автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Прогнозирование параметров и управление процессами переработки угля на разрезах

Ь и ОД

2 4 НОЯ 'П07

На правах рукописи

Безбородов Антон Николаевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ П УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ НА РАЗРЕЗАХ

Специальность 05.15.11 - Физические процессы

горного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово, 1997

Работа выполнена в Сибирской Государственной горно-металлургической Академии (СибГГМА)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Казаков С.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Герике Б.Л.

кандидат технических наук, доцент Удовицкий В.И.

Ведущая организация:

АООТ «Кузбассразрезуголь»

Защита состоится ¡-¿¿^¿¿'/иХ991 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 003.57.01 при Институте угля по адресу: 650025, г.Кемерово, ГСП, ул.Рукавишникова, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля СО РАН.

Автореферат разослан « Н> о ¡и 1997 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 650025, г.Кемерово, ГСП, ул.Рукавишникова, 21, Институт угля СО РАН.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Б.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях рыночных отношений угледобывающим предприятиям, отправлявшим ранее уголь на обогатительные фабрики , становится выгодным выдавать не сырье (рядовой уголь), а осуществлять его обогащение и сортировку непосредственно на объекте. В особенности , это касается разрезов, имеющих высокую производительность, управляемую сырьевую базу и возможность активного воздействия на параметры (сортность и зольность) конечного продукта переработки.

Существующие подходы к определению параметров избирательного дробления, породовыборки и сортировки угля в недостаточной степени учитывают их связь с такими важными физическими характеристиками горной массы как крепость, влажность, качественный и гранулометрический состав сырья, поступающего на обогащение и сортировку. Это создает трудности при выборе технологически и экономически целесообразных режимов углеобогащения.

Получение максимальной прибыли от переработки горной массы требует научно обоснованных методов прогнозирования, увязки и совместного регулирования параметров технологических процессов, обеспечивающих настройку системы "выемка-переработка-сортировка угля" на достижение необходимых качественно-количественных значений физических параметров, исходя из экономических интересов разрезов. В этой связи тема диссертации является актуальной.

Работа выполнена в рамках общегосударственной программы "Энергетическая стратегия России", придерживается "Основных принципов санации и закрытия нерентабельных шахт и разрезов угольной промышленности России" и «Схемы развития и размещения угольной промышленности России на период до 2010 года.» (директивные материалы

государственной компании "Росуголь") , а также связана с выполнением хоздоговорных работ с разрезами АООТ "Кузбассразрез-уголь".

Целью диссертации является повышение эффективности работы разрезов за счет приобъектной переработки горной массы, параметрически увязанной с сырьевой базой, условиями обогащения и требованиями по качеству угля.

Идея работы заключается в использовании зависимостей гранулометрического состава и зольности угля от параметров сырьевой базы и технологии переработки горной массы для управления процессами формирования его качества.

Задачи исследований:

установить зависимость эффективности избирательного дробления и породовыборки от состава, прочностных характеристик и влажности исходной горной массы;

определить влияние физических и технологических параметров процессов дробления и грохочения горной массы на гранулометрический состав и распределение зольности в продукте переработки;

обосновать критерии адаптации технологических процессов системы "выемка - переработка - сортировка угля" к требованиям по качеству продукции;

разработать методику прогнозирования параметров углепотока в технологической цепи переработки горной массы;

обеспечить оптимальную параметрическую адаптацию элементов технологического процесса переработки горной массы к вариации сырьевой базы и требованиям по качеству угля.

Методы исследований:

системный анализ для выявления управляемых параметров в технологической цепи "выемка-переработка-сортировка угля" ;

использование энергетических законов дробления и породовыборки, уравнений баланса, т.- теоремы и корреляционного анализа для установления физических закономерностей и технологических параметров переработки горной массы ;

методы теории адаптации сложных систем для обоснования критериев управляемости технологическими процессами переработки горной массы;

математическое моделирование для разработки методики прогнозирования физических параметров углепотока в технологической системе;

методы исследования операций для адаптации элементов технологии к вариации сырьевой базы и требованиям по качеству угля. Научные положения выносимые на защиту :

избирательность гравитационно-центробежного дробления двухкомпонентного материала «уголь-порода» зависит от отношений коэффициентов крепости и плотности его составляющих; функция распределения гранулометрического состава угля зависит от тех лее физических параметров и связана с техническими характеристиками и режимом работы дробильного комплекса;

