（机械设计及理论专业论文）钻孔水力开采中气力提升系统的特性.pdf

s t i co f a i rl i f t a u l i cj e tm i n i n g ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oc h o n g q i n g u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h e d e g r e e no f d o c t o r o fe n g i n e e r i n gsi c e n c e b y p e ij i a n gh o n g s u p e r v i s e db yp r o f l i a oz h e n g f a n g m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y c o l l e g eo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n go f c h o n g q i n gu n i v e r s i t y , c h o n g q i n g ，c h i n a o c t o b e r2 0 l o l 中文摘要 摘要 随着世界经济的飞速发展，各困对能源的需求量同益剧增。然而各种矿源的 数鼍却越来越少，可供开采的矿物储量也同益减少。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。 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。 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，气力提升器内气液一固三相流压降数学模型。 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。 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。 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： 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同体颗粒的滑移损失、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。 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 重庆大学博士学位论文 的安装角度对气力提升特性影响较大，当气体流量q 。小于3 0 m 3 h 时，气体喷 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3 7 5 时，气体喷嘴不偏转时，气力提升的扬水量、扬砂量最大，当3 0 m 3 h q g 3 7 5 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 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 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 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。 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； 大量实验证明：在相同工况下，双腔室白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6 5 4 3 和4 7 5 3 ： 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( 2 5 4 6 ) ， 单腔室自激振荡脉冲射流较其只能提高射流的峰值压力( 1 5 3 5 ) ； 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。 关键词：脉冲射流，流体网络，气力提升，破碎器，提升效率 e f f i c i e n c yo fa i rl i f t i n gs y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e d b a s e do nt h et h e o r yo fm i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h em u l t i p h a s ef l o w p a t t e r n ，i tc a nb ek n o w nt h a tt h ea n n u l a rf l o wp a t t e r ni si nar e l a t i v e l ys t a b l ef l o ws t a t e f o ra n n u l a rf l o w , g a s - l i q u i da n dg a s - - s o l i dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r