Введение к работе
Актуальность работы. Производственные процессы в гидрошахтах и на гидроучастках в значительной степени зависят от эффективности и надежности системы безнапорного гидротранспорта. Сейчас на каждые 1000 т добываемого угля в гидрошахтах расходуется 2.5-6.0 м желобчатого става для перемещения пульпы. Применяемые в настоящее время средства для безнапорного гидротранспорта обладают рядом существенных недостатков: допускают значительное число забучиваний -4-5 на 1000 т транспортируемого угля, имеют низкую износостойкость (4-12 мес), приводят к увеличению на 25-30% доли частиц класса -0.5 мм. Необходимость обеспечения эффективной работы безнапорного гидротранспорта в настоящее время возросла в связи с использованием на отдельных участках и шахтах традиционной «сухой» технологии, работающих в сложных горно-геологических условиях, средств гидромеханизации, в особенности гидротранспорта. Это обусловлено тем, что безнапорный гидротранспорт сыпучих материалов (уголь, порода, песок и др.) является более простым, производительным, безопасным и экономичным по сравнению с другими видами транспорта. Несложное и быстрое наращивание става желобов, простота соединений между собой, удобство загрузки материалов и быстрое разбучивание става делают этот вид транспорта перспективным для шахт и локальных участков.
Гидротранспорт является связующим звеном между процессами отбойки и переработки угля и не должен их сдерживать. Кроме того, при транспортировании не должна существенно увеличиваться доля мелких классов угля, которая снижает его качество и, из-за слабой обезвоживаемости, способствует накоплению шламов в оборотной воде. Это предопределяет необходимость исследования и уточнения
закономерностей процесса и режимов движения угольной пульпы, увязки их характеристик с параметрами и конструкцией желобов, совершенствования методов расчета безнапорного транспорта. Решение указанных вопросов позволит расширить область применения безнапорного транспорта в угольных шахтах. Поэтому тема диссертации является актуальной.
Диссертационная работа связана с планами научных исследований институтов СибГГМА и ВНИИгидроуголь, выполненных в рамках Отраслевой научно-технической комплексной программы Минтопэнерго РФ «Уголь России» (проект 0-23) и Государственной научно-технической программы «Недра России» (тема 2.1.), а также договорными работами с шахтами Кузбасса.
Целью работы является расширение области применения и повышение эффективности безнапорного гидротранспорта в шахтах за счет совершенствования конструкции и параметров желобов, расчета и выбора режимов движения угольной пульпы.
Идея работы заключается в использовании связей закономерностей и режимов движения пульпы с параметрами открытого двухфазного потока и гидротрассы для обоснования рациональных условий безнапорного транспортирования угля в шахтах.
Задачи исследований:
установить связь критической скорости и транспортирующей способности двухфазного потока с максимальным размером перемещаемых кусков угля и параметрами гидротрассы;
выявить режимы движения пульпы;
обосновать критерии эффективности использования
гидротранспортных желобов различного типа;
оптимизировать параметры и форму профиля желобов;
выявить закономерности износа желобов и разработать способы защиты их внутренней поверхности при транспортировании пульпы;
сравнить измельчаемость угля и риск забучивания гидротрасс с различными конструктивными параметрами;
усовершенствовать методы расчета и обосновать условия эффективного применения безнапорного гидротранспортирования угля.
Методы исследований:
анализ и научное обобщение отечественного и зарубежного опыта гидротранспортирования твердых сыпучих материалов для качественной оценки факторов, определяющих его эффективность;
методы гидромеханики и теории вероятностей для установления закономерностей безнапорного транспортирования угольной пульпы, измельчения угля, износа и риска забучивания желобов;
методы оптимизации для определения рациональных параметров и формы профиля желобов;
шахтные наблюдения для оценки эксплуатационных характеристик гидротранспортных желобов;
математическое моделирование профиля гидротрасс и энергетических характеристик потока для обоснования условий применения гидротранспорта.
