脉动水力参数对裂隙内沉积颗粒运移规律的影响

2022-11-09刘应科问小江陈帅宇叶国庆

煤矿安全 2022年10期

刘应科，问小江，陈帅宇，叶国庆

（中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116）

采动卸压作用可使上覆煤岩层转变为高渗透率的采动裂隙场，为煤层卸压瓦斯流动提供丰富的通道[1-4]。目前，卸压瓦斯抽采已成为我国重要的瓦斯灾害防治措施[5-6]，其中地面采动钻井和井下裂隙带钻孔是常见的卸压瓦斯抽采方式[7]。然而，在卸压瓦斯抽采实践中，井孔内瓦斯流量不可避免地会发生缓慢或突然地下降，缩短了井孔的瓦斯抽采期，严重影响了瓦斯抽采效果。研究表明抽采气流中携带的煤岩颗粒在采动裂隙内的沉积甚至完全阻塞裂隙是导致井孔内瓦斯抽采流量下降的重要原因[8-9]。

为了解决裂隙内颗粒沉积引起的井孔瓦斯抽采流量下降的工程问题，周福宝等[10]提出了基于脉动水力冲刷的阻塞裂隙疏通技术，并成功运用于地面采动钻井瓦斯抽采实践中。当地面钻井瓦斯抽采流量显著下降后，首先向钻井内注入大量清水，然后向钻井内注入压力周期变化的气体，使得气体驱动清水在裂隙中形成脉动水流。脉动水流对沉积颗粒产生强力的冲刷作用，减少了裂隙内沉积颗粒数量，使得钻井的瓦斯抽采流量再次上升。然而，由于脉动水力疏通技术的工艺参数设计主要依赖于工程经验，严重限制了该技术的应用推广。因此，研究脉动水力条件下裂隙内沉积颗粒的运移规律对提高井孔卸压瓦斯抽采量具有重要指导意义。目前，研究人员对气力或水力条件下煤颗粒的运移规律开展了大量研究。蒋华义等[11]研究了水力条件下颗粒在裂隙内的运动行为，分析了水流的“空化效应”对裂隙堵塞模式的影响；孔东玲等[12]采用物理实验的方法研究了煤颗粒在瓦斯气流中的悬浮运动机理，分析了颗粒运移距离随气流速度的变化特性；梁财等[13]研究了输送压力、煤粉粒径和输送气速与气力输送过程中管路局部阻力特性的相关关系；聂超等[14]采用数值模拟的方法，分析了煤粉颗粒在钻杆与孔壁环空内的运移行为，研究了颗粒粒径和气速对颗粒沉积的影响规律。

然而，针对脉动水流条件下采动裂隙内颗粒运移规律的研究还不充分。为此，采用物理实验的方法，研究裂隙内脉动水流的流动特性，分析压力脉动振幅和压力脉动周期对裂隙内沉积颗粒运移质量的影响规律，为脉动水力疏通技术的应用推广提供一定的理论指导。

1 实验方法

1.1 实验颗粒

钻孔孔口放水器内沉积颗粒是裂隙内运移颗粒的代表性颗粒。在山西焦煤集团镇城底煤矿2#煤层22612 工作面顺层钻孔孔口放水器内取样，并测定了样品粒径分布和密度。颗粒粒径分布如图1。

测定结果表明，样品密度为1.84 g/cm3，最大的粒径为1 408 μm。因此，采用了1 180～1 400 μm 焦炭颗粒作为实验颗粒，颗粒粒径算术平均值为1 290 μm。此外，实验颗粒的密度为1.8 g/cm3。

1.2 实验系统

实验系统如图2。

为便于研究，忽略了采动裂隙的表面粗糙度，将采动裂隙简化为光滑的矩形裂隙。矩形裂隙模型由板材料制成，总长3.3 m，裂隙断面宽0.24 m，高0.02 m。矩形裂隙由充分发展段、实验段和出口段组成，各部分之间依靠矩形法兰连接。实验段总长0.5 m，且为了便于实验开始前预置沉积颗粒，实验段设置为可拆卸结构。压差传感器测点分别位于实验段上、下游，测压间距为1 m。

脉动水流参数控制系统包含离心泵、变频器、水泵出口压力传感器和控制器。脉动水流控制系统工作时，压力传感器将水泵出口压力实时传递至控制器，控制器根据脉动水流的设定工况，调节变频器输入频率，进而改变水泵电机转速实现对脉动水流参数（脉动振幅、脉动周期）的控制。

1.3 实验工况

设置8 组裂隙内沉积颗粒的水力冲刷实验，其中包含7 组脉动水力冲刷实验和1 组恒定水力冲刷实验。恒定水力冲刷实验中水流压力为0.16 MPa，并将恒定水力冲刷实验结果作为对照组。脉动水力冲刷实验中，压力脉动形式为二阶型，压力脉动形式如图3。

图3 中：pl为低压阶段水流压力，MPa；ph为高压阶段水流压力，MPa。此外，所有脉动水力冲刷实验中高压均为0.16 MPa。脉动水力冲刷实验参数见表1。

表1 脉动水力冲刷实验参数Table 1 Experimental parameters ofpulsating hydraulic scouring

1.4 实验步骤

脉动水力冲刷实验分为5 个步骤：①开启调节阀3，保持调节阀的开度不变，并向裂隙内注水至满管状态；②打开裂隙实验段顶板，在实验段底部中间区域预置25 g 颗粒，最后将实验段顶板恢复并密封；③切换脉动水流参数控制系统至非恒定流模式，输入高压和低压对应的变频器频率以及实验工况对应的压力脉动周期，开启实验；④待裂隙内无沉积颗粒随流体运移或全部颗粒运移至颗粒收集盒后，停止实验；⑤收集颗粒收集盒内的颗粒，干燥后称重。

