錐-柱組合型噴嘴割縫增透技術(shù)在中興礦的應(yīng)用研究

雷建華

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

0 引言

伴隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，需求的煤炭資源越來越多，導(dǎo)致煤礦開采趨于深部開采，采深的加大導(dǎo)致地應(yīng)力的也在增大，使得開采煤層的透氣性越來越差[1-3]，此時工作面回采過程中易發(fā)生瓦斯超限甚至瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等嚴重事故，對安全高效開采產(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題，科研工作者開展了大量的研究[4-5]。

周西華等人在晉能控股公司馬堡煤業(yè)公司開展水力壓裂實驗，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]。張永將等人通過水力壓裂技術(shù)來提高煤層透氣性，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)場實際基本一致，明顯改變了瓦斯抽采率低下的現(xiàn)狀[7]。劉生龍等人針對目前由水力割縫技術(shù)形成的致裂裂縫空間分布模式對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）對內(nèi)含不同角度單縫及不同空間排布方式多縫的煤體開展了單軸壓縮數(shù)值模擬試驗，提出評價煤層割縫卸壓增透效果的2個指標(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)交錯分布[8]。

大多專家學(xué)者從水力化增透手段來改變煤體的透氣性系數(shù)，少數(shù)通過改進水力化增透技術(shù)的工藝開展研究[9-10]。本文根據(jù)中興礦1415高瓦斯低透氣工作面開展實驗研究[11]，改造以往的水力割縫噴嘴，利用改進的水力割縫工藝-錐-柱組合型噴嘴技術(shù)，通過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，此外水流具有交換性特點，即水流的質(zhì)量和能量二者之間會相互轉(zhuǎn)移[12-13]。水射流在噴射時滿足動量和質(zhì)量守恒定律[14]，用公式表達如下：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；μx、μy、μz為流體在不同方向運動的速度，m/s。

錐-柱型噴嘴擁有能量轉(zhuǎn)換的特點，通過截面可把高壓水內(nèi)部的能量集合到一起，以增加動能，確保水流從噴嘴噴射出后擁有較高的動能，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程、滯止壓力過程，具體過程如圖1所示。

圖1 水射流隨時間延長而發(fā)生的沖擊效果變化

通過應(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為其沖擊煤巖體時會形成動力載荷、動能和應(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，在射流中心位置的水射流接觸煤體后開始相互反彈碰撞，周邊的水射流運動受限從而運移至接觸界面以外，但中軸線處的水射流為強密度受壓狀態(tài)，以沖擊波形式作用于煤巖體，水射流高速運移到周邊處，具體演化過程如圖2所示。

圖2 噴射初期時水射流的沖擊波和應(yīng)力波演化情況

K inohsiat.T團隊通過實驗開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數(shù)的水滴和空氣，從噴嘴引射水流擁有很高的動能，當(dāng)高速沖擊煤巖體時，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)的高速沖擊波[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過程的流場變化，依據(jù)F luent模擬得到的速度云圖研究當(dāng)噴嘴噴射時水流能量伴隨著時間變化規(guī)律。想獲得在整個噴射過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°收縮角時水射流的能量最小，在15°、30°收縮角時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)收縮角達到180°時，水射流的射程最短，衰減速度最快，而當(dāng)收縮角達到30°時，水射流的射程最遠，衰減速度最緩慢。

圖4 收縮角不同時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，位于噴嘴周圍的水射流速率逐步變小，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，噴嘴收縮段的距離也在變短，受到工作面開展水力割縫的環(huán)境所限制，所采用的噴嘴長度不要太長。綜合圖4和圖5得到，在30°收縮角時，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°收縮角的噴嘴開展水力割縫增透試驗。

3 工業(yè)試驗

山西焦煤集團汾西礦業(yè)中興礦原為山西晉煤實業(yè)開發(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，中興礦礦井絕對瓦斯涌出量為55.10 m3/min，相對瓦斯涌出量為21.67 m3/t，屬高瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，自燃等級為II類，傾向性質(zhì)為自燃，1415綜采工作面位于4號煤層一采區(qū)，工作面走向長度為1 000 m，切眼長度為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)計該工作面在初采期間絕對瓦斯涌出量18～18.5 m3/min，4號煤透氣性系數(shù)較低，為高瓦斯低透性煤層。因此對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-柱組合型噴嘴開展高壓水力割縫增透技術(shù)。

選擇6個鉆場（10-15號鉆場）開始試驗，在10、12、13號鉆場施工抽采半徑為6 m的檢驗孔，在11、14、15號鉆場施工抽采半徑8 m的檢驗孔，12-15號鉆場開展水力割縫增透措施，10、11號鉆場為對照鉆場，不采取任何煤層增透措施。各鉆場瓦斯抽采純量與抽采時間的變化情況如圖6-8所示。

圖6 對比10號不割縫鉆場和12、13號鉆場抽采純量

圖7 對比11#不割縫鉆場和14#、15#鉆場抽采純量

在開展現(xiàn)場煤層增透試驗時，指派專人測量并搜集整理10-15號鉆場的抽采參數(shù)（鉆孔瓦斯抽采濃度、純量、負壓）。通過分析每個鉆場的瓦斯純量，從圖6-圖8得到：采取水力割縫增透措施后的鉆場瓦斯抽采純量明顯超過未采取增透措施的鉆場；對比分析6 m抽采半徑的鉆場與8 m抽采半徑的鉆場，隨著抽采時間的延長，鉆場抽采純量出現(xiàn)交替性變化。未采取增透措施的鉆場和采用水力割縫增透措施的鉆場平均瓦斯抽采純量結(jié)果見表1。

圖8 對比12、13號鉆場和14、15號鉆場瓦斯抽采純量

表1 各鉆場的平均抽采純量

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

4 結(jié)論

1）數(shù)值模擬結(jié)果得到：位于噴嘴周圍的水射流能量達到最大，伴隨著水射流逐漸遠離噴口，其能量在逐步減弱，在水射流的中軸線兩側(cè)能量呈現(xiàn)對稱分布，當(dāng)收縮角達到30°時，水射流的射程最遠，衰減速度最緩慢。

2）現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)：實施水力割縫增透措施后的鉆場瓦斯抽采純量明顯比未開展水力割縫增透措施的鉆場高，12、13號鉆場（6 m抽采半徑）的平均瓦斯抽采純量比14、15號鉆場（8 m抽采半徑）增加了0.07 m3/min，因此6m抽采半徑的12、13號鉆場抽采效果最佳。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。