多孔旋转射流喷头流场特征及动态破岩过程

巴全斌; 刘延保

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503183

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3705-3714 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503183

矿冶工程

多孔旋转射流喷头流场特征及动态破岩过程

巴全斌 ¹^,²^,³ ,
刘延保 ¹^,²^,³^,^*

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Flow Field Characteristics and Dynamic Rock-breaking Progress of Multi-hole Rotating Jet Bit

BA Quan-bin ¹^,²^,³ ,
LIU Yan-bao ¹^,²^,³^,^*

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摘要

针对煤矿井下水力喷射径向钻进用多孔旋转射流喷头流场特征和破岩成孔作用机制等方面存在的研究不足,采用数值模拟和室内试验方法开展了相关研究。通过采用RNG k-ε湍流模型对多孔旋转射流喷头正向喷嘴流场特征开展模拟分析,结果表明:在相同井底面上,射流速度、压力随喷距的增加而逐渐减小,喷嘴射流轴向速度随喷距增加呈现出相同衰减规律;20°、30°喷嘴射流轴向速度较大且衰减较慢,50°喷嘴射流径向速度较大,综合作用实现轴向、径向冲击破煤岩钻进和扩大孔径作用;不同喷距下正向喷嘴射流速度、压力呈峰状分布,且随喷距和喷嘴张角的增大,峰值点对应的横向半径和射流面积逐渐增大。利用实验室高压水射流破岩钻进试验系统,采用均质砂岩和各向异性原煤试件开展了破煤岩动态过程和成孔效果试验分析,结果表明:在旋转作用下不同张角正向喷嘴射流沿各自轨道实现扫描式破岩,分别形成内环、中环和外环破碎圈,随着喷头推进呈现递进式破砂岩成孔过程,并得到断面呈规则圆形的钻孔效果;进一步对比试验砂岩试件和原煤试件成孔效果,钻孔直径分别为24 mm和38 mm,且成孔效果较好,基本满足了煤矿井下水力喷射径向钻进的要求,为后续优化多孔旋转射流喷头结构参数提供了参考依据。

Abstract

In view of the research deficiencies in the flow field characteristics and rock-breaking and hole-forming mechanism of the multi-hole rotating jet bit for water jet radial drilling in underground coal mines, numerical simulation and indoor experiments were carried out. By using the RNG k-ε turbulence model to simulate and analyze the flow field characteristics of the forward nozzle of the multi-hole rotating jet bit, the results show that at the same bottom hole surface, the jet velocity and pressure gradually decrease with the increase of the spray distance, and the axial velocity of the nozzle jet shows the same attenuation law with the increase of the spray distance. The axial velocity of the 20° and 30° nozzle jets is larger and decays more slowly, while the 50° nozzle jet has a larger radial velocity, and the combined effect achieves axial and radial impact rock-breaking and hole-forming drilling and hole diameter expansion. The velocity and pressure of the forward nozzle jet at different spray distances show a peak distribution, and as the spray distance and nozzle angle increase, the corresponding lateral radius and jet area of the peak point gradually increase. Using the laboratory high-pressure water jet rock-breaking and drilling test system, the dynamic process of rock-breaking and hole-forming and the hole-forming effect were analyzed by using homogeneous sandstone and anisotropic raw coal specimens. The results show that under the rotation effect, the forward nozzles with different angles achieve scanning rock-breaking along their respective tracks, forming inner, middle and outer ring fracture zones, and the sandstone is progressively broken and a hole is formed as the nozzle advances, resulting in a regular circular cross-section hole. Further comparison of the hole-forming effects of the sandstone and raw coal specimens shows that the hole diameters are 24 mm and 38 mm respectively, and the hole-forming effects are good, basically meeting the requirements of water jet radial drilling in underground coal mines, providing a reference basis for the subsequent optimization of the structural parameters of the multi-hole rotating jet bit.

