煤层割缝喷嘴结构优化与试验_沈华建.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 高压水射流煤层割缝技术是利用高压水射流动 态损伤特性，对煤体进行割缝，引起煤体的应力场 和裂隙场的变化，进而改变低透气性煤层的瓦斯运 移规律， 促进吸附瓦斯转变为游离瓦斯， 增加煤层裂 隙率和透气性， 最终达到提高瓦斯抽采率的目的[1-2]。 割缝器割缝喷嘴的性能好坏直接影响到煤体切 槽的深度和煤体瓦斯暴露面积，从而影响煤层瓦斯 抽采率。以往的喷嘴设计主要以经验值为主，对于 锥直型喷嘴，收缩角常取为 13 ，直线段长度取为 2～4 倍喷嘴直径[3-4]。然而由于该割缝喷嘴与常规喷 嘴流道结构有所不同（主要表现在受割缝器结构尺 寸的影响， 喷嘴总长受限、 流动方向、 流道截面积发 生突变） ， 在喷嘴内部形成强烈的紊流区域， 产生大 量的涡旋和回流， 喷嘴出流较为发散， 大大影响了射 流的切割性能。这就导致按照常规经验值设计的割 缝喷嘴射流打击力大大降低，使割缝深度远小于设 计值，影响高压水射流煤层钻进割缝系统设备的工 作效率， 降低了煤层瓦斯抽采率， 已成为该技术进一 步发展的瓶颈[5]。为此以工程应用为出发点， 通过对 割缝器喷嘴流场进行 CFD 模拟， 研究了高压水在总 基金项目 长江学者和创新团队发展计划资助项目 （IRT17R112） 煤层割缝喷嘴结构优化与试验 沈华建 1， 2 （1．重庆大学 资源与安全学院， 重庆 400030； 2．中建三局工程设计有限公司， 湖北 武汉 430072） 摘要 高压水射流割缝增透技术是一项新型的瓦斯抽采技术， 其中喷嘴是切割的执行元件。影 响喷嘴切割性能的结构因素有喷嘴稳定段长度、 收缩角和直线段长度， 3 因素相互制约， 且存在 一个最优值。应用正交设计的方法对不同参数组合下喷嘴出口流场进行了模拟， 模拟结果表明 稳定度长度为 0 mm、 收缩角为 30、 直线段长度为 9 mm 的割缝喷嘴具有最佳的喷射性能。 在室 内对其切割性能进行测试， 结果表明 优化后的喷嘴切割能力为原喷嘴的 1．5 倍。 关键词 瓦斯抽采； 水射流割缝； 喷嘴结构； 数值计算； 正交设计 中图分类号 TD713．3文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 04-0010-04 Structural Optimization and Test of Nozzle for Coal Seam Slotting SHEN Huajian1,2 （1.Colleage of Source and Safety, Chongqing University, Chongqing 400030, China;2.China Construction Third Engineering Design Bureau Co., Ltd., Wuhan 430072, China） Abstract Technology of slotting and improving coal seam permeability with high pressure water jet is an effective to improve gas exhausting rate, where the nozzle is the actuator of the cutting. The structural factors affecting the nozzle cutting perance are the length of stability section, the contraction angle and the length of the straight section, the three factors are mutually constrained, and an optimal value should exist. The orthogonal design was used to simulate the flow field at nozzle outlet under different parameter combinations in this paper, and the simulation results show that the slotting nozzle with