влияние влажности на эффективность грохочения и разделения горных пород проявляется через два механизма: во-первых, с увеличением влажности увеличивается коэффициент трения сыпучих материалов, что затрудняет просыпание мелочи в подрешетный продукт ; во-вторых, наличие поверхностной влаги вызывает слипание частиц и их налипание на крупные куски породы, увеличивая ее угленосность;

распределение зольности угля после избирательного дробления зависит от отношения плотностей и коэффициентов крепости породы и угля; при этом возможны варианты, когда уголь будет иметь повышенную золь-

ность крупных классов, повышенную зольность мелких классов, минимум ее в средних классах;

зависимость производительности гравитационно-центробежного дробления и грохочения от физических и конструктивно-технических параметров позволяет выбирать методы и прогнозировать результаты управления технологическими процессами переработки угля;

критерий адаптации процессов и подсистем переработки и сортировки угля отражает степень соответствия физических параметров продукта обогащения внешним требованиям к его качеству , обладает свойствами безразмерное™ и нормированное™, технологичности и устойчивости, что позволяет использовать критерий для решения широкого класса технологических и экономических задач;

методика расчета и прогнозирования качественно-количественных значений физических параметров технологических процессов переработки горной массы является основой для управления и оптимизации в системе «выемка-переработка-сортировка угля».

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается :

применением классических уравнений, методов и законов (уравнений баланса масс, к- теоремы, законов дробления) при установлении физических закономерностей формирования связи параметров сырьевой базы и конечного продукта переработки;

высокими (более 0,9) коэффициентами корреляции в выявленных закономерностях избирательного дробления и грохочения угля;

качественным соответствием результатов математического моделирования и оптимизации практическим представлениям о рациональности параметров технологии;

положительными результатами внедрения технологии переработки горной массы на разрезе "Ерунаковский". Научная новизна работы заключается:

в установлении связи избирательности дробления и эффективности лородовыборки с составом, прочностными характеристиками и влажностью исходной горной массы;

в оценке влияния физических и технологических параметров горной массы и процессов переработки на закономерности распределения гранулометрического состава и зольности угля;

в декомпозиции технологической системы и выявлении связей, по которым осуществляется адаптация процессов выемки, переработки и сортировки к физическим параметрам сырьевой базы и требованиям по качеству угля;

в обосновании структуры, параметрического содержания и методов расчета критерия адаптации технологических процессов к требованиям по качеству угля;

в разработке методики прогноза параметров углепотока в технологической цепи «выемка-переработка-сортировка угля»;

в обосновании рациональных параметров процесса переработки горной массы с учетом требований по качеству угля. Личный вклад автора состоит:

в установлении зависимости параметров избирательного дробления и породовыборки от состава, прочностных характеристик и влажности угля;

в установлении связи физических параметров исходной горной массы и продукта переработки с технологическими параметрами системы избирательного дробления и породовыборки;

в обосновании критерия адаптации технологических процессов и подсистем к физическим параметрам сырьевой базы и требованиям по качеству угля;

в разработке методики прогнозирования параметров углепотока в технологической цепи «выемка-переработка-сортировка угля»;

в разработке методов и моделей адаптации технологических процессов и подсистем к параметрам исходного и конечного продуктов переработки;

в обосновании параметров и апробации технологии переработки горной массы на разрезе «Ерунаковский».

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:

определять эффективность породовыборки при избирательном дроблении и грохочении горной массы;

прогнозировать качественно-количественные параметры углепотока при обогащении и сортировке угля;

управлять параметрами переработки горной массы в соответствии с требованиями по качеству угля.

Реализация работы. Результаты исследований и практические рекомендации использованы:

при разработке ТЭО для дробильно-сортировочного комплекса с породовыборкой на разрезе «Ерунаковский»;

при выборе и регулировании параметров обогащения угля в ходе эксплуатации перерабатывающего комплекса;

в учебном процессе кафедры РПМ СибГГМА при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы . Основные научные положения и практические выводы диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры РПМ СибГГМА (1996,1997г., -г.Новокузнецк); на третьей Международной

научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" (23-26 апреля 1996г., г.Новокузнецк); на первой Международный конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (19-20 ноября 1996г., - г.Новокузнецк ).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано восемь печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованной литературы из 73 наименований, содержит 128 страниц , в том числе 14 таблиц и 18 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе изучены физико-технические и экономические предпосылки целесообразности и возможности управления процессами переработки и сортировки угля на разрезах с учетом требований к его качеству.

