CN113884658B - 研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置及方法，包括：工作台开设有倒锥形槽，工作台上方设有刀座，刀座与工作台之间通过亚克力板形成封闭空间，刀座与工作台转动连接，倒锥形槽表面铺设有岩层，刀座上设有多个滚刀，滚刀底端与岩层接触，滚刀刀座固定连接，还包括多根进气管和主排渣管，进气管穿过刀座延伸至滚刀的上方，进气管一端连接有气源，主排渣管与刀座转动连接且设在倒锥形槽的正中间，主排渣管由多层套管组合而成，主排渣管的截面为八边形；通过进气管和排渣管的压力差引起气流，从而携带岩渣，装置各机构可涉及到岩屑块度与级配，气体流量与流速，滚刀布置与转速等多方面因素的调节。

Description

研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置及方法

技术领域

本发明属于采矿技术领域，具体涉及研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置及方法。

背景技术

深地资源开采、国防与交通建设等都会涉及到竖井的钻进，深地硬岩竖向钻井的高效排渣是资源开采与建设的前提基础。随着机械化、智能化施工的推进，急需推广更加高效的排渣方式，气体洗井的优势突出，一般可提高钻井速度2-10倍，但相应参数的选择缺乏研究基础和理论依据。为此，急需开发设计一套有针对性的试验装置，实现上述多因素对气体携渣效率影响规律的模拟研究。

气体洗井实际是以气体代替水或泥浆来冲洗钻孔的孔底，冷却钻头，并将滚刀破碎下来的碎岩屑携带出去。由于气体的密度低、流速快、易压缩等属性，可减少成本费用，减少井底破碎面压力，减少地下污染等。采用气体反循环洗井，更是可以适用于较大口径的深立井。该技术在石油钻探、勘探孔等小直径钻井工程中十分成熟，但在大直径竖井钻进工程中的应用尚不十分成熟，仍待进一步的试验研究。例如：气流量与岩屑块度的相互影响规律，气体流速与滚刀布置形式的相互影响规律，岩屑颗粒级配与排渣管内径的相互影响规律，等等。只有把这些因素间的相互影响规律研究清楚后，才能得到选择合理参数的理论依据，有效提高气体洗井携渣的效率，提高竖井钻进的效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置，包括：工作台，所述工作台开设有倒锥形槽，工作台上方设有可升降的刀座，刀座与工作台之间通过亚克力板形成封闭空间，刀座与工作台转动连接，倒锥形槽表面铺设有岩层，刀座上设有多个滚刀，滚刀底端与岩层接触，滚刀刀座固定连接，还包括多根进气管和主排渣管，进气管穿过刀座延伸至滚刀的上方，进气管一端连接有气源，主排渣管与刀座转动连接且设在倒锥形槽的正中间，所述主排渣管由多层套管组合而成，主排渣管的截面为八边形；