the stability length of 0 mm, contraction angle of 30 and straight section length of 9 mm has the best injection perance. The cutting perance was tested in laboratory, and the results show that the cutting ability of optimized nozzle was 1.5 times that of the original nozzle. Key words gas extraction; water jet slotting; nozzle structure; numerical calculation; orthogonal design DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.003 沈华建．煤层割缝喷嘴结构优化与试验 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 10-13. SHEN Huajian. Structural Optimization and Test of Nozzle for Coal Seam Slotting ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 10-13. 移动扫码阅读 10 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 长受限、流动方向以及流道截面突变特殊条件下的 流动特性，采用正交设计的方法优化了喷嘴结构参 数，得出具有最佳切割能力的喷嘴结构形式，并与 原喷嘴切割能力进行对比，为提高高压水射流煤层 割缝能力提供依据。 1喷嘴结构 煤层割缝器喷嘴采用的是目前最常用的锥直型 喷嘴， 煤层割缝喷嘴结构图如图 1。 由于其特殊的工 作环境，其在总长度上受到限制，加上特殊的流道 结构均使得割缝喷嘴的结构参数的选取与常规喷嘴 会有不同， 按照煤矿打瓦斯孔常用的 75 mm 三翼钻 头计算， 喷嘴段总长度最大长度取为 26 mm。 影响喷嘴性能的喷嘴结构参数有以下 3 个 进 入到喷嘴收敛段之前的稳定段 l、收敛段的收缩角 θ、 直线段的长度 L， 且在喷嘴总长受限的条件下， 该 3 个因素互相影响。 除喷嘴结构因素外， 喷嘴内壁面 的粗糙程度也是影响喷嘴性能的重要参数，本研究 中的喷嘴采用自行加工，加工后的喷嘴内壁采用人 工精磨， 尽量减小内壁粗糙度对喷嘴性能的影响。 2喷嘴结构数值模拟优化 1） 控制方程。喷嘴内外部流体流动为高速湍流 流动，其基本方程除了要满足一般流体流动的守恒 方程以外， 还要添加湍流方程[6]。 2） 几何模型及网格划分。采用 CAD 和 GAMBIT 联合建立二维计算模型[7]， 由于计算模型相对较小， 因此采用四边形网格单元， 网格间距 0.5 mm。 3） 边界条件。采用有限体积法[8-9]模拟淹没状态 下喷嘴内外部流场， 边界条件设置见表 1， 采用SIM－ PLE 压力场修正算法对压力和速度进行耦合计算。 4） 模拟参数。喷嘴出口直径 d 取决于射流的流 量和压力，是设计喷嘴的依据。研究的煤层割缝喷 嘴的额定流量为 200 L/min， 驱动压力 31.5 MPa， 最 终喷嘴直径定为 3 mm。喷嘴的切割性能主要与稳 定段长度 l、 收缩角 θ、 直线段长度 L 3 个因素有关。 针对以上 3 个因素，每个因素在合适的范围内取 4 个水平 （稳定段长度取 0、 3、 6、 9 mm,收缩角取 10、 20、 30、 40， 直线段长度取 3、 6、 9、 12 mm） 。 按照所 选取的 3 因素 4 水平的模型，选取正交表 L16（43） 安排数值试验， 共进行 16 次数值试验。 5） 优化指标。优化指标是衡量正交设计实验效 果的质量指标。现场应用表明，喷嘴结构参数对煤 层割缝器工作效率有较大影响。适合煤层割缝工况 条件下的割缝喷嘴不仅要求产生是射流会聚性好， 而且要求射流在同等靶距下具有较大速度，具备更 大的打击力，而射流对靶件的打击力与射流的动压 力有直接对应关系。射流的动压力与射流速度成正 比例关系， 相比射流速度， 考察射流动压力更能够区 分喷嘴性能的优劣。