автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров технологических схем скважинной гидродобычи угля на крутых пластах Кузбасса

РГб ОД

На правах рукописи

КОЛЕСНИКОВ Владимир Иванович

УДК 622.234.575.016.25(043.3)

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ УГЛЯ НА КРУТЫХ ПЛАСТАХ КУЗБАССА.

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1996 г.

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и АО УК "Прокопьевскуголь"

Научный руководитель докт.техн.наук, проф. МИХЕЕВ О.В.

Официальные оппоненты:

докт.техн.наук, проф. МАЛУХИН Н.Г. .канд.техн.наук, с.н.с. НАЙДЕНКО И.Ю.

Ведущая организация - АО УК "Кузнецкуголь" (г.Новокузнецк Кемеровской области)

заседании диссертационного совета К-053.12.02 в Московском государственном горном университете по -адресу: 117935, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд.техн.наук, доц. КОРОЛЕВА В.Н.

Защита диссертации состоится

час. на

Автореферат разослан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Объективная потребность рынка в углях Прокопьевско-Киселевского месторождения и одновременный рост затрат, связанный с отработкой запасов нижних горизонтов традиционными системами, а также снижение уровня безопасности горных работ вызывает необходимость поиска таких технологических решений, которые используя достижения и преимущества существующих технологий, принципиально изменили бы условия и максимально повысили безопасность труда рабочих на подземных горных работах и обеспечили должный уровень рентабельности шахт.

Анализ результатов исследований и опыта промышленного использования гидравлической технологии добычи в сложных горногеологических условиях показывает, что при возможности выноса места управления гидромонитором из зоны возможных негативных проявлений горного давления и замене нарезных выработок на буровые скважины сохраняется эффективность гидравлического разрушения и гидротранспорта разрушенного угля с одновременным повышением комфортности и безопасности труда. Это обеспечивается возможностью управления процессом гидродобычи посредством специального скважинного оборудования как с шахтной поверхности, так и из прилегающих горных выработок . Таким принципиально новым технологическим решением при отработке запасов нижних горизонтов является скважинная гидродобыча (СГД)

Для условий крутопадающих пластов при существующей инфраструктуре действующих шахт наиболее рациональной является технологическая схема скважинной гидродобычи с бурением скважин из горных выработок Существенное повышение эффективности технологии СГД достигается за

счет создания условий самотечного гидротранспортирования угольной пульпы от забоя до скважины и далее по скважине до горной выработки. Этот процесс обеспечивается бурением восстающих скважин из нижележащей горной выработки к пласту или свите пластов.

Разработка и успешная реализация новых технологических схем СГД в значительной Степени зависят от знания закономерностей самотечного гидротранспортирования пульпы по днищу очистной камеры, которая в процессе гидроразмыва формируется в виде сектора. Изменяющаяся геометрия очистной камеры не позволяет механически переносить известные законы движения пульпы по открытым руслам, а технические и технологические возможности гидродобычного оборудования накладывают ограничения на параметры самотечного гидротранслортирования.

В связи с этим разработка эффективных технологических схем СГД для условий крутопадающих пластов угля и обоснование процессов самотечного гидротранспорта по днищу очистной камеры является актуальной задачей для угольной промышленности Кузбасса.

Цель работы. Установление закономерностей процессов гидравлического транспорта угля для обоснования параметров прогрессивных технологических схем СГД угля, обеспечивающих эффективную и безопасную отработку запасов крутых пластов Кузбасса.

Основная идея работы заключается в использовании многофункциональной и потенциальной возможности самотечного гидротранпортирования по почве очистной камеры во взаимодействии с процессом гидроотбойки.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Результатом взаимодействия принудительно-направленного струей потока под углом к стенке очистной камеры является возникновение компактного, отраженного под тем же углом к стенке транспортирующего твердое потока.

при этом водяная демпфирующая подушка на забое отсутствует, что является благоприятной предпосылкой к отработке очистной камеры боковым забоем.

