投礫罐的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及應(yīng)用

上海自動(dòng)化儀表在地浸鉆孔成井工藝中，投礫設(shè)備主要有投礫泵與各類自制投礫裝置。傳統(tǒng)投礫方法在使用過程中存在功耗大，時(shí)間長(zhǎng)，投礫效率低，投礫過程中易堵管，礫料填充不均勻，嚴(yán)重影響了投礫質(zhì)量。文章從全新視角設(shè)計(jì)了一種新式的投礫裝置———投礫罐，投礫罐是一種基于水射流原理的投礫裝置，該裝置依靠水射流的作用力將礫料沖擊輸送到地浸孔中，可以有效提高投礫的工作效率和成井質(zhì)量。

引言

地浸鉆孔采鈾工藝是一項(xiàng)在世界上十分先進(jìn)的采礦技術(shù)，其中成井工藝中的投礫環(huán)節(jié)是直接影響成井質(zhì)量的關(guān)鍵因素，目前是使用投礫裝置將礫料和水的混合物通過投礫管添加至采鈾UPVC套管與孔壁之間，礫料從孔底灌注直至沒過過濾器，之后灌注水泥固井。投礫質(zhì)量直接影響含礦水層與地表間的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，直接影響鉆孔涌水量大小。

在成井工藝中，投礫前的清水沖孔工藝環(huán)節(jié)會(huì)將礦層部位的護(hù)壁泥皮清除，使孔壁失去保護(hù)，投礫過程中的清水沖洗更加加劇了對(duì)孔壁的影響，此刻投礫的速度將直接影響成孔質(zhì)量，投礫速度越快孔壁影響將越小，成井質(zhì)量將越高，另外礫料在攜帶水流中的均勻性也會(huì)影響礫料在孔底的沉淀堆積，水流攜帶越均勻，孔底沉淀堆積的越均勻致密，越會(huì)減少架橋空洞的形成可能性。在投礫將至設(shè)計(jì)位置時(shí)礫料面的均勻平整也會(huì)嚴(yán)重影響礫料上部對(duì)水泥漿的阻隔封閉，此刻如果出現(xiàn)礫料松散不平整的現(xiàn)象，就會(huì)造成水泥漿進(jìn)入粗礫層甚至進(jìn)入過濾管內(nèi)，繼而會(huì)造成成井報(bào)廢。本文研發(fā)并改良的投礫罐，采用水射流原理，相比較其他投礫設(shè)備具有低費(fèi)用、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，在有些地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用。

1、投礫罐的設(shè)計(jì)以及工作原理

投礫罐，其本身為壓力密閉容器，配有壓力表以及安全閥，罐壓力表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)投礫過程中投礫管內(nèi)壓力，安全閥起到保護(hù)作用，防止管內(nèi)壓力超差發(fā)生危險(xiǎn)。罐內(nèi)的礫料與清水混合后依靠重力的作用滑入罐底管道內(nèi)，管道主要依靠水射流的作用力將礫料清水混合物沖擊至投礫管中，直至孔底。投礫罐工作原理，先關(guān)閉控制球閥，從礫料進(jìn)口法蘭向罐內(nèi)加入所需體積的礫料，封閉法蘭后打開水泵，先打開右邊控制球閥，當(dāng)罐壓力表與水泵的壓力表相近后打開球閥左邊，礫料便被清水泵入孔底?？赏ㄟ^罐壓力表的指示值與投礫罐送礫料的流動(dòng)聲音判斷投礫是否正常。如若不正常，提升投礫管后繼續(xù)投礫，直至達(dá)到投礫高度。

2投礫罐噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

2.1引射器噴嘴結(jié)構(gòu)

常見的傳統(tǒng)投礫裝置一般使用的是引射器結(jié)構(gòu)，引射器一般由噴嘴、引射入口、吸入室、混合室與擴(kuò)散室組成，此設(shè)計(jì)將礫料口置于噴嘴后方，在使用中存在如下幾點(diǎn)問題：

（1）由于噴嘴抽吸效果不好，礫料向孔底注入的流速較低；

（2）投礫過程中混合室過于狹窄，易出現(xiàn)礫料卡堵現(xiàn)象。

2.2噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)

基于引射器結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，我們將噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使用一束從小口徑孔中射出的高速水射流作用在材料上，可使用其所具有的足夠能量，稱之為水射流。水射流是由噴嘴流出形成的不同形狀的高速水流束，射流的流速取決于噴嘴出口截面前后的壓力降。水射流是能量轉(zhuǎn)變與應(yīng)用的非常簡(jiǎn)單的一種形式。通常，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)泵通過對(duì)水完成一個(gè)吸、排過程，將一定量的水泵送到高壓管路，使其以一定能量到達(dá)噴嘴。而噴嘴的孔徑要求比高壓管路直徑小得多，因此到達(dá)噴嘴的這一一定量的水要想流出噴嘴孔，必須加速。這樣，經(jīng)過噴嘴孔加速凝聚的水就形成了射流。噴出的射流打擊在靶件表面上就稱為射流作業(yè)。射流一旦離開噴嘴，它的凝聚段不會(huì)太長(zhǎng)。對(duì)此，射流的速度尤為重要。水經(jīng)過泵送獲得了壓力，壓力首先驅(qū)動(dòng)水從泵至噴嘴，又使其以給定的速度通過噴嘴。利用水射流可以獲得足夠的動(dòng)能，將礫料入口置于噴嘴后端，取消狹小的混合室，效避免了礫料卡堵的現(xiàn)象。

