沈華建

（1.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400030；2.中建三局工程設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430072）

高壓水射流煤層割縫技術(shù)是利用高壓水射流動(dòng)態(tài)損傷特性，對(duì)煤體進(jìn)行割縫，引起煤體的應(yīng)力場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的變化，進(jìn)而改變低透氣性煤層的瓦斯運(yùn)移規(guī)律，促進(jìn)吸附瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x瓦斯，增加煤層裂隙率和透氣性，最終達(dá)到提高瓦斯抽采率的目的[1-2]。

割縫器割縫噴嘴的性能好壞直接影響到煤體切槽的深度和煤體瓦斯暴露面積，從而影響煤層瓦斯抽采率。以往的噴嘴設(shè)計(jì)主要以經(jīng)驗(yàn)值為主，對(duì)于錐直型噴嘴，收縮角常取為13 °，直線段長(zhǎng)度取為2～4 倍噴嘴直徑[3-4]。然而由于該割縫噴嘴與常規(guī)噴嘴流道結(jié)構(gòu)有所不同（主要表現(xiàn)在受割縫器結(jié)構(gòu)尺寸的影響，噴嘴總長(zhǎng)受限、流動(dòng)方向、流道截面積發(fā)生突變），在噴嘴內(nèi)部形成強(qiáng)烈的紊流區(qū)域，產(chǎn)生大量的渦旋和回流，噴嘴出流較為發(fā)散，大大影響了射流的切割性能。這就導(dǎo)致按照常規(guī)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)計(jì)的割縫噴嘴射流打擊力大大降低，使割縫深度遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，影響高壓水射流煤層鉆進(jìn)割縫系統(tǒng)設(shè)備的工作效率，降低了煤層瓦斯抽采率，已成為該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸[5]。為此以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)割縫器噴嘴流場(chǎng)進(jìn)行CFD 模擬，研究了高壓水在總長(zhǎng)受限、流動(dòng)方向以及流道截面突變特殊條件下的流動(dòng)特性，采用正交設(shè)計(jì)的方法優(yōu)化了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出具有最佳切割能力的噴嘴結(jié)構(gòu)形式，并與原噴嘴切割能力進(jìn)行對(duì)比，為提高高壓水射流煤層割縫能力提供依據(jù)。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)

煤層割縫器噴嘴采用的是目前最常用的錐直型噴嘴，煤層割縫噴嘴結(jié)構(gòu)圖如圖1。由于其特殊的工作環(huán)境，其在總長(zhǎng)度上受到限制，加上特殊的流道結(jié)構(gòu)均使得割縫噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取與常規(guī)噴嘴會(huì)有不同，按照煤礦打瓦斯孔常用的75 mm 三翼鉆頭計(jì)算，噴嘴段總長(zhǎng)度最大長(zhǎng)度取為26 mm。

圖1 煤層割縫噴嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Nozzle structure for coal seam slotting

影響噴嘴性能的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)有以下3 個(gè)：進(jìn)入到噴嘴收斂段之前的穩(wěn)定段l、收斂段的收縮角θ、直線段的長(zhǎng)度L，且在噴嘴總長(zhǎng)受限的條件下，該3 個(gè)因素互相影響。除噴嘴結(jié)構(gòu)因素外，噴嘴內(nèi)壁面的粗糙程度也是影響噴嘴性能的重要參數(shù)，本研究中的噴嘴采用自行加工，加工后的噴嘴內(nèi)壁采用人工精磨，盡量減小內(nèi)壁粗糙度對(duì)噴嘴性能的影響。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬優(yōu)化

1）控制方程。噴嘴內(nèi)外部流體流動(dòng)為高速湍流流動(dòng)，其基本方程除了要滿足一般流體流動(dòng)的守恒方程以外，還要添加湍流方程[6]。

2）幾何模型及網(wǎng)格劃分。采用CAD 和GAMBIT聯(lián)合建立二維計(jì)算模型[7]，由于計(jì)算模型相對(duì)較小，因此采用四邊形網(wǎng)格單元，網(wǎng)格間距 0.5 mm。

3）邊界條件。采用有限體積法[8-9]模擬淹沒狀態(tài)下噴嘴內(nèi)外部流場(chǎng)，邊界條件設(shè)置見表1，采用SIMPLE 壓力場(chǎng)修正算法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合計(jì)算。

