Введение к работе
Актуальность темы. Изучение динамики потока раздробленного материала с учетом различных граничных условий - исходного напряженно-деформированного состояния среды, изменения состояния в процессе движения, влияния физико-механических свойств и других факторов, остается одной из актуальных проблем теории выпуска руды. Несмотря на длительную историю исследований по прогнозированию параметров геомеханических процессов, возникающих при движении сыпучих материалов (СМ), огромное количество эксплуатируемых и вновь строящихся комплексов подготовительных цехов обогатительных фабрик и ГОКов, содержащих различные емкости, интегрированные транспортными, энергетическими и другими сетями, разработку методической базы параметров данных процессов и систем «емкость-отверстие», механизм выпуска рудных, угольных и других продуктов горнодобывающих отраслей изучен недостаточно. Об этом свидетельствуют следующие проблемы эксплуатации систем «емкость-отвертие» и «емкость-питатель»:
затруднения, обусловленные сводообразованием и заклиниванием при истечении материала из выпускного отверстия различных емкостей при выпуске руды, где данные затруднения являются характерными особенностями процесса, а также различных аппаратов указанных комплексов. В частности, анализ надежности оборудования установок частичного брикетирования показывает, что одним из наиболее узких мест является зависание СМ в распределительных бункерах;
налипание рудной массы на внутренних стенках и в двугранных углах емкостей (очистного пространства при выпуске руды, бункеров и др.), в результате чего создаются невыгружаемые объемы слежавшегося материала, слеживаемость которого может быть обусловлена физико-механическими свойствами, криогенными и теплофизическими процессами. Применительно к угледобывающей и углеперерабатывающей промышленности проблема осложняется тем, что угли - сложные органические вещества, при хранении в воздушной среде окисляются и самовозгораются. Это справедливо также для ряда разновидностей руд, что предопределяет необходимость, в частности, регулярного освобождения и зачистки данных емкостей;
значительное число разрушения различных емкостей, происходящих из-за несоответствия их конструкции нагрузкам, возникающим при выпуске рудной массы.
Существующая теория определения полей напряжений и скоростей движущегося и неподвижного слоев СМ не позволяет преодолеть указанные затруднения и не обеспечивает надежного прогнозирования производительности емкостей при свободном истечении вещества, имеющей первостепенное значение для разработки оборуЬвдвдіАцмоііЛЛЬИЛЯ j
Например, в отраслевых нормах проектирования бункеров тепловых электростанций для угля геометрические параметры сооружений определяются в зависимости только от одной характеристики вещества - угла естественного откоса. Такой способ нельзя считать удовлетворительным: не существует общепризнанной единообразной методики определения указанного параметра и не установлена связь его с традиционными, широко используемыми при расчете процесса истечения рудной массы, показателями, например, коэффициентами внутреннего и внешнего трения, распределительной способности, величиной начального сопротивления сдвигу. Информация о вышеуказанных показателях для рядовых углей, угольных концентратов и других углесодержащих материалов носит фрагментарный характер, данные трудносопоставимы вследствие разнообразия используемых методов изучения и конструкций опытных установок.
Следовательно, развитие научных основ прогнозирования геомеханических параметров выпуска углесодержащих материалов представляет актуальную и крупную научную проблему, имеющую важное хозяйственное значение. Решению этой проблемы и посвящена настоящая диссертационная работа.