Научные положения, защищаемые автором:
режимы движения пульпы (гарантированное транспортирование частиц, транспортирование без отложений в осадок, с выпадением в осадок, аварийный режим) зависят от скорости потока, содержания твердого в пульпе, максимального размера кусков угля и уклона гидротрассы;
влияние профиля и параметров желобов на эффективность и надежность гидротранспортирования определяется геометрическими и
гидравлическими характеристиками: гидравлическим радиусом, кривизной поверхности желобов, коэффициентом трения, размерами и степенью затопленности кусков угля;
комплексный критерий эффективности транспортирования пульпы, учитывающий степень использования лобового сопротивления и глубины потока, его нестационарность и транспортирующую способность, позволяет определять оптиматьный профиль и параметры желобов;
физические модели износа внутренней поверхности желобов, предложенные для условий транспортирования густых и жидких пульп, позволяют определить размер зон, нуждающихся в защите;
риск забучивания желобов может оцениваться двумя критериями: вероятностным, учитывающим возможность попадания в поток крупных кусков породы и угля или снижение его скорости ниже критической и физическим - базирующимся на анализе соотношения сил трения частиц о поверхность и сталкивания их потоком;
условный дополнительный уклон при транспортировании пульпы зависит от массового отношения твердой и жидкой фаз потока, уклона трассы и формы профиля желобов;
расширение области применения безнапорного гидротранспорта реализуется за счет уменьшения критического уклона гидротрассы, допуска вариации формы ее профиля и базируется на совершенствовании методов расчета и средств для перемещения пульпы.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:
использованием классических методов гидромеханики для выявления закономерностей безнапорного гидротранспортирования двухкомпонектных смесей;
соответствием основных закономерностей транспортирования пульпы физическим законам и качественным представлениям о влиянии отдельных факторов на его эффективность;
незначительной погрешностью (+15%) результатов теоретических исследований по определению зоны износа желобов по сравнению с результатами шахтных наблюдений;
соответствием теоретических оценок и фактических данных по забучиванию гидротрассы (разброс не превышает +_20 %);
практикой эффективного применения желобов новых конструкций на гидрошахтах и гидроучастках Кузбасса.
Научная новизна работы состоит:
в установлении связи критической скорости потока пульпы с геометрическими параметрами профиля желобов и максимальными размерами кусков угля;
в выявлении режимов движения пульпы в зависимости от скорости потока, размеров кусков угля и уклона гидрограссы;
в установлении аналитической связи транспортирующей способности потока с основными геометрическими и гидравлическими параметрами желобов и трассы, а также структурой перемещаемого материала;
в обосновании комплексного критерия эффективности безнапорного транспортирования угольной пульпы;
в определении оптимальных параметров и формы профиля желобов;
в разработке физических моделей износа дна желобов и определении размеров зон, нуждающихся в защите;
в установлении связи риска забучивания гидротрассы с параметрами и формой профиля желобов;
в обосновании критического уклона допустимой вариации профиля и параметров гидротрасс.
Личный вклад автора состоит:
в обосновании критериев оценки эффективности безнапорного транспортирования угольной пульпы;
в разработке физических и математических моделей движения пульпы по желобам, их износа и забучивания гидротрассы;
в оптимизации параметров и формы профиля желобов;
в обосновании возможности расширения области применения гидротранспорта на шахтах;
в разработке конструкции и технологии производства желобов и оснастки;
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:
использовать установленные закономерности процесса безнапорного гидротранспортирования пульпы для совершенствования методов расчета параметров гидротрасс;
расширить область применения безнапорного гидротранспорта на выработки с малым уклоном и вариацией формы профиля;
повысить надежность транспортирования пульпы за счет снижения риска забучивания;
снизить интенсивность образования мелких классов угля при гидротранспортировании;
увеличить срок эксплуатации желобов, исключив необходимость их полной замены из-за износа;
Реализация работы. Закономерности безнапорного
транспортирования пульпы используются институтом ВНИИгидроуголь
при разработке технических проектов гидроучастков и в учебном процессе на кафедре РПМ СибГГМА при курсовом и дипломном проектировании.
Желоба новой конструкции применяются на шахтах Кузбасса и объем их внедрения составляет более 2-х тыс. м. в год.
Апробация работы. Работа и ее отдельные этапы докладывались на: технических советах шахт АОУК «Прокопьевскуголь», «Кузнецкуголь», АООТ «Беловоуголь» (1994-1997 гг.), Всесоюзной научно-технической конференции по развитию гидравлической технологии добычи угля (г. Новокузнецк, 1992 г.), научном семинаре кафедры РПМ СибГГМА (г. Новокузнецк, 1997 г.), секциях Ученого Совета ВНИИгидроуголь (1993-1995 гг.), 3-й Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (г. Новокузнецк, 1996 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 127 стр., в том числе: 20 рис., 12 табл., список литературы из 90 наименований и приложения.