Graphical abstract

关键词

多孔旋转射流喷头 / 流场特征 / 径向钻进 / 水力化增透技术 / 成孔效果

Key words

multi-hole rotating jet bit / flow field characteristics / radial drilling / hydraulic enhanced permeability technology / hole formation effect

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巴全斌, 刘延保. 多孔旋转射流喷头流场特征及动态破岩过程[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(9): 3705-3714 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503183

BA Quan-bin, LIU Yan-bao. Flow Field Characteristics and Dynamic Rock-breaking Progress of Multi-hole Rotating Jet Bit[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(9): 3705-3714 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503183

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中国绝大部分煤层生成及赋存条件复杂,瓦斯含量高、透气性低、构造复杂,煤矿瓦斯灾害严重,且随着开采深度和强度的增加,瓦斯防治难度日益加大,给煤矿安全生产带来新的挑战^[1-3]。大幅度提高复杂煤层的透气性是瓦斯灾害防治及煤层气抽采的关键。煤矿井下水力喷射径向钻进技术作为一种新型的水力化增透技术^[4-6],逐渐成为近年来研究的热点。该技术源于油气钻采行业的超短半径径向水平井技术^[7-10],其原理是利用水力喷射钻进喷头在抽采钻孔周围煤层钻出一系列小直径钻孔,形成呈放射状或羽扇状的分支钻孔群,从而达到增透作用和大幅提高瓦斯抽采效果的目的。

水力喷射钻进喷头主要影响破煤岩钻进效率和成孔效果,是该技术突破的关键之一。油气钻采行业相继研发形成多孔直射式、内旋式、直旋混合式、多孔旋转式等多种类型射流喷头,逐步提升了钻进效率和成孔效果。高军红等^[11]采用数值模拟方法对自进式喷嘴的钻进性能展开研究,研究证明直旋混合射流喷嘴兼具直射流和旋转射流的破岩优势;王垒^[12]采用实验与理论相结合的方法,分析了树状钻孔的自进式钻头射流流场特性,揭示了自旋转射流破岩特征,优化了自进式钻头结构;胡强法等^[13]开展了旋转喷头射流工具水力参数优化,并利用流体力学方法对工具结构进行优选;夏维康^[14]通过理论分析、数值模拟和破岩实验对自旋转钻头的结构设计优化、流场特性和破岩实验分析,得到钻头最优结构参数;赵金等^[15]模拟了连续管、喷嘴组合及泵车水力参数的匹配关系,研制了新型多孔喷嘴清洗工具并进行参数优化;吕前^[16]研究了多孔射流喷嘴结构参数对流场特性和自进能力的影响规律,提出了喷嘴结构优化设计方法;Liu等^[17]采用参数组合喷嘴射流流开展破岩试验,从而对多喷嘴射流钻头的参数和结构进行了优化;戴兴茹^[18]基于FLUENT数值模拟软件,采用控制变量法对射流动力特性影响因素进行了分析,优化了自进式钻头结构参数;许亚优等^[19]构建多孔钻头前端结构模型,基于FLUENT数值模拟软件分析了破岩性能参数,优化得到多孔钻头前端结构参数;徐宝兴^[20]对射流的形成机理和内流场中速度分布规律进行深入研究,结合冲蚀试验确定钻头的最优参数配置;赵文涛等^[21]提出了一种基于粒子群优化算法的布局优化策略,经优化后喷头的扫掠冲击能量分布均匀度较原设计提升了22.81%,除锈效率提高了约11.2%;韦志东^[22]研究了自旋转多孔射流破岩临界速度和喷嘴布置方式,从而优化设计了自旋转多孔射流钻头结构;纪照生^[23]揭示了喷嘴结构参数对钻井液压耗和对岩石表面冲击力影响规律,在考虑真实钻井液流变特性的基础上优化了喷嘴结构;王岩等^[24]开展纯水射流/磨料水射流复合自进钻孔装置的设计与分析,有效提高了自进钻孔效率。虽然上述已针对水力喷射钻进喷头开展大量研究并取得较好的应用效果,但是针对新型的多孔旋转射流喷头流场特征和破岩成孔作用机理等方面仍然存在不足,主要是在煤矿井下转换应用中受煤矿井下作业条件限制、煤岩钻进目标层差异等影响,以及随着中国煤矿逐渐向深部开采需求^[25-26],对水力喷射钻进喷头尺寸、成孔直径、钻进效率方面提出的更高要求,需要对水力喷射钻进喷头的结构参数与破岩成孔效果开展深入研究。

现通过优选一种适用于煤矿井下水力喷射径向钻进的多孔旋转射流喷头,并优化得到正向喷嘴布置参数。基于此,进一步采用数值模拟和实验室高压水射流破煤岩成孔效果试验方法,对多孔旋转射流喷头正向喷嘴的流场特征和动态破岩过程进行分析,通过数值模拟结果和试验效果对比,揭示多孔旋转射流的流场特征和动态破煤岩成孔机制,为进一步优化多孔旋转射流喷头结构参数和提高破煤岩成孔效果提供参考依据。

