автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Особенности проектирования шахт при разработке пластовых месторождений блок-стволами с гидростатическим подъемом

Государственный комитет СССР по народному образованию

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи БРОДТ Александр Симхович

УДК 622.22:272(043.3)

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШАХТ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ БЛОК-СТВОЛАМИ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМ ПОДЪЕМОМ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1\\осква 1991

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Крас -НОГО Знамени горном институте.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. ШАРОВАР И. И.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. САВЕНКО Ю. Ф., канд. техн. наукСЕНКУС В. В.

Ведущее предприятие — Институт «Центрогипрошахт».

Защита диссертации состоится «» 1991 г.

в час. на заседании специализированного совета

К-053.12.02 в Московском горном институте по адресу: 117935, ГОП, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан » . . . 1991 г

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. наук КОРОЛЕВА В. Н.

СП. ч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Освоение месторождений ископаемого энергетического сырья становится все более сложной и наукоемкой задачей. Это обусловлено как самой спецификой горного производства, непосредственно вторгающегося, в отличие от перерабатывающих отраслей, в одну из основных составных частей самой природы — ее недра, так и моральным износом ряда традиционных подходов к созданию технологии и техники подземной угледобычи. Положение усугубляется постоянным усложнением, в связи с неуклонным ростом глубины ведения подземных горных работ, горно-геологических условий добычи угля, а также общим ухудшением экологической обстановки в большинстве угледобывающих районов нашей страны и, как следствие, .резким ужесточением требований к защите окружающей среды.

Одним из наиболее перспективных направлений, позволяющих комплексно подойти к решению этих проблем, является многостадийная технология отработки шахтных полей, базирующаяся на принципе поэтапного извлечения всех видов энергоресурсов, заключенных в месторождении, приоритет в разработке которой принадлежит проф., докт. техн. наук А. С. Бурчакову. В состав такого .комбинированного технологического процесса входят три основные стадии: добыча метана, выемка угля и 'подземное сжигание оставшихся запасов, не поддающихся экономичному и безопасному извлечению из недр механическим путем.

Необходимость совмещения в пределах одного шахтного поля столь несовместимых операций привела к неизбежности его раскройки на отдельные блоки, последовательно проходящие все эти три стадии отработки, каждый из которых должен быть вскрыт своим собственным стволом. Эта идея, выдвинутая академиком В. В. Ржевским, в дальнейшем получила название технологии отработки шахтных полей блок-стволами.

Однако при этом■выяснилось, что на современном этапе развития горной науки и техники отсутствуют удовлетворн-

тельные технологические решения по обеспечению в такой системе всего комплекса вспомогательных процессов с использованием для этого только одноло ствола, поскольку для обслуживания подземных горных работ в рампах известных технологий шахтное поле любых, даже относительно .небольших размеров вскрывают как минимум двумя стволами, один из «оторых (главный) целевым своим предназначением имеет выдачу «а поверхность основного идущего из шахты грузопотока— добытого угля.

Поискам основных технологических решений, касающихся вопросов достав'юи полезного ископаемого на поверхность при отработке шахтных полей бл0|К-ст©0лами и их увязке со всеми остальными процессами подземных горных работ, и посвящено настоящее исследование.

Цель работы — обоснование основных технологических решений, необходимых для проектирования шахт, работающих по многостадийной технологии отработки пластовых месторождений с использованием гидростатического подъема для выдачи полезного ископаемого ла поверхность и обеспечения при этом экологической чистоты годного производства.

Идея работы заключается в использовании основного закона гидростатики — закона Архимеда для обеспечения на основе совмещения доставки полезного ископаемого ,на поверхность .всплььванием в тяжелой среде с попутным его обогащением экологической 'чистоты горного производства и достижения (полной поточности технологических схем подземной угледобычи при отработке шахтных полей блок-стволами.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

классификация и методика выбора тяжелых оред, позволяющие целенаправленно конструировать технологические схемы гидростатического .подъема различных полезных ископаемых, в том числе и с использованием многослойных столбов несмошивающихся между собой жидкостей;

определение необходимых для проектирования шахт основных законо'мерностей регенерации наиболее перспективных для гидростатического подъема полезных ископаемых легкоиспаряющихся тяжелых жидкостей;

установление зависимостей параметров технико-экономической эффективности функционирования бло.к-ствола, оснащенного гидростатическим подъемом, от основных горно-гсо-логичеоких и технологических факторов разработки;

оптимизация параметров технологических схем экологически чистых шахт с гидростатическим подъемом, обеспечивающих оставление пустой породы в выработанном пространстве.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

удовлетворительной сходимостью ¡результатов лабораторных и натурных исследований с аашшми, полученными в работах зарубежных исследователей;

положительными результатами испытаний модельной установки гидростатического подъема (-расхождение с лабораторными опытами составило не более 10...15%);

■значительным объемом вычислительного эксперимента на ЭВМ.

Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении основных положений проектирования шахт, работающих по технологии отработки шахтных полей блок-стволами с гидростатическим подъемом и оставлением выделенной в нем породы в выработанном пространстве.

Практическая ценность работы заключается в обосновании методики -выбора тяжелых сред, позволяющей проектировать системы гидростатического подъема различных полезных ископаемых, и определении необходимых для проектирования шахт оптимальных параметров блок-стволов, оснащенных гидростатическим подъемом и обеспечивающих оставление породы в выработанном пространстве.

Реализация выводов и рекомендаций. Рекомендации автора, как одного из победителей конкурса ГКНТ СССР на лучшую концепцию создания высокопроизводительной, экологически чистой автоматизированной угольной шахты глубокого заложения, касающиеся методов исключения выдачи породы из шахты на поверхность, были использованы при разработке по заданию ГКНТ целостной концепции создания такой шахты.

Выводы работы, относящиеся к путям формирования экологически чистых горно-энергетических комплексов, были использованы при разработке научно-технической программы Гособразования СССР.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и ее отдельные положения докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (Москва, февраль 1989 г.); IX республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Совершенствование добычи и переработки горючих сланцев» (г. Кохтла-Ярве, май 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников» (Москва, февраль 1990 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании «Эколого-эконо-мичеокие проблемы угледобывающего региона с подземным способом добыли угля» (г. Шахты, май 1990 г.); Всесоюзной

■научно-технической конференции .молодых ученых и специалистов угольной промышленности «Система «Человек—машина— среда» в горном деле. Настоящее и будущее» (Москва, октябрь 1990 г.), а также на научном семинаре кафедры ТПУ Московского горного института.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ и .получено 8 авторских свидетельств СССР и положительных решений ВНИИГПЭ на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 185 страницах машино-п ион ото текста, содержит 59 рисунков, 37 таблиц, описок использованной литературы из 143 наименований и одно приложение.

Автор считает своим долгом выразить особую признательность научному руководителю настоящей работы доц., канд. техн. наук И. И. Шаровару за методическую помощь и деятельное человеческое участие в ее выполнении.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время основным видом вертикального транспорта в горнодобывающей промышленности является канат-но-скшшвой подъем, на долю которого приходится переработка практически всего объема доставляемой на поверхность горной массы, за исключением части угля, добываемого гидравлическим способом.

Основным технологическим недостатком канатно-скипово-го транспорта является его высокая цикличность, лимитирующая производительность шахтного подъема. Значительны п затраты времени на обслуживание и ремонт подобного роаа устройств.

Указанные негативные стороны работы канатно-скиповых подъемников особенно обостряются с ростом глубины ведения подземных горных работ: увеличение высоты подъема в 2 раза способно привести к снижению производительности подъемных установок различного типа в 5... 10 раз.

Предложенные к настоящему времени бесканатные подъемные установки по принципу действия могут быть расклассифицированы на следующие основные группы: механические, электромагнитные, гидравлические и пневматические, из .которых лишь гидравлические и пневматические подъемно-транспортные устройства нашли применение в горнодобывающей промышленности.

Гидростатический подъем полезного ископаемого путем его вспльшания в жидкой среде с превосходящей транспортируемый материал плотностью, по принципу действия — использованию Архимедовой силы — является наиболее про-

стым и вместе с тем — наименее изученным видом шахтного вертикального транспорта.