e s s u r ed r o ph a s b e e nu s e dt od e r i v eg a s l i q u i d - s o l i dm o d e lo fp r e s s u r ed r o p t h ef e a t u r eo fa i rl i f ts y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e db a s e do ne x p e r i m e n t sa n d t h e o r e t i c a la n a l y s i sw h i c hi n v o l v e st h et h e o r yo fm u l t i p h a s ea n ds h e a rl a y e r ； b a s e do nt h es e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nt h e o r y , t h ee f f e c t i v ei n c e n t i v ec o n d i t i o n s o fd o u b l es e r i e ss e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nc h a m b e rh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n dt h ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo f j e th a sb e e na n a l y z e d ； t h en e t w o r km o d e lo fd o u b l es e r i e ss e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nc h a m b e rh a sb e e n e s t a b l i s h e db yu s i n gt h et h e o r yo ff l u i dn e t w o r k ，a n dt h ec o m p u t a t i o n a le x p r e s s i o n so f t h en a t u r a lf r e q u e n c i e so fn o z z l eh a sb e e no b t a i n e d ，a n dt h ee f f e c to fs e v e r a lf a c t o r s ， s u c ha st h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fn o z z l e ，f l u i dp a r a m e t e r s ( p r e s s u r e ，f l o w ) a n dt h e p u m pp r e s s u r eo s c i l l a t i o n ，h a s b e e ns t u d i e d ，a n dt h e d e s i g n c r i t e r i ao fd o u b l e s e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nc h a m b e rh a sb e e np u tf o r w a r d t h et h e o r ya n de x p e r i m e n t a ls t u d yh a sl e dt ot h ef o l l o w i n gi m p o r t a n tf r u i t f u l r e s u l t s ，a sl i s t e di nf o l l o w i n g ，h a v eb e e nr e a c h e d 。a i rl i f t i n gs y s t e mi sc o m p r i s e do fa l la i rc o m p r e s s o r , ag a sp i p e l i n en e t w o r k ，a p i p es y s t e ma n da na i rl i f t i n gd e v i c e t h e r e f o r e ，t h ee f f i c i e n c yo ft h ea i rl i f t i n gs y s t e mi s i i i 重庆人学博士学位论文 t h ea r i t h m e t i cp r o d u c to fe a c hs u b - d e v i c e t h ee f f i c i e n c yo fg a sp i p e l i n en e t w o r ka n d p i p es y s t e m i sm a i n l yi n f l u e n c e d b yp i p el e n g t ha n dl o c a lr e s i s t a n c el o s s e s t h e e f f i c i e n c yo fa i rr a i s e ri sd e c i d e db