Данное исследование выполнено в соответствии с темами: 3.4-7(81)-К-15-83 "Подготовка к пуску и освоение процесса производства кокса из термически подготовленной шихты на коксовой батарее № 7 ЗСМК" (Постановление ГКНТ и Госплана СССР от 12.12.80 № 472/248); 3.3-7(86)-П-15-86-ВН «Исследование, разработка и внедрение рекомендаций по совершенствованию техники и технологии производства кокса из ТПШ» (хоздоговор № 111-88 от 26.01.88 с ЗСМК); 3.4-3-0-116-89-Р «Разработка технологии и выдача рекомендаций по утилизации химических отходов производства и отвала коксохимического производства (КХП) КМК» (хоздоговор №19 от22.11.88); «Технологическое задание «Исследование, разработка и внедрение технологии окомкования флотоконцентрата КХП ЗСМК» (хоздоговор № 14/505 от 5.12.90 с ЗСМК); «Совершенствование технологии подготовки угольной шихты ЗСМК к коксованию» (хоздоговор № 18/485 от 31.10.91 с ЗСМК); «Разработка технико - экономического обоснования по получению пылеугольного топлива для доменных печей ЗСМК» (хоздоговор № 32/476 от 15.09.92 с ЗСМК); «Разработка технологии и техдокументации процесса производства из углей окускованных материалов для бьпового и технологического использования с утилизацией фенольных сточных вод, жидких органических отходов и некондиционных смол» (хоздоговор № 15/320 от 10.01.92 с КМК) идр.
Целью диссертационной работы является установление закономерностей изменения геомеханических параметров неподвижного и движущегося слоев углесодержащего материала: физико - механических свойств, полей напряжений и скоростей, условий разрушения массива вещества, возникновения и характера устойчивого процесса выпуска в естественных
условиях и в результате воздействия внешних физико - механических и тепловых полей.
Идея работы заключается в построении детерминированной геомеханической модели выпуска углесодержащих СМ на основе использования установленных закономерностей изменения геомеханических параметров неподвижного и движущегося слоев рудной массы, полученных применительно к условиям реальных технологических процессов.
Задачи исследований.
разработать комплекс методов и устройств для определения объемной плотности, начального сопротивления сдвигу, коэффициентов внутреннего и внешнего трения, распределительной способности рядовых углей, угольных концентратов, других углесодержащих материалов и установить закономерности изменения указанных характеристик в интервале варьирования технологических параметров, характерном для промышленных процессов;
обосновать концепцию и принципы развития теории и методов прогнозирования геомеханических параметров процесса выпуска рудной массы в реальных условиях угледобывающей и углеперерабатывающей отраслей промышленности;
развить существующие методы математического описания полей напряжений и объемных плотностей в неподвижном слое углесодержащего материала и усовершенствовать алгоритм математического описания вторичного поля напряжений, возникающего при внешнем воздействии;
разработать аналитическое описание выпуска рудной массы с учетом изменения объемной плотности и границы зоны разрушения слоя вещества;
установить основные закономерности формирования и разрушения динамических сводов в процессе истечения углесодержащего материала;
разработать алгоритм и программное обеспечение для практической реализации результатов диссертационной работы.
Методы исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием комплексного метода исследования, включающего:
качественный анализ состояния и тенденций развития процессов складирования и истечения сыпучих веществ для организации направленного изменения геомеханических параметров выпуска углесодержащих материалов;
системный анализ для теоретического развития методов прогнозирования параметров неподвижного и движущегося слоев СМ и построения детерминированной геомеханической модели;
лабораторные, опьпно - промышленные и теоретические исследования влияния технологических параметров (влажности, гранулометрического
состава, величины и времени действия уплотняющего давления) на физико - механические характеристики (ФМХ) углесодержащих материалов;
теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей выпуска
рудной массы для создания на основе установленных закономерностей из
менения геомеханических параметров неподвижного и движущегося слоев
СМ принципов рационального конструирования емкостей и хранилищ.