На протяжении почти 60-летней истории своего развития трудами Е. П. Шкуренко, А. К. Сердюка, А. Г. Фролова,

A. С. Бурча шва, В. Ж. Аренса, И. И. Шаровара, Б. Я. Экбе-ра, О. В. Михеева, А. С. Соловьева, В. Н. Кузнецова, В. Н. Потураева, Ф. А. Абрамова, В. В. Репки, Г. Ф. ГТинаева,

B. Н. Фарафонтова, К. Виссерота и других отечественных и зарубежных ученых мысль об использовании основного закона гидростатики в горном деле продвинулась от уровня пионерного изобретения в области шахтного подъема до идеи создания на основе полного затопления .выработанного и очистного пространства тяжелой средой принципиально новой технологии безлюдной выемки полезных ископаемые из крутых пластов.

Неослабевающий интерес к этой проблеме обусловлен тремя основными причинами:

подобрав для гидростатического подъема тяжелую среду с промежуточной между полезным ископаемым и пустой породой плотностью, выдачу угля из шахты можно органически совместить с его обогащением;

в процессе транспортировки угля гидростатическим способом не наблюдается его переизмельчения;

гидростатический подъем — единственный из всех поточных видов вертикального шахтного транспорта, превосходящий по уровню своего энергетического совершенства канат-но-'скиповые подъемные установки (табл. 1).

Таблица 1

Энергетическая эффективность работы различных видов шахтного подъема

Учитывая эти обстоятельства, именно гидростатический подъем и был выбран в качестве наиболее перспективного для отработки шахтньгх полей блок-стволами метода выдачи добытого угля на поверхность.

Несмотря на очевидные преимущества, гидростатический подъем ни в одной из своих разновидностей не нашел практического применения в технологии подземной угледобычи.

Вид шахтного подъема

Относительный расход электроэнергии

Канатно-скиповой Углесосный

С загрузочным шнеком

Углесосно-эрлифтный

Эрлифтный

Гидроэлеваторный

Гидростатический

100 130 150 150 200 500 66

Объясняется это тем, что все известные попытки создания таких методов транспортировки угля базировались на применении в качестве тяжелой жидкости растворов хлористого ■кальция в воде. В результате выдаваемый из шахты материал оставался смоченным водным раствором хлористого кальция. Для предотвращения необратимого выноса рабочей жидкости из системы и сохранения потребительских свойств готовой продукции всплывший уголь нуждался в отмывке водой с последующей упаркой образующихся сточных вод с целью восстановления их плотности. Однако энергоемкость такой регенерации оказалась слишком -высокой для того, чтобы гидростатический метод доставки полезного ископаемого на поверхность мог успешно конкурировать с другими видами шахтного подъема.

Отсюда, в соответствии с целью исследования, в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

разработка классификации и изыскание новых тяжелых сред для гидростатического подъема полезных ископаемых;

'установление основных закономерностей регенерации наиболее перспективных в настоящее время для гидростатического подъема тяжелых жидкостей;

•создание модельной установки гидростатического подъема и ее испытания с целью определения необходимых для проектирования технологических и конструктивных параметров;

'Экономико-математическое моделирование отработки запасав 'блок-ствола, оснащенного гидростатическим подъемом •для выдачи полезного ископаемого на поверхность.

Проблема выявления круга веществ, на основе которых могут -быть построены высокоэффективные технологические схемы гидростатического подъема полезных ископаемых, выдвигает необходимость выработки прежде всего системного подхода к самой процедуре выбора тяжелых сред, в наибольшей степени отвечающих необходимым для этого требованиям.

Для расширения фронта поиска в понятие «жидкое состояние» были включены также и газы, сжатие которых, особенно до высоких давлений, резко увеличивает их плотность, и, ;кроме того, во внимание было принято то обстоятельство, что столб тяжелой среды необязательно должен быть представлен только -одним веществом, а может быть набран из двух и более слоев несмешивающихся между собой жидкостей. Тогда,, загрузив горную массу в одну из них, выгрузку полезного ископаемого из многослойного столба можно осуществить уже из другой, например, более легкорегенерируе-мой среды. Более того, в ряде случаев реализация технологического процесса вне использования прин-ципа «слоеного пирога» оказывается вообще .неосуществимой. Так, если речь идет о сжиженном газе, то применение столь низкокипящей

жидкости в качестве тяжелой среды для гидростатического подъема полезных ископаемых возможно лишь при условии экранирования зеркала ее поверхности достаточно высоким слоем несмешивающейся с ней более легкой жидкости, предотвращающей затопленную ею сж'иженногазовую среду от самопроизвольного ее вскипания и улетучивания -из системы.

