Введение к работе
Актуальность работы. Развитие рыночных отношений в российском хозяйственном комплексе обуславливает необходимость разработки для угольных предприятий некапиталоемких технологий с быстрой отдачей. Перспективным направлением здесь является организация модулей, сочетающих элементы гидротехнологии с элементами других технологий как в подземных условиях, например, с использованием в качестве отстойников погашаемых выработок «сухой» технологии, так и открытых горных работ, например, дна разреза с имеющейся здесь инфраструктурой, энерго- и водными ресурсами. Такие технологические сочетания позволяют обойтись минимумом капитальных затрат на подготовку запасов к выемке, расширить условия их отработки, в том числе осуществлять доработку временно законсервированных запасов угля, а также отрабатывать забалансовые запасы.
Одной из физически и технологически важных особенностей использования локальных гидротехнологий по сравнению с классической, когда обезвоживание угля и осветление технологической воды осуществляется в поверхностном комплексе, является сокращение числа звеньев, в которых происходит измельчение угля, а также уменьшение времени его контакта с водой при гидротранспортировании. Это положительно отражается на качестве угля. Кроме того, при транспортировании пульпы происходит интенсивное вымывание золы, что также улучшает потребительское качество угля. Вопросы прогнозирования параметров качества угля для комбинированных технологических схем пока недостаточно изучены. Они требуют предварительных исследований и математического моделирования процессов: измельчения угля по отдельным операциям отбойки,
гидротранспортирования и грохочения; гидрообеззоливания, намокаемости и обезвоживания угля. Решение комплекса указанных задач позволит с физически обоснованных позиций подойти к технологическому конструированию комбинированных систем разработки, включающих перспективные элементы гидротехнологии, синтезировать лучшие из них по факторам обеспечения высокого качества угля с наименьшими затратами. Поэтому тема выполняемой работы является актуальной.
Диссертация придерживается общегосударственной программы «Схемы развития и размещения угольной промышленности России на период до 2010 года», связана с планами НИР институтов СибГГМА и ВНИИгидроуголь, реализованными в рамках Отраслевой научно-технической комплексной программы Минтопэнерго «Уголь России» (проект 0-23) и Государственной научно-технической программы «Недра России» (тема 2.1.), а также договорными работами с шахтами и разрезами Кузбасса.
Целью работы является совершенствование методов прогнозирования параметров качества угля при локальной отработке пластов по комбинированным схемам, включающим элементы гидротехнологии.
Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей измельчения, обеззоливания и обезвоживания угля для попроцессного прогнозирования параметров его качества.
Задачи исследования:
установить закономерности измельчения угля при механо-гидравлической выемке и гидроотбойке;
провести экспериментальные исследования и разработать физико-математические модели измельчения угля при безнапорном гидротранспортировании пульпы;
изучить закономерности гидравлического обеззоливания горной массы с различным составом пород;
разработать классификацию гранулометрического состава угля по смачиваемости и обезвоживаемости;
исследовать механизмы и закономерности обезвоживания подвижного слоя угля при гидротранспортировании;
разработать алгоритмы расчета параметров качества угля при синтезе комбинированных технологических схем отработки пластов с элементами гидротехнологии.
Методы исследования:
системный анализ и научное обобщение опыта гидродобычи для выявления характера изменения качества угля по технологическим звеньям;
шахтные наблюдения и энергетический анализ для дифференцированной оценки интенсивности измельчения угля;
методы математического моделирования и корреляционного анализа для установления количественных закономерностей шламообразования, обеззоливания и обезвоживания угля;
теория графов для формирования вариантов и синтеза комбинированных схем отработки пластов;
методы сетевого моделирования двухфазных потоков для расчета качественно-количественных характеристик угля при отработке пластов по комбинированным технологическим схемам.
