雷建華

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司安全生產(chǎn)管理中心，山西 太原030000）

0 引言

伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，需求的煤炭資源越來(lái)越多，導(dǎo)致煤礦開(kāi)采趨于深部開(kāi)采，采深的加大導(dǎo)致地應(yīng)力的也在增大，使得開(kāi)采煤層的透氣性越來(lái)越差[1-3]，此時(shí)工作面回采過(guò)程中易發(fā)生瓦斯超限甚至瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等嚴(yán)重事故，對(duì)安全高效開(kāi)采產(chǎn)生一定威脅。鑒于此，為了提高煤層透氣性解決抽采效率低下的問(wèn)題，科研工作者開(kāi)展了大量的研究[4-5]。

周西華等人在晉能控股公司馬堡煤業(yè)公司開(kāi)展水力壓裂實(shí)驗(yàn)，大幅度顯提高了瓦斯抽采濃度和抽采流量，取得了良好卸壓增透效果[6]。張永將等人通過(guò)水力壓裂技術(shù)來(lái)提高煤層透氣性，并借助R F PA 2D-F low軟件模擬研究增透效果，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本一致，明顯改變了瓦斯抽采率低下的現(xiàn)狀[7]。劉生龍等人針對(duì)目前由水力割縫技術(shù)形成的致裂裂縫空間分布模式對(duì)煤層卸壓增透的作用規(guī)律不明確，采用顆粒流模擬方法（P F C2D）對(duì)內(nèi)含不同角度單縫及不同空間排布方式多縫的煤體開(kāi)展了單軸壓縮數(shù)值模擬試驗(yàn)，提出評(píng)價(jià)煤層割縫卸壓增透效果的2個(gè)指標(biāo)，確定了有利于煤層卸壓增透的割縫最優(yōu)空間分布模式，即α為90°的多條割縫以45°的排布角(β)交錯(cuò)分布[8]。

大多專家學(xué)者從水力化增透手段來(lái)改變煤體的透氣性系數(shù)，少數(shù)通過(guò)改進(jìn)水力化增透技術(shù)的工藝開(kāi)展研究[9-10]。本文根據(jù)中興礦1415高瓦斯低透氣工作面開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究[11]，改造以往的水力割縫噴嘴，利用改進(jìn)的水力割縫工藝-錐-柱組合型噴嘴技術(shù)，通過(guò)分析瓦斯抽采流量研究水力割縫錐-柱組合型噴嘴作用于煤體后的增透效果。

1 理論研究

水力割縫過(guò)程中從噴嘴噴出的水射流形態(tài)多是湍流狀態(tài)，此種形式的水射流擁有不規(guī)則性的特點(diǎn)，此外水流具有交換性特點(diǎn)，即水流的質(zhì)量和能量二者之間會(huì)相互轉(zhuǎn)移[12-13]。水射流在噴射時(shí)滿足動(dòng)量和質(zhì)量守恒定律[14]，用公式表達(dá)如下：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；μx、μy、μz為流體在不同方向運(yùn)動(dòng)的速度，m/s。

錐-柱型噴嘴擁有能量轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，通過(guò)截面可把高壓水內(nèi)部的能量集合到一起，以增加動(dòng)能，確保水流從噴嘴噴射出后擁有較高的動(dòng)能，從而將更大的沖擊力作用于煤體，不考慮噴嘴噴口和沖擊煤體處的高度差距，結(jié)合水射流的機(jī)械能守恒原理，滿足下式：

式中：p1、p2為入口處、出口處高壓水靜壓，Pa；ρ1、ρ2為入口處、出口處高壓水密度，kg/m3；ν1、ν2為入口處、出口處流體速度，kg/m3。

高壓水射流從噴嘴射出后作用于煤體所產(chǎn)生的沖擊效果主要分為水錘壓力過(guò)程、滯止壓力過(guò)程，具體過(guò)程如圖1所示。

圖1 水射流隨時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生的沖擊效果變化

通過(guò)應(yīng)力波破碎理論發(fā)現(xiàn)：高壓水射流之所以可以破碎煤巖體是因?yàn)槠錄_擊煤巖體時(shí)會(huì)形成動(dòng)力載荷、動(dòng)能和應(yīng)力波，改變了煤巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成發(fā)育良好的裂隙，最終破碎煤巖體。當(dāng)高壓水作用于煤巖體時(shí)，在射流中心位置的水射流接觸煤體后開(kāi)始相互反彈碰撞，周邊的水射流運(yùn)動(dòng)受限從而運(yùn)移至接觸界面以外，但中軸線處的水射流為強(qiáng)密度受壓狀態(tài)，以沖擊波形式作用于煤巖體，水射流高速運(yùn)移到周邊處，具體演化過(guò)程如圖2所示。

