Введение к работе
Актуальность работы. Развитие подземной добычи угля в России на протяжении последних пятнадцати лет характеризовалось, вплоть до 1998 г., снижением объемов и удельного веса в общем балансе угледобычи. Только в последние годы наметилась тенденция роста объемов добычи угля подземным способом (94,1 млн. т. в 2004 г.)
Несмотря на увеличение, начиная с 1993 г., нагрузки на очистной забой с 485 до 1370 т/сут (в том числе на комплексно-механизированный с 719 до 1760 т/сут) и производительности труда рабочего на добыче с 66,3 до 137,7 т/мес, а также наличие 20 бригад, обеспечивающих нагрузку на очистной забой более 1 млн. т в год, и одной бригады, добывшей в 2002 г. 3,2 млн. т угля, оснований для оптимистических прогнозов развития подземного способа добычи практически нет.
Основными причинами наличия такого положения в отрасли служат недостатки традиционных технологий подземной добычи и значительный износ основных фондов шахт, чрезмерная ориентация в отрасли только на комплексно-механизированную добычу угля (94,8% в 2004 г), динамика ввода и выбытия мощностей, при которой выбытие мощностей угольных шахт в 6-8 раз превышает их ввод.
Одним из направлений выхода из сложившейся в отрасли ситуации (продление срока жизнедеятельности угольных шахт, увеличение полноты извлечения запасов как списанных, так и из целиков различного назначения, вовлечение в отработку запасов высококачественных углей тонких крутонаклонных и крутых пластов, в первую очередь в сложных условиях ведения горных работ как на действующих, так и закрывающихся шахтах) является разработка нетрадиционных технологий добычи, первичной переработки и транспортировки угля потребителю, основу которых составляют высокопроизводительные и надежные элементы бесшахтного, подземного, комбинированного и гидравлического способов добычи.
В России и ряде зарубежных стран развивается принципиально новое направление в области добычи угля, основанное на переводе полезного ископаемого в месте залегания в подвижное состояние и выдаче его на поверхность, реализуемое геотехнологическими способами.
Геотехнологические способы современного поколения представлены подземной газификацией угля (ЛГУ), скважинной гидравлической добычей угля (СГД), подземной гидрогенизацией (pacjrB^p^iftftttWfMBjllSHWfe и прямым по-
лучением энергии из пласта (экстракцией) угля (ПЭУ). С точки зрения уровня развития технологии и техники, а также потребительских свойств конечной продукции в виде пульпы, на сегодняшний день наиболее подготовленной к промышленному внедрению является технология скважинной гидравлической добычи (СГД). Ее основным достоинством, равно, как и классической гидротехнологии, является возможность отрабоїки запасов угля в осложненных горно-геологических и производственно-технических условиях при обеспечении высокой интенсивности и поточности, производственной гибкости и синхронизации режимов выполнения комплексов рабочих процессов.
Исследованиям, направленным на разработку нетрадиционных, в том числе скважинных, технологий на современном этапе развития научно-технического прогресса в угледобывающей отрасли, посвящены работы ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, ИПКОН РАН, ВНИМИ, ИГД СО РАН, Института угля и углехимии СО РАН, ВНИИгидроугля, УкрНИИгндроуг-ля, ДонНИИ, ДонГТУ, МГГУ, С-ПбГИ, КузГТУ, СибТИУ и многих других организаций.
Однако результаты этих исследований не привели к созданию перспективных технологий, реализуемых по принципу единой производственной системы «добыча - первичная переработка - транспортирование угля потребителю» с использованием интегрированного потенциала всех известных на сегодняшний день способов добычи угля.
Таким образом, можно констатировать, что исследования, направленные на разработку технологических решений по промышленному освоению скважинной гидравлической добычи угля на горных предприятиях нового технико-экономического уровня, с полным основанием могут быть квалифицированы как весьма актуальные.
Целью работы является установление закономерностей функционирования и механизма согласования основных подсистем горного производства для разработки прогрессивных технологических решений по промышленному освоению скважинной гидравлической добычи угля, обеспечивающей высокую эффективность и безопасность отработки запасов в осложненных горногеологических и производственно-технических условиях.
Основная идея диссертации заключается в реализации системного подхода к разработке прогрессивных технологических решений по добыче, первичной переработке и транспортировке угля потребителю на базе интегрирования геотехнологического, подземного и комбинированного способов реализа-
* »*>**..?»<«
* *до 9Ш ё\'
ции потенциала гидроэнергии и обеспечения высокого уровня адаптивности к изменяющимся условиям горного производства.