1 多孔旋转射流喷头

1.1 多孔旋转射流作用原理

旋转射流实质是具有一定张角和切向移动速度的斜直射流,其原理是通过喷嘴的偏置设计实现射流旋转,因此射流自身不具有旋转速度,主要是通过喷头旋转实现射流旋转^[27];进一步通过布置多个正反向喷嘴形成具有多束斜直射流的多孔旋转射流体系,其中正向喷嘴射流由于喷头旋转特性沿各自轨道“扫描式”破岩并实现破煤岩钻进,从而在前方射流靶面上形成多个间隔圆环,反向喷嘴射流主要提供前进动力,在前后喷嘴综合作用下实现破煤岩钻进成孔,并形成规则圆孔,多孔旋转射流工作原理如图1所示。

1.2 多孔旋转射流喷头结构及参数

近年来,随着加工制造工艺的提升和理论研究的深入,多孔旋转射流喷头的小型化成为可能。优选了一种适用于煤矿井下径向钻进的多孔旋转射流喷头,主要由外壳、旋转体、旋转轴、正向喷嘴和反向喷嘴等组成,多孔旋转射流喷头结构如图2所示。旋转体是多孔旋转射流喷头的核心,实现绕旋转轴旋转,并与外壳形成容许一定泄漏量的间隙密封方式;正反向喷嘴位于多孔旋转射流喷头的旋转体上,并与喷头轴线形成不同张角,提供不同方向射流并避免多个喷嘴射流重复破岩,同时具有一定偏转角的喷嘴射流提供喷头旋转扭矩。

根据上述多孔旋转射流喷头结构和不同张角喷嘴组合射流破岩特点,正向喷嘴是影响破岩钻进效率和成孔效果的关键,因此主要针对多孔旋转射流喷头的正向喷嘴流场特征和动态破岩过程进行分析。通过前期优化设计得到了多孔旋转射流喷头正向喷嘴布置参数如表1所示。

2 数值模拟方法

2.1 几何模型

为开展多孔旋转射流喷头正向喷头流场特征数值模拟,首先对多孔旋转射流喷头进行简化处理,提取喷头旋转体及其喷嘴、流道等,进而建立多孔旋转射流喷头旋转体几何模型;同时构建高×直径为30 mm×20 mm的圆柱体,其侧面作为多孔旋转射流喷头旋转体的壁面,如图3所示。多孔旋转射流喷头正向喷嘴布置参数按照表1进行设置。

2.2 控制方程

假定流体为不可压缩流体,控制方程如下。

(1)质量守恒方程。

(1)$\frac{\partial \rho }{\partial t}+\frac{\partial \left(\rho u\right)}{\partial x}+\frac{\partial \left(\rho v\right)}{\partial y}+\frac{\partial \left(\rho w\right)}{\partial z}=0$

式(1)中:ρ为流体的密度;t为时间;u、v和w分别为速度在x、y和z方向的分量。

(2)动量守恒方程。

(2)$\left\{\begin{array}{l}\frac{\partial \left(\rho u\right)}{\partial t}+\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(\rho Uu\right)=\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(\eta \mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}u\right)+{\mathrm{S}}_{\mathrm{u}}-\frac{\partial \mathrm{p}}{\partial \mathrm{x}}\\ \frac{\partial \left(\rho v\right)}{\partial t}+\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(\rho Uv\right)=\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(\eta \mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}v\right)+{\mathrm{S}}_{\mathrm{v}}-\frac{\partial \mathrm{p}}{\partial \mathrm{y}}\\ \frac{\partial \left(\rho w\right)}{\partial t}+\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(\rho Uw\right)=\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(\eta \mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}w\right)+{\mathrm{S}}_{\mathrm{w}}-\frac{\partial \mathrm{p}}{\partial \mathrm{z}}\end{array}\right.$

式(2)中:div和grad为矢量符号;p为流体压强;U为速度矢量;η为动力黏度;S_u、S_v、S_w为方程中的广义源项,即

(3)${{S}_{u}}=\rho {{F}_{x}}+{{S}_{x}}$

(4)${S}_{x}=\frac{\partial }{\partial x}\left(\eta \frac{\partial u}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left(\eta \frac{\partial v}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left(\eta \frac{\partial w}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial x}\left(\lambda \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}U\right)$

