Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы технологического, технического и проектного обеспечения современных направлений развития гидравлической технологии добычи угля 14
1.1 Анализ развития подземной гидравлической технологии добычи угля 14
1.2 Принципы функционирования гидротехнологии с подземным замкнутым циклом водоснабжения и ее техническое и технологическое обеспечение 22
1.3 Совершенствование нормативного и проектного обеспечения гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения 40
1.4 Основные пути решения проблем гидротехнологии, цель и задачи исследований 52
2 Разработка методической базы проектирования гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения и обоснование их технологических параметров 58
2.1 Разработка классификации методической базы проектирования гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения 58
2.2 Методика обоснования параметров очистных и подготовительных забоев 61
2.3 Методика выбора схемы подготовки и отработки выемочного столба (блока) 68
2.4 Методика обоснования параметров организации работ в выемочном блоке 73
2.5 Методика обоснования параметров подземного транспорта 76
2.5.1 Методика обоснования параметров безнапорного гидротранспорта
2.5.2 Методика обоснования параметров технического водоснабжения очистных и подготовительных забоев 78
2.5.3 Вспомогательный транспорт 92
2.6 Обоснование параметров количественно-качественной схемы переработки добываемого угля и оборотного водоснабжения гидроучастка 95
2.7 Обоснование параметров водоотлива гидроучастка 97
2.8 Выбор критерия оптимизации для обоснования пространственно-планировочных решений 98
2.9 Разработка модели технологической схемы шахтного поля с применением гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения на основе метода конгруэнтности оптимальных путей изоморфных графов 110
Выводы 114
3 Разработка технологических схем вскрытия и подготовки запасов для гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения 116
3.1 Технологические схемы вскрытия и подготовки запасов и их характеристики 116
3.2 Способы проведения горных выработок и их характеристики 134
Выводы 140
4 Моделирование процессов движения и осаждения твердых частиц в шахтных водах 142
4.1 Физическое моделирование процессов движения и осаждения твердых частиц в отстойнике 142
4.1.1 Методика проведения эксперимента движения взвешенных частиц в открытом отстойнике 142
4.1.2 Методика проведения эксперимента движения взвешенных частиц в отстойнике при разности температур входного потока и воды 145 4.1.3 Методика проведения экспериментов в отстойнике с плавающей перемычкой 149
4.1.4 Моделирование движения взвешенных частиц в отстойнике при разности температур входного потока и воды в нем 153
4.2 Исследование движения воды и фильтраций в грунте 156
4.3 Физическое моделирование нагнетания воды в водоносные пласты 165
4.3.1 Методика проведения эксперимента 165
4.3.2 Результаты физического моделирования нагнетания воды в водоносный пласт 167
Выводы 175
5 Обоснование параметров процессов выгрузки, обезвоживания шлама и его складирования 177
5.1 Технические средства выгрузки и обезвоживания шлама 178
5.2 Обоснование параметров процессов выгрузки и обезвоживания шлама на скребковом конвейере 184
5.3 Методика расчета параметров обезвоживающих комплекса и станции 199
5.4 Складирование шламов в хвостохранилищах на поверхности и способы их рекультивации 202
Выводы 208
6 Обоснование параметров процессов очистки шахтных вод 209
6.1 Очистка подземных вод в обрушенных породах отработанного пространства 209
6.2 Обоснование параметров процесса осаждения шлама в отстойниках угольных шахт 214
6.3 Методика расчета параметров электрической обработки для очистки воды 226 6.4 Очистка шахтных вод с использованием тонкослойных осветлителей 235
6.5 Методика расчета параметров очистки шахтного притока в секциях обезвоживающей станции 245
6.6 Разработка способов очистки шахтных вод в отстойниках 251
Выводы 261
7 Опыт применения технических средств гидроучастков на шахтах кузбасса 263
7.1 Применение разработанных способов, технических средств и технологических решений на гидроучастке 265
7.2 Разработка технических средств расширяющих область применения гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения 277
7.3 Разработка технических средств и способов очистки воды 294
7.4 Разработка технологических схем экологически безопасного водоотлива угольных шахт 304
Выводы 307
Заключение 312
Библиографический список
- Принципы функционирования гидротехнологии с подземным замкнутым циклом водоснабжения и ее техническое и технологическое обеспечение
- Методика обоснования параметров безнапорного гидротранспорта
- Способы проведения горных выработок и их характеристики
- Методика проведения эксперимента движения взвешенных частиц в открытом отстойнике
Введение к работе
Актуальность работы. Анализ горно-геологических условий залегания угольных месторождений показывает, что на шахтах имеются участки со сложными и особо сложными условиями добычи угля, на которых применяемые традиционные технологии приводят к снижению технико-экономических показателей. Практика списания с баланса шахт запасов со сложными горно-геологическими условиями, к которым следует отнести технологические, барьерные и другие виды целиков, приводит к увеличению потерь угля и сокращению срока службы предприятий. Низкая интенсивность отработки запасов со сложными условиями залегания пластов приводит к осложнениям в пространственном развитии горных работ.