Методы исследований. В диссертации использован комплексный метод исследований, включающий: технико-экономический анализ, научное обобщение состояния и прогнозирование развития научно-технического прогресса технологии добычи угля; системный анализ технологических решений для разработки концепции, механизма, принципов проектирования и выделения основных подсистем комплексов СГД; аналитические, стендовые, экспериментально-аналитические и шахтные исследования основных подсистем технологии скважинной угледобычи с использованием специально разработанных методик для выявления резервов повышения их производительности и работоспособности; математическое моделирование и численные методы реализации алгоритмов геомеханического обоснования параметров скважинной гидротехнологии.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Высокая конкурентоспособность скважинной гидротехнологии при отработке запасов угольных пластов в осложненных горно-геологических и производственно-технических условиях, для которых отсутствуют высокопроизводительные технологии добычи, обеспечивается посредством создания интегрированной системы производств по добыче, первичной переработке и транспортировании угля потребителю.
-
Классификация комплексов СГД, первичной переработки угля и осветления технологической воды, учитывающая специфику вскрытия и подготовки выемочных блоков, схем и режимов разрушения угольного массива, безнапорного и напорного гидротранспорта, способов управления горным давлением, обезвоживания угля и осветления технологической воды, позволяет объективно выявить состав, структуру и параметрические связи основных производственных подсистем, необходимых для разработки прогрессивных технологических решений по промышленному освоению скважинной гидравлической добычи угля.
-
Приоритетными технологическими решениями, обеспечивающими высокую производительность и безопасность скважинной гидротехнологии, являются ее базовые варианты схем СГД (с земной поверхности; из подземных горных выработок и комбинированным способом), базирующиеся на вскрытии выемочных блоков скважинами, предварительной подготовке запасов к отработке, выемке угля скважинными гидромониторными, тонкоструйными или
механогидравлическими агрегатами, первичной переработке угля и транспортировании его потребителю.
4. Интенсивность технологии выемки угля как основной подсистемы СГД реализуется посредством применения различных вариантов скважинных агрегатов (гидромониторных, тонкоструйных и механогидравлических), а также за счет эффективного функционирования подсистем безнапорного и напорного гидротранспорта при рациональных значениях параметров скважин и конструкций струеформирующих частей скважинных агрегатов.
5. Высокая производительность гидромониторного скважинного агрегата
(АСГ) достигается за счет рационального струеформирования и применения
режимов двух- и трехструйного гидравлического разрушения угольного масси
ва при оптимальных значениях давления воды, диаметра ствола и насадок, рас
стояния между насадками и их расположения в условиях непрерывной подачи
воды к агрегату.
6. Использование подвижных органов разрушения угольного массива
«перекрещивающимися струями» при постоянном прижатии струеформирую
щих устройств к плоскости забоя интенсифицирует работу тонкоструйных
скважинных агрегатов (АФТ, ГВМ) при рациональных значениях начального
давления воды, диаметра насадок, расстояния между тонкими струями и углах
воздействия струй в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
-
Высокий уровень достоверности результатов обоснования раииональ-ных параметров скважинной гидротехнологии (размеров блоков, отрабатываемых полос, заходок, целиков различного назначения) обеспечивается посредством численного моделирования методом конечных разностей (характеристик геомеханической обстановки нормальных напряжений, деформаций, моментов и поперечных сил) в любой точке исследуемого углевмещающего массива включая целики, скважины и горные выработки.
-
Высокая адаптивность различных вариантов технологических решений по освоению скважинной гидравлической добычи угля в рамках интегрированной системы «добыча - первичная переработка - транспортирование угля потребителю» к изменяющимся горно-геологическим и производственно-техническим условиям обеспечивается за счет направленного изменения параметров выемочных блоков, схем выемки угля, применения различных выемочных агрегатов, технических средств первичной переработки, обезвоживания угля и осветления технологической воды.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
значительным объемом аналитических, стендовых, экспериментально-аналитических и шахтных исследований основных подсистем технологии сква-жинной угледобычи;
удовлетворительной сходимостью результатов исследований с фактическими показателями функционирования основных подсистем комплексов СГД, первичной переработки и транспортировки угля потребителю (расхождение не превышает 10-15%);
непротиворечивостью концепции, механизма и методических принципов разработки комплексов СГД угля сложившимся представлениям системности и согласованностью с алгоритмами обоснования параметров технологических систем, гидрошахт, гидроучастков, гидромодулей и локальных гидрокомплексов;
положительными результатами использования методик разработки гидромониторных и тонкоструйных агрегатов, определения производительности основных подсистем скважинной гидротехнологии, проектирования комплексов СГД угля.
Научная новизна работы:
-
Разработана концепция создания комплексов СГД, первичной переработки и транспортировки угля потребителю на принципе системной увязки функциональных элементов геотехнологического, подземного и комбинированного способов добычи полезного ископаемого.
-
Разработаны основные принципы создания комплексов СГД, обеспечивающих добычу, переработку и транспортирование угля потребителю в конкретных условиях, отличающихся малооперационностью и поточностью производства, высокой адаптивностью к изменяющимся горно-геологическим и производственно-техническим условиям.
