超高壓水射流在鉆孔內(nèi)的沖擊特性研究

毛明亮

(華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000)

沙曲二號(hào)煤礦位于山西省呂梁市柳林縣，礦井屬煤與瓦斯突出礦井[1]。礦井主采3#、4#、5#煤層均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，3#距4#煤層1～10 m，4#距5#煤層平均5.5 m。因此，“高瓦斯、煤與瓦斯突出、自燃、近距離煤層群”是該礦井煤層賦存的突出特點(diǎn)[2-3]。結(jié)合礦井特點(diǎn)該礦井嘗試采用切頂卸壓無煤柱開采工藝。預(yù)裂切頂作為該技術(shù)的核心，其致裂方式和效果決定了切頂?shù)目尚行院统上锖蟮姆€(wěn)定性[4-5]。目前國(guó)內(nèi)切頂成巷工作面普遍采用預(yù)裂爆破方式實(shí)現(xiàn)切頂[6]，但沙曲二礦開采5#煤工作面時(shí)，上覆為4#煤層工作面采空區(qū)，間距僅5 m 左右，無法使用炸藥聚能爆破方式切頂卸壓。

水射流技術(shù)憑借其各種優(yōu)點(diǎn)在煤層增透領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7-8]。華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲二號(hào)煤礦與太原理工大學(xué)合作，提出采用超高壓水射流實(shí)現(xiàn)預(yù)裂切頂，為切頂成巷無煤柱開采技術(shù)提供了新方案。然而，目前關(guān)于超高壓水射流在鉆孔內(nèi)的沖擊特性尚不清楚，相關(guān)技術(shù)裝備改進(jìn)缺乏理論支撐。為此，針對(duì)超高壓水射流在鉆孔內(nèi)的沖擊特性開展數(shù)值模擬研究，為確定合理射流參數(shù)、優(yōu)化操作工藝提供重要依據(jù)。

1 超高壓水射流沖擊理論方程

超高壓水射流切頂技術(shù)，需先向直接頂和基本頂內(nèi)施工鉆孔，再利用超高壓水力切頂設(shè)備在鉆孔內(nèi)進(jìn)行切割作業(yè)，從而形成貫通的切縫結(jié)構(gòu)面。其中流體的連續(xù)性方程如式（1）：

水射流沖擊時(shí)的煤巖受力過程屬于固體力學(xué)范疇，將煤巖體視為均質(zhì)、各向同性的多孔彈性材料，可采用以下應(yīng)變-位移關(guān)系和應(yīng)力平衡方程進(jìn)行描述，如式（2）和式（3）：

式中：εi,j為應(yīng)變張量的分量；di,j、dj,i為位移分量，m；σij,j為應(yīng)力張量的分量，N/m2；fi為體應(yīng)力分量，N/m3。

采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則來表征煤巖體的損傷破壞，通過臨界能量釋放率來計(jì)算損傷特征參數(shù)相場(chǎng)變量φ，φ與臨界能量釋放率G關(guān)系式為：

水射流沖擊鉆孔過程中，周圍煤巖體會(huì)受到巨大的沖擊壓應(yīng)力，當(dāng)沖擊載荷超過破壞閾值時(shí)，煤巖體被破壞并產(chǎn)生裂紋。因而通過計(jì)算臨界能量釋放率來獲得相場(chǎng)變量φ，當(dāng)φ=0～1 時(shí)，表示損傷破壞值，借此可以表示煤巖體損傷破壞程度[9]。

2 超高壓水射流沖擊模型建立

2.1 幾何模型

為了揭示超高壓水射流在鉆孔內(nèi)的沖擊特性，采用了仿真軟件建立超高壓水射流在鉆孔內(nèi)的沖擊模型，如圖1。矩形煤巖體區(qū)域尺寸為2 m×1 m，鉆孔位于煤巖體中下部，直徑為110 mm，鉆孔底部中心為噴嘴，通過改變不同射流壓力與靶距，研究超高壓鉆孔水射流的破煤巖特性。

圖1 幾何模型

2.2 模型參數(shù)設(shè)置及模擬方案

依據(jù)華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲二號(hào)煤礦的煤巖特征，設(shè)置數(shù)值模型材料參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型材料參數(shù)表

依據(jù)超高壓水射流切頂技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)不同射流壓力（20～100 MPa，間隔20 MPa 增加）、不同射流靶距（100～180 mm，間隔20 mm 增加），開展水射流在鉆孔內(nèi)的沖擊模擬仿真，研究超高壓水射流的沖擊特性。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 超高壓水射流的沖擊流態(tài)特性

圖2 為水射流在不同壓力下的沖擊流態(tài)特性，水射流沖擊鉆孔后產(chǎn)生的反射流是一種受限區(qū)域的貼服型射流。從圖中可以看出，不同壓力水射流形態(tài)相似，但沖擊效果隨壓力的增加逐漸顯著。當(dāng)水射流壓力較小時(shí)，僅在軸線中心位置有明顯的流束沖擊現(xiàn)象；而壓力較大的超高壓水射流（80～100 MPa），在軸心線位置、鉆孔壁面位置產(chǎn)生明顯的速度集中區(qū)。此外，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，射流在軸心線位置速度達(dá)到峰值，且隨著到噴嘴距離的增加，軸線速度不斷降低；而在射流沖擊至壁面位置時(shí)，射流轉(zhuǎn)向壁面兩側(cè)回流，其沿沖擊方向流速急劇降低，大量動(dòng)能在此處做功，使煤巖體產(chǎn)生沖擊破壞。