Основные научные положения, защищаемые автором:
комплекс методов и устройств для определения объемной плотности, начального сопротивления сдвигу, коэффициентов распределительной способности, внутреннего и внешнего трения, сконструированных с учетом особенностей переработки, позволяет всесторонне оценивать свойства исследуемых веществ, а экспериментально установленные закономерности изменения ФМХ рядовых углей, угольных концентратов и других углесодержащих материалов обеспечивают реализацию детерминированной геомеханической модели истечения в интервале изменения технологических параметров, характерном для промышленных процессов и позволяют направленно изменять свойства СМ;
основой детерминированной геомеханической модели выпуска сжимаемой рудной массы являются математические описания: предыстории формирования полей напряжений и плотностей в неподвижном слое связного сжимаемого материала; формирования вторичного поля напряжений, возникающего в массиве вещества при внешнем воздействии; условия возникновения и обеспечения процесса устойчивого истечения;
на основе изменения ФМХ, конфигурации характерных зон (предельного и непредельного равновесия), влияния подстилающего основания и соотношения размеров слоев движущегося и неподвижного материала установлены закономерности изменения напряженного состояния неподвижного слоя связного сжимаемого углесодержащего СМ и предложено математическое описание вторичного поля напряжений, что позволило осуществить прогноз размеров и формы зоны выпуска;
математический и экспериментальный анализы момента перехода неподвижного слоя рудной массы в движение при возникновении вторичного поля напряжений привели к установлению закономерностей изменения объемной плотности вещества в локальной зоне выпуска, что дало возможность определять поле скоростей вещества, объемный и массовый расходы при истечении материала;
установленные закономерности изменения формы динамических сводов над выпускным отверстием и разработанный метод прогноза вероятности процесса сводообразования позволили предложить способ определения параметров внешнего воздействия (величины, характера и площади приложения напряжений), обеспечивающих устойчивый выпуск вещества;
созданный на основе детерминированной геомеханической модели выпуска и изучения закономерностей изменения ФМХ углесодержащего ма-
териала алгоритм определения полей напряжений, объемных плотностей и скоростей позволяет обоснованно рекомендовать конструкцию и параметры накопительных емкостей (угол наклона стенок, величину выпускного отверстия, вместимость и массовую производительность).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигается:
построением комплекса математических моделей на базе фундаментальных уравнений механики твердого деформируемого тела с привлечением необходимых допущений, основанных на результатах теоретических и экспериментальных исследований различных авторов;
проведением специальных лабораторных и полупромышленных экспериментов по определению величины объемной плотности, коэффициентов распределительной способности (КРС), внутреннего и внешнего трения, начального сопротивления сдвигу, параметров складирования и выпуска углесодержащего материала (величины давления на стенки и днища емкостей, закономерностей изменения объемной плотности, характера и скорости истечения);
удовлетворительным согласованием полученных теоретических результатов с данными натурных и модельных экспериментов, как поставленных автором, так и опубликованных в печати (расхождение не превышает 20%).
Научное значение работы состоит в создании концепции построения детерминированной геомеханической модели выпуска СМ на основе математических описаний, отражающих физико - механические закономерности распределения полей напряжений и плотностей в неподвижном слое связного сжимаемого вещества, находящегося в аппаратах; формирования вторичного поля напряжений, возникающего в массиве материала при внешнем воздействии; условий возникновения и обеспечения устойчивого истечения, а также в разработке методов изучения ФМХ углесодержащего материала применительно к условиям переработки и проведении соответствующих исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
с учетом особенностей переработки углесодержащего материала разра
ботан комплекс методов для определения ФМХ. Впервые на основе по
строения математической модели поведения насыщенных воздухом мел
кодисперсных веществ предложен способ определения коэффициентов бо
кового давления и внешнего трения в таких условиях (защищен авторским
свидетельством). Впервые разработан способ экспериментального опреде
ления коэффициента распределительной способности СМ, в основе кото
рого использовано выражение, описывающее распределение напряжений в
слое вещества от действия на его границах силы, равномерно распределен
ной по площади круга, позволяющий учесть величину площади контакта и
исключить влияние сил трения между сыпучей средой и испытательной
