外旋射流破煤成孔过程及煤渣粒径分析_刘正杰.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 我国大部分煤层渗透率较低， 瓦斯抽采困难， 抽 采效果较差。如何提高煤层渗透率，解决低渗透性 煤层的瓦斯抽采问题，已成为确保煤矿安全生产， 提高瓦斯抽采效率的关键问题[1-2]。为提高煤层渗透 率，各种水力化增透措施被广泛使用。传统水力冲 孔、水力割缝和水力压裂等措施存在容易堵孔、 垮 孔， 冲孔过程不可控等问题[3-5]。水力喷射钻孔技术 是一种有效和精准的增透方式，该技术以纯水射流 为动力， 钻进煤层， 形成具有一定尺寸的钻孔。能在 原有抽采钻孔的基础上增加煤层暴露面积，改善瓦 斯的流动转态， 提高瓦斯抽采率[6-7]。外旋射流是一 种纯水射流， 其破煤高效、 成孔规则， 在煤矿井下运 用具有很大优势。但对外旋射流钻进的理论研究不 足，破煤成孔过程及煤破坏后煤渣粒径分布的关系 不明确。通过开展外旋射流破煤实验和煤渣粒径分 析实验，分析外旋射流钻进煤层后孔眼形状和煤渣 粒径分布， 达到认识外旋射流钻进煤层的成孔过程， 了解煤破坏后煤渣粒度分布的目的。 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.007 外旋射流破煤成孔过程及煤渣粒径分析 刘正杰 1， 2， 3， 王克全2， 3， 刘延保2， 3， 申 凯 2， 3， 何立鹏2， 3， 高华礼1， 2， 3 （1．煤炭科学研究总院， 北京 100013； 2．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037； 3．中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037） 摘要 为研究外旋射流成孔过程及破煤后煤渣粒径分布， 根据最大拉应变理论和最大切应力 理论， 分析煤在剪应力和拉应力作用下的破坏准则。基于强度 3.65 MPa， 弹性模量 185 MPa， 尺 寸 1 m0.8 m0.8 m 的煤相似材料， 进行不同泵压下的外旋射流破煤实验； 收集煤破坏后的渣 体， 进行粒径分析实验。结果表明 外旋射流破煤钻进速度与成孔孔径随泵压的增大而增大； 在 成孔过程中， 前向射流破煤成孔， 后向射流提供钻进力， 煤破坏主要以拉应力破坏和剪应力破坏 为主。煤破坏后煤渣粒径分布区间为 84～1 061 μm， 泵压越大， 破碎后的煤体粒度越小。 关键词 外旋射流； 相似材料； 破煤实验； 成孔原理； 粒径分析 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0028-04 Coal Holes ing Principle of Rotary Jets and Analysis of Coal Cinder Particle Size LIU Zhengjie1,2,3, WANG Kequan2,3, LIU Yanbao2,3, SHEN Kai2,3, HE Lipeng2,3, GAO Huali1,2,3 （1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China；2.State Key Laboratory of Gas Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China； 3.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China） Abstract In order to study the pore-ing process of the rotary jet and the particle size distribution of the coal cinder after breaking coal. According to the theory of maximum tensile strain and the theory of maximum shear stress, the failure criterion of coal under shear stress and tensile stress is obtained. Based on the strength