2. Процесс гидротранпортирования по секторному днищу очистной камеры при наличии градиента глубины потока по радиусу представляет движение безнапорного потока с переменным расходом. Суммарный присоединенный расход пульпы зависит только от расхода рабочего потока, поступающего в сектор при гидроотбойке, и геометрических параметров транспортной скважины.

3. Технология гидротранпортирования угля по почве сектора размыва предопределяет критическую глубину транспортирующего потока посредством цикличной реализации процесса гидроотбойки в секторе заходки.

4. Предельная транспортирующая способность потока как следствие существования бингамовского режима перемещения твердого безнапорным потоком определяется геометрическими характеристиками транспортируемого материала, шероховатостью почвы сектора заходки, его уклоном, а также плотностью жидкости и твердого.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается:

- достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, необходимым для объективной оценки процесса;

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с фактическими данными, полученными на натурных стендах (отклонения не превышают 10-15%).

Научное значение работы состоит а установлении закономерностей процессов самотечного гидротранслортирования угля по почве очистных камер при скважинной гидродобыче угля, являющихся базой для обоснования ее параметров.

Практическое значение состоит в разработке прогрессивных технологических схем СГД угля из подземных горных выработок, обеспечивающих эффективное и безопасное ведение очистных работ на крутопадающих пластах угля.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанные в диссертации новые технологические схемы СГД угля крутопадающих пластов включены в проект отработки выемочного участка пласта "Горелый" на АООТ "Шахта имени Ф.Э.Дзержинского".

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на технических советах АО УК "Кузнецкуголь" и АО УК "Прокопьевскуголь" (Новокузнецк, Прокопьевск.1994-1996гг.) и на научных семинарах кафедры 'Технология, механизация и организация подземной разработки угля" МГГУ (Москва, 1995г.) и кафедры "Геотехнологии руд" МГГА (Москва,1996г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы три научные статьи и получены два патента на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 158 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 27 рисунков, список литературы из 71 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

До последнего времени повышение эффективности технологии подземной угледобычи осуществлялось в направлении совершенствования существующих технологических схем на шахтах с традиционной технологией и велись научные поиски и практическое освоение новых технологий при совершенствовании подземной гидродобычи как наиболее перспективного направления отработки угольных пластов, залегающих в сложных горно-

геологических условиях. Этим работам посвящены труды ИГД им. А.А.Скочинского, МГГА, УКРНИИГидроуголь, ВНИИГидроуголь, МГГУ. Наиболее полно эти вопросы рассмотрены в работах Аренса В.Ж., Кузьмича И.А., Никонова Г.П., Ищука Ю.А., Куприна А.И., Михеева О.В. и др.

Работы по технологии скважинной гидродобычи выполнялись с начала 70-х годов в ГИГХСе и МГРИ и отражены в трудах Аренса В.Ж., Исмагилова Б.В., Малухина Н.Г., Бабичева Н.И. и др.

В результате обобщения представлений о всех процессах, составляющих единую технологию СГД (бурение скважин, гидроразрушение, самотечное гидротранспортирование, подъем пульпы на поверхность), были выявлены основные взаимосвязи и показано качественное и количественное влияние факторов, определяющих эффективность протекания каждого процесса.

На рис.1 показана структура процесса гидротранспортирования. Сложность взаимосвязи смежных технологических процессов заключается еще и в том, что если эффективность гидроотбойки определяется конструктивными особенностями ствола и насадки, качеством струи жидкости, то для управления процессом гидротранспорта необходимы иные технологические критерии: состояние и конструкция днища очистной камеры, угол раскрытия заходки, крупность перемещаемого твердого и т.д.. Жидкость в процессе гидроотбойки должна формироваться как инструмент разрушения (компактность, абразивность, дальность распространения и т.д.), а при гидротранспортировании энергетический агент определяет техническую возможность перемещения твердого по днищу и во взвеси (степень наполнения днища гидросмесью, скорость потока и т.д.).

