Введение к работе
Актуальность работы. В условиях перехода угольной промышленности на рыночные отношения остро встает проблема выживаемости нерентабельных предприятий. Одним из пер-спективнЫ'Х направлений ее решения является (перевод шахт с традиционной технологии на гидравлическую. Разработки институтов ВНИИгидроуголь, МГТУ, СибГГМА, ИГД им. А. А. Скочинскаго и др., направленные на создание адаптивных технологических схем, средств подготовки и очистной выамки, организацию лолзамного цикла водоснабжения, обезвоживания угля и осветления воды, а также технико-экономические расчеты, показали, что наиболее реальные перспективы развития гидродобычи связаны с отработкой запасов месторождений мощных крутых нарушенных пластов угля, где ^применение традиционных технологий менее эффективно.
Необходимость ускорения (внедрения гидротехнологии в сложных горно-геологических условиях определяет значительный спрос на разработку проектов гидроучасгко-в с подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды на шахтах Кузбасса, которые выполняются .в течение 0,8—1,2 г., что сопоставимо со сроком их строительства, а существенное сокращение сроков проектирования за счет увеличения числа проектировщиков и уровня квалификации не представляется реальным. Наиболее эффективный путь решения этой проблемы лежит в повышении уровня автоматизации шроектно-конструкторских работ.
Концепция обезвоживания угля и осветления технологической іводьімв подземных условиях не позволяет формально заполнить (Методическую баву (проектирования гидроучастка разработанными для гидрошахт методиками и программами и, следовательно, требует исследований в области разработки технологических схем, сбалансированных тго объемам добычи угля, расходу воды, их инженерного и нормативно-методического обеспечения.
Отличительной особенностью проектирования гидроучаст-<ка является то, что проектируемый с ее помощью объект является сложной динамической системой, в которой необходи-
мо сбалансировать внутренние технологические звенья в замкнутом цикле и осуществить імногоіфакторнуго увязку с ее инфраструктурой. До настоящего времени аналогов методической, базы проектирования гидроучастков в угольной промышленности нет.
В связи с изложенным значительную актуальность приобретает научная проблема разработки теоретических основ, методов и средств технологического и проектного обеспечения для гидроучастков с подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды, а ее решение .позволяет 'повысить эффективность работы гидроучастка, сократить сроки проектирования и повысить качество проектных решений..
Цель работы — установление 'закономерностей формирований и взаимосвязей характеристик технологических звеньев гидроучастков с подземньям замкнутым циклом обезвоживания угля и осветления воды для разработки методической 'базы проектирования, реализация которой обеспечивает повышение технического уровня и эффективности горного производства в рыночных условиях.
Идея работы заключается в моделировании структурной и количественной сбалансированности функциональных звеньев и параметров гидроучастка с их последующей пространственно-временной увязкой, в технологической схеме шахты.
Методы исследований:
технико-экономический анализ, обобщение и научно-техническое прогнозирование состояния и путей развития гидротехнологии для оценки перспектив и условий ее применения,;
системный анализ автоматизированных 'комплексов (Проектирования и управления угольными предприятиями для выделения ядра и периферии функциональных (модулей, выявления состава структуры1 и связей технологических звеньев гидроучастка;
методы свертки информации и математической статистики для минимизации информационной базы и установления зависимостей -между входными и выходными параметрами модернизируемых м етодик;.
'математическое описание основных законоімерностей формирования баланса воды и угля в гидротранспоптных системах для разработки алгоритмов оценки и методик расчета сбалансированности технологических звеньев и параметров гидроучастка;
эвристические методы и методы фильтрации при разработке и оценке эффективности активизации обезвоживания угля, осаждения шлама и осветления воды;
теория создания больших программных систем, методы структурного и модульного программирования для реализации комплексов программ в системе проектирования гидроучастков.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
І. Конкурентоспособность 'И 'приоритетность .гидротехнологии на современном этапе обеспечиваются при отработке пластов угля в сложных горно-ігеологических условиях .путем создания локальных гидроучастков с .подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды при поэтапном наращивании их мощности и пространственно-временной увязке в технологической схеме действующих шахт.
2. Теоретические основы 'проектирования гидроучастков
базируются на концепции 'предварительного структурного
анализа программного обеспечения систем различных ориен
тации с последующим выделением общего ядра и периферии.
В ядро входит комплекс функциональных задач, обеспечива
ющих достижение цели одновременно для различных автома
тизированных систем по назначению. Периферия формирует
ся специализированными функциональными задачами непо
средственно для данной автоматизированной системы.
