煤炭学报

作者：刘文川, 张卓雅, 汤积仁, 崔家玮, 张慧栋, 卢义玉,

关键词：煤层钻孔, 多孔液态CO₂闪沸射流, 流场形态表征, 边界拟合, 膨胀程度, 塌缩比,

水力化技术的应用能够有效提高煤层气开采效率。然而，现有水力化技术在深部松软煤层增透时易导致水锁效应、塌孔、卡钻等问题。无水化技术由于从根源上杜绝了水对松软煤层的影响，为这些问题提供了可靠的解决方案。CO2因其独特的物理特性，已发展出CO2射流冲击破岩及相变致裂爆破等无水化技术。CO2闪沸射流作为一种新的射流形式，因其具有相变冲击、作用面积大、作用力均衡等特点，在煤层钻孔应用中具备实现冲击能力与作业覆盖面积高效匹配的潜力。多孔液态CO2闪沸射流的膨胀及塌缩特性对其冲击效果具有决定性作用。然而，传统射流的表征方法对于复杂的多孔闪沸射流流场结构并不适用。运用统一的拟合方法和特征参数，能够准确对比不同射流的流场特征，进而明确各射流参数对流场的影响机制，为精准调控射流参数以提升钻进能力提供有效的表征方法。通过液态CO2闪沸射流可视化试验，收集射流流场图像，采用图像处理技术对射流边界点信息进行提取，基于边界信息提出多孔液态CO2闪沸射流流场形态表征方法。采用非线性拟合函数的形式对射流边界点进行拟合，发现了基于边界点拟合方法的局限性。提出2种基于固定极值点对射流边界点进行拟合的方法，对比发现基于相切曲线极值点的射流边界拟合方法具有更好的拟合效果。分别对射流的近场与远场区域进行拟合优化，得到射流分区域边界拟合函数。对于近场区域，引入修正系数 n 对拟合方法进行优化以对小喷孔偏转角度喷嘴施加补偿机制；对于远场区域，缩减射流拟合所需边界点数量以降低数据处理成本。分析了射流形态拟合函数中不同特征参数对射流形态的表征作用，射流远场拟合函数的特征参数 b 可以表征射流的径向偏移量；射流近场拟合函数的特征参数 k 可以表征闪沸射流的膨胀程度；射流近场与射流远场的 k 之比——塌缩比 \gamma 可以表征闪沸射流的塌缩程度。

来源：2025年第11期

《煤炭学报》期刊编辑部

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