一种钻孔水力采煤系统的研究

钻孔水力采煤是指从地表钻孔至煤层借助送至孔底的水射流切割破碎煤层,使之变成具有流动性的煤水混合物。通过水力或气举提升的方法提升到地表并在地表进行煤、水分离的一种采煤方法。文中提出了一种钻孔水力采煤系统的原理、构成及其施工工艺。通过理论分析和试验研究,对该钻孔水力采煤系统的射流泵水力提升、气举提升和水射流破碎的三个关键技术,进行讨论和分析,得出一些有用的结论:(1)为提高采矿效率和单井采煤量并降低能耗,必须将钻孔水力采煤系统的三个关键技术有机地结合起来进行设计。射流泵的设计应该满足煤颗粒最低悬浮速度、无量纲参数的最优化以及防止汽蚀的要求;(2)在射流泵喷嘴形式的选择中,可以根据吸入颗粒的大小来选择中心喷嘴或环形喷嘴射流泵;(3)气举的提升和背压作用可以提高射流泵的提升能力并降低能耗。气举提升单独作为一种开采扬矿工艺具有很大的局限性,但其与射流泵结合后就能很大程度地提高射流泵的提升能力;(4)气举提升与水射流破碎相结合能充分提高水射流的破碎半径和破煤能力。影响水射流效果的主要因素是射流的淹没状态、射流压力和流量,钻孔水力采煤破碎水枪的理想射流是非淹没自由射流,通过气举作用可以在开采峒室内创建非淹没自由射流。     

环形多喷嘴射流泵结构参数的实验研究

环形多喷嘴射流泵的被吸流体在射流泵内沿直线流动,特别适合于抽吸含有大量固体颗粒的混合流体,在大口径反循环钻井和河道清淤等工程中具有广阔主。通过大量的实验,了环形多喷嘴射流泵各结构参数对射流泵性能的影响,为合理设计这种泵提供了理论依据。     

后混合磨料空气射流喷嘴结构优化及破煤效果研究

水力化卸压增透技术在煤层瓦斯灾害治理中发挥了重要作用,但在松软煤层中应用时容易导致塌孔、抱钻和喷孔等动力现象。无水化卸压增透是突破松软煤层瓦斯高效抽采技术瓶颈的可行性技术之一。为此,利用磨料空气射流高效破煤岩能力,提出后混合磨料空气射流破煤卸压技术,采用磨料-空气分离输送的双通道方式,将磨料和空气运送至孔底,采用射流泵-拉法尔耦合的后混合喷嘴结构在孔底对磨料进行引射、混合和加速,使磨料具备高冲击动能,实现高效破煤。基于ANSYSFLUENT气固两相流模型,分析后混合喷嘴内磨料引射、混合和加速规律,研究磨料颗粒在加速过程中的受力,获得混合磨料空气射流高效破煤最优后混合喷嘴结构;并开展后混合磨料气体射流破煤实验验证破煤性能。结果表明：磨料冲击动能决定于后混合喷嘴的引射能力和加速能力。后混合喷嘴的引射能力与引射喷嘴的喷嘴出口直径和其扩张段长度有关,合理的引射喷嘴出口直径有助于减小喷嘴出口气流波动,扩张段长度则会影响喷嘴出口气流速度,在本文条件下,引射喷嘴采用两段式,其中收缩段长度2 mm,喉部直径2 mm,扩张段长度5 mm,喷嘴出口直径为3 mm。加速结构对磨料的加速效果主要取决于加速喷嘴...     

表面驻波作用下紊动射流运动特性的试验研究

对表面驻波作用下紊动射流运动进行了试验研究。应用多普勒激光测速仪(LDV)进行流速场量测,应用电容式波高仪测量表面波动特性。结果表明,在表面驻波作用下,紊动射流动量主导远区流速的横向变化仍然可以用高斯分布表达,横剖面上流速的等值线图由原来对称于轴心的圆形变形为椭圆形;表面波动增强了紊动射流的扩散能力。     

同向圆射流混合特性实验研究

利用声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimetry,ADV)自动测速系统和平面激光诱导荧光(Plane Laser Induced Florescence,PLIF)系统对同向圆射流的速度场和浓度场进行了系统的研究,并与前人的工作进行了比较和讨论。时均特性测量结果表明,射流主体段下游各断面的速度和浓度横向分布是自相似的,且近似可用高斯分布来表示;随着射流向下游传播,射流中心流速逐渐衰减,在强射流区和弱射流区遵循不同的规律;紊动特性测量结果表明,下游各断面的紊动强度横向分布是自相似的。     