Повышение концентрации горных работ на шахтах за счет увеличения числа очистных забоев приводит к росту количества и протяженности выработок, осложняет их проветривание и создает трудности в обеспечении запасных выходов на случаи возникновения аварий.
Объемы благоприятных запасов на действующих шахтах составляют от 1030 %, поэтому возникает необходимость комплексной отработки участков со сложными горно-геологическими условиями, которые на действующих шахтах Кузбасса составляют более 250 млн т, а в приконтурных зонах разреза 400 млн т.
Увеличение протяженности горных выработок и их поперечного сечения снижает темпы воспроизводства очистного фронта и приводит к возникновению в нем «разрывов». В связи с этим необходимы научное осмысление, разработка и реализация технических решений, обеспечивающих оптимизацию параметров за счет разделения шахтных полей на благоприятные для применения высокоинтенсивных технологий и неблагоприятные, которые эффективно могут отрабатываться с применением комбинированной, интегрированной, гидравлической и других адаптивных технологий добычи угля.
В настоящее время на перспективных угледобывающих предприятиях применяются традиционные технологические решения, не позволяющие достигнуть технико-экономических показателей зарубежных шахт, не получают развития технологии отработки запасов угля в сложных горно-геологических условиях, способные решить экономические, социальные и экологические проблемы угольной отрасли и регионов. Деление месторождения на шахтные поля и продажа их на аукционах ведет к разобщенности, выделению обособленных барьерных целиков шахтных полей, что затрудняет разработку и внедрение комбинированных технологий, а также переход к комплексному освоению угольных месторождений.
Одними из перспективных направлений решения проблемы являются комбинированное использование комплексных механизированных забоев (КМЗ) в благоприятных условиях и перевод отработки участков шахт со сложными и особо сложными горно-геологическими условиями на адаптивные технологии, к которым относится проверенная опытом гидравлическая технология добычи угля с внедрением гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения.
Анализ работы локальных гидроучастков и их проектов, проведенный для обоснования применимости гидротехнологии, показывает, что методическую базу их проектирования невозможно заполнить разработанными для гидрошахт методиками и алгоритмами. Следовательно, для их широкого внедрения необходимо проведение исследований в области разработки и выбора рациональных технических решений. Поэтому разработка технологических решений и комплексное обоснование их параметров с использованием гидравлической технологии добычи угля в интеграции с КМЗ для сложных горно-геологических условий является актуальной научной проблемой.
Целью работы являлось установление закономерностей технологических процессов и параметров локальных гидроучастков с подземным замкнутым циклом водообеспечения для обоснования эффективных технологических решений при подземной гидродобыче, обеспечивающих полноту использования георесурсного потенциала угольных месторождений.
Идея работы заключается в том, что прогрессивные технологические решения при подземной гидродобыче, обеспечивающие полноту использования георесурсного потенциала угольных месторождений, основываются на повышении эффективности очистки воды за счет инновационных технических средств физико-механического воздействия на твердые примеси.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1 Повышение эффективности добычи угля и полнота выемки запасов на современном этапе развития технологии добычи угля обеспечиваются интеграцией комплексных механизированных забоев (КМЗ) при благоприятных условиях их работы и адаптивных короткозабойных технологиях, одной из которых является гидравлическая, имеющая большой опыт применения при отработке мощных, крутых, крутонаклонных и пологих пластов при неблагоприятных горно-геологических условиях, ограниченная углом падения пласта до 4 и его мощностью до 0,7 м.
2 Разработанный комплекс методик обоснования технологических параметров гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения, комплексный критерий для выбора рациональных технологических решений и примененный метод изоморфных графов обеспечивают обоснованный выбор технологических схем вскрытия, подготовки и отработки шахтных полей в благоприятной для КМЗ и с доработкой запасов по гидравлической технологии в сложных горно-геологических условиях.
3 Предлагаемые технологические схемы вскрытия и подготовки запасов угля позволяют выделить участки шахтного поля со сложными горно-геологическими условиями для отработки гидравлическим способом и обеспечивают проветривание очистных забоев за счет общешахтной депрессии и подачи воздуха по спаренным выработкам, оконтуривающим локальный гидроучасток.
4 Установленные закономерности расслоения воды в летний и зимний периоды в отстойнике по температурному градиенту, нелинейные зависимости давления воды при нагнетании воды в пласт от его поглощающей способности при различных углах падения пласта обеспечивают выбор способов, технических средств и обоснование параметров очистки шахтных вод, выгрузки и обезвоживания шлама в подземных условиях.
