后混合磨料空气射流喷嘴结构优化及破煤效果研究

水力化卸压增透技术在煤层瓦斯灾害治理中发挥了重要作用,但在松软煤层中应用时容易导致塌孔、抱钻和喷孔等动力现象。无水化卸压增透是突破松软煤层瓦斯高效抽采技术瓶颈的可行性技术之一。为此,利用磨料空气射流高效破煤岩能力,提出后混合磨料空气射流破煤卸压技术,采用磨料-空气分离输送的双通道方式,将磨料和空气运送至孔底,采用射流泵-拉法尔耦合的后混合喷嘴结构在孔底对磨料进行引射、混合和加速,使磨料具备高冲击动能,实现高效破煤。基于ANSYSFLUENT气固两相流模型,分析后混合喷嘴内磨料引射、混合和加速规律,研究磨料颗粒在加速过程中的受力,获得混合磨料空气射流高效破煤最优后混合喷嘴结构;并开展后混合磨料气体射流破煤实验验证破煤性能。结果表明:磨料冲击动能决定于后混合喷嘴的引射能力和加速能力。后混合喷嘴的引射能力与引射喷嘴的喷嘴出口直径和其扩张段长度有关,合理的引射喷嘴出口直径有助于减小喷嘴出口气流波动,扩张段长度则会影响喷嘴出口气流速度,在本文条件下,引射喷嘴采用两段式,其中收缩段长度2 mm,喉部直径2 mm,扩张段长度5 mm,喷嘴出口直径为3 mm。加速结构对磨料的加速效果主要取决于加速喷嘴的膨胀比,膨胀比为1的喷嘴内部气流使磨料颗粒所受合力较大,且加速喷嘴外部磨料所受曳力、压力梯度力和虚拟质量力波动范围较小,磨料加速效果明显,在膨胀比为1条件下,设计加速喷嘴收缩管长度4 mm、出口直径7.73 mm、喉管长度40 mm、扩张管长度为15 mm。按照优化后的喷嘴结构进行破煤能力实验,在引射压力为4 MPa,靶距60 cm,磨料质量流量50 g/s,进行冲蚀实验,冲蚀30 s,优化的后混合喷嘴结构对煤块产生了直径约10 cm,深度约5 cm的冲蚀坑,证明了在设计的最优后混合喷嘴结构参数下系统具有较好的破煤效果,具有工程应用的能力。