Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение зольности добываемого угля, повышение выхода мелких классов связано с широким внедрением, механизации добычи и транспортирования. В постоянно меняющихся условиях экономического хозяйствования задачей горного производства является существенное повышение эффективности добычи и переработки полезных ископаемых. Современные угледобывающие и перерабатывающие предприятия представляют собой сложные технологические комплексы, функции которых все более усложняются из-за роста объемов производства, ухудшения горногеологических условий, дальнейшего развития техники, повышения требований к максимальному использованию недр и охране окружающей среды. По статистическим данным компании «Росуголь» в 1995 г. для улучшения качества отгружаемых потребителю углей в России использовано 133 предприятия с различной глубиной переработки.
Перестройка экономики, распад СССР, переход к рыночным отношениям значительно изменили подходы и приоритеты в вопросах переработки угля, ее места и значимости в угольной промышленности.
В сложившихся условиях для повышения качества угольных продуктов перед их использованием в коксохимическом и металлургическом производствах, энергетике особая роль отводится моделированию первичных процессов переработки каменных углей по следующим причинам:
количественный состав сырья, поступающего на переработку, часто не соответствует запроектированным и применяющимся аппаратам и технологиям; многие перерабатывающие предприятия лишились своих традиционных поставщиков угля из-за закрытия некоторых добывающих предприятий и снижения уровня добычи на действующих разрезах и шахтах;
для оценки сортового качества углепродуктов определение гранулометрического и фракционного составов углей физическими методами являются необходимыми, но трудоемкими и продолжительными экспериментальными исследованиями. Поэтому производственники идут по пути сокращения числа анализов, что ускоряет процесс получения результатов, но вместе с тем значительно повышает погрешность прогноза;
меняющийся состав шихты, поступающей на первичную переработку, рациональное и комплексное использование природных ресурсов, возрастаю-
щий спрос рынка к качественным угольным продуктам и меняющиеся условия их реализации требуют оперативного изменения плотностей разделения сред в поле действия гравитационных сил..
Применение средств вычислительной техники, методов математического моделирования и имитационного проектирования состава сырья и технологий переработки по сравнению с физическим моделированием позволяют быстрее, с большей точностью и меньшими затратами определять оптимальные технологические параметры процессов для повышения эффективности добычи и переработки каменных углей.
В этой связи решение проблем автоматизации научных исследований в процессах горного производства; повышения эффективности экспериментальных исследований при изучении распределения минеральных частиц по крупности и плотности в гравитационных аппаратах при ограниченном количестве исходных данных; получения более точных и надежных моделей схем переработки каменных углей для определения оптимальных параметров разделения в гравитационных и магнитных полях; повышения эффективности переработки и качества минерального сырья с целью рационального и комплексного использования природных ресурсов является актуальным и имеет большое народнохозяйственное значение.
Связь темы диссертации с государственными научными программами. Исследования выполнялись в рамках: программы АН СССР по фундаментальным проблемам геологических и горных наук: 6.2.2.4. «Комплексное использование региональных и глобальных геологических процессов и создание научных основ разработки месторождений полезных ископаемых» и программы СО АН СССР 12.9.1.2.3. «Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых»; программы РАН по приоритетным направлениям научных исследований в области геологических, геохимических, геофизических и горных наук по изучению, освоению и сбережению недр России: ГН.12.2.13. «Методы и критерии оптимизации полноты использования запасов угля в новых условиях хозяйствования и глубины комплексности освоения природных угольных месторождений», ГН 12.3.6. «Развитие информационных технологий и создание автоматизированных средств поддержки решений в области освоения недр, их сохранения и экологической безопасности».
Цель работы - создание методов имитационного моделирования на ЭВМ состава шихты и технологий гравитационного разделения с использованием автоматизированных баз данных для повышения эффективности добычи и переработки каменных углей.
Идея работы заключается в использовании закономерностей распределения минеральных частиц по крупности и плотности с качественными и количественными показателями продуктов переработки для прогнозирования оптимального материального баланса добывающих и перерабатывающих предприятий с учетом динамики процессов и подсистем обеспечения горного производства.