3. Классификация технологических звеньев и технических
средств реализации модульной гидротехнологии с подземным
циклом обезвоживания угля и осветления воды по способам
аккумуляции пульпы, отбойки, транспортировки, классифика
ции, обезвоживания и сушки угля;, сгущения, обезвоживания
шлама, осветления технологической воды позволяет выявить
состав, структуру и связи основных функциональных звеньев,
необходимых для выбора и разработки различных видов обе
спечения и проектирования технологических процессов на
уровне гидроучастка.
4. Декомпозиция системы проектирования гидрошахт пред
полагает выделение по функциональному назначению техно
логических 'процессов и звеньев с образованием в замкнутом
цикле непрерывной технологической схемы, в которой элемен
ты увязаны между собой, что требует обеспечения их сбалан
сированности по определенным параіметраїм и критериям.
о. Инженерное сопровождение разработанной методической базы включает комплекс новых и модернизированных методик и нормативной документации, обеспечивающих разработку и реализацию проектов гидроучастков угольньгх шахт, при этом модернизация заключается в минимизации информационной базы, корректировке поправочных 'коэффициентов, установлении аналитических зависимостей 'между входными и выходными'параіметрами.
6. Алгоритм оценки сбалансированности технологических звеньев .гидроучастка включает їв себя последовательно-параллельные решения ряда задач: математическое моделирование процессов очистной выём.ки, итерационное определение технических и технологических параметров обезвоживающих установок, шламосборников, водосборников и отстойников, а
также возврат, при необходимости, в исходное состояние позволяет обеспечить сбалансированность функциональных звеньев гидроучастка « .пространственно-временную увязку в рамках технологической схемы шахты.
-
Интенсификация и управляемость процессами обезвоживания угля и осветления воды достигается путем использования прогрессивных технологических схем, включающих элементы активного обезвоживания угля, осаждения шлама и осветления воды на обезвоживающих установках, бункерах, <шламонакопителя.х .и отстойниках, параметрически сбалансированных « технологической цепи гидроучастка.
-
Комплекс программ по расчету параметров обезвоживающих установок, шламосборников и отстойников, представленный автономными модулями, элементы которых стыкуются информационно на входе-выходе, « 'позволяют синтезировать набор технико-технологических решений, ориентированный .качественно и количественно на проектные значения объемов добычи, влажности угля и содержания твердого в оборотной воде.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
непротиворечивостью классификации технологических звеньев и технических средств „модульной гидротехнологии сложившимся представлениям о вариантах ее реализации;
удовлетворительной сходимостью решений балансовых уравнений для всех технологических звеньев гидроучастка (85-90%);
положительными результатами лабораторных и стендовых испытаний предложенных способов и средств обезвоживания угля, и осветления воды;
положительными результатами использования методик расчета параметров технологических схем при реализации проектных решений на четырех шахтах Кузбасса;
достаточной сходимостью расчетных и [производственных показателей функционирования локальных гидроучастков (расхождение до 10%);
повышением производительности труда 'проектировщиков на 10—,1'5% и сокращением сроков проектирования на 30— 45% при автоматизации расчетов проектирования, .гидроучастков.
Научная новизна состоит:
в обосновании горно-геологических условий и технических направлений, обеспечивающих конкурентоспособность и приоритетность гидротехнологии по сравнению с традиционной;
в разработке концепции построения 'методической базы ^проектирования гидроучастков, базирующейся на структурном анализе смешанных автоматизированных систем с тюсле-
дующим выделением ядра и периферии функциональных задач;
в классификации технологических звеньев и технических средств реализации модульной гидротехнологии, позволяющей выявить структуру, состав и связи производственных процессов для разработки методической базы проектирования гидроучастков;
в формулировании новых требований к параметрам и критериям САПРгидроучаст.ков, обеспечивающим сбалансированность технологических звеньев;
в разработке алгоритмов оценки и обеспечения сбалансированности технологических звеньев гидроучастка, базирующихся на математическом моделировании процессов очистной выемки и итерационном определении технических и технологических 'параметров обезвоживающих установок,, шламосбор-ников и отстойников с их пространственно-временной увязкой в технологической схеме шахты.;
в разработке методики расчета баланса воды и угля, дифференцированно учитывающей выход твердого по классам, интенсивность осаждения шлама и распределение потоков воды в замкнутом цикле технологического водоснабжения гидроучастка;
в разработке комплекса методик, в том числе для расчета технологических параметров обезвоживающих установок (грохот, иброобезвоживатель,, фильтрующий бункер), учитывающих объемы и динамику поступления и выхода из цикла горной імассьі и воды; для расчета технологических параметров установок и устройств вывода и осаждения шлама (центрифуга, виброобезвоживатель, шламосборник, отстойник), учитывающих характер поступления остаточного продукта обезвоживания и закономерности осаждения шламов;
в обосновании вариантов и параметров технологических схем и технических средств активного обезвоживания угля, осаждения шлама и осветления воды., базирующихся на принципах применения высокочастотной вибрации горной массы и создания фильтрующего слоя у стенок шлальтовых бункеров для обезвоживания мелких классов угля и осветления воды; использования центробежных сил для осаждения шлама.
