煤层钻孔过程中多孔液态CO2闪沸射流形态表征方法及参数分析
刘文川1
张卓雅2
汤积仁2
崔家玮2
张慧栋3
卢义玉2
1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室,重庆 400044;重庆大学资源与安全学院,重庆 400044;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 4540002.重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室,重庆 400044;重庆大学资源与安全学院,重庆 4000443.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
摘要：水力化技术的应用能够有效提高煤层气开采效率.然而,现有水力化技术在深部松软煤层增透时易导致水锁效应、塌孔、卡钻等问题.无水化技术由于从根源上杜绝了水对松软煤层的影响,为这些问题提供了可靠的解决方案.CO2因其独特的物理特性,已发展出CO2射流冲击破岩及相变致裂爆破等无水化技术.CO2闪沸射流作为一种新的射流形式,因其具有相变冲击、作用面积大、作用力均衡等特点,在煤层钻孔应用中具备实现冲击能力与作业覆盖面积高效匹配的潜力.多孔液态CO2闪沸射流的膨胀及塌缩特性对其冲击效果具有决定性作用.然而,传统射流的表征方法对于复杂的多孔闪沸射流流场结构并不适用.运用统一的拟合方法和特征参数,能够准确对比不同射流的流场特征,进而明确各射流参数对流场的影响机制,为精准调控射流参数以提升钻进能力提供有效的表征方法.通过液态CO2闪沸射流可视化试验,收集射流流场图像,采用图像处理技术对射流边界点信息进行提取,基于边界信息提出多孔液态CO2闪沸射流流场形态表征方法.采用非线性拟合函数的形式对射流边界点进行拟合,发现了基于边界点拟合方法的局限性.提出2种基于固定极值点对射流边界点进行拟合的方法,对比发现基于相切曲线极值点的射流边界拟合方法具有更好的拟合效果.分别对射流的近场与远场区域进行拟合优化,得到射流分区域边界拟合函数.对于近场区域,引入修正系数n对拟合方法进行优化以对小喷孔偏转角度喷嘴施加补偿机制;对于远场区域,缩减射流拟合所需边界点数量以降低数据处理成本.分析了射流形态拟合函数中不同特征参数对射流形态的表征作用,射流远场拟合函数的特征参数b可以表征射流的径向偏移量;射流近场拟合函数的特征参数k可以表征闪沸射流的膨胀程度;射流近场与射流远场的k之比——塌缩比γ可以表征闪沸射流的塌缩程度.
关键词：煤层钻孔多孔液态CO2闪沸射流流场形态表征边界拟合膨胀程度塌缩比
分类号：TD712.6(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52474208)重庆英才优秀科学家资助项目(cstc2024ycjh-bgzxm0016)中央高校优秀青年团队资助项目(2023CDJYXTD-001)
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：14( 4955-4968 )
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