of 3.65 MPa, elastic modulus of 185 MPa, size of 1 m0.8 m0.8 m coal similar material, the coal breaking experiment under different pump pressures was carried out； the coal cinder from broken coal was collected and the particle size analysis experiment was carried out. The results show that the external drilling jet breaks the coal drilling speed and the pore diameter increases with the increase of the pump pressure. In the pore- ing process, the forward jet breaks the coal, the backward jet reams, and the failure of coal is mainly caused by tensile stress and shear stress. The coal cinder particle size distribution is from 84 μm to 1 061 μm. The larger the pump pressure, the smaller the particle size of the coal cinder. Key words rotary jet； similar material； coal breaking experiment； hole ing principle； particle size analysis 基金项目中煤科工集团重庆研究院自立创新引导重点资助项目 （2018ZDXM05） ； 重 庆 市 技 术 创 新 与 应 用 示 范 资 助 项 目 （cstc2018jscs- msybX0067） ；中煤科工集团重庆研究院科技创新创 业资金专项资助项目 （2018QN005） 28 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 表 1煤相似材料配比表 图 1外旋射流破煤示意图 1外旋射流煤层钻进破煤过程 1.1外旋射流破煤过程 外旋射流对煤体的冲击过程可简化为 2 个阶 段水锤压力阶段和滞止压力阶段。 水锤压力阶段， 在高压流体冲击煤体瞬间， 产生 较大水锤压力，接触部位产生强烈压缩变形。应力 波开始在接触部位产生，并向射流和煤体内部传 播。随着高压流体与煤体接触部位不断拓展，水锤 压力不断下降，最后形成稳定的滞止压力。煤体在 高度压缩状态下迅速卸压，应变能释放在煤体内部 形成拉伸载荷，使煤体发生初始损伤，内部裂隙得 到有效扩张[8-9]。 滞止压力阶段， 高压水进入煤体裂隙， 裂隙尖端 产生应力集中效应，裂隙在水压作用下再次发育， 最终同自由面或原生裂隙贯通， 使煤块整体脱落[10]。 外旋射流破煤示意图如图 1。 假设固体为刚性表面， 射流形状为规则圆柱体， 射流头部为曲面；在冲击过程中，头部紧贴固体表 面展开。根据动量守恒原理， 可得到水锤压力为[9] p1 vρcwρscs （ρcwρscs） （1） 式中 p1为水锤压力， Pa； v 为水射流的冲击速 度， m/s； ρ、 ρs分别为水和煤体的密度， kg/m3； cw、 cs分 别为冲击波在水和煤体中的传播速度， m/s。 滞止压力阶段， 高压流体实现稳定冲击， 滞止压 力的大小只同流体密度和速度相关[10] p2 1 2 ρv2（2） 式中 p2为射流滞止压力， Pa。 1.2煤体破坏准则 在射流水锤压力和滞止压力作用下，煤体主要 以拉伸破坏和剪切破坏为主。所以可根据最大拉应 变和最大剪应力理论， 判断煤体破坏的依据[11]。 根据 最大拉应变理论， 煤体单元最大拉应变为 εmax 1 E [σ3-μ （σ1σ2） ]（3） 式中 εmax为煤体最大拉应变； E 为煤体的弹性 模量， MPa； μ 为泊松比； σ1、 σ2、 σ3为各方向的主应 力， MPa。 当煤体单元 εmax＞εL（εL为煤体最大拉应变临界 值） ， 则该单元破坏失效。 