-
Разработана классификация комплексов СГД, первичной переработки угля и осветления технологической воды, являющая научную основу синтеза рациональных вариантов их технологических систем.
-
Систематизированы способы повышения производительности подсистемы разрушения угольного массива струей или струями, предусматривающие воздействие на динамические характеристики струи, структурные и прочностные характеристики угольного массива и механизм гидравлического разрушения.
-
Предложена методика определения производительности подсистемы разрушения угольного массива струями при СГД, отличающаяся режимами (одно-, двух-, трех- и тонкоструйного) разрушения, а также скорректированы зависимости для определения производительности подсистем безнапорного и напорного гидротранспортирования.
-
Разработана меюдика обоснования параметров скважинного гидромониторного агрегата для бурения скважин и очистной выемки угля, а также сформулированы технологические требования к подсистемам безнапорного и напорного транспорта, обезвоживания угля и осветления технологической воды.
-
Разработана методика геомеханического обоснования параметров технологии скважинной добычи угля (параметры выемочных блоков, отрабатываемых полос и заходок, расстояние между целиками различного назначения и их размеры) на базе оценки напряженно-деформированного состояния и силового режима исследуемой области массива, включающего целики различного назначения и горные выработки.
-
Разработаны методические принципы обоснования проектных решений по созданию комплексов СГД, переработки и транспортировки угля потребителю, критериальной базой которых является уровень производительности основных подсистем скважинной гидротехнологии.
Научное значение диссертации заключается в разработке методологической базы реализации системного подхода к разработке прогрессивных технологических решений по эффективному использованию потенциала гидроэнергии при отработке запасов угля в осложненных горно-геологических и производственно-технических условиях в рамках технологических комплексов СГД угля.
Практическое значепие диссертации заключается:
в разработке рекомендаций по промышленному освоению скважинной гидравлической добычи на базе применения комплексов СГД, первичной переработки и транспортировании угля потребителю для отработки запасов в осложненных горно-геологических и производственно-технических условиях Кузбасса, Приморья, Сахалина и других районах;
создании банков данных скважинной гидравлической добычи угля и разработанных базовых вариантах технологических схем СГД угля;
разработке предложений по повышению полноты извлечения запасов на основе управления горным давлением удержанием кровли на различных цели-
ках, параметры и расстояние между которыми изменяются как по мере отработки вынимаемой полосы угля, так и выемочного блока;
разработке рекомендаций по прогнозированию характеристик проявлений геомеханических процессов в углевмещающем массиве при реализации технологии СГДугля;
установлении области эффективного применения скважинных агрегатов (гидромониторных, тонкоструйных и механогидравлических);
обеспечении эффективной отработки запасов угля на действующих, ликвидируемых и закрытых угольных шахтах в осложненных горно-геологических и производственно-технических условиях с использованием технологических решений по освоению СГД угля.
Реализация результатов работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные в диссертации, использованы при составлении каталога «Оборудование и технологические схемы для подземной гидравлической добычи угля» и разработке: «Методики расчета параметров гидравлической выемки угля в коротких очистных забоях»; «Методики проектирования скважинного гидромониторного агрегата для бурения скважин и очистной выемки угля»; «Методики исследований в шахтных условиях технологии сква-жинной добычи угля»; «Методики выбора параметров технологии добычи угля с предварительным разупрочнением угольного массива и закладкой выработанного пространства отходами производства»; «Методики проектирования комплексов СГД переработки и транспортировки угля потребителю», одобренных компанией «Росуголь».
Рекомендации по обоснованию параметров технологической схемы сква-жинной гидротехнологии применительно к условиям пласта «Мощный» гидрошахты «Тырганская» ООО НПО «Прокопьевскуголь» использованы при разработке проекта выемочного участка.
Результаты исследований используются в учебном процессе Московского государственного горного университета при подготовке горных инженеров по специальности 090200 - «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых».
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (Москва, 1989); Научно-технической конференции «Экологические проблемы горного производства, переработки и размещения отходов» (Москва,
1995); Международном симпозиуме «Современное горное дело: образование, наука, промышленность» (Москва, 1996); Научно- технических семинарах по проекту № ESIB9303 Tacis (Новокузнецк, Саарбрюккен, Антверпен, Лондон, 1996); Научных симпозиумах в рамках «Недели горняка» (Москва, 1997-2005); научно-технических советах государственной угольной компании «Рос-уголь» (Москва, 1994-1996); научно-технических советах Комитета по угольной промышленности Минэнерго России (Москва, 1996-2001); научных семинарах кафедры ТПУ - ПРПМ Московского государственного горного университета (Москва, 1993-2004); ученых советах института ВНИИгидроуголь (Новокузнецк, 1988-1992).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 39 научных трудах, включая 18 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 3 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, содержит 50 рисунков. 44 таблицы, список литературы из 292 наименований и приложения.
