最新成果丨魏建平教授：磨料水射流旋转切割煤岩最优参数匹配模型研究

本论文创新点

1）提出了磨料水射流旋转割缝时射流压力和旋转速度最优匹配系数n。磨料水射流旋转割缝时射流压力和旋转速度之间存在最优匹配关系，这种匹配关系是由射流法向和切向速度共同决定的，磨料粒子最优的法向和轴速度分量匹配可改变其作用煤体时切向力和法向力比例，从而提高磨料水射流旋转割缝效果。

2）建立了磨料水射流旋转割缝射流压力和旋转速度最优匹配参数计算模型。发现磨料水射流旋转割缝时淹没和非淹没条件下最优参数匹配系数n值存在显著差异。非淹没条件下最优参数匹配系数n值为0.002 015 6，淹没条件下最优参数匹配系数为0.000 299。结合射流压力、割缝转速、钻杆直径以及最优参数匹配系数，建立了磨料水射流旋转割缝射流压力和旋转速度最优匹配参数计算模型，可根据实际施工压力直接计算得到最优匹配转速。

磨料水射流旋转切割煤岩最优参数匹配模型研究

作者

魏建平^1,2, 校朋伟^1,2, 张慧栋^1,2, 陈长江^1,2, 刘勇^1,2

单位

1. 河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地；
2. 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心

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摘要

随着煤炭开采向深部延伸，纯水射流技术已逐渐无法满足高地应力和高煤岩强度条件下破煤增透需求。磨料水射流能有效提高水射流破岩能力，磨料水射流旋转切割卸压技术可实现高地应力、坚硬煤层的高效增透。射流压力和旋转速度是影响磨料水射流旋转切割煤岩效果的重要因素，明确磨料水射流旋转切割硬煤力学特征及规律是合理匹配射流压力和旋转速度的前提。采用数值模拟和实验研究相结合的方法，分析了不同射流压力和旋转速度匹配关系对射流冲击靶体力学作用机制的影响，明确了不同射流压力和旋转速度对磨料水射流旋转割缝效果的影响规律。研究结果表明，磨料颗粒高速撞击煤岩产生的法向力主要取决于射流压力，而切向力则同时取决于射流压力和旋转速度，法向力和切向力在磨料颗粒冲击破煤过程中作用不同，两者共同决定了磨料水射流旋转切割煤岩效果；当射流压力小于25 MPa时，割缝深度随射流压力升高而增加，超过25 MPa后割缝深度增加速率显著降低；在割缝时间恒定条件下，磨料射流旋转切割深度随转速的增加始终呈上升趋势；提出以最优匹配系数n作为同一射流压力下不同转速切割效果的评判指标，发现不同工况条件下淹没与非淹没条件下的n值存在显著差异，当前研究条件下非淹工况最优参数匹配系数n为0.002 015 6，淹没工况最优参数匹配系数为0.000 299；建立了磨料水射流旋转割缝射流压力和旋转速度最优匹配参数计算模型，可根据射流压力直接计算得到最优匹配转速，使射流切割效果最优。

文章目录

0 引言

1 研究方法

1.1 数值模拟模型

1.1.1 流体控制方程

1.1.2 颗粒运动控制方程

1.1.3 数值模拟与网格划分

1.1.4 初始条件与边界条件

1.1.5 数值模拟方案

1.2 试验研究

1.2.1 试验系统

1.2.2 实验方案

1.2.3 磨料水射流旋转割缝实验方案

2 数值模拟结果的分析与讨论

2.1 磨料水射流旋转切割煤体破坏机制

2.2 不同参数条件下单颗磨料的受力影响因素分析

2.2.1 射流参数对磨料法向受力的影响分析

2.2.2 射流参数对磨料所受切向力大小的影响分析

3 试验结果分析

3.1 淹没条件下射流压力和转速对割缝效果影响分析

3.2 非淹没条件下射流压力和转速对割缝效果影响分析

4 结论

部分附图及说明

图1 磨料水射流割缝实验装置

试验装置主要分为混合浆液加压装置和射流割缝装置分别如图1所示，其中加压装置采用的加料方式为预混合式供料，预混合磨料水射流具有磨料混合均匀、加速时间长、能够连续供料等优点。整套试验系统采用自行研制的预混合磨料水射流破煤岩试验系统，主要由磨料供给系统、加压系统、参数控制系统及喷射系统组成。实验时，预先将磨料和水按照比例注人磨料罐，在离心泵的作用下均匀混合，浆液通过柱塞泵加压经高压管路泵送至喷嘴，柱塞泵最高可将射流加压至 40 MPa左右。形成预混合磨料水射流。