喷嘴优化的指标设为射流动压 力，通过考察不同型号的喷嘴在相同工作压力下的 射流动压力来对比喷嘴性能。考察具体内容为 在 距喷嘴出口 150 mm 处喷嘴轴线上的射流动压力值。 射流的动压力 pk与射流速度 v 有以下对应关系 pk 1 2 ρv2（1 ） 式中pk为射流动压力,MPa； ρ 为水的密度， kg/ m3； v 为射流速度， m/s。 3模拟结果分析 3.1射流动压数值计算和优化指标分析 根据以上数值解法和边界条件， 分别模拟了 16 种不同结构喷嘴内外部流场，淹没状态下锥直型喷 嘴速度分布云图如图 2。 根据数值计算，提取各组不同型号的喷嘴射流 在 150 mm 处的射流轴向动压力值并进行对比分 析， 数值计算结果见表 2， 其中， pk为离出口 150 mm 处喷嘴轴线上的射流动压力值。优化结果表明， 结 构参数为 0-30-9 的喷嘴具有最佳的喷射性能。 3.2影响因素显著性分析 割缝喷嘴性能与喷嘴稳定段长度、 收缩角、 直线 压力/MPa湍流强度/水流直径/mm 入口281023 出口0.1103 图 1煤层割缝喷嘴结构图 Fig.1Nozzle structure for coal seam slotting 表 1边界条件设置 Table 1Boundary conditions setting 11 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 序号l/mmθ/ （ ）L/mmpk/MPa 101035.04 202065.29 303095.39 4040125.33 531064.79 632035.11 7330125.04 834095.30 961094.45 10620124.64 1163035.28 1264065.24 13910123.90 1492094.58 1593065.04 1694035.34 均值 15.2624.5455.192 均值 25.0604.9055.090 均值 34.9025.1884.930 均值 44.7155.3034.728 极差0.5470.7580.464 段长度 3 个因素有关。通过对割缝喷嘴的各个结构 参数进行显著性分析，可以判断出各个参数对喷嘴 性能的影响大小。 在 Xij进行实验得到因素 j 第 i 水平的实验结果 指标 Yij， Yij是服从正态分布的随机变量。 在 Xij下做 了 n 次试验得到 n 个实验结果， 分别为 Yijk（k1,2, ,n） 。有计算参数如下 Kij n k1 ∑Yijk（2） 式中Kij为第 j 因素在第 i 水平的统计参数;n 为 第 j 因素在第 i 水平下的实验次数;Yijk为第 j 因素 在第 i 水平下第 k 个实验结果指标值。 评价因素显著性的参数极差 Rj [10]为 Rjmax K1j,K2j,,Krj ｛｝ -min K1j,K2j,,Krj ｛｝（3） 式中Rj为评价因素显著性的参数。 极差越大说明该因素的水平改变对实验结果影 响也越大。从表 2 可以看出，喷嘴收缩角的极差最 大， 为 0.758， 说明喷嘴收缩角对喷嘴性能的影响最 大，而稳定段长度及直线段长度的影响较小。按极 差的大小，影响喷嘴性能的参数的主次顺序为 喷 嘴收缩角＞稳定段长度＞直线段长度，根据该结果， 在进行喷嘴加工时，割缝喷嘴各个结构参数的加工 精度要求依次从高到低依次为喷嘴收缩角＞稳定 段长度＞直线段长度。 3.3拟合曲线 以影响因素的水平作为横坐标，以喷嘴射流在 距出口处 150 mm 的射流动压力值作为纵坐标， 绘 制喷嘴结构参数与喷嘴性能的趋势，各因素对喷嘴 性能的影响如图 3。 在喷嘴总长一定的情况下， 射流在距出口 150 mm 处的射流轴线动压力值与稳定段长度的关系呈 近似直线的关系， 随着稳定段长度的增加， 射流在距 出口 150 mm 处的射流轴线动压力值呈直线递减； 距出口 150 mm 处的射流轴线动压力与喷嘴收缩角 的关系呈二次多项式关系， 随着喷嘴收缩角的增加， 距喷嘴出口 150 mm 处的射流动压力值先增加， 后 有减少趋势；距出口 150 mm 处的射流轴线动压力 与直线段长度的关系呈二次多项式关系，随着直线 段长度的增加，距出口 150 mm 的射流轴线动压力 值加速递减， 这主要是因为随直线段长度的增加， 直 线段内壁对流动的摩擦阻力的增加。 4割缝试验验证 1） 试验喷嘴。