鉆孔水射流沖擊對(duì)瓦斯抽采的影響特性研究

高亞斌， 韓培壯， 郭曉亞， 向鑫， 王飛

(太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

0 引言

通過鉆孔抽采瓦斯是目前防治煤礦瓦斯災(zāi)害和開發(fā)煤層瓦斯的根本性方法。我國大多數(shù)煤層具有微孔隙、低滲透、高吸附特征，導(dǎo)致瓦斯難以抽出，瓦斯災(zāi)害難以消除，煤層氣資源利用效率低。大量研究表明，基于水射流技術(shù)的抽采鉆孔增透技術(shù)是增加煤層透氣性、提高瓦斯抽采率的有效途徑[1]。

水射流技術(shù)以水或其他液體為工作介質(zhì)，借助液體增壓原理，經(jīng)特定噴嘴或增壓設(shè)備將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能，并由噴嘴形成具有較高能量的射流，以解決一系列工程問題[2]。水射流在沖擊破碎煤巖體過程中具有高效、無塵和低熱特性[3]，近年來在我國鉆孔增透措施中得到廣泛應(yīng)用，形成了水力沖孔[4-6]、水力割縫[7-9]、水力掏槽[10-12]等增透技術(shù)。研究表明，水射流在鉆孔內(nèi)可改變周圍煤體應(yīng)力分布，促進(jìn)煤巖裂隙擴(kuò)展和發(fā)育，釋放煤體彈性能，增加煤層透氣性，進(jìn)而改善鉆孔瓦斯抽采效果[13-14]。然而目前關(guān)于鉆孔內(nèi)水射流沖擊對(duì)瓦斯抽采的影響規(guī)律尚不明確，水射流作用后鉆孔的影響范圍變化難以確定，適用于不同類型煤層的水力化方法選擇缺乏理論支撐，亟待開展鉆孔水射流沖擊對(duì)瓦斯抽采的影響特性研究。因此，本文采用數(shù)值模擬方法，研究了水射流在鉆孔壁面的流場特性和壓力特性，分析了水射流沖擊對(duì)鉆孔周圍煤體應(yīng)力的影響，并對(duì)普通鉆孔和水射流沖擊鉆孔抽采特性進(jìn)行了對(duì)比，探索水射流沖擊鉆孔對(duì)瓦斯抽采的影響機(jī)制。

1 數(shù)值模擬模型

采用COMSOL Multiphysics軟件建立如圖1所示的4個(gè)模型開展研究。水射流沖擊模型中模擬鉆孔直徑為100 mm，靶距為100 mm，通過添加兩相流、水平集物理場進(jìn)行耦合，模擬水射流沖擊過程中的流場特性和壓力特性；水射流沖擊對(duì)煤體應(yīng)力影響模型通過添加多孔介質(zhì)達(dá)西定律、固定力學(xué)物理場進(jìn)行耦合，設(shè)置初始條件為沖擊過程后的壓力、應(yīng)力，模擬水射流沖擊對(duì)煤體內(nèi)部的影響特性；普通鉆孔抽采模型與水射流沖擊鉆孔抽采模型用于對(duì)比研究普通鉆孔與水射流沖擊鉆孔抽采對(duì)煤層瓦斯壓力的影響。

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation models

2 控制方程

采用標(biāo)準(zhǔn)湍動(dòng)能-耗散率模型模擬湍流，其控制方程為

(1)

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；v為流體速度；p為壓力；μ為動(dòng)力黏度；f為體積力；F為表面張力；E為總能量；k為有效熱導(dǎo)率；ΔT為溫度差。

流體運(yùn)動(dòng)遵循流體力學(xué)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。連續(xù)性方程為

(4)

動(dòng)量方程為

(5)

式中Sv為廣義源項(xiàng)。

能量方程為

(6)

式中Sh為源項(xiàng)，本文指各體積的熱源、輻射。

煤體瓦斯運(yùn)移遵循達(dá)西定律：

(7)

式中：q為滲流量；K為多孔介質(zhì)的滲透率；A為滲透面積；dx為極小長度；dp為dx長度內(nèi)的壓差；m為水力梯度。

煤體變形滿足固體力學(xué)平衡方程：

σi,j=Fi

(8)

式中：σi,j為應(yīng)力張量，i,j取值為1,2；Fi為面積力。

研究過程中將煤體視為多孔彈性介質(zhì)，具有均勻且各向同性屬性，滿足彈性本構(gòu)關(guān)系式：

σi,j=Dijklεi,j-aδijp

(9)

式中：Dijkl為四階彈性張量；εi,j為應(yīng)變張量；a為孔隙水壓力系數(shù)；δij為Kronecker符號(hào)，當(dāng)i=j時(shí)δij為1，否則為0。

3 數(shù)值模擬模型參數(shù)

