段賀明，王 毅，金 新，3，魏宏超，，張金寶

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.中南大學(xué)，湖南 長沙 410083）

據(jù)統(tǒng)計(jì)在我國95%以上的高瓦斯與突出礦井開采煤層屬于低透氣煤層，其滲透率僅有10-18～10-19m3[1]，這其中又以碎軟低透性煤層分布為主，而我國的碎軟煤層數(shù)量占比可達(dá)50%以上[2]。由于煤層透氣性差，僅靠瓦斯自然釋放，其效果難以滿足生產(chǎn)需求，尤其是在碎軟低透煤層中，由于其自身的煤質(zhì)松軟破碎等屬性，使得煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性大，嚴(yán)重影響正常掘進(jìn)施工。針對不同特性的煤層，通過不同的增透措施提高煤層透氣性輔助瓦斯抽采，是目前應(yīng)用最為廣泛、最為有效的瓦斯治理手段。而隨鉆水力造穴技術(shù)是適用于碎軟低透性煤層比較好的增透方法。白志華等[3]基于多物質(zhì)任意拉格朗日-歐拉流固耦合算法建立了水射流沖碎巖石的有限元模型，模擬了不同水流入射速度的情況下破巖過程，并針對文章中材料分析了最優(yōu)入射速度；宋祖長等[4]基于SPH 算法仿真模擬了高壓水射流破巖的動(dòng)力學(xué)問題，分析破巖過程中水射流能量轉(zhuǎn)換關(guān)系和破巖的演化過程，驗(yàn)證了該仿真方法的可行性。盧義玉等[5]基于SPH 算法模擬了在不同巖性下，水射流破巖過程中應(yīng)力波形成傳播過程，分析了射流速度、巖石特性對脈沖應(yīng)力波效應(yīng)的影響?；诖耍ㄟ^理論分析、仿真模擬及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，基于仿真模擬的結(jié)果分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研制出1 套鉆沖一體化的水力沖孔鉆具，彌補(bǔ)傳統(tǒng)水力造穴中施工工序復(fù)雜、輔助時(shí)間長、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、沖孔鉆具密封性不足等缺點(diǎn)；借助Ls-dyna 分析了水射流破煤時(shí)序過程，確定適用于碎軟煤層的沖孔工藝組合參數(shù)；為后續(xù)正在研發(fā)的鉆進(jìn)-沖孔-完孔一體化的水力造穴技術(shù)提供理論支撐和現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，希望針對提高碎軟低透氣性煤層的滲透率和瓦斯突出事故災(zāi)害防治做出貢獻(xiàn)。

1 隨鉆水力沖孔技術(shù)原理

為提高瓦斯抽采效率，在碎軟煤層中常用水力沖孔法對煤層經(jīng)行擴(kuò)孔增透。隨鉆水力沖孔技術(shù)是水力造穴方法的1 種，采用鉆進(jìn)-沖孔一體化工藝，能夠在不提鉆的情況下，通過水力造穴器的壓力轉(zhuǎn)換，改變水路。正常鉆進(jìn)時(shí)水流入孔底潤滑鉆具和冷卻鉆頭，通過增大泵壓的方式改變水流方向，水從造穴器側(cè)面噴嘴高速噴出經(jīng)行破煤沖孔作業(yè)，即可完成打先導(dǎo)孔和水力沖孔2 道工序。相比較傳統(tǒng)水力造穴的方法，隨鉆水力沖孔技術(shù)工藝簡單，操作簡便，能良好的適用于碎軟低透氣性煤層，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。該技術(shù)通過鉆沖一體化設(shè)備將孔內(nèi)大量煤體及瓦斯沖出，形成直徑較大的洞室，從而有效消除突出應(yīng)力、釋放瓦斯，提高了煤層的滲透率。

2 高壓水射流噴嘴噴射模擬

2.1 物理模型的建立

傳統(tǒng)噴嘴的主要類型有：平直型噴嘴、錐形噴嘴和錐直型噴嘴[6]?？栈蛧娮熘饕愋陀校哄F形噴嘴、中心體噴嘴和收縮-擴(kuò)張形噴嘴[7]。由于影響噴嘴射流效果的主要因素為流道區(qū)域的直徑、收縮角和噴嘴直徑大小等因素決定，因此，研究分別建立傳統(tǒng)噴嘴和空化噴嘴來模擬其噴射效果。經(jīng)綜合考慮，選定收縮角α=17.4°，入口直徑D=16.5 mm，出口直徑d=2.8 mm，圓柱段長度L=14 mm。噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Nozzle structure diagram