Задачи исследований:
средствами вычислительной техники, математического моделирования и математических методов разработать научные основы, принципы, структуры и эксплуатацию систем автоматизированных баз данных (АБД) для хранения и обработки на ЭВМ информации по количественному и качественному составам шахтопластов угольных месторождений для решения вопросов автоматизации имитационного моделирования подготовительных и основных процессов переработки каменных углей;
разработать математическую модель, алгоритм и программное обеспечение выбора на ЭВМ математических функций, описывающих по результатам эксплуатационных проб с наименьшей погрешностью количественный состав каменных углей с целью автоматизации экспериментальных исследований при прогнозировании гранулометрического и фракционного составов суммарных классов крупности;
разработать методы практического использования полученных закономерностей распределения минеральных зерен по крупности и плотности для повышения эффективности селективной и валовой выемки маломощных пластов сложноструктурных месторождений и первичной переработки минерального сырья;
разработать математические методы построения моделей исследуемых гравитационных аппаратов (отсадочных машин, тяжелосредных установок, крутонаклонных, шнековых и винтовых сепараторов); алгоритмы, программное обеспечение методов планирования многофакторных экспериментов и принятия решений для повышения качества минерального сырья, полноты раскрытия и разделения минеральных частиц в гравитационных полях, а также в
результате изменений физико-химических состояний минералов при их переработке;
разработать метод контроля изменений физико-химического состояния поверхности минералов с учетом статики и динамики природных фазовых систем (твердое тело, жидкость, газ); модели и алгоритмы автоматизированной оценки средствами вычислительной техники экологического воздействия добывающих и' перерабатывающих предприятий на окружающую среду с целью снижения твердых выбросов и концентрации поверхностно-активных веществ в сточных водах;
разработать метод повышения полноты раскрытия и разделения минеральных зерен различных машинных классов крупности в гравитационных полях при первичной переработке для получения максимального выхода суммарного угольного продукта планируемой зольности с целью снижения потерь горючей массы с твердыми отходами;
разработать метод автоматизации научных исследований при экспрессной оценке полноты раскрытия и разделения углей месторождений гравитационными методами на основе АБД для выдачи прогнозной технологии первичной переработки углей в целях рационального и комплексного использования недр.
Методы исследований:
обобщение и анализ экспериментального материала по эксплуатационным и пластовым пробам за 1971-1997 г.г. о количественных и качественных характеристиках каменных углей, влияющих на выбор технологии первичной переработки минерального сырья;
имитационное и физическое моделирование процессов разубоживания, гравитационного и физико-химического разделения углей на базе, факторного планирования экспериментов средствами вычислительной техники для достижения оптимального результата методом Бокса-Уилсона;
статистическая обработка лабораторных экспериментов, результатов имитационного моделирования и натурных наблюдений;
программные расчеты вероятностного распределения фракций различной плотности по продуктам переработки в зависимости от эффективности разделения минеральных частиц в гравитационном поле;
технико-экономический анализ структурной пропорциональности распределения затрат в себестоимости продукции при оценке вариантов реализа-
ции угольных продуктов с учетом экологического ущерба от выбросов вредных веществ;
Научные положения, защищаемые автором:
разработанные научные основы построения и эксплуатации систем АБД предназначены для решения вопросов автоматизации имитационного проектирования количественного состава угольной шихты и моделирования схем первичной переработки минерального сырья;
выбор лучших аппроксимаций при описании распределений минеральных частиц по крупности и плотности, полученных в результате взрывных, механических и др. видов разрушения горных пород при их бурении, резании, скалывании, дроблении и измельчении, основан применением 38 математических функций с использованием средств вычислительной техники;
эффективность добычи с последующей первичной переработкой (или без нее) разубоженных углей определяется величиной прибыли, моделируемой на ЭВМ с учетом закономерностей распределения механически разрушенных пород по крупности и плотности, дальности перевозки разубоженного угля, схем гравитационной переработки, условий ценообразования и вариантов реализации угольных продуктов;
математические модели аппаратов с водной и суспензионной средами, в которых минеральные частицы разделяются в гравитационном поле, учитывают найденные закономерности вероятностного распределения фракций в зависимости от плотностей разделения сред и эффективности работы машин;
повышение качества минерального сырья, полнота раскрытия и разделения минеральных зерен в результате изменений физико-химических состояний поверхности минералов достигаются планированием на ЭВМ эффектов взаимодействия факторов (до 20); матрицами проведения экспериментальных исследований и достижением оптимальной области;
