Введение к работе
Актуальность работы. Перспективным направлением совершенствования сложных технологических процессов подземной добычи угля, в частности гидравлической, является математическое моделирование на ЭВМ. Гидротехнология на современном этапе ее реализации в виде локальных гидроучастков, обладая целым рядом позитивных качеств, таких как: высокая адаптивность, безопасность, производительность и экологичность, имеет недостатки - высокую энергоемкость и потери угля. Указанные недостатки проявляются в большей степени в очистном забое в процессе выемки угля в заходках. Сложность технологических процессов очистной выемки в гидромониторных забоях обусловлены особенностями управления геомеханическими процессами в очистных заходках, вариацией интенсивности отбойки угля, необходимостью осуществлять пульпоформирование.а также факторами, приводящими к отказам в технологической системе.
Для повышения производительности, снижению потерь угля и энергоемкости, выбора рациональных параметров очистных забоев и выявления внутренних технологических резервов гидравлической выемки угля, необходим анализ совместного влияния комплекса входных параметров процесса выемки угля на показатели его эффективности. Многообразие влияющих факторов, широкий диапазон их изменения и случайный характер требуют использования различных математических методов и современных средств вычислительной техники в совокупности с инженерными методами решения задач. Поэтому имитационное моделирование технологических процессов гидравлической выемки угля для обоснования параметров технологии очистных работ гидрошахт и гидроучастков является актуальной научной задачей. Настоящая диссертационная работа посвящена ее решению.
Работа выполнялась в рамках отраслевых программ Минтопэнерго РФ
и ГУК "Росуголь" по научно-техническим проблемам №№3121С, 031505,
031510 в соответствии с тематическими планами института ВНИИгидроуголь
под руководством и при непосредственном участии автора (№№ ГР
- 01826041815,0182704814,0186007192,01880039773).
Цель работы - совершенствование методической базы проектирования технологии очистных работ на гидрошахтах на основе имитационного моделирования процесса гидравлической выемки угля.
Идея работы заключается в пространственно-временной увязке взаимодействия комплекса геомеханических и пооперационных технологических процессов при построении математических моделей гидравлической выемки угля.
Задачи исследований:
исследовать технологические процессы разрушения угольного массива, пульпоформирования и режимов выеки угля в гидромониторных забоях.
обосновать критерии оценки эффективности очистных работ при гидравлической выемке угля;
разработать имитационные модели гидравлической выемки угля і пространственно-временной увязкой процессов разрушения угольного мае сива и забойного пульпоформирования с учетом их надежности.
создать программное обеспечение для реализации имитационных мо делей очистной гидравлической выемки угля;
установить оптимальные параметры процесса гидравлической вьіемкі угля для различных технологических схем очистных забоев с учетом горно геологических условий.
Методы исследований:
структурный анализ процессов гидравлической выемки угля для опре деления продолжительности и эффективности отдельных технологически: операций;
математическая статистика для оценки надежности технологически: схем выемки угля;
геомеханическое обоснование параметров очистных забоев;
имитационное моделирование для прогноза области рациональнол применения технологических схем и формирования показателей зффектив ности очистных работ;
структурное и модульное программирование для реализации имита ционных моделей.
Научные положения, защищаемые автором:
имитационная модель процесса разрушения угольного массива бази руется на интегральной связи его продолжительности с параметрами гидро монитора, очистной заходки, прочности угольного массива, включает си стему ограничений по эффективной длине струи и допустимой площади об нажения кровли;
имитационная модель забойного пульпоформирования, включающа операции дробления негабаритов, выгрузки угля и его гидротранспорта, ба зируется на уравнении устойчивости процесса гидравлической выемки упи которое ограничивает продолжительность операций забойного пульпофор мирования параметрами процесса разрушения;
обобщенная имитационная модель, включающая процессы разрушс ния угольного массива и забойного пульпоформирования, в совокупности математической моделью оценки их надежности, формирует пространен^ но-временную операционную структуру процесса гидравлической выемк угля;
методика расчета объемов добычи угля базируется на критерии my нимизации его потерь в заходках, которые зависят от высоты подэтажа, jviv ны струи и шага перестановки гидромонитора, допустимой площади обнг жения кровли и характеристик прочности угольного массива;
показатели надежности технологического процесса выемки угля 3aBt сят от уровня резервирования очистных забоев, причин и продолжителі ности отказов, которые формируются в пределах и за пределами выемочног участка;
- рациональные значения показателей производительности и энергоем
кости процесса очистной выемки достигаются в узком диапазоне значений
основных параметров: давления воды, диаметра насадка гидромонитора, на
клонной высоты подэтажа, угла наклона выемочной выработки и определя
ют область их совместного влияния близкую к оптимальной.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается и подтверждается:
достаточным объемом хрономегражных наблюдений (в течение 5 лет) в условиях шахт "Тырганская", "Красногорская" и "Инская" по пластам I, II, III и IV Внутренние, Мощный, Проводник, Полысаевский II и др.;
построением логически непротиворечивых структурных и математических моделей процессов очистной гидравлической выемки угля, учитывающих физические, технологические, организационные факторы и их сходимостью (85-90%) с фактическими показателями работы гидрошахт;
- применением апробированных методов геомеханики и математи
ческой статистики для изучения процессов гидравлического разрушения угля
и пульпоформирования в заходках;
практическим применением программного комплекса, созданного на основе имитационного моделирования, при расчетах параметров очистных забоев на гидрошахтах;
использованием технологических схем очистной гидравлической выемки угля на гидроучастках и гидрошахтах Кузбасса.