4）模擬參數(shù)。噴嘴出口直徑d 取決于射流的流量和壓力，是設(shè)計(jì)噴嘴的依據(jù)。研究的煤層割縫噴嘴的額定流量為 200 L/min，驅(qū)動(dòng)壓力 31.5 MPa，最終噴嘴直徑定為 3 mm。噴嘴的切割性能主要與穩(wěn)定段長(zhǎng)度l、收縮角θ、直線段長(zhǎng)度L 3 個(gè)因素有關(guān)。針對(duì)以上 3 個(gè)因素，每個(gè)因素在合適的范圍內(nèi)取4個(gè)水平（穩(wěn)定段長(zhǎng)度取 0、3、6、9 mm,收縮角取 10°、20°、30°、40°，直線段長(zhǎng)度取 3、6、9、12 mm）。按照所選取的3 因素4 水平的模型，選取正交表L16（43）安排數(shù)值試驗(yàn)，共進(jìn)行16 次數(shù)值試驗(yàn)。

表1 邊界條件設(shè)置Table 1 Boundary conditions setting

5）優(yōu)化指標(biāo)。優(yōu)化指標(biāo)是衡量正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)效果的質(zhì)量指標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煤層割縫器工作效率有較大影響。適合煤層割縫工況條件下的割縫噴嘴不僅要求產(chǎn)生是射流會(huì)聚性好，而且要求射流在同等靶距下具有較大速度，具備更大的打擊力，而射流對(duì)靶件的打擊力與射流的動(dòng)壓力有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。射流的動(dòng)壓力與射流速度成正比例關(guān)系，相比射流速度，考察射流動(dòng)壓力更能夠區(qū)分噴嘴性能的優(yōu)劣。噴嘴優(yōu)化的指標(biāo)設(shè)為射流動(dòng)壓力，通過考察不同型號(hào)的噴嘴在相同工作壓力下的射流動(dòng)壓力來對(duì)比噴嘴性能?？疾炀唧w內(nèi)容為：在距噴嘴出口150 mm 處噴嘴軸線上的射流動(dòng)壓力值。射流的動(dòng)壓力pk與射流速度v 有以下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式中:pk為射流動(dòng)壓力,MPa；ρ 為水的密度，kg/m3；v 為射流速度，m/s。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 射流動(dòng)壓數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化指標(biāo)分析

根據(jù)以上數(shù)值解法和邊界條件，分別模擬了16種不同結(jié)構(gòu)噴嘴內(nèi)外部流場(chǎng)，淹沒狀態(tài)下錐直型噴嘴速度分布云圖如圖2。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算，提取各組不同型號(hào)的噴嘴射流在150 mm 處的射流軸向動(dòng)壓力值并進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表2，其中，pk為離出口150 mm處噴嘴軸線上的射流動(dòng)壓力值。優(yōu)化結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)為 0-30-9 的噴嘴具有最佳的噴射性能。

3.2 影響因素顯著性分析

圖2 淹沒狀態(tài)下噴嘴內(nèi)外部流場(chǎng)速度分布圖Fig.2 Distribution of velocity field inside and outside the nozzle in submerged environment

表2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果Table 2 Numerical results

割縫噴嘴性能與噴嘴穩(wěn)定段長(zhǎng)度、收縮角、直線段長(zhǎng)度3 個(gè)因素有關(guān)。通過對(duì)割縫噴嘴的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行顯著性分析，可以判斷出各個(gè)參數(shù)對(duì)噴嘴性能的影響大小。

在Xij進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到因素j 第i 水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)Yij，Yij是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量。在Xij下做了n 次試驗(yàn)得到n 個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別為Yijk（k=1,2,…,n）。有計(jì)算參數(shù)如下：

式中:Kij為第j 因素在第i 水平的統(tǒng)計(jì)參數(shù);n 為第j 因素在第i 水平下的實(shí)驗(yàn)次數(shù);Yijk為第j 因素在第i 水平下第k 個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)值。