Поэтому, кроме всего разнообразия свойств любых натуральных жидкостей (газов), в основу разработки классификации тяжелых сред для гидростатического подъема полезных ископаемых были положены следующие основные идентификационные признаки: количество слоев в столбе, количество ингредиентов в фазе, тип агрегатного состояния, химическая природа и класс вещества.

Классификация всех возможных для осуществления гидростатического подъема полезных ископаемых тяжелых сред приобретает вид четырехуровневой иерархии, представленной ■на рис. 1.

Рассмотрение свойств различных веществ, потенциально пригодных по своей плотности для гидростатического подъема полезных ископаемых, и анализ областей их использования, в том числе и в отдельных отраслях горнодобывающей промышленности, показали, что наиболее реальной основой для создания на современном уровне развития горной пауки и техники промышленных систем гидростатического подъема является использование в этих целях легкоиспаряющихся органических жидкостей типа галоидпроизводных углеводородов.

Однако при этом выяснилось, что не все, представляющие интерес в этом ¡качестве, соединения с достаточной полнотой изучены и описаны в литературе. Поэтому для прояснения картины областей существования в жидком состоянии всех представителей этого класса органических веществ использовался инкремент,ный метод предсказания основных теплофи-зических свойств подобного рода соединений.

Расчет параметров агрегатного состояния веществ в этом случае осуществлялся с использованием математического аппарата теории соответственных состояний. На основании выполненных расчетов были построены диаграммы «плотность— температура кипения» всех галоидпроизводных метана и этана, включая еще не синтезированные соединения. Это позволило осуществить целенаправленный выбор тяжелой жидкости с заданными свойствами для гидростатического подъема различны-х полезных ископаемых. Таким образом, процедура выбора тяжелой жидкости для гидростатического подъема легко формализуется с четким оконтуриванием всего круга возможных для осуществления такого процесса веществ с заданным комплексом реологических, термодинамических и санитарно-гигиенических свойств.

Полная неизученность процесса регенерации подобного рода тяжелых сред препятствует созданию систем гидростатического подъема, поскольку, как выяснилось, все они являются в настоящее время достаточно дорогостоящими и остродефицитными веществами.

Для проведения лабораторных экспериментов по изучению сорбционных свойств горных пород по отношению к лег-кс/испаряющимся тяжелым средам и установлению основных закономерностей их регенерации были отобраны представительные образцы бурого угля и вмещающих пород Подмосковного угольного бассейна (шахта «Владимирская» ПО «Тулауголь»). В качестве легкоиспаряющихся тяжелых сред для постановки этих опытов были выбраны две базовые тяжелые жидкости: т.рихлорфторметан (техническое название— хладон 11, ТУ 6-02-727—78, плотность 1,498 г/см3, температура кипения 23,8°С), использующийся в настоящее время главным образом в качестве моющего средства для ручной отмывки печатных плат от маслянистых загрязнений в производстве вычислительной техники, и тетрафтордибромэ-тан (хладон 114В2, ГОСТ 15899—79, 2,183 г/ом3, 46,8°С), основной областью применения которого является подземное н ож ар от уш ен и е.

Для изучения адсорбции хладонов в равновесных условиях использовалась весовая лабораторная адсорбционная установка. Величина адсорбции исчислялась в процентах по массе после установления равновесного давления в системе по разности показаний весов с насыщенным и регенерированным сорбентом, отнесенной к первоначальному его весу. Изотерма адсорбции снималась с минимального значения давления до максимального. При каждом значении давления выдержка составляла не более 1 ч.

После снятия изотерм проводилось изучение кинетики адсорбции хладонов на углях, как более активных по сравнению с породой сорбентах.

Представлял интерес и вотарос о влиянии влаги, содержащейся в поглотителе, на адсорбцию хладонов. Для этого .проводилась предварительная десорбция образца до »постоянного веса в вакууме. Затем осуществлялась адсорбция паров воды до полного насыщения оорбента, а уже после этого замерялись величины адсорбции хладонов.

Поскольку процесс десорбции хладонов в промышленных условиях может осуществляться только в динамических условиях, были поставлены также опыты по определению кинетики десорбции хладонов из угля при продувке образца .воздухом с одновременным (либо предварительным) его подогревом. Для этого сорбент предварительно насыщался хла-доном в течение 2, 5 и 15 мин, а затем подвергался регенера-

Классификация тяжелых сред для гидростатического подъема полезных ископаемых

ции с последующим его взвешиванием с интервалом в одну минуту.

