張小軍

(陜西省煤炭科學(xué)研究所，陜西 西安 710001)

0 引 言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)足發(fā)展對(duì)資源需求日益增多，中國(guó)煤礦開(kāi)采規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大和開(kāi)采深度也持續(xù)向深部發(fā)展，造成了煤礦瓦斯治理難度大幅提升[1-5]。因此，提高瓦斯抽采效率就成為一個(gè)迫在眉睫的研究課題。

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)瓦斯增透技術(shù)的研究已經(jīng)取得一定的成果。GORTLER利用偏微分方程求解平面平行射流的邊界問(wèn)題，得到其理論解[6]；SCHLICHTING采用實(shí)驗(yàn)研究的方法驗(yàn)證上述問(wèn)題的理論解[7]；FARMER等在對(duì)巖石穿透力研究時(shí)采用水射流切割技術(shù)[8]；之后又探討了巖石在射流壓力作用下裂隙的發(fā)育擴(kuò)展方式、裂隙的產(chǎn)生準(zhǔn)則[9-10]以及流體的壓力分布規(guī)律[11]，為后期應(yīng)用于煤礦開(kāi)采及瓦斯抽采提供一定的理論基礎(chǔ)；唐建新等為了解決瓦斯抽采難的問(wèn)題，提出在原有鉆孔技術(shù)的基礎(chǔ)上采用水射流切割煤體[12]；李杭州等以巖石斷裂及細(xì)觀損傷力學(xué)理論為基礎(chǔ)，分別討論射流壓力作用下煤巖尖端裂紋擴(kuò)展的發(fā)生準(zhǔn)則和損傷范圍以及其發(fā)育延展方向，為現(xiàn)場(chǎng)工程提供一定理論依據(jù)[13]；孫小明等采用穿層鉆孔水射流擴(kuò)孔技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化增透，解決九里山煤礦煤層透氣性差、區(qū)域預(yù)抽不能有效消突的問(wèn)題，處理過(guò)后煤層氣抽采效率顯著提高[14]；邱春亮等采用模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相結(jié)合的方法對(duì)硫磺溝礦進(jìn)行高位鉆孔抽采，最終達(dá)到降低瓦斯?jié)舛鹊男Ч鸞15]；國(guó)林東等采用自行研究“鉆-割-封”技術(shù)，后瓦斯的抽采濃度及抽采純量均獲得提升，并且實(shí)現(xiàn)煤層的卸壓增透[16]；杜昌華等針對(duì)煤層水文地質(zhì)條件復(fù)雜、瓦斯治理難等問(wèn)題，結(jié)合水射流瓦斯增透的技術(shù)原理，提出“鉆孔擴(kuò)孔一體化”的增透技術(shù)措施，以此為基礎(chǔ)在礦區(qū)內(nèi)開(kāi)展試驗(yàn)研究并取得成功[17]；任仲久結(jié)合理論分析、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性驗(yàn)證，確定水射流沖孔技術(shù)對(duì)余吾礦主采煤層的卸壓增透效果[18]；劉見(jiàn)中等通過(guò)研究認(rèn)為煤礦中煤與瓦斯共采仍存在極大的缺點(diǎn)，對(duì)于煤層氣的開(kāi)發(fā)利用急需完善或開(kāi)發(fā)現(xiàn)有設(shè)備以滿(mǎn)足今后的生產(chǎn)需要[19]。

水射流瓦斯增透技術(shù)通過(guò)增加煤巖內(nèi)貫通裂隙的范圍及數(shù)量[20-21]，有效提高低滲透煤層的透氣性及瓦斯抽采效率。但關(guān)于水射流壓力變化對(duì)于瓦斯增透效果的相關(guān)研究還較少，因此，文中擬對(duì)于瓦斯增透的壓力選擇最優(yōu)解進(jìn)行研究，為今后瓦斯增透技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用提供新思路。

1 水射流瓦斯增透控制方程

1.1 基本假設(shè)

1)假設(shè)煤體為半無(wú)限大塊體，邊界條件以無(wú)反射邊界處理。

2)為了簡(jiǎn)化計(jì)算將煤體看做是均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的固體。

3)假設(shè)連續(xù)水射流為一段有初始速度的運(yùn)動(dòng)水柱，且將其視為理想流體且不可壓縮。

4)文中不考慮水、煤和瓦斯三者共同耦合的作用。

1.2 水射流瓦斯增透機(jī)理分析

基于流體連續(xù)介質(zhì)理論[22]，得到高壓水柱沖擊煤體的控制方程如下

(1)

(2)

(3)

δij=-Pδij+μ(ui·j+uj·i)

(4)

水射流和被沖擊煤體的對(duì)稱(chēng)邊界條件分別為

VZ|Z=0=0

(5)

