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。     

铀矿科学深钻液动冲击器射吸结构仿真分析

液动冲击器是铀矿科学深钻采用的关键技术,采用固定射吸单元结构的液动冲击器可降低启动流量,稳定冲击频率。为探究固定射吸单元结构对冲锤抬升的作用机理,采用FLUENT软件对冲锤射吸结构流场进行了模拟仿真,分析了喷嘴射流长度和冲锤下腔压强变化,优选了射流卷吸结构参数。结果表明:冲锤射吸结构可提高冲锤上下腔压强差,降低冲击器的启动工作流量;喷嘴结构影响有效射流长度,建议喷嘴出口圆柱长度取值范围为5～10 mm,喷嘴收敛角取值范围为22°～23°,收敛段长度范围为40～60 mm;承喷距离和承喷喉管的增大,均可造成冲锤下腔压强减小,建议当喷嘴直径为10 mm时,承喷距离在12～14 mm之间,承喷喉管直径在16～17 mm为宜。分析结果可为优化绳索取心液动冲击器性能和改进结构设计提供参考。     

煤层气井造穴射流破岩试验研究

通过水射流造穴进行洞穴完井是煤层气井重要的完井方式。为了优选造穴射流工具的喷嘴,提高射流造穴直径和效率,通过制备相似煤岩试样,采用室内试验的方法,进行了连续射流和空化射流的破岩效果试验,并在现场造穴施工中进行了应用。结果表明：自由射流条件下,连续射流在喷距为200 mm时破岩效果最好,空化射流在喷距为300 mm时破岩效果最好。淹没射流条件下,连续射流未能冲蚀煤岩试样;空化射流的冲蚀直径则呈先增加后减小并趋于稳定的状态,在淹没深度为200 mm时冲蚀直径达到最大,冲蚀深度随着淹没深度的增加而增加,在淹没深度为300 mm以后,冲蚀深度趋于稳定缓慢减小。研究结果为造穴射流工具的喷嘴选型及结构优化设计提供了依据。     

大线速度下超高压水射流破岩试验研究

高压水射流的破岩效果对高压水射流辅助掘进机破岩技术至关重要。为提升隧道掘进机工况下高压水射流辅助破岩的效率,开展大线速度下超高压水射流破岩试验,分析喷嘴移动线速度、射流压力和喷嘴直径对破岩效果的影响规律,并探究加磨料和射流形式对破岩效果的影响。试验结果表明,随喷嘴移动线速度增加,高压水射流的切割深度和切割宽度均近似线性减小;随射流压力增加,切割深度近似线性增大,压力从200 MPa提高到280 MPa,切割深度增加了72%～82%;喷嘴直径从0.35 mm增大到0.60 mm,切割深度增加了60%～85%。大线速度下加磨料后射流变发散,加磨料的切割深度小于纯水的切割深度,加磨料的切割宽度大于纯水的切割宽度。砂管束流射流模式的能量利用率更高,砂管束流的切割深度比长线射流的切割深度大35%～42%,砂管束流的切割宽度比长线射流的切割宽度大78%～85%。基于Crow切割岩石理论,通过试验数据回归分析,得到大线速度下超高压水射流切割深度半理论半经验预测模型,可为高压水射流辅助掘进机破岩技术中射流切割参数优化提供参考依据。研究成果对提升隧道掘进机工况下超高压水射流辅助破岩的效率是很有意义的。     

基于引射器原理的投砾装置喷嘴CFD优化仿真分析

地浸钻孔成井工艺中,目前常用的投砾设备主要有渣浆泵与各类自制投砾装置。基于引射器原理的投砾装置是一种现场应用较广的投砾装置,为了提高该投砾装置的工作效率和投砾质量,本文基于计算流体力学的数值模拟软件Fluent对引射器原理的投砾装置的引射器结构进行了数值模拟的优化分析。分析结果表明,引射器喷嘴直径对引射效果具有较大影响,引射器的引射系数随喷嘴直径的增大而逐渐减小,但较小的喷嘴直径会导致对泥浆泵的泵压负荷增大,对于现场使用的BW250型泥浆泵,要求最高压力≯6 MPa,因此引射器喷嘴的直径为5 mm时为最优值;混合室直径增大会降低引射器性能,根据砾料通过能力等确定最优参数为18 mm;混合室长度有利于提高引射器性能,本文优化值为120 mm长度时为较佳混合室管长。优化后的投砾装置较原有基于大喷嘴直径引射器的投砾装置,投砾效率和质量均有大幅提高。     