yf r i c t i o nl o s s ，l o c a lr e s i s t a n c el o s s e s ，h e a tl o s s ， s l i p p i n gl o s sa n di m m e r s i o nr a t e f o rt h ek n a p p e r ，i t se f f i c i e n c yi si n f l u e n c e db yi t s s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n df l u i dp a r a m e t e r s t l l ei m m e r s i o nr a t eh a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa i rl i f t t l l e h i g h e rt h ei m m e r s i o nr a t e ，t h eh i g h e rt h el i f tw a t e rq u a n t i t yi s ，l i f ts a n dq u a n t i t ya n dl i f t e f f i c i e n c ya r e e x c e p tt h a t ，a no p t i m u mn o z z l en u m b e re x i s t s i nt h i se x p e r i m e n t ，3 n o z z l e sh a v e b e e n u s e ds i m u l t a n e o u s l y a i rn o z z l ei n s t a l l a t i o na n g l ei sa l s oa n i m p o r t a n tf a c t o rw h i c ha f f e c t st h el i f tc h a r a c t e r i s t i c so fa i rl i f t w h e ng a sf l o wi sl e s s t h a n3 0 m 3 | ha n da i rn o z z l ei st a n g e n tt ot h ep i p ew a l l ，l i f tw a t e rq u a n t i t ya n dl i f ts a n d q u a n t i t yr e a c ht h em a x i m u m v a l u e a sg a sf l o wi sm o r et h a n3 7 5m 3 | ha n da i rn o z z l e i sn o td e f l e c t i o n ，t h em a x i m u mn u m b e rh a sb e e ng o t t e nf o rl i f tw a t e rq u a n t i t ya n dl i f t s a n dq u a n t i t y w h e ng a sf l o wi sb e t w e e n3 0 m 3 | ha n d3 7 5m 3 | h ，a i rn o z z l ea n g l eh a s l e s si n f l u e n c eo nl i f tw a t e rq u a n t i t ya n dl i f ts a n dq u a n t i t y s o m e t i m e s ，w h e t h e ri n s t a l l i n g k n a p p e rn o z z l eo rn o ti sak e yf a c t o ra f f e c t i n gl i f tp r o c e s s t h o u g ht h ei n s t a l l a t i o no f k n a p p e rn o z z l ed e c r e a s e st h ea m o u n to fl i f t i n gw a t e r , i ti n c r e a s e st h eq u a n t i t yo f l i f t s a n d d e v i c es t r u c t u r ea n df l u i dp a r a m e t e r sh a v et ob ec o n s i d e r e dd u r i n gt h e s t r u c t u r ep a r a m e t e rd e s i g np r o c e s so fd o u b l es e r i e ss e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nc h a m b e r t h u s ，t h ef r e q u e n c yo ff l o wc a nb ec l o s et ot h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h eo s c i l l a t i o n c h a m b e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w nt h a t ，u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，d o u b l es e r i e s s e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nc h a m b e rh a ss t r o n g e re r o s i o ne f f e c t st h a ns i n g l ec h a m b e r t h e e r o s i o nd e p t hi m p a c t e db yd o u b l es e r i e ss e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nc h a m b e ri n c r e a s e d 4 7 5 3 a n dt h ee r o d i n gv o l u m ei n c r e a s e d6 5 4 3 c o m p a r i n gt os i n g l ec h a m b e r t h ef r e q u e n c yo fd o u b l es e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nc h a m b e ri sr e l a t i v e l yl o w t h e f r e q u e n c yo fs e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o np e a kp r e s s u r ed e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f c a v i t yl e n g t ha n dt h el u m e nd i a m e t e r , a n di ti n c r e a s e sw i t t lt h ei n c r e a s i n go fp r e s s u r e a n dv e l o c i t y t h e r ei sa no p t i m u mc a v i t yl e n g t hr a t i oa n dl u m e nd i a m e t e rr a t i o c o m p a r i n gw i t hr e g u l a rj e t ，t h ep e a kp r e s s u r eo fd o u b l es e r i e ss e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o n c h a m b e ri n c r e a s e da b o u t ( 2 5 - 4 6 ) ，a n dt h e p e a kp r e s s u r e o fs i n g l es e l f - e x c i t e d o s c i l l a t i o nc h a m b e ri n c r e a s e d05 - 3 5 1 t h ea b o v er e s u l t sh a v ep r e p a r e dt h et h e o r ya n dp r a c t i c ef o ra i rl i f t i n ga p p l i c a t i o n ， i v 英文摘要 a n dt h i sp a p e rh a sl e dt of a r t h e rs t u d yf o rd e e p s e am i n i n ga n db o r e h o l eh y d r a u l i c m l m n g k e y w o r d s ：p u l s ej e t ，f l u i dn e t w o r k ，a i rl i f t ，k n a p p e r , l i f te f f i c i e n c y v 重庆大学博士学位论文 v i 录 录 2 2 固体颗粒悬浮速度14 2 3 气力提升管内的基本特性方程1 6 2 3 1n a t s u oh a t t a 模型1 6 2 3 2 气力提升管内摩阻损失综合模型1 9 2 4 气力提升系统效率2 3 2 4 1 影响气力提升系统提升效率的因素2 3 2 4 2 空压机组的效率2 4 2 4 3 配气管的效率2 8 2 4 4 气力提升器的效率3 0 2 4 5 岩乍i 破碎器的破碎、搅拌效率3 2 2 5 本章结论3 3 3 气力提升系统基本特性的实验研究3 5 3 1 实验设备与测试系统3 5 3 2 提升管内压降损失实验研究3 7 3 2 1 实验过程。3 7 3 2 2 实验结果与分析3 8 3 3 影响气力提升器提升效率影响因素研究3 9 3 3 1 实验过程3 9 3 3 2 实验结果及分析4 0 3 4 本章结论5 3 v i i i l 1 3 3 6 1 2 3 3 副 一 1 l 1 1 一 究 重庆人学博十学位论文 4 气力提升中多相流流型及模型建立方法的研究5 5 4 1 多相流的定义、分类、发展过程5 5 4 2 多相流流型研究5 6 4 2 - l 垂直上升管内气液两相流流型和流型图5 7 4 2 2 垂直上升管内液液两相流流型和流型图5 8 4 2 3 垂直上升管内气固两相流流趔和流型图。