由于实验中颗粒为随机采样，为了避免实验误差，不同工况下的沉积颗粒水力冲刷实验共进行3次。不同工况下对应的颗粒运移质量取3 次实验的平均值。

2 实验结果

2.1 脉动水力条件下裂隙内流量及压力脉动特性

以压力脉动振幅0.04 MPa、周期2 s 的脉动水力冲刷实验工况为例（2#实验），裂隙内压差与流量的变化如图4。

由图4 可以看出，脉动水力条件下，裂隙内压差与流量均呈脉动变化。半周期内裂隙内流体流量和压差均较为稳定。如在高压阶段，裂隙内流体的压差在15.11～16.98 Pa 范围内波动，流体瞬时流量在0.62～0.67 m3/h 范围内变化。

裂隙内流动本质上是在压差驱动下发生的，任意周期内裂隙内流量转变点均在时间上落后于压差转变点。因此，为了保证裂隙内水流脉动效应，在脉动水力疏通技术运用过程中，不宜将压力脉动周期设置过短。

2.2 脉动参数对裂隙内平均流速的影响

裂隙内平均流速对沉积颗粒的运移具有重要的影响。以单位周期内流体在高压阶段和低压阶段裂隙内的平均流量为依据，研究裂隙内平均流速随脉动水力参数的变化特性。以压力脉动周期2 s 工况为例，裂隙内平均流速随压力脉动振幅的变化如图5。图中：um为裂隙内平均流速，m/s；p 为压力脉动振幅，MPa。

由图5 可以看出，无压力脉动时，裂隙内平均流速为0.149 6 m/s。当流体转变为脉动水流后，受低压阶段的影响，裂隙内平均流速随脉动振幅增大而显著降低，二者符合线性减小的变化规律。这是由于裂隙内流量随水泵出口压力的减小而降低。不同脉动水流工况下，高压阶段水泵出口压力始终为0.16 MPa，增大压力脉动振幅，减小了流体在低压阶段的水泵出口压力，降低了单位周期内裂隙内流体流量，减小了裂隙内平均流速。

以压力脉动振幅为0.04 MPa 工况为例，平均流速随压力脉动周期的变化如图6。

由图6 可以看出，与恒定水流相比，脉动水流条件下裂隙内平均流速较小。然而与增大压力脉动振幅相比，裂隙内流体平均流速降幅较低。

此外，在脉动水流条件下，增大流体的脉动周期，裂隙内平均流速小幅增大，由脉动周期2 s 时的0.118 m/s 增大至脉动周期6 s 时的0.124 m/s。

2.3 裂隙内颗粒运移规律

颗粒运移质量随压力脉动振幅的变化如图7（周期为2 s）。

由图7 可以看出，当流体无压力脉动时，颗粒运移质量为8.75 g，仅占预置颗粒总质量的35%，表明恒定流动下仅有部分颗粒能够发生起动。进一步地将恒定流转变为非恒定流后，裂隙内颗粒运移质量显著增大。当压力脉动振幅由0 MPa 增大至0.08 MPa 时，颗粒运移质量由8.75 g 增大至18.12 g，增大了1.07 倍。

颗粒运移质量随脉动振幅增大的变化趋势可分为2 个阶段。当压力脉动振幅小于0.06 MPa 时，颗粒运移质量随脉动振幅的变化基本符合线性增大规律。当压力脉动振幅继续增大后，颗粒运移质量随脉动振幅的增大呈缓慢增大的变化趋势。这表明当压力脉动振幅增大至一定值后，继续增大压力脉动振幅将对增大裂隙内颗粒运移质量的影响降低。因此，在实施脉动水力冲刷技术时，不宜设置过大的压力脉动振幅。

结合图5 可以看出，尽管脉动水流下单位周期裂隙内平均流速小于恒定流条件下裂隙平均流速，但脉动水力条件下裂隙内颗粒运移质量均显著大于恒定流条件，表明脉动水流能够显著提高阻塞裂隙的疏通效果。

颗粒运移质量随压力脉动周期的变化如图8（振幅为0.04 MPa）。

由图8 可以看出，与无压力脉动实验工况相比，增大压力脉动周期能够提高裂隙内颗粒运移总质量。以脉动周期2 s 的实验工况为例，裂隙内颗粒运移质量由无脉动时的8.75 g 增大至15.42 g，增大了0.76 倍。

脉动水力条件下，裂隙内颗粒运移总质量随压力脉动周期的增大而减小，但颗粒运移总质量仍大于无脉动时。此外，随着压力脉动周期的增大，颗粒运移质量的降低速率逐渐降低，表明随着压力脉动周期的增大，脉动水流对颗粒运移的促进效应逐渐减弱。特别是当脉动周期增大至8 s 时，裂隙内颗粒运移总质量为10.27 g，仅为无压力脉动实验工况下颗粒运移总质量的1.17 倍。

因此，降低压力脉动周期能够提高裂隙内压力交变频率，提高阻塞裂隙脉动水力疏通效果。但是根据第2.1 小节分析可知，由于裂隙内流量转变点落后于压差转变点，降低压力脉动周期会影响裂隙内水流脉动效应。因此在脉动水力疏通技术应用时，压力脉动周期应设置在合理范围内。