本文以潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司3號(hào)煤層為模擬對(duì)象。該煤層平均厚度為6.6 m，平均埋深為330 m，實(shí)測瓦斯壓力為0.31 MPa。數(shù)值模擬模型參數(shù)見表1。結(jié)合現(xiàn)場情況和瓦斯抽采優(yōu)化目標(biāo)，以瓦斯壓力降低30%為安全線，在模擬瓦斯抽采時(shí)選擇煤層瓦斯壓力0.22 MPa為抽采達(dá)標(biāo)臨界值[15]。

表1 數(shù)值模擬模型參數(shù)Table 1 Parameters of numerical simulation models

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 水射流沖擊的流場特性

采用水射流沖擊模型分析不同壓力水射流沖擊鉆孔的流場特性，結(jié)果如圖2所示?？煽闯霾煌瑝毫λ淞鳑_擊鉆孔的流體形態(tài)相似，水射流自噴嘴噴出后迅速向兩側(cè)擴(kuò)散，以較小的發(fā)散角不斷發(fā)展邊界，水射流剖面上軸心水流速度為峰值，且速度峰值隨距噴嘴距離增加不斷減小，沖擊到鉆孔接觸面時(shí)水流速度迅速減小，然后沿壁面流動(dòng)；隨著水射流沖擊壓力增加，出口流速增大，流動(dòng)區(qū)域逐步擴(kuò)張，流體區(qū)域不斷擴(kuò)大，表明水射流在初始段產(chǎn)生了更為劇烈的流速紊亂波動(dòng)，對(duì)周圍流體卷吸作用更加突出；在沖擊鉆孔壁面區(qū)域，水射流在鉆孔壁面中心形成了一個(gè)“圓臺(tái)”區(qū)，該區(qū)域水流速度較小，水射流大量動(dòng)能在該區(qū)域作用于鉆孔。

(a) 5.6 MPa

(b) 8.4 MPa

(c) 11.2 MPa

(d) 14.0 MPa

(e) 16.8 MPa

圖2 水射流沖擊鉆孔的流場特性Fig.2 Flow field characteristics of water jet impact borehole

水射流沖擊壓力為11.2 MPa時(shí)鉆孔壁面水流速度分布曲線如圖3所示?？煽闯鲈谒淞鳑_擊鉆孔時(shí)，正對(duì)水射流中心部位鉆孔壁面的水流速度最小，接近0，與“圓臺(tái)”區(qū)相對(duì)應(yīng)；水射流沖擊到鉆孔壁面后，開始沿壁面向兩側(cè)發(fā)散，且在一定范圍內(nèi)，距鉆孔中心越遠(yuǎn),水流速度越大，距鉆孔中心約0.033 m處達(dá)到峰值，為121 m/s。

圖3 鉆孔壁面水流速度分布曲線Fig.3 Distribution curve of water velocity on borehole wall

4.2 水射流沖擊的壓力特性

采用水射流沖擊模型分析不同壓力水射流沖擊鉆孔的壓力特性，結(jié)果如圖4示。可看出不同壓力水射流沖擊鉆孔的壓力特性相似，可將截面上水射流壓力分布分為出口壓力集中區(qū)、接觸面壓力集中區(qū)和壁面壓力集中區(qū)。出口壓力集中區(qū)是由于水射流從噴嘴噴出時(shí)與空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的卷吸效應(yīng)而形成的。接觸面壓力集中區(qū)由水射流直接沖擊鉆孔壁面造成，水射流具有較高的速度，當(dāng)直接沖擊鉆孔壁面時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力集中區(qū)，該區(qū)域內(nèi)水流速度較小，但壓力比較集中，對(duì)鉆孔的沖擊力最大，且隨著水射流沖擊壓力增大，壓力峰值增大。壁面壓力集中區(qū)是由沖擊接觸面的水射流沿鉆孔壁面發(fā)散流動(dòng)，對(duì)壁面造成沖擊形成的，該區(qū)域內(nèi)壓力峰值相對(duì)于接觸面壓力集中區(qū)小，且壓力隨水射流沖擊壓力增大而逐步增大。

(a) 5.6 MPa

(b) 8.4 MPa

(c) 11.2 MPa

(d) 14.0 MPa

(e) 16.8 MPa

圖4 水射流沖擊鉆孔的壓力特性Fig.4 Pressure characteristics of water jet impact borehole

不同壓力水射流在鉆孔壁面的壓力分布曲線如圖5所示?？煽闯鏊淞鳑_擊壓力從5.6 MPa增大到16.8 MPa時(shí)，水射流對(duì)鉆孔中心接觸面區(qū)域的壓力從1.9 MPa增大到15.1 MPa，且壓力峰值范圍隨之?dāng)U大2.3倍。

圖5 水射流在鉆孔壁面的壓力分布曲線Fig.5 Distribution curves of water jet pressure on borehole wall

