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《重庆大学》 2010年 博士论文
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钻孔水力开采中气力提升系统的特性

裴江红  
【摘要】:随着世界经济的飞速发展,各国对能源的需求量日益剧增。然而各种矿源的数量却越来越少,可供开采的矿物储量也日益减少。寻求开采新的矿源已成为当前国民经济发展必须解决的问题之一。海底蕴藏丰富的矿产资源和陆地也还有某些具有复杂的水文地质条件的矿藏,却由于开采难度而迟迟得不到开发。如何在海底和水文地质条件复杂的矿中进行开采和提升矿石成了一个需要紧迫解决的问题和难题。气力提升以其具有举升深度深、操作管理方便、加工简单、维护费用低等优点而被广泛应用于深海采矿和钻孔水力开采中,因此对气力提升系统特性研究已成为了一个热点,本文针对于此进行了以下几个方面的研究。 ①.利用系统模块化方法,对气力提升系统中影响其提升效率的综合因素进行了深入的研究,确立了系统各子模块与系统提升效率间的相互联系。 ②.基于压力能量消耗最小原理和多相流流型以及从建模方法出发,得出了在环状流态时具有相对稳定的流动状态。针对在此流动状态下,通过对修正后的气-液和气-固两相流压降数学模型的叠加,得到了适合于对小颗粒、均匀粒径矿砂开采时工作状态下,气力提升器内气-液-固三相流压降数学模型。 ③.综合应用多相流、剪切层、流体网络等理论和多相流建模思想,结合实验对气力提升系统特性进行了较为深入、系统的研究。 ④.通过对剪切层理论的深入研究,建立了双腔室自激振荡脉冲射流的有效激励条件,分析了产生调制射流的机理。 ⑤.利用流体网络理论建立了双腔室自激振荡脉冲射流频域相似网络模型,得到了双腔室自激振荡脉冲射流破碎器固有频率的计算表达式,确定了破碎器的结构参数、流体参数(压力、流量)及泵源的脉动对射流振荡特性的影响规律,系统提出了双腔室自激振荡脉冲射流破碎器装置的设计准则。 通过理论和实验研究,得到了以下重要结果: ①.气力提升系统由空压机组、输气管网、集输管线、气力提升器装置和破碎器串联而成,故气力提升效率应为这五大模块效率乘积。配气管和集输管效率,主要由管线长度和局部阻力系数、沿程阻力系数决定;气力提升器效率除受摩擦阻力损失、局部阻力损失外还受固体颗粒的滑移损失、热量损失及浸入率大小等因素的影响;破碎器效率受其结构参数和流体参数影响。 ②.通过对气力提升特性影响因素的实验表明:浸入率的大小对气力提升特性有重要影响,浸入率越大气力提升的扬水量、扬砂量和提升效率越大;气力提升过程中,气体喷嘴的个数存在最佳值,本实验中气体喷嘴最优个数为3;气体喷嘴的安装角度对气力提升特性影响较大,当气体流量Qg小于30m3/h时,气体喷嘴安装角度与管壁相切时,气力提升的扬水量、扬砂量最大,气体流量大于37.5m3/h时,气体喷嘴不偏转时,气力提升的扬水量、扬砂量最大,当30m3/h Qg 37.5m3/h时,气体喷嘴内偏、外偏、相切和不偏四种不同情况下气流角度所对应的扬水量相差不大,不能明显的区分出哪一种气流角度所对应的扬水量最佳;破碎器的是否安装有时是决定能否实现提升的关键因素,破碎器的安装虽然减小了气力提升器的扬水量,但能增加了气力提升器的扬砂量,气力提升过程中破碎器个数存在最佳数;吸头与矿床间距在高于参考面和低于参考面时,分别对应了一个最佳距离。 ③.双腔室自激振荡脉冲射流破碎器结构参数设计中应综合考虑装置系统、流体参数的影响,使来流脉动频率与破碎器固有频率相近; ④.大量实验证明:在相同工况下,双腔室自激振荡脉冲射流破碎器较单腔室自激振荡脉冲射流破碎器所产生的脉冲射流具有更强的冲蚀效果,最佳冲蚀深度和冲蚀体积前者较后者分别提高了65.43%和47.53%; ⑤.双腔室自激振荡脉冲射流频率主要集中在低频带,且脉冲射流的峰值压力频率随振荡腔长、腔径的增大而减小,压力和波速的增大而增大,存在最佳腔长比和腔径比,双腔室自激振荡脉冲射流峰值压力较常规水射流可以提高(25-46)%,单腔室自激振荡脉冲射流较其只能提高射流的峰值压力(15-35)%; 以上的研究结果,为气力提升的应用奠定了理论和实验基础,为深海采矿和钻孔水力开采工程实践中打下了良好的应用基础。


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