В результате были получены изотермы адсорбции хладонов на угле и породе, позволившие установить, что сорбиру-емость подобного рода галоидуглеводородов тем меньше, чем ниже температура их кипения. Проведенные опыты по влиянию предадсорбции воды на поглощение хладонов показали, что сорбционная емкость угля при этом снижается в 2,2...2,3 раза, а на породе хладон 11 после этого вообще не сорбируется.

Изучение условий десорбции хладонов с угля и породы с использованием хроматографичеекого метода анализа для определения остаточных их количеств на сорбентах показало, что предварительный подогрев угля оказывает гораздо более эффективное воздействие на десорбцию хладонов, нежели использование для этого продувки угля теплым воздухом. Были выявлены и условия, необходимые для практически полной десорбции галоидуглеводородов с поверхности угля.

Дальнейшее изучение гидростатического подъема осуществлялось на .модельной установке, сконструированной по техническому заданию, разработанному автором. Установка создавалась исходя из условия ее эксплуатации как в периодическом, так и непрерывном режиме с обеспечением следующих основных параметров:

Производительность,,кг/ч 10... 100 Скорость всплывания кусков угля, м/с 0,1...0,5 Высота транспортного трубопровода, м 2,8 Внутренний диаметр трубопровода, см 5 Суммарная мощность электроприводов, кВт 0,36 Тепловая мощность системы регенерации, кВт 2 Управление с пульта Обслуживающий персонал, чел. 2

По типу использования узла загрузки монтаж установки допускает ее сборку в двух модификациях: с непрерывной подачей транспортирующего материала в трубопровод шне-ковым питателем и периодической загрузкой исходного грузопотока шлюзованием отдельных порций горной массы. В состав установки входили следующие основные узлы: загрузочное устройство, вертикальный трубопровод, собранный из плексигласовых труб с внутренним диаметром 50 мм, разгрузочный механизм со шнековым рабочим органом, система регенерации тяжелой среды, содержащая сушилки всплывшего и потонувшего продуктов, конденсатор, сеть связывающих их трубопроводов, а также сгуститель выгружаемой породы,

установленный над сушилкой 'потонувшего продукта. Сушилки представляли собой вертикальные рекуперативные теплообменники типа «труба в трубе», в водяных рубашках которых были установлены электрические нагреватели.

Испытания модельной установки заключались в проведении двух серий экспериментов. В первой серии рядовой уголь загружался в транспортный трубопровод шлюзованием, а его всплы'вание осуществлялось в столбе тяжелой среды, составленном из двух слоев иесмешивающихся между собой жидкостей—раствора хлористого кальция в воде (нижний) как наиболее дешевой тяжелой среды, и лепкоиспаряющегося га-лоидуглеводорода— хладона 11 с .подмешанным к нему гек-саном (верхний) —более легкорегенерируемой жидкости. После шлюзования очередной порции горной массы урове'нь тяжелой среды в транспортном трубопроводе восстанавливали доливом в него смеси хладона с гексаном в объеме выпущенной перед этим из шлюзовой .камеры в сгуститель суспензии породы в растворе хлористого кальция в воде. В результате, после каждого цикла загрузки соотношение между составляющими столб тяжелой среды слоями несмешивающихся между собой жидкостей в транспортном трубопроводе дискретно менялось в пользу неводной тяжелой жидкости. Целью экспериментов со шлюзованием «сходного грузопотока являлось определение высоты слоя легкоиспаряющейся тяжелой среды, достаточной для полного вытеснения ею с поверхности всплывающих кусков угля раствора хлористого кальция в воде.

Результаты этих экспериментов показаны в табл. 2.

Таблица 2

Вынос хлористого кальция с всплывающим в двухслойном столбе тяжелой среды углем

Высота экранирующего раствор Необратимые потери хлористого

хлористого кальция в воде кальция с всплывшим углем (г/т}

слоя смеси хладона 11 при его крупности в мм:

с гексаном, мм ---

— 1 -5-М —13—5 —30 -13

200 241У 1911 1566 1389

400 2290 1780 1251 723

600 2204 1652 1060 518

800 2208 1609 944 345

1000 2185 1557 843 152

1200 2150 1510 761 90

1400 2141 1505 г; 5 47

Ю'.'О 2122 1498 687 19

Следовательно, для вытеснения раствора хлористого кальция с поверхности угольной мелочи требуются, очевидно, гораздо большие высоты неводного слоя, что вполне достижи-

мо при создании установок гидростатического подъема на глубоких шахтах.

