透氣性,達到快速卸壓增透的目的。

目前高壓水射流割縫技術研究多著眼于割縫增透原理,對于水射流割縫深度的研究較少。水射流割縫深度與射流沖擊壓力有關,是決定卸壓增透效果的關鍵因素,確定水射流割縫深度是優化鉆孔布置和射流參數的基礎。為此,本文以水射流割縫深度為研究對象,通過數值模擬明確旋轉條件下射流速度和沖擊壓力的變化規律,通過實驗研究射流割縫深度與系統壓力、沖蝕時間之間的關系,根據數值模擬和實驗結果確定割縫深度并進行現場實驗。研究結論可以為高壓水射流割縫技術的工程應用提供理論支撐。

1 旋轉水射流流場特征分析

1.1 模型建立及邊界條件

利用Fluent軟件研究旋轉水射流流場特征,研究區域為射流噴嘴外的自由射流區域,幾何模型選擇基于壓力求解器求解的三維計算模型。Fluent軟件計算過程中,網格數量和質量決定了數值計算的效率和準確度。本文所用水射流噴嘴結構簡單,采用Fluent meshing進行網格劃分,網格數量約為40萬個。

物理模型及邊界條件如圖1所示。計算區域為三維幾何模型,包括旋轉噴管、射流噴嘴和柱狀自由射流區;射流噴嘴采用收縮型噴嘴。根據研究需要,自由射流區沿流向長度根據參數設置而改變。計算時,噴管入口處設為壓力入口條件,壁面采用無滑移邊界條件,溫度采用絕熱壁邊界條件,壓力采用零梯度條件。自由射流區出口的速度、溫度和壓力均采用壓力出口邊界條件。

圖1 物理模型及邊界條件Fig.1 Physical model and boundary conditions

1.2 控制方程及計算方法

一般流體流動的控制方程有質量守恒方程、動量守恒方程(Navier-Stokes方程)、能量守恒方程。本文研究不考慮傳熱問題,能量守恒方程不再說明。

不可壓縮流體連續方程表達式[19]為:

(1)

對于不可壓縮黏性流體Navier-Stokes方程,在空間直角坐標系中的表達式為:

(2)

(3)

(4)

由于噴嘴內外部的流動為復雜的湍流流動,RNGk-ε模型提供了一個分析推導的有效粘度微分公式,用來說明低雷諾數效應,提高了流體近壁面流動的計算精度,因此本文選擇RNGk-ε模型。

1.3 旋轉水射流流場特征影響因素分析

1.3.1 入口壓力對旋轉水射流流場特征影響

為了充分反映入口壓力對旋轉水射流流場特征影響,設置入口壓力分別為10、15、20、25 MPa,模擬噴管繞中心軸逆時針旋轉,旋轉速度為60 r/min,靶體距噴嘴出口50 mm。射流軸心速度變化如圖2所示。由圖2可知,水射流軸線速度隨入口壓力增大而逐漸增大,淹沒條件下水射流從噴嘴噴出瞬間速度最大,沖擊過程中與周圍流體發生動量交換,射流軸心速度逐漸降低。水射流速度決定射流有效沖擊破煤距離。在噴管和噴嘴結構固定的條件下,水射流的核心區長度基本一致,但有效沖擊距離隨入口壓力的增大而逐漸增大。

圖2 不同入口壓力射流速度變化Fig.2 Variation of jet velocity at different inlet pressures

不同入口壓力射流速度如圖3所示。

由圖3可知,入口壓力10 MPa時,射流軸心最高速度為141.8 m/s;當入口壓力增加至25 MPa時,射流軸心最高速度為224.2 m/s。水射流攜帶的動能是射流沖蝕破碎煤體的關鍵因素,水射流動能隨著靶距增加而發生衰減,靶距較大時,高壓力條件下水射流動能仍可沖蝕破碎煤體。因此,增大入口壓力有利于水射流對煤體的沖蝕破壞作用,提升卸壓增透效果。

1.3.2 靶距對旋轉水射流流場特征影響分析

為研究高壓水射流不同靶距處射流沖擊壓力變化規律,進行不同靶距條件下數值模擬。沖擊壓力隨沖擊距離變化情況如圖4所示。在靶距20 mm處射流軸線上最大沖擊壓力為24.85MPa,靶距為50 mm時衰減為0.68 MPa,衰減幅度為97.2%。靶距為20、30、40、50 mm時射流速度和沖擊壓力云圖如圖5所示。靶距為20 mm時,射流核心區沖擊壁面,壁面沖擊壓力較大;隨著靶距增大,射流與周圍流體發生動量交換,射流速度逐漸降低,沖擊壓力隨之降低[20]。由圖5可知,在水射流沖擊過程中,射流截面積逐漸增大,導致不同位置沖擊壓力集中區域的范圍逐漸擴展。水射流沖擊壁面后流體向兩側發生偏轉,中心區域(圖5區域A)短時間內難以得到有效擴散,從而發生積聚,積聚區域內流體速度較低,但未影響流體沖擊力的傳遞。