Научное значение диссертации состоит в создании методической базы 'проектирования гидроучастков, на основе выявленные заїкономерностей формирования характеристик их функциональных звеньев, сбалансированных на уровне технологической схемы шахты.
Практическое значение работы заключается ів том, что результаты выполненных исследований позволяют:
обеспечить сбалансированность технологических, звеньев гидроучастков по горной імассе и воде, создавая условия своевременного вывода шламов из оборотного цикла;
выбрать путем многовариантных автоматизированных расчетов рациональные параметры технологических звеньев и технических средств для обезвоживания угля, осветления воды и осаждения шлама с увязкой их в единую технологическую схему;
обеспечивать интенсификацию и управляемость процессов обезвоживания угля,, осветления воды и осаждения шлама;
сократить сроки и улучшить качество проектных, технико-технологических'проработок для 'гиідроучаетков;
использовать разработанное программное обеспечение в составе других автоматизированных систем, с которыми оно имеет 'Информационную, методическую и программную связь;
івключать в 'методическую базу новые результаты научных исследований и инженерных разработок по реализации гидро-технологии с подземным циклом обезвоживания угля « осветления воды;
реализовать через вычислительные центры предприятий и институтов современные методы -проектирования гидроучастков и 'внедрять их .проекты на. угольных шахтах.
Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, использованы:
при составлении 'бассейнового нормативно-методического документа «Методика расчета параметров гидравлической выемки угля в коротких заібоях»;
при 'выполнении 'проектов гидроучастков шахт « Зимин -«а», «5—6», «Северный Маганак», «Коксовая», «Центральная,»,- «Красный Углекоп», им. Калинина АОУК «Прокопьевску ль»;
при обосновании целесообразности перевода на 'гздротех-нологию и проектирования тидроучастка шахт им. Димитрова, «Байдаевская», АОУК «Кузнецкуголь»;
при разработке технического задания, технического и рабочего проектов и комплекса программ САПРтидроуча'стка, который внедрен на вычислительных центрах института ВНИИіРИДроутоль и АОУК «Прокопьевокуголъ».
Научные положения и практические рекомендации использованы /в учебных дисциплинах горных специальностей Московского государственного горного университета и Сибирской государственной горно-металлургической, академии.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты, исследований докладывались и получили одобрение на Всесоюзном совещании «АСУ ТП >в химии, нефтехимии, металлургии п энергетике» (Москва, 1973); на Всесоюзном семинаре «Механизация и автоматизация производственных процессов на .'Промышленных предприятиях» (Новокузнецк, 1975); на Всесоюзной научно-технической конференции «Практика и проблемы автоматизации управления технологическими процессами, производствами и предприятиями» (Ке-
мерово, 1982); на VII Всесоюзном семинаре «Оптимизация ігорньїх работ» (Новосибирск, 1985); на Всесоюзном научно-техническом совещании до развитию гидравлической технологии добычи угля (Новокузнецк, 1990); на научно-технических совещаниях -,по выполнению .комплексных программ «Недра России», «Уголь России» (Москва, 1992); на научных семинарах кафедры ТПУ Московского государственного горного университета (Москва, '1995); на Международной научно-практической конференции «Проблемы реформирования региональной экономики» (Кемерово, 1994); па научно-практической конференции III Международной ярмарке-выставке «Утоль-<металл» (Новокузнецк, 1994).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 45 печатных трудах, включая 5 авторских свидетельств на изобретения, 3 научно-технических отчетах, а также в технических заданиях и технорабочи* проектах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, содержит 238 страниц, в том числе 46 рисунков, 13 таблиц, 3 приложения, список литературы из 265 наименований.
Автор выражает благодарность А. С. Бурчакову Л. А. Пучкову, Ю. Н. Кузнецову, С. П. Казакову, О. В. Михе-еву, В. Н. Лритьмову, В. Н. Фрянову, С. Г. Фомичеву за методическую помощь, ценные консультации при работе над диссертацией.