метод контроля состояния поверхности минеральных частиц на границе раздела фаз (твердое, жидкое, газ) учитывает влияние концентрации реагентов в статических и динамических условиях при управлении процессами выделения шламов в целях обеспечения санитарно-гигиенических норм состава сточных вод добывающих и перерабатывающих предприятий;
получение максимального выхода суммарного концентрата планируемой зольности в результате разделения рядового угля по различным машинным классам в гравитационных полях достигается использованием разработанного
метода повышения полноты раскрытия минеральных зерен, отличающегося от известных тем, что учитывает величину разубоживания угля при добыче, схему первичной гравитационной переработки, исключает расчет теоретического баланса продуктов переработки;
разработанные научные основы математического моделирования и оптимизации программного обеспечения систем автоматизации научных исследований процессов гравитационного, магнитного и физико-химического разделения минеральных частиц устанавливают выбор стратегии комплексной технологии добычи и переработки углей с учетом содержания в углепродуктах микрохимических элементов, количества твердых выбросов и концентрации поверхностно-активных веществ в стоках;
экспрессная оценка полноты раскрытия и разделения углей различных месторождений основана на прогнозе количества и качества угольной продукции по существующим или проектируемым технологиям переработки минеральных комплексов с использованием информации по шахтопластам в АБД.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
математической обработкой статистической информации по ситовым и фракционным составам 500 шахтопластов 16 угольных районов Кузнецкого бассейна;
сопоставимостью результатов имитационного моделирования с независимыми результатами других исследователей, а также с данными лабораторных экспериментов и промышленных испытаний;
достаточной сходимостью результатов имитационного моделирования развития подсистем и реальных процессов воспроизводства фактическими данными 14 действующих угледобывающих и перерабатывающих предприятий Кузбасса;
использованием при создании математической модели гравитационной переработки каменных углей закономерностей распределения обрушаемых пород по классам крупности и фракциям; дробления и истирания угля в процессе его транспортирования от места добычи; эффективности процессов разделения, что обеспечивает качественное совпадение модели и объекта исследования;
положительными результатами апробации имитационного моделирования технологий переработки каменных углей на шахтах «Долинская» ПО
«Сахалинуголь», «Полысаевская», «им. С.М.Кирова»; разрезах «им. 50-летия Октября», «Черниговский»; ЦОФ «Сибирь», «Беловская», «Кузбасская», «Березовская»; Кемеровская ГРЭС.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
впервые созданы автоматизированные базы данных для хранения и обработки на ЭВМ количественных и качественных характеристик шахтопластов угольных месторождений Кузнецкого бассейна;
на основе использования АБД разработан метод компьютерного моделирования ситового и фракционного составов шихты с учетом долей участия шахтопластов и крупности машинных классов для автоматизации имитационного моделирования подготовительных процессов переработки;
аналитически обоснован и впервые разработан метод глобального описания суммарных гранулометрических и фракционных составов каменных углей 38 приближающими функциями;
разработан новый аналитический метод прогнозирования ситового состава по результатам рассева на трех и более ситах, позволяющий более точно, чем ГОСТ 2093-82 рассчитывать полный гранулометрический состав минеральных частиц крупностью более 0.1 мм
разработаны методы использования полученных закономерностей распределения минеральных зерен по фракциям различной плотности при прогнозировании целесообразности добычи и переработки углей (в том числе и разу-боженных) с учетом влияния основных техногенных факторов на состав угольной шихты при разубоживании, дроблении, грохочении, истирании, классификации угля и эффективностей разделения в различных гравитационных аппаратах;
разработано программное обеспечение метода планирования многофакторных экспериментов для повышения качества минерального сырья в гравитационных полях и в результате изменения физико-химического состояния минералов;
установление статики и динамики природных фазовых систем (минерал, жидкость, газ) при различных концентрациях реагентов осуществлено разработанным контактно-инерционном прибором КИП-1, позволяющим с большей точностью контролировать и управлять процессами очистки сточных вод от твердых взвесей и токсичных реагентов;
впервые разработаны критерии эффективности для оптимизации первичной переработки минерального сырья в гравитационных полях по нескольким машинным классам, реализованные в программном комплексе многовариантной оптимизации технологических процессов переработки угля для повышения выхода концентрата и снижения потерь горючей массы с отходами переработки;
впервые разработана и реализована комплексная методика оценки качества и количества углепродуктов, получаемых из любых шахтопластов (или их смесей) на основе АБД с различными способами выемки для решения вопросов автоматизации проектирования типовых схем первичной переработки углей.