5 Скорость осаждения шлама и очистки шахтных вод линейно зависит от плотности загрязняющих веществ и увеличивается в 35 раз при использовании технических средств и способов, которые позволяют осуществлять очистку шахтных вод до уровня ПДК в отстойниках на поверхности, а также снижает минерализацию шахтных вод под землей.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- достаточным количеством натурных исследований процессов загрязнения подземных вод (более 30); фильтрации химических, бактериологических, нейтральных и механических элементов (более 20), их движения в горных породах (более 60); нагнетания воды в водоносные пласты горного массива (65 опытов);
- положительными результатами внедрения технологических схем гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения, способов и технических средств на восьми гидроучастках шахт и разрезов Кузбасса;
- непротиворечивостью установленных закономерностей процессов осаждения, выгрузки и обезвоживания шлама, очистки вод шахтного притока, нагнетания очищенной воды в водоносные пласты и выдачи на поверхность, полученных в ходе лабораторных, стендовых, натурных испытаний, фундаментальным законами физики, удовлетворительной сходимостью численных значений результатов лабораторных и промышленных исследований и математического моделирования с использованием экспериментальных данных наблюдений для различных процессов с погрешностью ±1020%;
- практическим применением методик обоснования параметров гидроучастков с подземным замкнутым циклом при их проектировании;
- безаварийной и устойчивой работой систем очистки шахтных вод при притоках воды от 30 до 800 м3/ч и концентрации твёрдых частиц 120200 г/л на гидроучастках «Листвянский», «Краснобродский», «Кедровский», «Анжеро-Судженский-Южный-2».
Новизна научных и практических результатов работы
1 Обоснована область применения гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения, обеспечивающая конкурентоспособность и приоритетность гидротехнологии на современном этапе развития технологии угледобычи при отработке в сложных горно-геологических условиях мощных, крутых, крутонаклонных и пологих пластов.
2 Разработаны классификация и критерий оптимизации технических решений, методики обоснования технологических параметров гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения и предложен метод оптимизации пространственно-планировочных решений, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели работы шахты и гидроучастков в сложных горно-геологических условиях.
3 Предложены технологические схемы вскрытия и подготовки гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения, отличающиеся тем, что оконтуриванием выемочных блоков и охранных целиков спаренными и одиночными выработками, повышающими надежность проветривания очистных забоев за счет общешахтной депрессии, подачи воздуха по спаренным выработкам, поддержания выработок для исходящей струи и организации гидротранспорта пульпы в выработках, не имеющих машин и механизмов, что обеспечивается высокий уровень промышленной безопасности гидроучастков.
4. Разработаны новые технические средства и способы выемки, транспортировки, выгрузки, обезвоживания горной массы и шлама, очистки воды, которые обеспечивают эффективную реализацию гидроучастков с поземным замкнутым циклом водоснабжения в сложных горно-геологических условиях и модернизацию шахтного водоотлива.
5 Установлены закономерности расслоения воды в летний и зимний периоды времени, уточнены нелинейные зависимости давления воды при нагнетании от поглощающей способности пласта при различных углах его падения, а также обосновано использование критериев подобия Фруда и Ньютона.
6 Разработаны модели для обоснования параметров процессов обезвоживания и выгрузки шлама и методики расчета с использованием установленных зависимостей производительности процессов от конструктивных элементов технических средств.
7 Разработаны методика расчета параметров и конструкция тонкослойного осветлителя, отличающаяся продольной установкой колеблющихся пластин, сокращающих путь осаждения взвешенных и обеспечивающих сползание осевших на пластины частиц.
8 Разработаны способы очистки воды в отстойниках с использованием плавающих поперечных перемычек из теплопроводного материала и складирования шламов в многоярусные хвостохранилища и их рекультивации, основанные на делении акватории дамбами на секции и сокращении сроков их заполнения до 1,52 лет.
Научное значение диссертации заключается в разработке геотехнологических принципов для обоснования технических решений и параметров технологических схем гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения, обеспечивающих расширение области эффективного применения гидравлической технологии добычи угля, повышение эффективности горного производства и его экологической безопасности.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты работы позволяют:
- проектировать сбалансированные технологические схемы разработки пластов и шахтных полей со сложными горно-геологическими условиями с применением гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения и увязывать их в общей технологической схеме шахты;
- очистку подземных вод, производить осаждение, обезвоживание и выгрузку шлама;
- использовать методики расчета параметров при проектировании технологических схем гидроучастков, отстойников и водосборников, технических средств осаждения, выдачи и обезвоживания шлама.