圖2 噴射初期時(shí)水射流的沖擊波和應(yīng)力波演化情況

K inohsiat.T團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展基于水射流沖擊煤巖石研究發(fā)現(xiàn)：水射流主要成分為無(wú)數(shù)的水滴和空氣，從噴嘴引射水流擁有很高的動(dòng)能，當(dāng)高速?zèng)_擊煤巖體時(shí)，水射流中空氣被壓縮排空，形成重復(fù)擠壓密集狀態(tài)，從而產(chǎn)生連續(xù)的高速?zèng)_擊波[15]。水射流沖擊作用煤體后，隨著水射流的應(yīng)力波效應(yīng)逐步削弱最終消失，原因是煤體自身存在一定的彈塑性，二者接觸后，逐漸降低了水射流的應(yīng)力波效應(yīng)，所以水射流開(kāi)始破碎局部煤巖體，構(gòu)建水射流破碎煤巖體的模型如圖3所示。

2 數(shù)值模擬研究

借助F luent軟件模擬分析噴射整個(gè)過(guò)程的流場(chǎng)變化，依據(jù)F luent模擬得到的速度云圖研究當(dāng)噴嘴噴射時(shí)水流能量伴隨著時(shí)間變化規(guī)律。想獲得在整個(gè)噴射過(guò)程收縮角與水流速度之間的衰減變化規(guī)律，利用F luent數(shù)值模擬軟件建立收縮角為15°、30°、60°、90°和180°的噴嘴射流沖擊煤體的模型，并分析其速率云圖，具體變化情況如圖4所示，收縮角不同時(shí)水射流中軸線上的速率變化如圖5所示。

圖5 收縮角不同時(shí)水射流中軸線上的速率變化情況

由圖4得到，位于噴嘴附近的水射流能量最大，伴隨著水射流逐漸遠(yuǎn)離噴口，其能量也在逐步減弱，在水射流的中軸線兩側(cè)能量呈現(xiàn)對(duì)稱分布，且噴嘴口處的水射流能量大小和收縮角有關(guān)，在180°收縮角時(shí)水射流的能量最小，在15°、30°收縮角時(shí)水射流的能量幾乎相等，且水射流射程的衰減規(guī)律與收縮角相關(guān)，當(dāng)收縮角達(dá)到180°時(shí)，水射流的射程最短，衰減速度最快，而當(dāng)收縮角達(dá)到30°時(shí)，水射流的射程最遠(yuǎn)，衰減速度最緩慢。

圖4 收縮角不同時(shí)噴嘴射流沖擊煤體的速率云圖

從圖5發(fā)現(xiàn)，逐步增大收縮角時(shí)，位于噴嘴周?chē)乃淞魉俾手鸩阶冃?，由于噴嘴收縮段的距離跟收縮角相關(guān)，當(dāng)減小收縮角角度時(shí)，噴嘴收縮段的距離也在變短，受到工作面開(kāi)展水力割縫的環(huán)境所限制，所采用的噴嘴長(zhǎng)度不要太長(zhǎng)。綜合圖4和圖5得到，在30°收縮角時(shí)，水力割縫增透技術(shù)所采用的噴嘴聚能效果最佳，衰減能量比較少。所以建議采用30°收縮角的噴嘴開(kāi)展水力割縫增透試驗(yàn)。

3 工業(yè)試驗(yàn)

山西焦煤集團(tuán)汾西礦業(yè)中興礦原為山西晉煤實(shí)業(yè)開(kāi)發(fā)公司在交城縣創(chuàng)辦的聚鑫煤礦。中興礦于2003年1月27日投產(chǎn)，井田位于山西省交城縣嶺底鄉(xiāng)郭家莊以北至柏崖頭、光足上以南，距交城縣約10 km，行政區(qū)劃屬交城縣嶺底鄉(xiāng)管轄。屬太原西山礦區(qū)清徐詳查勘探區(qū)的一部分，中興礦礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為55.10 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為21.67 m3/t，屬高瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，自燃等級(jí)為II類，傾向性質(zhì)為自燃，1415綜采工作面位于4號(hào)煤層一采區(qū)，工作面走向長(zhǎng)度為1 000 m，切眼長(zhǎng)度為200 m，煤層厚度1.6～2.0 m，均厚1.8 m，平均傾角7°，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚4.5 m，基本頂為砂巖，均厚10 m，直接底為炭質(zhì)泥巖，均厚0.5 m，基本底為砂巖，均厚1.8 m，1415工作面采用沿空留巷Y型通風(fēng)。預(yù)計(jì)該工作面在初采期間絕對(duì)瓦斯涌出量18～18.5 m3/min，4號(hào)煤透氣性系數(shù)較低，為高瓦斯低透性煤層。因此對(duì)1415工作面采取水力化增透措施以提高煤層透氣性系數(shù)，利用錐-柱組合型噴嘴開(kāi)展高壓水力割縫增透技術(shù)。