評(píng)價(jià)因素顯著性的參數(shù)極差Rj[10]為：

式中:Rj為評(píng)價(jià)因素顯著性的參數(shù)。

極差越大說明該因素的水平改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響也越大。從表2 可以看出，噴嘴收縮角的極差最大，為0.758，說明噴嘴收縮角對(duì)噴嘴性能的影響最大，而穩(wěn)定段長(zhǎng)度及直線段長(zhǎng)度的影響較小。按極差的大小，影響噴嘴性能的參數(shù)的主次順序?yàn)椋簢娮焓湛s角＞穩(wěn)定段長(zhǎng)度＞直線段長(zhǎng)度，根據(jù)該結(jié)果，在進(jìn)行噴嘴加工時(shí)，割縫噴嘴各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的加工精度要求依次從高到低依次為：噴嘴收縮角＞穩(wěn)定段長(zhǎng)度＞直線段長(zhǎng)度。

3.3 擬合曲線

以影響因素的水平作為橫坐標(biāo)，以噴嘴射流在距出口處150 mm 的射流動(dòng)壓力值作為縱坐標(biāo)，繪制噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與噴嘴性能的趨勢(shì)，各因素對(duì)噴嘴性能的影響如圖3。

圖3 各因素對(duì)噴嘴性能的影響Fig.3 Effect of factors on nozzle performance

在噴嘴總長(zhǎng)一定的情況下，射流在距出口150 mm 處的射流軸線動(dòng)壓力值與穩(wěn)定段長(zhǎng)度的關(guān)系呈近似直線的關(guān)系，隨著穩(wěn)定段長(zhǎng)度的增加，射流在距出口 150 mm 處的射流軸線動(dòng)壓力值呈直線遞減；距出口 150 mm 處的射流軸線動(dòng)壓力與噴嘴收縮角的關(guān)系呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，隨著噴嘴收縮角的增加，距噴嘴出口 150 mm 處的射流動(dòng)壓力值先增加，后有減少趨勢(shì)；距出口 150 mm 處的射流軸線動(dòng)壓力與直線段長(zhǎng)度的關(guān)系呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，隨著直線段長(zhǎng)度的增加，距出口150 mm 的射流軸線動(dòng)壓力值加速遞減，這主要是因?yàn)殡S直線段長(zhǎng)度的增加，直線段內(nèi)壁對(duì)流動(dòng)的摩擦阻力的增加。

4 割縫試驗(yàn)驗(yàn)證

1）試驗(yàn)噴嘴。由于數(shù)值模擬在計(jì)算過程中對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性，將優(yōu)化噴嘴與原噴嘴的性能進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，優(yōu)化噴嘴與原噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

2）試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)材料。試驗(yàn)設(shè)備連接如圖4。高壓泵使用流量為 200 L/min，額定壓力為31.5 MPa 的柱塞泵；流量計(jì)采用電子顯示的高壓渦輪流量計(jì)，在切割試驗(yàn)中鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為 30 r/min，采用純水切割。在割縫試驗(yàn)中，切割材料使用混凝土填充?；炷林兴?、河沙、石子配比：水泥∶河沙∶石子=1∶4∶4，單軸試驗(yàn)測(cè)試得其平均單軸抗壓強(qiáng)度為6.13 MPa，試樣強(qiáng)度高于松軟低透氣性煤層。

3）試驗(yàn)結(jié)果。噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，噴嘴射流結(jié)構(gòu)的變化必然引起切割深度的變化，切割深度直接反映射流的切割能力，優(yōu)化噴嘴和原噴嘴的切割深度隨切割時(shí)間的變化值如圖5。試驗(yàn)結(jié)果表明：與原噴嘴相比，優(yōu)化噴嘴具有更高的切割能力，切割深度為原有噴嘴的1.5 倍以上。

5 結(jié) 語

1）正交設(shè)計(jì)結(jié)果表明：對(duì)于煤層割縫噴嘴，噴嘴穩(wěn)定段長(zhǎng)度為0 mm，收縮角為30°，直線段長(zhǎng)度為9 mm 時(shí)，噴嘴具有最佳切割能力。

2）對(duì)3 種影響因素的顯著性分析可知，影響噴嘴性能的參數(shù)的主次順序依次為：噴嘴收縮角＞穩(wěn)定段長(zhǎng)度＞直線段長(zhǎng)度。

3）原噴嘴與優(yōu)化噴嘴進(jìn)行割縫能力對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化的噴嘴結(jié)構(gòu)類型具有優(yōu)良的切割性能。

圖5 噴嘴切割深度隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of nozzle cutting depth with time