隨鉆水力造穴技術工藝模擬與應用

段賀明，王 毅，金 新，3，魏宏超，，張金寶

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.中南大學，湖南 長沙 410083）

據統計在我國95%以上的高瓦斯與突出礦井開采煤層屬于低透氣煤層，其滲透率僅有10-18～10-19m3[1]，這其中又以碎軟低透性煤層分布為主，而我國的碎軟煤層數量占比可達50%以上[2]。由于煤層透氣性差，僅靠瓦斯自然釋放，其效果難以滿足生產需求，尤其是在碎軟低透煤層中，由于其自身的煤質松軟破碎等屬性，使得煤層瓦斯突出危險性大，嚴重影響正常掘進施工。針對不同特性的煤層，通過不同的增透措施提高煤層透氣性輔助瓦斯抽采，是目前應用最為廣泛、最為有效的瓦斯治理手段。而隨鉆水力造穴技術是適用于碎軟低透性煤層比較好的增透方法。白志華等[3]基于多物質任意拉格朗日-歐拉流固耦合算法建立了水射流沖碎巖石的有限元模型，模擬了不同水流入射速度的情況下破巖過程，并針對文章中材料分析了最優入射速度；宋祖長等[4]基于SPH 算法仿真模擬了高壓水射流破巖的動力學問題，分析破巖過程中水射流能量轉換關系和破巖的演化過程，驗證了該仿真方法的可行性。盧義玉等[5]基于SPH 算法模擬了在不同巖性下，水射流破巖過程中應力波形成傳播過程，分析了射流速度、巖石特性對脈沖應力波效應的影響。基于此，通過理論分析、仿真模擬及現場實驗相結合的方法，基于仿真模擬的結果分析，結合現場實驗數據，研制出1 套鉆沖一體化的水力沖孔鉆具，彌補傳統水力造穴中施工工序復雜、輔助時間長、工人勞動強度大、沖孔鉆具密封性不足等缺點；借助Ls-dyna 分析了水射流破煤時序過程，確定適用于碎軟煤層的沖孔工藝組合參數；為后續正在研發的鉆進-沖孔-完孔一體化的水力造穴技術提供理論支撐和現場應用經驗，希望針對提高碎軟低透氣性煤層的滲透率和瓦斯突出事故災害防治做出貢獻。

1 隨鉆水力沖孔技術原理

為提高瓦斯抽采效率，在碎軟煤層中常用水力沖孔法對煤層經行擴孔增透。隨鉆水力沖孔技術是水力造穴方法的1 種，采用鉆進-沖孔一體化工藝，能夠在不提鉆的情況下，通過水力造穴器的壓力轉換，改變水路。正常鉆進時水流入孔底潤滑鉆具和冷卻鉆頭，通過增大泵壓的方式改變水流方向，水從造穴器側面噴嘴高速噴出經行破煤沖孔作業，即可完成打先導孔和水力沖孔2 道工序。相比較傳統水力造穴的方法，隨鉆水力沖孔技術工藝簡單，操作簡便，能良好的適用于碎軟低透氣性煤層，大大降低了工人勞動強度。該技術通過鉆沖一體化設備將孔內大量煤體及瓦斯沖出，形成直徑較大的洞室，從而有效消除突出應力、釋放瓦斯，提高了煤層的滲透率。

2 高壓水射流噴嘴噴射模擬

2.1 物理模型的建立

傳統噴嘴的主要類型有：平直型噴嘴、錐形噴嘴和錐直型噴嘴[6]。空化型噴嘴主要類型有：錐形噴嘴、中心體噴嘴和收縮-擴張形噴嘴[7]。由于影響噴嘴射流效果的主要因素為流道區域的直徑、收縮角和噴嘴直徑大小等因素決定，因此，研究分別建立傳統噴嘴和空化噴嘴來模擬其噴射效果。經綜合考慮，選定收縮角α=17.4°，入口直徑D=16.5 mm，出口直徑d=2.8 mm，圓柱段長度L=14 mm。噴嘴結構示意圖如圖1。

圖1 噴嘴結構示意圖Fig.1 Nozzle structure diagram

2.2 邊界條件

噴嘴及其外部流場的模型結構如圖2。ABCD 為噴嘴內部流場區域，DEFGHC 為噴嘴外部流場區域。其中：AB 為噴嘴壓力入口，CD 為噴嘴出口端面，DE、EF、GH、HC 均定義為壓力出口邊界。在此邊界條件下，探究高壓水射流噴嘴內外部速度、動壓變化情況。