式中:F_x为流体微元上的体积力;λ为流体第二黏度系数。

(3)能量守恒方程。

(5)$\frac{\partial \left(\rho T\right)}{\partial t}+\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(\rho UT\right)=\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\mathrm{ }\left(\frac{k}{{c}_{p}}\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}T\right)+{S}_{T}$

式(5)中:c_p为比热容;T为温度;k为流体的传热系数;S_T为黏性耗散项。

(4)湍流模型。

多孔旋转射流喷头内部流域结构相对复杂,流体在喷嘴处易形成湍流漩涡,因此采用RNG k-ε湍流模型进行数值模拟^[28-30]。

(6)$ \begin{array}{c} \frac{\partial}{\partial t}(\rho k)+\frac{\partial}{\partial \boldsymbol{X}}(\rho k \boldsymbol{U})=\frac{\partial}{\partial \boldsymbol{X}}\left(\alpha_{k} \mu \frac{\partial k}{\partial \boldsymbol{X}}\right)+ \\ G_{k}+G_{b}-\rho \varepsilon-Y_{M}+S_{k} \end{array} $

(7)$ \begin{array}{l} \frac{\partial}{\partial t}(\rho \varepsilon)+\frac{\partial}{\partial \boldsymbol{X}}(\rho \varepsilon \boldsymbol{U})=\frac{\partial}{\partial \boldsymbol{X}}\left(\alpha_{\varepsilon} \mu \frac{\partial \varepsilon}{\partial \boldsymbol{X}}\right)+ \\ \quad C_{1 \varepsilon} \frac{\varepsilon}{k}\left(G_{k}+C_{3 \varepsilon} G_{b}\right)-C_{2 \varepsilon} \rho \frac{\varepsilon^{2}}{k}-R e+S_{\varepsilon} \end{array}$

式中:X为位移分量;k、ε分别为湍流动能和湍流耗散率;α_k、α_ε分别为上述湍流动能和湍流耗散率对应的普朗特数倒数;G_k为平均速度梯度产生的湍流动能;G_b为浮力产生的湍流动能;Y_M为可压缩性修正项;S_k、S_ε为用户自定义源项;C₁_ε、C₂_ε、C₃_ε为常量;Re为雷诺数。

2.3 网格划分及边界条件

几何模型网格划分质量是影响数值模拟收敛性的关键因素。如图4所示,根据多孔旋转射流喷头结构和正向喷嘴布置特点,采用非结构性网格划分方式,并对喷嘴局部网格进行加密,提高网格划分质量和参数获取精度。在多孔旋转射流喷头旋转体与圆柱体淹没区设置交界面进行分别处理,使多孔旋转射流喷头旋转体可以实现绕喷头旋转轴旋转,最终获得的多孔旋转射流喷头几何模型的网格节点数为419 908,网格划分数量为2 146 595。

边界条件:入口边界压力设为40 MPa,出口边界为大气压力,设定为0.1 MPa;壁面条件为无滑移壁面边界。

3 数值模拟结果分析

3.1 正向喷嘴射流速度云图特征分析

图5为多孔旋转射流喷头正向喷嘴射流速度云图。如图5(a)所示,20°、30°喷嘴分布在一侧且距离较近,且由于张角较小两个喷嘴射流沿喷头轴向速度较大且衰减较小;50°喷嘴设置在上述两个喷嘴的对侧,因此受上述两个喷嘴射流的影响较小,且由于张角较大喷嘴射流沿喷头径向速度较大;正向3个喷嘴射流不同程度的附壁现象,且随着喷嘴张角增大,喷嘴射流的附壁现象越明显,由此导致的能量损失也越大。如图5(b)所示,由于20°、30°喷嘴的张角并与喷头轴线距离较小,喷嘴射流在井底表现为轴向速度大并存在一定的相互影响,由此出现射流重合区域,而50°喷嘴射流则保持了相对独立的射流特征,表现为喷嘴射流径向速度大和作用区域明显较上述两个喷嘴大;在喷头旋转作用下,20°、30°喷嘴射流可以实现射流旋转扫描井底壁面,50°喷嘴射流以扩孔的形式扫描井底壁面,由此正向3个喷嘴射流在各自旋转轨道形成的重合区域实现了钻进成孔。

3.2 正向喷嘴流场特征及其变化规律分析

进一步对多孔旋转射流喷头正向喷嘴流场特征及其变化规律进行分析,主要包括正向喷嘴射流速度变化规律、不同喷距下正向喷嘴射流压力变化规律、转速对正向喷嘴射流影响规律和不同喷距速度、压力变化规律。

