实现井下低压气体掺混的两相射流掺混装置及掺混方法与流程

1.本发明涉及煤层增透技术领域，尤其涉及一种实现井下低压气体掺混的两相射流掺混装置及掺混方法。


背景技术：

2.水射流增透技术经过多年的发展，在煤层卸压增透、强化瓦斯抽采中取得了显著的效果，被各大矿区广泛应用。但水射流增透技术有其相应的缺陷如用水量大，设备压力高，而且会出现“水锁效应”。为了增强射流的总体冲击效果，提高水力破岩效率，20世纪后期相继出现了以脉冲射流、空化射流和磨料射流等为代表的高效射流。林柏泉团队在前人研究的基础上，提出了以定量气相掺混形成高压气液两相射流增透的方式，并开展了初步的实验研究。但实验中发现常规的掺混器存在掺混气体的门限压力不稳定，气压过高，难以应用到井下特殊环境中。
3.目前，气液两相射流作为一种新的增透技术，相应的装置不够成熟，在井下实现应用受到一定的限制。高压气液两相射流的原理是通过人工加入高压气体与高压水掺混形成高压气液两相射流，自喷嘴喷出后作用于煤体实现煤层增透的效果。在此过程中，高压水可通过井下泵站系统提供，而井下的高压气体则难以获得，电动泵难以获得井下安标，气动泵的加压能力有限，且井下的高压容器属于危险源，难以获得矿方批准，这大大限制了气液两相射流的应用与发展。
4.因此本专利提出一种实现井下低压气体掺混的两相射流掺混装置与掺混方法，以解决上述存在的问题，让高压气液两相射流得以发挥增透煤层的作用。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.本发明的目的在于提出一种实现井下低压气体掺混的两相射流掺混装置与掺混方法，旨在解决常规的掺混器存在掺混气体的门限压力不稳定，气压过高，难以应用到井下特殊环境中的问题。
7.本技术的第一方面实施例提出一种实现低压气体掺混的两相射流掺混装置，包括依次连通的输水泵站、高压水管路、文丘里型管路和气液两相出水管路，文丘里型管路的喉管段处设有若干个进气口，进气口连通压风管路，压风管路包括相互连通的一个进气总管和若干个进气分管，进气分管连接于进气总管和喉管段之间，每个进气口连接一个进气分管，每个进气分管均设有电磁阀。
8.在一些实施例中，所述文丘里型管路包括依次连通的收缩段、喉管段和扩张段，收缩段连通高压水管路，扩张段连通气液两相出水管路。
9.在一些实施例中，所述气液两相出水管路上设有压力传感器和含气率测定仪。
10.在一些实施例中，所述文丘里型管路包括若干段相互串联的文丘里型管路单元，相邻两个文丘里型管路单元之间密封连通，每个文丘里型管路单元的喉管段均设有进气
口，每个进气口均连通压风管路。
11.在一些实施例中，每个文丘里型管路的进气口呈环形分布，进气总管位于进气分管的中心位置。
12.在一些实施例中，喉管段的管径与文丘里型管路的最大管径之比为0.1～0.5，喉管段的管径与管长之比为1:0.5～5，收缩段的入口角度大于扩张段的出口角度。
13.在一些实施例中，相邻两个文丘里型管路单元之间通过螺纹可拆卸连接，在连接处设有密封垫。
14.在一些实施例中，所述文丘里型管路采用不锈钢材质。
15.本技术的第二方面实施例提出一种实现低压气体掺混的两相射流掺混方法，利用上述的实现井下低压气体掺混的两相射流掺混装置，包括如下步骤：
16.s1，检查压风管路与高压水管路的可靠性，并将上述的两相射流掺混装置连接在管路中，关闭压风管路的电磁阀，使压风管路呈关闭状态；
17.s2，开启输水泵站，调节压力与流量，待达到所需压力时，开启合适数量的压风管路的电磁阀向文丘里型管路中通入气体；
18.s3，观察气液两相出水管路的压力传感器数据与含气率测定仪数据，判断两相流的掺混效果与打击效果，若达不到要求则改变电磁阀开启的数量或者串联多个文丘里型管路进行多级掺混；
19.s4，实验完毕后依次关闭电磁阀和输水泵站，打开连接气液两相出水管路的排水阀门，将管路内的残余水排放，待下一次使用。
20.本技术的第三方面实施例提出一种上述实现低压气体掺混的两相射流掺混装置在井下射流增透的应用。
21.本发明的有益效果为：
22.(1)本发明可以实现在不借助高压气泵站、高压气罐的基础上在井下应用高压气液两相射流技术，大大降低了井下的能耗与高压气体的危险性。
23.(2)通过设计不同收缩比的文丘里型掺混器可以实现多种掺混门限压力，进而得到井下现场所需的射流参数。
24.(3)通过电磁阀开关的数量，可以控制进气量的多少，进而得到不同含气率的气液两相流，为不同现场的条件提供选择。
25.(4)通过气液两相射流监测系统，可对两相流的掺混压力与状态进行实时监测，以便根据现场情况进行调整。
26.(5)本发明提出的两相射流掺混装置，结构简单，安装方便，不仅可以显著降低气体的掺混压力，减少能耗，同时可以实现井下高压气液两相射流的现场应用，这对于煤层增透具有巨大的应用前景。
27.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
28.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，
29.其中：
30.图1为本技术实施例中的实现井下低压气体掺混的两相射流掺混装置的结构示意图；
31.图2为单个压风管路中若干个进气分管的分布图；
32.图3为控制电磁阀的加气控制面板的示意图；
33.附图标记：
34.1-输水泵站；2-高压水管路；3-文丘里型管路；31-收缩段；32-喉管段；33-扩张段；4-进气总管；5-进气分管；6-电磁阀；7-压力传感器；8-气液两相出水管路；9-含气率测定仪；10-开关；11-工作按钮；12-急停按钮。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.下面参考附图描述本发明实施例的实现井下低压气体掺混的两相射流掺混装置及掺混方法。