2.2 邊界條件

噴嘴及其外部流場的模型結(jié)構(gòu)如圖2。ABCD 為噴嘴內(nèi)部流場區(qū)域，DEFGHC 為噴嘴外部流場區(qū)域。其中：AB 為噴嘴壓力入口，CD 為噴嘴出口端面，DE、EF、GH、HC 均定義為壓力出口邊界。在此邊界條件下，探究高壓水射流噴嘴內(nèi)外部速度、動(dòng)壓變化情況。

圖2 噴嘴及其外部流場的模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Model structure of the nozzle and its external flow field

2.3 普通/空化噴嘴在淹沒環(huán)境下動(dòng)壓模擬

在其他條件不變的情況下，設(shè)置入口壓力為30 MPa，出口處環(huán)境壓力為0.1 MPa，在次邊界條件下，選取RNGk-ε 模型來模擬高壓射流動(dòng)壓的分布[8]。噴嘴軸線上動(dòng)壓變化圖如圖3。

圖3 噴嘴軸線上動(dòng)壓變化圖Fig.3 Dynamic pressure variation diagram on nozzle axis

由圖3 可知，在出口處，普通噴嘴的動(dòng)壓為29.6 MPa，而空化噴嘴在出口處動(dòng)壓可達(dá)31.9 MPa，在初始動(dòng)壓上空化噴嘴要優(yōu)于普通噴嘴。2 種噴嘴的等速核長度相差不多，普通噴嘴動(dòng)壓降到10 MPa 時(shí)，噴射距離為36 mm，降到5 MPa 時(shí)，噴射距離為47 mm；而空化噴嘴動(dòng)壓降到10 MPa 時(shí)，噴射距離為38 mm，降到5 MPa 時(shí)，噴射距離為51 mm，在破壞煤體能力上，空化噴嘴破碎煤體的距離也要優(yōu)于普通噴嘴。

2.4 噴嘴入口壓力對淹沒射流的影響

一般在煤礦井下選用水力造穴措施時(shí)，根據(jù)煤體硬度不同適用泵壓一般為10.0～60.0 MPa，但以10～40 MPa 居多。基于此，分別在泵壓15、20、25、30 MPa 條件下進(jìn)行數(shù)值模擬，探究泵壓的變化對高壓射流速度和動(dòng)壓值的影響。不同泵壓下動(dòng)壓折線圖如圖4。

圖4 不同泵壓下動(dòng)壓折線圖Fig.4 Dynamic pressure line graph at different pump pressures

由圖4 可知，在不同射流壓力下的噴嘴軸向動(dòng)壓變化趨勢與速度變化類似，在噴嘴內(nèi)部時(shí)急劇增大，當(dāng)在噴嘴出口處時(shí)降低。隨著射流壓力的增大，噴嘴的最大動(dòng)壓、噴嘴出口處動(dòng)壓顯著增加，核心段、衰減段長度相差不大。若以5 MPa 為破壞煤體的界限壓力，15～30 MPa 的有效破壞煤體的距離分別為38.2、43.3、47.7、51.6 mm。可以看出，隨著泵壓的增大，水射流的有效沖擊距離和破壞能力也隨著泵壓得增大而增大。其次，水射流軸線上沖擊速度隨泵壓增大也在增大。當(dāng)泵壓是30 MPa 時(shí)，噴嘴出口處（橫坐標(biāo)x=0）射流速度高達(dá)253 m/s；泵壓為25 MPa 時(shí)，噴嘴出口處速度是231 m/s；泵壓為20 MPa 時(shí)，噴嘴出口速度是206 m/s；當(dāng)泵壓降為15 MPa 時(shí)，噴嘴出口處射流速度僅有178 m/s。

3 高壓水射流破煤模擬

通過Ansys/LS-Dyna 軟件對高壓水射流破煤過程進(jìn)行模擬。在通過數(shù)值模擬來解決工程實(shí)際問題時(shí)，為保證與實(shí)際情況絕大程度的貼合，往往在不影響結(jié)果前提下對模型做出合理的假設(shè)。假設(shè)將沖煤介質(zhì)水認(rèn)定為帶有相同質(zhì)量的圓柱顆粒集合體；認(rèn)定水柱在空氣中不具有擴(kuò)散性；認(rèn)定煤體為連續(xù)介質(zhì)體，忽略空隙應(yīng)力對煤體產(chǎn)生的影響等。將模擬不同速度水射流沖刷破煤這一過程中煤體的損傷情況。

