高壓水射流裝置沖孔參數(shù)模擬與試驗(yàn)研究

張嘉勇，崔 嘯，郭立穩(wěn)，2，許 慎

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

基礎(chǔ)研究

高壓水射流裝置沖孔參數(shù)模擬與試驗(yàn)研究

張嘉勇1，崔 嘯1，郭立穩(wěn)1，2，許 慎1

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

采用伯努利方程和機(jī)械能衡算公式計(jì)算了新設(shè)計(jì)的螺旋桿式水射流沖孔增透裝置的射流有效破煤速度。通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同射速時(shí)水射流流體狀態(tài)，依據(jù)煤體堅(jiān)固性系數(shù)f和抗拉強(qiáng)度確定了裝置的有效沖孔范圍，并針對(duì)錢家營(yíng)礦-600m水平7煤層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考證。研究結(jié)果表明：通過(guò)控制水射流裝置的水壓與流量可調(diào)節(jié)水射流出口速度，射速隨水壓、流量的增加而增加，對(duì)煤體產(chǎn)生的破碎范圍也隨之增加。通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析，證實(shí)了數(shù)值模擬研究中依據(jù)煤體堅(jiān)固性系數(shù)f與抗拉強(qiáng)度能夠客觀地確定不同射速下的沖孔范圍，為裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了參數(shù)支撐。

高壓水射流；流體參數(shù)；沖擊范圍；數(shù)值模擬

高壓水射流破煤增透是解決我國(guó)高瓦斯低透氣性煤層瓦斯抽、排困難的主要方法之一。通過(guò)高壓水射流沖擊產(chǎn)生的切應(yīng)力和拉應(yīng)力，可在煤體內(nèi)部形成孔洞，隨著圍巖收縮變形，達(dá)到卸壓增透，擴(kuò)大瓦斯抽、排半徑的目的[1-5]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)高壓水射流裝置做出了大量研究，王耀鋒等[6]綜述了國(guó)內(nèi)水力化煤層增透技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了理論研究和工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題；王新新[7]探究水力沖孔之后煤層中瓦斯的分布規(guī)律及其形成機(jī)理，進(jìn)一步研究了水力沖孔瓦斯抽采和卸壓增透的機(jī)理；沈春明[8]采用相似物理模擬實(shí)驗(yàn)的方法建立相似模型，測(cè)定煤體在割縫卸壓變化過(guò)程中透氣性的變化規(guī)律。上述研究主要對(duì)高壓水射流裝置在突出煤層中的應(yīng)用效果，卸壓范圍及鉆孔相關(guān)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究，尚未對(duì)高壓水射流裝置本身流體參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)地分析，水力參數(shù)與煤體參數(shù)的匹配問(wèn)題也需進(jìn)一步分析。利用水射流裝置的流速與煤體的堅(jiān)固性系數(shù)計(jì)算有效的沖孔范圍，從而為裝置的遠(yuǎn)程控制提供參考依據(jù)，并通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為設(shè)備的推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 水射流裝置設(shè)計(jì)

為防止沖孔過(guò)程中會(huì)排出的煤體堵塞鉆孔研制了螺旋桿式高壓水射流裝置，由高壓槍嘴、螺旋槍管、高壓水管、遠(yuǎn)程液壓泵站、槍管支架和供水管路等組成，如圖1所示。人員操作遠(yuǎn)程液壓泵站驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，推動(dòng)槍管進(jìn)行沖孔破煤。驅(qū)動(dòng)裝置在軌道上前進(jìn)，保障水射流沖擊距離，從而增加沖孔深度，擴(kuò)大了卸壓增透范圍。

圖1 螺旋型高壓水射流裝置

2 水射流裝置流體參數(shù)

2.1 槍管內(nèi)流體流動(dòng)線路

流體通過(guò)高壓水管進(jìn)入回轉(zhuǎn)套→馬達(dá)槍管→4個(gè)螺旋槍管→槍嘴射出共7個(gè)環(huán)節(jié)。由于裝置各個(gè)部件連接時(shí)內(nèi)徑不同，會(huì)造成一定的阻力損失。為研究水射流裝置的流體參數(shù)，必須確定各環(huán)節(jié)槍管管徑變化。水射流裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水射流裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 流體流動(dòng)的守恒原理

根據(jù)伯努利方程在槍管內(nèi)的流體的應(yīng)用，考慮該裝置各階段截面上的平均動(dòng)能和流動(dòng)摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能損失可得：

(1)

2.3 阻力損失

直管造成的機(jī)械能損失為直管阻力損失(或稱沿程阻力損失)；管件造成的機(jī)械能損失為局部阻力損失[9]。

2.3.1 直管阻力損失

(2)

