石 光

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)

高壓水射流裝備由高壓泵提供壓力。高壓水經(jīng)過割縫鉆桿由割縫鉆頭射出[1-3]。其割縫效果取決于泵所提供的壓力、割縫鉆頭、煤巖層特性等[4-6]。因此,在煤層及泵壓一定的情況下,應(yīng)充分對割縫鉆頭(噴嘴及內(nèi)部葉輪)進(jìn)行設(shè)計(jì),確保其發(fā)揮最大效率。保證擴(kuò)孔效果、提高擴(kuò)孔率是高壓水射流割縫鉆頭研究的重點(diǎn)環(huán)節(jié)[7-9]。影響水力割縫效率的關(guān)鍵在于確定導(dǎo)向葉輪的角度,在不同的導(dǎo)向葉輪角度下,射出流體的流速場分布將會發(fā)生相應(yīng)的變化,以此對割縫效果產(chǎn)生直接影響[10-12]。因此,以射流噴嘴與噴頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)為核心進(jìn)行建模,探究不同葉輪導(dǎo)向角度條件下的射流流場分布狀態(tài),同時(shí)分析配套噴頭的旋轉(zhuǎn)條件對射流流場的影響,是研制高壓水射流割縫鉆頭的關(guān)鍵所在。

1 高壓水射流割縫鉆頭設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)值模擬模型

高壓水射流割縫鉆頭擬設(shè)計(jì)為1個(gè)噴頭附帶2個(gè)葉輪噴嘴的形式,兩者的夾角為90°.數(shù)值模擬研究方案共設(shè)計(jì)為兩個(gè)部分:

1) 控制葉輪的頂部角度為60°、葉輪的外圍直徑為15 mm、葉輪的整體長度為16 mm、噴嘴出口長度為4 mm,以上數(shù)據(jù)均為定量常數(shù),改變?nèi)~輪的導(dǎo)向角度為20°～70°(增量為15°),探究噴頭位置直徑為200 mm的環(huán)狀區(qū)域射流流場分布特征,同時(shí)以水為介質(zhì),探究葉輪在淹沒與非淹沒條件下的流場分布特征。

2) 根據(jù)上述數(shù)值模擬方案中的研究結(jié)果,選取最佳的葉輪導(dǎo)向角度,并模擬分析噴頭在旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)條件下的射流流場分布特征。

數(shù)值模擬采用ANASYS對噴頭與葉輪噴嘴進(jìn)行建模,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓水射流割縫鉆頭數(shù)值模型

對于淹沒條件下的葉輪數(shù)值模擬,采用標(biāo)準(zhǔn)的K-E模型作為紊流狀態(tài)下的流體運(yùn)動方程,同時(shí)假定流體為理想的不可壓縮流體,根據(jù)Boussinesq假設(shè)可得出數(shù)值模型的湍流能與能量耗散率,如式(1)所示。

(1)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;ε為湍流動能耗散率,%;Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能,J;μ為湍流粘性系數(shù),Pa·s;k為湍流動能,J;t為時(shí)間,s;xi、xj為矢量方向的長度,m;u為平均速度,m/s;σk、σε為湍流Prandtl,分別取1.0、1.3;C1ε、C2ε為常數(shù),分別取1.44、92.

對于非淹沒條件下的葉輪數(shù)值模擬,在使用標(biāo)準(zhǔn)K-E模型的同時(shí)采用體積流動的多項(xiàng)流耦合模型,即研究空氣流與水流的多相流場相互作用狀態(tài)。通過控制不同相的體積分?jǐn)?shù),對流體的動量方程進(jìn)行獨(dú)立求解,如式(2)所示,動量方程中可以改變μ、ρ,對不同相的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行調(diào)控。

(2)

葉輪數(shù)值模擬的求解采用隱式分離求解器,采用壓力邊界條件模擬流場的入口,出口的壓力設(shè)置為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,湍流強(qiáng)度為10%,粘性系數(shù)為10 Pa·s.根據(jù)流體流動特性,設(shè)置淹沒條件下的流場出口在葉輪上表面,非淹沒條件下的流場出口在葉輪上下底面與前端,其余邊界設(shè)置為固定邊界條件。

1.2 鉆頭射流數(shù)值模擬分析

對噴嘴葉輪導(dǎo)向角不同時(shí)非淹沒狀態(tài)下的流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,可以得出噴嘴出口射流擴(kuò)散角分布特征,如圖2所示。

