局部弯曲对气举性能影响规律的试验研究

局部弯曲在实际应用中不可避免,因此有必要探讨含局部弯曲管道气举的提升特性。以气举中的核心部件提升管为研究对象,对弯曲位置和角度进行试验测试。结果表明:弯曲位置为主因,且90°弯管位于进气口上游时对气力提升性能影响最显著;在定浸没率下,不同结构提升管排水量峰值所对应的进气量在42~46 m3/h范围内略有差异;气液混合相流经局部弯管后,流型由弹状流转变为不利提升的环状流,从而影响提升能力。测试试验证实,弯曲管道压头损失和混合流体在弯曲区域的气液分层流动是气力提升效率下降的主要诱因。     

锰结核开采的气力提升参数研究

气力提升是大洋锰结核开采的主要扬矿方法之一。气力提升的工艺参数,如固,液两相的体积率,管道压力损失,注气深度,注气量,注气力,提升能力,提升浓度,提升效率和三相流型,对深海采矿气力提升系统的设计非常重要。     

影响气举效率主要因素的试验研究

对影响气举效率的主要因素作了简要的介绍，对气举的注气量与液固两相流流量和提升效率的变化规律进行了深入分析，找出了提升效率与沉入率的关系。     

进气方式对气力提升效率的影响规律研究

为阐明进气方式增强气力提升作用的机理及过程, 以气力提升装置为研究对象, 研究了气孔分布方式对排沙量及提升效率的影响规律。结果表明: 相同浸入率下, 周向均布气孔方式较带中心孔的周向均布气孔方式排沙量和效率均上扬, 且各组对应差值均随气量值增加显著上升; 提升效率随气量值升高其变化关系大致呈M形, 即出现两峰值与之对应, 其中最高峰值所处位置与排沙量峰值对应点几近吻合; 任一进气方式下其无量纲实验散点近乎服从于同一分布函数, 并与理论模型吻合较好。研究成果为更好地理解和优化气力提升参数提供了重要的参考。     

粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内流动状态试验研究

为研究粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内的流动状态,在实验室建立了2套试验系统,对提升硬管底部Y型结构和U型结构开展了粗颗粒提升输送性能试验研究,分析了粗颗粒提升速度和输送浓度对流动状态的影响,观察了2种管道结构下粗颗粒的堵塞状态。结果表明,Y型结构的输送状态优于U型结构。该研究结果可为深海采矿系统中提升硬管底部管道结构设计提供试验验证基础。     

三种典型进气方式对气力提升装置性能影响的试验研究

为研究不同进气方式对气力提升装置的影响，建立了一个类似采矿作业现场的试验场地，采用控制单一变量法，对不同进气方式、不同作业方式和不同下降深度的气力提升装置进行了排沙排固效率以及作业方式效率的相关对比。结果表明：在下降深度增加的过程中，轴向边缘进气方式和垂直中心进气方式在不同浸入率下有着不同的效率相等点，效率相等点所对应的下降深度数值也会随着浸入率的增加而增加，而在效率相等点之后，轴向边缘进气方式的气力提升装置效率会超过垂直中心进气方式的气力提升装置效率，占据优势地位。在扬水效率上，无论是何种浸入率下，垂直中心进气方式的效率一直占据效率优势地位。在作业方式中，下降方式的效率占据优势地位。进气速度的不同可改变提升管内流型，且聚泡状流型会使得效率随着沙层深度的增加而减小。     

气举工作特性的实验与应用

研究了进气方式对气举提升性能的影响,通过改变气流喷嘴个数、喷射角度以及接气管布置方式来测试提升管出口端排液量、排沙量、沙颗粒浓度和提升效率.实验结果表明,进气方式的变化对气举提升性能有显著影响.当气量较低时,采用非对称布置喷嘴时其提升性能最好;当气流较高时,则需要采用对流体扰动较弱的进气方式以减小阻力损失,避免提升效率过低.实验还发现,气举的排液量、排沙量和举升效率都随着进气量的增加先增大后减小,即存在一个最佳气量值与之对应,但反应气举最佳工作特性的参数值几乎不能重合,因此要完全满足气举最优工况是很难实现的.另外,基于动量方程和能量方程建立了气举提升效率模型.     