Схемы отработки скважинной гидравлической технологии, предлагаемые к применению на крутых угольных пластах, разрабатываются с учетом значительных уклонов днища очистных камер с целью обеспечения значительной транспортирующей способности потока.

S

01

Рис. 1. Структура процесса гидротранспортирования

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- обощение, анализ и обоснование транспортирующей способности безнапорного потока в различных условиях его использования;

- определение влияния расходно-напорных характеристик гидромонитора на производительность гидроотбойки;

- выявление закономерностей безнапорного гидротранспортирования пульпы по днищу сектора при изменении расходно-напорных характеристик гидромонитора и транспортной скважины с учетом угла раскрытия сектора размыва;

-выявление взаимного влияния процесса гидравлического разрушения и транспорта пульпы по днищу очистной камеры к приемной воронке транспортной скважины;

- исследование пульсирующего воздействия потока транспортируемой жидкости на эффективность перемещения кусков угля;

- обоснование допустимого времени ведения гидроотбойки во взаимосвязи с эффективностью гидротранспорта пульпы от забоя до приемной воронки транспортно-эксплуатационной скважины с учетом геометрических параметров сектора размыва;

- исследование эффективности самотечно-принудительного гидротранспортирования пульпы с учетом крупности перемещаемого угля и угла раскрытия сектора размыва;

- разработка эффективных схем отработки очистных камер с учетом допустимых обнажений кровли на основе проведенных исследований ;

- выявление и обоснование области рационального использования предлагаемых технологических схем.

В качестве метода исследования использовался комплексный метод, включающий анализ и обобщение научно-технических разработок и

*

результатов опытно-промышленных работ, моделирование процессов гидротранспортирования на полупромышленных стендах, теоретическое обобщение и установление новых закономерностей на основе хронометражных и визуальных наблюдений.

Отличительной особенностью СГД от подземной гидродобычи является то, что размыв угольного массива происходит гидромонитором, который находится в жестких границах скважины и может перемещаться по ее стволу с возможностью вращения или колебания вокруг оси скважины. Это накладывает ограничения на форму добычной камеры в виде сектора, причем при размыве угольный забой удаляется от ствола гидромонитора, а гидротранспортирование пульпы от забоя до скважины происходит по изменяющемуся днищу. Вопрос о характере и режимах самотечного гидротранспортирования угольной пульпы в условиях отсутствия визуального контроля и оперативного управления этим процессом при очистных работах потребовал проведения исследований самотечного гидротранслортирования на полупромышленных стендах, моделирующих очистную камеру. Схема экспериментального стенда представлена на рис.2.

Исследования производились в условиях работы специально изготовленного гидродобычного агрегата (1), расположенного у вершины сектора, имитирующего очистную полукамеру. Днище сектора представляло собой металлическую плоскость (2), на поверхности которой была смонтирована „ моделирующая сетка,: создающая естественную шероховатость при равномерной размещенной на сетке песчано-щебеночной смеси. С целью возможности визуального наблюдения за процессом движения твердого в качестве транспортируемого материала выбрана песчано-щебеночная смесь.

Центробежный насос (3) ЦНС-300 с расходом 300 м3/ч при давлении до 5,0 МПа подает энергетическую воду к вертлюгу гидродобычного агрегата, а

Ь

1-гидродобычной агрегат

2-стенд

3-насос

4-гидроэлеватор

5-гидромонитор

6-поворотное устройство

7-задвижка

Рис.й. Схема экспериментального стенда для исследования самотечного транспорта

затем по' внутренним каналам к рабочей насадке гидроэлеватора (4) и гидромонитора (5). Регулирование количества воды, подаваемой насосом, осуществляется при помощи клиновой задвижки (7).

Измерение расхода воды осуществлялось диафрагменным расходомером с самописцем при классе точности прибора ДС -1,5.

