鉆孔水射流沖擊破煤巖特性及機制研究

高亞斌, 向 鑫, 郭曉亞, 韓培壯

(1．太原理工大學 安全與應急管理工程學院，太原 030002；2．山西煤礦安全研究生教育創新中心，太原 030024)

2020年2月，國家發展改革委、國家能源局等八部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，明確提出建立智能感知、智能決策、自動執行的煤礦智能化體系。隨著近年來我國煤礦采深不斷增加[1-2]，深部瓦斯災害嚴重，煤層瓦斯抽采困難等問題不斷涌現[3-7]，以高效智能化提升煤層透氣性系數是當前解決問題的關鍵所在。

以水力割縫和水力沖孔為代表的鉆孔水射流增透技術是我國煤炭行業使用較為廣泛的一類卸壓增透技術[8-10]，針對水射流提升煤巖體透氣性系數效果的相關研究，前人已發表了大量文獻。于寶種[11]通過試驗和模擬研究，認為鉆孔半徑擴大將會影響其附近煤體的增透區范圍，其增透區域半徑也會呈正比上升；陶云奇等[12-13]通過現場試驗和物理模擬試驗總結出基于氣體壓力測定抽采半徑的原理，認為水力沖孔的實質是促進鉆孔附近煤層孔裂隙發育進從而降低瓦斯運移阻力；盧義玉等[14]提出定向地面井與水力割縫結合的技術，通過溝通天然裂縫，對復雜地質條件下的煤層氣進行增產改造；范耀等[15]歸納了現有高壓水射流極小半徑鉆井技術的優缺點和適用性，提出鉆孔過程中的智能感知，自主決策是水射流技術下一步高效化、智能化的發展趨勢。由于水射流具有無熱效應、低反作用力、強可控性、高柔性、低成本、環境友好、參數易監測等優勢，鉆孔水射流增透技術成為目前最具發展潛力的一類煤礦智能化瓦斯抽采技術。

破煤巖性能是對水射流卸壓增透效果存在顯著影響的因素之一，現有研究多針對其應用效果開展。葛兆龍等[16]通過掃描電鏡CT和核磁共振技術分析了水射流沖擊煤、頁巖、砂巖三種巖體的破壞特征，其中煤體的破壞模式以水楔作用主導的縱向劈裂為主。蔣一峰等[17]研究表明鉆孔周圍煤體主要受拉應力和切應力的破壞作用，在水力沖孔沖擊載荷下煤巖體的損傷階段可分為破碎積累、快速破碎兩個階段。沈春明等[18]研究表明，水射流沖擊破斷煤巖可分成初期響應、穩定破壞和斷裂突變3個階段，并推導了誘導失穩發生的判據公式。而對于多相流射流，米建宇等[19]基于SPH-FEM耦合算法，研究了射流速度、磨料濃度以及巖石圍壓等因素對后混合磨料水射流破巖效果的影響規律。林柏泉等[20]研究表明，對于高壓氣液兩相流，煤巖體的破壞是氣-液-固三相耦合作用，氣相多級潰滅與液相脈動沖擊交替作用促進了裂紋的起裂和擴展。在基于水射流沖擊平面的理論模型簡化條件下，眾多學者對水射流破煤巖機制進行了研究探討，相關結果對現場工程應用有一定指導意義。然而由于沒有考慮水射流作用的鉆孔環境，忽略了接觸面形狀對其應用效果的影響，現有研究無法準確描述鉆孔環境下水射流的沖擊破煤巖特性和機制，難以為煤礦智能化抽采設計提供依據。為此，本文通過理論分析與試驗研究，分析了鉆孔內水射流的沖擊結構特征，分析了影響水射流破煤巖效果的關鍵參數，提出了鉆孔水射流多層級沖擊破煤巖機制。研究結論可以為煤礦鉆孔水射流技術的進一步智能化和高效化改造提供理論支撐。

1 鉆孔水射流破煤巖理論模型

1.1 鉆孔水射流的沖擊結構特征

水射流的結構特性是研究其破煤巖特性的基礎，針對水射流的破煤巖過程，將其劃分為3個階段：初始段、基本段和反射段，如圖1(a)所示。水射流沖擊鉆孔和平面時，主要區別在于接觸面形狀不同，這決定了兩者在流態和作用力上的差異。而這種差異主要源于動能的變化形式，高壓水射流在原有方向上將動能以沖擊動力的形式作用到了接觸表面，而不同接觸面上水射流作用效果如圖1所示，假設反射后流速不變，射流接觸表面前動量為ρQv，接觸后動量為ρQv×cosα。根據牛頓第二定律可知，水射流沖擊到接觸面上的應力F總和為

