脈動水力參數對裂隙內沉積顆粒運移規律的影響

劉應科，問小江，陳帥宇，葉國慶

（中國礦業大學安全工程學院，江蘇徐州 221116）

采動卸壓作用可使上覆煤巖層轉變為高滲透率的采動裂隙場，為煤層卸壓瓦斯流動提供豐富的通道[1-4]。目前，卸壓瓦斯抽采已成為我國重要的瓦斯災害防治措施[5-6]，其中地面采動鉆井和井下裂隙帶鉆孔是常見的卸壓瓦斯抽采方式[7]。然而，在卸壓瓦斯抽采實踐中，井孔內瓦斯流量不可避免地會發生緩慢或突然地下降，縮短了井孔的瓦斯抽采期，嚴重影響了瓦斯抽采效果。研究表明抽采氣流中攜帶的煤巖顆粒在采動裂隙內的沉積甚至完全阻塞裂隙是導致井孔內瓦斯抽采流量下降的重要原因[8-9]。

為了解決裂隙內顆粒沉積引起的井孔瓦斯抽采流量下降的工程問題，周福寶等[10]提出了基于脈動水力沖刷的阻塞裂隙疏通技術，并成功運用于地面采動鉆井瓦斯抽采實踐中。當地面鉆井瓦斯抽采流量顯著下降后，首先向鉆井內注入大量清水，然后向鉆井內注入壓力周期變化的氣體，使得氣體驅動清水在裂隙中形成脈動水流。脈動水流對沉積顆粒產生強力的沖刷作用，減少了裂隙內沉積顆粒數量，使得鉆井的瓦斯抽采流量再次上升。然而，由于脈動水力疏通技術的工藝參數設計主要依賴于工程經驗，嚴重限制了該技術的應用推廣。因此，研究脈動水力條件下裂隙內沉積顆粒的運移規律對提高井孔卸壓瓦斯抽采量具有重要指導意義。目前，研究人員對氣力或水力條件下煤顆粒的運移規律開展了大量研究。蔣華義等[11]研究了水力條件下顆粒在裂隙內的運動行為，分析了水流的“空化效應”對裂隙堵塞模式的影響；孔東玲等[12]采用物理實驗的方法研究了煤顆粒在瓦斯氣流中的懸浮運動機理，分析了顆粒運移距離隨氣流速度的變化特性；梁財等[13]研究了輸送壓力、煤粉粒徑和輸送氣速與氣力輸送過程中管路局部阻力特性的相關關系；聶超等[14]采用數值模擬的方法，分析了煤粉顆粒在鉆桿與孔壁環空內的運移行為，研究了顆粒粒徑和氣速對顆粒沉積的影響規律。

然而，針對脈動水流條件下采動裂隙內顆粒運移規律的研究還不充分。為此，采用物理實驗的方法，研究裂隙內脈動水流的流動特性，分析壓力脈動振幅和壓力脈動周期對裂隙內沉積顆粒運移質量的影響規律，為脈動水力疏通技術的應用推廣提供一定的理論指導。

1 實驗方法

1.1 實驗顆粒

鉆孔孔口放水器內沉積顆粒是裂隙內運移顆粒的代表性顆粒。在山西焦煤集團鎮城底煤礦2#煤層22612 工作面順層鉆孔孔口放水器內取樣，并測定了樣品粒徑分布和密度。顆粒粒徑分布如圖1。

測定結果表明，樣品密度為1.84 g/cm3，最大的粒徑為1 408 μm。因此，采用了1 180～1 400 μm 焦炭顆粒作為實驗顆粒，顆粒粒徑算術平均值為1 290 μm。此外，實驗顆粒的密度為1.8 g/cm3。