式中，l為直管長(zhǎng)度，m；摩擦系數(shù)λ為Re數(shù)和相對(duì)粗糙度的函數(shù)，即

(3)

式中，ε為絕對(duì)粗糙度。

當(dāng)Re>4000，至足夠大的Re時(shí)，λ不再隨Re而變，其值取決于相對(duì)粗糙度ε/d，可用下式計(jì)算。

(4)

高壓水射流裝置槍身材料為無(wú)縫鋼管，其絕對(duì)粗糙度ε為0.2/mm。

2.3.2 局部阻力損失

局部阻力損失是由于流道的急劇變化使流動(dòng)邊界層分離，產(chǎn)生大量旋渦消耗機(jī)械能[11]。水射流裝置局部阻力損失主要為流道的突然擴(kuò)大與突然縮小。突然擴(kuò)大的局部阻力損失為：

(5)

式中，ξ為局部阻力系數(shù);u1為擴(kuò)大前流動(dòng)的平均速度，m/s;A1，A2為擴(kuò)大前后的流道截面積。

突然縮小的局部阻力損失為：

(6)

式中，u2為縮小后流動(dòng)的平均速度，m/s。

2.3.3 槍管的阻力損失

共經(jīng)歷70，50，32，40mm變徑，根據(jù)質(zhì)量守恒，如圖2所示槍管本身沿程阻力損失為：

式中，qv為流體流量，m3/s。

2.4 水射流裝置射速計(jì)算

如圖2所示，槍管接口處的流體的壓強(qiáng)為p1，流體自槍管從槍嘴射出，其出口壓強(qiáng)為外界大氣壓pa，根據(jù)機(jī)械能衡算式(7)可得槍嘴流體射速。

(7)

3 水射流有效破煤速度及范圍

3.1 破煤臨界沖擊速度

巖石堅(jiān)固性系數(shù)f表征的是巖石抵抗破碎的相對(duì)值。因?yàn)閹r石的抗壓能力最強(qiáng)，故把巖石單軸抗壓強(qiáng)度極限的1/10作為巖石的堅(jiān)固性系數(shù)[12]。

f=R/10

(8)

式中，R為巖石標(biāo)準(zhǔn)試樣的單向極限抗壓強(qiáng)度值，MPa。

根據(jù)機(jī)械能守恒及式(8)可以得出破煤所需臨界流體射速，如式(9)所示。

(9)

式中，f為煤體堅(jiān)固性系數(shù)，MPa；ρ為流體密度，取1000kg/m3。

由式(9)可得出不同堅(jiān)固性系數(shù)，煤體破碎所需的流體射速之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同堅(jiān)固性系數(shù)破煤流體射速

3.2 沖擊范圍的數(shù)值模擬

3.2.1 幾何模型

數(shù)值模擬模型如圖4所示，模型尺寸為2m×0.5m，區(qū)域內(nèi)為空氣，在20℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，其密度為675.845kg/m3，動(dòng)力黏度為1.81×10-5Pa·s，共劃分4664個(gè)單元。在空氣區(qū)域左側(cè)中部為1個(gè)直徑6mm的水射流出口，其密度為1000kg/m3，動(dòng)力黏度為1.005×10-3Pa·s，根據(jù)圖4所示，選定水射流的出口射速分別設(shè)為100～300m/s。

圖4 數(shù)值模型

3.2.2 煤體基本參數(shù)

錢家營(yíng)礦-600m水平十采區(qū)四中軌道斜巷處煤體參數(shù)如表1所示。

表1 煤層物理性質(zhì)參數(shù)

3.2.3 模擬結(jié)果分析

(1)圖5為不同水射流出口射速云圖，由圖5可以得出，在不同射速的流體流動(dòng)狀態(tài)及流型基本相同。在固定的槍嘴參數(shù)下，隨著射速的增加，對(duì)相同參數(shù)煤層作用的有效距離及范圍逐漸擴(kuò)大，鉆孔擴(kuò)大倍數(shù)也就越大，水力沖孔的卸壓增透效果也隨之更加明顯。

圖5 不同射速的流體速度

按照射流在空氣中運(yùn)動(dòng)，可分為動(dòng)量射流(射流)、浮力羽流(羽流)、浮力射流(浮射流)，其中動(dòng)量射流依靠初始動(dòng)量維持運(yùn)動(dòng)[13]，隨著射流進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散，會(huì)形成不同流體速度域，如圖6所示。通過(guò)不同的速度域與煤體參數(shù)可估算有效的沖擊范圍。