Личный вклад автора состоит в:
разработке принципов и методов проектирования структур систем АБД для хранения и обработки информации на ЭВМ по количественным и качественным характеристикам шахтопластов, разработке пакетов программ в СУБД FoxBase+ (Karat_т) и «Clipper 5.01» управления базами данных Sito.dbf, Frakci.dbf, Sito_100.dbf, Frakl800.dbf, Qality.dbf различных уровней обобщения при моделировании состава сырья, поступающего на переработку;
разработке алгоритмов и программного комплекса "Granula" описания суммарных гранулометрических и фракционных составов углей 38 математическими функциями;
разработке алгоритма и программы «Sit» моделирования ситового и фракционного составов шихты с использованием информации, хранящейся в АБД «Sito.dbf» и «Frakci.dbf»;
разработке методов использования полученных закономерностей распределения минеральных частиц по классам различной крупности и плотности для прогнозирования выхода и зольности суммарных классов в ситовом и фракционном составах, а также при оценке эффективности разделения угля в гравитационных аппаратах с тяжелой и водной средами;
обосновании и выборе критерия оптимизации, разработке алгоритма и программы «Razrez» прогнозирования результатов разделения разубоженных углей в гравитационных полях с учетом вероятностного характера распределения фракций по продуктам переработки;
разработке алгоритма и программы «Faktor» планирования многофакторных экспериментов, проверке адекватности математической модели и рас-
чета рабочих шагов методом Бокса-Уилсона для достижения оптимальной области проведения экспериментов;
разработке конструкции электронного контактно-инерционного прибора КИП-1, предназначенного для оценки изменений физико-химического состояния поверхности минералов на границе раздела фаз (минерал, жидкость, газ);
разработке математической модели, алгоритма и программного комплекса «Igel», позволяющего для различных технологических схем переработки углей определять оптимальные плотности разделения сред в гравитационных аппаратах, при которых повышается эффективность переработки минерального сырья;
Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты позволяют:
учитывать неравномерный и случайный характер поступления сырья на углеперерабатывающие предприятия при моделировании количественной характеристики шихты на ЭВМ с использованием АБД;
повысить точность прогнозирования гранулометрического и фракционного составов полезных ископаемых и сократить время проведения анализов;
разрабатывать перспективные планы развития горных работ в проектах новых угледобывающих и перерабатывающих предприятий;
управлять качеством получаемых углепродуктов при реализации комплексной программы добычи и переработки угля, снижающей выбросы вредных веществ в окружающую среду;
оперативно изменять технологию переработки при колебаниях качества поступающего сырья;
в зависимости от требований потребителя планировать качественно-количественные показатели угольных продуктов и варианты их реализации.
Реализация результатов.
