高压气—液两相射流冲击距离对煤破碎效率影响的实验研究

用更智能的水气射流破碎煤体

深部煤矿面临双重挑战：既要安全释放被困气体，又要维持岩体稳定和生产效率。本研究考察了一种有前景的工具——由水和压缩空气混合形成的高能射流，并提出了一个简单但关键的问题：射流喷嘴到煤体的最佳距离是多少，才能高效破碎煤体并促进气体逸出？

为何煤层气在地下如此重要

煤层常含有大量甲烷气体。如果不事先排放，这些气体可能突发泄入采掘巷道，威胁人员安全并扰乱作业。现有方法如高压水力压裂能改善气体流动，但耗水量大，难以清除钻孔内的碎屑，且影响范围有限。因此工程师正在寻找能够更有效破煤、节约用水并有助于携带碎屑和气体离开煤层的技术。

针对坚硬煤层的新型射流

本研究聚焦于“气—液两相射流”，即将压缩空气与高压水混合并经小喷嘴喷向类煤样本。与纯水射流相比，这种混合射流冲击面积更大、耗水更低，并且带走破碎颗粒的能力更强。先前研究表明，此类射流在破碎岩石和煤方面的效率可比纯水提高约一倍半左右。但一个关键不清楚的问题仍然存在：射流在距离喷嘴多少处对破裂煤体并打开气体流通通道最为有效？

测量射流的冲击与侵蚀作用

为了解答这一问题，作者搭建了专用试验系统，配备高压水泵和空气泵、混合装置与喷嘴，以及放置类煤试样的试验台。数十个压力传感器记录了射流在10–30厘米距离处作用于平面靶时的冲击情况，揭示了冲击力和冲击面积随时间的变化。随后在65–85厘米的较远距离处，在恒定压力下对类煤块进行一分钟的射流侵蚀试验，测量形成凹坑的深度、宽度和体积。额外试验在固定距离下改变射流压力，以观察增加能量在多大程度上转化为更多的煤体移除。

近距产生深裂缝，远距形成宽损伤带

实验显示，加入空气会将稳定的水射流转变为脉动式的冲击锤：靶面压力快速升降，但脉动频率随距离变化不大。随着射流传播距离增加，空气混合与湍流使压力波动更强，但在10–30厘米范围内的峰值压力大体相似。纯水射流保持紧凑聚焦，而混合射流则扩散，随距离增长其冲击面积显著增大。在用于侵蚀试验的较长距离下，混合射流仍能在类煤块上切出明显孔洞；然而，随着距离增加，坑的深度和体积减小，而宽度变大。研究还发现气水压力比存在一个最佳值——空气太少会浪费潜能，空气太多则使射流失去聚焦，总体侵蚀能力下降。

为更好排气钻孔提供设计依据

基于这些规律，作者提出了用于现场的简单指导。如果目标是向煤体内打入深裂缝，以便为气体开辟长而笔直的流通通道，喷嘴应保持相对靠近煤面，在所测试的装置中约为65厘米。如果优先考虑开辟更广的破损带以提升整体渗透性，则约80厘米的较远距离可以获得更大的影响区域，尽管每一点的侵蚀强度较弱。在这个有效范围内，提高射流压力会显著增加移除的煤量，表明该技术可根据煤质和采矿需求进行参数调节。

对更安全、更清洁采矿的意义

通俗地说，研究表明将空气引入高压水射流可以把一束狭窄的“水钻”变成兼具冲击凿击和清扫功能的脉动工具——裂开煤体、松动煤块并帮助将气体和碎屑扫出煤层。通过精确选择喷嘴到煤体的距离以及气、水压力，矿山工程师可以有针对性地形成更深的通道或更宽的泄流带。这种对距离与射流行为的理解为深部煤矿排气钻孔的安全化、效率化设计提供了实用规则。

引用: Li, Y. Experimental study on the effect of impact target distance on coal breaking efficiency of high-pressure gas–liquid two-phase jet. Sci Rep 16, 6307 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36207-9

关键词: 煤层气, 水射流, 气—液射流, 地下采矿, 岩石侵蚀