由于数值模拟在计算过程中对实 际问题进行了大量的简化，为了验证优化结果的正 确性，将优化喷嘴与原喷嘴的性能进行试验对比， 图 2淹没状态下喷嘴内外部流场速度分布图 Fig.2Distribution of velocity field inside and outside the nozzle in submerged environment 表 2数值计算结果 Table 2Numerical results 图 3各因素对喷嘴性能的影响 Fig.3Effect of factors on nozzle perance 12 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 喷嘴类型l/mmθ/ （ ）L/mm 原喷嘴5136 优化喷嘴0309 表 3喷嘴结构参数 Table 3Parameters of nozzle structure 优化喷嘴与原喷嘴的结构参数见表 3。 2） 试验设备及试验材料。 试验设备连接如图 4。 高压泵使用流量为 200 L/min，额定压力为 31.5 MPa 的柱塞泵；流量计采用电子显示的高压涡轮流 量计， 在切割试验中钻机转速为 30 r/min， 采用纯水 切割。 在割缝试验中， 切割材料使用混凝土填充。 混 凝土中水泥、 河沙、 石子配比 水泥∶河沙∶石子1∶4∶ 4，单轴试验测试得其平均单轴抗压强度为 6.13 MPa， 试样强度高于松软低透气性煤层。 3） 试验结果。喷嘴结构优化后， 喷嘴射流结构 的变化必然引起切割深度的变化，切割深度直接反 映射流的切割能力，优化喷嘴和原喷嘴的切割深度 随切割时间的变化值如图 5。 试验结果表明 与原喷 嘴相比，优化喷嘴具有更高的切割能力，切割深度 为原有喷嘴的 1.5 倍以上。 5结语 1） 正交设计结果表明 对于煤层割缝喷嘴， 喷嘴 稳定段长度为 0 mm， 收缩角为 30， 直线段长度为 9 mm 时， 喷嘴具有最佳切割能力。 2 ） 对 3 种影响因素的显著性分析可知， 影响喷 嘴性能的参数的主次顺序依次为喷嘴收缩角＞稳 定段长度＞直线段长度。 3） 原喷嘴与优化喷嘴进行割缝能力对比试验 结果表明优化的喷嘴结构类型具有优良的切割 性能。 参考文献 ［1］ 张建国， 林柏泉， 翟成．穿层钻孔高压水射流割缝增透 防突技术研究与应用 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2012， 29 （3） 411-415． ［2］ 宋维源， 王忠峰， 唐巨鹏．水力割缝增透抽采煤层瓦斯 原理及应用 ［J］ ．中国安全科学学报， 2011， 21 （4） 78. ［3］ 周东平， 李晓红， 卢义玉， 等．磨料射流割缝技术在巷 道掘进中的应用研究 ［J］ ．重庆大学学报， 2010， 33 （7） 86-90． ［4］ 崔谟慎， 孙家俊．高压水射流技术 ［M］ ．北京 煤炭工业 出版社， 1993． ［5］ 薛胜雄．高压水射流技术工程 ［M］ ．合肥 合肥工业大 学出版社， 2006． ［6］ 田艳丽．旋转射流搅拌全流场数值模拟及喷嘴结构优 化 ［D］ ．杭州 浙江大学， 2008． ［7］ 何枫， 谢峻石， 杨京龙．喷嘴内部流道型线对射流流场 的影响 ［J］ ．应用力学学报， 2001， 18 （4） 114-119． ［8］ W R Quinn, J Milizer. Effects of nonparallel exit flow on round turbulent free jets ［J］ . International Journal of Heat and Fluid Flow,1989,10 （2） 139-145. ［9］ 马飞， 张文明．水射流扩孔喷嘴内部流场的数值模拟 ［J］ ．北京科技大学学报， 2006， 28 （6） 576-580． ［10］ 方开泰， 马民兴．正交与均匀试验设计 ［M］ ．北京 科 学出版社， 2001． 图 4试验设备连接 Fig.4Test equipment connection 图 5喷嘴切割深度随时间的变化 Fig.5Change of nozzle cutting depth with time 作者简介 沈华建 （1994） ， 湖北黄冈人,重庆大学在 读硕士研究生，研究方向为高压水射流破岩和非常规天然 气开发利用。 （收稿日期 2019-07-19； 责任编辑 李力欣） 13 ChaoXing