Угол раскрытия сектора гидротранспортирования при перемещении оградительных бортов изменялся в пределах 10...45°. Возможность перемещения сектора по вертикали создавала угол наклона О...14°.

Поверхностная скорость потока определялась по пенопластовым поплавкам, а придонная - по парафиновым шарикам, окрашенным в оранжевый цвет.

Диаметры насадок гидромонитора составляли 14-19 мм, гидроэлеватора -15 мм, а рабочее давление - 5,0 МПа.

Угол раскрытия сектора размыва изменялся в диапазонах 10°, 20°, 30°, 45°.

На первом этапе исследований производилась оценка траектории перемещения песчано-гравийной смеси.

Установлено, что производительность принудительного гидротранспортирования достаточно высока и. не зависит от скорости перемещения струи по забою. Производительность принудительного гидротранспорта в очистной камере составляет 18-30 м3/ч, а направленное движение твердого совпадает с направлением действия струи.

В процессе ведения опытных отработок очистной камеры выявлено, что производительность гидротранспортирования зависит от производительности гидроотбойки и по аналогии при увеличении радиуса размыва транспортирующая способность потока уменьшается. Причем уменьшение транспортирующей способности потока происходит только за счет снижения производительности гидроразмыва при увеличении радиуса размыва. С

другой стороны, возрастание транспортирующей способности безнапорного потока происходит при увеличении диаметра рабочей насадки гидромонитора с 14 до 17 мм и до 19 мм как за счет повышения производительности гидроразмыва, так и за счет большего количества транспортирующей воды у забоя.

Для заданных условий эксперимента (диаметра насадки, рабочего давления, угла раскрытия сектора) изменение производительности безнапорного гидротранспортирования зависит от радиуса размыва согласно полученным соотношениям (при угле раскрытия сектора 10° и рабочем давлении 5,0 МПа):

Птр = А (1/R)08 (d0 = 14 мм); (1 )

Птр = В (1/R)07 (d0 = 17 мм); (2)

Птр = С (1/R)o e (d0 = 19 мм); ( 3)

где R - радиус размыва, м.

Получены следующие эмпирические значения коэффициентов: А = 5,68; В = 9,26; С = 12,0.

При постоянном радиусе размыва (6 м и 8 м) изменение производительности гидротранспортирования от угла сектора размыва представляет собой сложную гиперболическую зависимость. Причем интенсивность снижения производительности при увеличении угла сектора гидротранспортирования больше для насадок увеличенных диамэтров: 1.3 • 1СН

ПтР =- d0". (4)

1+0,35а

где do - диаметр рабочей насадки гидромонитора, м, а - угол сектора размыва, град.

Исследование движения песчано-галечной пульпы по днищу показало, что несмотря на повышенную шероховатость, траектории поверхностных (по

u

пенопластовым поплавкам) и донных (по оранжевым парафиновым шарикам) потоков представлены сходящимися лучами элементарных струй с переменным расходом по пути при единичной ширине. Постоянное присоединение смежных струй ведет к плавному увеличению глубины потока и как следствие к уменьшению поверхностной скорости потока, а в конечном итоге - к опрокидыванию потока.

Анализ размывающего действия потока в призабойной части сектора показывает, что процесс перемещения твердого происходит при довольно бурном течении самотечного потока. Однако размыв днища наблюдался только частичный, в первые секунды начала опыта. Небольшая длительность воздействия струи на забой (около 5-10 с ) создает большое удельное перемещение гальки по днищу сектора. Так, при пульсирующей подаче потока (через каждые 5 с ) удельное перемещение твердого составляет 0,15-0,2 м, а общее в течение 4 • 5 с - 1,15 м. Напротив, беспрерывное действие струи на забой в течении 20 с соответствует перемещению песчано-галечной смеси 0,27 и, т.е. значительно меньше (в 4,26 раза) величины перемещения твердого при пульсирующей подаче (рис. 3).