假设主应力中， σ1＞σ2＞σ3，根据最大剪应力理 论， 煤体单元最大剪应力为 τmax 1 2（σ 1-σ3） （4） 式中 τmax为煤体单元最大剪应力， MPa。 当煤体单元的 τmax＞τL（τL为煤体最大剪应力临 界值） ， 则该单元破坏失效。 在最大剪应变和最大拉伸应力的共同校验下， 可引入式 （5） 表示煤体单元的破坏与否。 △Pmax{ εmax εL ， τmax τL }（5 ） 式中 △P 为煤破坏判定权值。 当△P＞1 时， 表示煤体已经破坏失效。 2外旋射流破煤实验研究 2.1实验准备 1） 试件材料配比。试件材料采用煤相似材料， 煤相似材料配比见表 1。在 10 MPa 成型压力下， 选 用 1 m0.8 m0.8 m 的压制模具制作试件。 2） 试件单轴抗压强度实验。用取样机在风干后 的煤试件中取出 φ50 mm100 mm 尺寸的标准件， 以 2 mm/min 的速度加载至破坏。 根据实验记录应力应变数据，绘制了整个加载 过程中试件的应力-应变图，得到煤破坏过程中应 力与变形之间的关系， 试件应力应变图如图 2。 根据 实验结果，得到相似材料的单轴抗压强度为 3.65 MPa， 弹性模量 185 MPa。 2.2外旋射流破煤实验 外旋射流破煤实验系统由供水系统（最高工作 压力 60 MPa 的高压泵和水箱） 、 射流系统 （高压管 路和外旋喷头） 和煤相似材料试件组成。其基本原 理是 高压泵供水， 利用喷头节流作用， 形成高压外 旋射流， 外旋射流冲击煤体， 使煤体发生破坏。外旋 射流破煤实验系统如图 3。 原材料水泥砂子水活性炭煤粉 质量比/％75.58.50.8478.16 29 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 表 2破煤实验参数表 图 4外旋射流成孔示意图 图 3外旋射流破煤实验系统图 图 2试件应力应变图 实验采用外旋喷头，前向孔角度分别为 20、 30、 60，直径 0.8 mm；后向孔直径 1.2 mm，角度 45， 孔向外侧偏斜， 给喷头提供旋转的切向力和钻 进力。喷头流量 Q 与泵压 p 关系 Q0.768 3ln （p2.621） -7.205（6） 式中 Q 为流量， L/min； p 为高压泵压力， MPa。 完成实验准备后， 打开高压泵， 调节压力到 30 MPa， 利用一定推力推动喷头向前钻进煤层， 直到喷 头穿过试件， 记录钻进过程时间。实验完成后， 收集 煤渣并贴标签保存，并清除煤渣收集箱内剩余渣 体。 重新打开高压泵， 压力调节到 35 MPa， 另选钻进 位置， 重复上述步骤， 完成实验。 2.3破煤实验结果 破煤实验参数见表 2。从 2 组实验数据中可以 看出， 泵压越大， 喷头流量越大。钻进速度和孔径大 小随泵压的增大而增大。 外旋射流破煤后成孔为规则圆形。孔壁上连续 排列环形槽， 槽间不相连。钻进端为 “台阶状” 结构， “台阶” 截面为 “锲体状” ， 钻进端尽头为 “锥状” 结 构， 外旋射流成孔示意图如图 4。 在外旋射流破煤过程中，喷头在钻进力和推力 作用下抵住煤壁。前端受压，后向孔处于未完全打 开状态，射流压力主要集中在喷头前端孔。在不同 角度前向孔射流的冲击作用下， 煤体发生破坏， 形成 “锲体状” 和 “锥状” 煤体。 当喷头破煤后， 喷头前端向前伸出， 后向孔完全 打开， 射流压力集中在后向孔。在这个阶段， 后向射 流有效喷距增加， 冲击煤层， 形成环形槽。在增大的 钻进力和推力作用下喷头再次向前抵住煤壁，重复 上述过程， 形成连续环形槽状钻孔。 3煤渣粒径分析实验 分别将 2 次收集的煤渣烘干， 然后混合均匀， 进 行称重， 每种煤样 3 份， 每份 15 g。具体煤样数据见 表 3。 粒径分析仪由粒径分析系统、 供气系统、 数据处 理系统组成。将各组煤样通过上端漏斗倒进震动 槽，通过震动使煤样均匀铺在槽中并向右端缓慢滚 动， 到右端测量口往下坠落， 下端激光扫描系统记录 表 3煤样数据表 泵压/MPa煤渣质量/g 30 15.01 15.02 15.02 35 15.01 15.00 15.00 1-水箱； 2-过滤器； 3-高压泵操作台； 4-高压泵； 5-压力表； 6-安全阀； 7-喷头； 8-煤试件； 9-煤渣收集箱 1-前向孔射流； 2-后向孔射流； 3-喷头； 4-煤层； 5-喷头接头 泵压/MPa 高压泵流量/ （L min-1） 钻进时间/s 钻进速度/ （m min-1） 成孔直径/ mm 3019.6610.9830 3520.7461.3032 30 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 530 MPa 与 35 MPa 煤渣粒径分布对比图 粒径数据。 