Введение к работе
з
Актуальность работы. Добыча угля гидравлическим способом является одной из перспективных технологий разработки полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях.' Положительные результаты, полученные на гидрошахтах" «Красногорская» и «Тырганская», способствовали тому, что в последнее время построены гидроучастки и на шахтах «Коксовая», им. Ворошилова, им. Дзержинского, «Зиминка» ОАО «Прокопьевскуголь».
Достоинством гидротехнологии является высокая безопасность, "дости
гаемая за счет дистанционного управления процессом выемки угля, а недостат
ком - высокая энергоемкость добычи угля, которая связана с низкой произво
дительностью гидромониторов. Наибольшие энергозатраты отмечаются при
проведении подготовительных выработок в условиях, где доля энергии горного
давления, затрачиваемая на разрушение массива,'проявляется незначительно, а
решающее значение принадлежит энергии гидравлической струи, зависящей от
конструкции гидромонитора и его элементов струеформирования.' Повышение
эффективности формирования струи в гидромониторах за счет выбора успо
коителей и насадков — один из путей уменьшения энергоемкости гидротехноло
гии. ' _" - ,. '* .'","'./
До настоящего времени при создании гидромониторов основное внима
ние уделялось повышению их надежности и минимизации гидравлического со
противления проточной части, без модификации струсформирующих уст
ройств. Для определения производительности использовались эмпирические
зависимости, которые не оценивали в полной мере влияния качества гидромо
ниторной струи на ее разрушающую способность. Это затрудняло обоснование
технологических требований к гидромониторам по фактору эффективной от
бойки угля. -
В связи с этим исследования, направленные на повышение эффективно
сти использования подводимой к гидромонитору энергии для гидравлического
разрушения, базирующиеся на изучении динамики струи и процессов ее фор
мирования в стволе гидромонитора, являются весьма важными. Изучение взаи
модействия гидромониторной струи с угольным массивом позволит обосновать
технологические требования к созданию эффективных струеформирующих
устройств гидромониторов, повысить их технико-экономические показатели за
счет определения рациональных параметров отрабатываемых заходок и безо
пасность проведения подготовительных выработок." *
Таким образом, обоснование технологических требований к гидромони
торам для эффективного разрушения угольного массива в подготовительных
выработках является актуальной научной задачей. ' *
Соответствие диссертации планам НИР. Исследования проводились в рамках планов НИОКР института ВНИИгидроуголь в 1981 — 2000 годы по темам: «Провести комплекс поисковых исследований с целью разработки малоэнергоемкой технологии выемки угля на основе применения управляемого про- ; цесса гидравлического разрушения и улучшения динамических характеристик струй» (039400800-032) и «Разработать и внедрить методы повышения эффек-
тивности гидроотбойки угля путем управления динамическими характеристиками струй и состоянием массива» (030010300-032) и, а также инициативным работам НФИ КемГУ в 2001 — 2004 годы по направлению «Изыскание резервов снижения энергоемкости гидравлической технологии добычи угля».
Цель работы. Повышение эффективности применения гидромониторов при проведении подготовительных выработок за счет обеспечения требуемых технологических параметров гидравлического разрушения угольного массива.
Идея работы заключается в обосновании критериев качества гидромониторов, используя установленные зависимости динамического давления по длине гидромониторной струи от технических характеристик гидромонитора и прочностных свойств угля.
Задачи исследований:
обосновать критерии качества формирования струи в подземном гидромониторе и установить зависимость распределения динамического давления в гидромониторной струе от расстояния до насадка;
провести стендовые испытания успокоителей и насадков для определения их роли при формировании гидромониторной струи;
определить зависимость динамических характеристик струи от предела прочности угля для оценки производительности гидромонитора в подготовительных выработках различных форм и размеров;
обосновать рациональную длину заходки в подготовительном забое для обеспечения максимальной скорости ее проведения при минимальных энергозатратах;
разработать методику оценки требуемых технических характеристик гидромонитора для определения рациональной области его применения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов, включающий анализ технологии и опыта гидравлической добычи угля, обобщение научно-технических разработок в области формирования струй и гидравлического разрушения; методы математического моделирования для описания динамических характеристик струи и взаимодействия струи с угольным массивом; численные методы для вычисления объемных интегралов; методы математической статистики для обработки результатов стендовых и шахтных испытаний; стендовые исследования динамики струи и процессов струеформирования в гидромониторах для корректировки теоретических зависимостей; хрономегражные наблюдения за процессами гидравлического разрушения угольного массива для проверки адекватности изменения производительности гидравлического разрушения по длине струи.
Научные положения, выносимые на защиту:
характер распределения динамического давления в гидромониторной струе позволяет выделить эффективное ядро, определяющее рабочую длину струи в зависимости от предела прочности угля;
совокупность требований к техническим характеристикам гидромониторов базируется на результатах обоснования параметров качества струи, обеспечивающих эффективность гидроотбойки угля; , .
5,
производительность гидромонитора в подготовительных выработках шахт является функцией, увязывающей технические его характеристики, коэффициент осевого динамического давления, площадь эффективного ядра разрушения и предел прочности угля; < »
зависимость производительности гидравлического разрушения по длине; струи позволяет устанавливать рациональную длину заходки при проведении подготовительных выработок с учетом их геометрии и прочности угля при минимуме энергозатрат; ..--,
методика оценки требуемых технических характеристик гидромонитора по результатам стендовых испытаний обеспечивает выбор области рационального применения гидромониторов в широком диапазоне горно-геологических условий. .... , .., , ...