油井射流排砂泵扩散管出口流场分析

依据RNG-ε双方程湍流模型,建立油井射流排砂泵固液两相流方程;在此基础上,应用CFD计算机分析软件,对比分析了扩散管出口突变结构和渐变结构的射流排砂泵的效率、固相比、速度场分布、压力场分布。数值分析结果表明：射流泵扩散管出口采用渐变结构,可以有效减少固液两相流的逆向速度矢量,是提高射流排砂泵综合性能的有效手段。     

滩地植被化明渠中横向水平射流特性试验研究

运用Micro ADV测速系统,对3种工况下滩地植被化的复式断面横流环境中三维圆形水平射流的特性进行了试验研究.试验测得的射流典型横断面速度场及湍动能的成果表明,射流与来流的相互作用表现出明显的分叉现象,其分叉半角为5.71°;复式断面二次流具有加速射流分叉的作用,滩地植被具有减缓射流分叉的效应.对射流出口平面的速度场及湍动能的分析表明,射流轨迹曲线的弯曲程度、射流中心线的位置主要取决于射流与来流流速比.流动横断面流速和湍动能特性表明,射流在整个流场中是各向异性的.     

横流环境下振荡射流初始稀释规律

横流环境下振荡射流的运动和稀释特性研究对于提高排放工程稀释能力非常重要。利用三维大涡数学模型研究了横流环境下振荡射流的初始稀释规律, 探讨了各参数对射流稀释效果的影响; 通过引入射流特征速度与特征长度并进行量纲分析, 得到了横流环境下振荡射流的断面最小稀释度和可视范围面积经验公式, 并将其与波流环境下非振荡射流的稀释规律进行对比。研究表明: 横流环境下振荡射流下游断面浓度极大值出现在反向对称漩涡(CVP)结构位置或"污染物云团"位置; 振幅-射流速度比越大, 最小稀释度越大, 断面可视范围面积越大; 随着斯特劳哈尔数的减小, 断面可视范围面积增加, 最小稀释度变化不明显; 横流环境下振荡射流和波流环境下非振荡射流的初始稀释经验公式结构一致, 射流振荡性产生的初始稀释促进作用与波浪效果类似。     

高压射流钻进工艺试验

在钻井过程中受松散覆盖层、强富水含水层、裂隙发育等多种复杂地质条件影响,常规钻井钻进效率较低、井壁稳定性较差,为提高钻进效率,结合国家重点研发计划项目重点对高压射流钻进工艺进行了研究,高速射流的水力能量迅速破坏土体结构,同时冲刷钻头,有效净化孔底环境,避免岩屑重复破碎。试验重点研究泵排量、喷嘴尺寸等对孔底压力和机械钻速的影响,通过工程试验发现合适的喷嘴直径配置是提高机械钻速的关键因素,利用高压射流钻进工艺可以提高钻进机械钻速,有效解决复杂地层快速钻进技术难题。     

冲击器射流元件内部流场CFD模拟仿真分析

利用CFD数值模拟手段,对射流元件内部流场进行模拟,并对数据进行分析研究,得出结论为：在空载作用下,元件在一侧出流。赋予不同的主喷嘴流量,元件的属性各参量变化不大,可见,元件结构既定,元件射流附壁属性基本确定。该模拟仿真分析丰富了射流元件内部流动的理论研究,完善了参数设计,这对射流式冲击器的设计理念和理论研究有很好的指导意义。     

静止环境中有阻力圆盘浮力射流特性的研究——(Ⅱ)流场特性分析

在数值计算成果的基础上,对阻力圆盘浮力射流的流场进行了分析和总结,基于轴线流速的变化规律将盘后流场分为3个区域:回流区、过渡区和自相似区.得到了回流区的长度随弗劳德数F₀、孔口直径D/d以及盘离孔口的距离H/d的变化规律,并得到了工况为H/D=1,D/d=2,6和H/D=3,D/d=2在不同弗劳德数F₀条件下的横截面上的流速分布和达到自相似区的最小长度;结果表明弗劳德数F₀的大小是决定绕流流态的主要因素;同时分析了由正常绕流发展到非正常绕流的压力场变化,发现由于弗劳德数F₀的增大而导致流场中出现的第三个负压中心的大小和位置与绕流是否能正常发生存在密切的关系.     

