低透煤層水力割縫錐-柱組合型噴嘴增透技術研究

張金宇

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

我國煤礦深部開采礦井越來越多，采深的加大導致地應力也在增大，使得開采煤層的透氣性越來越差[1-3]，導致工作面回采過程中易發生瓦斯超限甚至瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等事故，對安全高效開采產生一定威脅。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]。但大多專家學者從水力化增透手段來改變煤體的透氣性系數[5]，少數通過改進水力化增透技術的工藝開展研究[6]。本文根據斜溝煤礦18205 高瓦斯低透氣工作面開展實驗研究，改造以往的水力割縫噴嘴[7]，利用改進的水力割縫工藝—錐-柱組合型噴嘴技術，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[8]。

1 理論研究

水力割縫過程中從噴嘴噴出的水射流形態多是湍流狀態，此種形式的水射流擁有不規則性的特點，此外水流具有交換性特點，即水流的質量和能量二者之間會相互轉移。水射流在噴射時滿足動能和質量守恒定律[9]，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換的特點，通過截面可把高壓水內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；v1、v2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。

圖1 水射流隨時間延長而發生的沖擊效果變化

通過應力波破碎理論發現：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、動能和應力波，改變了煤巖體的內部結構，形成發育良好的裂隙，最終破碎煤巖體。當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，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。

圖2 噴射初期時水射流的沖擊波和應力波演化情況

Kinohsiat.T 團隊通過實驗開展基于水射流沖擊煤巖石研究發現：水射流主要成分為無數的水滴和空氣，從噴嘴引射水流擁有很高的動能，當高速沖擊煤巖體時，水射流中空氣被壓縮排空，形成重復擠壓密集狀態，從而產生連續的高速沖擊波。水射流沖擊作用煤體后，隨著水射流的應力波效應逐步削弱最終消失，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力波效應，所以水射流開始破碎局部煤巖體。構建水射流破碎煤巖體的模型如圖3。

圖3 水射流作用煤巖體研究模型

2 數值模擬研究

借助Fluent 軟件模擬分析噴射整個過程的流場變化，依據Fluent 模擬得到的速度云圖研究當噴嘴噴射時水流能量伴隨著時間變化規律。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律，利用Fluent 數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。

圖4 收縮角不同時噴嘴射流沖擊煤體的速率云圖

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能量呈現對稱分布，且噴嘴口處的水射流能量大小和收縮角有關，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律與收縮角相關，當收縮角達到180°時，水射流的射程最短，衰減速度最快，而當收縮角達到30°時，水射流的射程最遠，衰減速度最緩慢。

從收縮角不同時水射流中軸線上的速率變化情況發現，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，當減小收縮角角度時，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境所限制，所采用的噴嘴長度不要太長。綜合圖4 得到，在30°收縮角時，水力割縫增透技術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 工業試驗

以斜溝煤礦18205 綜采工作面為試驗對象。斜溝煤礦位于山西省興縣縣城北50 km 處嵐漪河兩側，隸屬于興縣魏家灘鎮和保德縣南河溝鎮，屬于河東煤田離柳礦區，主采煤層為8#、13#煤，煤層結構簡單，井田南北長約22 km，東西寬約4.5 km，面積82.647 7 km2。礦井為低瓦斯礦井，采用斜井開拓方式。8#煤層厚度3.80～5.50 m，均厚4.70 m，傾角為7.5°～11.4°，平均9.4°。8#煤為自燃煤層，最短自然發火期為87 d，煤塵具有爆炸性。頂板主要為泥巖，底板主要為泥巖和中細粒砂巖。18205工作面標高+520～ +584 m，可采走向長度2800 m，傾斜長264 m。8#煤透氣性系數為0.014 16 m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。8 號煤瓦斯含量為7.36 m3/t，瓦斯壓力為0.57 MPa。2020 年度礦井絕對瓦斯涌出量為11.84 m3/min，相對瓦斯涌出量為0.39 m3/t，瓦斯等級為低瓦斯礦井。18205 回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為14.15 m3/min。18205 工作面瓦斯抽采方式：該工作面決定采用本煤層瓦斯抽采、鄰近層高位裂隙帶抽采、上隅角懸管抽采的方法綜合治理工作面瓦斯。

因此對18205 工作面采取水力化增透措施以提高煤層透氣性系數，利用錐-柱組合型噴嘴開展高壓水力割縫增透技術。

選擇6 個鉆場（10#～15#鉆場）開始試驗，在10#、12#、13#鉆場施工抽采半徑為6 m 的檢驗孔，在11#、14#、15#鉆場施工抽采半徑8 m 的檢驗孔，12#～15#鉆場開展水力割縫增透措施，10#、11#鉆場為對照鉆場，不采取任何煤層增透措施。鉆孔布置如圖5，各鉆場瓦斯抽采純量與抽采時間的變化情況如圖6。

圖5 鉆孔布置

圖6 對比12#、13#鉆場和14#、15#鉆場瓦斯抽采純量

在開展現場煤層增透試驗時，指派專人測量并搜集整理10#～15#鉆場的抽采參數（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5 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果見表1。

表1 各鉆場的平均抽采純量

由表1 發現：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。不同抽采半徑的鉆場增長幅度也不同，12#、13#鉆場（6 m 抽采半徑）與10#、11#鉆場相比，平均抽采純量增加了35.38%；14#、15#鉆場（8 m抽采半徑）與10#、11#鉆場相比，平均抽采純量增加了24.62%；12#、13#鉆場（6 m 抽采半徑）的平均瓦斯抽采純量比14#、15#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#鉆場抽采效果最佳。綜合考慮各因素，決定在18205 工作面推廣使用6 m 抽采半徑的鉆場。

4 結論

（1）數值模擬結果得到：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能量呈現對稱分布，當收縮角達到30°時，水射流的射程最遠，衰減速度最緩慢。

（2）現場試驗發現：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#鉆場（6 m 抽采半徑）的平均瓦斯抽采純量比14#、15#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#鉆場抽采效果最佳。綜合考慮各因素，決定在18205 工作面推廣使用6 m 抽采半徑的鉆場。