Варианты решения проблемы повышения качества углей Кузнецкого бассейна представлены как в программном документе отрасли - «Схемы развития и размещения угольной промышленности России на период до 2010 года», так в различных альтернативных стратегиях. В базовом варианте для разрезов бассейна предполагается перерабатывать 54% добытой горной массы по технологиям обогащения глубиной до класса +13мм. Переход горной массы из исходного состояния в конечный продукт - товарный уголь осуществляется в системе «выемка-переработка-сортировка угля». Каждая из подсистем формирует входной материальный поток для последующей подсистемы. Так, результатом функционирования технологической подсистемы «выемка угля» является горная масса определенного диапазона крупности, зольности и влажности, поступающая на вход подсистемы

«переработка угля». Результатом функционирования второй подсистемы является материальный поток обогащенного угля, поступающего на сортировку (в третью подсистему), которая обеспечивает классификацию в зависимости от требований рынка. Центральным вопросом повышения эффективности работы разрезов за счет приобъектной переработки горной массы является параметрическая увязка всех подсистем в единую, технологически обеспечивающую экономические интересы разреза.

Изучением закономерностей дробления горных пород применительно к открытым горным работам посвящены исследования многих отчественных ученых: В.В.Ржевского, Б.Н.Кутузова, А.В.Бирюкова, Н.Я.Репина,

A.С.Ташкинова, С.А.Гончарова, Н.Г.Турилова и др. Исследованиями ученых КузГТУ (А.В.Бирюковым и А.С.Ташкиновым) предложены формулы, позволяющие определять грунулометрический состав горной массы, направляемой на переработку, в зависимости от горно-геологических условий и параметров ведения открытых работ.

Последующий процесс разрушения горной массы для ее классификации и обогащения может осуществляться в результате раздавливания, раскалывания, излома, среза, истирания и удара. Исследованиями и конструкторскими работами Е.Е.Андреева,

B.С.Бутовецкого, А.М.Коткина, Б.В.Клушанцева, А.И.Косарева, А.Лич, А.Е.Молчанова, В.А.Первова, В.М.Погарцева, И.В. Пономарева, Ю.И.Протасова, Е.Е.Серго, Т.Г.Фоменко, С.Э.Фридмана, М.Н. Ямпольского и др. обоснована эффективность использования барабанных дробилок-грохотов избирательного действия для совмещения операций ударного дробления и обогащения углепородной массы. По мнению специалистов, механическое обогащение является наиболее простым, эффективным и экономичным, допускает организацию технологических линий на

модульном принципе и легко адаптируется к природным условиям, т.е. является наиболее перспективным для приобъектной переработки угля.

Как показал анализ, вопросам установления связи избирательности дробления и породовыборки с характеристиками исходной горной массы и параметрами дробления-грохочения до сих пор уделялось недостаточное внимание. В основном использовалось положение о том, что отношение коэффициентов крепости породы и угля должно превышать 1,3. При исследовании этого вопроса следует опираться на энергетические законы дробления: Ритгингера, Кика-Кирпичева, Бонда. Необходимо связать их не только с параметрами крепости, но и плотности компонент горной массы, а также влажности. Не изученным является также распределение зольности в обогащенном угле.

Анализ потребительского спроса на продукцию разрезов показывает, что его диапазон достаточно широк и может находиться в интервале от рядового угля с природной зольностью 12-17% до сортового- с зольностью 7-10%. Такая обстановка диктует весьма высокие требования к управляемости и технологической адаптируемости подсистем выемки, переработки и сортировки угля. Конструкции дробилок-грохотов избирательного действия позволяют, за счет изменения количества подъемных полок, угла их наклона, частоты вращения барабана, диаметра входных и выходных отверстий решет управлять как производительностью, машин, так и параметрами породовыборки и, далее, за счет рациональной сортировки угля, обеспечивать требования потребителей. Здесь необходимы соответствующие расчетные методы, которые дадут основу для адаптации процессов «выемка-переработка-сортировка угля» к требованиям по его качеству в экономически выгодном для разреза режиме. Базой для обоснования структурных свойств и параметрического содержания критериев и методов адаптации технологических процессов являются

результаты работ В.Н.Вылегжанина, Г.И.Грицко, В.И.Удовицкого, Е.И.Рогова, В.Н.Фрянова, Я.З.Цыпкина.