3.2.1 正向喷嘴射流速度变化规律

图6为多孔旋转射流喷头正向各喷嘴轴向速度分布变化曲线。可得,20°、30°喷嘴在无因次喷距0~3范围内衰减较快,在无因次喷距3~12范围衰减变缓,50°喷嘴在无因次喷距0~1内轴向速度和径向速度衰减迅速,在无因次喷距1~5范围衰减缓慢,其中无因次喷距为喷距与喷嘴直径比值。此外,20°、30°喷嘴射流轴向速度均大于径向速度且衰减慢,能提供较大的冲击力,有利于轴向破碎煤岩;50°喷嘴射流径向速度大于轴向速度,主要以剪切力形式破碎煤岩。

3.2.2 不同喷距下正向喷嘴射流压力变化规律

图7为不同喷距下正向喷嘴射流压力变化曲线。可得,不同喷距下喷嘴射流压力横向半径范围呈峰状分布,每个峰值点对应着相应的喷嘴射流方向,两喷嘴之间存在着压力较低区域,20°喷嘴射流压力高于30°喷嘴射流压力;通过对比可得,随着喷距增加,射流压力峰值点逐渐靠近。在0.5 mm喷距处,由于20°、30°喷嘴射流处距离较近,高速射流相向流动形成卷吸负压。射流压力在喷距0.5 mm和1.0 mm处衰减不明显,而在喷距2 mm到4 mm时射流压力衰减迅速;随着喷距和喷嘴张角增加,峰值点对应的横向半径和射流面积逐渐增大。

3.2.3 不同喷距下正向喷嘴射流速度影响规律

图8为不同喷距下正向喷嘴射流速度变化曲线。可得,不同喷距下的射流速度呈现出两组峰值点,第一、第二峰值点分别对应20°和30°喷嘴射流轴向速度。在0.5~4.0 mm喷距范围内,喷嘴射流轴向速度随着喷距增加而呈现出逐级递减的规律,20°喷嘴射流速度高出30°喷嘴大约40 m/s;随着喷距的增加,射流速度峰值点逐渐偏离喷嘴轴线方向,峰值点之间的距离和喷嘴射流影响范围也随着喷距的增加而逐渐增大,从而有效增大破岩面积和扩大钻孔直径。

3.2.4 旋转速度对正向喷嘴射流速度和压力影响规律

图9为旋转速度对正向喷嘴射流速度和射流压力变化曲线。如图9(a)所示,多孔旋转射流喷头正向喷嘴射流在井底喷距1 mm位置处形成两组不同大小波峰,且在不同转速下,波峰之间基本无差异。如图9(b)所示,在不同旋转速度下正向喷嘴射流压力分布中,射流在井底形成两组波峰,且不同转速下的波峰值无明显差异。通过对比射流速度和射流压力分布曲线可得,随着喷嘴张角增大,在相同井底处的射流速度与射流压力减小。综上可得,在一定喷距范围内,旋转速度仅提高了喷嘴射流的切向速度,对喷嘴射流速度与射流压力影响不明显。

4 动态破岩过程及效果分析

4.1 试验系统

实验室高压水射流破煤岩钻进试验系统如图10所示,其中高压泵额定压力100 MPa,额定流量120 L/min;试验采用均质性较好的砂岩试件和各向异性的原煤试件,砂岩试件为标准圆柱形,高度为100 mm、直径为50 mm,单轴抗压强度36 MPa;原煤试件采用长方形煤块,规格尺寸300 mm×200 mm×200 mm,单轴抗压强度8.5 MPa;高压水射流破煤岩试验时,射流入口压力设定为40 MPa,开始钻孔位置为10 mm,多孔旋转射流喷头结构和正向喷嘴布置参数按照表1进行设置。