Реализация выводов и рекомендаций. Научные результаты и практические рекомендации использовались при проектировании и строительстве гидроучастков шахт и разрезов: «Листвянский», «Кедровский», «Глушинский», «Карагайлинский», «Анжеро-Судженский-Южный-2» и «Анжеро-Судженский-Южный-3», «Краснобродский» и др., а также в учебных процессах ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по специальности «Подземная разработка пластовых месторождений полезных ископаемых» по дисциплине «Технологические схемы угольных шахт», Новокузнецкого филиала-института ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет» по специальности «Геоэкология», специализации «Региональное геоэкологическое проектирование», по дисциплине «Разведка и освоение месторождений полезных ископаемых». Предложенные рекомендации нашли отражение в проектной документации ООО «Проектгидроуголь-Н» для разработки технологических схем шахтного водоотлива с очисткой шахтного притока в подземных условиях.
Экономический эффект от использования результатов диссертационной работы и методической базы при проектировании гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения на шахтах «Зиминка», им. Дзержинского (г. Прокопьевск), «Тайбинская» (г. Осинники), им. Ленина (г. Междуреченск) Кемеровской области составил 1260 тыс. рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на Межвузовской научно-практической конференции «Гидромеханизация горных работ» (Новокузнецк, 2000 – 2002 гг.); Межотраслевой научно-практической конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (г. Новокузнецк, 2001, 2002, 2004, 2006 гг.); Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь (наука, образование, культура)» (г. Великий Новгород, 2002 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование» (г. Анжеро-Судженск, 2002, 2006 гг.); Региональном конкурсе изобретателей «Инновации и изобретения» (г. Кемерово, 2004-2006 гг.); I и II Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности: экологические, производственные, правовые, медико-биологические и социальные аспекты» (г. Новокузнецк, 2004, 2006 гг.); Международной выставке-ярмарке «Уголь России и Майнинг (г. Новокузнецк, 2007-2012 гг.)», Международной научно-практической конференции «Неделя горняка» (г. Москва, 2007 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 47 научных трудах: 1 монографии и 24 статьях, 14 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 22 патентах и положительных решениях по заявкам на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов и заключения, содержит 343 страницы печатного текста, в том числе 81 рисунков, 44 таблицы, список литературы из 244 наименований.
Автор выражает благодарность д.т.н., проф. Фрянову В.Н. и д.т.н., проф. Стефанюку Б.М. за методическую помощь при написании диссертации.
Принципы функционирования гидротехнологии с подземным замкнутым циклом водоснабжения и ее техническое и технологическое обеспечение
При гидравлической технологии подземной добычи угля вода используется, как энергоноситель, инструмент для разрушения горного массива и средство для транспортирования горной массы от забоя до места переработки.
Использование энергии воды для горных работ известно более двух тысяч лет [1, 15], например, в IV веке до нашей эры открытая гидродобыча применялась на россыпях благородных металлов в Испании; в I веке до нашей эры римляне применяли гидроразмыв при разработке золотоносных и оловоносных россыпей.
Зарождение основ практической гидравлической технологии разработки полезных ископаемых в России началось в начале XIX века. Энергия напорной струи была использована в 1830 г. при добыче золота на Урале.
Трудами русских ученых (П.П.Мельникова в 40-х годах XIX века, И.А.Тиме в конце XIX века и др.) был теоретически и практически обобщен опыт гидромониторной отбойки и гидротранспорта горных пород.
В 1914 г. инженерами Р.Э. Классоном и В.Н. Кирпичниковым разработан гидравлический способ добычи торфа (гидроторф). Первые опыты по использованию водяной струи для бурения шпуров и подрубки угольного пласта проводились в 1915 г. на шахте «София» в г. Макеевке инженером В.С. Кучеровым.
Развитие гидродобычи связано с успешной разработкой озокерита, организованной Н.Д. Холиным в 1928 г. на о. Челекен в Каспийском море с применением землесоса, после которого гидравлический способ производства работ стал называться гидромеханизацией, и был успешно применн на строительстве ДнепроГЭСа (1929 г.). Гидромеханизация горных работ впервые была осуществлена в 1936 году на угольной шахте треста «Кизелуголь» по инициативе инженера В.С.Мучника.
В 1937 г. были обобщены первые итоги применения гидромеханизации при подземной добыче угля и конкретизированы направления дальнейших работ на пластах крутого и пологого падения, разработаны схемы напорного и безнапорного гидротранспорта угля и др.
В 1938 г. началось строительство первой гидрошахты (трест «Орджо-никидзеуголь» в Донбассе), которая эксплуатировалась с 1939 г. по 1941 г.
В декабре 1949 г. в Кузбассе было начато строительство опытно-промышленной шахты «Полысаевская-Северная» (запущен в эксплуатацию в 1953 г.) и гидроучастка на шахте «Тырганские уклоны» (запущен в эксплуатацию в 1952 г.).