圖2 噴嘴及其外部流場的模型結構Fig.2 Model structure of the nozzle and its external flow field

2.3 普通/空化噴嘴在淹沒環境下動壓模擬

在其他條件不變的情況下，設置入口壓力為30 MPa，出口處環境壓力為0.1 MPa，在次邊界條件下，選取RNGk-ε 模型來模擬高壓射流動壓的分布[8]。噴嘴軸線上動壓變化圖如圖3。

圖3 噴嘴軸線上動壓變化圖Fig.3 Dynamic pressure variation diagram on nozzle axis

由圖3 可知，在出口處，普通噴嘴的動壓為29.6 MPa，而空化噴嘴在出口處動壓可達31.9 MPa，在初始動壓上空化噴嘴要優于普通噴嘴。2 種噴嘴的等速核長度相差不多，普通噴嘴動壓降到10 MPa 時，噴射距離為36 mm，降到5 MPa 時，噴射距離為47 mm；而空化噴嘴動壓降到10 MPa 時，噴射距離為38 mm，降到5 MPa 時，噴射距離為51 mm，在破壞煤體能力上，空化噴嘴破碎煤體的距離也要優于普通噴嘴。

2.4 噴嘴入口壓力對淹沒射流的影響

一般在煤礦井下選用水力造穴措施時，根據煤體硬度不同適用泵壓一般為10.0～60.0 MPa，但以10～40 MPa 居多。基于此，分別在泵壓15、20、25、30 MPa 條件下進行數值模擬，探究泵壓的變化對高壓射流速度和動壓值的影響。不同泵壓下動壓折線圖如圖4。

圖4 不同泵壓下動壓折線圖Fig.4 Dynamic pressure line graph at different pump pressures

由圖4 可知，在不同射流壓力下的噴嘴軸向動壓變化趨勢與速度變化類似，在噴嘴內部時急劇增大，當在噴嘴出口處時降低。隨著射流壓力的增大，噴嘴的最大動壓、噴嘴出口處動壓顯著增加，核心段、衰減段長度相差不大。若以5 MPa 為破壞煤體的界限壓力，15～30 MPa 的有效破壞煤體的距離分別為38.2、43.3、47.7、51.6 mm。可以看出，隨著泵壓的增大，水射流的有效沖擊距離和破壞能力也隨著泵壓得增大而增大。其次，水射流軸線上沖擊速度隨泵壓增大也在增大。當泵壓是30 MPa 時，噴嘴出口處（橫坐標x=0）射流速度高達253 m/s；泵壓為25 MPa 時，噴嘴出口處速度是231 m/s；泵壓為20 MPa 時，噴嘴出口速度是206 m/s；當泵壓降為15 MPa 時，噴嘴出口處射流速度僅有178 m/s。

3 高壓水射流破煤模擬

通過Ansys/LS-Dyna 軟件對高壓水射流破煤過程進行模擬。在通過數值模擬來解決工程實際問題時，為保證與實際情況絕大程度的貼合，往往在不影響結果前提下對模型做出合理的假設。假設將沖煤介質水認定為帶有相同質量的圓柱顆粒集合體；認定水柱在空氣中不具有擴散性；認定煤體為連續介質體，忽略空隙應力對煤體產生的影響等。將模擬不同速度水射流沖刷破煤這一過程中煤體的損傷情況。

3.1 高壓水射流本構模型

水射流破煤過程中，在高壓水射流算法選擇上，選用SPH 算法模擬，水體材料采用材料庫中的Mat-Null 材料模型，并對水材料模型賦予Grueisen 狀態方程[9]。水射流材料參數及Grueisen 狀態方程參數見表1[10]。

表1 水射流材料參數及Grueisen 狀態方程參數Table 1 Water jet material parameters and Grueisen equation of state parameters

在Ls-dyna 中構建水射流模型時，模擬中代表水射流的SPH 粒子數是預先確定的，計算過程中不會有新粒子生成，原有粒子也不會消失。水柱的體積即是構建模型圓柱的體積，通過圓柱模型的長度和半徑來確定。水射流粒子數在水柱內均勻分布，且每層的粒子數是相等的。水射流直徑確定為40 mm，水柱長度為200 mm，將水柱劃分為50 層，每層均勻分布80 個SPH 粒子。

3.2 水射流破煤三維幾何模型

高壓水射流破煤過程中，煤體材料模型的選擇考慮到其與巖石力學相似性。在模擬煤體時選取Johnson-Holmguist-Concrete 模型，結合參考文獻[11]中H-J-C 模型材料，選取經驗破煤材料參數，其中密度1 549 kg/m3，剪切模量0.58 GPa，單軸抗壓強度9 MPa，規范化最大強度7，允許塑性應變0.01，最大靜水抗拉強度1.86 MPa，壓垮靜水壓力3 MPa，壓垮體積應變8×10-4，極限壓力1 GPa。