選擇6個(gè)鉆場(chǎng)（10-15號(hào)鉆場(chǎng)）開(kāi)始試驗(yàn)，在10、12、13號(hào)鉆場(chǎng)施工抽采半徑為6 m的檢驗(yàn)孔，在11、14、15號(hào)鉆場(chǎng)施工抽采半徑8 m的檢驗(yàn)孔，12-15號(hào)鉆場(chǎng)開(kāi)展水力割縫增透措施，10、11號(hào)鉆場(chǎng)為對(duì)照鉆場(chǎng)，不采取任何煤層增透措施。各鉆場(chǎng)瓦斯抽采純量與抽采時(shí)間的變化情況如圖6-8所示。

圖6 對(duì)比10號(hào)不割縫鉆場(chǎng)和12、13號(hào)鉆場(chǎng)抽采純量

圖7 對(duì)比11#不割縫鉆場(chǎng)和14#、15#鉆場(chǎng)抽采純量

在開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)煤層增透試驗(yàn)時(shí)，指派專人測(cè)量并搜集整理10-15號(hào)鉆場(chǎng)的抽采參數(shù)（鉆孔瓦斯抽采濃度、純量、負(fù)壓）。通過(guò)分析每個(gè)鉆場(chǎng)的瓦斯純量，從圖6-圖8得到：采取水力割縫增透措施后的鉆場(chǎng)瓦斯抽采純量明顯超過(guò)未采取增透措施的鉆場(chǎng)；對(duì)比分析6 m抽采半徑的鉆場(chǎng)與8 m抽采半徑的鉆場(chǎng)，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆場(chǎng)抽采純量出現(xiàn)交替性變化。未采取增透措施的鉆場(chǎng)和采用水力割縫增透措施的鉆場(chǎng)平均瓦斯抽采純量結(jié)果見(jiàn)表1。

圖8 對(duì)比12、13號(hào)鉆場(chǎng)和14、15號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采純量

表1 各鉆場(chǎng)的平均抽采純量

由表1發(fā)現(xiàn)：實(shí)施水力割縫增透措施后的鉆場(chǎng)瓦斯抽采純量明顯比未開(kāi)展水力割縫增透措施的鉆場(chǎng)高，其中不同抽采半徑的鉆場(chǎng)增長(zhǎng)幅度也不同，12、13號(hào)鉆場(chǎng)（6 m抽采半徑）與10、11號(hào)鉆場(chǎng)相比，平均抽采純量增加了35.38%；14、15號(hào)鉆場(chǎng)（8m抽采半徑）與10、11號(hào)鉆場(chǎng)相比，平均抽采純量增加了24.62%；12、13號(hào)鉆場(chǎng)（6 m抽采半徑）的平均瓦斯抽采純量比14、15號(hào)鉆場(chǎng)（8 m抽采半徑）增加了0.07 m3/min，因此6 m抽采半徑的12、13號(hào)鉆場(chǎng)抽采效果最佳。

4 結(jié)論

1）數(shù)值模擬結(jié)果得到：位于噴嘴周?chē)乃淞髂芰窟_(dá)到最大，伴隨著水射流逐漸遠(yuǎn)離噴口，其能量在逐步減弱，在水射流的中軸線兩側(cè)能量呈現(xiàn)對(duì)稱分布，當(dāng)收縮角達(dá)到30°時(shí)，水射流的射程最遠(yuǎn)，衰減速度最緩慢。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：實(shí)施水力割縫增透措施后的鉆場(chǎng)瓦斯抽采純量明顯比未開(kāi)展水力割縫增透措施的鉆場(chǎng)高，12、13號(hào)鉆場(chǎng)（6 m抽采半徑）的平均瓦斯抽采純量比14、15號(hào)鉆場(chǎng)（8 m抽采半徑）增加了0.07 m3/min，因此6m抽采半徑的12、13號(hào)鉆場(chǎng)抽采效果最佳。綜合考慮各因素，決定在1415工作面推廣使用6 m抽采半徑的鉆場(chǎng)。