5 9 4 3 多相流模型研究进展6 l 4 3 1 欧拉( e u l e r i a n ) 法6 l 4 3 2 拉格朗日( l a g r a n g i a n ) 方法6 l 4 3 3 其它方法6 3 4 4 多相流数学模型建立方法的研究6 4 4 5 本章结论6 7 5 气力提升系统中破碎器特性的理论研究6 9 5 1 自激振荡脉冲射流的工作原理6 9 5 2 双腔室自激振荡脉冲射流破碎器的数学模型建立6 9 5 3 结构参数对双腔室自激振荡脉冲射流频率特性的影响7 2 5 4 流体参数对双腔室自激振荡脉冲射流频率特性的影响7 6 5 4 1 流量、压力的影响7 6 5 4 2 波速的影响7 8 5 5 本章结论7 9 6 气力提升系统中破碎器特性的实验研究8 1 6 1 实验装置及实验现场8 l 6 2 非淹没条件下双腔室脉冲射流动态特性实验研究8 5 6 3 非淹没条件下脉冲射流破碎器冲蚀性能对比9 8 6 4 本章结论。9 9 7 结论与建议1 0 l 7 1 结论1 0 1 7 2 建议1 0 2 致谢1 0 3 参考文献1 0 5 附录1 13 v i i i 1 绪论 1 绪论 各国对能源的需求量也门益剧增。国务院政策研 我国经济能实现到2 0 2 0 年将在2 0 0 0 年的基础上再 翻两番，达到3 5 万亿元人民币，年均g d p 增速要保持在7 2 左右。经济高速发 展离不开矿产资源的支持，据统计，9 2 以上的一次能源、8 0 的工业原料、7 0 以上的农业生产资料都来自矿产资源。这一时期，大宗矿产品的消费弹性系数都 将大于1 ，也就是说矿产品消费增长要快于国内生产总值的增长。然而，从静态保 证程度来看，我国已探明的4 5 种主矿产的储量，到2 0 1 0 年严鼋短缺的将有铬、 钴、钼、钾、金刚石5 种，矿产资源不能自给的有石油、天然气、富铁矿石、富 锰矿石、钼、镍、金、银、硫、钛、硼等1 9 种，到2 0 2 0 年短缺矿产资源将增至 3 9 种，矿产资源供需矛盾十分严峻。 一方面，陆地上优质矿产资源储量面临日益减少的现状，但同时在深海和一 些水文地质条件比较复杂的矿矿产资源，却因受开采成本或丌采技术的限制而迟 迟得不到开发利用。 通过深海勘测。世界深海多金属结核资源极为丰富，远景储量约3 万亿吨， 仅太平洋的蕴藏量就达1 5 万亿吨。我国科学家以结核丰度1 0 千克平方米和铜镍 钴平均品位2 5 为边界条件，估计太平洋海域可采区面积约4 2 5 万平方公里，资 源总量为4 2 5 亿吨。其中，含金属锰8 6 亿吨，铜3 亿吨，钴0 6 亿吨，镍3 9 亿 吨，表明多金属结核的经济价值确实巨大。多金属结核矿每年还以1 0 0 旺1 5 0 0 万 吨的速度不断增加【z j 。 据估计，在太平洋地区专属经济区内，富钴结壳的潜在资源总量不少于1 0 亿 吨，钴资源量就有6 0 0 - - - - 8 0 0 万吨，镍4 0 0 多万吨。在我国南海也发现有富钴结壳。 所发现的富钻结壳的钴含量一般比大洋锰结核高出三倍左右，而镍是锰结核的1 3 ， 铜含量比较低，而铂的含量很富，变化于0 3 p p m 至2 p p m 之间，最高可达4 5 p p m ， 稀土元素含量亦很高，其稀土总量可达数干p p m ，以轻稀土为主，都具有工业利 用价值【3 】。无疑这些丰富的有用金属将是人类未来可利用的接替资源。 深海，尽管它蕴藏着极为丰富的矿产资源，但由于其矿产一般都位于水下上 千米、甚至上万米的海底，采用传统的采矿方法根本无法实现开采，造成开发难 度大，目前基本上还没有得到工业性开发。扩大人类生存空间和储备人类生存资 源的重要途径之一就是要向深海拓展，发现包括海底矿产在内的深海资源，这对 于整个人类的生存与发展是一项具有深远意义的战略行动。 重庆人学博十学位论文 自上世纪5 0 6 0 年代起，美、俄、日、法、德、印度等国开始对大洋锰结核气 力提升技术进行了重点研究和大洋工业性试验。我国于1 9 9 1 年成为第五个深海采 矿先驱投资者，这为我国今后合法的进行深海开采创造了良好的开端1 4 j 。 同时，如我国湖南、广西、云南、江西、福建、广东等省的铁锰矿、铜矿、 金矿、锌矿、煤矿以及滨海砂矿等。这些矿床埋藏在地下几十米到数百米深的地 方，以砂状、葡萄状、粉状的形式存在，矿区矿体附近有常年性地下河流或矿区 构造断裂复杂，大部分断层含水、导水，矿体含水，矿体顶、底板为岩溶化岩层， 其岩溶极为发育，矿体多分布在岩溶强烈发育带中，含极丰富的溶洞裂隙水，矿 坑涌水量大。因此，传统的采矿方法根本无法开采这类矿层，致使众多有志之士 都乘兴而来，败兴而归。使得勘探成果常年集压，丰富的地下资源成为了“呆”矿。 如何将水下几千米矿产资源提升到地面，目前主要方法有以下几种方式p j ：1 ) 连续绳斗法开采系统。其原理是在一根缆索上每隔一定距离吊挂一个链斗，通过 采矿船船首和船尾( 单船式) 或条船上( 双船式) 安装的缆索导引轮形成的 无极循环运转，从海底将结核矿铲起并提升到海面。该系统于上世纪7 0 年代曾多 次在海上成功地进行试验，其优点是系统设备简单、维修方便、投资小，但存在 采矿效率和资源回收率低，要求海底地平坦。由于缆绳容易缠绕等问题，现已基 本被淘汰。2 ) 矿浆泵水力提升系统。矿浆泵入口以下为吸入管，管内压力低于管外 压力，借助海水的位能进行提升。中间矿仓底部的给料机在负压差下给料。矿浆 泵水力提升系统的优点是工艺简单，提升能力大，效率高，作业可靠性高。