3.1 高壓水射流本構(gòu)模型

水射流破煤過程中，在高壓水射流算法選擇上，選用SPH 算法模擬，水體材料采用材料庫中的Mat-Null 材料模型，并對水材料模型賦予Grueisen 狀態(tài)方程[9]。水射流材料參數(shù)及Grueisen 狀態(tài)方程參數(shù)見表1[10]。

表1 水射流材料參數(shù)及Grueisen 狀態(tài)方程參數(shù)Table 1 Water jet material parameters and Grueisen equation of state parameters

在Ls-dyna 中構(gòu)建水射流模型時(shí)，模擬中代表水射流的SPH 粒子數(shù)是預(yù)先確定的，計(jì)算過程中不會(huì)有新粒子生成，原有粒子也不會(huì)消失。水柱的體積即是構(gòu)建模型圓柱的體積，通過圓柱模型的長度和半徑來確定。水射流粒子數(shù)在水柱內(nèi)均勻分布，且每層的粒子數(shù)是相等的。水射流直徑確定為40 mm，水柱長度為200 mm，將水柱劃分為50 層，每層均勻分布80 個(gè)SPH 粒子。

3.2 水射流破煤三維幾何模型

高壓水射流破煤過程中，煤體材料模型的選擇考慮到其與巖石力學(xué)相似性。在模擬煤體時(shí)選取Johnson-Holmguist-Concrete 模型，結(jié)合參考文獻(xiàn)[11]中H-J-C 模型材料，選取經(jīng)驗(yàn)破煤材料參數(shù)，其中密度1 549 kg/m3，剪切模量0.58 GPa，單軸抗壓強(qiáng)度9 MPa，規(guī)范化最大強(qiáng)度7，允許塑性應(yīng)變0.01，最大靜水抗拉強(qiáng)度1.86 MPa，壓垮靜水壓力3 MPa，壓垮體積應(yīng)變8×10-4，極限壓力1 GPa。

在模擬水射流破煤中，將水的密度、速度等物理變量均勻賦值在每個(gè)SPH 粒子上，通過粒子與煤體發(fā)生相互碰撞作用，水體與煤體之間為點(diǎn)面接觸，并且煤體在高壓水射流沖刷下單元體發(fā)生失效刪除，新單元體仍可繼續(xù)發(fā)生碰撞作用，兩者之間選用“Contact-Eroding-Nodes-to -Surface”類型。煤體三維尺寸設(shè)定為300 mm×300 mm×300 mm，總共含有27 000 個(gè)單元，高壓水射流破煤幾何模型如圖5。

圖5 高壓水射流破煤幾何模型Fig.5 Geometric model for coal breaking by high pressure water jets

3.3 水射流破煤時(shí)序

水射流通過高壓水泵的加壓，在經(jīng)過細(xì)小噴嘴時(shí)獲得巨大能量加速垂直沖刷煤體，由于水射流出口速度與泵站壓力、噴嘴結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素有關(guān)，通過Fluent 模擬得出在泵壓30 MPa 時(shí)噴嘴出口處射流速度最高可達(dá)253 m/s。選取射流250 m/s 的水射流速度來模擬射流破煤的全過程，高壓水射流破煤過程如圖6。

圖6 高壓水射流破煤過程Fig.6 High-pressure water jet breaking process of coal

高壓水射流破煤從開始到結(jié)束總共歷時(shí)4 ms。開始，高壓水射流在煤體表面形成射流動(dòng)壓力，動(dòng)壓力以應(yīng)力波形式在煤體內(nèi)部傳遞，此時(shí)所形成的損傷坑體四周規(guī)整，射流前端水流集中，沒有明顯分散。在0.5 ms 時(shí)煤體內(nèi)部被高壓水射流沖刷縱向深度為90 mm。沖擊1.0 ms 時(shí)煤體內(nèi)部被沖刷至130 mm，煤體損傷主要集中發(fā)生在坑底；沖擊時(shí)間4.0 ms 時(shí)，流體在破碎坑體底部與煤體基本已無發(fā)生相互作用，煤體破碎坑體體型基本不發(fā)生變化，且沒有被損傷失效刪除的單元發(fā)生；在沖擊時(shí)間5.0 ms后，射流破煤過程基本停止，沖刷坑體直徑最大為80 mm。