进气方式对气举装置提升性能的影响

研究了进气方式对气举提升性能的影响,主要通过改变气流喷嘴个数、喷射角度以及接气管布置方式来测试提升管出口端排液量、排沙量、颗粒浓度和提升效率.实验结果表明进气方式的变化对气举提升性能有显著影响,在气量一定情况下,合理的进气方式可以达到最佳提升效果.     

灵石县沙峪煤矿提升系统改造

对灵石沙峪煤矿进行技术改造时，在现有巷道系统中含2个平面弯曲和7个“V”型竖面弯曲的情况下，采用一部无极绳提升，代替改造前的9级串联提升，其运行效果平稳，且各项经济技术指标均好于改造前。     

气力提升管三相流中气相状态对固相运动影响

钻孔水力开采中利用气力提升系统对地下矿浆进行提升时,气体状态(气相值的大小及其运动特性)对矿浆中矿石的运动及其提升效率将会产生重要影响。基于三相流理论和气泡动力学理论建立了提升管中固相运动速度模型,以陶瓷球形颗粒模拟矿石,利用自行设计的小型气力提升系统实验研究不同运行参数(气量值、淹没率)对颗粒提升量的影响,采用高速摄像技术获取不同气量值下管内气-液-固三相流运动图像序列,通过图像处理技术分析气相对固相运动的影响机理并与实验结果相佐证。结果表明:不同气量值下,气泡对颗粒的作用程度及作用形式并不相同;当气量值较小时,液体对颗粒运动影响较大,此时颗粒数量少、速度低且多随气-液混合相沿管壁位置提升;随气量值的增加,气泡对颗粒及液体提升作用明显,固-液混合相浓度及提升速度均趋于最大值并整体向管芯运动,相对于管壁,管芯处颗粒提升速度较大,此时管内整体呈不规则螺旋上升;持续增加进气量,气体流速过高,管内紊动加强,颗粒非连续提升且固-液混合相浓度显著降低。与淹没率相比,气量值的变化对管内固相运动的影响更为显著。实验结果与理论分析吻合较好,对钻孔水力开采工程应用具有指导意义。     

深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流当地浓度的研究

针对深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流提升大洋锰结核颗粒的当地浓度受多种因素影响的问题,基于欧拉-欧拉理论模型,选用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,以含有锰结核颗粒的海水为流动介质,对扬矿硬管内液固两相流进行数值模拟,分析了管道、物料和浆体的特性等因素对颗粒当地浓度的影响规律。结果表明：不同工况条件下,管道内径、锰结核颗粒粒径、颗粒密度、提升角速度、提升浓度的增大均有助于提高颗粒的当地浓度,进而有利于提高颗粒的输送效率;过大的提升速度将会抑制断面上颗粒当地浓度的提高,从而降低颗粒的输送效率和提升能力;但管壁粗糙度及浆体黏度对当地浓度影响很小。研究结果对深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流的输送参数优化和工程应用具有一定的指导意义。     

风管式气举反循环钻具及其在大口径钻井施工中的应用

目前大口径钻井施工中常用的泥浆正循环钻进存在着泥浆流速慢、携渣能力差、重复破碎严重、钻井效率低、钻头磨损快、能源消耗大、钻井事故发生率高等问题,气举反循环钻进工艺可有效解决上述问题。风管式气举反循环钻井工艺简单易实现,能有效减少重复破碎,钻进效率高,能源消耗少,钻头寿命长,成井质量好,对涌水和漏失均有很好的抑制作用。介绍了风管式气举反循环钻井工艺原理、专用钻具及其现场使用情况。     