但由 于矿浆要经过矿浆泵，矿浆泵的磨损严重，提升高度不高，开采成本大大增加。3 ) 气力水力提升系统。该系统的突出优点是水下没有动力设备、 工艺简单、工作 可靠、维修和管理方便，不受水深限制、能耗小等特点，成为了深海采矿最有应 用前景的一种系统。本论文将在后面详细论述气力水力提升系统的有关问题。 气力提升系统具有无运动件、维修方便、不受水深限制、操作简单等优点， 是近年来大力研究和不断完善的提升系统，现已被广泛应用于采矿工程、水下管 沟开挖、各种水下清淤清理、石油及危险性液体输送等领域，特别是适合地下难 采矿层的水力钻孔开采b h m ( b o r e h o l eh y d r a u l i c j e tm i n i n g ) 和大洋锰结核的开采 提升的实际应用【6 】。钻孔水力开采b h m ( b o r e h o l eh y d r a u l i cj e tm i n i n g ) 的工艺特 点就是利用传统钻机在矿区钻出直径为1 0 0 - - 一1 0 0 0 毫米的井孔，用放入孔内的高 压水射流装置破碎矿层，并在破碎的空间峒室内形成水矿混合物( 矿浆) ， 再由气力提升器将矿浆输送至地表。该工艺具有成本低、周期短、使用可靠、易 于操作、劳动强度低和环境污染小等优点。 影响气力提升在工业t 应用的关键问题是提升浓度、提升效率等【7 吲，目前国 内外对气力提升的工作机理和提升装置效率进行了深入的广泛研究，而对影响整 2 l 绪论 个提升系统效率的因素及如何进一步增大水射流的破碎效率从而提高落矿率的研 究较少。论文根据气力提升在滨海砂矿开采( 1 2 米) 和地下锰铁矿钻孔水力开采 ( 1 5 0 米) 的试验，发现以下重要现象：1 ) 脉冲射流在淹没条件能获得良好冲蚀 性能，在促进水底固体颗粒的破碎、疏松、悬浮，明显改善水底土岩表面的径向 流场特性等方面都具有非常好的功能，可大大提高气力提升的工作性能；2 ) 压缩 空气供气量与固体颗粒提升浓度间并不是线性变化关系，存在一个最优变化范围； 3 ) 钻孔水力提升系统提升效率的大小由压缩机组、配气管网、输气管网、气力提 升装置四个子系统的效率组成。 本课题来自与“北京江南广德矿业公司”合作丌发湖南某矿区的科研项目，该矿 就属于典型的因水文地质复杂而迟迟得不到开发的呆矿，论文通过对气力提升系 统效率的影响因素和提高气力提升工作性能的影响因素进行深入地系统研究，找 出它们间的影响因素，寻求相关措施解决气力提升的低效率问题，为扩大气力提 升在我国工业生产中的应用范围，缩短我国与国外在深海采矿和钻孔水力采矿方 面上的差距做一些实际的工作。 1 2 国内外的研究现状与发展趋势 利用气力提升系统进行采矿的工艺流程中，包括了采矿( 对矿石的破碎、翻 滚) 和矿石提升两大工艺过程。并且学者们已经形成共识，气力提升系统的效率 主要受气力提升器的提升效率和破碎器破碎效率的影响【1 0 。1 2 1 。围绕如何提高气力 提升器的提升效率和破碎器的破碎效率，学者们进行了大量的研究工作。下面针 对这两大领域的研究现状和发展趋势分别作简要概述。 1 2 1 气力提升器方面的研究 国内对气力提升器方面的研究主要集中在气力提升器在采油方面的应用，对 气力提升器在固体颗粒的提升方面的研究较少。如窦宏恩综述了气体举液中柱塞 增气压的新技术，包括举升控制器、减压固定阀和成套柱塞举升技术等u 3 l ；钟海 全等从气力提升器能量角度建立了气体加速泵排水采气力提升升效率计算模型 4 j ；张俊杰等利用双温度曲线综合方法改进了传统气力提升器工艺设计【1 5 】，在 3 0 0 0 以上深井应用了气力提升器排水采气工艺；卓文彬等【l6 】计算分析了气力提升 器应用于举升石油时同气力提升器方式下油井内气液两相流流型分布规律，认为 沿油井高度的两相流流型均为环雾状流时，可以实现稳定的气水产量。同时，国 内学者也逐渐重视气力提升器在大洋采矿和钻孔水力开采中的应用。邹伟生等【1 7 l 综述了国外大洋锰结核深海丌采扬矿技术与关键设备的研究开发状况和我国扬矿 技术研究现状，认为矿浆泵水力提升和气力提升泵提升被证明是现实可行的扬矿 方法；赵国景、夏建新等【l8 】研究了在海洋采矿系统中，提升管道处在复杂的海洋 重庆人学博士学位论文 气候条件下，管内流体中颗粒受力情况分析，建立了其数学模型 道压力损失增加的机理：张荣军、孙卫等i i9 j 利用阻力系数法研究 气液两相流压力计算；王卫阳等1 2 0 】在流动机理研究的基础上，借助 法建立了计算垂直气液段塞流压力梯度的方法；李炜【2 l j 从多相流 力提升满足临界提升的条件，并得到了气力提升最佳工作条件的 京，方湄等【2 2 】综述了大洋锰结核开采巨大潜力及研究进展与现状； 等【2 3 1 分析了钻孔水力采煤的工作流程、施工工艺及该方法的应用 了钻孔水力采煤系统中射流泵水力提升、气力提升和水射流破碎等关键技术，认 为气力提升与水射流破碎相结合能充分提高水射流的开采半径和破煤能力。汤勃、 徐立伟等瞄】在气液两相流基础上，依据稳定一维均流流动的基本方程推导出了三 相流管道输送分相流模型的压降计算式；夏建新等【2 5 】对锰结核在垂直管路输送过 程中的压力损失进行试验分析，得到了总压力损失由载体摩阻损失、颗粒位能损 失以及颗粒碰撞引起的附加压力损失三部分组成的结论。但在气力提升应用方面， 我国仍处在在尝试阶段。 