автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Прогнозирование параметров качества угля по процессам гидротехнологии

На правах рукописи

ЩЕМЕЛИНИН Сергей Иванович

" ' " Г, ''

. . • ; и; I о и!!¡'

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА УГЛЯ ПО ПРОЦЕССАМ ГИДРОТЕХНОЛОГИИ

Специальности: 05.15.11-Физические процессы горного производства и 05.15.02 — Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово, 1993

Работа выполнена в Сибирской государственной горно-металлургической академии (СибГГМА)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Казаков С.П.

Научный консультант: доктор технических наук

Сенкус В.В.

Официальные доктор технических наук,

оппоненты: профессор Герике Б.Л.

кандидат технических наук Соловьев A.C.

Ведущая организация: Акционерное общество

Угольная компания «Прокопьевскуголь»

Защита диссертации состоится «£/» 1998 г. : _ часов на заседании диссертационного совета Д 003.57.01 пр]

институте угля СО РАН по адресу:

650025, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля СО РАН.

Автореферат разослан « ¿У» 199$ г.

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

Ученый секретарь диссертационного

совета, докт. техн. наук, профессор /¿¿А^г*****^ Б.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие рыночных отношений в российском хозяйственном комплексе обуславливает необходимость разработки для угольных предприятий некапиталоемких технологий с быстрой отдачей. Перспективным направлением здесь является организация модулей, сочетающих элементы гидротехнологии с элементами других технологий как в подземных условиях, например, с использованием в качестве отстойников погашаемых выработок «сухой» технологии, так и открытых горных работ, например, дна разреза с имеющейся здесь инфраструктурой, энерго- и водными ресурсами. Такие технологические сочетания позволяют обойтись минимумом капитальных затрат на подготовку запасов к выемке, расширить условия их отработки, в том числе осуществлять доработку временно законсервированных запасов угля, а также отрабатывать забалансовые запасы.

Одной из физически и технологически важных особенностей использования локальных гидротехнологий по сравнению с классической, когда обезвоживание угля и осветление технологической воды осуществляется в поверхностном комплексе, является сокращение числа звеньев, в которых происходит измельчение угля, а также уменьшение времени его контакта с водой при гидротранспортировании. Это положительно отражается на качестве угля. Кроме того, при транспортировании пульпы происходит интенсивное вымывание золы, что также улучшает потребительское качество угля. Вопросы прогнозирования параметров качества угля для комбинированных технологических схем пока недостаточно изучены. Они требуют предварительных исследований и математического моделирования процессов: измельчения угля по отдельным операциям отбойки,

гидротранспортирования и грохочения; гидрообеззоливания, намокаемости и обезвоживания угля. Решение комплекса указанных задач позволит с физически обоснованных позиций подойти к технологическому конструированию комбинированных систем разработки, включающих перспективные элементы гидротехнологии, синтезировать лучшие из них по факторам обеспечения высокого качества угля с наименьшими затратами. Поэтому тема выполняемой работы является актуальной.

Диссертация придерживается общегосударственной программы «Схемы развития и размещения угольной промышленности России на период до 2010 года», связана с планами НИР институтов СибГГМА и ВНИИгидроуголь, реализованными в рамках Отраслевой научно-технической комплексной программы Минтопэнерго «Уголь России» (проект 0-23) и Государственной научно-технической программы «Недра России» (тема 2.1.), а также договорными работами с шахтами и разрезами Кузбасса.

Целью работы является совершенствование методов прогнозирования параметров качества угля при локальной отработке пластов по комбинированным схемам, включающим элементы гидротехнологии.

Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей измельчения, обеззоливания и обезвоживания угля для попроцессного прогнозирования параметров его качества.