площадкой (защищен авторским свидетельством). Установлены закономерности изменения объемной плотности, начального сопротивления сдвигу, коэффициентов распределительной способности, внутреннего и внешнего трения углесодержащего материала в диапазоне варьирования технологических параметров, характерном для промышленных процессов, и определены основные элементы технологии направленного изменения свойств термически подготовленного и частично гранулированного угольных концентратов;
разработана детерминированная геомеханическая модель выпуска угле
содержащего материала, отличающаяся тем, что ее составными компонен
тами являются математические описания: полей напряжений и плотностей
в неподвижном слое связного сжимаемого СМ; формирования вторичного
поля напряжений, появляющегося в массиве вещества при внешнем воз
действии; условий возникновения и обеспечения процесса устойчивого ис
течения;
получено аналитическое описание напряженного состояния неподвиж
ного слоя углесодержащего материала, отличающееся тем, что решение
системы уравнений предельного напряженного состояния выполнено с
учетом переменной объемной плотности вещества, сил трения об ограж
дающие поверхности и влияния подстилающего основания, граничные ус
ловия заданы на основе анализа распределения напряжений и размеров зо
ны непредельного равновесия связного материала; при анализе вторичного
поля напряжений использованы параметры внешнего воздействия (вели
чина, характер и площадь приложения напряжений), конфигурация слоев
движущейся и неподвижной рудной массы;
создано математическое описание выпуска углесодержащего материала
из емкостей, отличающееся тем, что оценка условия устойчивого истече
ния и определение поля скоростей сыпучей среды выполнено на основе
анализа перехода неподвижного слоя в движение при возникновении вто
ричного поля напряжений и закономерностей изменения объемной плот
ности вещества в конической зоне истечения;
разработан метод прогноза вероятности сводообразования при выпуске
СМ, впервые основанный на использовании для анализа процесса сводо
образования детально разработанного математического аппарата процесса
фильтрации взаиморастворимых жидкостей в пористой среде вследствие
одинакового вида решений исходных дифференциальных уравнений.
Предложено математическое описание закономерностей изменения формы
динамических сводов, отличающееся тем, что учтен характер эпюр верти
кального давления слоя вещества, поступающего с разрушающихся выше
расположенных сводов;
на основании предложенной детерминированной геомеханической мо
дели выпуска и изучения закономерностей изменения ФМХ углесодержа
щего материала разработан алгоритм определения полей напряжений, объ-
емных плотностей и скоростей, позволяющий обоснованно рекомендовать конструкцию и параметры накопительных емкостей (угол наклона стенок, величину выпускного отверстия, вместимость и массовую производительность, а также подготовлено соответствующее программное обеспечение.
Личный вклад автора. Автору принадлежит обоснование актуальности проблемы развития научных основ прогнозирования геомеханических параметров выпуска рядовых углей, угольных концентратов, других угле-содержащих материалов, выдвижение основных научных и практических идей. Разработка ключевых теоретических положений детерминированной геомеханической модели, математического описания процессов, конструкционного оформления лабораторных и полупромышленных установок, методик проведения экспериментов, их организация и планирование, обобщение полученных результатов, формулировка выводов и рекомендаций выполнены лично автором.
Практическая ценность. Развитый автором научный подход к изу-. чению процессов формирования полей напряжений и объемных плотностей в неподвижном слое СМ, вторичного поля напряжений, возникающего в сыпучей среде при внешнем воздействии, полей напряжений и скоростей движущегося слоя, сочетаемый с созданием установок и методов определения ФМХ углесодержащего материала применительно к условиям переработки, позволяет решить следующие задачи:
использовать разработанные установки и методы для изучения ФМХ углесодержащего материала;
применить полученные экспериментальные и теоретические зависимости влияния параметров промышленных процессов на ФМХ рудной массы для обоснования основных элементов технологии направленного изменения свойств и повышения потребительских качеств рядовых углей, угольных концентратов и других углесодержащих СМ;
сформировать методологию определения рациональной конструкции и производительности емкостей и хранилищ, на основе которой возможна разработка технологических заданий и выполнение проектирования установок для осуществления технологических процессов, связанных с переработкой, складированием, усреднением, смешением и дозированием рудной массы.
Полученные результаты представлены в удобной форме - в виде математических формул, алгоритмов, примеров расчета и могут быть использованы не только в угледобывающей, но и в углеперерабатывающей, коксохимической, энергетической и в других отраслях промышленности, связанных с переработкой углесодержащих СМ.
