CN111563352A - 基于固液两相理论的水射流切缝压力确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种基于固液两相理论的水射流切缝压力确定方法，包括：S1.采集煤层切缝历史数据，确定出不同煤层硬度以及相对应的切缝压力下的切缝落煤速度T1；S2.构建基于固液两相理论的临界排渣速度T2与切缝压力关系模型，并计算不同切缝压力所对应的临界排渣速度T2；S3.将切缝落煤速度T1与临界排渣速度T2进行对比，当T1≤T2时所对应的最大切缝压力为最佳切缝压力；能够准确确定出水射流的切缝压力，既能够保证对于煤层的切缝深度，又能够防止切缝压力过大造成的喷孔、堵孔等危害发生，确保工作人员安全，而且还能够确保切缝时顺利排渣。

Description

基于固液两相理论的水射流切缝压力确定方法
技术领域
本发明涉及煤矿领域，尤其涉及一种基于固液两相理论的水射流切缝压力确定方法。
背景技术
随着我国煤矿开采逐渐进入深部区域，高地应力、高瓦斯、低渗透性煤层瓦斯抽采难题逐渐凸显。顺层长钻孔水射流切缝技术作为解决回采及掘进工作面瓦斯抽采问题的新兴技术手段，越来越多的被应用于低渗透性煤层回采工作面及掘进工作面，并取得了较好的效果。但目前对水射流切缝技术工艺参数的选择还没有明确的认识，特别是对于切缝过程中针对不同坚固性系数煤层的切缝压力选择以及切缝压力与钻杆排渣之间的协调作用关系还没有清晰的认识，切缝压力作为超高压水力切缝技术中最重要的参数之一，压力选择过低不能破煤或不能达到预期的切缝深度，而压力过高则会导致喷孔、堵孔、埋钻影响正常施工，造成瓦斯超限甚至威胁工人安全。
为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的技术手段。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于固液两相理论的水射流切缝压力确定方法，能够准确确定出水射流的切缝压力，既能够保证对于煤层的切缝深度，又能够防止切缝压力过大造成的喷孔、堵孔等危害发生，确保工作人员安全，而且还能够确保切缝时顺利排渣。
本发明提供的一种基于固液两相理论的水射流切缝压力确定方法，包括：
S1.采集煤层切缝历史数据，确定出不同煤层硬度以及相对应的切缝压力下的切缝落煤速度T1；
S2.构建基于固液两相理论的临界排渣速度T2与切缝压力关系模型，并计算不同切缝压力所对应的临界排渣速度T2；
S3.将切缝落煤速度T1与临界排渣速度T2进行对比，当T1≤T2时所对应的最大切缝压力为最佳切缝压力。
进一步，步骤S2中，临界排渣速度T2与切缝压力P计算模型构建如下：构建水射流流量与固液混合流体的移动层流态临界速度关系模型：
Figure BDA0002490616170000021
其中：
Figure BDA0002490616170000022
Figure BDA0002490616170000023
Figure BDA0002490616170000024
Figure BDA0002490616170000025
其中：
ds为煤体颗粒平均直径，ρs为煤体颗粒密度，ρw为水密度，g为重力加速度，vs为煤体颗粒的体积，vw为水射流切缝时液体的体积，P为水射流切缝压力，k0为水流喷嘴的喷嘴系数，a为煤体颗粒形状系数，D为环空管当量直径；
构建煤体颗粒体积vs与临界排渣速度T2的关系模型：
Figure BDA0002490616170000026
构建水射流流量Q与水射流切缝时液体的体积vw的关系模型：
Figure BDA0002490616170000031
将公式(1)至(7)联立解得临界排渣速度T2与水射流切缝压力P的关系模型：
Figure BDA0002490616170000032
进一步，环空管当量直径通过如下公式计算：
Figure BDA0002490616170000033