- пакет программ «Granula», в котором реализован метод прогнозирова
ния гранулометрического состава каменных углей, внедрен на
яі.«Краснокаменская» и АО «Сибксн»:
- программный комплекс «Razrez» прогнозирования вариантов реализа
ции угольных продуктов при первичной переработке разубоженных углей с
учетом экологического ущерба применен в КузГТУ для определения целесооб
разности отработки маломощных пластов сложноструктурных месторождений;
- метод оптимизации технологии переработки редкоземельных руд
(а. с. № 1390864) и технология очистки промстоков от неионогенных ПАВ вне
дрены на Киргизском горно-металлургическом комбинате;
программный комплекс «Igel» (различных версий), определяющий оптимальные плотности разделения в гравитационных полях отсадочных машин и тяжелосредных сепараторов, внедрен на ЦОФ «Кузбасская»;
метод оптимизации нагрузки на участки, позволяющий снизить зольность отгружаемых углей на 0.3 %, внедрен на ш. «Полысаевская»;
алгоритмы и программы «Granula», «Razrez», «Sit», «Razub», «Igel_Kp», «Faktor» внедрены в учебный процесс КузГТУ для выполнения лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Зональной конференции «Активные методы обучения на базе ПЭВМ» (г. Красноярск, 21-26 апреля 1990 г.), на научно-практической конференции «Эколого-экономические проблемы разработки угольных месторождений Кузбасса» (г. Кемерово, 12-15 апреля 1991 г.), на Международной конференции по экологии Сибири (г. Иркутск, 1993 г.), на Международной научно-практической конференции «Методы оптимального развития и эффективного использования трубопроводных систем энергетики применительно к современным условиям» (г. Иркутск, 1994 г.), на Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды -ПООС-95» (г. Томск, 12-16 сентября 1995 г.), на 1-й научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 1995 г.), на II Международной конференции «Реформирование экономики региона» (г. Кемерово, 17-18 сентября 1996 г), на региональной научно-технической конференции (г. Красноярск, 21-25 апреля 1997 г.), на XX Всемирном конгрессе по переработке минерального сырья (г. Аахен, Германия, 21-26 сентября 1997 г.), на II региональном симпозиуме АРСОМ-97 «Применение компьютеров и исследование операций в горной промышленности» (г. Москва, 24-28 августа 1997 г.), на Всероссийской научно-практической
конференции «Экология и экономика: региональные проблемы перехода к устойчивому развитию» (г. Кемерово, 1997 г.), на Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 11-14 ноября 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, включая 2 монографии, 2 учебных пособия, 1 авторское свидетельство, 25 научных статей, 3 доклада и 16 тезисов докладов на конференциях, симпозиуме и всемирном конгрессе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения и 11 приложений, изложенных на 346 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 70 таблиц, список литературы из 302 наименований.
Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом университете на кафедрах; обогащения полезных ископаемых, вычислительной техники и разработки месторождений полезных ископаемых.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность сотрудникам названных кафедр, особенно канд. техн. наук, доценту Б.А.Денискину; докт. техн. наук, профессору Е.К.Ещину; канд. физ.-матем. наук, профессору М.А.Тынкевичу; канд. техн. наук, доценту В.Г.Левину за консультации при разработке компьютерных программ; докт. техн. наук, профессору А.В.Бирюкову; докт. техн. наук, профессору В.Н.Вылегжанину; докт. техн. наук, профессору И.А.Паначеву; канд. техн. наук, доценту И.И.Цепилову за советы и критические замечания, а также научному консультанту докт. техн. наук, профессору П.В.Егорову за постоянное внимание к работе на всех ее этапах и творческое обсуждение результатов
Особая благодарность студентам Кузбасского политехнического института и Кузбасского государственного технического университета Л.А.Ерошкиной, Е.В.Гулидовой, А.АЛкушко, А.Л.Ильюченко, И.Е.Щербину, Е.Ю.Глазуновой, Н.В.Жмуровской, О.Л.Иваниной, М.М.Марковцеву, О.В.Марковцевой, И.П.Трофимову, С.А.Кондратцеву, М.Н.Кабановой, А.И.Хаустову, принимавшим активное участие в научных исследованиях и лабораторных экспериментах, вводе информации в базы данных.