松软煤层空气射流冲孔卸压关键技术研究与应用
刘勇1
张汶定2
陈长江2
张慧栋2
徐向宇2
杨涛2
赵启强2
孔德众2
孟飞鸿2
1.河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作 454000;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作 454000;深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽淮南 2320012.河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作 454000;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作 454000
摘要：我国松软低渗煤层分布广泛,瓦斯治理周期长,严重制约采掘交替和煤炭产能释放.采用水力化措施卸压增透容易导致喷孔、塌孔、堵孔等问题,无法高效解决瓦斯治理难题.气力化增透技术是解决松软煤层瓦斯治理难题的可行性路线.但目前气力化增透技术因成本、效率和技术适用性等原因,均无法广泛推广应用.为此,提出空气射流冲孔卸压增透技术.为实现该技术高效冲孔,本研究首先建立喷嘴最大允许长度和最大外径计算模型,针对直径为73 mm的钻具,确定喷嘴最大长度为20mm、外径为13 mm的关键参数.其次,设计不同膨胀比(n=0.5、1.0、1.3和1.4)喷嘴结构,通过数值模拟对比分析不同膨胀比对空气射流流场结构和冲击压力的影响特征,并通过试验研究不同膨胀比喷嘴冲击压力随靶距变化的分布特征,分析空气射流扩孔半径随时间的变化特征;最后,研制完整的空气射流冲孔系统装备,并在新义煤矿开展了工程试验验证.结果表明:在受限空间内优化了喷嘴安装位置,确定了最优喷嘴结构膨胀比和设计原则,发现膨胀比对空气射流速度场与压力场影响显著,当膨胀比为1.0时,射流膨胀波与压缩波交替过渡发展最为平缓,与环境的热交换最小,等速核长度最长,形成的射流冲击靶距最远、冲击压力最大.随着冲击靶距增大,不同膨胀比喷嘴的冲击应力总体呈下降趋势,但在射流处于欠膨胀或过膨胀状态时,冲击压力随靶距增大呈现增大—减小交替发展的特征,而当膨胀比为1.0时,此交替发展特征不明显,且冲击压力始终大于欠膨胀或过膨胀状态;在压风压力为0.6 MPa条件下,对于f=0.3的松软煤层,冲孔半径超过0.5 m;工程试验进一步证实,空气射流冲孔半径可达0.56 m以上,瓦斯抽采流量相比水力冲孔技术提高了 2倍,抽采达标时间缩短了 1/3,有效解决了采掘失衡问题,开创了松软煤层瓦斯治理新模式.
关键词：瓦斯抽采松软煤层喷嘴设计低压射流空气射流冲孔卸压增透
分类号：TD82(矿山开采)
资助基金：国家自然科学基金(U24A2091)国家自然科学基金(52374193)河南省重点研发专项资助项目(231111322000)
论文发表日期：2025-11-30
在线出版日期：2025-12-19（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：13( 4915-4927 )
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