【摘 要】
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考虑水力化破煤增透措施存在堵塞煤体孔隙、阻碍瓦斯解吸通道等不足;本文利用磨料空气射流对钻孔内的煤体进行冲击,以达破煤的目的,利用磨料气体射流破煤可以弥补水力化措施的不足,减小水力化措施对瓦斯解吸的影响,促进瓦斯抽采效率。为此,本文首先根据现场条件,提出了利用射流泵技术实现磨料与气流在钻杆末端后混合的方法,并以此研制了后混合磨料空气射流破煤系统的基本结构。然后研究了射流泵结构对气流和磨料的加速规律,
【基金项目】
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国家重点研发计划子课题（2017YF0160420704）；
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考虑水力化破煤增透措施存在堵塞煤体孔隙、阻碍瓦斯解吸通道等不足;本文利用磨料空气射流对钻孔内的煤体进行冲击,以达破煤的目的,利用磨料气体射流破煤可以弥补水力化措施的不足,减小水力化措施对瓦斯解吸的影响,促进瓦斯抽采效率。为此,本文首先根据现场条件,提出了利用射流泵技术实现磨料与气流在钻杆末端后混合的方法,并以此研制了后混合磨料空气射流破煤系统的基本结构。然后研究了射流泵结构对气流和磨料的加速规律,建立了磨料在射流泵内外运动的运动方程,以此对射流泵的结构参数进行了调制,确定适合磨料加速的射流泵结构参数;接下来建立了磨料在钻杆内的运动方程,研究了压力损失对磨料输运规律和射流泵结构参数的影响。最后依据建立的后混合磨料空气射流破煤系统,采用数值模拟和实验的方法,从磨料参数（磨料质量流量和磨料粒径）、靶体参数（靶距和靶体围压）和时间参数方面出发,对后混合磨料空气射流系统的破煤参数进行调制,获取适用于后混合磨料空气射流系统的破煤参数。研究结果表明,当射流泵喷嘴的膨胀比为1时,磨料受到了更大的动力,磨料速度更快,对靶体造成更大的冲蚀率,对煤样造成更大的破煤深度以及质量损失,同时射流泵的磨料引射能力最强,因此将将膨胀比为1作为射流泵结构参数的设计原则。当膨胀比为1时,在本文的条件下,获取的后混合磨料空气射流的关键结构参数如下:引射喷嘴收缩段长度在2mm以上,喉部长度可设置为0mm以上,扩张段长度在5mm以上,引射喷嘴的喉部直径可设置为2mm,出口直径随输运压力会产生微小变动,但随钻杆长度的变化较小,当输运压力在0.4-1MPa时,出口直径可设置为2.2mm-2.7mm;射流泵喷管的喉管直径设置为6mm,收缩管长度可设置为4mm,喷管的出口直径、喉管长度、扩张管长度随输运压力产生微小变动,当输运压力在0.4-1MPa时,喷管的出口直径可设置为7.4mm-8.6mm,喉管长度可设置为41mm-36mm,扩张管长度可设置为14mm-19mm。输运长度增加的同时可通过增加进口压力使喷嘴保持膨胀比为1的状态,通过调整进口压力,射流泵的结构参数并不需要随钻杆长度进行调整。依据上述结构参数,获取的破煤参数如下:最适合的磨料质量流量为60g/s,给定磨料粒径存在一个最优靶距,给定靶距存在一个最优磨料粒径,使用的磨料粒径根据靶距的远近（0.6m内）,可使用0.55mm-0.075mm的磨料;增加破煤时间能够提升破煤效果,但破煤效果仅在破煤前15s增加较快;围压对破煤效果的影响是通过减小每个磨料颗粒对煤体的撞击效果实现,相同破煤时间下对煤加载10MPa的围压,破煤深度和煤的质量损失均减小了30%左右;本文研制的破煤实验系统理论上最大破煤深度可达50cm。
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