F=ρQv(1-cosα)

(1)

式中：ρ為液體密度，kg/m3；Q為水射流流量，m3/s；v為出口流速，m/s；α為反射流角度，°。

(a) 平面

由式(1)可知，接觸面受到的總應力由射流速度、液體密度、反射流角度共同決定，而反射流角度跟接觸面形狀直接相關。團隊前期研究表明，由于曲面結構令流體集中于中心點處，水射流沖擊鉆孔表面時反射流角度相較于沖擊平面時更低，會使鉆孔水射流具有更高的沖擊作用力[21]。

1.2 鉆孔水射流的破煤巖模型

水射流沖擊結構特征是影響其破煤巖特性的關鍵因素之一，但水射流造成的煤巖損傷形成機理復雜，至今沒有一種理論可以準確描述這一過程。同時由于水射流破煤巖過程具有破壞速度快、環境噪聲大、飛濺水霧多等特點，試驗觀測較為困難，限制了相關理論的發展?，F有研究認為，巖石中含有初始裂紋，巖石受沖擊破壞是裂紋擴展的結果[22]，而煤體內分布著大量原始裂隙和含瓦斯微裂隙。因此，筆者認為水射流沖擊時形成的滲流應力將會和孔隙壓力共同作用，促使煤巖原始微裂紋擴展和新裂紋萌生，從而導致煤巖體破壞，如圖2所示。

圖2中，v為水射流微元體在孔隙內的瞬時流速；PW為射流截面上任一點的水壓；Pg為煤層原始瓦斯壓力。準脆性材料的微裂紋擴展條件如下

(2)

式中:σc為微裂紋發生擴展的臨界應力，MPa；a為微裂紋的初始半徑，m；Klc為斷裂韌度MPa·m1/2。

當煤巖體所受應力達到上式所述的臨界值時，煤體微元中的微孔隙發生擴展，并引起巖石內部損傷和變形。微裂紋尖端的損傷局部化長度l為

(3)

式中:r為孔隙擴展后的半徑，m；σV為體積應力，MPa；σu為微裂紋尖端的損傷局部化帶內巖石的抗拉強度，MPa。

圖2 滲流水壓擴展煤體微孔隙示意

根據前文分析，水射流的軸心沖擊動壓P為

(4)

式中，A為水射流作用面積，m2。其中出口流量Q和出口流速v可表示為

(5)

(6)

式中，φ為速度系數，取0.98～1；D為噴嘴直徑，m；P0為出口壓力，MPa。

在非淹沒射流條件下，水射流的破巖作用主要為射流的基本段，基本段上射流軸心動壓的衰減規律滿足如下關系式

(7)

式中:P射流初始段軸心動壓；Pm為基本段上某一點處軸心動壓；x為該點距噴嘴出口距離，即靶距，mm；xc為射流核心段長度，mm；v0為初始軸心流速，m/s；vm為某一點處軸心流速，m/s。

綜合以上分析可以得出，煤巖失穩的外部動力為水射流沖擊動力載荷(動載)，內部動力為煤巖本身的孔隙壓力載荷(靜載)，根據式(2)、(4)、(5)、(6)，優化現有破煤巖理論公式后可得到鉆孔水射流破煤巖模型

(8)

式中:F總為煤巖體受到的總作用力；V為水射流切割時孔隙體積；Vg為單個孔隙體積。以馬蘭礦02#煤層為例，代入數值后利用Mathematica軟件對上式進行求解后導出結果，得到解析解如圖3所示。

水射流破煤巖應力的解析解表明，當煤巖孔隙壓力一定時，不考慮接觸面形狀的情況下影響F總的因素只有出口壓力P0和靶距x，其解析解如圖3(a)所示。而式(8)考慮了由接觸面形狀直接決定的反射角這一因素，再在同等條件下求解析解，如圖3(b)所示。對比不同反射角下F總受出口壓力和靶距的影響，如圖4所示，結果表明：反射角α對F總有顯著影響，同等條件下反射角越大F總越高；并且出口壓力越大，靶距越小，反射角帶來的差異越明顯。因此影響水射流破煤巖作用力的關鍵參數為

(9)

(a) 不考慮接觸面形狀的解析解

綜上所述，水射流沖擊平面和鉆孔表面在破煤巖作用力上確實存在差異，且接觸面形狀的影響十分顯著。除此之外，出口壓力和靶距等因素與反射角存在相互影響[23]，明確幾者間的相互聯系后，可利用式(8)幫助智能化設備在現場應用時智能預測切割深度，自主決策工作參數，提升破巖效率。