Реализация результатов работы. В результате исследования автором внедрены в Кузнецком филиале ВУХИНа:
способ определения коэффициентов распределительной способности
сыпучих материалов (получено авторское свидетельство);
способ определения объемной плотности, внутреннего и внешнего тре
ния сыпучих материалов (стандарт предприятия);
способ определения критического диаметра сводообразующего отверстия, оптимального угла наклона стенок емкостей для СМ с помощью метода физического моделирования;
способ определения коэффициентов бокового давления и внешнего трения насыщенных воздухом мелкодисперсных веществ (получено авторское свидетельство);
лабораторная и полупромышленная установки для моделирования процесса гранулирования рядовых углей и угольных концентратов с возможностью изменения скорости вращения и степени заполнения гранулятора, времени обработки материала, количества и способа подачи связующего.
На основании материалов исследований разработаны методология определения основных параметров емкостей для различных углесодержащих СМ, положенная в основу технологических заданий на проектирование бункеров углезагрузочных машин для коксовых печей емкостью 51,0 м3 (для ОАО «Алтайкокс») и 41,6 м3 (для ОАО «ЗСМК»), а также исходных данных на разработку способа сухого пылеудаления из системы отсоса и очистки углезагрузочной машины ОАО «ЗСМК». Ожидаемый экономический эффект от внедрения способа загрузки термически подготовленного концентрата в коксовые печи ОАО «ЗСМК» составляет около 3 700 тыс. руб. Ожидаемый экономический эффект от внедрения комплекса мероприятий, направленных на повышение эффективности работы передвижной установки беспылевой выдачи кокса, составляет около 2 500 тыс. руб. Подготовлено технологическое задание «Исследование, разработка и внедрение технологии окомкования флотоконцентрата ЦОФ ОАО «ЗСМК». Результаты изучения ФМХ рядовых углей и угольных концентратов использованы для разработки основных конструктивных параметров автономных отопительных стальных котлов «Гейзер» (защищен патентом на изобретение РФ), прошедших всесторонние испытания и успешно эксплуатирующихся (более 40 котлов) рядом малых и средних предприятий Кемеровской области. Реальный годовой эффект от внедрения отопительных котлов «Гейзер» зависит от конкретных условий каждого предприятия и, как правило, изменяется от 200 до 1 000 тыс. руб.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на Y Всесоюзной научно - технической конференции молодых ученых и специалистов «Пути повышения эффективности использования углей, процессов и продуктов их переработки» (Свердловск, 1988 г.), научно - технической конференции «Совершенствование технологии переработки углей и повышение качества продукции коксохимического производства Кузбасса и Алтая» (Новокузнецк, 1988 г.), научно - технической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосберегающих технологий в черной металлургии» (Новокузнецк, 1989 г.), научно - технической конференции
«Молодые ученые Кузбасса - народному хозяйству» (Кемерово, 1990 г.), научно - технической конференции «Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников» (Москва, 1990 г.), научно - технической конференции «Шестое совещание по химии и технологии ископаемого твердого топлива» (Москва, 1992 г.), III научно - практическом семинаре «Опыт работы муниципалитетов и предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов» (Новокузнецк, 2000 г.), Всероссийской выставке - ярмарке «Интеграция -2002» (Томск, 2002 г.), Областных конкурсах «Инновация и изобретение года» (Кемерово, 2002 - 2003 г.г.), XI Международной выставке «Уголь России и Майнинг 2004» (Новокузнецк, 2004 г.), Всероссийской выставке «ЭкспоУголь» (Кемерово, 2002г.), научно - технических советах Московского института химического машиностроения (Москва, 1991 - 2001 г.г.), ГУЛ «ВУХИН» (Екатеринбург, 1988 - 2003 г.г.), ГУП «Кузнецкий центр ВУХИН» (Новокузнецк, 1985 - 2003 г.г.), Сибирского государственного индустриального университета (Новокузнецк, 1999 - 2004 г.г.), Института угля и углехимии СО РАН (Кемерово, 2002 г.), Кузбасского государственного технического университета (Кемерово, 2002 - 2003 г.г.), ВостНИГРИ (Новокузнецк, 2002 - 2003 г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы монография и 37 печатных работ, из которых 26 - в рецензируемых научных журналах и изданиях, два авторских свидетельства и один патент на изобретение РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Она изложена на 307 страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц, 69 рисунков. Список использованных источников включает 346 работ отечественных и зарубежных авторов.