圖2 非淹沒條件下不同葉輪導(dǎo)向角度的射流流場

由圖2可知,非淹沒條件下不同葉輪導(dǎo)向角度的射流流場中的擴(kuò)散角隨葉輪導(dǎo)向角度的增加而表現(xiàn)出增加趨勢,但相應(yīng)地,射流速度也逐漸降低,尤其是當(dāng)葉輪角度大于45°后,射流速度出現(xiàn)了明顯的降低趨勢。

對淹沒條件下不同葉輪導(dǎo)向角度的射流流場進(jìn)行分析,將擴(kuò)散角與葉輪導(dǎo)向角的演化關(guān)系繪制為曲線,并與非淹沒條件下不同葉輪導(dǎo)向角度的相應(yīng)演化關(guān)系進(jìn)行對比,得到圖3所示的對比曲線。根據(jù)對比分析結(jié)果可知,在淹沒與非淹沒條件下,擴(kuò)散角均隨導(dǎo)向角的增加而呈現(xiàn)出增長趨勢。由于淹沒條件下,流場的擾動作用更強(qiáng),因此在導(dǎo)向葉輪為20°時(shí),淹沒的葉輪射流擴(kuò)散角更大。在葉輪導(dǎo)向角大于45°后,非淹沒射流擴(kuò)散角的增大速率更快,表現(xiàn)出了明顯的紊流特征,也由此導(dǎo)致流體速度大幅降低。

圖3 射流擴(kuò)散角與葉輪導(dǎo)向角關(guān)系曲線

煤礦井下的水力割縫鉆頭主要處于淹沒射流與非淹沒射流的混合工作條件,綜合能量損失率、射流擴(kuò)散角的影響,最終選取45°的葉輪導(dǎo)向角作為設(shè)計(jì)角度。

為研究水射流噴頭繞軸旋轉(zhuǎn)對射流擴(kuò)孔效果的影響,根據(jù)礦井鉆機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,設(shè)置噴頭的旋轉(zhuǎn)速度為30 rad/s,同時(shí)與非旋轉(zhuǎn)的噴頭對比分析,設(shè)置噴頭入口壓力為30 MPa,流場速度在距離側(cè)邊噴嘴不同距離時(shí)的分布狀態(tài)如圖4所示。

圖4 非淹沒條件下噴嘴軸線附近射流速度分布

由于射流速度遠(yuǎn)大于噴頭的旋轉(zhuǎn)速度,因此,在葉輪軸向較遠(yuǎn)位置的噴頭旋轉(zhuǎn)不會對射流的速度產(chǎn)生影響。選取靠近葉輪軸線附近,射流速度大于200 m/s的區(qū)域進(jìn)行分析與探討。根據(jù)圖4可知,不同噴距時(shí),噴頭的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)不會對葉輪的射流速度產(chǎn)生強(qiáng)烈影響,但在相同噴距時(shí),噴頭旋轉(zhuǎn)將會提高射流的速度,越靠近葉輪噴嘴軸線位置,噴頭旋轉(zhuǎn)對射流速度的提升越大。

圖5為切向分布速度的變化曲線,根據(jù)分析可知,噴頭的旋轉(zhuǎn)對于切向的射流速度提升幅度更大,最大可提升12 m/s.由此可知,在鉆頭側(cè)面安裝多噴頭相比于在鉆頭前方安裝噴頭可有效提升擴(kuò)孔效率。

圖5 非淹沒條件噴嘴軸線附近射流切向速度分布

2 高壓水射流割縫增透效果分析

2.1 現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)方案

根據(jù)平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心于2018年編制的《青崗坪礦4-2煤層42105工作面瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定總結(jié)報(bào)告》,4-2煤在抽放26 d時(shí)鉆孔影響半徑為4.5 m;抽放48 d時(shí),鉆孔影響半徑為9 m.

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的高壓水射流割縫鉆頭對礦井低透煤層割縫增透后瓦斯抽采影響半徑的變化,設(shè)計(jì)在42108工作面運(yùn)輸巷道中選取一段,向42110工作面方向施工本煤層順層鉆孔7個(gè),其中割縫鉆孔1個(gè)。施工結(jié)束后,每天對割縫鉆孔注入SF6氣體,將1號和6號觀測鉆孔連接到瓦斯抽采系統(tǒng)上,利用檢測鉆孔孔內(nèi)SF6氣體體積分?jǐn)?shù)的方法來測定在正常抽采負(fù)壓下氣體在煤體內(nèi)流動不同距離所需要的時(shí)間及割縫后鉆孔抽采影響半徑達(dá)到4.5 m及9 m的具體時(shí)間。

割縫鉆孔深55 m,觀測鉆孔深50 m,為防止觀測孔漏氣,孔封長度為40 m,鉆孔角度設(shè)計(jì)為10°,鉆孔方位與巷道垂直,具體鉆孔布置如圖6所示。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)及施工參數(shù)