Длительность воздействия на1 забой в 10 с незначительно улучшает показатели перемещения твердого по сравнению с Т » 5 с ( 0,18 м против 0,22 м для 5 с и 10 с соответственно). Приблизительно тот же порядок относительных перемещений характерен и для призабойной гальки (зеленого цвета). Таким образом, наибольшей удельной транспортирующей способностью (перемещение в единицу времени) обладает только начальная фаза потока (передняя его часть).

При отработке сектора очистной камеры глубина потока изменяется по длине гидротранспортирования даже при постоянных расходно-напорных параметрах гидромонитора (рабочее давление, диаметр насадки) и геометрических характеристиках днища (угол раскрытия, уклон днища).

Частицы угля (гальки) различной крупности помещались в поток при различных радиусах размыва. Для исключения влияния турбулентных пульсаций твердое помещали в поток жидкости на проволочном кольце. Уклон естественного днища (глинистого) в процессе опытов был постоянен и равнялся 6° (i = 0,105).

Установлено, что момент влечения (трогания) куска соответствует глубине потока h = 0,8d. Этой глубине потока соответствует максимальный масштаб турбулентности при данных величине куска и уклоне днища. При увеличении глубины потока частица попадает в область симметричного обтекания, где подъемные силы ослабевают, что приводит к нестабильности движения твердого (сальтация переходит в перекатывание). В этих условиях кусок твердого отрывается от днища и подскакивает только за счет собственного вращения (чего не было в момент трогания). При глубине потока h я 1,07d частица останавливается (рис. 4). Массовое движение кусков по днищу очистной камеры происходит в основном при турбулентном режиме потока пульпы. Причем, увеличение глубины потока по длине сектора заходки приводит к превышению критической глубины потока пульпы. Увеличение глубины потока ведет, с одной стороны, к осаждению в призумпфовой части сектора заходки более мелких классов, вовлеченных в движение в верхнем течении потока пульпы. С другой стороны в нижнем течении потока пульпы отсутствуют, кяк правило, куски, соответствующие транспортирующей способности потока, поскольку забой находится вверху сектора заходки, где формируется поток при относительно небольшой глубине. В результате при максимальном насыщении потока в призабойной части сектора в его зумпфовой части происходит массовое осаждение мелкого класса.

Таким образом, эффективное ведение процесса самотечного гидротранспортирования угля по днищу очистной камеры должно обеспечивать оптимальную глубину потока, соизмеримую с величиною

6.0, Й.Н

^ 4 x5с

перемещение индикаторов днища [ 3*5с

|перемещение индикаторов забоя | 3*5,. __1^у-10х10х5 *

'¥=18x10x6 | 50

с

У=В*10х7 | У= 12x7x6 "Е.

5 10 15

Вреи» воздействия потока, с

Диаметр твердого тела, км

Рис.3. Влияние длительности воздействия потока воды на перемещение твёрдого по днищу очистной камеры

Рис'Ц. Зависимость величины

транспортируемого твердого от глубины потока по днищу камеры

транспортируемого куска угля, путем периодического перемещения процесса гидроотбойки в смежную заходку.

Исходя из анализа полученных опытных результатов и на этой основе методических положений, выявилась необходимость оценить возможности процесса гидротранспортирования пульпы в таких условиях по физико-аналитической модели.

Процесс гидротранспортирования по сектору очистной камеры (от забоя до устья эксплуатационной скважины) при наличии градиента глубины потока по радиусу представляется как движение потока с переменным расходом, закономерность изменения которого имеет вид:

(5)

где Оп - суммарный присоединенный расход потока по оси сектора, мЗ/с, О - расход рабочего потока, м^/с, г - радиус скважины, м,

Ип - текущий радиус места встречи присоединенного потока,м.

Согласно полученной закономерности (5) суммарный присоединенный расход зависит только от расхода рабочего потока, поступающего в сектор через гидромонитор и изливающегося из сектора в скважину .