4.3 水射流沖擊對(duì)鉆孔周圍煤體應(yīng)力的影響

水射流壓力為11.2 MPa時(shí)鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布云圖如圖6所示?？煽闯鏊淞鳑_擊鉆孔接觸面中心區(qū)域附近煤體應(yīng)力最大，達(dá)5.15×107Pa，使得煤體發(fā)生強(qiáng)烈破壞變形；在鉆孔壁面兩側(cè)存在部分綠色區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力較煤體內(nèi)部大，由水射流在鉆孔壁面的發(fā)散沖擊流動(dòng)造成，且與水射流在鉆孔壁面的流場特性和壓力特性密切相關(guān)。整體來看，水射流沖擊對(duì)鉆孔周圍煤體應(yīng)力的影響主要集中在煤體正對(duì)水射流的部位，由于鉆孔接觸面中心區(qū)域沖擊力較高，所以煤體內(nèi)部應(yīng)力場所受影響較大。

圖6 鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布云圖Fig.6 Distribution cloud chart of coal body stress around borehole

為進(jìn)一步分析水射流沖擊對(duì)鉆孔周圍煤體應(yīng)力的影響，在水射流沖擊對(duì)煤體應(yīng)力影響模型中央選取一條應(yīng)力分析截線，如圖7(a)所示，并繪制該截線的應(yīng)力分布曲線，如圖7(b)所示?？煽闯鏊淞髟跊_擊鉆孔時(shí)，沿沖擊方向煤體的應(yīng)力變化可分為以下2個(gè)階段。

(a) 應(yīng)力分析截線

(b) 應(yīng)力分布曲線

(1) 應(yīng)力驟減階段。從沖擊鉆孔部位開始至a點(diǎn)，應(yīng)力先急劇下降至最小值1.7×107Pa，然后逐步上升至初始應(yīng)力。這是由于水射流沖擊在鉆孔周圍煤體內(nèi)產(chǎn)生了較大的作用力，超過了煤體的強(qiáng)度極限，使直接沖擊部位煤體發(fā)生破碎，改變了鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的煤體應(yīng)力分布，導(dǎo)致應(yīng)力急劇降低。該階段煤體應(yīng)力普遍小于初始應(yīng)力。

(2) 應(yīng)力增強(qiáng)、恢復(fù)階段。從a點(diǎn)開始，煤體內(nèi)部應(yīng)力緩慢增加，這是由于超出水射流對(duì)煤體的破壞范圍后，沖擊壓力無法對(duì)煤體造成破壞，但仍可通過力的形式來影響煤體內(nèi)部的應(yīng)力分布；隨著距鉆孔中心距離的增加，在一定范圍內(nèi)應(yīng)力不斷增大，距鉆孔中心0.75 m時(shí)達(dá)到峰值(3.7×107Pa)；之后水射流沖擊對(duì)煤體的影響逐步減弱，應(yīng)力逐漸下降，至b點(diǎn)后恢復(fù)煤體初始應(yīng)力。

不同壓力水射流沖擊鉆孔后，鉆孔周圍煤體的應(yīng)力分布云圖如圖8所示?？煽闯鲭S著水射流沖擊壓力增大，沖擊鉆孔對(duì)周圍煤體應(yīng)力分布的影響越來越明顯，正對(duì)水射流沖擊中心區(qū)域及鉆孔兩側(cè)壁面的應(yīng)力增大。水射流沖擊鉆孔后周圍煤體的應(yīng)力變化程度與沖擊壓力呈正相關(guān)關(guān)系。

(a) 5.6 MPa

(b) 8.4 MPa

(d) 14.0 MPa

(e) 16.8 MPa

圖8 水射流沖擊鉆孔后煤體應(yīng)力分布云圖Fig.8 Distribution cloud chart of coal body stress after water jet impact borehole

4.4 水射流沖擊對(duì)鉆孔瓦斯抽采的影響

針對(duì)原始瓦斯壓力為0.31 MPa的煤體，采用普通鉆孔與11.2 MPa水射流沖擊鉆孔，在55 kPa抽采負(fù)壓下抽采45 d，對(duì)比分析鉆孔周圍煤體瓦斯壓力變化，探索水射流沖擊對(duì)瓦斯抽采的影響。

4.4.1 普通鉆孔抽采

普通鉆孔抽采期間鉆孔周圍煤體瓦斯壓力云圖如圖9所示?？煽闯鲭S著時(shí)間推移，鉆孔周圍煤體內(nèi)瓦斯壓力逐漸減小，減小的范圍逐步增大，且抽采鉆孔影響范圍與抽采時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系。

(a) 抽采0 d

(b) 抽采5 d

(c) 抽采10 d

(d) 抽采20 d

(e) 抽采45 d

圖9 普通鉆孔抽采煤體瓦斯壓力云圖Fig.9 Cloud chart of gas pressure in coal body of ordinary borehole drainage