所述工作台上设有多个储存罐，储存罐设在倒锥形槽边缘侧，储存罐与倒锥形槽相通。

作为本发明进一步的方案，所述滚刀交错设置使其转动一圈的轨迹呈环形。

作为本发明进一步的方案，所述刀座上设有第一轴承和第二轴承，所述所述第一轴承和第二轴承内圈均与排渣管固定连接。

作为本发明进一步的方案，所述第二轴承外侧固定连接有齿轮，所述齿轮与电机的输出轴通过齿轮组啮合连接。

作为本发明进一步的方案，任一所述进气管上均安装有独立的进气流量监测仪和气流量调节阀。

作为本发明进一步的方案，所述排渣管顶端设有过滤组件。

作为本发明进一步的方案，所述排渣管顶端与电机输出轴之间通过链条连接。

作为本发明进一步的方案，所述第一轴承和第二轴承与刀座轴向之间设有防尘密封圈。

研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验方法，其主要实验步骤如下：

步骤一：根据设计的刀盘布置形式，加工相对应的轴承中间的板部分，在滚刀位置的上方的对应位置打下穿孔；将中间板部分密封连接到第一轴承和第二轴承上；

步骤二：进气管和排渣管分别插入轴承中间板相应的穿孔位置，第一轴承与穿管的间隙采取焊接或开槽加密封圈形式密封固定，其他构件组装并调试完成；

步骤三：通过各进气管的进风量调节，模拟不同气流模式下的携渣能力；

步骤四：通过旋转滚刀的布置设计，模拟不同滚刀排列形式下的排渣能力；

步骤五：通过电机的转速设置，模拟不同旋转参数下的排渣能力；

步骤六：通过储存罐中岩渣的颗粒大小与级配情况，模拟研究不同破碎岩屑特征的排渣能力；

步骤七：关闭储存罐的进渣口，打开出渣口，通过试验台下端的亚克力板可观测到岩屑随气流的流动携渣情况。

本发明的有益效果：结合深地硬岩在多采用镶齿滚刀破岩后的特点，利用气流可引起“飞沙走石”理念，在井底形成密闭空间，通过进气管和排渣管的压力差引起气流，从而携带岩渣，装置各机构可涉及到岩屑块度与级配，气体流量与流速，滚刀布置与转速等多方面因素的调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明总装结构图；

图2是滚刀布局示意图；

图3是第二轴承的结构示意图；

图4是八方管形式的主排渣管放大示意图。

图中：1试验台底座；2旋转滚刀；3岩屑储存罐；4溜渣开关；5第一轴承；6进气管；7第二轴承；8进气开关；9主排渣管；10电机；11工业鼓风机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～4，本发明实施例中，研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置，包括：工作台1，所述工作台1开设有倒锥形槽，工作台1上方设有可升降的刀座101，刀座101与工作台1之间通过亚克力板形成封闭空间，刀座101与工作台1转动连接，倒锥形槽表面铺设有岩层，刀座101上设有多个滚刀2，滚刀2底端与岩层接触，滚刀2刀座101固定连接，还包括多根进气管6和主排渣管9，进气管6穿过刀座101延伸至滚刀2的上方，进气管6一端连接有气源，主排渣管9与刀座101转动连接且设在倒锥形槽的正中间，所述主排渣管9由多层套管组合而成，主排渣管9的截面为八边形；可改变排渣内径，所述01上设有多个储存罐3，储存罐3填充有岩屑，储存罐3设在倒锥形槽边缘侧，储存罐3与倒锥形槽相通。储存罐3与倒锥形槽之间设有溜渣开关4。岩屑的配制可调整其块度、级配、岩类等，并可通过储存罐的阀门调节岩屑模拟调节破碎岩屑的生成量。本发明系统采用多根进气管穿过轴承，且其位置根据旋转滚刀的排布设置，如图2所示，进气管6和滚刀2的排布形式。进气管6及排渣管9穿过密封轴承后需采取密封，刀座与模拟破碎面以下形成密闭空间，进气管口与排渣管口形成气体压力差，从而将沿屑通过排渣管9排出。

优选地，如图2所示，所述滚刀2交错设置使其转动一圈的轨迹呈环形。保证滚刀2破碎的表面均匀，且径向无间隙。

优选地，所述刀座101上设有第一轴承5和第二轴承7，所述所述第一轴承5和第二轴承7内圈均与排渣管9固定连接，排渣管9与刀座101之间通过轴承连接，减轻排查管9与刀座101之间的摩擦。

优选地，所述第二轴承7外侧固定连接有齿轮12，所述齿轮12与电机10的输出轴通过齿轮组啮合连接，即通过电机10驱动齿轮12转动进一步驱动第二轴承7转动，进而驱动刀座101转动，驱动滚刀2沿岩层表面工作破碎岩层。

优选地，任一所述进气管6上均安装有独立的进气流量监测仪和气流量调节阀，进气管6与工业风机11连接，即通过工业风机11提供气源，通过气流量调节阀控制风力的大小，进气流量监测仪监控密封空间内的气压值得变化情况。

优选地，所述排渣管9顶端设有过滤组件。岩屑从储存罐3中放出后，顺着模拟破碎面被气流吹到中央位置，之后被气流沿排渣管9携带出来，通过过滤组件进行过滤收集。

优选地，所述排渣管9顶端与电机10输出轴之间通过链条13连接，电机10通过链传动驱动排渣管9转动，

优选地，所述第一轴承5和第二轴承7与刀座101轴向之间设有防尘密封圈，防止岩屑进入轴承内磨蚀构件。

本发明可通过各进气管6的进风量调节，模拟不同气流模式下的携渣能力。可通过滚刀2的布局设计，模拟不同滚刀排列形式下的排渣能力。可通过电机10的转速设置，模拟不同旋转参数下的排渣能力。可通过储存罐3中岩渣的颗粒大小与级配情况，模拟研究不同破碎岩屑特征的排渣能力。