圖2 水射流沖擊流態(tài)特性

3.2 超高壓水射流的沖擊應(yīng)力特性

水射流沖擊鉆孔產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)分布是決定其切割效果的關(guān)鍵，圖3 為水射流在不同壓力下的沖擊應(yīng)力分布。從圖中可以看出，隨著射流壓力的不斷增加，水射流沖擊煤巖體的影響區(qū)域不斷擴(kuò)大，在鉆孔周圍產(chǎn)生的集中應(yīng)力不斷提高。當(dāng)壓力較小時(shí)（20 MPa）時(shí)，水射流沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯；隨壓力增加，鉆孔沖擊點(diǎn)及其兩側(cè)煤巖體開始出現(xiàn)應(yīng)力集中；而射流壓力達(dá)到超高壓狀態(tài)時(shí)，整個(gè)鉆孔區(qū)域內(nèi)的煤巖體均產(chǎn)生了明顯的沖擊應(yīng)力分布，100 MPa 水射流沖擊可在周圍煤巖體內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)15.5 MPa 的沖擊應(yīng)力，可以有效切割破壞煤巖體。因此，采用超高壓水射流能夠滿足預(yù)裂切頂所需的應(yīng)力條件。

圖3 不同壓力水射流沖擊應(yīng)力分布

靶距變化會(huì)對(duì)超高壓水射流的沖擊破煤巖效果有一定影響，圖4 為超高壓水射流在不同靶距下的沖擊應(yīng)力分布。從圖中可以看出，隨著靶距的不斷增加，沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力峰值逐漸減弱，應(yīng)力集中區(qū)的范圍也逐步減小；當(dāng)靶距由100 mm 增大至180 mm 時(shí)，水射流沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力峰值降低為9 MPa，降幅達(dá)42%。因此，使用超高壓水射流切頂時(shí)，應(yīng)根據(jù)靶距變化調(diào)整切割時(shí)間。

圖4 不同靶距水射流沖擊應(yīng)力分布

3.3 超高壓水射流的沖擊損傷特性

水射流的沖擊損傷是其連續(xù)沖擊破壞的基礎(chǔ)，圖5 為水射流在不同壓力下的沖擊損傷分布。沖擊造成的損傷程度范圍為0～1，其中0 表示未造成損傷破壞，1 表示完全破壞。從圖中可以看出，隨著水射流壓力的不斷增加，水射流沖擊鉆孔產(chǎn)生的損傷程度不斷增大，在煤巖體內(nèi)造成的破壞范圍也不斷擴(kuò)大。當(dāng)壓力較小時(shí)（20 MPa）時(shí)，水射流沖擊產(chǎn)生的損傷較小，鉆孔破壞現(xiàn)象不明顯；隨著壓力的增加，損傷破壞區(qū)域逐步顯現(xiàn)；當(dāng)壓力增加至100 MPa時(shí)，鉆孔周圍產(chǎn)生了明顯的損傷破壞。因此，超高壓水射流具有較好的穩(wěn)定性和可控性，切頂時(shí)更易形成貫通的切縫結(jié)構(gòu)面。

圖5 不同壓力水射流沖擊損傷分布

超高壓水射流進(jìn)行切頂過程中，水射流的沖擊靶距隨煤巖體的破壞而不斷增大，圖6 為超高壓水射流在不同靶距下的沖擊損傷分布。從圖中可以看出，靶距變化對(duì)超高壓水射流沖擊損傷分布影響顯著，隨著靶距的不斷增加，沖擊產(chǎn)生的煤巖體損傷峰值逐漸降低，損傷范圍逐步減??；當(dāng)靶距增長(zhǎng)為180 mm 時(shí)，水射流沖擊產(chǎn)生的損傷區(qū)域面積僅是100 mm 靶距的五分之一。因此，超高壓水射流在不同切割深度造成的沖擊損傷情況不同，不同水射流均存在最大切割深度。

圖6 不同靶距水射流沖擊損傷分布

4 結(jié)論

1）超高壓水射流沖擊鉆孔產(chǎn)生了劇烈的能量交換，在軸心線位置、鉆孔壁面位置產(chǎn)生明顯的速度集中區(qū)。

2）水射流壓力對(duì)其沖擊破煤巖效果影響顯著，沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力和損傷隨壓力增加而不斷增大，使得超高壓水射流具備較強(qiáng)的沖擊破煤巖特征，切頂時(shí)更易形成貫通的切縫結(jié)構(gòu)面。

3）沖擊靶距對(duì)超高壓水射流的破煤巖能力影響顯著，隨著靶距的不斷增加，沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力峰值逐漸減弱，煤巖體損傷強(qiáng)度逐漸降低；使用超高壓水射流切頂時(shí)存在最大切割深度，同時(shí)應(yīng)根據(jù)靶距變化調(diào)整切割時(shí)間。