煤矿俯孔排水排渣射流泵优化设计及实验分析

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1、煤矿俯孔排水排渣射流泵优化设计及实验分析1绪论1.1研究意义钻孔抽采瓦斯是防治煤与瓦斯突出事故的最常用方法之一。目前，煤矿钻孔工艺主要有湿式和干式两种，干式风力排渣钻孔在钻进过程中产生的大量粉尘，影响矿井安全生产，损害井下工作人员身体健康。而且当采用风力排渣钻进到一定深度时，由于供压不足，常出现排渣不畅、卡钻等现象，影响钻进深度，从而影响瓦斯抽采效率。相对干式风力排渣钻孔，湿式钻孔采用水力排渣，能够迅速将产生的煤粉排出，造成的粉尘污染较小，并能在钻进过程中迅速冷却钻头，很好地克服了干式钻进的缺陷，得到越来越多的使用。但在采用水力排渣钻孔后，俯孔中一般会积

2、存大量的水和煤渣。水和煤渣填充在钻孔中，阻塞了煤层中瓦斯流动的孔隙裂隙通道，瓦斯抽采效果受到严重影响。另外，在煤质松软煤层中，钻孔中积水长时间浸泡孔壁煤体将会导致钻孔坍塌，进而导致出现瓦斯抽采空白带，使煤矿生产存在很大安全隐患。由于钻孔深、孔径小，目前无法找到有效的办法将孔中积存的水和渣排出。随着我国煤矿开采不断向深部延深，煤与瓦斯突出强度越来越大，瓦斯抽采孔的数量和钻进深度急剧增加。因此，如何有效地排出俯孔中积存的水和煤渣成为了高效抽采瓦斯、保证煤矿安全生产的一大难题。针对煤矿急需解决的深俯孔排水排渣关键问题，通过理论研究分析气体射流泵技术，提出直接利

3、用井下压风系统内压缩空气从喷嘴高速喷出而引起的负压场卷吸水、煤渣排出，进而达到排水排渣的思路。瓦斯抽采俯孔排水排渣射流泵的设计与实验研究，旨在排出水力钻俯孔后积存的水和煤渣，提高瓦斯抽采效率，消除瓦斯抽采时存在空白带的隐患，对矿井安全生产有着重要的意义。1.2国内外研究现状1.2.1瓦斯抽采俯孔排水排渣研究现状针对煤矿俯孔排水排渣问题，目前国内外研究还是空白。实际生产中矿井对俯孔中积存的水和煤渣一般不做处理，只有在封孔时仅对封孔段进行排水。在这个过程中通常采用风力排水，即在钻孔完成以后，将压缩空气经过钻杆内孔、钻头压入孔底，在孔内形成风流，将积水、煤渣吹

4、出，但效果很差，一般只能排出10m左右积水（煤矿瓦斯抽采俯孔深度普遍为50~80m），远远无法达到深孔排水排渣的目的。另外，压缩空气在排水过程中，将会对孔壁产生冲击作用，造成2二次扰动，容易造成垮孔。综上所述，目前在煤矿俯孔排水排渣问题上没有一个有效的解决办法。1.2.2气体射流泵研究现状气体射流泵是以气体为工作介质，来抽吸和压送气体、液体或散状固体的流体输送机械和混合反应器。最早对射流泵的研究可以追溯到19世纪60年代，德国学者G.Zeuner根据动量定理推出了射流泵的设计理论基础，1870年，他和M.Runkin进一步发展和完善了这个理论。但他们的理

5、论还不能解决实际计算和应用问题。到20世纪30年代，随着流体力学和空气动力学的发展，射流泵的研究和应用才有了进展。1930年B.H.冈恰罗夫指出只有详细研究射流泵里所发生的流体流动力学现象，才有建立射流泵理论的较大可能性。J.K.Keenan和E.P.Neumann从四十年代开始以空气为工质，对一维扩压室的简单射流泵系统与预先分析的特性相比较。J.K.Keenan和E.P.Neumann在1942年发表的文章中介绍了工质喷嘴出口位于等截面区的等面积混合模型分析研究结果，主要结论有：a.认为等面积混合比等压混合的喷射系数大；b.当截面段与喷嘴喉部的面积小于

6、10时，两种混合方式的效果接近；c.由实验结果与理论计算的比较，实际喷嘴出口位于等截面段入口处外侧约半个等截面段直径时，喷射系数最大；d.喷射系数随面积比的增加而增加，随膨胀比的增加而降低。J.K.Keenan和E.P.Neumann在1950年的文献中对射流泵等压混合理论模型进行了深入研究，在空气动力学的基础上结合质量、动量、能量守恒定律首先建立了空气的一维等面积混合流动模型。提出了等压混合的假设，即工作流体和引射流体在从喷嘴出口到等截面段前的吸入室的某处、在某个确定压力下开始混合，混合流到达等截面段出口时已经完全混合，并通过实验验证了该模型与实际工况

7、比较接近。以等压混合的假设为基础的这个一维模型理论成为许多研究射流泵的一个主要依据。但其没有考虑引射流体的临界状况，即引射流体达到声速的实际情况，与实际偏差较大。L.S.Harris和A.S.Fischer于1954年，unday和Bagster于1977年提出射流泵设计的新方法。其机理也是等压混合，但考虑了激波的生成。该理论假设两股气流在扩散器的渐缩段保持各自的状态。假设引射流体在收缩管段某处达到声速。在接近混合室收缩段末端生成热动力激波和混合，生成一瞬时的超音速混合流。2煤矿俯孔排水排渣射流泵的理论研2.1工作原理及结构组成排水排渣射流泵排水排渣方法

8、是基于气体射流泵的工作原理，利用井下压缩空气的紊动扩散作用，将俯孔中积存的水和煤