Введение к работе
Аісгуальность работы. Отечественная топливная
промышленность, испытывающая экономический кризис, должна' развиваться на основе комплексного использования всех видов топлива, в первую очередь угля. Однако, несмотря на широкое использование достижений научно-технического прогресса, угледобывающая и углеперерабатывающая отрасли остаются весьма энергоемкими и капиталоемкими. Основные, показатели угольной промышленности характеризуются снижением фондоотдачи, снижением роста проговодительности труда и ростом себестоимости добываемого угля, высоким уровнем потерь (до 50,0 %) угля в недрах из-за несовершенства традиционной технологии разработки месторождений, при этом возможности современных технических средств используются только на 30 - 50 %. Некондиционные запасы, находящиеся в зонах геологических нарушений, как правило, не включаются з процесс освоения и разработки месторождений подземным способом. При подземной разработке по простирашло пологих и наклонных пластов с углами падения до 35 практически исчерпана возможность дальнейшего расширения объемов применения существуїсгцих типов серийных средств комплексной механизации очистных работ, а по их восстанию — серийных средств комплексной механизации еще не создано.
В общей добыче угля РФ 80 % составляет уголь, который идет на нужды энергетики, в том числе 40 % на выработку электроэнергии, остальной — на выработку теплоэнергии. Однако энергетика отличается низким уровнем использования энергии, заключенной в твердом топливе — в среднем около 11— 13 %.'
Таким образом, в смежных отраслях угольной и энергетической промышленности возникла, комплексная проблема повышения полноты извлечения запасов угля и заключенной в нем энергии; снижения энергопотребления, металлоемкости и трудоемкости при добыче и использовании угля, эффективного использования и переработки угля.
Создание экономически выгодных, высокоэффективных горноэнергетических предприятий на базе энергомеханических средств, обеспечивающих наиболее .'полное и интенсивное комплексное извлечение запасов угля из недр, снижешіе тепловых потерь и затрат при выдаче газов подземного сжигания оставшихся запасов угля — центральные задачи рассматриваемой проблемы.
Цель 'работы — разработка концепции малоотходной технологии и обоснование параметров ресурсосберегающих технических средств
комплексного извлечения угля из пологонакдонных пластов средней мощности, а также способов, обеспечивающих интенсифіпсацию добычи угля и использования тепловой энергии, получаемой от сжигания оставшихся его запасов в подземных условиях.
Идея работы — максимальное извлечение запасённой энергии угля при минимуме затрат за счёт применения комбинированной технологии и системы технических средств, повышающих полноту выемки подготовленных запасов угля в подземных условиях и обеспечивающих продление срока эксплуатации горных предприятий (шахт); рассмотрение их в виде горно-энергетических комплексов, добывающих уголь и вырабатывающих тепловую и электрическую энергии на месте ведения горного производства.
Методы исследования. В работе использовался комплекс методов исследования, применяемый при создании энергомеханических добывающих, транспортных и обогатительных машин и теплотехнических комплексов: методы математической" статистики, математического моделирования, метод технико-экономического анализа. Исследования осуществлялись при проектировании, производстве (изготовлении), лабораторных, заводских, экспериментальных и промышленных испытаниях как отдельных горных машин, так и целых комплексов для подземной добычи полезных ископаемых и их переработки в условиях горных предприятий. При разработке и обосновании концепции создания технологии и технических средств, обеспечивающих подготовку разрабатываемого месторождения (средствами предварительного и опережающего осушения), традиционную и нетрадиционную выемку угля, использован системный анализ.
Основные научные положении, выносимые на защиту
1. Метод определения эффективности работы горного предприятия,
оснащённого средствами комплексного извлечения угля и
использования его энергии, как конечного результата
технолопіческих процессов, заключается в. оценке величины
эксергетического КПД, зависящего от коэффициентов извлечения и
использования угля на месте разработки. .