R为钻孔直径，r为钻杆直径。
本发明的有益效果：通过本发明，能够准确确定出水射流的切缝压力，既能够保证对于煤层的切缝深度，又能够防止切缝压力过大造成的喷孔、堵孔等危害发生，确保工作人员安全，而且还能够确保切缝时顺利排渣。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为水射流切缝示意图。
图2为不同硬度煤层切缝落煤速度随切缝压力变化曲线图。
图3为切缝压力选择模型图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明：
图1中，1-切缝钻杆；2-煤体；3-钻孔；4-临界排渣煤量；5-切缝缝槽；6-切缝器；7-切缝落煤量，该图反应了的水流切缝过程的排渣；在水射流切缝过程中，煤体被高压水射流切割成非均匀颗粒，在钻杆螺纹及自身重力的作用下与水混合，形成固液两相混合流体，且混合流体通道为钻杆与孔壁之间的环空间隙；对于固液两相流体在流经钻孔环空通道时，根据煤体颗粒浓度及水流速度的不同，将会出现四种不同的流态：均匀悬浮流态、非均匀悬浮流态、移动层流态、固定层流态。为保证切缝过程中煤渣颗粒能顺利从孔口排出，钻孔内固液两相流流体应处于移动层流态，此时钻孔内底部煤渣颗粒运动状态显现为滑动状态，如果煤体颗粒浓度或水流速度进一步减小，则钻孔内煤体颗粒将由滑动状态变为滚动状态，大粒径煤体颗粒将开始在钻孔底部沉积，进而出现堵孔现象。所以为保证煤渣顺利排出，钻孔内最小水流速度应为移动层流态临界速度。
那么，本发明提供的一种基于固液两相理论的水射流切缝压力确定方法，具体如下：包括：
S1.采集煤层切缝历史数据，确定出不同煤层硬度以及相对应的切缝压力下的切缝落煤速度T1；如图2所示，在不同的煤层硬度条件下，落煤速度随压力变化而变化，因此，需要根据现场所采集的历史数据，得出在不同煤层硬度条件下，切缝落煤速度随压力的变化状态，因此，根据历史数据得出一个如图2所示的切缝落煤速度T1与切缝压力P的曲线；
S2.构建基于固液两相理论的临界排渣速度T2与切缝压力关系模型，并计算不同切缝压力所对应的临界排渣速度T2；
S3.将切缝落煤速度T1与临界排渣速度T2进行对比，当T1≤T2时所对应的最大切缝压力为最佳切缝压力，即如图3所示，最佳切缝压力为临界排渣速度T2和切缝落煤速度T1的曲线的交点所对应的压力为最佳切缝压力，通过本发明，能够准确确定出水射流的切缝压力，既能够保证对于煤层的切缝深度，又能够防止切缝压力过大造成的喷孔、堵孔等危害发生，确保工作人员安全，而且还能够确保切缝时顺利排渣。
本实施例中，步骤S2中，临界排渣速度T2与切缝压力P计算模型构建如下：构建水射流流量Q与固液混合流体的移动层流态临界速度Vmin关系模型：
Figure BDA0002490616170000051
其中：
Figure BDA0002490616170000052
Figure BDA0002490616170000053
Figure BDA0002490616170000054
Figure BDA0002490616170000055
其中：
ds为煤体颗粒平均直径，ρs为煤体颗粒密度，ρw为水密度，g为重力加速度，vs为煤体颗粒的体积，vw为水射流切缝时液体的体积，P为水射流切缝压力，k0为水流喷嘴的喷嘴系数，a为煤体颗粒形状系数，D为环空管当量直径；
环空管当量直径通过如下公式计算：
Figure BDA0002490616170000056
构建煤体颗粒体积vs与临界排渣速度T2的关系模型：
Figure BDA0002490616170000057
构建水射流流量Q与水射流切缝时液体的体积vw的关系模型：
Figure BDA0002490616170000058
将公式(1)至(7)联立解得临界排渣速度T2与水射流切缝压力P的关系模型：