在模擬水射流破煤中，將水的密度、速度等物理變量均勻賦值在每個SPH 粒子上，通過粒子與煤體發生相互碰撞作用，水體與煤體之間為點面接觸，并且煤體在高壓水射流沖刷下單元體發生失效刪除，新單元體仍可繼續發生碰撞作用，兩者之間選用“Contact-Eroding-Nodes-to -Surface”類型。煤體三維尺寸設定為300 mm×300 mm×300 mm，總共含有27 000 個單元，高壓水射流破煤幾何模型如圖5。

圖5 高壓水射流破煤幾何模型Fig.5 Geometric model for coal breaking by high pressure water jets

3.3 水射流破煤時序

水射流通過高壓水泵的加壓，在經過細小噴嘴時獲得巨大能量加速垂直沖刷煤體，由于水射流出口速度與泵站壓力、噴嘴結構等多個因素有關，通過Fluent 模擬得出在泵壓30 MPa 時噴嘴出口處射流速度最高可達253 m/s。選取射流250 m/s 的水射流速度來模擬射流破煤的全過程，高壓水射流破煤過程如圖6。

圖6 高壓水射流破煤過程Fig.6 High-pressure water jet breaking process of coal

高壓水射流破煤從開始到結束總共歷時4 ms。開始，高壓水射流在煤體表面形成射流動壓力，動壓力以應力波形式在煤體內部傳遞，此時所形成的損傷坑體四周規整，射流前端水流集中，沒有明顯分散。在0.5 ms 時煤體內部被高壓水射流沖刷縱向深度為90 mm。沖擊1.0 ms 時煤體內部被沖刷至130 mm，煤體損傷主要集中發生在坑底；沖擊時間4.0 ms 時，流體在破碎坑體底部與煤體基本已無發生相互作用，煤體破碎坑體體型基本不發生變化，且沒有被損傷失效刪除的單元發生；在沖擊時間5.0 ms后，射流破煤過程基本停止，沖刷坑體直徑最大為80 mm。

3.4 射流速度對破煤效果的影響

高壓水射流的噴嘴出口速度受泵壓、噴嘴類型、結構等多個因素影響。為探究不同射流速度對破煤效果產生的影響，結合前文中已通過軟件Fluent 模擬出在不同泵壓環境下，噴嘴出口處的射流速度。現將 速 度250、200、150、100、50、25 m/s 分 別 附 加 在SPH 水柱粒子上，不同水射流速度對煤體沖擊情況如圖7。

圖7 不同水射流速度對煤體沖擊情況Fig.7 Impact of coal by different water jet velocities

由圖7 可知，當速度為200 m/s（泵壓20 MPa）時，整個破煤過程持續1.8 ms 左右，此時就可以推導出將鉆機轉速維持在90 r/min 時，可實現破煤效率最大化；當射流速度為150 m/s 時，整個破煤過程為1.5 ms，此時可將鉆機轉速調整到110 r/min 左右。由此可得出在實際水力造穴時，將鉆機轉速維持在90～110 r/min 區間時，可使造穴器充分破煤，避免在同一角度反復沖刷，降低破煤效率。

不同速度水射流破煤損傷單元數變化如圖8，不同速度水射流破煤坑體形態如圖9。

圖8 不同速度水射流破煤坑體形態Fig.8 Different velocity water jet breaking coal pit morphologies

圖9 不同速度水射流破煤坑體形態Fig.9 Different velocity water jet breaking coal pit morphologies

由圖8 和圖9 可知，隨著射流速度的降低，煤體被損傷坑體縱向深度在降低，失效刪除的單元數也在降低。當射流速度為250 m/s 時，損傷坑體縱向長度為210 mm，最大橫向寬度90 mm，損傷單元數為980 個；速度為200 、150 m/s 時，坑體縱向長度分別為140、90 mm，損傷單元數為611 個和384 個，在損傷最大橫向寬度上沒有變化；當射流速度為50 m/s時，煤體損傷深度僅有14 mm；射流速度為25 m/s時，水射流的沖擊力未能引起煤體的損傷破壞，僅使煤體表面發生變形。