Суммарный присоединяемый расход интенсивно увеличивается с расстояния четырех (и менее) метров от эксплуатационной скважины, т.е.. там, где опытами обнаружены начальные признаки нестационарности самотечного потока угольной гидросмеси и обогащение почвы сектора мелким классом. Причем параметры эксплуатационной скважины оказывают более заметное влияние на величину суммарного присоединяемого расхода, чем изменение диаметра насадки гидромонитора в достаточно широких пределах (от 14 до 19 мм при рабочем давлении 6 МПа).

С другой стороны, рассматривая поток в секторе размыва для каждого поперечного сечения как равномерный, введем понятие нормальной глубины Гю. В рассматриваемом случае под нормальной глубиной потока в каком-либо сечении подразумеваем ту глубину, которая установилась бы при равномерном движении на участке, имеющем расход, равный расходу в выбранном сечении основного потока, ту же форму живого сечения и постоянный пьезометрический уклон, равный имеющемуся уклону днища. Таким образом, в данном случае нормальная глубина Ио является условной глубиной, изменяющейся по течению.

Для характеристики режимов потока получены аналитические выражения для нормальной ( И0) и критической (1\) глубин:

- зависимость для нормальной глубины

Ь0 = [ ( 360 О / 2лЯп ас )2 п2 /1 ]1/3'4 ;

- зависимость для критической глубины

^ = [ (360 О /2лйп ас )2( ао/д) ]1/3 ,

где

0 - расход потока рабочей жидкости, м3/с;

1Чп - текущий радиус, м;

ас - угол сектора гидротранспортирования, град;

п - шероховатость почвы камеры, доли ед.;

1 - уклон почвы, доли ед.;

а0- коэффициент неравномерности эпюры скоростей ( а0=1,01-1,1);

д - ускорение свободного падения, м/с2.

Изменения критической и нормальной глубин потока по длине сектора представлено на рис.5. Анализ графиков показывает, что опрокидывание потока может произойти при различных радиусах размыва в зависимости от конкретных режимных параметров гидромонитора (диаметр насадки, рабочее давление) и состояния почвы очистной камеры (угол раскрытия сектора,

, Г,_360_0_Х2 п2//3'4. г, 360-4 ч2д011/3

Нормальная глубина потока(Ьо)' Критическая глубина потока(Ьк)

Рис.5. Изменение критической (Ьк) и нормальной (Ьо) глубин потока жидкости по длине сектора

шероховатость). Так, при значительной шероховатости почвы (п = 0,07), но при большом угле раскрытия сектора (ас = 40°) опрокидывания может и не произойти, но при такой величине сектора и транспортирующая способность потока невелика. Уменьшение угла сектора («с = 10°) ведет к увеличению глубины потока (как критической, так и нормальной), а следовательно, и его транспортирующей способности, но в таких условиях эксплуатации гидротранспорта имеет место опрокидывание потока (при 1Чп = 1,0 м). При меньшей шероховатости (п = 0,06) (т.е. более кинетичный поток) нестационарность потока возможна уже при радиусе около 5 м (при ас = 20°).

Для расчета удельной транспортирующей способности потока пульпы Чв (весовая консистенция потока) получена зависимость:

1 I - п - 0,5(о

Яв = (-----) (----). (6)

1 -[рт/ро ] Тт- I

где

рт ,р0 - плотность твердого и жидкости, т/мЗ;

п - коэффициент шероховатости днища;

¡т - коэффициент трения твердого о днище;

¡а - дополнительный уклон на увеличение глубины потока.

Полученная зависимость согласуется с широко применяемой формулой А.И.Куприна.