Научная новизна работы состоит:
- в разработке имитационной модели процесса разрушения угольного
массива, базирующейся на интегральной связи его продолжительности с тех
нологическими и горногеологическими параметрами;
- в разработке имитационной модели пульпоформирования, учиты
вающей содержание негабаритов в отбитом угле, геометрию заходки, харак
теристику пласта и гидромониторной струи, динамику дробления негабари
тов и забучивания выработок потоком пульпы;
в разработке алгоритма выбора параметров очистных забоев, учитывающего ограничения, связанные с устойчивостью кровли пласта, последовательностью выемки угля по высоте подэтажа и рабочей длиной струи гидромонитора;
в оценке продолжительности операций процесса выемки угля на основе качественно-количественного анализа причин и времени устранения отказов в элементах технологической системы;
в определении области рациональных значений параметров очистных забоев, которые выбираются путем итерации и анализа показателей эффективности процесса очистной выемки угля.
Личный вклад автора состоит:
- в разработке имитационной модели процесса разрушения угольного
массива и алгоритма расчета параметров очистных забоев, учитывающей
геомеханику и технологию горных работ;
в разработке имитационной модели пульпоформирования в забо основанной на уравнении устойчивости процесса выемки угля;
в разработке методики расчета объемов добычи угля, базирующей» на критерии минимизации его потерь в заходках;
в разработке алгоритма формирования надежности технологическс системы на показатели процесса гидравлической выемки угля;
в определении области рациональных значений параметров очистнь забоев, в которой показатели эффективности близки к оптимальным.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработаннь имитационные модели и методика расчета позволяют:
определять рациональные параметры очистных гидравлических з; боев в различных горнотехнических условиях;
производить количественную оценку основных показателей эффе; тивности для различных технологических схем гидравлической выемки угля
выявлять внутренние технологические резервы по отдельным опер; циям процесса гидравлической выемки угля на основе имитационного мод лирования;
использовать имитационную модель для проектирования гидроуч стков на гидрошахтах и шахтах традиционной технологии;
применять на шахтах Кузбасса оптимизированные параметры и те нологические схемы очистной выемки угля, обеспечивающие высокие техні ко-экономические показатели.
Реализация работы. Результаты работы использованы при составлен ряда бассейновых нормативно-методических документов и программно! комплекса, в том числе: "Временная инструкция расчета производительное! гидромониторной выемки угля в очистных забоях для действующих и прое тируемых гидрошахт и гидроучастков Кузбасса" (1983); "Методика расчет гидравлической выемки угля в очистных забоях" (1985); "Методика расчет параметров гидравлической выемки угля в коротких очистных забоях (1990]
Разработанные документы использовались при проектировании ги. рошахт и гидроучастков на шахтах Кузбасса с традиционной технологие Технологические схемы выемки угля и системы разработки, предложеннь автором, применяются на шахтах Прокопьевско-Киселевского угольно! района Кузбасса.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и п лучили одобрение на Всесоюзном научно-техническом совещании по разв тию гидравлической технологии добычи угля (Новокузнецк, 1990); на нау но-техническом совещании по выполнению комплексных программ "Нед] России", "Уголь России" (Москва, 1992); на Международной научн практической конференции "Проблемы реформирования региональной эк номики" (Кемерово, 1994); на 1-й Международной копференщ "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождеш полезных ископаемых" (Новокузнецк, 1995); на научно-практической конф ренции 3-й Международной ярмарке-выставке "Уголь-металі
(Новокузнецк, 1996); на 4-й Международной научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" (Новокузнецк, 1997); на секциях Ученого совета института ВНИИгидроуголь (Новокузнецк, 1990-1997).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 27 печатных работах, в том числе монографии и 7 авторских свидетельств на изобретения.
Объем работы. Диссертация содержит введение, 5 разделов и заключение, изложенных на 179 стр., в том числе: 27табл., 23 рис., список литературы из 193 наименований и приложения на 15 стр.