На шахтах впервые была применена полная технологическая схема добычи угля гидравлическим способом с гидроподъемом пульпы на поверхность и обезвоживанием угля на фабрике.
На шахте «Полысаевская-Северная» с суточной добычей 1000 т, была достигнута производительность труда подземного горнорабочего 92 т/мес, что почти вдвое превышала производительность на шахтах традиционной «сухой» технологии тех лет.
Научно-техническими разработками, применением и распространением гидротехнологии в Кузбассе руководил В.С. Мучник. В Донбассе работы по развитию гидравлической технологии угля проводились под руководством А.С. Кузьмича [2-6].
Сущность подземной гидротехнологии в базовом (традиционном) варианте ее применения заключается в следующем (рисунок 1.1). Рисунок 1.1 – Схема традиционной гидравлической технологии добычи угля Осветленная вода с центральной обогатительной (обезвоживающей) фабрики 1 (ЦОФ) поступает в РТВ – поверхностный резервуар технологиче ской воды 2, откуда высоконапорными насосами 3 подается в гидромониторные забои 4. Отбитый в забоях уголь, в виде пульпы, поступает самотеком по почве выработок или желобам в пульпосборник 9. Сгущенная пульпа с помощью углесосов 7 по трубопроводам направляется на перекачную станцию 8 и далее на ЦОФ. Осветленная в пульпосборнике вода переливом поступает в подземный резервуар технологической воды 6, откуда низконапорными насосами 10 подается к забоям 5, оснащенным механогидравлическими комбайнами. Пульпа самотеком по почве или желобам транспортируется в пуль-посборник. Обезвоженный и переработанный на фабрике уголь направляется потребителям: ГРЭС, металлургическим комбинатам, отгружается в железнодорожные вагоны. Шламовые воды с ЦОФ идут в пруды-отстойники, где вода очищается и возвращается из отстойника на фабрику, замыкая технологическую цепь.
Опыт работы, накопленный на гидрошахте «Полысаевская-Северная» и гидроучастке шахты «Тырганские уклоны», послужил основой для проектирования и строительства новых гидрошахт и гидроучастков в СССР и за рубежом.
В СССР первые гидроучастки и шахты построены в Кузбассе, а затем в Донбассе и Карагандинском бассейне. За период 1952-1991 гг. было добыто гидравлическим способом в Кузбассе 153,7 млн т , в Донбассе – 93,4 млн т, в Карагандинском бассейне – 1,2 млн т угля. Всего гидроспособом добыто угля около 250 млн т. В 1987 – 1992 гг. запроектированы и построены гидроучастки в Кузбассе, Грузии, на о. Сахалин, в Узбекистане и в Карагандинском бассейне.
В СНГ в 1991 г. работало 11 гидрошахт, из них 5 – в Донбассе и 6 – в Кузбассе, а. добыто в 1991 г. было 8,5 млн т угля, в т.ч. в Кузбассе – 6,2 млн.т, в Донбассе – 2,3 млн т.
Удельный вес гидравлической добычи и транспортирования угля в общей подземной добыче по угольной промышленности (бывшему Ми-нуглепрому СССР) составил в 1991 г. 2,1 %, по Кузбассу – 11,4 %, по Донбассу – 1,5 %, в Прокопьевском районе – 26,7 % [7].
За рубежом впервые гидродобыча угля в промышленных масштабах была осуществлена в 50-х годах в Китае. Затем этот способ добычи угля начал применяться в шахтах Японии, Канады, ФРГ, Франции, ПНР, ВНР, Новой Зеландии, Индии [100; 108-109].
Методика обоснования параметров безнапорного гидротранспорта
Предварительные исследования динамики образования мелких (– 0,5 мм) классов угля проводились на шахте «Юбилейная» АОУК «Кузнец-куголь» в условиях традиционной гидротехнологии (с поверхностным комплексом водоснабжения и обезвоживания угля). После этого производился перерасчет объемов образовавшихся шламов на условия технологии с подземным замкнутым циклом. Шламообразование является следствием процессов отбойки, транспортировки и переработки угля, при которых происходит его измельчение. К шламам относятся угольные и породные частицы диаметром менее 1 мм [199].
Наибольшую сложность для обезвоживания представляют мелкие (-0,5 мм) шламы.
Механизм воздействия на пласт гидромониторной струей (гидравлический удар) принципиально отличается от механизма воздействия рабочего органа комбайна (скол, механическое резание), поэтому закономерности измельчения угля при комбайновой отбойке не могут быть перенесены на гидромониторную выемку угля.
