高压水射流煤层割缝深度数值模拟与实验研究

高压水射流割缝技术是提高低透气性煤层瓦斯抽采效率的有效措施之一，确定割缝深度是优化钻孔布置和射流参数的基础。基于Fluent软件数值模拟分析了入口压力、靶距、旋转速度对水射流流场特征的影响规律；基于高压水射流破煤实验系统，开展了淹没和非淹没条件下冲击破煤实验，并进行了现场实验。研究表明，喷嘴结构一定时，水射流速度随着入口压力的增大而增加，冲击压力随冲击距离增大而发生衰减；水射流发展过程中截面积逐渐增大，导致冲击压力集中区域的范围随靶距的增大而逐渐扩展；射流旋转会导致旋转方向一侧的应力大于另一侧，靶体表面最大切应力随旋转速度增加而增大；随着入口压力和冲蚀时间的增加，水射流对试样的冲蚀深度增大，但冲蚀深度随冲蚀时间的增加存在阈值。根据高压水射流破煤深度实验结果可知，喷嘴直径为1 mm、压力为30 MPa时，水射流割缝直径可以达到1.2 m。工程应用表明，割缝钻孔平均瓦斯抽采流量为普通钻孔的1.56～2.52倍；抽采16 d后，瓦斯抽采浓度维持在30%以上。