Задачи исследования:

установить закономерности измельчения угля при механо-гидравлической выемке и гидроотбойке;

провести экспериментальные исследования и разработать физико-математические модели измельчения угля при безнапорном гидротранспортировании пульпы;

изучить закономерности гидравлического обеззоливания горной массы с различным составом пород;

разработать классификацию гранулометрического состава угля по смачиваемости и обезвоживаемости;

исследовать механизмы и закономерности обезвоживания подвижного слоя угля при гидротранспортировании;

разработать алгоритмы расчета параметров качества угля при синтезе комбинированных технологических схем отработки пластов с элементами гидротехнологии. Методы исследования:

системный анализ и научное обобщение опыта гидродобычи для выявления характера изменения качества угля по технологическим звеньям;

шахтные наблюдения и энергетический анализ для дифференцированной оценки интенсивности измельчения угля;

методы математического моделирования и корреляционного анализа для установления количественных закономерностей шламообразования, обеззоливания и обезвоживания угля;

теория графов для формирования вариантов и синтеза комбинированных схем отработки пластов;

методы сетевого моделирования двухфазных потоков для расчета качественно-количественных характеристик угля при отработке пластов по комбинированным технологическим схемам.

Научные положения, защищаемые автором:

объемы выхода мелких классов при различных способах гидравлической отбойки угля зависят от природных и технологических параметров: крепости угля, стадии его метаморфизма, давления воды в

канале ствола гидромонитора, пылеобразующей способности пластов и производительности механогидравлической выемки;

физическая и математическая модели измельчения угля при безнапорном транспортировании, базирующиеся на экспериментальных наблюдениях и математическом описании процессов его разрушения в потоке, позволяют давать количественную оценку динамики изменения гранулометрического состава;

характер изменения зольности горной массы при динамическом контакте с водой зависит от размокаемости вмещающих пород и времени гидротранспортировки;

классификация гранулометрического состава угля по смачиваемости и обезвоживаемости позволяет объяснить механизмы влагоудержания, прогнозировать влажность угля по классам и рекомендовать дифференцированные методы обезвоживания;

физические процессы обезвоживания подвижного слоя угля включают в себя разрушение пленочной влаги при трении частиц, их слипание, выравнивание влажности по толщине слоя, которые при кратковременности обезвоживающего транспортирования в совокупности обеспечивает интенсивную водоотдачу;

синтез комбинированных схем отработки пластов с использованием элементов технологий открытых и подземных горных работ, включая гидротехнологию, позволяет системно реализовать преимущества отдельных из них в конкретных горнотехнических условиях;

сетевое моделирование массораспределения двухфазных сред позволяет прогнозировать влажность угля при синтезе комбинированных технологических схем отработки пластов.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

высокими (до 0.9) коэффициентами корреляции связи физических и технологических параметров, определяющих закономерности измельчения угля;

соответствием результатов определения гранулометрического состава качественным представлением о характере процессов его измельчения;

сходимостью (с ошибкой не более ±15%) результатов математического моделирования процессов измельчения угля и шахтных наблюдений;

непротиворечивостью физических моделей процессов увлажнения и обезвоживания угля;

использованием уравнений баланса при сетевом расчете влажности угля по технологическим звеньям и операциям;

практикой проектирования и применения локальной гидротехнологии на шахтах и разрезах Кузбасса. Научная новизна работы состоит:

в установлении закономерностей измельчения угля при механогидравлической выемке и гидроотбойке;

в разработке физической и математической моделей измельчения угля при безнапорном транспортировании пульпы;

в установлении закономерностей динамического гидрообеззоливания угля;

в классификации гранулометрического состава угля по фактору смачиваемости и обезвоживаемости;

в выявлении комплекса физических процессов, определяющих закономерности обезвоживания подвижного слоя угля;

в разработке методики синтеза комбинированных схем отработки пластов с элементами гидротехнологии;

в разработке алгоритма решения сетевой задачи массораспределения двухфазных сред.

Личный вклад автора состоит:

в установлении физических закономерностей и разработке математических моделей измельчения угля по процессам гидротехнологии;

в установлении закономерностей обеззоливания угля при безнапорном гидротранспортировании;

в классификации гранулометрического состава по факторам смачиваемости и обезвоживаемости;

в обосновании механизмов и выявлении закономерностей обезвоживания подвижного слоя угля;

в разработке методики синтеза комбинированных схем отработки пластов с использованием гидротехнологии;

в разработке алгоритма решения сетевой задачи массораспределения двухфазных сред для прогнозирования влажности угля.