作业工况及喷射方式对气举输出的影响

基于流体力学理论,从静力学角度,进行了气举管内压力分析,研究了不同作业工况及喷射方式对气举输出的影响,分析了气举输出特性随吸口下降深度的变化规律。结果表明,气举垂直作业存在固相与液相流量变化趋势相反的平衡段,吸口底部漏斗状坑径变大、局部流体加速、紊流增多,有利于固体颗粒的提升; 对称喷射方式固相空隙率更高,提升固体颗粒性能更好,而非对称喷射方式明显增强了气举吸口附近的局部扰动,更有利于采矿作业过程中液体提升。     

管道气力提升系统运行性能研究

为分析提升系统运行性能的影响因素, 采用高30 m, 管径100 mm的提升管模拟系统进行了试验研究。通过调节浸没率、注气量和浆体输送浓度等参数进行分组测试, 得出了浆体输送流量、结核提升流量、扬矿效率与注气量之间的关系曲线, 总结了各参数变化时系统的运行规律。同时, 用试验结果验证了颗粒起动临界条件计算模型的合理性。     

气力泵疏浚特性研究

采用与实际清淤相似的槽底供沙方式,以普通河沙作为实验颗粒,搭建气力泵疏浚池,研究了山塘水库气力泵疏浚特性。结果表明,随气体表观流速增加,气力提升系统性能呈先增加后减小的趋势; 增加浸入率,系统性能峰值点对应的气体表观流速变小; 同一浸入率下,增大气举头埋入沙层的深度,气力泵提升性能显著增加。研究成果可为山塘水库气力泵疏浚提供理论及实践指导。     

气力提升系统扬固特性试验研究

为探究颗粒对气力提升特性的影响规律, 改变其供给量、粒径以及混合比例, 探讨系统扬固特性, 并采用高速摄像仪捕捉管内混合流体结构及运移特征。结果表明: 颗粒供给量越大, 越有利于提升, 但随供给量不断增大, 提升效果趋于稳定后反而变差; 颗粒粒径越大, 提升所需临界进气量越大, 越不利于提升; 改变颗粒情况不会影响管内的流型结构, 但密集泡状流利于提升; 混合颗粒中大颗粒比例越大, 越不利于提升。故在实际工程应用中, 应针对矿层的固体情况, 作不同调整。     

Study on improving performance of airlift device by self-excited oscillation pulsed jet used in mining under water

The feasibility of the nozzle of self-excited oscillation pulsed jet (SEOPJ) as the breaker and loosing device for the air-lift pump was researched. The dynamic characteristics of the SEOPJ to crush the hard clay and loose the layer of ore deposit were explored experimentally under the submerged condition. The results show that the SEOPJ not only effectively breaks the hard clay or loose the particles of sand on the placer bed, but also produces fluctuating uplift force acting on particles of sand. The oscillating cross flow caused by the SEOPJ makes particles of sand move to the end of the suction pipe easily. Energy efficency of the airlift and concentration of the solids for the solid-liquid mixture sucked by the air-lift pump are increased obviously with the breaker of SEOPJ. Supported by the National Natural Science Foundation (50504021); the Key Science and Technology Project of National Education Ministry (206122); the Science, and Technology Project of Chongqing Education Committee (KJ070419)     

钻孔水力开采用气力提升装置模型的建立及实验研究

气力提升装置由于其效率过低而致使相关优点得不到充分发挥,限制了其应用范围。为进一步提高其对固体颗粒输送的能力,通过改进传统气举的结构,采用喷射器式气举来提高气举的气力提升性能。基于伯努利方程获得了对气力提升装置管内各相运动描述的理论模型。实验结果表明：喷射器式气举与传统气举特性曲线变化规律基本一致,理论模型与实测结果对比,其相对误差在7%以内,理论值与实测值吻合较好,且前者对提升效果的增强作用整体优于后者,尤以在较高气量值下最为显著;在 γ=0.42和Q G =8.8 m 3 /h处,前者最大排沙量为后者的2倍。