在普通鉆孔抽采模型中央選取一條分析截線，如圖10(a)所示，繪制該截線的瓦斯壓力分布曲線，如圖10(b)所示。可看出隨著距鉆孔中心距離增加，煤體瓦斯壓力減小幅度越來越小，且鉆孔抽采影響范圍與抽采時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系；在抽采初期，鉆孔周圍煤體瓦斯壓力減小幅度較大，隨抽采時(shí)間增加逐漸趨于平緩。

(a) 瓦斯壓力分析截線

(b) 瓦斯壓力分布曲線

煤層瓦斯壓力0.22 MPa(抽采達(dá)標(biāo)臨界值)對(duì)應(yīng)的距鉆孔中心距離為鉆孔有效抽采半徑。普通鉆孔抽采5，10，20，45 d的有效抽采半徑分別為0.48，0.76，1.05，1.40 m。在抽采初期(0～10 d)，相同時(shí)間內(nèi)瓦斯壓力變化明顯大于抽采后期(20～45 d)，說明抽采初期對(duì)瓦斯壓力影響大，后期影響逐漸變??；抽采45 d后，抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域半徑約為1.40 m，說明在55 kPa負(fù)壓下對(duì)孔徑100 mm鉆孔進(jìn)行抽采時(shí)，鉆孔有效抽采半徑為1.40 m，結(jié)果與文獻(xiàn)[15]一致。

4.4.2 水射流沖擊鉆孔抽采

11.2 MPa水射流沖擊鉆孔抽采期間鉆孔周圍煤體瓦斯壓力云圖如圖11所示?？煽闯鲭S著時(shí)間推移，鉆孔周圍煤體瓦斯壓力由鉆孔向煤體內(nèi)部逐漸減小，水射流沖擊對(duì)抽采期間鉆孔周圍瓦斯分布有一定影響。

(a) 抽采0 d

(b) 抽采5 d

(c) 抽采10 d

(d) 抽采20 d

(e) 抽采45 d

在水射流沖擊鉆孔模型中央選取一條分析截線，如圖12(a)所示，繪制該截線的瓦斯壓力分布曲線，如圖12(b)所示?？煽闯鏊淞鳑_擊鉆孔周圍煤體瓦斯壓力變化趨勢與普通鉆孔基本一致；水射流沖擊鉆孔抽采5，10，20，45 d的有效抽采半徑分別為0.55，1.00，1.70，2.40 m，各抽采時(shí)間段內(nèi)較普通鉆孔均增大；抽采45 d后，水射流沖擊鉆孔有效抽采半徑較普通鉆孔提高了1 m，原因是水射流沖擊改變了煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，增加了煤層透氣性，使得抽采影響范圍增大。

(a) 瓦斯壓力分析截線

(b) 瓦斯壓力分布曲線

不同壓力水射流沖擊鉆孔抽采45 d的有效抽采半徑如圖13所示。可看出水射流沖擊鉆孔有效抽采半徑隨水射流沖擊壓力的增大而增大，水射流沖擊壓力為5.6 MPa時(shí)鉆孔有效抽采半徑為1.8 m，16.8 MPa時(shí)可達(dá)2.9 m，增大了61.1%。整體來看，水射流沖擊鉆孔可顯著提高瓦斯抽采范圍和抽采率，且水射流沖擊壓力越大，對(duì)鉆孔抽采的影響越明顯。

圖13 水射流沖擊鉆孔抽采45 d的有效抽采半徑Fig.13 Effective drainage radius of water jet impact borehole after 45 d drainage

5 結(jié)論

(1) 鉆孔內(nèi)水射流噴出后，以較小的發(fā)散角進(jìn)行發(fā)散流動(dòng)，軸心速度為速度峰值，速度隨距噴嘴距離增加而不斷減??；當(dāng)水射流沖擊到鉆孔壁面后，在鉆孔壁面存在一個(gè)“圓臺(tái)”區(qū)，該區(qū)域水流速度較低，對(duì)水射流沖擊起到緩沖作用。

(2) 水射流沖擊鉆孔過程中，存在出口壓力集中區(qū)、接觸面壓力集中區(qū)、壁面壓力集中區(qū)3個(gè)壓力集中區(qū)域，鉆孔壁面壓力隨水射流沖擊壓力增大而增大；水射流沖擊鉆孔對(duì)煤體應(yīng)力分布影響存在應(yīng)力驟減階段和應(yīng)力增強(qiáng)、恢復(fù)階段。

(3) 水射流沖擊鉆孔的抽采規(guī)律與普通鉆孔相似，但水射流沖擊鉆孔可顯著提高鉆孔抽采范圍和抽采率，水射流沖擊壓力越大，對(duì)鉆孔抽采的影響越明顯。

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