(a) 不同反射角下F總受出口壓力的影響

2 鉆孔水射流破煤巖試驗研究

現有水射流破煤巖研究多針對其工作參數開展，為進一步分析接觸面形狀、出口壓力、靶距參數對水射流破煤巖的影響規律，本文基于自主研發了水射流破煤巖試驗系統開展了試驗研究。

2.1 試驗系統

水射流破煤巖試驗系統主要由實時監測系統、高壓液體供給系統、沖擊破煤巖試驗系統三個子系統構成，如圖5所示。高壓液體供給系統將水箱內部的工作液體加壓后通過加密水管進行傳輸，并通過調節閥控制壓力及流量；實時監測系統通過壓力傳感器及應變計監測試驗過程中的參數變化。各設備工作參數如表1所示。

表1 試驗系統結構及工作參數

圖5 試驗流程

2.2 試樣制備

為對比鉆孔和平面兩種不同接觸面對試驗結果的影響，試驗所用試樣結構如圖6所示。試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm標準立方體；所采用的煤巖相似材料由煤粉、水泥、石膏以及添加劑按17∶32∶32∶5配比混合后和水按5∶2的固液比攪拌均勻澆筑養護而成，試塊平均強度及與原煤強度對比如表2所示，試驗參考原煤煤樣取自河南平頂山天安煤業股份有限公司十二礦的己15煤層；頂部和側面各設置了兩個應變計，用于記錄沖擊過程中應力變化及破壞時間。

表2 試塊強度及與原煤對比

2.3 試驗結果

2.3.1 不同射流參數破煤巖性能影響規律

如1.2節所述，出口壓力和靶距是影響鉆孔水射流破煤巖效果的關鍵參數，為此制定如下試驗方案：

(1) 固定靶距300 mm，以不同出口壓力(2～16 MPa)連續沖擊試塊60 s，利用應變采集儀收集試驗過程中應力應變數據；

(2) 固定出口壓力12 MPa，在不同沖擊靶距(50～400 mm)下連續沖擊試塊直至破壞，觀察試塊破壞形態。

試樣宏觀破壞形式可以表征其內部損傷大小，以煤巖體破壞程度(沖擊坑深度、直徑、面積)為指標，對試樣的損傷程度進行了定量表征，試驗結果如圖7所示。不同射流參數破煤巖性能影響規律如下：

(1) 沖擊坑深度均隨出口壓力和靶距的增加穩定增長，兩種試塊在不同靶距下的破壞深度變化趨勢相似，均在最大靶距400 mm下達到峰值；而在不同出口壓力下，平面試樣破壞深度略高于鉆孔試樣，平面試樣的破壞深度平均值是鉆孔試樣的1.78倍；兩種試樣在14 MPa達到峰值，達到破壞閾值16 MPa后，沖擊坑深度出現下降；這一結果與文獻[20]的研究結果一致。

(2) 沖擊坑直徑和面積隨出口壓力和靶距呈正相關變化，隨出口壓力上升到一定程度后保持穩定；但在靶距變化的影響下直徑和面積數據波動較大，除鉆孔試樣在300 mm下達到直徑峰值，其他數據均在400 mm下達到峰值。平均值下鉆孔試樣的直徑和面積是平面試樣的1.3倍。

(3) 對比兩種試樣，結果表明，接觸面形狀對水射流破煤巖性能有影響。相同參數下平面試樣破壞深度更深，而鉆孔試樣破壞直徑及面積更大，這是因為沖擊應力在兩種試樣內部的主要形式不同，平面試樣破碎深度更深，說明其內部的張拉應力作用更強，而鉆孔試樣破壞直徑及面積更大，說明其內部的拉伸應力更強。

(4) 以是否發生破壞為界限，結果表明在水射流沖擊強度達到破壞閾值前，煤巖體的損傷程度隨沖擊強度增加而增加，而到達破壞閾值后，其損傷程度反而會因為沖擊強度降低而增加。同等條件下鉆孔試樣破壞程度更高。

(a) 出口壓力

2.3.2 鉆孔水射流破煤巖模式分析

圖8為水射流連續沖擊不同靶距試塊直至破壞后的主裂紋及斷裂面特性。利用Python軟件將主裂紋圖像二值化處理后，結果表明：

(1) 試塊正面沖擊中心均能觀察到大小不一的沖擊坑區域，如圖8中a點所示；試塊的主裂紋數量隨靶距增加而增加，表明煤巖體的損傷程度在逐漸增加。

(2) 在沖擊靶距為50～200 mm時，試塊沿縱向的主裂紋貫穿破壞，呈現張拉斷裂特征，如圖8中b點所示；在沖擊靶距增加到300 mm后，試塊呈現環形破碎的特征，如圖8中c點所示，鉆孔試樣和平面試樣正面的主裂紋條數也由1條分別增加為4條和3條；斷裂面的粗糙度和不平整度隨靶距增加不斷上升；破壞形式由貫穿整體的張拉斷裂逐漸變為由局部發展的小斷裂，造成的損傷也無法貫穿試塊。