经过煤样粒径分析，得出煤样粒径分布， 30 MPa 与 35 MPa 煤渣粒径分布对比如图 5。 从图 5 可以看出，旋转喷头破煤后煤渣粒径主 要分布区间为 841 061 μm。 在泵压 30 MPa 的条件 下， 煤渣粒度分布区间在 84267 μm 的粒子数占粒 子总量的 68.96％；粒度分布在 2681 061 μm 的粒 子数占粒子总量的 30.63％；粒径大于 1 061 μm 的 粒子数， 占粒子总量的 0.41％。 在泵压 35 MPa 的条件下，煤渣粒度分布区间 在 84267 μm 的粒子数占粒子总量的 81.68％； 粒 度分布在 2681 061 μm 的粒子数占粒子总量的 18.15％； 粒径大于 1 061 μm 的粒子数， 占粒子总量 的 0.17％。 对比 2 组数据， 可得出泵压越大， 煤体破碎后粒 度越小； 反之， 泵压越小， 煤体破碎后粒度越大。 4结论 1 ） 外旋射流主要以拉-剪应力破煤。在射流冲 击开始阶段，瞬间的水锤压力使煤体高度压缩。随 时间推移，水锤压力逐渐降低为滞止压力，煤体内 部卸压，应变能释放，产生初始破坏。滞止压力阶 段， 高压水进入煤体裂隙， 裂隙尖端产生应力集中效 应，裂隙再次发育，最终同自由面或原生裂隙贯通 使煤块整体脱离。 2） 外旋射流钻进效率和成孔直径随泵压的增大 而增大， 成孔为规则圆形， 孔壁上连续排列环形槽， 槽间不相连。外旋射流破煤过程中，喷头压力集中 于前向射流，不同角度的前向射冲击流破煤，形成 “锲体状” 和 “锥状” 煤体。煤体破坏后， 后向射流压 力增加，冲击煤层提供喷头前进钻进力，并形成环 形槽。 3 ） 外旋射流破煤后渣体粒径主要分布区间为84 1 061 μm， 泵压力越高， 煤破碎后渣体粒径越小。 参考文献 ［1］ 袁亮． 低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究 ［J］ ． 岩石力学与工程学报， 2008 （7） 1370－1379． ［2］ 程远平， 付建华， 俞启香．中国煤矿瓦斯抽采技术的发 展 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2009， 26 （2） 127－139． ［3］ 郝从猛， 刘洪永， 程远平．穿层水力造穴钻孔瓦斯抽采 效果数值模拟研究 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （5） 1－4． ［4］ 秦江涛， 陈玉涛， 黄文祥．高压水力压裂和二氧化碳相 变致裂联合增透技术 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （7） 80－84． ［5］ 袁亮， 林柏泉， 杨威．我国煤矿水力化技术瓦斯治理研 究进展及发展方向 ［J］ ．煤炭科学技术， 2015， 43 （1） 45－49． ［6］ 廖华林， 李根生， 熊伟．超高压水射流辅助破岩钻孔研 究进展 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2002 （S2） 2583. ［7］ 李倩．高压水射流在松软煤层中钻深长孔的实验研究 ［D］ ．重庆 重庆大学， 2008． ［8］ 顾北方．高压水射流割缝煤体损伤演化规律研究与应 用 ［D］ ．北京 中国矿业大学 （北京） ， 2016． ［9］ 周哲．组合射流冲击破碎煤岩成孔机理及工艺研究 ［D］ ．重庆 重庆大学， 2017． ［10］ 张永将， 孟贤正， 季飞．顺层长钻孔超高压水力割缝 增透技术研究与应用 ［J］ ．矿业安全与环保， 2018， 45 （5） 1－5． ［11］ 梁运培．高压水射流钻孔破煤原理研究 ［D］ ．青岛 山 东科技大学， 2007． 作者简介 刘正杰 （1996） ， 男， 贵州黔西人， 煤炭科学 研究总院在读硕士研究生， 研究方向为煤岩瓦斯灾害防治。 （收稿日期 2019-04-19； 责任编辑 王福厚） 31 ChaoXing