1.2 實驗系統

實驗系統如圖2。

為便于研究，忽略了采動裂隙的表面粗糙度，將采動裂隙簡化為光滑的矩形裂隙。矩形裂隙模型由板材料制成，總長3.3 m，裂隙斷面寬0.24 m，高0.02 m。矩形裂隙由充分發展段、實驗段和出口段組成，各部分之間依靠矩形法蘭連接。實驗段總長0.5 m，且為了便于實驗開始前預置沉積顆粒，實驗段設置為可拆卸結構。壓差傳感器測點分別位于實驗段上、下游，測壓間距為1 m。

脈動水流參數控制系統包含離心泵、變頻器、水泵出口壓力傳感器和控制器。脈動水流控制系統工作時，壓力傳感器將水泵出口壓力實時傳遞至控制器，控制器根據脈動水流的設定工況，調節變頻器輸入頻率，進而改變水泵電機轉速實現對脈動水流參數（脈動振幅、脈動周期）的控制。

1.3 實驗工況

設置8 組裂隙內沉積顆粒的水力沖刷實驗，其中包含7 組脈動水力沖刷實驗和1 組恒定水力沖刷實驗。恒定水力沖刷實驗中水流壓力為0.16 MPa，并將恒定水力沖刷實驗結果作為對照組。脈動水力沖刷實驗中，壓力脈動形式為二階型，壓力脈動形式如圖3。

圖3 中：pl為低壓階段水流壓力，MPa；ph為高壓階段水流壓力，MPa。此外，所有脈動水力沖刷實驗中高壓均為0.16 MPa。脈動水力沖刷實驗參數見表1。

表1 脈動水力沖刷實驗參數Table 1 Experimental parameters ofpulsating hydraulic scouring

1.4 實驗步驟

脈動水力沖刷實驗分為5 個步驟：①開啟調節閥3，保持調節閥的開度不變，并向裂隙內注水至滿管狀態；②打開裂隙實驗段頂板，在實驗段底部中間區域預置25 g 顆粒，最后將實驗段頂板恢復并密封；③切換脈動水流參數控制系統至非恒定流模式，輸入高壓和低壓對應的變頻器頻率以及實驗工況對應的壓力脈動周期，開啟實驗；④待裂隙內無沉積顆粒隨流體運移或全部顆粒運移至顆粒收集盒后，停止實驗；⑤收集顆粒收集盒內的顆粒，干燥后稱重。

由于實驗中顆粒為隨機采樣，為了避免實驗誤差，不同工況下的沉積顆粒水力沖刷實驗共進行3次。不同工況下對應的顆粒運移質量取3 次實驗的平均值。

2 實驗結果

2.1 脈動水力條件下裂隙內流量及壓力脈動特性

以壓力脈動振幅0.04 MPa、周期2 s 的脈動水力沖刷實驗工況為例（2#實驗），裂隙內壓差與流量的變化如圖4。

由圖4 可以看出，脈動水力條件下，裂隙內壓差與流量均呈脈動變化。半周期內裂隙內流體流量和壓差均較為穩定。如在高壓階段，裂隙內流體的壓差在15.11～16.98 Pa 范圍內波動，流體瞬時流量在0.62～0.67 m3/h 范圍內變化。

裂隙內流動本質上是在壓差驅動下發生的，任意周期內裂隙內流量轉變點均在時間上落后于壓差轉變點。因此，為了保證裂隙內水流脈動效應，在脈動水力疏通技術運用過程中，不宜將壓力脈動周期設置過短。

2.2 脈動參數對裂隙內平均流速的影響

裂隙內平均流速對沉積顆粒的運移具有重要的影響。以單位周期內流體在高壓階段和低壓階段裂隙內的平均流量為依據，研究裂隙內平均流速隨脈動水力參數的變化特性。以壓力脈動周期2 s 工況為例，裂隙內平均流速隨壓力脈動振幅的變化如圖5。圖中：um為裂隙內平均流速，m/s；p 為壓力脈動振幅，MPa。