2. Повышение коэффициента полноты технологического
извлечения угольного месторождения и эксергетического КПД горно-
энергетического предприятия может быть осуществлено за счёт
использования средств комбинированной технологии,
предусматривающей экономически выгодное сочетание средств для
механического и геотермического методов извлечения и
использования энергии угля в. разных горно-геологических условиях
угольных пластов: в благоприятных условиях — применение
угледобывающих комплексов для длинных лав; в неблагоприятных
условиях — применение комбинащіи угледобывающих комплексов для длинных и коротких лав; в сложных условиях — применение комбинаціш угледобывающих комплексов дляг коротких лав и для частичной выемки угля, а также теплотехнических комплексов для подземного сжигания оставшегося угля, обеспечивающих последующее использование физической и химической энергий продуктов его сгорания.
-
Способ повышения эффективности работы угледобывающих комплексов без снижения достигнутой производительности в неблагоприятных условиях пологонаклонных пластов обеспечивается за счёт снижения удельных показателей энергоёмкости и металлоёмкости оборудования путём многократного уменьшения величины захвата выемочной машины и длины лавы комплекса при соответствующем увеличении скоростей подачи машины и крепления лавы.
-
Снижение удельной трудоёмкости монтажно-демонтажных и проходческих работ при эксплуатации комплексов обеспечивается использованием самомонтажных сехцпй крепи и поворота преимущественно проходческо-очистного комплекса в конце столба или перед геологическим нарушением путём применения секционного углового конвейера, изгибающегося в зоне сопряжения лавы со штреком, при этом величина трудоёмкости монтажно-демонтажных работ находится в прямой зависимости от длины фронта и угла разворота угледобывающего комплекса.
-
Повышение коэффициента использования машинного времени, эксплуатационной надёжности оборудования и уровня эксплуатационной технологичности механизированной крепи комплекса может быть осуществлено за счёт перехода на отработку угольных столбов в неблагоприятных- и сложных условиях комплексами для коротких лав.
6. Способ повышения эффективности процесса отсоса
газообразных продуктов подземного сжигания угля обеспечивается
путём импульсного использования энергии вентилятора-дымососа
высокого давления и постошшо действующей высокотемпературной
депрессии подземного теплогазогенератора, приводящей к
интенсивной естественной тяге при росте температурного градиента
газа, причём режим импульсного воздействия энергии вентилятора
осуществляется с ограниченными по времени периодами.
7. Способ повышения использования тепловой энергии при
сжигании оставшихся запасов угля и 'эффективности работы
утилизирующего теплотехнического оборудования при оптимальной
высоте огневой выработки может быть осуществлен снижением
удельных тепловых потерь в окружающий массив подземного
теплогазогенератора за счёт увеличения скорости перемещения и
температуры огнезого забоя, величина которых определяется физическим и математическим моделированием процесса, основанным на изменениях критерия подобия для процесса конвективного теплообмена.
Новизна работы заключается в: разработке концептуального подхода при создании средств и способов извлечения, переработки и использования угля в подземных условиях по комбинированной технологии отработки угольных пластов с целью повышения уровня полноты извлечения их запасов; разработке метода эксергетической оценки технических средств и технологических процессов, позволяющего объективно определять их коэффициент полезного действия и потенциальные возможности на стадии исследования, а также оценить эффективность работы угольного предприятия не по валовому количеству добываемого топлива, а по количеству энергии, содержащейся в добытом угле; разработке направлений создания средств комплексной мехаїшзации для выемки угля короткими лавами и подземного сжигания угля, позволяющих снизить величину технологических и эксплуатационных потерь угля на некондиционных и ограниченных по размерам участках шахтного поля; установлении закономерности снижения тепловых потерь в окружающую среду при возрастании температур и скорости перемещения огневого забоя по технологии подземного сжигания угля.
Научное значение работы состоит в развитии: направления создания новых горных машин и очистных механизированных комплексов с высоким техническим уровнем, обеспечивающих заданную степень механизации производственных процессов; направлений, сочетающих традиционную технологию выемки угля с нетрадиционным извлечением угля из пологих и наклонных пластов средней мощности; нового 'направления моделирования процесса тепломассообмена применительно к вмещающим породам, учитывающего критерий подобия для процесса конвективного тепломассообмена при реализации технологии подземного сжигания угля.