Исследования количественной связи выхода различных классов угля с параметрами гидроотбойки и крепостью угля проводились М.Н. Маркусом [82], который получил эмпирическую зависимость
Еуго=59 5,5/+ 0,5р 0,02р - 1,1у + 0,06 , где Хуго - суммарный выход угля данного класса, %;/- средневзвешенный коэффициент крепости угля по шкале М.М. Продотьяконова; р - давление воды у насадка гидромонитора, атм; у- классы (+ 100; + 50; + 25; + 13; + 6) мм.
В процессе перемещения пульпы по желобам или почве выработок происходит разрушение крупных кусков угля, истирание граней частиц и размокание породы. В результате образуется дополнительное количество мелких фракций угля и породы. Исследованиям измельчения угля при гидротранспортировании посвящены работы Б.А. Землякова, М.Ш. Гарипова, Б.П. Синюкова, В.А. Коршунова и др. [73-74, 190-191].
Отдельные зависимости статистически установлены в работах [73, 191] Б.П. Синюковым, который предложил долю Md (d - класс крупности) определять на основе формулы Md =M0 (l-Kp)T, где М0 – содержание класса крупности d до измельчения; Кp – относительная скорость измельчения. Измельчение угля, шламообразование можно рассматривать с позиции потери качества угля. Пересчет продажной цены при изменении зольности угля с величины Аio на Аi (%) и влажности с величины Wio на Wi (%) производится по формуле [210] Цi =Цio [1+0,025 (Aio – Ai) + 0,013(Wio – Wi)] руб./т, где Цio – цена тонны сортового угля различных марок при нормативной влажности и зольности, руб/т. Анализ результатов расчетов показывает, что в зависимости от качественно-гранулометрического состава, цена тонны угля одной марки может различаться в 1,2-1,6 раза.
Наличие в потоке пульпы легкоразмокаемых пород, влечет за собой повышение содержания твердого в оборотной воде и увеличение ее вязкости, что отрицательно сказывается на эффективности очистки технологической воды [58, 74].
При движении пульпы происходит интенсивное вымывание породных включений и размокание кусков породы, что приводит к снижению зольности угля и положительно отражается на его цене.
В настоящее время к поставляемому углю предъявляют жесткие требования по влажности, которые для потребителей могут быть различными.
В зимнее время влажность транспортирования угля регламентируется условиями его смерзаемости, поэтому при проектировании гидроучастков с подземным замкнутым циклом водоснабжения следует проводить расчет распределения концентрации твердой фазы и жидкости по его технологическим звеньям.
Тип и производительность средств обезвоживания угля и очистки технологической воды зависят от производительности звеньев гидроотбойки и водоснабжения, условий измельчения угля, что требует определения их параметров. Практика показывает [206, 210 и др.], что наиболее сложно обезвоживаются шламы (класс угля – 0,5 мм). С крупных частиц влага стекает или стряхивается, а на поверхности мелких задерживается за счет сил физико-химического взаимодействия молекул воды и их объединений с поверхностью частиц угля.
Интенсификация процесса обезвоживания угля позволяет сократить время взаимодействия твердых частиц пульпы, что приводило к разрушению пленки вокруг твердых частиц, препятствующей проникновению влаги в куски угля, в результате уголь не успевает промокнуть, что в целом ведет к снижению его влажности.
Исследования и эксперименты института ВНИИгидроуголь показали принципиальную возможность осуществлять обезвоживание угля в подземных условиях в ходе гидротранспорта горной массы.
Важным вопросом проектирования комбинированных технологических схем с элементами гидротехнологии является их синтез, формирование которых может быть эффективно обеспечено с помощью методов: теории графов и системного анализа, которые получили развитие в работах Е.И. Рогова, Г.И. Грицко, В.Н. Вылегжанина и др., требующие адаптации применительно к конкретным схемам.
Способы проведения горных выработок и их характеристики
Опыт работы трех механогидравлических комбайнов на доработке списанных запасов в бремсберговых целиках шахты «Есаульская» при проведении подготовительных выработок с скоростью 600-800 м/мес и объмом попутной добычи угля 25-30 тыс.т показал сопоставимость с показателями работы длинных очистных забоев в угольной промышленности [68, 95 и др.].
Подготовку следующего подэтажа (подъяруса) производят аналогичным способом, причем пульпу из забоев выдают напорным гидротранспортом в действующую камеру обезвоживания, а водоснабжение забоев производят из водосборника. Отработка подготовленных запасов производится в обратном порядке.
При подготовке бремсберговых полей, вскрытых вертикальными или наклонными стволами, основные принципы и порядок подготовки сохраняются. Обезвоженную горную массу транспортируют по действующим выработкам шахты, затем средствами подъма и транспортной системы е доставляют на склад или направляют на переработку на дробильно-сортировочный комплекс.