Подводя итог результатам анализа физико-технических и экономических предпосылок для прогноза, управления и адаптации процессов выемки, переработки и сортировки угля на разрезах следует отметить, что изучение условий формирования и управления параметрами гранулометрического состава, распределения зольности угля, а также производительности технологического комплекса в зависимости от разрушенности, влажности и прочностных характеристик исходной горной массы будет являться основой создания методов повышения эффективности работы разрезов .

Проведенный анализ состояния изученности вопроса позволил сформулировать цель и задачи диссертационной работы. Для достижения цели диссертации, поставленные задачи решались в несколько этапов.

Во второй главе рассмотрены основные положения методики исследований, дано описание сырьевой базы и основного экспериментального объекта, на котором проводились натурные наблюдения и замеры.

Сырьевая база разреза характеризуется следующими показателями: добывается энергетический уголь марки Г-6 с природной зольностью 1117%, влажностью 5-10% и коэффициентом крепости 1,0-1,5. Отрабатываемые пласты включают породные прослойки толщиной 0,06-0,6м из аргиллита и алевролита с коэффициентом крепости 1,5-3,0.

Отмечено, что в течение 1994-1996 гг специалистами предприятий НПО "Углемеханизация" и АО "Изокон" при участии автора разработаны проектно-конструкторская и рабочая документация, а с участием АО "Разрез Ерунаковский" осуществлено строительство и пуск в эксплуатацию

дробилыю-сортировочного комплекса с породовыборкой. Комплекс позволяет выполнять следующие процессы:

- избирательное дробление горной массы и обогащение угля;

- отделение от горной массы посторонних предметов;

- раздельное штабелирование угля и породы;

- дифференцированную по классам сортировку угля.

Управляя отдельными процессами, можно варьировать режимами работы комплекса в зависимости от планируемых требований к качеству конечного продукта переработки.

В третьей главе приведены результаты исследований физических закономерностей процесса избирательного дробления и грохочения горных пород.

На основе энергетического анализа процесса разрушения горной массы, базирующегося на уравнении Бонда для удельного расхода энергии применительно к гравитационо-центробежному дроблению материала, получена зависимость коэффициента избирательности дробления тъ - отношения характерных размеров кусков породы и угля, от крепости и плотности породы и угля

/п Рп

Щ—ГГ-' /у Ру

где /и р, - коэффициент крепости и плотность, соответственно "п" - породы, "у"" угля.

Для прогнозирования характеристик обогащенного угля необходимо знать параметры функций распределения гранулометрического состава Б(с1), дифференцированно для угля и породы. В форме Годэна-Андреева эта функция имеет вид

*тах

где с/, с1тах - текущее и максимальное значение диаметра частиц (кусков) обогащенного угля; Ку(п) - показатель функции распределения, соответственно для угля и породы в продукте обогащения.

Качественный анализ факторов, определяющих значение коэффициентов КУ,К„, проведенный с использованием к- теоремы и энергетического уравнения Бонда, позволил сделать предположение о том, что в общем виде, справедлива следующая зависимость:

где со - угловая скорость вращения барабана, 1/с; II - его радиус, м; а - единичный размерный коэффициент, ориентированный на общепринятые единицы измерения.

Зависимость К(я?), полученная по результатам обработки фактических данных, представлена на рис.1.

где

(3)

К

ОА

Рис.*

0.2

о

0 . ОА 0.8 1.г

Таким образом установлено, что показатель функции распределения гранулометрического состава убывает с увеличением центробежных сил, плотности горной массы, угловой скорости и радиуса барабана и возрастает с ростом коэффициента крепости пород. Физически, эта зависимость указывает на увеличение доли мелких классов с уменьшением критерия пъ при барабанном дроблении. Так, показатель функции распределения гранулометрического состава в форме Годэна-Андреева находится в диапазоне от 0,15 до 0,5 , убывает пропорционально квадрату центробежных сил и обратно пропорционально коэффициенту крепости дробимого материала таким образом, что, например, при уменьшении коэффициента крепости материала в 2 раза выход класса - 6мм растет на 70-100%; аналогичные изменения достигаются при увеличении угловой скорости вращения барабана в 1,4 раза.