Во второй серии экспериментов установка эксплуатировалась в непрерывном режиме с использованием шнекового питателя для загрузки рядового угля, при этом весь транспортный трубопровод был заполнен одним лишь хладоном 11. Предметом испытаний являлось выявление необратимых потерь такой тяжелой среды как функции температуры прогрева всплывающего угля в сушилке. В зависимости от этого параметра, а также от крупности транспортируемого грузопотока они составили величину от 40 до 270 г/т исходного материала.

Результаты испытаний явились необходимой исходной информацией для экономнко-'математического моделирования отработки запасов блок-ствола, оснащенного гидростатическим подъемом. Технологическая схема такого горного предприятия изображена на рис. 2.

Доставляемая конвейерным транспортом к околоствольному двору горная масса подается в дробилку /, после чего она аккумулируется в бункере-накопителе 2. Ее загрузку в транспортный трубопровод 3, заполненный тяжелой жидкостью 4, осуществляют шнековым питателем 5 непрерывного действия. Всплывший на поверхность уголь выгружают из тяжелой среды разгрузочным механизмом 6, в котором происходит одновременно и его осушение от выносимых с ним остатков жидкой фазы, от которых не удалось освободиться гидромеханическим путем, вскипающих с поверхности выгружаемого материала по мере понижения над ним давления. Образующиеся при этом пары отсасываются компрессором 7 и после их сжатия полностью регенерируют используемую в цикле тяжелую жидкость ее ожижением в конденсаторе 8.

Аналогично выводят в сухом виде из системы гидростатического подъема и отвальные хвосты углеобогащения. Для этого утонувшую ,в тяжелой жидкости породу предварительно сгущают в нижней части транспортного трубопровода 3 н посредством запорного органа 9 перегружают в герметичный зумпф, оборудованный багер-элеватором 11 в капсули-рованном исполнении. Извлеченный из зумпфа 10 влажный материал подают затем в сушилку-экспанзер 12, в которой осуществляется полное осушение породного кека от пропитывающей его влаги. Отходящие пары тяжелой жидкости по паропроводу 13 поступают на поверхность в общую для обоих продуктов обогащения систему регенерации.

Выведенная в сухом виде из горной массы пустая порода направляется на закладку. Для этого используется холостая (нижняя) ветвь магистрального ленточного конвейера, по которой отвальные хвосты углеобогащения транспортируются к закладочной машине 14, к которой также подводится сжа-

тый воздух с поверхности. Приготовленную аэросуспензию закладочного материала в сжатом воздухе пневмотранспор-тируют затем к месту закладки и посредством закладочного трубопровода, подвешенного к секциям механизированной крепи и снабженного боковыми выпусками, выделенную из горной массы в системе гидростатического подъема породу подают в выработанное пространство.

В качестве критерия оптимальности для оптимизации параметров блок-ствола с гидростатическим подъемом был выбран максимум прибыли. Отсюда целевая функция экономико-математической модели принимает следующий вид:

где Я —годовая прибыль, руб/год;

Ц — отпускная цена готовой продукции, руб/т;

С,—себестоимость осуществления 1-го процесса подземных горных работ, руб/т;

А — годовой объем реализации готовой продукции, т/год.

Для вычисления всех необходимых при реализации алгоритма модели зависимостей использовались укрупненные стоимостные параметры по всем входящим в технологическую схему моделируемого объекта процессам подземных горных работ, разработанные институтом «Центротипрошахт» применительно к условиям Донецкого бассейна, а также собранные специально для моделирования системы гидростатического подъема данные по расчету отдельных ее узлов из ряда отраслей химической промышленности.

В качестве базового варианта для выполнения расчетов был выбран блок-ствол, характеризующийся основными параметрами, представленными в табл. 3.