37.如图1-3所示，本技术的第一方面实施例提出一种实现井下低压气体掺混的两相射流掺混装置，包括依次连通的输水泵站1(本实施例中即为井下水泵站)、高压水管路2、文丘里型管路3和气液两相出水管路8，文丘里型管路3包括依次连通的收缩段31、喉管段32和扩张段33，收缩段31连通高压水管路2，扩张段33连通气液两相出水管路8。气液两相出水管路8上设有压力传感器7和含气率测定仪9。
38.压力传感器用以监测掺混后两相流的压力数据。含气率测定仪用以测定掺混后两相流的含气率以及掺混效果，以便根据井下现场情况进行参数调整。
39.喉管段32处设有6个进气口，进气口连通压风管路，压风管路包括相互连通的一个进气总管4和6个进气分管5，进气分管5连接于进气总管4和喉管段32之间，每个进气口对应连接一个进气分管5，每个进气分管5均设有电磁阀6。电磁阀6通过加气控制面板连接并控制，如图3所示，加气控制面板上设有开关10、工作按钮11和急停按钮12，开关10的数量对应电磁阀6的数量，每一个开关10对应相应的电磁阀6。
40.在一些实施例中，文丘里型管路3包括若干段相互串联的文丘里型管路单元，相互串联的方式可采用螺纹可拆卸连接，相邻两个文丘里型管路单元之间密封连通，密封方式优选采用平口橡胶垫密封，可耐压25mpa。每个文丘里型管路单元的喉管段32均设有进气口，每个进气口均连通压风管路。文丘里型管路单元可根据需要设置不同的数量。文丘里型管路单元可以选择不同尺寸进行组合，以实现理想的掺混效果。
41.在一些实施例中，每个文丘里型管路3的进气口呈环形分布，如图2所示，进气总管4位于进气分管5的中心位置的上端。使得通气时气压分布更加对称，均匀。
42.在一些实施例中，喉管段32的管径与文丘里型管路3的最大管径之比为0.1～0.5，喉管段32的管径与管长之比为1:0.5～5。
43.通过对比试验，将喉管段32的管径与文丘里型管路3的最大管径之比分别设为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5，随着喉管段32的管径与文丘里型管路3的最大管径之比的增大，空化区域先增大后减小。试验结果发现：喉管段32的管径与文丘里型管路3的最大管径之比为
0.3时效果最好，空化区域最大，空化程度最剧烈，提高压风管路的掺混效果。
44.通过对比试验，将喉管段32的管径与管长之比分别设为1：0.5、1：1.0、1：2.0、1：2.5和1：5.0，喉管段32的管径与管长之比增大，空化区域也逐渐增大。试验结果发现：当管径与管长之比为1：0.5时，空化区域最大，空化程度最为剧烈。
45.通过对比试验，将入口角度分别设为11.3
°
，15.0
°
，21.8
°
，38.7
°
和45.0
°
，出口角度设为6.5
°
进行模拟，随着入口角度α的增大，空化区域逐渐变小。试验结果发现：当入口角度α为11.3
°
时，空化区域最大，空化程度最为剧烈，适当减少入口角度效果较好。
46.通过对比试验，将出口角度β分别设为5.1
°
，5.7
°
，6.5
°
，7.6
°
和9.1
°
，随着出口角度的增加，空化区域逐渐变小。试验结果发现：当出口角度β为5.1
°
时，空化区域最大，空化程度比较剧烈，在满足空化发生的情况下，适当减小出口角度可以强化空化现象。入口角度与出口角度决定了收缩段31和扩张段33的长度。
47.优选的，收缩段31的入口角度大于扩张段33的出口角度，空化程度较为剧烈。
48.在一些实施例中，文丘里型管路3采用不锈钢材质。材质不限于不锈钢材质，只要保证耐压，防锈即可。
49.本技术的第二方面实施例提出一种实现井下低压气体掺混的两相射流掺混方法，利用上述的实现井下低压气体掺混的两相射流掺混装置，包括如下步骤：
50.s1，检查压风管路与高压水管路2的可靠性，并将上述的两相射流掺混装置连接在管路中，关闭压风管路的电磁阀6，使压风管路呈关闭状态；
51.s2，开启输水泵站1，调节压力与流量，待达到所需压力时，开启合适数量的压风管路的电磁阀6向文丘里型管路3中通入气体；
52.s3，观察气液两相出水管路8的压力传感器数据与含气率测定仪数据，判断两相流的掺混效果与打击效果，若达不到要求则改变电磁阀6开启的数量或者串联多个文丘里型管路进行多级掺混；
53.s4，实验完毕后依次关闭电磁阀6和输水泵站1，打开连接气液两相出水管路8的排水阀门，将管路内的残余水排放，准备下一工作面的射流增透，依次循环。
54.需要指出的是，文丘里型管路中低洼处的水可采用负压抽出或者通气排出，如若不影响使用也可短期存放在管道内不用处理。
55.本技术的第三方面实施例提出一种上述实现低压气体掺混的两相射流掺混装置在井下射流增透的应用。本技术也可用于其他领域。
56.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
57.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
58.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等
术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
59.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
60.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
61.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。