Условия гидротранспортирования твердых частиц в очистной камере при СГД обуславливаются их крупностью (если перемещаемые твердые частицы однородны по крупности) и гранулометрическим составом (если твердый компонент гидросмеси представлен разнородными по крупности частицами). Неоднородность материала, транспортируемого водным потоком, играет значительную роль в формировании потока гидросмеси, его расходно-напорных характеристик. Как показали опытные исследования самотечного

гидротранспорта в секторе размыва, гранулометрический состав твердого как непосредственно у загрузочного щита (забоя), так и по днищу изменяется во времени. Так, при непрерывной подаче напорной воды в сектор отмываются крупные частицы у забоя и осаждается мелкий класс частиц у зумпфа. Подобные явления наблюдаются и у речных потоков небольшой глубины. Неоднородные по крупности материалы под воздействием текущей воды постепенно укрупняются в верхних областях и противодействующими размыву оказываются частицы, образовавшие естественную отмостку . С другой стороны, замечено, что крупнозернистый состав наносов имеет большую подвижность, чем мелкозернистый. Причиной является уплотнение мелких фракций крупными. Это явление в свое время было установлено Дюраном и Пантелопулосом, а теоретически - И.В.Егиазаровым .

Вместе с тем исследования А.И.Куприна и В.И.Шелоганова показали, что транспортирующая способность потока отдельно по мелкому классу и отдельно по крупному классу меньше, чем транспортирующая способность по смеси с любым процентным соотношением названных классов .

Экспериментально установлено, что транспортируемое твердое характеризуется гранулометрической кривой, средневзвешенным диаметром и коэффициентом неоднородности, причем характеристика неоднородности оценивается отношением средневзвешенного диаметра как для мелкозернистого, так и для крупнозернистого, а степень насыщенности потока гидросмеси оценивается коэффициентом неоднородности при показателе степени 0,18-0,2.

На основе проведенных исследований разработана методика расчета безнапорного гидротранспорта по скважинам; полученые расчетным путем параметры скважины обеспечивают бесперебойное транспортирование угля от забоя до горной выработки.

Вертикальный разрез

добычные агрегаты; 5- скважшшый гидромонитор; 6- породы ыеждупластья; 7 - очистная камера; 8- временный угольный целик; 9- отработанная зона.

Рис.б.Тсхнологическая схема СГД свиты .угольных пластов

Для условий крутопадающих пластос в зависимости от их мощности разработаны технологические схемы скважинной гидродобычи, базирующиеся на практическом использовании методических рекомендаций по самотечному гидротранспортированию пульпы по почве очистных камер и затем по добычным скважинам.

На рис.6 показана технологическая схема скважинной гидродобычи свиты угольных пластов, которая положена в основу разрабатываемого проекта опытно-промышленных работ на АООТ "Шахта имени Ф.Э.Дзержинского".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для угольной промышленности Кузбасса задачи - разработка эффективных технологических схем СГД для крутопадающих пластов угля и обоснование параметров самотечного гидротранспортирования угольной п/льпы по почве секторообразной добычной камеры.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. Транспортирующая способность водных потоков соответствует потокам небольшой насыщенности твердыми частицами (мутности), что не может служить аналогом при решении практических задач безнапорного гидротранспорта гидросмеси по днищу очистной камеры потоками небольшой глубины и значительной насыщенности углем.

2. Опытными работами установлено, что результатом взаимодействия принудительно направленного струей потока под углом к стенке очистной камеры является возникновение компактного, отраженного под тем же углом к стенке транспортирующего потока. Призабойная водяная подушка при этом

отсутствует, что является благоприятной предпосылкой к использованию схемы отработки очистной камеры боковым забоем.

3. В результате специальных экспериментов установлено, что при принудительном гидротранспортировании вектор основного потока гидросмеси совпадает с направлением действия гидромониторной струи. Рассеивание перемещаемого струей твердого по всей площади сектора отсутствует.

4. Безнапорный гидротранспорт с нестационарным потоком транспортирующей жидкости более эффективен. Длительность воздействия безнапорного потока угольной гидросмеси по днищу определяется конструктивными параметрами сектора размыва.

5. Процесс гидротранспортирования по секторному днищу очистной камеры при наличии градиента глубины потока представляет движение потока с переменным расходом. Суммарный присоединенный расход зависит только от расхода рабочего потока, поступающего в сектор через гидромонитор, и параметров приемной воронки транспортной скважины.