由圖5 可以看出，無壓力脈動時，裂隙內平均流速為0.149 6 m/s。當流體轉變為脈動水流后，受低壓階段的影響，裂隙內平均流速隨脈動振幅增大而顯著降低，二者符合線性減小的變化規律。這是由于裂隙內流量隨水泵出口壓力的減小而降低。不同脈動水流工況下，高壓階段水泵出口壓力始終為0.16 MPa，增大壓力脈動振幅，減小了流體在低壓階段的水泵出口壓力，降低了單位周期內裂隙內流體流量，減小了裂隙內平均流速。

以壓力脈動振幅為0.04 MPa 工況為例，平均流速隨壓力脈動周期的變化如圖6。

由圖6 可以看出，與恒定水流相比，脈動水流條件下裂隙內平均流速較小。然而與增大壓力脈動振幅相比，裂隙內流體平均流速降幅較低。

此外，在脈動水流條件下，增大流體的脈動周期，裂隙內平均流速小幅增大，由脈動周期2 s 時的0.118 m/s 增大至脈動周期6 s 時的0.124 m/s。

2.3 裂隙內顆粒運移規律

顆粒運移質量隨壓力脈動振幅的變化如圖7（周期為2 s）。

由圖7 可以看出，當流體無壓力脈動時，顆粒運移質量為8.75 g，僅占預置顆粒總質量的35%，表明恒定流動下僅有部分顆粒能夠發生起動。進一步地將恒定流轉變為非恒定流后，裂隙內顆粒運移質量顯著增大。當壓力脈動振幅由0 MPa 增大至0.08 MPa 時，顆粒運移質量由8.75 g 增大至18.12 g，增大了1.07 倍。

顆粒運移質量隨脈動振幅增大的變化趨勢可分為2 個階段。當壓力脈動振幅小于0.06 MPa 時，顆粒運移質量隨脈動振幅的變化基本符合線性增大規律。當壓力脈動振幅繼續增大后，顆粒運移質量隨脈動振幅的增大呈緩慢增大的變化趨勢。這表明當壓力脈動振幅增大至一定值后，繼續增大壓力脈動振幅將對增大裂隙內顆粒運移質量的影響降低。因此，在實施脈動水力沖刷技術時，不宜設置過大的壓力脈動振幅。

結合圖5 可以看出，盡管脈動水流下單位周期裂隙內平均流速小于恒定流條件下裂隙平均流速，但脈動水力條件下裂隙內顆粒運移質量均顯著大于恒定流條件，表明脈動水流能夠顯著提高阻塞裂隙的疏通效果。

顆粒運移質量隨壓力脈動周期的變化如圖8（振幅為0.04 MPa）。

由圖8 可以看出，與無壓力脈動實驗工況相比，增大壓力脈動周期能夠提高裂隙內顆粒運移總質量。以脈動周期2 s 的實驗工況為例，裂隙內顆粒運移質量由無脈動時的8.75 g 增大至15.42 g，增大了0.76 倍。

脈動水力條件下，裂隙內顆粒運移總質量隨壓力脈動周期的增大而減小，但顆粒運移總質量仍大于無脈動時。此外，隨著壓力脈動周期的增大，顆粒運移質量的降低速率逐漸降低，表明隨著壓力脈動周期的增大，脈動水流對顆粒運移的促進效應逐漸減弱。特別是當脈動周期增大至8 s 時，裂隙內顆粒運移總質量為10.27 g，僅為無壓力脈動實驗工況下顆粒運移總質量的1.17 倍。

因此，降低壓力脈動周期能夠提高裂隙內壓力交變頻率，提高阻塞裂隙脈動水力疏通效果。但是根據第2.1 小節分析可知，由于裂隙內流量轉變點落后于壓差轉變點，降低壓力脈動周期會影響裂隙內水流脈動效應。因此在脈動水力疏通技術應用時，壓力脈動周期應設置在合理范圍內。

