气射流破煤连续过程机理与数学模型

发布时间：2025-01-10 22:33

　　 针对水力化增透措施在松软低渗煤层应用过程中存在的水封抑制瓦斯解吸和降低煤体渗透率的缺陷,提出高压气射流冲孔破煤增透的技术方法,同时为明确气射流冲孔破煤的特性,基于空气动力学与岩石力学理论,分析了气射流破煤的连续过程机理,推导了连续过程数学模型并建立了破煤能力与破碎坑特征的判识准则。分析认为,高压气体经缩放型喷嘴实现超声速跃迁加速流动;自喷嘴喷出的气流在空气介质的剪切作用下,轴向速度衰减,径向断面扩张;当射流冲击作用于煤体后,产生破碎核和延展裂纹,在拉伸作用下发生失效破坏,形成塑性破碎坑。选取3种不同强度的煤体和1种砂岩进行的气射流破煤规律计算结果表明,当提高喷嘴入口压力和喷嘴直径时,气射流滞止点处压力均不断增大,在低压力入口条件下,气射流可对强度较小的煤体造成冲蚀破坏,当入口压力达到16 MPa时,可实现对砂岩的冲蚀破坏;随着射流压力的提高,冲蚀形成的破碎坑轴向深度和径向长度都不断增大,但轴向深度增加量要远大于径向长度增加量,破碎坑形状由最初的锥形渐变为橄榄球形。

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【部分图文】：

图1 缩放型喷嘴结构示意

基于以上分析可以得出,单纯的截面收缩并不能使亚声速气流加速至超声速,即借助目前普通的圆锥收缩性喷嘴,气流速度最大只能达到声速。要想使气体实现超声速流动,必须采用收缩-扩张形喷嘴,即拉瓦尔喷嘴。在相同外界参数条件下,通过缩放型喷嘴可实现气流速度自亚声速至超声速的跃迁。缩放形喷嘴通常....

图2 气射流发展分区示意

气体射流自喷嘴喷出至环境介质之中,直至冲击某一壁面为止,射流沿其发展特性可分为典型3区,即自由射流区、冲击区和壁面射流区[18-19],其分区如图2所示。在自由射流区,射流外边界与周围空气介质间存在剪切-驱动等相互作用,剪切应力的存在会导致湍流现象的产生,引起射流速度在轴向的衰减....

图3 裂纹内压力示意

与黏度较高的液态水不同,当高压气射流连续冲击作用于波动破坏形成的破碎区和初始裂纹时,粘性较低的气体会快速充满这些裂纹空间,产生作用于裂纹内壁的准静态压力分布(图3),压力可以近似等同于射流作用下的滞止压力[22],准静态压力作用时间取决于高压气源的补充和裂纹尖端应力场的影响。准静....

图4 气射流发展阶段示意

气射流发展阶段的影响因素包括喷嘴半径b0、喷嘴-平板距离H、入射角度θ和射流初速度U0等。为便于分析,在射流流场中建立直角坐标系(x,y),用于分析自由射流区和冲击区,坐标系(x1,y1)用于分析冲击区和壁面射流区,如图4所示。定义射流轴向压力为Pm,滞止点处压力值为Ps,壁面压....

本文编号：4025524