4 現場應用

4.1 試驗點介紹

新安煤礦14250 工作面上鄰14230 工作面，下鄰二水平保護煤柱；東鄰14 與12 采區下山保護煤柱；西鄰14 運輸巷。在14250 工作面西部附近存在薄煤帶，見煤點煤厚0.3 m，對掘進有一定影響。14250 工作面水文地質條件相對復雜，主要充水水源為頂板砂巖裂隙水，奧陶系灰巖裂隙承壓水。根據大巷水文孔監測數據，水壓2.25 MPa，水位258 m。14250 工作面底板巖巷最低標高-67 m，底板隔水層平均厚度52 m，突水系數最大0.069 MPa/m，大于臨界突水系數0.06 MPa/m，具有突水危險性，對掘進構成嚴重威脅。在掘進期間需采取超前底板探掩護巷道掘進，工作面回采前需采取底板全覆蓋注漿加固改造底板措施。預計掘進期間正常涌水量5 m3/h，最大涌水量為5～12 m3/h。

4.2 鉆孔結構及鉆具組合

水力造穴鉆孔均自14250 底板巖巷開孔，?113 mm 鉆孔開孔至2 m，采用?153 mm 擴孔鉆頭進行擴孔后下設?127mm，長500 mm 的孔口管，繼續以?113 mm 鉆頭裸孔鉆進至14250 工作面煤層到其頂板巖層后終孔。鉆孔設計示意圖如圖10。

圖10 鉆孔設計示意圖Fig.10 Drill hole design schematic

鉆具組合為：?113 mm 三翼內凹鉆頭（加強型）+?75 mm 水力擴孔器+?73 mm 高壓密封整體螺旋鉆桿+?73 mm 高壓密封送水器。通過模擬和結合室內試驗，最終確定水力造穴器上使用直徑2.8 mm的空化噴嘴，確保在施工過程中孔底處于非淹沒狀態。

4.3 現場試驗及結果

底板穿層水力造穴泄壓抽采鉆孔布置于14250工作面底板巖巷，沿底板巷共布置109 排鉆孔，2 排間距6 m，每排15 孔，設計仰角從6°～89°，設計孔深從13.51～70.14 m，穿煤段長度從3.01～14.33 m。由于實際施工過程中并不能統計所有孔的沖煤量，因此僅展示部分有效孔的數據。現場實鉆情況及沖煤量表2。

表2 現場實鉆情況及沖煤量Table 2 Field actual drilling situation and coal flushing volume

在鉆進成孔階段，介質水起到潤滑鉆具、降溫、攜帶巖屑返排等功能，此時水壓力為2～3 MPa。而在水力造穴階段，通過模擬可知，隨著泵壓的增加，造穴器噴嘴處水射流速度越大，其造穴能力也越強。在煤孔段水力造穴沖煤速率保持在30 min/m，泵壓維持在12～20 MPa，鉆機轉速保持在90～110 r/min區間。試驗期間累計施工鉆孔136 個，總進尺4 919.5 m，其中煤孔段水力造穴總長度1 784.4 m，沖煤量2 212.92 m3，通過計算可得平均沖煤量1.07 t/m。

水力造穴的目的旨在通過增大卸壓洞穴的半徑，使影響半徑也增大，這樣抽采效果會越好，而直接反應卸壓范圍的指標則是沖煤量。

式中：m 為煤體質量，kg；ρ 為煤體的密度，取1.06×103kg/m3；V 為出煤體積，m3；S 為沖煤橫截面積，m2；L 為沖孔深度，m。

式中：D 為擴孔直徑，m；DZ為鉆孔直徑，取0.013 m。

聯立式（1）、式（2）可得：

通過水力造穴沖孔最大可將原常規施工鉆孔直徑擴大約10 倍。

5 結 語

1）空化噴嘴高壓射流經過穩定段穩定后的水射流流速相對集中，擴散小，破煤能力遠由于普通噴嘴。

2）隨著泵壓的增大，噴嘴出口處速度越大，鉆孔單位長度造穴沖煤量與速度呈正相關，煤體的損傷單元數與坑體深度也隨之增大。當速度為25 m/s 時不會對煤體發生破壞。

3）通過模擬與現場試驗結合的方法，在新安煤礦碎軟煤層中，確定沖孔壓力維持在12～20 MPa、轉速保持在90～110 r/min 范圍內，沖孔時間保持在30 min/m 的工藝參數組合下，造穴效果最佳，在保證有一定沖煤量的前提下，可以很好的降低高壓操作帶來的危險性，且對碎軟煤層水力造穴工藝參數的選擇以及鉆進設備的研發提供理論支撐。

4）根據現場試驗期間所統計得沖煤量，得到水力沖孔后直徑擴大為常規鉆孔的約10 倍，使得煤層的透氣性大幅度提高，在煤層中形成的卸壓區域配合瓦斯抽采技術能有效降低煤體地應力及瓦斯壓力。