试验·研究
（ 2012 － 11 ）
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基于 Fluent 的水பைடு நூலகம்割缝喷嘴轴心间距优化
1， 2 1， 2 段永生 ， 林柏泉 ， 翟 1， 2 1， 2 成 ， 张其智
( 1． 中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221008 ; 2． 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州 221008 )
基金项 目： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （ 973 计 划 ） 资 助 项 目 （ 2011CB201205 ） ； 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验 室自主研究基金资助项目（ SKLCRSM08X03 ）
使煤层的煤体物理性质发生改变， 原始应力重新分 布进而增强煤层的透气性。水力割缝的效果与水射 流的破煤岩效果有很大关系， 水射流破煤岩效果与 、 射流 射流流场分布 射流流速和射流冲击压力有关， 喷嘴在钻头上的分布对钻孔内射流的发展又有较大 的影响。通过直接测试射流的流场与压力的分布状 态非常困难， 因此探索合适的数值模拟方法进行射 流流场与压力分布的数值模拟， 对研究喷嘴间距对 射流流场、 流速以及冲击压力的影响情况具有重要 意义。笔者选用适应性较强的 Stander 模型， 对不同 喷嘴轴线间距的射流流场、 流速和钻孔壁面压力进 探索喷嘴间距对射流的扰动影响 。 行数值模拟， 1 1． 1 模型的建立 喷嘴参数的选取
要： 利用 Fluent 软件建立了不同喷嘴轴心间距下 水 力 割缝 的数学模 型， 采用 标准 k － ε 湍 流 模型模拟了钻孔内部流场， 并分析了喷嘴轴线间距对射流流场分布、 轴心速度衰减和钻孔壁面压 摘 力分布的影响。研究结果表明: 该影响较大， 喷嘴 轴 心 间 距越小， 射 流流 场 分 布越紊乱。 随着 喷 嘴轴心间距 d 的增大， 射流流场 分 布 规律 性 逐渐 明 显， 且 轴 心 速 度 衰减呈 现 先减小后 增 大的 趋 势， 喷嘴轴心间距的最佳值为 40 mm。 关键词： Fluent; 射流; 数值模拟; 喷嘴轴心间距; 水力割缝
( 1 ． School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008 ，China; 2 ． State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou 221008 ，China) Abstract : A mathematical model of hydraulic slotting with different nozzle axis spacing was established by using the Fluent software． It utilized the standard k － ε turbulent model to simulate the internal flow field，analyzed the influence of nozzle axis spacing on the flow field distribution，axis velocity decay and the pressure distribution of the borehole wall． The results showed that the influence was very great． The smaller the nozzle axis spacing was，the more disordered the flow field distribution was． With the nozzle axis spacing d increasing ，the regularity of flow field distribution became clear， and the axial velocity decay decreased first and then increased． The best value of nozzle axis spacing is 40 mm． Key words: Fluent; jet; numerical simulation; nozzle axis spacing; hydraulic slotting
结合工程应用， 考虑大流量、 远射程的喷嘴使用 最多的是圆锥收敛形喷嘴， 对于喷嘴几何参数主要 有喷嘴的收缩角 α、 出口直径 d、 圆柱段长度 L0 与直
煤与瓦斯突出是煤矿井下采掘过程中发生的一 种极其复杂的动力现象， 是煤矿井下最严重的灾害 之一， 为了煤矿安全生产， 必须采取有效措施防止突 ［1 ］ 出事故的发生 。 突出矿井中采用钻孔抽放瓦斯 是防突的一项有效技术措施， 而对于低透气性煤层， 采用钻孔预抽瓦斯， 效果往往不佳。 若在钻孔中采 用高压水射流技术预先对煤体进行割缝， 增大煤体 ［2 ］ 的自由面， 则预抽效果将会明显提高 。 水力割缝是在煤层中先打瓦斯抽放钻孔， 然后 在钻孔内利用高压水射流沿孔对煤体进行切割 ， 在 钻孔两侧形成一条具有一定宽度和深度的扁平缝 槽， 利用水流将切割下来的煤体排出孔外 ， 以提高煤 层的透气性， 为瓦斯的解吸和流动提供通道。 高压 水射流割缝所形成的较深卸压、 排瓦斯钻孔缝槽， 能
+ 中图分类号： TD713 ． 3
文献标志码： A
文章编号： 1003 － 496X( 2012 ) 11 － 0013 － 04
Optimization of Nozzle Axis Spacing in Hydraulic Slotting Based on Fluent
2 2 2 2 DUAN Yong － sheng1， ， LIN Bai － quan1， ， ZHAI Cheng1， ， ZHANG Qi － zhi1，