(a) 平面試樣

(3) 對比兩種試樣，結果表明，雖然在同等參數下，兩種試樣的破壞模式類似，但鉆孔試樣的斷裂面更不規整，且不存在貫穿傷，說明其內部損傷程度更高。整理試驗結果如圖9所示，結果也表明同樣靶距下鉆孔試塊的破壞時長及主裂紋條數均大于等于平面試塊。分析認為，煤巖體對外部應力的響應機制與接觸面形狀直接相關。水射流在沖擊鉆孔時應力沿著其表面向煤巖體內部呈扇形狀傳播，造成了更多的內部微裂紋擴展。

圖9 兩種試樣主裂紋條數及破碎時間對比

圖10為不同出口壓力下水射流沖擊試樣過程中應力應變特性變化，可以看出：

(1) 出口水壓隨時間變化存在三個階段。第一階段水壓在初期迅速上升，第二階段到達峰值后迅速降低，之后在第三階段保持平穩；其中第二階段的峰值和第三階段的平均值分別對應水射流作用階段中的水錘壓力和滯止壓力，且隨著出口壓力的增加，水錘壓力和滯止壓力的差值逐漸減小；對比兩種試樣，結果表明鉆孔在較高的出口壓力下也存在明顯的水錘壓力階段，核心沖擊力更強，這與1.1節中分析結果一致。

(2) 在出口壓力較小時，沖擊過程中兩種試樣應變都在-20～20 με范圍內波動，隨沖擊時間變化幅度較?。欢S著出口壓力增加，平面試樣的頂面應變隨沖擊時間增加而上升，鉆孔試樣仍保持較低水平波動，這表明平面試樣在水射流沖擊下張拉應力不斷上升，這也與上一部分的分析結果一致；當出口壓力為10 MPa時，平面試樣頂面應變峰值達到了200 με左右，而鉆孔試樣仍保持較低水平。

(3) 對比兩種試樣，結果表明，鉆孔試樣的水錘壓力高于平面試樣，這與2.1沖擊結構特性的結論一致；同時鉆孔試樣在沖擊過程中應變保持穩定，平面試樣內部的張拉應變影響顯著，因此平面試樣的破壞形式相較于鉆孔試樣更直接簡單，缺乏深度和廣度。

3 鉆孔水射流多層級沖擊破煤巖機制

根據試驗結果總結水射流參數對破煤巖性能的影響規律，發現當水射流參數達到煤巖體破壞閾值后，煤巖體損傷程度會隨沖擊強度的降低而增加。針對這一現象，結合沖擊后的試樣破壞特性以及沖擊過程中的應變特性，總結了鉆孔水射流破煤巖過程，提出了水射流的多層級沖擊破煤巖機制。

3.1 水射流破煤巖過程

根據試驗結果及射流沖擊煤巖特性，水射流沖擊破煤巖的過程分為三個階段。一為接觸階段，這一階段發生在水射流接觸煤巖表面的瞬間，沖擊應力從射流作用中心迅速擴散，水壓迅速上升形成受壓密集區域；二為水錘壓力階段，水射流前端完全接觸煤巖表面之后形成水錘壓力，這一階段時間短、作用力大，是造成煤巖破裂的主要原因；三為滯止壓力階段，上一階段結束之后水錘壓力轉變為滯止壓力，煤巖體承壓逐漸穩定。同時，煤巖體內部的應力傳導也與空間上的傳播距離有關[24]，如圖11所示。隨著煤巖體內部距作用點距離的增加，水錘壓力和滯止壓力的最大徑向壓力都逐漸降低，且水錘壓力大小受距離影響尤其顯著，因此，也可將煤巖體內部的徑向應力傳導分為三個階段。一為壓應力主導階段，在接觸瞬間，近距離煤巖微元應力值極大，大量表面煤巖被直接破碎剝離，形成沖擊坑區域(如圖8中a點區域所示)；二為拉伸應力主導階段，隨著應力傳導，煤巖體內部拉伸應力增加，當超過拉伸強度極限時，會出現環形裂紋或破碎(如圖8中c點區域所示)；三為張拉應力主導階段，當射流壓力突破煤巖的抗壓極限后，則會發生貫穿的張拉斷裂(如圖8中b點區域所示)。