圖4 不同靶距高壓水射流沖擊壓力Fig.4 Impact pressure of high pressure water jets at different target distances

圖5 不同靶距水射流速度及沖擊壓力分布云圖Fig.5 Cloud map of water jet velocity and impact pressure distribution at different target distances

1.3.3 旋轉速度對旋轉水射流流場特征影響

在高壓水射流割縫作業過程中,鉆桿需要具有一定的旋轉速度,一方面形成均勻環形縫槽,另一方面保證煤渣順利排出。水射流旋轉割縫過程中,不同旋轉速度條件下射流軸心速度變化情況如圖6所示,隨著旋轉速度增大,射流軸心速度衰減程度加劇。淹沒條件下,射流的旋轉會強化射流與周圍流體的摻混作用,加速射流能量的消耗和速度的衰減。不同轉速條件下靶體表面切應力變化如圖7所示。由于射流的旋轉,在旋轉方向側的應力大于另一側,相較于普通水射流易使煤體發生剪切破壞。由圖7可知,旋轉速度為30 r/min時,靶體表面最大切應力為41.65 kPa;旋轉速度為60 r/min時,靶體表面最大切應力為41.88 kPa;旋轉速度為90 r/min時,靶體表面最大切應力為42.31 kPa;旋轉速度增加至120 r/min時,靶體表面最大切應力為42.53 kPa。旋轉速度增加,導致靶體表面最大切應力增大,有利于煤體破壞,但過高的轉速會加劇射流速度衰減。因此,進行高壓水射流割縫作業時,應考慮轉速對破煤效果的影響。

圖6 不同轉速下射流速度變化Fig.6 Variation of jet velocity at different rotational speeds

2 高壓水射流破煤實驗

2.1 實驗裝置

實驗裝置主要由柱塞泵、高壓軟管、沖擊釜、硬質合金噴嘴、數字式高壓流量計、游標卡尺等組成,如圖8所示。柱塞泵額定流量為100 L/min,噴嘴出口直徑為1 mm。高壓水射流在鉆孔內割縫,鉆孔上部無積水時,為非淹沒環境;鉆孔下部有積水,為淹沒環境。針對上述2種環境,設計了2種實驗條件。

2.2 實驗方案

受煤樣體積限制,無法進行沖蝕時間和累計沖蝕深度的實驗。為明確沖擊壓力的最大沖蝕深度,將煤樣置于噴嘴一定距離處進行沖擊。若在某一靶距處,水射流能夠將煤體進行有效破壞,說明在某一壓力下水射流沖蝕深度可以達到該值。非淹沒條件下實驗系統如圖8所示。

為明確返水和淹沒環境對沖蝕深度的影響,模擬鉆孔下部沖蝕條件,將煤樣用水泥進行澆筑,并預先埋設中空管道(圖9)。煤樣在水泥的約束下,能夠保證在沖蝕過程中的完整性。射流從中空管道上部進入,進行煤體沖蝕,中空管道的深度則為預設的沖蝕深度,此條件能夠模擬一定沖蝕深度以后的淹沒環境。在此條件下的沖蝕破壞情況,能夠得到淹沒環境下的最大沖蝕深度。淹沒條件下實驗系統如圖10所示。

圖9 模擬淹沒環境條件下煤樣Fig.9 Simulated coal samples under submerged environmental conditions

圖10 淹沒條件下高壓水射流破煤實驗系統Fig.10 Experimental system for breaking coal by high pressure water jets under submerged conditions

2.3 實驗結果與分析

此次實驗過程中,使用純水射流開展淹沒條件和非淹沒條件沖蝕煤樣實驗研究,實驗所用噴嘴直徑為1 mm。由表1、圖11可以看出,非淹沒條件下,入口壓力分別為20、40 MPa時,在任一靶距條件下,煤樣均發生破碎,試樣的破壞形式以體積破壞為主。在模擬淹沒射流時,由表2、圖12可知,靶距為53 cm時,入口壓力由20 MPa增加至50 MPa,沖蝕坑深度由7.97 cm增加至9.50 cm,直徑由0.77 cm增加至2.40 cm。

表1 非淹沒環境下高壓水射流破煤實驗結果Tab.1 Experimental results of high pressure water jet coal breaking in non-submerged environment

表2 淹沒條件下高壓水射流實驗結果Tab.2 Experimental results of high pressure water jet under submerged conditions