3.4 射流速度對破煤效果的影響

高壓水射流的噴嘴出口速度受泵壓、噴嘴類型、結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素影響。為探究不同射流速度對破煤效果產(chǎn)生的影響，結(jié)合前文中已通過軟件Fluent 模擬出在不同泵壓環(huán)境下，噴嘴出口處的射流速度。現(xiàn)將 速 度250、200、150、100、50、25 m/s 分 別 附 加 在SPH 水柱粒子上，不同水射流速度對煤體沖擊情況如圖7。

圖7 不同水射流速度對煤體沖擊情況Fig.7 Impact of coal by different water jet velocities

由圖7 可知，當(dāng)速度為200 m/s（泵壓20 MPa）時(shí)，整個(gè)破煤過程持續(xù)1.8 ms 左右，此時(shí)就可以推導(dǎo)出將鉆機(jī)轉(zhuǎn)速維持在90 r/min 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)破煤效率最大化；當(dāng)射流速度為150 m/s 時(shí)，整個(gè)破煤過程為1.5 ms，此時(shí)可將鉆機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到110 r/min 左右。由此可得出在實(shí)際水力造穴時(shí)，將鉆機(jī)轉(zhuǎn)速維持在90～110 r/min 區(qū)間時(shí)，可使造穴器充分破煤，避免在同一角度反復(fù)沖刷，降低破煤效率。

不同速度水射流破煤損傷單元數(shù)變化如圖8，不同速度水射流破煤坑體形態(tài)如圖9。

圖8 不同速度水射流破煤坑體形態(tài)Fig.8 Different velocity water jet breaking coal pit morphologies

圖9 不同速度水射流破煤坑體形態(tài)Fig.9 Different velocity water jet breaking coal pit morphologies

由圖8 和圖9 可知，隨著射流速度的降低，煤體被損傷坑體縱向深度在降低，失效刪除的單元數(shù)也在降低。當(dāng)射流速度為250 m/s 時(shí)，損傷坑體縱向長度為210 mm，最大橫向?qū)挾?0 mm，損傷單元數(shù)為980 個(gè)；速度為200 、150 m/s 時(shí)，坑體縱向長度分別為140、90 mm，損傷單元數(shù)為611 個(gè)和384 個(gè)，在損傷最大橫向?qū)挾壬蠜]有變化；當(dāng)射流速度為50 m/s時(shí)，煤體損傷深度僅有14 mm；射流速度為25 m/s時(shí)，水射流的沖擊力未能引起煤體的損傷破壞，僅使煤體表面發(fā)生變形。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)點(diǎn)介紹

新安煤礦14250 工作面上鄰14230 工作面，下鄰二水平保護(hù)煤柱；東鄰14 與12 采區(qū)下山保護(hù)煤柱；西鄰14 運(yùn)輸巷。在14250 工作面西部附近存在薄煤帶，見煤點(diǎn)煤厚0.3 m，對掘進(jìn)有一定影響。14250 工作面水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜，主要充水水源為頂板砂巖裂隙水，奧陶系灰?guī)r裂隙承壓水。根據(jù)大巷水文孔監(jiān)測數(shù)據(jù)，水壓2.25 MPa，水位258 m。14250 工作面底板巖巷最低標(biāo)高-67 m，底板隔水層平均厚度52 m，突水系數(shù)最大0.069 MPa/m，大于臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，具有突水危險(xiǎn)性，對掘進(jìn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在掘進(jìn)期間需采取超前底板探掩護(hù)巷道掘進(jìn)，工作面回采前需采取底板全覆蓋注漿加固改造底板措施。預(yù)計(jì)掘進(jìn)期間正常涌水量5 m3/h，最大涌水量為5～12 m3/h。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具組合

水力造穴鉆孔均自14250 底板巖巷開孔，?113 mm 鉆孔開孔至2 m，采用?153 mm 擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔后下設(shè)?127mm，長500 mm 的孔口管，繼續(xù)以?113 mm 鉆頭裸孔鉆進(jìn)至14250 工作面煤層到其頂板巖層后終孔。鉆孔設(shè)計(jì)示意圖如圖10。