При исследовании влияния влажности горной массы на эффективность процесса грохочения рассмотрены и оценены два механизма. Во-первых, с увеличением влажности растет коэффициент трения сыпучих материалов, что затрудняет просыпание мелочи в подрешетный продукт. Во-вторых, наличие поверхностной влаги вызывает слипание частиц между собой и налипание их на крупные куски породы, увеличивая ее угленосность.

Основным фактором, определяющим интенсивность просыпания материала при изменении влажности, является коэффициент трения скольжения для породы и угля цс. Найдена его зависимость от влажности 1¥(%). Она имеет вид

/,1С =0,66/£ аотк, где аотк - 16° + Км IV . (4)

Здесь аотк - угол естественного откоса конуса насыпки; Км - параметр, зависящий от свойств материала и находящийся в диапазоне от 0,83 - для угля до 0,33 - для породы.

При изучении влияния коэффициента трения скольжения на изменение показателя эффективности грохочения Е была использована следующая физическая модель: вращающийся слой угля условно заменен вязкой жидкостью, через которую под действием центробежной силы частицы перемещаются к периферии. Движущая сила уравновешивается силой сопротивления в соответствии с формулой Стокса. Установлено, что при изменении коэффициента трения скольжения с ¿uo до jui показатель Е меняется по формуле

Л?

fo

Е,-Е0 , (5)

где Е, - значение показателя эффективности грохочения горной массы при коэффициенте трения равном Анализ графиков функции E(W) показал, что эффективность грохочения начинает значительно снижаться при влажности угля более 10%.

Исследованиями второго механизма влияния влажности на эффективность грохочения выявлено, что после дробления горной массы поры раскрываются на границах разрушения и происходит перераспределение поверхностной влаги. Она сосредотачивается на поверхности частиц диаметром менее 6мм, которые являются смачиваемыми с образованием устойчивой пленочной влаги. Найдена качественная связь изменения угленосности удаленной породы с увеличением влажности горной массы.

При изучении распределения зольности после избирательного дробления горной массы решались две задачи: определялись остаточная зольность угля после породоудаления и ее распределение по классам. Решением первой задачи установлено, что относительное изменение остаточной зольности следующим образом зависит от коэффициента избирательности дробления mg

М

ау ^

-0,13(от -1)

М

где Ма, Мау - начальная и остаточная зольность горной массы.

Дифференциальное распределение зольности по классам при дроблении горной массы на дробилке ДБГ-28 при со=0,2б 1/с, 11=2,8 м описывается следующей формулой

а{с1)=

1 + 0,18(^-1)

а

\ тах;

(7)

где К„- безразмерный критерий, равный ~/р/Ур/у. Плотность распределения зольное™ угля иллюстрирована рис. 2.

й(о1)

1.0

0.5

К г-*""" /

/

1 > 1 / 1 / \ /

-'1аг 0.5

/ 1

0.2.5 0.6 0.75 (Л

Рис .2

тах

При ла>1 повышенное содержание золы будет приходиться на крупные классы угля. Если дробление горной массы производится через длительное время после выемки, порода, как правило, теряет свою прочность (/г„<7). Тогда характер распределения зольности меняется: она

перераспределяется в сторону мелких классов. Если горное породы, входящие в состав перерабатываемой горной массы, представлены двумя ярко выраженными типами: слабыми и крепкими при сопоставимых объемах, то кривая распределения зольности после дробления будет иметь минимум: зольность мелких классов будет формироваться за счет дробления слабых пород, а крупных классов - за счет дробления крепких; средние классы будут иметь меньшую зольность.

Проведенные исследования физических закономерностей процесса избирательного дробления являются базой для установления связи его параметров с изменяемыми технологическими параметрами барабанных дробилок.

Для установления зависимости производительности комплекса ()у по подрешетному продукту от физических и технологических параметров использовались результаты исследований дробимости горной массы, энергетическое уравнение Бонда, данные ИОТТ, статистические методы. С их использованием получена формула для расчета производительности барабанных дробилок различного типа:

п Ыу -ЛГ

Оу =■ В[1-(1 - —) ЛА°] -—-рсо(2Я) -—=-, (8)

5 f Г 8

1- V-

Втпах

где ЛА° - удаленная зола; п - число направляющих полок; Иу - мощность двигателя кВт; р, /• средневзвешенные плотность и коэффициент крепости горной массы; В„,ах , 8 - размеры входного и выходного отверстий в решетках м; В - эмпирический коэффициент, равный 1600 для установок типа ДБ и 825 - для установок типа БГД при коэффициенте вариации 6-9%. Зависимость (8) при п=птах представлена на рис.3.