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

прогнозировать параметры процессов шламообразования, обеззоливания и обезвоживания угля;

корректировать проектные решения отработки пластов по комбинированным технологическим схемам;

вовлекать в отработку дополнительные запасы угля с обеспечением экономически выгодных условий их отработки;

расширить область применения гидротехнологии. Реализация работы. Методы расчета шламообразования, обеззоливания и обезвоживания угля для комбинированных технологических схем использованы:

при проектировании гидроучастков на ш.им Димитрова АОУК «Кузнецкуголь» и на экспериментальном подземном гидроучастке разреза «Листвянский» АОЗТ «Фэсткол»;

в учебном процессе кафедры РПМ СибГГМА (г. Новокузнецк). Апробация работы. Работа и ее отдельные этапы докладывались на I, II и III Международных конференциях «Перспектива развития горнодобывающей промышленности» (г. Новокузнецк, 1995, 19961997гг.), на технических советах института ВНИИгидроуголь (г. Новокузнецк, 1995-1996гг.), на научном семинаре кафедры РПМ Сибирской государственной горно-металлургической академии (г. Новокузнецк, 1997г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 147 стр., в том числе 25 рис., 12 табл., список литературы из 92 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

С середины 80-х годов в СССР начались интенсивные исследования и промышленные испытания гидротехнологии, базирующейся на новых принципах, предусматривающих возможность водоснабжения, обезвоживания угля и осветления технологической воды в подземных условиях (ВНИИгидроуголь, МГТУ, СибГГМА и др.). В настоящее время эта технология нашла широкое применение в виде локальных гидроучастков (гидромодулей), сочетающихся с элементами других технологий, например, обычной «сухой» подземной или открытой. Такой синтез позволил, во многих случаях, значительно снизить капитальные

затраты на вскрытие и подготовку запасов к выемке, отрабатывать забалансовые запасы угля, использовать инфраструктуру и элементы смежных технологий. Значительный вклад в развитие этого направления внесли A.A. Атрушкевич, О.В. Михеев, В.Г. Лурий, Б.П. Одинокое, Б.М. Стефанюк, В.В, Сенкус, Г.Т. Тютиков, С.Г. Фомичев, В.Н. Фрянов, Д.А. Каминский, В.П. Митенев, Б.Я. Целлермаер и др.

Одним из слабоизученных процессов при локальной гидромеханизированной выемке угля являет формирование его качества в отдельных звеньях технологии, которое необходимо прогнозировать при синтезе и проектировании вариантов комбинированной отработки пластов. Этому вопросу посвящены немногочисленные исследования (М.Н. Маркус, Б.П. Синюков, В.А. Коршунов и др.).

В ходе исследований был проведен сравнительный анализ шламообразующих процессов при традиционной и локальной гидротехнологиях (табл.1). Установлено, что число шламообразующих процессов при переходе с традиционной на локальную гидротехнологию уменьшается с 9-10 до 5-6. Последующие исследования были направлены на количественную оценку интенсивности шламообразования в отдельных звеньях гидротехнологии.

Таблица 1.

Шламообразующие процессы обычной и локальной гидротехнологии

Шламообразующие процессы Обычная гидротехнология Гидротехнология с подземным

замкнутым циклом

1 2 3

Выемка угля + +

Безнапорный гидротранспорт

на выемочном участке -f +

Пульпоспуск по печам + +

Продолжение табл. 1.