圖10 鉆孔設(shè)計(jì)示意圖Fig.10 Drill hole design schematic

鉆具組合為：?113 mm 三翼內(nèi)凹鉆頭（加強(qiáng)型）+?75 mm 水力擴(kuò)孔器+?73 mm 高壓密封整體螺旋鉆桿+?73 mm 高壓密封送水器。通過模擬和結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，最終確定水力造穴器上使用直徑2.8 mm的空化噴嘴，確保在施工過程中孔底處于非淹沒狀態(tài)。

4.3 現(xiàn)場試驗(yàn)及結(jié)果

底板穿層水力造穴泄壓抽采鉆孔布置于14250工作面底板巖巷，沿底板巷共布置109 排鉆孔，2 排間距6 m，每排15 孔，設(shè)計(jì)仰角從6°～89°，設(shè)計(jì)孔深從13.51～70.14 m，穿煤段長度從3.01～14.33 m。由于實(shí)際施工過程中并不能統(tǒng)計(jì)所有孔的沖煤量，因此僅展示部分有效孔的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場實(shí)鉆情況及沖煤量表2。

表2 現(xiàn)場實(shí)鉆情況及沖煤量Table 2 Field actual drilling situation and coal flushing volume

在鉆進(jìn)成孔階段，介質(zhì)水起到潤滑鉆具、降溫、攜帶巖屑返排等功能，此時(shí)水壓力為2～3 MPa。而在水力造穴階段，通過模擬可知，隨著泵壓的增加，造穴器噴嘴處水射流速度越大，其造穴能力也越強(qiáng)。在煤孔段水力造穴沖煤速率保持在30 min/m，泵壓維持在12～20 MPa，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速保持在90～110 r/min區(qū)間。試驗(yàn)期間累計(jì)施工鉆孔136 個(gè)，總進(jìn)尺4 919.5 m，其中煤孔段水力造穴總長度1 784.4 m，沖煤量2 212.92 m3，通過計(jì)算可得平均沖煤量1.07 t/m。

水力造穴的目的旨在通過增大卸壓洞穴的半徑，使影響半徑也增大，這樣抽采效果會(huì)越好，而直接反應(yīng)卸壓范圍的指標(biāo)則是沖煤量。

式中：m 為煤體質(zhì)量，kg；ρ 為煤體的密度，取1.06×103kg/m3；V 為出煤體積，m3；S 為沖煤橫截面積，m2；L 為沖孔深度，m。

式中：D 為擴(kuò)孔直徑，m；DZ為鉆孔直徑，取0.013 m。

聯(lián)立式（1）、式（2）可得：

通過水力造穴沖孔最大可將原常規(guī)施工鉆孔直徑擴(kuò)大約10 倍。

5 結(jié) 語

1）空化噴嘴高壓射流經(jīng)過穩(wěn)定段穩(wěn)定后的水射流流速相對集中，擴(kuò)散小，破煤能力遠(yuǎn)由于普通噴嘴。

2）隨著泵壓的增大，噴嘴出口處速度越大，鉆孔單位長度造穴沖煤量與速度呈正相關(guān)，煤體的損傷單元數(shù)與坑體深度也隨之增大。當(dāng)速度為25 m/s 時(shí)不會(huì)對煤體發(fā)生破壞。

3）通過模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)合的方法，在新安煤礦碎軟煤層中，確定沖孔壓力維持在12～20 MPa、轉(zhuǎn)速保持在90～110 r/min 范圍內(nèi)，沖孔時(shí)間保持在30 min/m 的工藝參數(shù)組合下，造穴效果最佳，在保證有一定沖煤量的前提下，可以很好的降低高壓操作帶來的危險(xiǎn)性，且對碎軟煤層水力造穴工藝參數(shù)的選擇以及鉆進(jìn)設(shè)備的研發(fā)提供理論支撐。

4）根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)期間所統(tǒng)計(jì)得沖煤量，得到水力沖孔后直徑擴(kuò)大為常規(guī)鉆孔的約10 倍，使得煤層的透氣性大幅度提高，在煤層中形成的卸壓區(qū)域配合瓦斯抽采技術(shù)能有效降低煤體地應(yīng)力及瓦斯壓力。