•Получе{юые в результате выполненных на ЭВМ расчетов данные по техпико-экономичеакоп эффективности работы блок-ствола, оснащенного гидростатическим подъемом, от ряда наиболее важных горно-геологических и технологических факторов (размеры выемочного поля по падению и простиранию, мощность пласта и породных прослойков, их зольность, нагрузка на очистной забой, цена и необратимые удельные потери тяжелой жидкости, глубина ведения подземных горных работ) были интерпретированы в виде графических зависимостей, позволивших выявить наиболее оптимальные 'параметры такого блок-ствола, необходимые для проектирования шахт.

В частности, было установлено, что размер блока 'по падению в этом случае имеет ярко выраженный оптимум (1200...1800 м), что обусловлено резко возрастающими (иа-

Таблица 3

Исходные параметры для экономико-математического моделирования отработки запасов блок-ствола с гидростатическим подъемом

Наименование параметра Ед. изм. Значение

Высота подъема м ] 000

Наибольший размер куска горной

массы м 0,0.")

Нагрузка на очистном забои т/ч 100

Мощность разрабатываемого пласта м 2,2

Материнская зольность пачек угля % 20

Угол залегания пласта град 13

Мощность породных прослойков м 0,4

Зольность породных прослойков % 80

Плотность угля в массиве г/см3 1 ,1

Плотность тяжелой жидкости г/см3 1 ,0

Размер блока по простиранию м 200И

Размер блока по падению м 1000

Длина лавы м 180

Цена тяжелой жидкости руб/т ОоО

Удельные потери тяжелой жидкости кг/т 0,1

Удельная изоэнтропная работа сжа-

тия паров тяжелой жидкости кДж/кг 20

Численность обслуживающего гидро-

статический подъемник персонала чел/см. 1

чиная с 2000 м) т.р экспортным и расходами по возврату выводимых из системы гидростатического подъема отходов углеобогащения к месту их закладки в выработанное пространство. Влияние же размера блока по простиранию па величину получаемой при этом годовой прибыли носит асимптотический характер и указывает на нецелесообразность принятия его протяженности в этом направлении свыше 2500... ...3500 м.

В заключительной части работы указаны перспективы дальнейшего развития использования легкоиспаряющихся тяжелых сред для построения на этой основе технологических схем различных процессов подземных горных ра'бот (дегазация, проходка стволов, очистная выемка и 'кондиционирование рудничной атмосферы, 'подземное обогащение и закладка выработанного пространства, отвод -подземных вод), а также приведен ряд новых разновидностей гидростатического подъема, обеспечивающие не только совмещение доставки угля на поверхность с его обогащением, ню и охлаждение при этом рудничного воздуха, рассев выдаваемого из шахты угля на различные классы крупности, брикетирование угольной .мелочи, обезвоживание водоугольных суспензии при гидравлических методах угледобычи.

Оценка экономической эффективности выполненных исследований показала, что только за счет ликвидации ущерба

от складирования породы на дневной поверхности расчетный экономический эффект от внедрения разработанных автором рекомендаций по проектированию блок-стволов шахт с гидростатическим подъемом составляет 117,7 тыс. руб/год при производственной мощности шахты 1,85 млн. т/гоц.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной для угольной промышленности задачи установления основных положений проектирования шахт при разработке пластовых месторождений блок-стволами с гидростатическим подъемом полезного ископаемого на поверхность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Анализ соответствия различных видов шахтного подъема требованиям, .предъявляемым многостадийной технологией разработки угольньгх месторождений, показал, что наиболее перспективным из них для отработки шахтных полей блок-стволами является гидростатический способ доставки полезного ископаемого на поверхность. Однако отсутствие тяжелых сред с необходимьгм комплексом свойств воспрепятствовало освоению этого процесса в промышленном масштабе.

2. Анализ условий успешного функционирования систем гидростатического подъема позволил сформулировать требования к совокупности термодинамических, реологических и санитарно-гигиенических свойств, которым должны отвечать используемые в них тяжелые жидкости.

3. Разработаны классификация и методика выбора тяжелых жидкостей для гидростатического подъема полезных ископаемых, позволившие выявить вещества, в наибольшей степени соответствующие предъявляемым требованиям — легко-испаряющиеся неводные жидкости типа галоидуглеводородоз.