射流泵流场的PIV测量

利用粒子图像速度场仪(PIV)对射流泵渐缩锥形入口、等径直管内有限空间水射流进行测量。该射流泵喉管面积与喷嘴面积之比为4.75,基于射流泵喷嘴直径D和喷嘴出口流速计算的雷诺数为3.68×105。通过流量比在0.20～0.80之间的变化来研究流量比对流场的影响。获得了射流泵对称面流场的速度矢量、轴心速度分布和轴向速度等值线图。结果表明:当射流泵的面积比确定后,射流泵内有限空间射流结构只与射流泵的流量比有关,流量比愈小,其轴心速度衰减得愈快,高速射流区愈短。测量结果为射流泵理论研究和优化设计提供可靠依据。     

旋流喷嘴钻头在NP32-3646井的现场应用分析

南堡32-3646井是一口四开三段制定向井,设计井深5798 m。3864～4265 m（井斜29.18°的稳斜段）试验了五刀翼旋流喷嘴PDC钻头（主切削齿直径16 mm, 3个φ11 mm常规水眼和4个φ18 mm旋流喷射水眼）。针对深井超深井钻进中常采用的相对较高的钻井液密度和粘度,不利于提高钻头破岩效率的问题,在系统介绍旋转射流发生机理和破岩机理的基础上,对NP32-3646井五刀翼旋流喷嘴PDC钻头现场应用情况进行了分析。试验结果表明,旋转射流因具有切向、轴向和径向三维速度,可在高粘钻井液条件下更好地改善井底清岩效果,并通过剪切、冲蚀、拉伸和磨削等多种方式实现辅助破岩,从而提高钻井效率。试验钻头进尺401 m,平均机械钻速4.45 m/h,可较好地满足现场钻进需要,具有良好的推广应用前景。     

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。      

基于Fluent的空气射流切削式反循环钻头参数优化

针对黄土地层,提出利用空气代替钻井液的反循环气体喷射技术。但现有技术对反循环气体喷射钻头切削土体的能力没有具体优化讨论。利用fluent软件,优化反循环喷射钻头结构参数,对不同底喷孔直径、底喷孔数量、底喷孔扩大段直径、底喷孔扩大段数量、喷射孔数量5个结构参数进行模拟分析。分析结果表明,在进风流量一定的情况下,增加底喷孔的数量或增大底喷孔的直径会削弱钻头的空气射流切削能力和反循环能力。底喷孔直径为3 mm,底喷孔个数为2个,底喷孔扩大段直径为8 mm,底喷孔扩大段长度为5 mm,内喷孔数量为5个时,反循环喷射钻头喷射能力和反循环能力最优。     

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。     

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。     

脉冲磨料射流破碎岩石的实验研究

在淹没和非淹没状态下研究了脉冲射流的动态特性、振荡腔腔长、靶距、磨料浓度等参数与脉冲磨料射流的切割和冲蚀性能的关系,对比分析了脉冲磨料射流与前混合磨料射流在相同实验条件下对花岗岩及石灰岩等的冲蚀性能。实验结果表明,自激振荡射流频率随腔长增大而减小,随压力及流量的增大而增大;脉冲磨料射流的体积冲蚀速度在淹没状态下是前混合磨料射流的1.7倍,而在非淹没状态下为前混合磨料射流的1.4倍。     

煤与瓦斯突出煤粉在巷道内运移分布规律试验研究

煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的地质灾害之一,主要表现为瓦斯窒息和煤粉冲击、掩埋。利用自主研制的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统,开展不同瓦斯压力条件下煤与瓦斯突出模拟试验。结果表明,突出启动后,瓦斯气体携带煤粉以射流状喷向巷道。在0.35 MPa低瓦斯压力条件下,瓦斯膨胀能低,突出煤粉初始加速度小,受重力和阻力影响显著,运移形态以沙丘流和分层流为主,并出现多次“加速?减速”过程,最大速度为34.2 m/s;而在2.00 MPa高瓦斯压力条件下,瓦斯膨胀能高,突出煤粉初始加速度大,能有效克服重力和阻力,运移形态以栓流为主,运移速度降低不明显,最大为71.2 m/s。同时,当瓦斯压力从0.35 MPa增加至0.85 MPa和2.00 MPa时,相对突出强度由36.13%增大至52.39%和63.70%,且煤层瓦斯压力越高,突出煤粉运移距离越远,巷道末端集尘袋内煤粉质量占比越高,分别为65.21%、75.05%和87.17%。此外,突出结束后,突出煤粉粉碎率随瓦斯压力增加依次增大,分别为8.1%、21.5%和28.0%,但是粉碎到临界粒径0.075 mm以下的煤粉较少。最后,计算得到不同瓦斯压力条件下突出煤粉破碎指数分别为0.19、0.44和0.56,与相对突出强度具有较好的线性拟合关系。研究结果对揭示突出致灾机制、制定防灾减灾措施具有一定指导意义。