砂岩顶板高压喷射钻杆穿孔破岩效率的实验研究

《ACS Omega》：Experimental Investigation on the Rock-Breaking Efficiency of High-Pressure Jet Drill Rod Perforation in Sandstone Roof

　　

在全球能源转型与碳中和目标背景下，煤炭资源高效、安全、可持续开采的需求日益迫切。高压喷射破岩技术已成为煤矿定向弱化岩体、沿空留巷等关键工程的核心支撑技术，但现有理论与实验难以揭示井下钻孔内喷射破岩过程中岩石破碎的动态演化机制。为此，研究人员构建了相似模拟试验系统，在模拟原位条件下开展砂岩顶板高压喷射钻杆破岩效率实验。结果表明，喷射破岩流体输运过程可分为初始射流形成、早期破岩、中期破岩和稳定破岩四个阶段；对应砂岩表面损伤形态依次经历表层颗粒剥落、孔壁微破裂、穿深稳步增长、能量累积驱动破裂的正反馈及大面积失稳五个阶段。喷射压力升高促使损伤模式由局部轻微破坏向大规模崩解转变，临界破岩压力约为3.25 MPa；纯水射流作用时间延长通过能量累积驱动损伤从局部钻孔扩展至全表面垮落；靶距影响呈非单调先增后减趋势，最优靶距为2 mm，超过该阈值后射流扩散导致损伤效率下降；喷嘴直径影响呈先强后弱趋势，1.2 mm为最优尺寸，更大直径引发射流能量快速耗散；入射角度越偏斜，剪切损伤越剧烈；采用高耐磨性磨料可触发大规模破碎，延长磨料冲击时间加剧表面损伤，钻进效率达纯水射流的2.5倍以上。相较于多元线性回归，神经网络模型在捕捉砂岩表面损伤非线性特征方面表现更优，预测偏差更小。该研究为煤炭资源绿色高效开采提供了重要理论指导。

论文解读

研究背景与意义

在全球能源结构转型与碳中和目标驱动下，煤炭行业亟需兼顾安全、绿色与高效的资源开发模式。传统岩体弱化技术如爆破、机械拆除及电脉冲致裂等难以满足严苛的安全环保标准，而高压喷射破岩技术凭借无爆炸风险、可控性强、能量利用率高及对瓦斯浓度影响小等优势，逐渐成为煤矿岩体弱化的关键技术路径。然而，现有研究多聚焦于开放场景下的射流破岩机理，针对煤矿井下钻孔内喷射钻杆破岩的动态演化规律仍缺乏系统性认知，尤其是砂岩顶板这一典型地质环境下的损伤机制尚未明确，制约了该技术的工程化应用。为此，中国矿业大学研究团队在《ACS Omega》发表研究，通过实验揭示了高压喷射钻杆在砂岩顶板中的破岩效率演化规律，为煤矿绿色开采提供了理论支撑。

关键技术方法

研究人员采用控制变量法设计了24组单因素实验，以煤矿典型顶板岩层中砂岩为对象，系统探究喷射压力（10~30 MPa）、冲击时间（1~10 min）、靶距（0.5~6.5 mm）、喷嘴直径（0.4~1.5 mm）、入射角度（70°~90°）及磨料浓度（通过砂阀开度60°~90°调控）对破岩效率的影响。实验依托真三轴水力压裂渗流位移测试系统的高压喷射模块开展，采用三维扫描仪量化砂岩表面损伤形貌，以穿孔深度、孔径及算术平均高度（S_a）为核心评价指标。在此基础上，分别构建多元线性回归与多层前馈神经网络模型，实现砂岩表面损伤特征的多参数预测。

研究结果

高压喷射破岩过程

流体输运过程分为初始阶段（射流反射角大，无有效阻碍）、早期破岩阶段（反射角减小，孔壁形成阻碍）、中期破岩阶段（反射流呈弧形飞溅）及稳定破岩阶段（反射流收缩并形成弧形涟漪）四个阶段。

高压喷射破岩特征

喷射压力：与损伤程度正相关，10~30 MPa范围内，穿孔深度增长540%，孔径与S_a分别增长183.33%与166.67%。临界破岩压力约3.25 MPa，损伤模式从表层剥落逐步演变为大规模崩解。

纯水射流冲击时间：穿孔深度与孔径呈“快速上升-趋于稳定”趋势，1~10 min内深度增长340%；粗糙度则先升后降，损伤从局部凹坑扩展至全表面失稳。

靶距：影响呈“先增后减”特征，2.5 mm为最优值，超过后射流扩散导致能量衰减，损伤强度显著下降。

喷嘴直径：1.2 mm为最优尺寸，小于该值时射流过度集中导致覆盖范围有限，大于该值时射流发散引发能量耗散，穿孔深度与孔径均下降。

入射角度：80°时穿孔深度最大（约24.5 mm），70°时剪切损伤最显著且孔径最大（6.3 mm），90°时冲击能量集中但损伤范围最小。

磨料射流：磨料浓度与冲击时间均与损伤程度正相关，90°砂阀开度下穿孔深度较60°增长89.29%；5 min冲击时孔径较1 min增长700%，效率为纯水射流的2.5倍以上，其核心机制为固体磨料切割与水力冲蚀的协同作用。

砂岩表面损伤预测

多元线性回归模型仅能解释75%以上的穿孔深度与孔径方差，对粗糙度（S_a）的预测拟合优度仅约0.6；而神经网络模型通过数据归一化、前向传播与Levenberg-Marquardt反向传播算法，实现了穿孔深度、孔径及粗糙度的精准预测，偏差显著低于线性回归，更适用于多参数耦合下的损伤特征预测。

讨论与结论

研究明确了高压喷射钻杆破岩的损伤演化规律：流体输运四阶段与砂岩表面五阶段损伤形态一一对应，揭示了能量累积与阻力降低的正反馈机制是破岩效率提升的核心驱动力。工程应用中，建议将纯水射流压力控制在15~25 MPa、冲击时间限制在3 min以内，以平衡破岩效果与砂岩完整性；磨料射流则适用于硬岩高效穿孔场景，但需综合考虑磨料成本与设备磨损。该研究构建的预测模型可直接服务于现场参数优化，为煤矿顶板弱化、沿空留巷等工程提供量化设计依据。