1 2 3

Безнапорный гидротранспорт в аккумулирующем штреке + +/-

Дробление + -

Углесосный подъем на первой ступени + -

Напорный гидротранспорт + -

Углесосный подъем на второй ступени + -

Напорный гидротранспорт до обезвоживающей фабрики + -

Переработка угля + +

Для установления закономерностей измельчения угля при гидроотбойке были проведены и обобщены результаты натуральных исследований в гидромониторных забоях шахт «Инская», «Красногорская» и «Юбилейная». Диапазон давлений воды Р в канале ствола гидромониторов составлял 9-12 МПа, средневзвешенный коэффициент крепости углей £ - от 0.7 до 1.4. На рис.1 приведена полученная зависимость выхода шлама класса - 1 мм 8! (%) от безразмерного параметра Р/Рь где Р) =10 { МПа, где 5 - коэффициент крепости угля по М.М. Протодьяконову.

¿//о

20

Ю

Чо \ о о

о\ о о о °о>

о о

0.5

Рис. I Зависимость выхода шлама.класса -I мм яри гидроотбойке от параметра р/ рЛ;

¿,=33 ехр (-0,6 P/Pi)

10

1.5

Р/Р1

Переход к условиям измельчения угля до других классов - <1 мм осуществлялся с использованием закона Розина-Раммлера для функции распределения частиц по диаметрам. В результате исследований получена общая формула, которая позволяет определить выход угля (%) любого гранулометрического состава (0 - ё мм)

[б1 л/а, с!<11

(1)

I мм

5d

1 oofi - exp(- 0.01 Sj л/d)J d > 1мм

Базой для исследований закономерностей измельчения угля при механогидравлической выемке приняты условия пылевыделения при проходке выработок на «сухих» шахтах. Их модификация дала возможность определить исходную величину §1 для расчета выхода шлама

5 1 ~ а70

' d

" " 4 (2)

vo.o7j

где а70 - параметр, характеризующий пылеобразующие свойства пластов при отбойке (выделение фракций -70 мкм на 1 т угля), % ; m - параметр склонности углей к измельчению.

Значения а70 и ш для большинства шахтопластов имеются в «Каталоге шахтопластов СССР по пылевому фактору». При их отсутствии в работе предлагаются следующие расчетные формулы

\2

а?0 =0.15(уг-29) +1.6, m = 0.25 + -

70

0.08

2/3 ' (3)

( 0.0181 У

где Уг - выход летучих веществ в угле, %.

Для определения величины используется формула (1) с заменой V? на с!т. Сравнительная оценка измельчаемости угля до класса-1 мм при

различных способах выемки показала, что при гидроотбойке она в 1.5-1.7 раза выше, чем при механогидравлической выемке, для более мелких классов (0-0.5 мм), эта разница достигает значения 2.1 (рис. 2).

5 93

* 982 97 ас 95

К

£ 30

£ 30

У 60

| Ю

£ го

2 ю

" (Л 0.01

N ч

ч

ч Ч

>41 Ч2

Чл Ч

Рис. 2. Ситовые характеристики угля (в логарифмических координатах) при различных способах выемки:

1 - гидроотбойка;

2 - механогидравлическая выемка.

с1,мм

0. 0.05 0.5 6 и

Измельчение угля при безнапорном гидротранспортировании происходит при соударении и трении. Как соударение, так и трение могут происходить или между частицами или между ними и стенками желобов. Доля вклада каждой причины в формирование общего объема измельченной массы различна. Количество шлама, образующегося по этим причинам, зависит от крепости угля, содержания абразивной породы в потоке пульпы, формы профиля и шероховатости желобов, протяженности гидротрассы и др. Для предварительной качественно-количественной оценки динамики измельчения угля была использована физико-эвристическая модель (рис. 3), суть которой заключается в следующем.

Процесс измельчения угля при безнапорном гидротранспортировании удобно характеризовать при его условном разделении на 4 класса: I класс (+100 мм); II - (+50-100 мм); III - (+0.5-50 мм); IV - (0-0.5 мм).

В ходе транспортирования крупные куски угля при взаимодействии с поверхностью желоба разрушаются по плоскостям ослабления, переходя во 2-й класс. Имеющиеся в угле пылевидные частицы смачиваются и переходят в класс - 0.5 мм. Кинетической энергии потока недостаточно для разрушения частиц классов - 100 мм на более мелкие. Ее воздействие проявляется в том, что неровные грани поверхности угля стираются и пополняют класс - 0.5 мм. Частицы со «шлифованной» поверхностью остаются в своих классах.