Практическое значение работы заключается в обосновании и разработке исходных требований и технических заданий на создание: быстроходных выемочных машин, нечелноковых узкозахватных угледобывающих комбайнов различных модификаций, Челноковых очистных комбайнов; очистных комплексов для длинных лав; комплексов для коротких лав; оборудования для сооружения промышленного участка подземного сжигания оставшихся в недрах запасов угля для получения тепловой энергии по технологии подземного сжигания угля.
Реализация выводов и рекомендаций работы заключается в их использовании при разработке: комбайнов типа КУ60 и AT;
комплексов типа ЗОКП, ОКП70 и ОКС2 (институтом МОСБАССГИПРОГОРМАШ); бурового станка.тая СБК (ПНИУИ); котлов-утилизаторов модульного типа для подземного и наземного размещения; проекта оборудования экспериментального участка «Острый» по опробованию технологии «Углегаз» ПО «Селидовуголь» и типовых решений для составления проекта подземного сжигания оставленных в недрах запасов угля с получением тешю'вой энергии для бытовых и производственных нужд (МГИ и корпорацией «Уголь России»); комплекса проходческо-очистного оборудования типа КІТО (МГИ); быстроходной выемочной машины типа БВМ для комплекса 2КМКЛ (МГГУ и ПНИУИ).
Достоверность п обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: удовлетворительной сходимостью результатов аналитических, и лабораторных исследований с фактическими параметрами'. горных машин и технологических процессов в производственных условиях; статистически обоснованным объемом выполненных измерений и наблюдений на стендах . и в шахтах; положительными результатами приемочных-испытаний опытных образцов очистного и теплотехнического оборудования, их внедрением и высокой эффективностью применения в условиях, соответствующих эксплуатационно-техническим показателям.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и получили одобрение: на секции «Комплексная механизация и автоматизация»' ЦП Общества горных инженеров и ИПК РФ (встрече специалистов по вопросу «Проблемы развития научно-технического прогресса подземного способа добычи угля» 26 -29 мая 1992 г., г. Москва); на международной научно-практической конференции «Совершенствование конструкций, технологии изготовления и эксплуатации горного оборудования и средств автоматизации» (19-23 октября 1992 г., г. Москва); на техническом совещании ГПКТИ ПТМ (в 1992 г.); на секции НТС Миннауки РФ (10 - 11 ноября 1992 г.); на межкафедральном семинаре факультета ГЭМ и ФТ МГИ 19 февраля 1993'г.; на совете ПНИУИ (в 1993 г.); на международной конференции (16 сентября 1993 г. в г. .Гливице, Польша); на научно-практическом семинаре с международным. участием (11 - 15 октября 1993 г., г. Москва); в ИГД им. Скочинского (19 ноября 1992 г.); на международном семинаре по ресурсосбережению (МГГУ, январь 1994 г., г. Москва) и на международной конференции «Горная техника на пороге XXI века» (октябрь 1995 г., г. Москва), на семинаре «Неделя горняка 2000».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 работ, из которых 16 авторских свидетельств и патентов. *
Объём н структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения; содержит приложения и список использованных источников.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам МГТУ, КУЗНИУИ, Гипроуглемаш, Гипроуглегормаш, АО КРАНГОРМАШ и ПНИУИ, АО МЭЗ, УМЗ им. И.И. Федунца, ИГД им. А.А. Скочинского, ПО «Тулауголь», ПО «Селидовуголь», ПО «Киселевскуголь» и других организаций за помощь, оказанную при создании, внедрении и проведении испытаний очистных комбайнов и оборудования угледобывающих и теплотехнических комплексов. В диссертации даются ссылки на источники, написанные совместно с другими авторами; с которыми проводились исследования. При этом вклад автора состоит в разработке концепции решения проблемы. .