Научные положення, защищаемые автором:
объемы выхода мелких классов при различных способах гидравлической отбойки угля зависят от природных и технологических параметров: крепости угля, стадии его метаморфизма, давления воды в
канале ствола гидромонитора, пылеобразующей способности пластов и производительности механогидравлической выемки;
физическая и математическая модели измельчения угля при безнапорном транспортировании, базирующиеся на экспериментальных наблюдениях и математическом описании процессов его разрушения в потоке, позволяют давать количественную оценку динамики изменения гранулометрического состава;
характер изменения зольности горной массы при динамическом контакте с водой зависит от размокаемости вмещающих пород и времени гидротранспортировки;
классификация гранулометрического состава угля по смачиваемости и обезвоживаемости позволяет объяснить механизмы влагоудержания, прогнозировать влажность угля по классам и рекомендовать дифференцированные методы обезвоживания;
физические процессы обезвоживания подвижного слоя угля включают в себя разрушение пленочной влаги при трении частиц, их слипание, выравнивание влажности по толщине слоя, которые при кратковременности обезвоживающего транспортирования в совокупности обеспечивает интенсивную водоотдачу;
синтез комбинированных схем отработки пластов с использованием элементов технологий открытых и подземных горных работ, включая гидротехнологию, позволяет системно реализовать преимущества отдельных из них в конкретных горнотехнических условиях;
сетевое моделирование массораспределения двухфазных сред позволяет прогнозировать влажность угля при синтезе комбинированных технологических схем отработки пластов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
высокими (до 0.9) коэффициентами корреляции связи физических и технологических параметров, определяющих закономерности измельчения угля;
соответствием результатов определения гранулометрического состава качественным представлением о характере процессов его измельчения;
сходимостью (с ошибкой не более ±15%) результатов математического моделирования процессов измельчения угля и шахтных наблюдений;
непротиворечивостью физических моделей процессов увлажнения и обезвоживания угля;
использованием уравнений баланса при сетевом расчете влажности угля по технологическим звеньям и операциям;
практикой проектирования и применения локальной гидротехнологии на шахтах и разрезах Кузбасса.
Научная новизна работы состоит:
в установлении закономерностей измельчения угля при механогидравлической выемке и гидроотбойке;
в разработке физической и математической моделей измельчения угля при безнапорном транспортировании пульпы;
в установлении закономерностей динамического
гидрообеззоливания угля;
в классификации гранулометрического состава угля по фактору смачиваемости и обезвоживаемости;
в выявлении комплекса физических процессов, определяющих закономерности обезвоживания подвижного слоя угля;
в разработке методики синтеза комбинированных схем отработки пластов с элементами гидротехнологии;
в разработке алгоритма решения сетевой задачи массораспределения двухфазных сред.
Личный вклад автора состоит:
в установлении физических закономерностей и разработке математических моделей измельчения угля по процессам гидротехнологии;
в установлении закономерностей обеззоливания угля при безнапорном гидротранспортировании;
в классификации гранулометрического состава по факторам смачиваемости и обезвоживаемости;
в обосновании механизмов и выявлении закономерностей обезвоживания подвижного слоя угля;
в разработке методики синтеза комбинированных схем отработки пластов с использованием гидротехнологии;
в разработке алгоритма решения сетевой задачи массораспределения двухфазных сред для прогнозирования влажности угля.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:
прогнозировать параметры процессов шламообразования, обеззоливания и обезвоживания угля;
корректировать проектные решения отработки пластов по комбинированным технологическим схемам;
вовлекать в отработку дополнительные запасы угля с обеспечением экономически выгодных условий их отработки;
расширить область применения гидротехнологии.
Реализация работы. Методы расчета шламообразования, обеззоливания и обезвоживания угля для комбинированных технологических схем использованы:
при проектировании гидроучастков на ш.им Димитрова АОУК «Кузнецкуголь» и на экспериментальном подземном гидроучастке разреза «Листвянский» АОЗТ «Фэсткол»;
в учебном процессе кафедры РПМ СибГГМА (г. Новокузнецк).
Апробация работы. Работа и ее отдельные этапы докладывались на I, II и III Международных конференциях «Перспектива развития горнодобывающей промышленности» (г. Новокузнецк, 1995, 1996-1997гг.), на технических советах института ВНИИгадроуголь (г. Новокузнецк, 1995-1996гг.), на научном семинаре кафедры РПМ Сибирской государственной горно-металлургической академии (г. Новокузнецк, 1997г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 147 стр., в том числе 25 рис., 12 табл., список литературы из 92 наименований.