Рис.3. Структура физико-эзиистическаЗ модели измельчения угля при безнапорном гидротранс-яооитовании

На основании эвристической модели была составлена математическая модель процесса, которая представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих динамику разрушения угля и последовательность перехода частиц из более крупных в более мелкие классы в зависимости от исходного (после отбойки) гранулометрического состава, коэффициента крепости угля, длины и качества гидротрассы

где 5 - массовая доля частиц ьго класса в отбитой горной массе; а..-1 У

интенсивность перехода частиц из 1-го в} -й класс; Ь - то же для перехода

из 1 -го класса в 4-й класс (шлам).

Начальные условия для решения системы имеет вид 5,(0)= 5;°, где

классам (¡= 1+4).

В работе получены значения 5. для всех четырех классов угля. Ввиду

громоздкости они в автореферате полностью не приводятся. Значение б 0.з (для шлама) рассчитывается по формуле

где L - длина безнапорного участка гидротрассы, км; 1<т. коэффициент качества гидротрассы, К т < 1.0.

Числовой коэффициент (0.025) в формуле (5) получен на основе обработки результатов фактических замеров с использованием данных к.т.н. Б.П. Синюкова.

Результаты исследования закономерностей измельчения угля в пульпоспускных печах позволили для класса - 0.5 мм рекомендовать формулу (5) с заменой параметра 0.025 на 0.45 (в показателе экспоненты);

? о

ó¡ - начальное распределение гранулометрического состава угля по

0.025L

жт

(5)

величина ^ принимается равной доле класса - 0.5 мм в угле,

поступающем на вход в пульпоспускную печь.

Дифференцированная количественная оценка измельчения угля при транспортировании показывает, что доля класса - 0.5 мм увеличивается с ростом уклона гидротрассы с 2.5 - 4% на километр при уклоне менее 0.08, до 15-20% на 100 м в пульпоспускных печах.

При переработке угля (грохочении, виброобезвоживании и др.) коэффициент дополнительного измельчения составляет 1.1-1.2.

Прогноз изменения зольности транспортируемого угля является не менее важной задачей, чем прогноз его измельчения, поскольку, во-первых, при высокой размокаемости пород сложнее выводить шлам из системы водоснабжения; во-вторых, зольность угля является одним из основных показателей его качества.

Обобщение результатов исследований института ВНИИгидроуголь и анализ работы гидрошахт Кузбасса позволили количественно подтвердить, что размокаемость вмещающих пород существенно зависит от стадии метаморфизма углей: породы непосредственной кровли и почвы пластов угля более поздней стадии метаморфизма имеют большую склонность к размоканию.

Исследования показали, что после разрушения угля в забое его зольность неравномерно распределяется по классам, имея большее содержание в классах (0-5 мм) и (+13 мм).

Качественный анализ закономерностей перераспределения зольности угля при гидротранспортировании показал, что трудноразмокаемая порода остается в крупных классах, повышая их зольность, а средние классы при этом остаются менее зольными и не требуют обогащения. Среднеразмокаемая порода засоряет все классы крупности и уголь требует обогащения. Легкоразмокаемая порода, как

правило, переходит в мелкие классы и сильно увеличивает их зольность. Крупные классы становятся иизкозольными и могут использоваться без обогащения.

Изменение остаточной зольности угля после безнапорного транспортирования на расстояние Ь км определяется по формуле

Ап-0.015п Лп(е + Ш

д а _0_0.5 0.5 4 у ' ((л

АОСт(М 1-0.0160 5 (6)

где А^, А^ ^ - исходная зольность угля и зольность класса - 0.5 мм; Р -

коэффициент динамической размокаемости пород, равный, соответственно, 1.3, 0.7 и 0.45 для легко-, средне- и трудноразмокаемых пород (по классификации В.А. Коршунова)

Для выявления закономерностей обезвоживания угля необходимо изучить механизм его смачиваемости. Экспериментами установлено, что уголь в процессе смачивания ведет себя аномально: различные классы угольных частиц смачиваются по-разному. Крупные куски ведут себя как гидрофобное вещество. Мелкие частицы диаметров менее 6 мм являются гидрофильными. Весьма измельченный (до микронных размеров) уголь способен создавать с водой устойчивые коллоидные растворы. С позиции смачиваемости и последующего обезвоживания уголь следует разделить на 4 класса по крупности частиц.