當入口壓力增大時,水射流速度增加,因而沖擊到試樣的沖擊能量較大,故只改變入口壓力時,試樣的沖蝕深度會隨著入口壓力的增加而增大;隨著沖蝕時間的增加,水射流對試樣的沖蝕體積不斷累積,因而沖蝕深度不斷增加,沖蝕深度的增加速率是一個從大到小、逐步到0的一個衰減過程。淹沒條件下,水射流從噴嘴噴出瞬間能量最大,然后會與周圍水域發生動量交換,速度逐漸降低,破煤能力逐漸減弱。隨著沖蝕深度的增加,射流靶距也逐漸延長,從噴嘴噴出的水射流與水域中的水體動量交換時間延長,射流速度會有一定程度衰減,削弱破煤效率。由實驗結果可知,噴嘴直徑為1 mm、壓力為30 MPa時,水射流割縫直徑可以達到1.2 m。

圖11 煤樣沖蝕坑Fig.11 Coal sample erosion pits

圖12 不同壓力條件下沖蝕效果Fig.12 Effect of erosion under different pressure conditions

3 工程應用

3.1 瓦斯地質條件及鉆孔布置

21210工作面位于十二采區瓦斯富集區內,受構造運動影響,瓦斯地質條件較復雜,瓦斯分布具有不均一性和分區分帶特征,工作面外部瓦斯含量較高,形成瓦斯富集條帶,內部靠近張性斷層處瓦斯含量較小。在工作面外部施工過程中,預計瓦斯涌出量較大,特別是在褶曲發育處、斷層發育處、煤層變厚處、構造煤發育處或其他有利的構造圈閉處瓦斯含量較大,形成局部的瓦斯涌出異常區帶。

21210工作面底抽巷設計鉆孔89組。其中,D1組布置4個;D2—D81組每組布置鉆孔19個,共布置1 520個;D82—D89組為扇形孔,共計84個。按照水力沖孔影響半徑8 m,鉆孔設計時加密布置,防止出現空白帶。D2—D81組鉆孔每組分2排施工,開孔高度距底板1.2～3.6 m;D82—D86組間距1.5 m,開孔高度距底板2.1～3.6 m,鉆孔孔徑94～113 mm;D87—D89組布置在掘進面墻上,開孔高度距底板1.8～2.8 m,鉆孔孔徑94～113 mm。

3.2 瓦斯抽采效果對比分析

進行高壓水射流割縫后,對割縫鉆孔和普通鉆孔瓦斯抽采流量和抽采濃度進行對比分析(圖13、圖14)。

圖13 割縫鉆孔與普通鉆孔抽采流量對比Fig.13 Comparison of extraction flow rate between slotting boreholes and ordinary boreholes

圖13中瓦斯抽采流量數據表明,高壓水射流割縫技術能夠有效提高瓦斯抽采流量,實驗期間,隨著抽采時間增加,鉆孔瓦斯抽采流量衰減幅度較小,割縫鉆孔平均瓦斯抽采流量在0.20～0.29 m3/min,為普通鉆孔平均瓦斯抽采流量的1.56～2.52倍。由圖14可知,普通鉆孔的平均瓦斯抽采濃度低于29%;割縫鉆孔的平均瓦斯抽采濃度初期在68%以上,瓦斯抽采濃度整體變化趨勢為隨抽采時間的增加而逐漸衰減,抽采16 d后,瓦斯濃度維持在30%以上。

圖14 割縫鉆孔與普通鉆孔瓦斯抽采濃度對比Fig.14 Comparison of gas extraction concentrations between slotting boreholes and ordinary boreholes

4 結論

(1)由于噴嘴結構確定,水射流能量的轉化一定,入口壓力越大,水射流速度越大。淹沒條件下,入口壓力一定時,沖擊壓力隨沖擊距離增大而發生衰減,同時射流截面積逐漸增大,致使沖擊壓力集中區域的范圍隨靶距的增大而逐漸擴展。

(2)水射流割縫過程中,由于噴管的旋轉,旋轉方向一側的應力大于另一側,旋轉速度增加導致靶體表面最大切應力增大,相較于普通水射流更易破壞煤體。

(3)試樣的沖蝕深度隨著入口壓力的增加而增大。隨著沖蝕時間的增加,水射流對試樣的沖蝕體積不斷累積,沖蝕深度不斷增加,但存在最大沖蝕深度。根據高壓水射流破煤深度實驗結果可知,噴嘴直徑為1 mm、壓力為30 MPa時,水射流割縫直徑可以達到1.2 m。

(4)21210工作面應用高壓水射流割縫技術后,割縫鉆孔平均瓦斯抽采流量為普通鉆孔的1.56～2.52倍;抽采瓦斯16 d后,瓦斯抽采濃度維持在30%以上。