300

Qs, т/ц

BOO

о

о

0.25 0.5

Рис.3

В четвертой главе приведены результаты исследований управляемости процессами переработки горной массы и обосновашш критериев параметрической адаптации технологических подсистем к требованиям по качеству угля. Для выявления параметров, по которым должна обеспечиваться адаптация процессов к вариации сырьевой базы и требованиям по качеству угля была осуществлена последовательная декомпозиция технологической системы с выявлением числа, вида и «сильности» управляемых межподсистемных связей. С этой целью в обратном порядке рассмотрены 4 подсистемы: одна - экономическая, П4 (сбыт угля) и три - технологические, Пз+П], (сортировка, переработка, выемка). Установлено, что :

связь между подсистемами П4 и (Пз+ITj) осуществляется через управляемые параметры зольности Мау, количество п и долю угля различных классов: ¿¡¡; О, (i=l-m)\

между подсистемами Пз и (.77П\) связь осуществляется через пара-

метры функции распределения гранулометрического состава угля, и производительности системы Оу\

связь между подсистемами П2 и П\ осуществляется через максимальные размеры кусков горной массы, поступающей на переработку Отах, которые определяют величину <2У. Установлено, что при изменении 1)тах'д от 3,0 до 15,0 (т.е. в 5 раз) производительность системы, Оу уменьшается только в 1,9 раза. Таким образом связь П; и Д? слабообозначена и параметрами указанных подсистем можно управлять раздельно.

Необходимые управляющие воздействия на элементы системы переработки угля непосредственно связаны с требованиями к его качеству. Нами предложено шесть вариантов, которые обычно диктует рынок сбыта угля (табл.1).

Таблица 1

Варианты требований к качеству угля

По зольности угля По сортности угля

Рядовой Сортовой

(1>с1о с!<сЗо

Природная зольность 0 1 2

Обогащенный уголь 3 4 5

В зависимости от варианта требований необходимо: при варианте 0 - демонтировать направляющие полки барабанной дробилки, смонтировать сита грохота на требуемые максимальные размеры кусков рядового угля, исключить процесс сортировки;

1 при вариантах 1,2 - демонтировать направляющие полки и обеспечить сортировку угля на 2 класса: ± ¿о, мм;

при варианте 3 - смонтировать требуемое число направляющих полок, обеспечить сортировку угля на 2 класса.

Кроме того, при вариантах 2 и 4 дополнительно необходимо увеличить размер отверстий во входном желобе для повышения доли крупных классов угля.

При выборе критерия адаптации технологических процессов к выходным параметрам качества угля была учтена необходимость того, чтобы он отражал связь производительности и эффективности работы комплекса с физико-механическими свойствами горных пород и учитывал экономические интересы разреза. Такой критерий имеет вид

Ц Оу

J = (-; (—; (—), (9)

Цтах Qmm

где ¿»в (А, IV,а) - трехмерная область возможностей разреза по обеспечению требуемого на рынке сбыта (Я^ качества угля по зольности А, влажности IVи сортности <-/; Ц (А, \УД) - цена угля; Отт - производительность комплекса, работающего в режиме максимальной породовыборки.

Как показал анализ, критерий (9) имеет следующие свойства:

а) безразмерность и нормированность, позволяющие оценивать качество адаптации (близость У к единице);

б) устойчивость относительно ценовой политики, поскольку использует отношение цен Ц Цтах\

в) технологичность (физшшость), поскольку последние 2 сомножителя в критерии могут быть выражены через параметры качества обогащенного угля;

г) общность, поскольку с его использованием можно решать оптимизационные экономические задачи;

В пятой главе разработаны математические модели и методики расчета и прогнозирования параметров и оценки критериев адаптации процессов переработки угля к различным вариантам требований по его качеству.

Проведенные исследования закономерностей формирования гранулометрического состава, распределения зольности угля по классам, породо-выборки при избирательном дроблении и грохочении в зависимости от физико-механических свойств горных пород и параметров переработки горной массы позволили разработать алгоритм прогнозирования параметров угле-потока на выходе системы.

