锥-柱组合型喷嘴割缝增透技术在中兴矿的应用研究

雷建华

（山西焦煤集团有限责任公司安全生产管理中心，山西 太原030000）

0 引言

伴随着国民经济的持续稳定发展，需求的煤炭资源越来越多，导致煤矿开采趋于深部开采，采深的加大导致地应力的也在增大，使得开采煤层的透气性越来越差[1-3]，此时工作面回采过程中易发生瓦斯超限甚至瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等严重事故，对安全高效开采产生一定威胁。鉴于此，为了提高煤层透气性解决抽采效率低下的问题，科研工作者开展了大量的研究[4-5]。

周西华等人在晋能控股公司马堡煤业公司开展水力压裂实验，大幅度显提高了瓦斯抽采浓度和抽采流量，取得了良好卸压增透效果[6]。张永将等人通过水力压裂技术来提高煤层透气性，并借助R F PA 2D-F low软件模拟研究增透效果，数值模拟结果与现场实际基本一致，明显改变了瓦斯抽采率低下的现状[7]。刘生龙等人针对目前由水力割缝技术形成的致裂裂缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律不明确，采用颗粒流模拟方法（P F C2D）对内含不同角度单缝及不同空间排布方式多缝的煤体开展了单轴压缩数值模拟试验，提出评价煤层割缝卸压增透效果的2个指标，确定了有利于煤层卸压增透的割缝最优空间分布模式，即α为90°的多条割缝以45°的排布角(β)交错分布[8]。

大多专家学者从水力化增透手段来改变煤体的透气性系数，少数通过改进水力化增透技术的工艺开展研究[9-10]。本文根据中兴矿1415高瓦斯低透气工作面开展实验研究[11]，改造以往的水力割缝喷嘴，利用改进的水力割缝工艺-锥-柱组合型喷嘴技术，通过分析瓦斯抽采流量研究水力割缝锥-柱组合型喷嘴作用于煤体后的增透效果。

1 理论研究

水力割缝过程中从喷嘴喷出的水射流形态多是湍流状态，此种形式的水射流拥有不规则性的特点，此外水流具有交换性特点，即水流的质量和能量二者之间会相互转移[12-13]。水射流在喷射时满足动量和质量守恒定律[14]，用公式表达如下：

式中：ρ为流体密度，kg/m3；μx、μy、μz为流体在不同方向运动的速度，m/s。

锥-柱型喷嘴拥有能量转换的特点，通过截面可把高压水内部的能量集合到一起，以增加动能，确保水流从喷嘴喷射出后拥有较高的动能，从而将更大的冲击力作用于煤体，不考虑喷嘴喷口和冲击煤体处的高度差距，结合水射流的机械能守恒原理，满足下式：

式中：p1、p2为入口处、出口处高压水静压，Pa；ρ1、ρ2为入口处、出口处高压水密度，kg/m3；ν1、ν2为入口处、出口处流体速度，kg/m3。

高压水射流从喷嘴射出后作用于煤体所产生的冲击效果主要分为水锤压力过程、滞止压力过程，具体过程如图1所示。

图1 水射流随时间延长而发生的冲击效果变化

通过应力波破碎理论发现：高压水射流之所以可以破碎煤岩体是因为其冲击煤岩体时会形成动力载荷、动能和应力波，改变了煤岩体的内部结构，形成发育良好的裂隙，最终破碎煤岩体。当高压水作用于煤岩体时，在射流中心位置的水射流接触煤体后开始相互反弹碰撞，周边的水射流运动受限从而运移至接触界面以外，但中轴线处的水射流为强密度受压状态，以冲击波形式作用于煤岩体，水射流高速运移到周边处，具体演化过程如图2所示。

图2 喷射初期时水射流的冲击波和应力波演化情况

K inohsiat.T团队通过实验开展基于水射流冲击煤岩石研究发现：水射流主要成分为无数的水滴和空气，从喷嘴引射水流拥有很高的动能，当高速冲击煤岩体时，水射流中空气被压缩排空，形成重复挤压密集状态，从而产生连续的高速冲击波[15]。水射流冲击作用煤体后，随着水射流的应力波效应逐步削弱最终消失，原因是煤体自身存在一定的弹塑性，二者接触后，逐渐降低了水射流的应力波效应，所以水射流开始破碎局部煤岩体，构建水射流破碎煤岩体的模型如图3所示。

2 数值模拟研究

借助F luent软件模拟分析喷射整个过程的流场变化，依据F luent模拟得到的速度云图研究当喷嘴喷射时水流能量伴随着时间变化规律。想获得在整个喷射过程收缩角与水流速度之间的衰减变化规律，利用F luent数值模拟软件建立收缩角为15°、30°、60°、90°和180°的喷嘴射流冲击煤体的模型，并分析其速率云图，具体变化情况如图4所示，收缩角不同时水射流中轴线上的速率变化如图5所示。