6. Установлено, что поперечные геометрические параметры транспортной скважины оказывают большее влияние на величину присоединяемого расхода, чем изменение расходно-напорных характеристик гидромонитора.

7. Экспериментально установлено, что увеличение глубины потока вниз по течению в секторе ведет к уменьшению пьезометрического уклона при неизменном уклоне днища, что в конечном итоге создает отрицательный уклон поверхности потока и его опрокидывание.

8. Установлено, что критическая глубина потока (соответствующая нулевому пьезометрическому уклону его поверхности) не зависит ни от уклона, ни от шероховатости днища и вполне определяется расходом гидромонитора V геометрическими параметрами сектора размыва.

9. Опытно-аналитические исследования показали, что технология транспортирования твердого по днищу сектора размыва должна определять состояние опрокидывания потока посредством периодического перемещения процесса гидроотбойки в смежные заходки.

10. Аналитически обоснована предельная транспортирующая способность при непрерывной и циклической технологии отработки сектора заходками. Сравнительный анализ опытных и расчетных данных транспортирующей способности потока показывает, что установленное базовое расчетное выражение точнее оценивает процесс самотечного гидротранс-портирования твердого в различных условиях его применения (гидротранспорт угля непосредственно в забое по почве, в желобах, при обогащении в шлюзах, селевых потоков и т.д.), чем используемая в настоящее время формула А.И.Куприна.

11. Экспериментально установлен коэффициент изменения транспортирующей способности потока в зависимости от крупности перемещаемого твердого и уклона днища. При крупности частиц от 0,2 до 15 мм искомая зависимость является параболической (при минимуме транспортирующей способности, соответствующей крупности 2-4 мм), а для крупности более 20 мм - линейной.

12. Характеристика неоднородности оценивается отношением средневзвешенного диаметра исследуемых песчано-гравийных смесей как для мелкозернистого, так и для крупнозернистого состава. Экспериментально установлено, что степень насыщенности потока гидросмеси находится в степенной зависимости от коэффициента неоднородности перемещаемого материала при показателе степени, равном 0,18 - 0,2.

13. Разработанная методика расчета безнапорного гидротранспорта пульпы позволяет расчитать параметры транспортных скважин, обеспечивающих

ъъ

бесперебойное самотечное гидротранспортирование угля от очистного забоя до горной выработки.

14. Предложен новый подход к отработке свит угольных пластов, заключающийся во вскрытии, подготовке и ведении очистной выемки через восстающие скважины, пробуренные из капитальных горных выработок и на этой основе разработаны четыре новые технологические схемы СГД крутых пластов.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Колесников В.И., Дмитриев В.А., Малышев А.Ю. О создании новых технологий отработки крутых пластов. Депонированная рукопись Ns 27/9-236, МГГУ, ГИАБ №2,1996 г.

2. Колесников В.И., Дмитриев В.А., Малышев А.Ю. Методика расчета безнапорного гидротранспорта при скважинной гидродобыче угля.Депонированная рукопись № 27/9-238, МГГУ, ГИАБ №2,1996 г.

3. Колесников В.И., Дмитриев В.А., Малышев А.Ю. Обоснование разработки новой технологической схемы для отработки пластов средней мощности и мощных. Депонированная рукопись № 27/9-237, МГГУ, ГИАБ №2,1996 г.

4. Патент РФ № 95112446. Способ скважинной гидродобычи свиты угольных пластов. Дмитриев В.А., Михеев О.В., Колесников В.И., Малышев А.Ю. Положительное решение от 22.02.96.

5. Патент РФ № 95112447. Способ скважинной гидродобычи антиклинальных складок угольных пластов. Дмитриев В.А., Михеев О.В., Колесников В.И., Малышев А.Ю. Положительное решение от 22.02.96.

Пописано в печать 29.05.96. Формат 60 х 90/16 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № (596

Типография МГГУ. Ленинский пр., 6