Системы разработки с короткими очистными забоями имеют ряд существенных особенностей, отличающих их от систем разработки на «сухих» шахтах. Это ведение очистной выемки в заходках, в которых устойчивость обнажения кровли обеспечивается за счет природной прочности пород и научно-обоснованным выбором площади обнажения, а также использованием высокопроизводительной техники разрушения угля в заходке совме-щнного с безнапорным гидротранспортом, сокращающих до минимума время очистной выемки.
Для обеспечения безопасных условий в заходке на период выемки оставляют подзавальные целики, которые предотвращают преждевременное отслоение и обрушение непосредственной кровли. Сдвижение основной кровли в выработанном пространстве и формирование опорного давления на выемочные полосы происходит при структурированном обрушении пород вокруг подзавальных целиков, служащих ядром опоры, обеспечивающих плавное оседание покрывающей толщи [208]. Поддержание подготовительных и выемочных выработок, вследствие короткого периода службы, обеспечивается анкерным креплением.
Анализ геомеханических процессов при механогидравлической и гидравлической выемке показывает, что рекомендованные технологические схемы очистной выемки угля короткими забоями (заходками) содержат противоречия:
1. Подзавальные целики формируются из краевой части угольного пласта, которая претерпевает потерю несущей способности, где происходят наиболее интенсивные процессы пластического деформирования или разрушения с проявлением отжима горной массы. Следовательно, целики не могут иметь достаточную несущую способность, чтобы поддерживать кровлю.
2. Упрочнение контурной части массива для обеспечения несущей способности с помощью анкерной крепи с закреплением стержня по всей длине создает технические сложности для ведения очистной выемки и опасность искрообразования при ударах резцов по металлическим частям анкеров.
3. В схеме проветривания очистного забоя не предусмотрена выработка для выдачи исходящей струи, а используется ненадежный вентиляционный канал через выработанное пространство.
Для устранения противоречий предложены ряд вариантов новых систем разработки, особенность которых заключается в подготовке выемочных блоков спаренными выработками.
Одним из вопросов технологии проведения подготовительных и выемочных выработок является обеспечение надежности проветривания. При механогидравлическом способе проведения выработок преимущества технологии проведения спаренных выработок усиливаются использованием гидравлического транспорта и анкерного крепления.
Технологическая схема подготовки (нарезки) выемочных блоков обеспечивает создание запасного выхода из забоя при аварийных ситуациях.
Система разработки длинными столбами по простиранию с выемкой угля короткими очистными забоями осуществляется по двум схемам.
1. Отработка из выемочных печей, пройденных от аккумулирующего до вентиляционного штрека по восстанию или диагонально к линии падения пласта. При проведении выемочных печей используются механогидравличе-ские комбайны при углах падения пласта до 18. При больших значениях угла падения пласта выемочные печи проводятся диагонально.
Подготовка выемочных блоков осуществляется проведением подготовительных выработок с оставлением между ними целика, ширина которого соответствует ширине подзавального целика. Выработки периодически, с шагом равным ширине заходки соединяют сбойками. Выемочная выработка через 30-50 м соединяется через подготавливаемую выемочную полосу с пройденной выемочной выработкой сбойкой, которая обеспечивает объединение вентиляционной схемы подготовительных забоев с общешахтной.
После подготовки выемочной полосы механогидравлический комбайн из выработки перегоняют в параллельный штрек и начинают подготовку следующей выемочной полосы. Комбайн из выработки поднимают в вентиляционный штрек и производят частичную камерную очистную выемку целика над штреком, а затем комбайн возвращается в выемочную печь и производят очистную выемку.
Методика проведения эксперимента движения взвешенных частиц в открытом отстойнике
Плотность угольного пласта для каждой скважины определяется по формуле у= 1,26 +0,009 А\ где у- плотность угля, т/м3; 1,26 - плотность угля пласта при нулевой зольности, т/м3; 0,009 - линейная константа пласта, т/м3; Ас - зольность пласта, %. Расчет дает среднюю зольность всего участка
Для получения 600 000 тонн товарного угля в год необходима средняя суточная добыча товарного угля 2000 тонн, что при 15-часовом режиме работы по добыче составит 133,4 т/ч.
Поэтому количество добываемого рядового угля в забое, следует принять равным Qm3=k-133,4 (т/ч), где к - коэффициент коррекции, учитывающий потери угля при подземной переработке, который зависит от объмов частиц менее - 0,1 мм и для пластов склонных к пылеобразова-нию составляет не менее 2,9 %.
При гидротранспорте угля по почве и желобам на среднее расстояние 500 м (от 40 до 960 м) следует ожидать увеличение мелких фракций в два раза, то есть увеличивается до 5,8 %. Количество горной массы из забоя должно быть увеличено на 5,8 %, то есть коэффициент =1,058, а среднечасовая добыча составит 133,4x1,058 = 141 TW/Ч.