研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验方法，其主要实验步骤如下：

步骤一：根据设计的刀盘101布置形式，加工相对应的轴承中间的板部分，在滚刀2位置的上方的对应位置打下穿孔；将中间板部分密封连接到第一轴承5和第二轴承7上；

步骤二：进气管6和排渣管9分别插入轴承中间板相应的穿孔位置，第一轴承5与穿管的间隙采取焊接或开槽加密封圈形式密封固定，其他构件组装并调试完成。

步骤三：通过各进气管6的进风量调节，模拟不同气流模式下的携渣能力。

步骤四：通过旋转滚刀2的布置设计，模拟不同滚刀排列形式下的排渣能力。

步骤五：通过电机10的转速设置，模拟不同旋转参数下的排渣能力；

步骤六：通过储存罐3中岩渣的颗粒大小与级配情况，模拟研究不同破碎岩屑特征的排渣能力；

步骤七：关闭储存罐3的进渣口，打开出渣口，通过试验台下端的亚克力板可观测到岩屑随气流的流动携渣情况。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系为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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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。在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

对于本领域技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。因此，从任意一处来说，都应将实施例看作是指导性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置，包括：工作台(1)，其特征在于，所述工作台(1)开设有倒锥形槽，工作台(1)上方设有可升降的刀座(101)，刀座(101)与工作台(1)之间通过亚克力板形成封闭空间，刀座(101)与工作台(1)转动连接，倒锥形槽表面铺设有岩层，刀座(101)上设有多个滚刀(2)，滚刀(2)底端与岩层接触，滚刀(2)刀座(101)固定连接，还包括多根进气管(6)和主排渣管(9)，进气管(6)穿过刀座(101)延伸至滚刀(2)的上方，进气管(6)一端连接有气源，主排渣管(9)与刀座(101)转动连接且设在倒锥形槽的正中间，所述主排渣管(9)由多层套管组合而成，主排渣管(9)的截面为八边形；

所述工作台(1)上设有多个储存罐(3)，储存罐(3)设在倒锥形槽边缘侧，储存罐(3)与倒锥形槽相通，通过储存罐(3)中岩渣的颗粒大小与级配情况，模拟研究不同破碎岩屑特征的排渣能力；

所述滚刀(2)交错设置使其转动一圈的轨迹呈环形；

所述刀座(101)上设有第一轴承(5)和第二轴承(7)，所述所述第一轴承(5)和第二轴承(7)内圈均与排渣管(9)固定连接;

所述第二轴承(7)外侧固定连接有齿轮(12)，所述齿轮(12)与电机(10)的输出轴通过齿轮组啮合连接;

所述排渣管(9)顶端与电机(10)输出轴之间通过链条(13)连接。

2.根据权利要求1所述的研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置，其特征在于，任一所述进气管(6)上均安装有独立的进气流量监测仪和气流量调节阀。

3.根据权利要求1所述的研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置，其特征在于，所述排渣管(9)顶端设有过滤组件。

4.根据权利要求1所述的研究硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置，其特征在于，所述第一轴承(5)和第二轴承(7)与刀座(101)轴向之间设有防尘密封圈。

5.研究权利要求1-4任一所述的硬岩机械破碎岩屑颗粒级配影响的试验装置的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：根据设计的刀座(101)布置形式，加工相对应的轴承中间的板部分，在滚刀(2)位置的上方的对应位置打下穿孔；将中间板部分密封连接到第一轴承(5)和第二轴承(7)上；

步骤二：进气管(6)和排渣管(9)分别插入轴承中间板相应的穿孔位置，第一轴承(5)与穿管的间隙采取焊接或开槽加密封圈形式密封固定，其他构件组装并调试完成；

步骤三：通过各进气管(6)的进风量调节，模拟不同气流模式下的携渣能力；

步骤四：通过旋转滚刀(2)的布置设计，模拟不同滚刀排列形式下的排渣能力；

步骤五：通过电机(10)的转速设置，模拟不同旋转参数下的排渣能力；

步骤六：通过储存罐(3)中岩渣的颗粒大小与级配情况，模拟研究不同破碎岩屑特征的排渣能力；

步骤七：关闭储存罐(3)的进渣口，打开出渣口，通过试验台下端的亚克力板可观测到岩屑随气流的流动携渣情况。