图5 收缩角不同时水射流中轴线上的速率变化情况

由图4得到，位于喷嘴附近的水射流能量最大，伴随着水射流逐渐远离喷口，其能量也在逐步减弱，在水射流的中轴线两侧能量呈现对称分布，且喷嘴口处的水射流能量大小和收缩角有关，在180°收缩角时水射流的能量最小，在15°、30°收缩角时水射流的能量几乎相等，且水射流射程的衰减规律与收缩角相关，当收缩角达到180°时，水射流的射程最短，衰减速度最快，而当收缩角达到30°时，水射流的射程最远，衰减速度最缓慢。

图4 收缩角不同时喷嘴射流冲击煤体的速率云图

从图5发现，逐步增大收缩角时，位于喷嘴周围的水射流速率逐步变小，由于喷嘴收缩段的距离跟收缩角相关，当减小收缩角角度时，喷嘴收缩段的距离也在变短，受到工作面开展水力割缝的环境所限制，所采用的喷嘴长度不要太长。综合图4和图5得到，在30°收缩角时，水力割缝增透技术所采用的喷嘴聚能效果最佳，衰减能量比较少。所以建议采用30°收缩角的喷嘴开展水力割缝增透试验。

3 工业试验

山西焦煤集团汾西矿业中兴矿原为山西晋煤实业开发公司在交城县创办的聚鑫煤矿。中兴矿于2003年1月27日投产，井田位于山西省交城县岭底乡郭家庄以北至柏崖头、光足上以南，距交城县约10 km，行政区划属交城县岭底乡管辖。属太原西山矿区清徐详查勘探区的一部分，中兴矿矿井绝对瓦斯涌出量为55.10 m3/min，相对瓦斯涌出量为21.67 m3/t，属高瓦斯矿井，煤尘具有爆炸性，自燃等级为II类，倾向性质为自燃，1415综采工作面位于4号煤层一采区，工作面走向长度为1 000 m，切眼长度为200 m，煤层厚度1.6～2.0 m，均厚1.8 m，平均倾角7°，煤层直接顶为砂质泥岩，均厚4.5 m，基本顶为砂岩，均厚10 m，直接底为炭质泥岩，均厚0.5 m，基本底为砂岩，均厚1.8 m，1415工作面采用沿空留巷Y型通风。预计该工作面在初采期间绝对瓦斯涌出量18～18.5 m3/min，4号煤透气性系数较低，为高瓦斯低透性煤层。因此对1415工作面采取水力化增透措施以提高煤层透气性系数，利用锥-柱组合型喷嘴开展高压水力割缝增透技术。

选择6个钻场（10-15号钻场）开始试验，在10、12、13号钻场施工抽采半径为6 m的检验孔，在11、14、15号钻场施工抽采半径8 m的检验孔，12-15号钻场开展水力割缝增透措施，10、11号钻场为对照钻场，不采取任何煤层增透措施。各钻场瓦斯抽采纯量与抽采时间的变化情况如图6-8所示。

图6 对比10号不割缝钻场和12、13号钻场抽采纯量

图7 对比11#不割缝钻场和14#、15#钻场抽采纯量

在开展现场煤层增透试验时，指派专人测量并搜集整理10-15号钻场的抽采参数（钻孔瓦斯抽采浓度、纯量、负压）。通过分析每个钻场的瓦斯纯量，从图6-图8得到：采取水力割缝增透措施后的钻场瓦斯抽采纯量明显超过未采取增透措施的钻场；对比分析6 m抽采半径的钻场与8 m抽采半径的钻场，随着抽采时间的延长，钻场抽采纯量出现交替性变化。未采取增透措施的钻场和采用水力割缝增透措施的钻场平均瓦斯抽采纯量结果见表1。

图8 对比12、13号钻场和14、15号钻场瓦斯抽采纯量

表1 各钻场的平均抽采纯量

由表1发现：实施水力割缝增透措施后的钻场瓦斯抽采纯量明显比未开展水力割缝增透措施的钻场高，其中不同抽采半径的钻场增长幅度也不同，12、13号钻场（6 m抽采半径）与10、11号钻场相比，平均抽采纯量增加了35.38%；14、15号钻场（8m抽采半径）与10、11号钻场相比，平均抽采纯量增加了24.62%；12、13号钻场（6 m抽采半径）的平均瓦斯抽采纯量比14、15号钻场（8 m抽采半径）增加了0.07 m3/min，因此6 m抽采半径的12、13号钻场抽采效果最佳。

4 结论

1）数值模拟结果得到：位于喷嘴周围的水射流能量达到最大，伴随着水射流逐渐远离喷口，其能量在逐步减弱，在水射流的中轴线两侧能量呈现对称分布，当收缩角达到30°时，水射流的射程最远，衰减速度最缓慢。

2）现场试验发现：实施水力割缝增透措施后的钻场瓦斯抽采纯量明显比未开展水力割缝增透措施的钻场高，12、13号钻场（6 m抽采半径）的平均瓦斯抽采纯量比14、15号钻场（8 m抽采半径）增加了0.07 m3/min，因此6m抽采半径的12、13号钻场抽采效果最佳。综合考虑各因素，决定在1415工作面推广使用6 m抽采半径的钻场。