Первый класс, крупностью +6 мм - относится к «гидрофобному» углю. При смачивании пленочная влага, как правило, не охватывает полностью его поверхность. Доступ возможен только к весьма малой доле молекул угля, которые находятся на поверхности куска. Поэтому вода быстро стекает с угля и его влажность составляет не более 2% (без учета влаги в порах).

Второй класс, крупностью 1-6 мм следует отнести к смачиваемым веществам, поскольку дальнодействие сил смачивания достигает 7-8 мм и позволяет полностью охватывать поверхность частиц пленочной влагой. Однако эта влага слабо удерживается силами поверхностного натяжения воды. Частицы выходят из воды достаточно мокрыми, их исходная влажность составляет 17-23%, однако влага имеет возможность стекать с поверхности почти свободно при относительно небольших встряхиваниях.

Третий класс, крупностью 0.05-1 мм следует отнести к гидрофильным, т.е. трудно обезвоживаемым веществам. Частицы угля охватываются пленочной влагой, сцепленной силами адгезии и прижатой к частицам силами поверхностного натяжения. Исходная влажность угля этого класса при выходе из воды в рыхлом состоянии составляет 23-27%. Степень упаковки третьего класса существенно влияет на его влажность. При уплотнении пленочная влага переходит в объемно-манжетную, вытесняется из слоя и ее содержание в угле сокращается до 12-14%.

Четвертый класс, крупностью 5-50 мкм - это класс, создающий устойчивые коллоидные растворы. Обезвоживание этого класса угля связано с особенными трудностями. Рациональным является осаждение частиц (т.е. разрушение коллоидного раствора). Этот процесс обычно носит название осветления технологической воды. Степень упаковки существенно влияет на влажность такого угля, но упаковка его затруднена, так как сложнее вытеснять воду, поскольку она удерживается силами на порядок выше, чем для частиц третьего класса.

Предложенная классификация позволяет использовать дифференцированные способы обезвоживания угля для каждого класса, прогнозировать влажность и управлять его качеством по этому параметру.

Для повышения эффективности процесса обезвоживания угля за счет создания и рыхления слоя мелкого угля институтом ВНИИгидроуголь

совместно с МГГУ разработан специальный обезвоживающий комплекс. Принцип его действия заключается в предварительном сбросе воды и выделении крупных классов угля с малой влажностью, формировании фильтрующего слоя угля мелкого класса на шпальтовых ситах. При этом, за счет перемещения по дну конвейера скребков с резиновыми пластинами, обеспечивается, во-первых, движение и разрыхление слоя угля и, во-вторых, предотвращение засорения сит.

Качественные исследования процессов, способствующих интенсивному обезвоживанию подвижного слоя угля, показали, что в ходе транспортировки происходит:

перекатывание частиц с трением друг о друга, которое разрушает пленку влаги и обеспечивает ее стекание через шпальтовое сито;

прилипание частиц третьего класса к частицам четвертого с образованием общего, более тонкого, слоя влаги;

выравнивание влажности по толщине слоя, что обеспечивает поддержание высокого градиента влажности на границе со шпальтовым ситом и повышение скорости ее стекания.

Отмечено также влияние газовыделения из угля на снижение прочности пленки влаги на его поверхности.

Для обоснования параметров комплекса и оценки его эффективности предлагается расчетный метод, базирующийся на математическом моделировании процесса обезвоживания подвижного слоя угля. Фильтрация воды через шпальтовое сито определяется законом Дарси, который применительно к рассматриваемой задаче может быть записан в виде уравнения

2 2 )(1-с3) = 0

где х - расстояние от места загрузки пульпы; с - концентрация твердой фазы; а - коэффициент, зависящий от фильтрационных характеристик сит и пульпы; Ь - высота слоя; Ут - скорость транспортирования пульпы;

ширина щелей в ситах; с^ - расстояние между щелями.