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается
корректностью уравнений автомодельных струйных течений, адаптированных к условиям движения гидромониторной струи, и удовлетворительной сходимостью полученных результатов с экспериментальными данными, с; погрешностью не более 10%;
удовлетворительным соответствием характеристик струй различных струеформирующих устройств при стендовых исследованиях и выемке угля в промышленных условиях; , . ,
отклонением расчетной производительности гидравлического разрушения от фактической, полученной в условиях гидрошахты «Юбилейная»; захронометрировано 500 м проведенных выработок, при этом расхождение не превысило 15%; -
положительными результатами шахтных испытаний опытного образца модернизированного гидромонитора ГДМС 12-10 с параметрами, установленными в стендовых условиях на шахтах «Тырганская» (добыто 23 000 т угля) и «Красногорская» (добыто 14 000 т угля). .:.--.'.,.'
Научная новизна работы заключается в;.
установлении зависимости динамического давления по длине гидромониторной струи, эффективное ядро которой ограничивается минимальным давлением, необходимым для разрушения угля;
обосновании критериев качества гидромонитора; «коэффициента дальнобойности», «коэффициента компактности» и «коэффициента осевого динамического давления»; . - t
разработке комплекса технологических требований к гидромониторам по. обеспечению эффективного разрушения угля в подготовительных выработках;
установлении максимума производительности гидромонитора по разрушению, рациональной длины заходки и минимума затраченной энергии.
Личный вклад автора состоит: ...-.'
- в разработке экспериментально-аналитической модели гидромониторной
струи, где коэффициенты, характеризующие начальные условия истечения, оп
ределяются по результатам стендовых испытаний; .
в обосновании критерия качества гидромонитора, позволяющего оценить эффективность струеформирования и определить его производительность разрушения угля; . -
в установлении зависимости производительности гидромонитора по разрушению угольного массива от эффективного ядра струи на различных расстояниях от насадка; --... :. .-.
в проведении стендовых исследований насадков и успокоителей как основных струеформирующих устройств, определяющих качество гидромонитора, для определения их эффективных параметров;
в промышленных испытаниях гидромониторов, технические параметры которых предварительно определялись стендовыми испытаниями; '
в разработке методики оценки технических параметров гидромонитора по результатам стендовых испытаний для выбора области рационального их использования.'- ' "л<
^Практическая ценность работы.* Результаты проведенных исследова
ний позволяют і
- оценивать качество серийных и вновь разработанных гидромониторов и
устройств струеформирования путем определения параметров качества струи;
' - определять производительность разрушения угля гидромонитором с уче
том динамических характеристик его струи; ,. -
- обосновывать на стадии проектирования гидроучастка рациональные па
раметры подготовительных выработок при гидравлическом разрушении угля;
'- повысить производительность гидравлического разрушения в подготовительных выработках на 20-30% за счет применения успокоителей, увеличивающих динамическое давление струи в 1,2 - 1,4 раза; :
-'- определять область применения гидромонитора по результатам его стен
довых испытаний. '. ...-.'' ;
Реализация работы. Идеи и закономерности, полученные в ходе исследований, реализованы при разработке '
норм оценки качества струи подземного гидромонитора как средства гидравлического разрушения (в технических условиях на гидромонитор ГДМС 12-10 по теме «Разработать и внедрить методы повышения эффективности гидроотбойки угля путем управления динамическими характеристиками струй и состоянием массива»); - - - . :.>:'«
рекомендаций для струеформирующих устройств модернизированного гидромонитора ГДМС 12-10 (в опытном образце по теме «Разработать и внедрить методы повышения эффективности гидроотбойки угля путем управления динамическими характеристиками струй и состоянием массива»);
натурного стенда, построенного во ВНИИгидроугле для исследования водяных струй, и типовой методики проведения1 испытаний серийных и экспериментальных гидромониторов; " -..^-
паспортов проведения выемочных печей по пласту 25 в условиях ш.«Юбилейная» и подэтажных штреков по пласту «Двойной» ш.Тырганская.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции по вопросам гидродобычи (Кемеро-
во, 1985); на VI Всесоюзном научном совещании по теоретическим и приклад
ным аспектам турбулентных течений «Турбулентные течения и техника экспе
римента» (Таллинн, 1989); на Всесоюзном научно-техническом совещании
«Технология разработки угольных пластов гидравлическим и механическим
способом при управлении кровлей с закладкой выработанного пространства»
(Москва, 1990); на секциях Ученого совета института ВНИИгидроуголь (Ново
кузнецк, 1986-1991); на 6-й Всероссийской конференции «Краевые задачи и ма
тематическое моделирование» (Новокузнецк, 2004); на научном семинаре фа
культета информационных технологий НФИ КемГУ (Новокузнецк, 2005). .< -
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 пе
чатных работах, включая 5 авторских свидетельств. ,;. ; -. :..;.-.;
:., Структура и объем работы. Диссертация состоит из .введения, четырех
разделов, заключения, списка литературы, содержащего 91 наименование. Об
щий объем работы—133 страница.; ':;. , ; ' . , " .