3投礫罐基于水射流參數(shù)的數(shù)學(xué)模型

水射流是一種自由狀態(tài)的射流，其流動(dòng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，可以按照不同的流動(dòng)特性將水射流劃分為幾個(gè)區(qū)從噴嘴出口開始向內(nèi)外擴(kuò)展的摻混區(qū)稱為剪切層；其中心未受摻混影響，仍然保持初始速度的區(qū)域稱為勢(shì)流核。沿射流方向從噴嘴出口至勢(shì)流核末端為初始段；初始段下游絕大部分為充分發(fā)展的紊動(dòng)摻混區(qū)，稱為主體段；在初始段和主體段之間存在很短的過渡段。

在投礫罐工作的條件下，水泵提供的水勢(shì)為連續(xù)射流，勢(shì)流核為等速核，其形狀為楔形，流線為一平行直線，速度一致、能量在四部分中也非常大也非常集中，隨著水射流長(zhǎng)度的增加，由于空氣阻力及高壓水射流內(nèi)部湍流的作用，水射流速度將隨之逐漸減弱。我們考慮在水流減速之前，沖擊礫石，獲得動(dòng)能。

4投礫罐在地浸孔中的應(yīng)用

4.1應(yīng)用效果

（1）節(jié)約電能：在實(shí)際使用過程中，投礫罐只需配合NBB250/60泥漿泵使用，泥漿泵的功率為25kW/h，而投礫泵在使用過程中，需額外供電，其功率為50kW/h，可見投礫罐相比投礫泵可有效節(jié)約電能67%。

（2）效率提升：根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，使用投礫泵投擲1m3左右的礫石大致需要5-6小時(shí)，而使用投礫罐只需3小時(shí)左右，且投礫過程中只需一次性將礫料裝填足夠即可完成投礫，有效的降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，其工作效率提高40%以上。

（3）堵管減少：在地浸孔現(xiàn)場(chǎng)使用過程中，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，使用投礫泵投礫的鉆機(jī)，平均每投礫十個(gè)孔就會(huì)有4-6個(gè)孔在投礫過程中出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。而使用改良過噴嘴結(jié)構(gòu)投礫罐的鉆機(jī)，則發(fā)現(xiàn)堵管現(xiàn)象有明顯改善，平均每投礫十個(gè)孔，非常多會(huì)出現(xiàn)一次堵管現(xiàn)象，堵管率有顯著減少。

（4）技術(shù)水平要求：投礫泵在使用過程中，對(duì)操作工人的技術(shù)水平要求較高，井下投礫的均勻度完全取決于操作工人的技術(shù)水平，且勞動(dòng)強(qiáng)度大。而改良型投礫罐只需一次性將礫料添加入投礫罐中，對(duì)操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，技術(shù)要求降低。

4.2使用方法

步驟1，如圖2，將投礫管安裝至過濾器下端1m的位置，并按設(shè)計(jì)投礫量向投礫罐中加入礫料。

步驟2，關(guān)閉控制球閥1、控制球閥2、排氣球閥，讓泥漿泵工作，觀測(cè)泥漿泵出水壓力表和管內(nèi)壓力表，直至壓力表數(shù)值近似，偏差不小于0.1MPa。

步驟3，打開控制球閥2，觀察投礫罐壓力表，其與泥漿泵出水壓力差不超過0.2Mpa。

步驟4，打開控制球閥1，監(jiān)聽礫料在高壓管內(nèi)的輸送情況，投礫進(jìn)行時(shí)，當(dāng)投礫罐壓力表瞬間升高或礫料不流動(dòng)時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉控制球閥1，順勢(shì)關(guān)閉控制球閥2，將投礫管提高2-3m。

5結(jié)束語(yǔ)

投礫罐在實(shí)際使用過程中具有更節(jié)能、更高效、更便捷、更安全的特點(diǎn)，本文將基于引射器原理的投礫裝置進(jìn)行了優(yōu)化分析研究。結(jié)果表明，水射流由于較小的噴嘴直徑能夠提高水射流的噴射速度，增強(qiáng)其對(duì)周圍流體的卷吸能力，因此較小的噴嘴直徑有利于提升引射器性能，但較小直徑噴嘴會(huì)導(dǎo)致引射流入口壓力大幅增加，為與現(xiàn)場(chǎng)用NBB250/60型泥漿泵壓力匹配，投礫1立方礫料大約需要3小時(shí)，投礫罐只需一次裝填礫料便可快捷的完成投礫工作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，上海自動(dòng)化儀表又提高了成井質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)表明，采用優(yōu)化后的投礫裝置較原有引射器的投礫裝置，可以有效解決了卡礫這一主要問題，投礫效率和質(zhì)量均有大幅提高。