黏弹性水射流的集束特性及切割破岩性能试验
张宏伟1
葛兆龙1
胡秋旭2
葛彬彬1
陈翾屹1
温森1
邓青林1
1.重庆大学资源与安全学院,重庆 400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 4000442.武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430205
摘要：针对煤层卸压增透中纯水射流割缝有效距离短、效率低的问题,提出并研究了一种基于高分子聚合物的黏弹性水射流破岩技术.为探明高分子聚合物对水射流集束特性与破岩性能的影响规律及作用机理,系统研究了不同质量分数PAM工作液的黏弹特性、射流流场结构演变规律及其对煤、砂岩的切割破碎性能与机制.试验采用分子量为 2 200万的聚丙烯酰胺(PAM)作为添加剂,配制了不同质量分数(0.03%～0.15%)的黏弹性工作液.首先,使用流变仪对工作液的储能模量、损耗模量、表观黏度及弛豫时间等流变参数进行测试,并利用透射电镜(TEM)观察其微观胶束结构.其次,利用高速摄像技术捕捉不同压力及质量分数下射流的形态,定量分析射流的扩散角与相干长度.最后,开展对煤岩和砂岩的切割试验,在 20和 50倍喷嘴直径(d)靶距下对比纯水射流与PAM黏弹性水射流的切割深度、缝槽形态,并借助扫描电子显微镜(SEM)从微观尺度揭示2种射流的破岩机制差异.结果显示:PAM工作液具有显著的黏弹性与剪切稀化特性,高质量分数(≥0.06%)PAM工作液具有胶束结构,存在明显的弹性主导区.弛豫时间在 0.12%质量分数时达到最小值 0.01 s.TEM图像显示,0.12%质量分数的工作液形成了均匀稳定的网状胶束结构,实现了弹性与流动性的平衡.PAM的加入显著改善了射流的集束性,射流扩散角和相干长度随PAM质量分数增加呈"先增后减"的非线性关系.在最优质量分数 0.12%时,射流扩散角较纯水最多降低 83.9%,相干长度则提升了 6.3倍.黏弹性水射流流场呈现出独特的结构演化:相干段出现因聚合物链弹性回缩导致的"腰缩"现象,随后进入由局部高剪切速率诱发的缠绕-破碎段.切割破岩试验表明:黏弹性水射流的破岩能力大幅提升.切割煤岩时,0.12%的PAM水射流形成了多层裂纹结构,而纯水射流仅形成规整缝槽.对于砂岩,在 30 mm(20d)和 75 mm(50d)靶距下,0.12%的PAM水射流的切割深度较纯水分别提高了 278.4%和 311.2%,且实现了切割深度增加与切口宽度减小的效果优化.微观破岩机制分析发现,纯水射流仅能引起矿物表层的物理剥蚀,晶体与胶结结构保持完整;而黏弹性水射流能够引发沿晶破坏与穿晶破坏,促进矿物颗粒崩解,破坏程度更深.因此,添加PAM形成非牛顿黏弹性流体,能显著优化水射流的流场结构、抑制其雾化与能量耗散,从而大幅提升其集束性与有效作用距离,在煤层割缝、卸压增透等领域具有应用前景.
关键词：水射流水力割缝卸压增透非常规天然气非牛顿流体黏弹性
分类号：TD82(矿山开采)
资助基金：国家自然科学基金(U23A20597)中国博士后科学基金面上资助项目(2024M753846)
论文发表日期：2025-09-27
在线出版日期：2025-10-22（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 4223-4234 )
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