В табл.2, приведены перечни входных данных и выходных характеристик, получаемых в результате математического моделирования.

Таблица 2

Входные данные и выходные характеристики

математической модели

Входные данные Выходные характеристики

1. Максимальный размер кусков горной массы, поступающих на переработку Дтах, мм. 2. Плотности породы И угля рп,ру, т/м3. 3. Коэффициенты крепости породы и угля /,„/,, 4. Зольность горной массы (доли единицы) А 0. 5. Функция распределения гранулометрического состава горной массы Р}(ф. 6. Интенсивность входного потока горной массы О/, т/ч. 1. Максимальный размер кусков угля после переработки дтах, мм. 2. Функция распределения гранулометрического состава угля 17у(с1). 3. Интегральная зольность обогащенного угля Ау . 4. Функция распределения зольности угля а (с!) . 5. Зольность породы А„. 6. Производительность комплекса по подрешетному продукту Оу> т/ч . 7. Интенсивность породоудаления Оп, т/ч.

При обосновании методов и параметров оптимального управления процессами, связанными с обеспечением качества угля, установлено, что

решение этой задачи эквивалентно решению задачи обеспечения максимума критерия адаптации (9). Это утверждение обосновано путем анализа знаков приращений критерия J и критерия качества угля <7 при одинаковом изменении параметров А,с/. Критерий качества рассчитывается по формуле

1+2,5 АЛ 1г 1,5-1(Г31

С - (-■) (---1 , ПО)

1 г 2,5 ААтах 1 г 1,5 -КГ йтах

где АА,ААтах - рациональное и максимально возможное снижение зольности (доли единицы); ¿1, с1тах - средний и максимальный размеры частиц (кусков) обогащенного угля, мм .

Значения критерия качества находятся в диапазоне (0+1). Проведен расчет критерия необходимого уровня адаптации технологических процессов для различных вариантов требований к качеству угля (табл.3).

Таблица 3

Значения критерия необходимого уровня адаптации технологических процессов для различных вариантов требований к качеству угля.

Вариант требований 0 1 2 3 4 5

Диапазон значений I 0,55-0,65 0,58-0,68 0,55-0,65 0,7-0,77 0,8-0,89 0,7-0,77

Анализ результатов, которые приведены в табл.3, показывает, что необходимый уровень адаптация технологических процессов растет по мере роста требований к качеству угля. Примерно в том же соотношении будет увеличиваться и прибыль разрезов при управляемой приобъектной переработке угля (от 5 до 35%).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалифиционной работой, в которой содержится решение задачи прогнозирования параметров и управления процессами переработки горной массы, имеющей существенное значение для повышения эффективности работы разрезов за счет технологического улучшения параметров качества угля.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем.

1. Коэффициент избирательности гравитационно-центробежного дробления горной массы (отношение характерных размеров кусков раздробленной породы и угля) линейно зависит от отношения их плотностей, возрастает пропорционально отношению квадратов коэффициентов крепости и находится в диапазоне 1,3 - 7,5.

2. Показатель функции распределения гранулометрического состава в форме Годэна-Андреева находится в диапазоне от 0,15 до 0,5 , убывает пропорционально квадрату центробежных сил и обратно пропорционально коэффициенту крепости дробимого материала таким образом, что, например, при уменьшении коэффициента крепости материала в 2 раза выход класса - 6мм растет на 70-100%; аналогичные изменения достигаются при увеличении угловой скорости вращения барабана в 1,4 раза.

3. Влияние влажности на эффективность грохочения и разделения горных пород проявляется через два механизма: во-первых, с ростом влажности увеличивается коэффициент трения скольжения сыпучих материалов (угол естественного откоса увеличивается на (0,3-0,8)° на каждый процент повышения влажности), это затрудняет просыпание мелочи в подрешетный продукт; во-вторых, наличие поверхностной влаги вызывает слипание частиц и их налипание на крупные куски породы, увеличивая ее угленосность в

мелких (-1мм) классах. Эффективность грохочения начинает резко снижаться при влажности угля более 10%.