Решение этого уравнения при С ( 0) = С ^ имеет вид

С(0 = 1-(1-С0)е~^\ (8)

где р = аЬё^/(с11+(12)Ух.

Зависимость относительного изменения влажности угля от безразмерного параметра |3х приведена на рис. 4. Интервал х < 0.75 при использовании конвейера СР-70 соответствует времени транспортирования пульпы до 10 мин. В этот период обезвоживание угля наиболее интенсивное.

Рис.^Относительное вменение шжнаети подвижного сш

9ГПЯ ОТ 5ЕШ31ЛЕРНОГО ПтШТРА £ )<

Технологическая схема обезвоживания угля в подвижном слое использовалась на гидроучастке шахты «5-6» АОУК «Прокопьевскуголь».

Высокая степень обезвоживания (до 10 %) подтверждает эффективность совмещения операций транспортирования и обезвоживания угля.

Характер изменения качества угля по процессам в значительной степени определяется структурой и параметрами технологических схем отработки пластов. Для выбора рациональных сочетаний их элементов была разработана методика синтеза комбинированных схем, использующих элементы открытых и подземных работ, в том числе гидротехнологию. В настоящей работе применялись принципы структурного построения и анализа математических моделей и подсистем угольной шахты, разработанные Е.И. Роговым, Г.И. Грицко, В.Н. Вылегжаниным. В соответствии с этими принципами осуществлялось разбиение технологической цепочки на звенья, формирование вектора качественных признаков, построение квазиупорядоченного графа вариантов и их типизация. Синтезируемые схемы представлялись 9-мерным вектором признаков, каждый из которых принимал от двух до пяти значений.

у = (УрУ2' -Уп )' П= 1 -9,

где у^, у2 - способы вскрытия и подготовки; у^ - способ отбойки угля; у ^ - способ транспортирования угля; у^ - наличие предварительного сброса воды; у ^, у ^ - способы классификации и обезвоживания крупных и мелких классов; у^, уд- способы сгущения шламов и осветления

технологической воды.

Всего было проанализировано около 700 вариантов комбинированных технологических схем, из которых выделено 8 базовых (типовых). Последнее осуществлялось путем последовательного сокращения числа признаков каждого из уровней квазиупорядоченного графа путем их объединения или исключения. Использование схем

позволяет реализовать преимущества и обеспечить взаимоадаптацию параметров отдельных технологий в конкретных горнотехнических условиях.

В качестве примера синтеза открытого и подземного способов ведения горных работ с использованием гидротехнологии были рассмотрены структура и принципы функционирования системы обезвоживания угля и осветления воды, спроектированной и построенной на дне разрезной траншеи разреза «Листвянский» для отработки пластов в его бортах (ВНИИгидроуголь и АО «Фэсткол»). Выявлены особенности системы и определены перспективы использования.

Последним из комплекса вопросов, рассмотренных в диссертации, который необходим для решения задач синтеза комбинированных технологических схем с применением гидротехнологии, явилось математическое моделирование потокораспределений в гидротранспортных сетях для расчета параметров обезвоживания угля.

На рис. 5 приведена обобщенная схема углегидротранспортной системы участка, часть элементов которого могут располагаться как под землей, так и на поверхности (например, при гидромеханизированной выемке угля в бортах разреза, при обезвоживании и осветлении воды на поверхности). Здесь узлами в виде кружка обозначены объекты, в которых происходит пассивное формирование водоугольной смеси (забои, резервуары осветленной воды и др.). Узлами в виде квадрата обозначены объекты, в которых осуществляется активное перераспределение потоков воды и угля (обезвоживатели, сгустители-осветлители и др.). Ветвями (стрелками) обозначены элементы транспортной сети (желоба, пульпопроводы, водоводы, конвейеры). Здесь приняты следующие обозначения:

для узлов: 1 - забой; 2 - сито предварительного сброса воды; 3 - обезвоживатель; 4 - сгуститель - осветлитель; 5 - отстойник - резервуар осветленной воды; б - угольный бункер;

для ветвей :1 - углепоток из забоев; 2 - шахтный водоприток; 3, 5, 6, 8, - желоба или пульпопроводы; 4, 7 - угольные конвейеры; 9, 10, 11 - водоводы; 12 - транспортеры угля на склад.