4. Для определения необходимых при проектировании систем гидростатического подъема параметров регенерации тяжелых жидкостей в лабораторных условиях были изучены процессы адсорбции и десорбции галоидуглеводородов углем и вмещающей породой и установлены закономерности, связывающие уровень необратимых их потерь с температурой прогрева таких сорбентов, продолжительностью продувки теплым воздухом и величиной предварительного увлажнения горной массы.

5. Разработано техническое задание, сконструирована н-изготовлена модельная установка гидростатического подъема, позволяющая изучать основные физические процессы, происходящие при загрузке, всплывании, выгрузке продуктов транспортировки и регнерации используемой тяжелой жид-

кости. Проведенными ее испытаниями доказана техническая возможность осуществления гидростатического подъема угля в многослойных столбах несмешивающихся между собой жидкостей с вытеснением при этом в верхнем слое легконс-паряющимся галоидуглеводородом раствора хлористого кальция в воде с поверхности всплывающих мусков полезного ископаемого, а также установлен реальный уровень необратимых потерь ле-гкоиспаряющейся неводной тяжелой жидкости, равный 40...270 г/т походного грузопотока.

6. Предложена технологическая схема блок-ствола экологически чистой угольной шахты с гидростатическим подъемом и размещением выделенной в нем пустой породы в выработанном пространстве.

7. Разработана экономико-математическая модель отработки запасов блок-ствола, оснащенного гидростатическим подъемом, реализация которой на ЭВМ позволила установить необходимые для проектирования шахт оптимальные размеры выемочных полей (1200... 1800 >м но падению и 2500... ...3500 м по простиранию), а также определить влияние различных горно-геологических и технологических факторов на технико-экономическую эффективность работы шахты по п р ед л оже н н о й техн о л оги и.

8. Расчетный экономический эффект от внедрения разработанных автором рекомендаций по проектированию блок-стволов с гидростатическим подъемом, достигаемый вследствие ликвидации ущерба от складирования породы иа дневной поверхности, составляет 117,7 тыс. руб/год при производственной мощности шахты 1,85 млн. т/год.

Основные положения диссертации опубликованы п следующих работах:

1. Бродт А. С. Феноменологический подход к синтезу энертооптималыной горнодобывающей системы, .взаимодействующей с окружающей средой//Система автоматизированного проектирования шахт: Сб. науч. тр. — М.: МГИ, 1989.— С. 62—64.

2. Бродт А. С. О двух методах проектирования экологически чистых шахт//Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. тр. — Тула: ТулПИ, 1990, —С. 31—37.

3. Бродт А. С. Экологически чистый горно-энергетический комплекс//Совершенствование добычи и переработки горючих сланцев: Тез. докл. IX республ. науч.-техн. копф. — Кохтла-Ярве, 1989, —С. 31—32.

4. Бродт А. С. Принципы построения экологически чистых технологических схем горного произтодства//Система «Человек— машина — среда» в горном деле. Настоящее и буду-

щее: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. конф.— М., 1990.— С. 67—68.

5. Бродт А. С. О возможности совмещения доставки полезного ископаемого с его обогащением при гидростатическом тюдъеме//Интенси'В1на,я и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. конф. — М.: МГИ, 1989. — С. 60—61.

6. Бродт А. С. Оценка производительности гидростатического подъема полезных ископаемых в неводных средах// Комплексное освоение угольных месторождений: Сб. науч. тр. —М.: МГИ, 1989, —С. 14—17.

7. Бродт А. С., Шаровар И. И. Классификация тяжелых сред для гидростатического подъема полезных ископаемых// Интенсивная подготовка и отработка шахтного поля: Сб. науч. тр. — М.: МГИ, 1990. —С. 30—33.

8. Бродт А. С., Охоцимский А. Д. Алгоритм выбора негодных тяжелых сред для гидростатического подъема полезных ископаемых//Перспективы развития технологии разработки угольных месторождений: Сб. науч. тр. — М.: МГИ, 1990, —С. 40—42.

9. А. с. СССР 1248927. МКИ3 В 66 В 17/00. Способ подъема полезного ископаемого и устройство для его осуществления/А. С. Бродт.— Опубл. 07.08.86. Бюл. № 29.

Подписано к печати 12.05.91. Формат 60x90/16 Объем 1 печ. л.+ 2 вкл. Тираж 100 экз. Заказ Л» 268.

Типография Московского ордена Трудовою Красного Знамени горного института. Ленинский проспект, б