Результаты аналитических и экспериментальных исслеповании процессов формирования струи и разрушения угля скважинными агрегатами

В.В.Мельник, с.н.с., к.т.н.

А.Ю.Малышев, инженер

Московский государственный горный университет

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУИ И РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ СКВАЖИННЫМИ АГРЕГАТАМИ

Гидравлическое разрушение угля является одним из основных процессов при скважинной гидродобыче (СГД), а параметры этого процесса для конкретных горногеологических условий, предопределяют не только эффективность способа, но и его техническую возможность реализации вообще.

Практическое использование полученных ранее различными исследователями теоретических и экспериментальных исследований гидравлического разрушения угля затруднено из-за большого количества принимаемых констант для конкретных условий эксперимента.

Вместе с тем, основные научные предпосылки струеформирования и методики расчета параметров гидромониторных струй предлагаемые учеными, например, ИГД им. А.А.Скочинского находятся в некотором противоречии с опытнотеоретической моделью струйного течения в классической гидроаэродинамике, что вызывает необходимость выдвижения гипотезы о существовании общей структурной аналогии закона распространения струйного потока в свободных внешних границах.

Кроме того, коэффициент структуры гидромониторной струи не может адекватно представлять величину сопротивления канала ствола, т.к. физически представлен разностью коэффициентов формы насадки и турбулентности потока. Длина начального участка струи в свою очередь является критерием ее компактности, но только для тра-

диционных средств и способов струеформирования пластинчатыми успокоителями, которые подготавливают рабочий поток в стволе и только косвенно влияют на процесс струеформирования и его управления.

Проанализировав общую структурную формулу изменения осевых и средних скоростей по длине для всех видов распространения струй заключаем, что коэффициент турбулентной структуры (а) аналитически представляет собой следующую зависимость

а = ^ + Г(Яе),

1 (1) где: ' вязкостное сопротивление

струи являющееся постоянным для конкретной насадки и диаметра ствола;

ДЯе) - турбулентное сопротивление, определяемое через динамический параметр ДЯе).

Следовательно, коэффициент структуры гидромониторной струи представляет собой суммарный (или обобщенный) коэффициент сопротивления и по физическому смыслу не может быть разностью коэффициентов, характеризующих конструктивные и динамические параметры канала ствола и насадки, как единого аппарата для формирования струи гидромонитора.

Как уже отмечалось, исследованию средне- и высоконапорных струй посвящено множество опытных работ. Однако, как показывает анализ, практически во всех исследованиях разрушающее действие струи

оценивается качеством струи, которое характеризуется длиной начального участка и максимальным значением осевого динамического давления струи. Но на практике эту величину не всегда можно определить. Так, при начальном расстоянии от насадки до приборного щита 4,0 м и применении насадок диаметром от 0,015 до 0,026 м нельзя угверждать, что усредненное давление, замеренное с помощью трубки Пито, является истинным (мгновенным), так как струя воздействует на приборный щит не сплошной массой, а отдельными объемами, которые распределены по длине и сечению струи в каждое мгновение хаотически.

Исходя из этого, в наших исследованиях оценка эффективности гидравлического разрушения проводилась по объему, глубине и начальному диаметру воронок при гидроразрушении песчано-цементных, угле-песчано-цементных образцов и свинцовых пластин на специально сконструированном для этих целей стенде.

Основной целью экспериментальных исследований являлось изучение особенностей процессов формирования струй и закономерностей гидравлического разрушения с использованием внешнего струеформирования и возможность комбинированного воздействия на угольный массив при скважинной гидродобыче.

Исходя из поставленной цели задачи исследования включали:

• определение оптимальных параметров струеформирующих устройств скважинного гидромониторного агрегата с внешним струе-формированием;

• установление оптимальной расходной и эжектирующей способности насадки агрегата с воздушной соосной с потоком трубкой;

• определение влияния на производительность гидравлического разрушения особенностей скважинного агрегата с внешним струеформи-

рованием и возможностью управления качеством струи;

• обоснование возможности и эффективности применения встроенной воздушной трубки для ввода химических и механических веществ непосредственно в область начального участка струи.