Vx|x=0=Vy|y=0=0

(6)

x，y，z這3個(gè)方向上底部位移的邊界條件分別是

(7)

取模型中任一兩截面，代入伯努利方程可得

(8)

不計(jì)式(8)中壓頭損失與高度差的影響可得

(9)

式中p1，p2為兩截面所受的壓力；v1，v2為兩截面中水的流速。

通過(guò)水流的連續(xù)性可知

v1A1=v2A2

(10)

式中A1，A2為兩截面的面積，其中A=πd2/4，d1，d2分別為兩截面的直徑。

聯(lián)立式(9)(10)解得圓形噴嘴處的流速

(11)

結(jié)合水射流試驗(yàn)可知式(11)中，p1遠(yuǎn)大于p2，(d2/d1)4遠(yuǎn)小于1，同時(shí)將ρ=998 kg/m3代入式(11)，射流流速和流量簡(jiǎn)化計(jì)算公式為

(12)

(13)

式中vl為射流速度；ql為射流流量；p為射流壓力；d為噴嘴出口處直徑。

由式(12)(13)可以看出，當(dāng)噴嘴直徑不變時(shí)，射流壓力與射流流速及流量呈正相關(guān)趨勢(shì)變化；當(dāng)流量不變時(shí)，射流壓力與噴嘴直徑呈反相關(guān)趨勢(shì)發(fā)展。

2 水射流瓦斯增透數(shù)值模擬研究

2.1 模型網(wǎng)格劃分

為了更好的貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中煤巖的失效變化，文中將煤體材料看作是各向同性與隨動(dòng)硬化的混合體，采用塑性隨動(dòng)硬化模型對(duì)煤體進(jìn)行模擬，該模型與應(yīng)變率相關(guān)。

煤樣的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤體物理力學(xué)參數(shù)

設(shè)射流水對(duì)煤體的作用過(guò)程中受力是對(duì)稱(chēng)的，據(jù)此建立了射流水沖擊煤體的1/4模型，如圖1所示。煤樣模型為1 m×1 m×0.2 m(長(zhǎng)×寬×高)。其中水柱尺寸為直徑0.03 m，長(zhǎng)度0.04 m，射流方向沿XY平面45°方向。

圖1 水射流沖擊煤體示意(1/4)

模型單元類(lèi)型取3D Solid 164實(shí)體單元，單元網(wǎng)格分別按0.20 cm，0.80 cm，1.60 cm長(zhǎng)度劃分，模型單元數(shù)為413 722，節(jié)點(diǎn)數(shù)為207 122。建模過(guò)程中對(duì)水柱和煤體分別進(jìn)行了不同材料種類(lèi)的網(wǎng)格劃分，針對(duì)水柱區(qū)域與和水柱接觸部分的煤體均采用Sweep劃分法，其余未接觸煤體材料采用映射網(wǎng)格劃分法。

2.2 不同射流壓力作用下煤巖數(shù)值模擬分析

由于煤體在射流作用下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系十分復(fù)雜[23-24]，要使用LS-PREPOST后處理軟件繪出模型指定射流單元有效應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線以及不同時(shí)刻的模型整體有效應(yīng)力云圖。在對(duì)射流單元進(jìn)行隱藏后可以更加方便的觀察到煤體材料的有效應(yīng)力變化。

利用后處理軟件LS-PREPOST對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，分別得到20，40，60，80 MPa射流壓力下的Mises有效應(yīng)力云圖。

射流壓力為20，40，60，80 MPa時(shí)，水射流沖擊煤體全過(guò)程的有效應(yīng)力云圖如圖2所示。

由圖2可知，射流水壓分別為20，40，60，80 MPa，沖擊時(shí)間分別在4 150，8 500，9 500，10 500 μs時(shí)，最大有效應(yīng)力基本不再變化，沖擊距離也達(dá)到最大值。就整個(gè)沖擊過(guò)程而言，煤巖中最大有效應(yīng)力隨著沖擊距離的增加而逐漸減小。

圖2 不同水壓下沖擊到最遠(yuǎn)距離時(shí)煤巖有效應(yīng)力分布

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用后處理軟件LS-PROPOST的Identity和Find功能確定觀測(cè)指定單元點(diǎn)，再采用History功能將指定測(cè)點(diǎn)A(570)的位移時(shí)程及速度時(shí)程記錄下來(lái)，如圖3所示，用以體現(xiàn)射流沖擊位移的長(zhǎng)短以及沖擊速度衰減。射流壓力及水柱最遠(yuǎn)沖擊影響范圍的參數(shù)值見(jiàn)表2。