4. Распределение зольности обогащенного угля по классам определяется безразмерным физико-механическим критерием па, который является положительной степенью произведения отношения крепости породы и угля к обратному отношенгао их плотностей. В зависимости от величины критерия в составе угля будет повышенная зольность крупных классах (тт., >1) или мелких классах (тга <1) . Отношение остаточной и начальной зольности связано с коэффициентом избирательности дробления и экспоненциально убывает с его ростом.

5. Установлена зависимость производительности гравитационно-центробежного дробления от двух групп параметров: физических (крепости, плотности и зольности угля) и конструктивно-технических, в том числе управляемых (размеров отверстий в решетках на входе и выходе дробилки-грохота, частоты вращения барабана и числа направляющих поток). Целенаправленным варьированием последних, например в диапазоне ± 25%, можно достичь глубины регулирования производительности - до 40%, размера частиц обогащенного угля - до 30%, остаточной зольности - до 50% от удаляемой механическим способом.

6. В структуру критерия адаптации технологических процессов к требованиям по качеству угля включены три сомножителя, отражающие:

1- степень соответствия зольности, гранулометрического состава и влажности угля внешним требованиям к этим параметрам; 2 - связь качества и цен на уголь; 3 - снижение производительности переработки при улучшении физических параметров качества угля. Критерий может изменяться в диапазоне (0,1) и является устойчивым относительно ценовой политики.

7. Разработана методика расчета и прогнозирования параметров угле-потока в технологической цепи переработки угля. Она базируется на выяв-

ленных закономерностях центробежно-гравитационного дробления горной массы, породоудаления и формирования зольности угля. Методика позволяет решать и обратные задачи, а именно, по заданным требованиям к качеству конечного продукта подбирать параметры переработки.

8. Обоснование адекватности задач экономической оптимизации параметров переработки и задач максимизации критерия адаптации процессов в системе «выемка-переработка-сортировка угля» к требованиям по его качеству позволяет выбирать эффективные методы и параметры управления, обеспечивающие, в зависимости от варианта требований, уровень адаптации от 0,55 до 0,89. Их реализация дает возможность на 5-35% повысить прибыль разрезов за счет приобъектной переработки горной массы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора.

Статьи в отечественных изданиях

1. Безбородов А.Н. Экспериментально-аналитический метод прогноза характеристик переработки угля на разрезах// Горный информационно-аналитический бюллетень -М.: изд-во МГГУ, 1995, вып.4, С.74-76.

2. Казаков С.П., Безбородов А.Н. Экономико-математические модели эффективности переработки угля на разрезах// Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: изд-во МГГУ, 1995, вып.5, С.110-113.

3. Казаков С.П., Безбородов А.Н. Критерий адаптации технологических процессов при изменении сырьевой базы разрезов/Яехника и технология разработки месторождений полезных ископаемых. Межвузовский научно-технический сборник. Вып.2. - Новокузнецк : изд-во СибГГМА, 1996 - С.49-51.

4. Казаков С.П., Стефанюк Б.М., Безбородов А.Н. Прогноз параметров переработки угля при изменении сырьевой базы разрезов//Техника и

технология разработки полезных ископаемых. Межвузовский научно-техн. сборник. Вып.2. - Новокузнецк : изд-во СибГГМА, 1996 - С.38-43 .

5. Критерии и постановка задач адаптации параметров выемки и переработки угля к условиям рынка сбыта / А.Н.Безбородов, К.Д.Лукин, В.В.Аидрюшенко и др.// Сб. научно-технических статей «Математические и экономические модели в оперативном управлении производством», вып.З. -М.: изд-во «Электрика», 1997 - С.81-83.

Тезисы докладов в материалах международных конференций.

6. Механизм влияния влажности на эффективность грохочения угля/ Б.М.Стефашок, А.Н.Безбородов, А.В.Беляков и др. // Тезисы докл. на I Международной конференции "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых". - Новокузнецк : изд-во СибГГМА, 1996 -С.8-9.

7. Казаков С.П., Безбородов А.Н. Гранулометрический состав и зольность угля после избирательного дробления// Тезисы докл. на I международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых». - Новокузнецк: изд-во СибГГМА, 1996 - С.43-44.

8. Безбородов А.Н., Тарновский О.Г. Создание адаптивного дробиль-но-сортировочного комплекса с породовыборкой// Сб. Тезисов докладов на III Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности». - Новокузнецк: изд-во СибГГМА, 1996 - С.59-60.