水射流辅助煤炭切割的SPH-FEM耦合建模：数值模拟与实验验证

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Coupled SPH–FEM modeling of waterjet-assisted coal cutting: numerical simulation and experimental validation

水射流切割煤的SPH-FEM耦合模型研究及其参数优化分析。摘要：

　　

Satar Mahdevari|Pedram Bakhtiari Haftlang

伊朗德黑兰阿米尔卡比尔技术大学（德黑兰理工学院）采矿工程系

摘要

煤炭仍然是全球能源供应的基石，这推动了对更高效、技术更先进的开采方法的需求。本研究提出了一种数值框架，将平滑粒子流体动力学（SPH）与有限元方法（FEM）相结合，用于模拟在水射流辅助切割作用下的煤炭动态响应——这种技术以其适用性、最小的应力扰动和在地下采矿中的安全工作条件而受到认可。该模型在LS-DYNA软件中实现，能够捕捉到流体-固体两相相互作用，包括射流引起的裂纹形成、传播和材料去除过程。通过详细的参数研究，评估了射流速度、喷嘴直径、撞击角度和切割时间对煤炭破碎行为的影响。模型预测结果通过受控实验室实验得到了严格验证，与实验结果具有可靠的相关性——切割深度（CD）的平均绝对误差为7.2%，切割体积（CV）的平均绝对误差为5.8%。为了解决纯水射流（PWJ）系统的性能限制，进一步对磨料水射流（AWJ）和冰磨料水射流（IAWJ）技术进行了模拟。结果显示，AWJ技术分别将切割深度和切割体积提高了51%和66%，而IAWJ技术的提升幅度达到了20%。应力场分析进一步表明，增加射流速度比扩大喷嘴尺寸更为有效。这些发现不仅验证了SPH-FEM模型作为预测工具的有效性，还为优化下一代水射流系统在深部煤炭开采中的应用提供了实际可行的见解。

引言

煤炭仍然是全球能源的基本组成部分，约占电力生产的36%，同时也是全球约70%钢铁生产的主要能源来源^{1, 2}。随着技术进步和工业化推动的全球能源需求的持续增长，煤炭作为关键能源资源的作用仍然十分重要³。

采矿作业规模和深度的不断扩大，使得开发更高效、更安全、更环保的开采技术变得必要。其中，水射流辅助技术因其显著优势（如高切割效率、低切割力、增强操作安全性、有效抑制粉尘和降低能耗）而受到越来越多的关注。

液压采矿（包括水射流开槽和液压压裂）是一种特别有效的地下煤炭开采方法。此外，在低渗透性煤层中，水射流切割也是煤层气提取的常用方法⁴。水射流辅助煤炭切割有助于裂纹的形成和扩展，从而便于后续的机械开采。利用水射流切割可以增加孔隙压力，削弱岩石结构，并促进裂纹的发展^{5, 6}。因此，水射流辅助的液压采矿提供了一种更安全、更高效的煤炭开采方式，同时还有潜力与碳捕获技术结合，以减少环境影响。

尽管水射流技术可以追溯到古罗马时代，但其现代应用在提高生产力和安全性方面取得了显著进步⁷。这种技术在其他采矿活动中也有广泛应用，例如无尘挖掘、对周围岩石的干扰最小化、成本效益高的通风以及改善气体排放⁸。

使用水射流进行煤炭切割的过程具有高度动态性，涉及复杂的流体-固体相互作用和高应变率环境。尽管已有大量研究，但在优化水射流参数以实现有效岩石破碎方面仍存在关键挑战⁹。早期的研究，如Leach和Walker¹⁰以及Crow¹¹的研究，为水射流与岩石的相互作用提供了基础性见解。后续的实验研究表明，水射流能够减少粉尘、切割力和设备磨损^{12, 13, 14}。

近几十年来，数值建模已成为模拟水射流与岩石相互作用和优化切割条件的强大工具。研究采用了有限元方法（FEM）、任意拉格朗日-欧拉方法（ALE）和平滑粒子流体动力学（SPH）来模拟水射流作用下的煤炭行为^{15, 16, 17, 18}。特别是SPH-FEM耦合方法，在处理大变形和高应变率下的流体-固体相互作用方面具有显著优势。

本研究旨在通过开发一个在LS-DYNA中实现的SPH-FEM耦合数值模型来推进水射流辅助煤炭切割技术。该模型模拟了高速射流与煤炭的相互作用，并捕捉了速度、喷嘴直径、撞击角度、水射流类型和切割时间等关键参数。为了增强真实感，模型采用了半圆柱形煤炭几何形状和扩展的射流柱，能够模拟最大达20厘米的切割深度。实验和数值研究中使用了三种不同的煤炭样本进行模型验证。采用Schwer–Murray Cap模型来表征煤炭在高压冲击条件下的力学行为。

此外，本研究还评估了纯水射流（PWJ）、磨料水射流（AWJ）和冰磨料水射流（IAWJ）的性能，以克服压力限制并评估它们在提高切割效率方面的效果。研究结果为优化煤炭切割系统提供了全面见解，具有在深部和非常规采矿场景中的潜在应用价值。

实验研究

关于水射流切割的实验研究

大量的实验研究阐明了影响煤炭和岩石材料中水射流切割的关键机制和参数。Leach和Walker¹⁰的早期工作展示了水射流在减少煤矿摩擦热和甲烷点火风险方面的作用。后续的模型和实验，包括Crow¹¹、Hurlburt等人¹²以及Reichman¹³的研究，通过分析射流速度、距离和设备集成等变量，优化了切割效率。

平滑粒子流体动力学

平滑粒子流体动力学（SPH）是一种无网格的拉格朗日方法，计算域由一组离散的粒子表示^{55, 56}。SPH在每次迭代中都不需要重新网格划分，这使得它特别适合模拟动态和复杂的系统。该方法适用于处理自由表面、飞溅和自然破碎现象，非常适合模拟高速水射流及其与固体的相互作用。

数值模型开发

在本研究中，采用SPH-FEM耦合模型模拟煤炭切割过程，这是一种能够捕捉煤炭与高速两相流体流动之间复杂相互作用的先进计算方法。使用LS-DYNA软件模拟了高压水射流引起的煤炭切割机制。煤炭试样的几何建模和网格划分由ANSYS完成，而水和磨料颗粒的生成则在LS-PrePost软件中实现。

结果与讨论

尽管通过提高泵压来增强水射流系统的效果已经付出了很多努力，但这种方法遇到了一些技术限制⁷³。为了解决切割钢铁、岩石和混凝土等更硬材料的问题，开发了磨料水射流（AWJ）技术，即在高速水射流中加入磨料颗粒⁷⁴。此后，AWJ技术在工业应用中得到了广泛应用，出现了多种专门的配置。

结论

鉴于水射流在煤炭切割应用中的独特能力和效率，本研究开发了一个SPH-FEM耦合数值模型来提升煤炭切割性能。该模型首先通过实验室规模的实验进行了验证，确保了其准确性和可靠性。随后进行了全面的参数研究，以评估流体速度、喷嘴直径、切割时间、撞击角度等关键因素的影响。

作者贡献声明

Pedram Bakhtiari Haftlang：撰写——初稿、验证、软件开发、方法论、数据分析。Satar Mahdevari：撰写——审稿与编辑、验证、软件使用、资源管理、方法论研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明在本文的发表过程中不存在任何需要披露的利益冲突。