(2)為確定水力沖孔的有效沖擊距離及孔徑，采用錢家營(yíng)礦-600m煤層的煤體參數(shù)，以堅(jiān)固性系數(shù)為0.7和抗拉強(qiáng)度為0.8MPa作為主要參數(shù)，根據(jù)式(9)確定水射流射速大于118m/s。

圖7為選定水射流射速為120～300m/s，分析其作用下的沖孔距離及沖孔直徑。隨著水射流射速的提高，沖孔距離及沖孔直徑呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，作為高壓水射流裝置實(shí)際操作的數(shù)據(jù)參考。

圖6 不同射速下速度域范圍

圖7 沖孔范圍隨射速增加的變化規(guī)律

3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)裝置的沖孔效果及作用范圍，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在錢家營(yíng)礦-600m水平十采區(qū)四中軌道斜巷處進(jìn)行，將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3.1 水射流射速計(jì)算

3.3.2 沖孔效果對(duì)比

在有效沖孔時(shí)間(泵站維持較高的穩(wěn)定壓力和流量的時(shí)間)內(nèi)，水射流破煤成孔，如圖8所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析，螺旋桿式水射流裝置破煤和“輸煤”能力明顯得到提高，槍頭進(jìn)尺速度明顯加快。

圖8 水射流沖孔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

將數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(表2)。在相同槍嘴直徑與出口射速的參數(shù)下，數(shù)值模擬計(jì)算得出的水射流裝置有效沖擊范圍與沖擊距離與錢家營(yíng)礦-600m水平十采區(qū)四中軌道斜巷處測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，所以模擬結(jié)果對(duì)本裝置在井下使用及沖孔結(jié)果預(yù)測(cè)提供一定的參考價(jià)值。

表2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)理論計(jì)算，依據(jù)水壓、流量和高壓水射流裝置本身參數(shù)，可得出水射流沖擊速度；通過(guò)調(diào)節(jié)流量和水壓，可控制作用于工作面的水射流沖擊速度。隨著流量和水壓的增加，水射流速度提高，有效沖擊范圍和沖擊距離也明顯提高。

(2)依據(jù)煤體堅(jiān)固性系數(shù)f及抗拉強(qiáng)度參數(shù)，采用數(shù)值模擬分析，可確定在不同水射流沖擊速度下，水射流有效沖擊范圍，可有效防止水射流裝置沖孔過(guò)程中發(fā)生卡鉆、煤體阻塞等事故的發(fā)生。

(3)對(duì)于煤體強(qiáng)度較高的煤層，為了增加卸壓范圍，沖孔直徑應(yīng)隨之增加；同樣一些較軟煤層，為防止掏槽后發(fā)生局部冒落現(xiàn)象，應(yīng)減小沖孔直徑，所以通過(guò)調(diào)節(jié)流量和水壓，控制沖孔范圍，為實(shí)現(xiàn)本裝置的遠(yuǎn)程操作提供數(shù)據(jù)參考，保障生產(chǎn)安全。

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ExperimentalStudyandNumericalSimulationofPunchingParametersofHigh-pressureWaterJet

ZHANG Jia-yong1，CUI Xiao1，GUO Li-wen1，2，XU Shen1

(1.Mine Engineering School，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China)

The effectively coal broken speed of new designing screw rod water jet punching and anti-reflection equipment was calculated by bernoulli’s equation and mechanical energy balance formula.Water jet state in different speed were analyzed by numerical simulation，an effectively punching scope of equipment was determined by coal strength ‘f’ and tensile strength，field test was practical in No.7 coal seam at -600m level of Qianjiaying coal mine.The results showed that water jet outlet velocity could be adjusted by water pressure and flow，water jet speed increased with water pressure and flow increased，and coal broken scope increased also.By numerical simulation and field test，punching scope under different water jet speed could be determined objectively by coal body firmness coefficient ‘f’ and tensile strength，it’s field testing references for parameter supporting.

high-pressure water jet；fluid parameters；punching scope；numerical simulation

2017-08-01

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.002

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374089)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2016209249)；華北理工大學(xué)科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(Z201619)

張嘉勇(1977-)，男，河南南陽(yáng)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榈V井瓦斯防治。

崔 嘯(1992-)，男，河北秦皇島人，博士研究生，主要研究方向?yàn)榈V井瓦斯防治。

張嘉勇，崔 嘯，郭立穩(wěn)，等.高壓水射流裝置沖孔參數(shù)模擬與試驗(yàn)研究[J].煤礦開采，2017，22(6)：5-9.

TD713

A

1006-6225(2017)06-0005-05

李青]