割缝装置主要由控制器、油泵、水尾、钻杆、射流器组成。预混合磨料水射流装置将浆液运送至水尾，经钻杆后通过割缝器喷出，如图1所示。通过控制器控制油泵带动钻杆旋转，实现预混合料水射流割缝。通过相似模拟实验方法，将水泥、石膏按一定配比混合后装填试样箱，作为煤岩相似材料模拟煤层。将割缝器置于试样中进行预混合磨料水射流割缝实验，喷嘴材质采用“超硬-YG6 硬质合金”。

图2 不同压力的n值散点示意

图2展示了不同射流压力下磨料水射流旋转切割煤岩时最优参数匹配系数n的分布规律。n定义为射流旋转线速度与射流轴向速度的比值，用于表征射流压力与旋转速度的最优匹配关系。通过实验数据统计发现：非淹没工况中，射流轴向速度主导切割效率，切向速度的提升（高转速）可通过扩大缝槽侧面范围提高能量利用率，因此n（0.002 015 6）值较高。淹没工况中，缝槽内浆液滞留削弱了轴向冲击力，需通过降低转速（减小 n（0.000 299）值）延长磨料与煤岩的作用时间，从而提升纵向切割深度。同时也表明，射流压力与n值的匹配关系受工况条件约束，实际应用中需根据煤岩强度与环境条件选择对应的n值，以实现高效切割与能量优化。

作者简介

魏建平

教授、博士生导师

魏建平，男，1971年5月，河南驻马店人，二级教授、博导，河南理工大学安全科学与工程学院院长，“全国高校黄大年式教师团队”负责人、教育部创新团队带头人。长期从事煤岩瓦斯动力灾害防控、瓦斯抽采、矿井通风与安全等方面研究工作，主持承担了国家、省部级项目20余项，发表学术论文180余篇，授权国家发明专利80多项，获得国家、省部级科技奖励10余项。荣获国家“百千万人才工程”并授予“有突出贡献中青年专家”、享受国务院特殊津贴专家、教育部新世纪优秀人才、中原科技创新领军人才、河南省高层次人才、河南省优秀专家、河南省学术技术带头人等荣誉称号。

研究方向

长期致力于煤岩瓦斯动力灾害防控、矿井瓦斯高效抽采等基础理论及成套技术装备研究

主要成果

研发了低压磨料气体射流、脉冲磨料水射流破煤岩卸压增透及辅助高效破岩技术装备，提出了单一低渗煤层类保护层卸压增透防突技术体系，开发了多级破煤二级冲孔技术装备及配套工艺；明晰了高应力、高瓦斯条件下围岩复合型动力灾害的孕育、演化、发生、发展的基本规律和条件，揭示了围岩复合型动力灾害的发生机制，形成了复合动力灾害防治工程措施；揭示了注浆封孔堵漏降渗机制，研制了绿色煤基浆液封孔材料，研发了抽采钻孔合理封孔深度原位测定装备、多级承压钻屑回填封孔装备及配套工艺；研究了多因素控制下受载含瓦斯煤的瓦斯渗流特性，明晰了受载含瓦斯煤的多尺度-多机制渗流特性，完善了受载含瓦斯煤岩体瓦斯运移规律和理论。研究成果在河南、山西、安徽、陕西等多个矿区推广应用，为我国矿井瓦斯灾害防治工作提供了有力的理论与技术支撑。

引用格式

魏建平，校朋伟，张慧栋，等. 磨料水射流旋转切割煤岩最优参数匹配模型研究[J].煤炭科学技术，2025，53（1）：192−202.
WEI Jianping，XIAO Pengwei，ZHANG Huidong，et al. Study on the optimal parameter matching model of rotary cutting coal-rock for abrasive water jet[J]. Coal Science and Technology，2025，53（1）：192−202.

策划：常琛

责编：王晓珍

编辑：李莎

审核：常琛