圖3 測(cè)點(diǎn)位置

由表2及圖4可知，隨著射流水壓的增大，射流沖擊的影響范圍逐漸擴(kuò)大。結(jié)合本節(jié)2.2數(shù)值模擬部分，在沖擊水壓為60 MPa時(shí)，沖擊深度趨于平緩峰值波動(dòng)較小且沖擊的效率最佳。

圖4 射流壓力及沖擊深度的關(guān)系曲線圖

表2 射流壓力及水柱最遠(yuǎn)沖擊影響范圍

3 試驗(yàn)效果分析

3.1 室內(nèi)切割試驗(yàn)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加壓?jiǎn)栴}，如果射流壓力過(guò)大噴嘴結(jié)構(gòu)承受不住壓力會(huì)發(fā)生破壞[25]。因此，在煤礦取樣后進(jìn)行了室內(nèi)切割煤樣試驗(yàn)時(shí)，選擇沖擊水壓為60 MPa。加工了直徑為3 mm,4 mm,5 mm,6 mm這4種不同直徑的噴嘴進(jìn)行切割試驗(yàn)。如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在噴嘴直徑為3 mm時(shí)，射流水柱較為集中無(wú)霧化現(xiàn)象，其切割效果良好，可以達(dá)到600～800 mm的切割深度。

圖5 水射流增透瓦斯室內(nèi)切割效果

3.2 工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果分析

工業(yè)性實(shí)驗(yàn)在神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)位于賀蘭山北段的汝箕溝煤礦進(jìn)行開(kāi)展。汝箕溝礦井的煤層分布特征[26-27]如下：

汝箕溝煤礦在開(kāi)采淺部煤層時(shí)，瓦斯相對(duì)涌出量小于10 m3/t。近年來(lái)，伴隨著開(kāi)采深度的增加，瓦斯涌出量明顯增高。曾出現(xiàn)過(guò)瓦斯相對(duì)涌出量達(dá)到51.8 m3/t的情況。因此，要采用水射流瓦斯增透技術(shù)提前抽出瓦斯以保障煤礦的安全開(kāi)采，防止瓦斯突涌事故的發(fā)生。

文中采用的水射流瓦斯增透系統(tǒng)由以下4部分組成，分別是：水壓供給系統(tǒng)、保壓傳遞系統(tǒng)、回流系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 水射流增透瓦斯系統(tǒng)

在礦井的32211綜采工作面機(jī)巷內(nèi)選取了4個(gè)鉆孔，采用射流壓力為60 MPa進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并對(duì)數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄，如圖7所示。

圖7 煤體切割前后瓦斯抽采量

由圖7可知，未使用水射流瓦斯增透技術(shù)前7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)鉆孔平均抽采量約為40 m3/d左右，7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)鉆孔分別在第23 d、第26 d、第25 d時(shí)采用水射流瓦斯增透割縫技術(shù)；采用割縫技術(shù)后瓦斯抽采量先迅速上升，在后續(xù)抽采過(guò)程中抽采量緩慢下降，但是衰減后的抽采量也遠(yuǎn)大于射流切割前的瓦斯抽采量。將13號(hào)鉆孔的瓦斯抽采量作為對(duì)照組，不進(jìn)行切縫處理，其基本處于線性下降狀態(tài)。表明在采用水射流瓦斯增透技術(shù)后可以有效地提高瓦斯抽采率，對(duì)于類(lèi)似的工程實(shí)踐有一定的借鑒意義。

4 結(jié) 論

1)基于流體連續(xù)介質(zhì)理論，聯(lián)立連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及張量總和表達(dá)式建立了水射流瓦斯增透切割煤體的控制方程，得到了射流流速、水流量與注水壓力之間的理論關(guān)系式。

2)將材料看成各向同性及隨動(dòng)硬化的混合模型并對(duì)射流壓力為20，40，60及80 MPa分別進(jìn)行了數(shù)值模擬。射流壓力越大，切割深度越遠(yuǎn)；但切割壓力越大，伴隨而來(lái)的峰值應(yīng)力不穩(wěn)定現(xiàn)象越劇烈。

3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)后初步確定在沖擊水壓為60 MPa時(shí)，選取噴嘴直徑為3 mm，沖擊的效率最佳，其切割過(guò)程中最大有效應(yīng)力波動(dòng)范圍較小，且切割深度可達(dá)600～800 mm。

4)綜采工作面鉆孔試驗(yàn)表明，7號(hào)、8號(hào)及10號(hào)鉆孔采用水射流瓦斯增透技術(shù)切割煤體，人工增大煤體的內(nèi)部裂隙破裂范圍，增加煤體內(nèi)瓦斯的析出途徑，達(dá)到了提升瓦斯抽采率的效果；而13號(hào)鉆孔未采用任何措施，其瓦斯抽采率遠(yuǎn)低于7號(hào)、8號(hào)及10號(hào)鉆孔。