静止环境中有阻力圆盘浮力射流特性的研究——(II)流场特性分析

在数值计算成果的基础上,对阻力圆盘浮力射流的流场进行了分析和总结,基于轴线流速的变化规律将盘后流场分为3个区域:回流区、过渡区和自相似区。得到了回流区的长度随弗劳德数F0、孔口直径D/d以及盘离孔口的距离H/d的变化规律,并得到了工况为H/D=1,D/d=2,6和H/D=3,D/d=2在不同弗劳德数F0条件下的横截面上的流速分布和达到自相似区的最小长度;结果表明弗劳德数F0的大小是决定绕流流态的主要因素;同时分析了由正常绕流发展到非正常绕流的压力场变化,发现由于弗劳德数F0的增大而导致流场中出现的第三个负压中心的大小和位置与绕流是否能正常发生存在密切的关系。     

空化射流在岩石破碎中的作用实验研究

在研究空泡云形成过程的基础上,总结了空泡云长度随泵压、围压的变化规律,指出空泡云长度随泵压增加而增加,随围压的增加,存在一最优的围压值,此时空泡云长度最大。论证了缩放型喷嘴与收缩型喷嘴在岩石破碎中的冲蚀性能差异,指出在相同泵压下缩放型喷嘴产生的空化射流对岩石质量冲蚀能力平均是收缩型喷嘴的7倍,同时指出随着围压的增大,缩放型喷嘴对岩石的冲蚀深度、切缝直径、冲蚀质量相应减少,对岩石冲蚀性能产生不利影响。     

自进式直旋混合射流钻头结构优化与钻孔能力分析

自进式射流钻头作为水力喷射径向钻井技术开采煤系气的核心部件,对钻井效率有决定性影响。为获取直旋混合射流钻头结构的最优参数,采用Fluent数值模拟与室内钻进试验相结合的办法,分析不同钻头结构参数下三维流场的速度特性,给出优化准则,并通过钻进试验加以验证,得到钻头的最优参数:中心孔孔径1.2 mm,叶轮槽槽宽0.7 mm,叶轮长度4.5 mm,叶轮径向长度3.5 mm,倾角45°,混合腔腔长6 mm。并通过理论分析解释了不同参数对钻头钻进速度产生变化的原因,主要是通过影响直旋混合射流中直射流与旋转射流的通量,进而引起射流三维的变化。采用灰色关联分析法得出各参数结构对钻进位移的敏感性系数由高到低依次为:中心孔孔径、叶轮槽宽、叶轮径向长度、混合腔腔长、叶轮倾角、叶轮长度。室内钻进试验结果表明:优化后的射流钻头具有更高的钻进效率,在关联分析中对钻进效率影响最大的是直射流与旋转射流通量,且直旋通量比在0.54时,射流能量分配较合理。研究成果对径向钻井煤层气、天然气开采中钻头的设计与结构优化具有指导意义。      

横流中多孔射流流动特性实验研究

横流中多孔射流的流动特性是揭示其输移扩散机理的基础。利用粒子图像测速技术PIV测量了横向流动条件下单孔、两孔和四孔射流的速度场,对射流主体范围内、射流的迎流面和各个射流之间的流场进行了研究。实验研究表明,多个射流中的第1个射流迎流面卷吸强度明显大于单个射流情况;两个射流之间的区域可分为两个部分,上游部分水体被卷吸进入上一个射流,下游部分水体被卷吸进入下一个射流;后面射流迎流面的横向流速明显低于第1个射流迎流面的横向流速,揭示了导致后面射流弯曲的横向有效流速沿程发展变化过程;揭示了横向有效流速的沿程变化规律。     

钻孔中煤体割缝的高压水射流装置设计及试验

本文针对矿井煤层瓦斯抽放及防突中煤层透气性差,瓦斯抽放率低等问题,按照高压水射流技术应用的原理,设计了应用于抽放钻孔中切割煤体的高压水射击流装置,并在现场对喷嘴和射流器进行了试验。试验结果表明,水射流方向采用+100,喷嘴直径为1.5mm,切割速度为0.2m/min,泵压为30MPa时,水射流切割钻孔中煤体效果最佳;煤层采用高压水射流切割缝后,钻孔预抽瓦斯的抽放率提高了18.8%,抽放时间相对缩短90%以上。因此,该项技术对于煤层瓦斯抽放和防治煤与瓦斯突出具有重要作用。