《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：A novel drilling-jetting integrated technology with curved channel: Relationship between energy loss and jet diffusion, and its field application
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摘要水力冲孔与水力切缝是地下煤矿瓦斯抽采的关键技术。但在现有的钻射一体化装置中，径向流道通常与内部流道垂直，导致大量射流能量损耗。为解决这一问题，本研究提出了一种新型的弯曲流道装置（CFCD），可同时实现钻孔与射流功能。通过实验室对比实验，分析了该装置与传统直角流道装置（RFCD
摘要
水力冲孔与水力切缝是地下煤矿瓦斯抽采的关键技术。但在现有的钻射一体化装置中，径向流道通常与内部流道垂直，导致大量射流能量损耗。为解决这一问题，本研究提出了一种新型的弯曲流道装置（CFCD），可同时实现钻孔与射流功能。通过实验室对比实验，分析了该装置与传统直角流道装置（RFCD）在流场特性、冲击力及破岩效率方面的差异，并进行了现场试验进一步验证。实验结果表明，与RFCD相比，CFCD在流场中形成的高灰度区域更为连续且延长；在所有测试距离下，CFCD产生的冲击力均大于RFCD。射流能量变化主要源于局部阻力损失，但并不一定会导致明显的射流扩散。破岩模式从倒Ω形转变为U形或V形。现场测试显示，CFCD使单孔出煤量平均提高23.47%，且其钻孔的累计瓦斯流量和日均瓦斯流量也分别比RFCD钻孔高出29.83%和32.17%。本研究为瓦斯治理与开发提供了一种具有弯曲流道的新型钻射一体化技术。
引言
高效的瓦斯抽采对煤矿安全生产以及绿色低碳发展都具有双重战略意义。1一方面，有效的瓦斯抽采能够降低瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等事故的风险。2另一方面，它还能大幅减少甲烷直接排放到大气中，从而减轻温室效应。3此外，抽出的高浓度瓦斯还可作为清洁燃料用于燃气发电，显著降低煤矿的生产经营成本，实现安全、环保与经济效益的协同发展。4
水力措施是一种经济可行的瓦斯控制与资源开发方法。5常用的方法包括水力冲孔6,7水力切缝8,9以及水力压裂。10,11在这些技术中，水力压裂对煤层赋存条件要求较高，不适合在软煤层、顶板或底板破碎或强度较低的地层、含含水层的地层以及缺水地区使用。12, 13, 14此外，水力压裂还容易产生未受激发区。相比之下，水力冲孔适用于提高软煤层的渗透率，而水力切缝则多用于较硬的煤层。因此，水力冲孔与水力切缝具有更强的地质适应性，在实际应用中取得了显著效果。15,16
为提升水力冲孔或水力切缝的瓦斯抽采效率，人们对诸多关键影响因素进行了大量研究，包括破岩半径17、排列方式18、水力参数19、应力影响20以及射流特性21,22。这些研究表明，初始破岩半径是一个重要参数，因为更大的破碎区域可直接扩大有效激发范围。通过优化钻射一体化装置（DJID）来提升破岩性能是一种可行途径。例如，陈等人优化了喷嘴结构23，刘等人则采用自振荡喷嘴来提高煤块破碎能力24。不过，针对DJID内部流道设计的研究仍较为有限。
如图1(a)所示，DJID的设计目的是整合钻孔与冲孔/切缝功能，以提高开采效率。目前，具备钻孔与冲孔功能的设备均采用直角流道设计（图1(b)）。例如，张等人使用的正负电压转换切缝器25，宋等人使用的液压喷射器26,27，卢等人设计的压力姿态自适应调节射流切缝器28，以及姚等人研发的集成钻孔、水力崩落与成孔功能的液压空化装置29。然而，直角流道容易出现二次流动、涡流形成及空化现象，从而导致严重的能量损耗和射流扩散，进而降低破岩效率。30,31相比之下，弯曲流道能有效减少能量损失并提升射流一致性。如图1(c)所示，唐等人比较了直角流道与弯曲流道的流场结构，分析了射流耗散的机制。32卢等人设计的带有径向射流与弯曲流道的装置也证实，采用弯曲流道的DJID能量损耗明显更低。33不过，上述两种装置均不具备钻孔与冲孔相结合的功能。
目前尚无关于具有弯曲流道的钻射一体化技术的研究报道。为填补这一空白，本研究探讨了一种新型的弯曲流道装置（CFCD），该装置可将钻孔功能与冲孔/切缝功能结合在一起。通过流场特性、冲击力及破岩性能三个实验方面，与直角流道装置（RFCD）进行了全面比较。此外，这两种装置还在煤矿的现场瓦斯抽采作业中进行了测试，通过单孔出煤量、瓦斯浓度及流量这三个核心指标对其性能进行了评估与比较。本研究的结果为提高瓦斯资源开发效率提供了新的方法思路与技术手段。
章节节选
实验系统与材料
如图2(a)所示，所有室内实验均采用水射流系统进行，该系统包括额定压力为56?MPa、最大输出流量为200?L/min的高压泵、压力调节阀、压力表、电磁流量计以及水射流冲击平台。该冲击平台可实现0.01至100?mm/s的轴向输送速度以及0至250?rpm的旋转速度。
如图2(e)所示，CFCD由壳体、切换装置组成，
流场对比结果与分析
图3展示了在5、10和15?MPa压力下，CFCD与RFCD的流场结构，以及经过处理的16位彩色图像。为便于比较两种装置的流场结构，将每个16位色图中最靠上的三个灰度等级定义为高灰度区域。我们还量化了图3中三个最高灰度等级对应区域的长度。在三种压力下，CFCD流场中的高灰度区域
煤矿地质条件与工程信息
现场实验选在中国河南省平顶山市平煤十三矿。平顶山矿区的煤层以炼焦煤为主，且瓦斯资源丰富。43,44该矿区主要采用水力冲孔技术进行瓦斯抽采。
冲孔位置选在Ji15-17-13070工作面。该煤层的走向为80° - 120°，倾向为170° - 210°，倾角为6° - 11°（平均为8°）。
结论
本文研制了一种新型的弯曲流道装置（CFCD），并与其对应的直角流道装置（RFCD）在流场特性、冲击力及破岩性能方面进行了对比实验。随后在煤矿瓦斯抽采现场开展了工程对比试验，分析了单孔出煤量、瓦斯浓度及流量这三个指标。研究得到以下结论：
CRediT作者贡献说明
刘祥杰：正式分析、资金获取、研究调查、论文初稿撰写、论文审阅与修改。葛兆龙：概念构思、项目监督。周哲：资金获取、项目监督。龙杰：数据整理、方法设计。卢一宇：概念构思、项目监督。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金青年科学基金项目（编号：525B2050）、深地探测与矿产资源勘查国家科技重大专项（编号：2024ZD1004407）、中国重庆研究生创新基金（编号：CYB260059）以及国家自然科学基金（编号：52274112）的支持。
Xiangjie Liu|Zhaolong Ge|Zhe Zhou|Jie Long|Yiyu Lu
中国重庆市重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，邮编400044