圖11 煤巖內部應力隨距作用點距離變化

3.2 多層級沖擊破煤巖機制

前文研究表明，鉆孔內水射流沖擊造成的煤巖體破壞實質上是水射流的沖擊載荷(動載)和孔隙壓力載荷(靜載)共同作用的結果(如圖12所示)?？偨Y2.3節試驗結果得出，在水射流沖擊強度較大(壓力大、靶距小)時，煤巖體的破壞以動載為主，這種破壞形式有以下特點：①應力傳導階段為張拉應力主導階段，高強度水射流直接突破煤巖體抗壓極限，快速破碎煤體結構；②沖擊坑深度較深但作用面積較小；③留下的裂紋條數較少，多為貫穿整體的張拉斷裂，斷裂面平整光滑。在水射流沖擊強度較小(壓力小、靶距大)時，煤巖體的破壞以動靜載結合為主。這種破壞形式有以下特點：①應力傳導階段為拉伸應力主導階段，以環形破碎為主要特征；②破壞時間長，沖擊坑深度淺，直徑和面積較大；③留下的裂紋條數多，斷裂面不平整且沒有貫穿損傷。另外，內部損傷方面以累計的局部損傷作為主導因素，流體通過水楔作用不斷侵入煤巖體微元，將射流沖擊應力進一步傳導到煤巖體內部，造成更多裂隙通道，從而達到卸壓增透的效果。

圖12 水射流動靜載破煤巖機制示意

試驗結果中，平面試樣和鉆孔試樣分別符合動載為主和動靜載結合作用的破壞形式。以出口壓力16 MPa下破壞的兩種試塊為例，水射流沖擊鉆孔和平面造成的斷裂特征有所不同，如圖13所示。平面試塊沿45°主裂紋劈裂，斷裂面平整光滑，呈切削狀損傷，沖擊坑較深且底部存在球形沖擊痕跡；鉆孔試塊沿90°主裂紋劈裂，斷裂面凹凸不平，呈現典型的動靜載結合破壞特征；2.3節試驗結果也表明：(1)在同等參數條件下鉆孔試塊相較于平面試塊破壞時間更長，沖擊坑面積及直徑更大且破壞后裂紋條數更多；(2)在沖擊過程中，平面試樣的頂部應變隨時間變化明顯，張拉應力不斷增大，鉆孔試樣應變數據則始終保持穩定。因此水射流對不同接觸面形狀的煤巖體破壞形式存在差異，鉆孔水射流對煤巖體的破壞形式以動靜載結合為主。

(a) 普通試塊

綜上所述：高壓水射流破巖是煤巖外部的水射流沖擊載荷(動載)和內部的孔隙壓力載荷(靜載)共同作用的結果。而對于鉆孔水射流，動靜載結合作用是煤巖破壞的主要形式。這種破壞形式的優點在于在射流壓力超過煤巖體應力極限之前，應力會通過水楔作用盡可能地擴散到煤巖體深處，有利于煤層卸壓增透。實際應用中，在保證破巖效果的前提下適當降低水射流的沖擊強度，有助于提升鉆孔水射流對煤巖體的增透效果，并進一步發揮動靜載結合作用的優勢。而通過監測實時的破碎情況，及時調整射流參數，從而達到最佳的增透效果，應是井下鉆井設備進一步智能化需特別關注的方向。

4 結 論

(1) 基于鉆孔水射流的結構特征和微裂紋擴展條件，建立了鉆孔環境下水射流的破煤巖模型，確定了影響水射流破煤巖性能的關鍵參數。分析了反射角對水射流破壞能力的影響特性，驗證了鉆孔條件下水射流作用效果的特殊性。

(2) 水射流沖擊破煤巖試驗中，各項水射流參數達到煤巖體破壞閾值后，煤巖體損傷程度會隨沖擊強度的降低而增加。水射流沖擊鉆孔形成的破碎深度、破碎直徑和破壞時長較沖擊平面時分別淺43%、大30%和多1.3倍。沖擊對象內部應力分為壓應力主導、拉伸應力主導和張拉應力主導三個階段。

(3) 水射流沖擊下，煤巖體發生損傷破壞的根本誘因來源于外部的沖擊載荷(動載)以及內部的孔壓載荷(靜載)，主導破壞的載荷形式不同將影響煤巖體的破壞特征。鉆孔水射流對煤巖體的破壞形式以動靜載結合的復合作用為主，相較于動載為主的破壞形式，其特點在于可以將射流沖擊應力進一步傳導到煤巖體內部，造成更多裂隙通道，達到卸壓增透的效果。