Для уточнения опытных данных по применению успокоителей, а также исследования процесса гидравлического разрушения скважинным гидромониторным агрегатом с внешним струеформированием был разработан экспериментальный секционный ствол. Конструкция ствола позволяла изменять параметры эжектирующего устройства и насадки, а также взаимное расположение воздушной трубки в канале ствола гидромонитора.

Для одного соотношения диаметра эжектирующей трубки (с1э) и диаметра насадки (с10) переменными фиксируемыми параметрами являлись: рабочее давление воды (изменялось от 0,2 до 7,1 МПа); положение воздушной трубки в стволе и насадке (продольное перемещение составляло 0,470 м); соотношение диаметров трубки и насадки гидромонитора (от 0,38 до 0,43); состав эжектируемых веществ (воздух, песок, шлак, гранулы полипропилена, жидкость повышенной плотности, раствор полиакриламида); внешний и внутренний диаметр образованной воронки; глубина и объем воронки; наружный диаметр воронки прогиба для свинцовых пластин и объем воронки прогиба; время действия струи на образец.

Экспериментально установив начальные параметры воронок разрушения и прогиба, изменяли соотношение диаметра воздушной трубки и насадки и исследования повторялись. Во время опытных работ было исследовано 15 типоразмеров воздушной трубки и насадки и 234 образца.

Рассмотрим некоторые результаты стендовых исследований процесса разрушения скважинными агрегатами.

Образование воронок в угле-песчано-цементных образцах происходит достаточно интенсивно в начальный период, а затем производительность воронкообразования снижается вследствие образования водяной демпфирующей подушки. Причем скважинный агрегат с воздушной трубкой образует воронку значительно интенсивней, чем скважинный гидромонитор с обычным сотовым успокоителем. В конечном итоге (после работы струи около 300 с) глубина воронки оказалась на 20-22% меньше у гидромонитора с традиционным успокоителем, чем с исследуемым.

Радиус воронки, образованной гидромонитором с эжектирующей трубкой также почти в 12 раз оказался меньше, как для эквивалентной насадки диаметром 0,0194 м. так и 0.0152 м.

Эжектирующая способность насадки резко возрастает при входе трубки в цилиндрическую часть насадки, а затем стабилизируется и остается приблизительно стабильной как при всасывании песка (рт = 2650 кг/м3), так и шлака (рт = 1080 кг/м3). Производительность по эжектированию составляет около 6,1 л/мин для песка и 10,4 л/мин для шлака.

Процесс разрушения угле-песчано-цементных образцов оказался значительно интенсивней при эжектировании песка в струю. Глубина воронки разрушения при этом в первые 60 с в 1.5-1,6 раза превышала воронку, образованную скважинным гидромонитором при эжектировании только воздуха.

Подача в эжектирующую трубку жидких реагентов (вода с примесью бария, то-сол, раствор полиакриламида) с различным удельным весом, как показали опыты, имеет

также свои специфические особенности. Добавки в начальный участок струи посредством эжекции через трубку любого жидкого реагента приводило к достаточно интенсивному ее разрушению при условии, если реагент подавался по всему поперечному сечению воздушной трубки.

Проведенные исследования показали, что для формирования компактных струй при одновременном вводе в струю химических и механических веществ необходимо:

• подачу воздуха осуществлять только тем давлением и расходом, который создает непосредственно гидромониторная сгруя в воздушной трубке, расположенной по ее оси при том или ином начальном масштабе возмущений:

• подачу твердых абразивных веществ необходимо проводить в сыпучем состоянии, причем крупность твердого ограничивает только эжектирующая способность струи по твердому;

• подачу воды с добавками тяжелых веществ, а также подачу любых химических реагентов (в том числе и поверхностно-активных веществ) проводить неполным сечением воздушной трубки (не более 0,7 Атр).

Полученные результаты аналитических и экспериментальных исследований процессов формирования струй и гидравлического разрушения учтены при разработке требований и рекомендаций к параметрам технологии СГД угля для условий Прокопь-евско-Киселевского месторождения Кузбасса.

©В.В.Мельник, А.Ю.Малышев