圖6 瓦斯抽采影響半徑考察試驗(yàn)鉆孔布置圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)圖7所示的1號～3號觀測孔內(nèi)SF6氣體體積分?jǐn)?shù)變化曲線可知,3號觀測孔在前4天所抽出的氣體中沒有檢測到SF6氣體,第5天開始檢測到SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)為15×10-6,此后每天檢測出SF6的體積分?jǐn)?shù)一直升高,直至2020年8月27日停抽1號鉆孔時(shí),3號觀測孔檢測到的最大體積分?jǐn)?shù)為1 314×10-6.2號觀測孔在前13天所抽出的氣體中沒有檢測到SF6氣體,第14天開始檢測到SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)為98×10-6,此后每天檢測出的體積分?jǐn)?shù)一直升高,直至2020年8月27日停抽1號鉆孔后,2號觀測孔檢測到的最大體積分?jǐn)?shù)為372×10-6.

圖7 1號～3號觀測孔內(nèi)SF6體積分?jǐn)?shù)變化曲線

1號孔在前19天所抽出的氣體中沒有檢測到SF6氣體,第20天開始檢測到SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)為109×10-6,直至2020年8月27日停抽1號鉆孔后,1號孔檢測到的最大體積分?jǐn)?shù)為268×10-6.

由表2可知,經(jīng)過連續(xù)抽放與檢測,3號、2號、1號鉆孔分別在第5天、第14天和第20天檢測到了SF6氣體。本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過水力割縫增透后,在該礦正常的鉆孔抽采負(fù)壓下,利用SF6氣體示蹤法測定的瓦斯抽采影響半徑達(dá)到4.5 m時(shí)所需抽采時(shí)間為20 d,比用普通鉆頭,縮短了6 d.

表2 示蹤氣體SF6體積分?jǐn)?shù)觀測數(shù)據(jù)

由圖8可知,4號觀測孔在前12天所抽出的氣體中沒有檢測到SF6氣體,第13天開始檢測到SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)為17×10-6,此后每天檢測出的體積分?jǐn)?shù)一直升高,直至2020年9月14日停抽6號鉆孔時(shí),4號觀測孔檢測到的最大體積分?jǐn)?shù)為1 248×10-6.

圖8 4號～6號觀測孔內(nèi)SF6體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖

5號觀測孔在前22天所抽出的氣體中沒有檢測到SF6氣體,第23天開始檢測到SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)為23×10-6,此后每天檢測出的體積分?jǐn)?shù)一直升高,直至2020年9月14日停抽6號鉆孔后,5號觀測孔檢測到的最大體積分?jǐn)?shù)為586×10-6.

6號孔在前30天所抽出的氣體中沒有檢測到SF6氣體,第31天開始檢測到SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)為34×10-6,直至2020年9月14日停抽6號鉆孔時(shí),6號孔檢測最到的大體積分?jǐn)?shù)為354×10-6.

由表3可知,經(jīng)過連續(xù)抽放與檢測,4號、5號、6號鉆孔分別在第13天、第23天和第31天檢測到了SF6氣體。本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過水力割縫增透后,在該礦正常的鉆孔抽采負(fù)壓下,利用SF6氣體示蹤法測定的瓦斯抽采影響半徑達(dá)到9 m時(shí)所需抽采時(shí)間為31 d,比用普通鉆頭縮短了17 d.

3 結(jié) 語

1) 為提高水力割縫效率,設(shè)計(jì)研發(fā)了一款新型高壓水射流割縫鉆頭,通過數(shù)值模擬方法探究了在淹沒條件與非淹沒條件下的葉輪噴嘴導(dǎo)向角度與射流流場擴(kuò)散角的演化關(guān)系,最終確定葉輪導(dǎo)向角度為45°.

2) 采用數(shù)值模擬方法對45°葉輪導(dǎo)向角度條件下,噴頭在旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)條件時(shí)的射流流速分布特征,噴頭的旋轉(zhuǎn)對于軸向與切向的射流速度具有提升作用,尤其是對切向射流速度,最大可提升12 m/s.因此,在鉆頭側(cè)面安裝多噴頭相比于在鉆頭前方安裝噴頭可有效提升擴(kuò)孔效率。

3) 對新型的高壓水射流割縫鉆孔進(jìn)行工程試驗(yàn),利用SF6氣體示蹤法測定的瓦斯抽采影響半徑達(dá)到4.5 m時(shí)所需抽采時(shí)間為20 d,影響半徑達(dá)到9 m時(shí)所需抽采時(shí)間為31 d,與普通割縫鉆孔進(jìn)行對比,分別縮短了6 d與17 d.