国外对气力提升提升固体颗粒的理论和应用研究较多，主要通过数值模拟和 实验等方法研究气力提升器内液固两相流和提升管内三相流的稳态和瞬态流动特 性，以及气力提升系统主要结构参数和流动参数对效率的影响规律，重点包括气 力提升器输送管内气液固三相流动特征的理论与实验研究、气力提升提升固体颗 粒效率的影响参数研究、气力提升系统性能分析与设计理论等。如h i t o s h if u j i m o t o 等【2 6 讲1 试验研究了小型气力提升系统的运行特性；p o u g a t c h 等【2 8 】建立深海( 1 6 0 0 米) 气力提升提升输送矿物管内三相流模型，数值模拟研究了管径和固体浓度对 提升效率的影响规律；k l j e n a k 等【2 9 】发表了系列文章，实验研究了气力提升输浆管 内影响固体颗粒运动的主要参数，建立了气力提升三相混合流的基本方程，理论 与实验研究了气力提升速度、松弛速度、固体质量流量等对固体颗粒提升作用的 影响；k a s s a b 等【3 0 】建立了气力提升两相流工作状态下抽吸量和效率与空气量、浸 没率和提升管长度间的预测模型；b oj i n 等【3 l j 实验研究了气力提升管内气液固三 相流动特征。 前苏联及俄罗斯在钻孔水力开采方面进行了大量的工业实验并取得了显著的 成绩。前苏联自1 9 7 5 - - 一，1 9 8 2 年和1 9 8 0 , - - , 1 9 8 2 年分别在金吉谢磷矿床和西伯利亚 的萨莫特洛尔砂矿床( 建筑用) 进行钻孔水力采矿方法的工艺和设备试验取得初步 成功后，1 9 8 8 - - 1 9 9 4 年，俄罗斯矿产委员会下属组织又在各地埋藏的钛锆、铁、 海兰柱石、褐煤、砂金、建筑砂等一系列矿种进行了地面钻孔水采试验，个别矿 种还进行了工业试验。1 9 8 8 年以来，在别尔哥罗德州库尔斯克磁力异常区大特罗 伊茨科铁矿床沙姆那耶夫矿，对深孔水力采矿方法进行了大规模试验( 包括方法试 4 1 绪论 验、工业试验等) 。仅验收试验期问，就采出1 6 6 6 6 8 t 矿石，水采钻孔的深度达 8 0 0 m 1 3 2 】。1 9 8 7 - - 一1 9 8 8 年，在托木斯克州的图甘钛锆矿床，1 9 9 1 年在鄂木斯克州的 塔尔钛锆矿床，进行了钻孔水采工艺试样的试验。在此基础上，1 9 9 3 年又在塔尔 钛锆矿床的列沃别列n 地段进行了钻孔水力采矿方法试验和工业试验。1 9 9 5 年， 拟在奥伦馕，1 1 1 j 7 克尔曼诺夫锰矿建立钻孔水力采矿场，进行氧化锰矿的水力开采， 以供应俄罗斯紧缺的锰矿石。近年，正在阿尔汉格尔斯克州丌始进行钻孔水采含 会刚石的金伯利岩筒试验，并拟在雅库特一萨哈以及其他新的含金刚石地区着手 钻孔水力采矿场的建设。提出了不同型式的下部管头，有带环形矿浆输送通道的 “气力提升”式、“盱j 鼠”式、“田鼠一气动脉冲”式、“鱼雷”式、“水枪”式、“水枪一气 动脉冲”式，带中心矿样输送通道的“矿浆泵”式( 图1 1 ) 。 d e 图1 1钻孔水力开采丁具下部管头犁式 f i g 1 1t h eh e a dt y p eo f b o r e h o l eh y d r a u l i cm i n i n gt o o l a “气力提升”式b “田鼠”式c “田鼠气动脉冲”式d “鱼雷”式 e “鱼雷气动脉冲”式“水枪”式g “水枪气动脉冲”式h 矿浆泵”式 1 气、气液混合物2 水、气液混合物3 气4 矿浆5 气力提升器的混合器6 球阀 1 9 8 9 年钻孔水力开采的平均生产率为2 1 5 t h ，1 9 9 0 年为5 9 t h 。至1 9 9 4 年， 在沙姆拉耶夫矿区已丌采了8 万多吨富铁矿石，并取得很好的经济效益f 3 2 1 。1 9 9 4 年7 月，月开采8 0 0 0 , - - 一9 0 0 0 t 铁精矿石的价格为4 美元t ，大大低于库尔斯克磁力 异常区和俄罗斯任何矿区现有露天和矿井开采精矿的价格。沙姆拉耶夫矿区1 9 9 4 年的技术经济指标超过库尔斯克磁力异常区矿山公司古布金矿井指标及亚科夫列 重庆人学博士学位论文 夫矿山技术经济论证指标。近年内在沙姆拉耶夫铁矿区扩大钻孔水力采矿试验后， 可建成生产能力为3 0 万吨的钻孔水采矿山。成为俄罗斯在1 9 9 5 2 0 0 5 年重点推广 的采矿新技术。俄罗斯在钻孔水力开采中所取得的辉煌成绩，从一个侧面证实了 钻孔水力开采做为一种新犁的采矿工艺具有巨大的发展潜力。 1 2 2 岩石破碎器方面的研究 因为水下矿石多数以板结状、块状形式存在，少量以泥沙状形式存在，那么 要实现对板结状、块状形式矿石的提升，就使得对水下矿石的破碎以及实现破碎 后矿石的翻滚在气力提升中变得至关重要，否则将会造成气力提升器无法抽吸矿 石，这一现象己为我们在重庆钢铁厂沉渣池铁渣的气力提升实验所验证。依据矿 石岩层的不同硬度，经常主要采用水下爆破、电液压破碎和射流破碎三种方式。 水下爆破技术在水底矿石破碎中的应用 利用射流水下破岩只适用于岩石的硬度不太高的情况，当岩石的硬度较高时， 只能采用其它的破岩方式，水下爆破技术就是其中一种。水下爆破最显著的特点 就是水下爆破的装药和被爆物都处于水的包围中，由于水的浮力会影响装药的设 置，水的渗透作用、水的压力和水的溶解、钝化作用等会影响爆破器材的爆炸性 能，使得对爆破器材的防水性和抗压性较陆地爆破有更高的要求【3 孓。训。为了在正 确位置实施所需要求爆破，需要较高的技术要求，风险较大。同时该方法虽能实 现水下矿石的破碎，但破碎后矿石大小不均，因受提升管管径的限制有些大块径 的矿石无法实现提升造成了极大浪费，且极易造成提升管的堵塞，降低了提升效 率