Figure BDA0002490616170000061
根据上述，调整目标煤层的切缝压力值P，计算得到临界排渣速度T2，再按照步骤S3进行对比，直至得出最佳切缝压力。
以下以一个具体实例进行进一步详述：
本实施示例选用ZGF-100(A)型超高压水力割缝装备进行说明。
ZGF-100(A)型超高压水力割缝装备额定最大工作压力100MPa，钻杆直径73mm，钻头直径113mm，喷嘴直径2.5mm。
步骤(1)，通过大量现场试验数据总结得出，针对不同煤层硬度、不同切缝压力下的切缝落煤速度T1，具体为：
选择煤层坚固性系数为0.2～0.3、0.3～0.5、0.5～0.8、1.0～1.5的四种不同煤层，进行水射流切缝试验，记录不同切缝压力下每刀切缝时间及每刀切缝落煤量，计算得出不同切缝压力下切缝落煤速度，进而得到切缝落煤速度随切缝压力的变化曲线，如图2所示；
基于固液两相流理论，建立钻孔切缝排渣固液两相流模型，确定在不同切缝压力下钻孔的临界排渣速度T2，具体为：R取0.113m，r取0.073m，则D＝0.086m；ds取0.001m，S取1.42；系数a取值为43；代入T2的计算公式中得出临界排渣速度随切缝压力的变化曲线；
从图中可看出，通过临界排渣曲线，将图中分为两个区域，堵孔易发区和合理压力区，Ⅰ区域为堵孔易发区，在Ⅰ区域中切缝落煤速度T1大于临界排渣速度T2，在切缝过程中将会出现堵孔、喷孔等事故；Ⅱ区域为合理压力区，在Ⅱ区域中切缝落煤速度T1小于临界排渣速度T2，排渣顺畅，而Ⅱ区域中的最大切缝压力即为最佳切缝压力,即图3中临界排渣曲线与不同煤层硬度条件下落煤速度T1曲线的交点所对应的压力，此时既能保证煤渣顺利排出孔外，又能最大化切缝效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于固液两相理论的水射流切缝压力确定方法，其特征在于：包括：
S1.采集煤层切缝历史数据，确定出不同煤层硬度以及相对应的切缝压力下的切缝落煤速度T1；
S2.构建基于固液两相理论的临界排渣速度T2与切缝压力关系模型，并计算不同切缝压力所对应的临界排渣速度T2；
S3.将切缝落煤速度T1与临界排渣速度T2进行对比，当T1≤T2时所对应的最大切缝压力为最佳切缝压力。
2.根据权利要求1所述基于固液两相理论的水射流切缝压力确定方法，其特征在于：步骤S2中，临界排渣速度T2与切缝压力P计算模型构建如下：构建水射流流量与固液混合流体的移动层流态临界速度关系模型：
Figure FDA0002490616160000011
其中：
Figure FDA0002490616160000012
Figure FDA0002490616160000013
Figure FDA0002490616160000014
Figure FDA0002490616160000015
其中：
ds为煤体颗粒平均直径，ρs为煤体颗粒密度，ρw为水密度，g为重力加速度，vs为煤体颗粒的体积，vw为水射流切缝时液体的体积，P为水射流切缝压力，k0为水流喷嘴的喷嘴系数，a为煤体颗粒形状系数，d为切缝喷嘴直径，D为环空管当量直径；
构建煤体颗粒体积vs与临界排渣速度T2的关系模型：
Figure FDA0002490616160000021
构建水射流流量Q与水射流切缝时液体的体积vw的关系模型：
Figure FDA0002490616160000022
将公式(1)至(7)联立解得临界排渣速度T2与水射流切缝压力P的关系模型：
Figure FDA0002490616160000023
3.根据权利要求2所述基于固液两相理论的水射流切缝压力确定方法，其特征在于：环空管当量直径通过如下公式计算：
Figure FDA0002490616160000024
R为钻孔直径，r为钻杆直径。
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