4.2 破砂岩动态成孔过程分析

实验室采用均质性较好的砂岩试件进行破砂岩成孔过程动态分析,以研究多孔旋转射流喷头正向喷嘴组合旋转射流破岩成孔机制,如图11所示。如图11(a)所示,随着喷头向砂岩推进,正向喷嘴射流开始冲击砂岩试件,当喷嘴射流速度达到破碎砂岩的临界值时,20°喷嘴射流率先破碎砂岩并形成内环破碎圈,随后30°喷嘴射流达到有效喷距作用范围,在砂岩上形成了中环破碎圈,并与20°喷嘴射流的内环破碎圈叠加,由于20°、30°喷嘴射流的轴向速度较大,主要以射流轴向速度破碎砂岩,因此在砂岩上形成较深的内环和中环破碎圈;如图11(b)所示,随着多孔旋转射流喷头向前推进,50°喷嘴射流开始接触并破碎砂岩,由于50°喷嘴射流径向速度大,因此以较大的径向速度破碎砂岩并形成外环破碎圈,使得原有破碎区域向外扩张,形成较大孔径范围,至此正向3个喷嘴射流完全接触砂岩;如图11(c)所示,在正向喷嘴射流破碎砂岩过程中,钻孔底部会形成锥体凸起,在20°喷嘴射流旋转冲击作用下逐渐实现磨削破碎,此外由于20°、30°、50°喷嘴存在间距,在钻孔孔壁呈现出螺纹状的环形槽;如图11(d)所示,随着多孔旋转射流喷头继续向前推进,50°喷嘴射流径向旋转冲击砂岩并形成外环破碎圈,至此在不同张角正向喷嘴射流旋转作用下形成了“递进式”破岩成孔过程,得到断面呈规则圆形的成孔效果。

4.3 破煤岩成孔效果试验分析

实验室进一步利用实验室高压水射流破煤岩钻进试验系统开展多孔旋转射流喷头正向喷嘴破煤岩成孔效果试验,如图12所示。在试验过程中保持射流压力和前进速度稳定,在正向3个喷嘴射流联合作用下实现了破煤岩钻进成孔,此时砂岩成孔直径为24 mm、原煤试件成孔直径为38 mm,且钻孔断面呈较为规则圆形。通过对比均质砂岩试件和各向异性原煤试件的成孔试验效果,砂岩试件成孔效果明显优于原煤试件,在成孔直径效果方面原煤试件明显大于砂岩试件,这是由于原煤抗压强度明显小于砂岩;在成孔孔壁规则性方面砂岩明显优于原煤,这是由于砂岩的均质性较好,而原煤表现出明显的各向异性的非均质性特征。综合上述成孔效果对比,通过优化设计的新型多孔旋转射流喷头可以顺利钻进成孔,其成孔效果基本满足水力喷射多孔旋转喷头钻进过程对成孔效果的要求。

5 结论

(1)针对多孔旋转射流喷头结构和不同张角正向喷嘴组合射流破煤岩特点,利用数值模拟方法对多孔旋转射流喷头正向喷嘴流场特征展开研究。采用RNG k-ε湍流模型对流场特征进行分析可得,在相同井底面上速度、压力随着喷距的增加而逐渐减小,各喷嘴轴向速度随着无因次喷距的增加呈现出相同衰减规律;20°、30°喷嘴射流轴向速度较大且衰减较慢,50°喷嘴射流切向速度较大,模拟表明多孔旋转射流喷头主要以20°、30°喷嘴射流轴向冲击为主,50°喷嘴射流径向冲击为辅,综合实现破煤岩钻进和扩大孔径作用。

(2)对比不同喷距下正向喷嘴射流速度、压力在横向半径方向分布呈现峰状,且随着喷距和喷嘴张角的增大,峰值点对应的横向半径和射流面积逐渐增大;在一定喷距范围内旋转速度仅提高了喷嘴射流的切向速度,对喷嘴射流速度与射流压力影响不明显,且随着喷嘴张角增大,在同一井底处的射流速度与射流压力逐渐减小。

(3)实验室采用均质性较好的砂岩试件进行破砂岩成孔过程动态分析。在喷头旋转作用下,20°、30°和50°喷嘴射流实现沿各自轨道扫描式破岩,分别在砂岩试件形成了内环、中环和外环破碎圈;随着喷头推进呈现递进式动态破岩成孔过程,最终实现钻进成孔,且钻孔断面呈规则圆形效果。

(4)进一步开展多孔旋转射流喷头正向喷嘴破煤岩成孔效果对比试验,试验砂岩和原煤试件成孔直径分别为24 mm和38 mm,且成孔效果较好。试验验证了动态破砂岩成孔过程及煤岩成孔效果与流场特征模拟结果基本一致,为后续优化多孔旋转射流喷头结构参数提供了参考依据,同时也为煤矿井下径向钻进技术转化应用提供技术支撑。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

重庆市自然科学基金面上项目(CSTB2025NSCQ-GPX0098)

重庆市英才计划(cstc2024ycjhbgzxm0141)

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Received	Published	Revised
2025-05-01	2026-03-28	2025-10-17
Online Date
2026-06-02

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