Дополнительно требуется добывать уголь для собственных нужд котельной в количестве 2,9 тонн в сутки, поэтому расчтная производительность составит 142 т/ч.
Фактическая часовая производительность с учтом коэффициента спроса 0,7 должна составить 203 т/ч.
Очистные работы ведутся механогидравлическим комбайном ГПКГ с мощностью двигателя рабочего органа 55 кВт. Техническая производительность по углю Qm = 2 т/мин. Производительность комбайна при проведении выработок равна Qmnp=60-Qm-k3a2, где кзаг - коэффициент загрузки рабочего органа от полной мощности; кГПКГ - при проведении = 0,34; кГпкг- при выемке равен 0,54. Часовая производительность при проведении составит 0 =2,0-60-0,34= 40,8 т/ч. Часовая производительность при выемке составит Qm выемка =2,0-60-0,54 = 65 т/ч. Суточная добыча на один комбайн при коэффициенте спроса 0,7 при 15 часовой работе равна: при проведении выработок составляет Qmnpoe.cym= Qmnp 15-0,7 = 40,8-15-0,7 = 430 т/сут; при очистных работах составляет Qmnpoe.cym= QmочистЛ 0,7 = 65-15-0,7 = 680 т/сут.
Работу технологической схемы обеспечивают четыре комбайна ГПКГ в том числе два на проведении выработок и два на очистных работах.
При этом обеспечивается добыча: 2-4306 2-680=2220 т/сут. Для обеспечения выхода товарного угля 2000 т/сут. следует добывать: 2000-1,06 +2,9 = 2122,9 т/сут.
Сопоставление показывает, что 2123 т/сут 2220 т/сут, то есть четыре комбайна обеспечат планируемую добычу.
Вода для смыва и гидротранспорта податся насосами ШН-250-34 четырьмя ставами, в каждом последовательно работают до 5 насосов. Расход воды в каждом из четырх ставов составляет 250 м/ч. Суммарный максимальный расход 1000 м/ч. С учетом коэффициента спроса к = 0,7 расчетное количество оборотной воды составляет 700 м3/ч.
Концентрация пульпы из подготовительных выработок составит Т:Ж равна 1:6,1, из очистных забоев Т:Ж равна=1:3,9; средняя концентрация пульпы по гидроучастку Т:Ж равна 1:5.
Колебания расхода в нормальных режимах работы фактически составляет 500-1000 м/ч. Заполнение пульпо- и водосборников при запуске участка, а также после проведения ремонтных работ и подпитка системы водоснабжения в процессе работы производится за счет шахтного притока.
При переполнении водой системы обезвоживания, избыток воды проходит стадию осветления, подается шламовыми насосами или углесосами по трубам в выработанное пространство, где он фильтруется и очищенная вода поступает в систему водоотлива гидроучастка, который организуется в нижней точке вентиляционного бремсберга.
При большом шахтном притоке (весенний и осенний периоды), откачка воды может производиться с использованием насосов и углесосов, подающих воду в очистные и нарезные забои, поэтому в сети водоводов предусматривается задвижка аварийной откачки воды.
Аккумулирующий штрек в процессе отработки панели выполняет функцию дренажного штрека. В ходе очистных работ параллельный штрек гасится, а дренируемые из выработанного пространства притоки шахтных вод отводятся по сбойкам на аккумулирующий штрек. При изоляции выработанных пространств с этой целью в перемычках закладывают водоспускные трубы достаточного сечения. Отвод основного объема шахтного притока производится, таким образом, обособленно от угольной пульпы.
Вместимость водосборника участкового водоотлива рассчитана на двухчасовой приток воды. При притоке менее 50 м3/ч достаточно иметь две насосных установки и один нагнетательный трубопровод. При притоке воды более 50 м/ч водоотливные установки оборудуют тремя насосами одинаковой подачи, один из которых находится в работе, второй в резерве, третий - в ремонте. Каждый из насосов откачивает нормальный суточный приток воды. Производительность насосной установки рассчитана на откачку нормального притока воды не более, чем за 18 часов в сутки. Объм участкового водосборника принимается 200 м3, производительность водоотливной установки должна быть не менее (150х24)/18=180 м/ч.
В настоящее время на стадии проектирования в основном используется критерий - минимум приведенных затрат, а на стадии эксплуатации в качестве критериев принимаются показатели: себестоимость продукции, производительность труда, прибыль, рентабельность и др. Опыт проектирования технологических схем показывает, что обоснование пространственно-планировочных решений является многокритериальным, и заключается в поиске компромиссного решения в области оптимизации по Парето.
Похожие диссертации на Обоснование эффективных технологических решений при подземной добыче угля гидравлическим способом с замкнутым циклом водообеспечения