3 壓力脈動強度對顆粒運移規律的影響

3.1 壓力脈動強度系數

為了量化壓力脈動強度，定義了基于單位時間內流體平均流速和高、低壓階段單位長度壓差差值的壓力脈動強度系數λ。壓力脈動強度系數綜合考慮了流體壓力脈動振幅和脈動周期的影響，且λ 越大，表明裂隙內流體波動越劇烈，流體的湍流強度越大。

壓力脈動強度系數λ 的計算公式如式（1），式（1）右側第1 項為量化壓力脈動振幅對壓力脈動強度系數影響的無量綱系數，右側第2 項為量化壓力脈動周期對壓力脈動強度系數影響的無量綱系數：

式中：λ 為流體壓力脈動強度系數；△ph為高壓階段裂隙內流體壓差平均值，Pa；△pl為低壓階段裂隙內流體壓差平均值，Pa；ρl為流體密度，kg/m3；um為流體平均流速，m/s，利用單位周期內通過裂隙的總流量換算得到；T 為壓力脈動周期，s。

3.2 脈動水力參數對壓力脈動強度系數的影響

1#～7#實驗中壓力脈動強度系數與脈動水力參數的變化如圖9。

由圖9 可以看出，壓力脈動強度系數隨脈動振幅的增大而增大，隨脈動周期的增大而減小，表明壓力脈動振幅越大，壓力脈動周期越小，裂隙內流體壓力波動越劇烈。此外，壓力脈動強度系數的減小速率隨壓力脈動周期的增大而緩慢減小，且逐漸趨向于0，這是同等壓力脈動振幅下，壓力脈動周期越大，裂隙內流動越趨向恒定流。

3.3 壓力脈動強度系數對顆粒運移質量影響

顆粒運移質量與裂隙內流體流動湍流強度呈正相關[15]。顆粒運移質量隨壓力脈動強度系數的變化如圖10。

由圖10 可以看出，顆粒運移質量隨壓力脈動強度系數的增大而增大，表明提出的壓力脈動強度系數能夠用于量化裂隙內壓力脈動水流的湍流強度。

結合圖9 可以看出，增大壓力脈動振幅和減小壓力脈動周期，能夠增大脈動水流壓力脈動強度系數，進而增大裂隙內流體的湍流強度。此外，當注水時間一定時，減小壓力脈動周期還能夠增大裂隙內流體壓力脈動次數，增大了裂隙內流體的累計湍流強度。在二者共同作用，增大了脈動水力條件下裂隙內沉積顆粒的運移量。

4 結 語

1）壓力脈動條件下，裂隙內流體流量轉變點在時間上落后于流體壓差轉變點，且裂隙內顆粒運移質量隨壓力脈動周期的增大而減小。因此，為了保證裂隙內脈動水流效果，在實施阻塞裂隙的脈動水力沖刷過程中，應將壓力脈動周期控制在合理的范圍內。

2）裂隙內平均流速隨壓力脈動振幅的增大而顯著降低，隨壓力脈動周期的增大而小幅增大。此外，脈動水力條件下裂隙內平均流速均小于無壓力脈動時，但顆粒運移質量均大于無壓力脈動工況。這表明脈動水力沖刷能夠在降低阻塞裂隙疏通技術用水量的同時，提高裂隙內顆粒運移質量。

3）顆粒運移質量隨壓力脈動振幅的增大而增大，且隨著壓力脈動振幅的增大，顆粒運移質量增速逐漸減弱。因此在阻塞裂隙的脈動水力沖刷過程中，應合理設置壓力脈動振幅，避免不必要的能量損失。

4）裂隙內顆粒運移質量隨壓力脈動強度系數的增大而增大。此外，壓力脈動強度系數隨壓力脈動振幅的增大而增大，隨壓力脈動周期的增大而減小。當脈動水力沖刷時間一定時，增大壓力脈動振幅和減小壓力脈動周期均能夠增大壓力脈動強度系數，進而增大裂隙內的流體湍流強度，促使沉積顆粒運移出裂隙。