Каждая из ветвей характеризуется двумя параметрами: массовым расходом (т/ч) и массовой концентрацией твердого (%). Эти характеристики вычисляются по формулам

где Чур • часовой расход угля и воды в ¡-той ветви.

Каждый из узлов характеризуется балансом масс входящих и выходящих из него потоков раздельно для твердой и жидкой фазы

Рис. 5.

(9)

где суммирование для ^го узла ведется по всем расходам твердой и жидкой фаз в ветвях, причем принимается со знаком плюс, если ветвь входит в узел и со знаком минус, если выходит из него.

Использование уравнений потокорасиределения (9) и (10) позволяет определить влажность обезвоженного угля, отправляемого на бункеризацию (узел 6 и ветвь 12), а также находить максимально допустимые по расходу пределы его пополнения сгущенным шламом (ветвь 8). Обоснована возможность использования модели при проектировании углегидротранслоргных и обезвоживающих систем шахт и участков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи прогнозирования параметров качества угля, имеющей существенное значение для повышения качества проектных решений по разработке пластов с применением гидротехнологии и расширения области ее использования.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем.

1. Гранулометрический состав угля при гидроотбойке зависит от давления воды в канале ствола гидромонитора и коэффициента крепости угля: чем больше величина их отношения, тем ниже доля мелких классов. При давлении воды 9-12 МПа, средневзвешенном коэффициенте крепости угля 0.7-1.4 выход класса -1 мм составляет 12-20 %. При механогидравлической выемке выход мелких классов определяется перерасчетом данных об удельном пылеподавлении (класс - 0.07 мм ) при работе комбайнов в «сухих» шахтах, а в случае их отсутствия - на основе

установленной связи пылеобразующей способности пласта с выходом летучих веществ в угле. В наиболее распространенных условиях шламообразование (класс - 1 мм ) при гидроотбойке в 1.5 - 1.7 раза выше, чем при механогидравлической выемке; это соотношение возрастает до 2.1 для класса - 0.5 мм .

2. Физические особенности измельчения угля при безнапорном гидротранспортировании описываются при условном разделении его на 4 класса: +100 мм; (50-100); (+0.5-50); -0.5 мм . Крупные куски угля при перемещении разрушаются по плоскостям ослабления, переходя в II класс, пылевидные частицы смачиваются и переходят в класса - 0.5 мм . Кинетической энергии потока недостаточно для разрушения частиц классов - 100 мм на более мелкие, поэтому его воздействие проявляется в том, что неровные грани поверхностей стираются и пополняют класс 0-5 мм. Частицы со «шлифованной» поверхность остаются в своих классах.

3. Математические модели измельчения угля при гидротранспортировании представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих динамику его разрушения и последовательность перехода частиц из более крупных в более мелкие классы в зависимости от исходного гранулометрического состава, коэффициента крепости угля, длины, уклона и качества гидротрассы.

4. Количествершая оценка параметров измельчения угля при транспортировании, полученная в результате математического моделирования, показывает, что доля класса - 0.5 увеличивается с ростом уклона гидротрассы - с 2.5-4 % на километр при уклоне менее 0.08 до 15-20 % на 100 м в пульпоспускных печах.

5. Остаточная зольность угля при гидротранспортировании зависит от размокаемости пород и протяженности трассы. Алгоритм ее расчета базируется на последовательном определении динамики

увеличения зольности шламов (- 0.5 мм) для трех типов пород (слабо-, средне- и трудноразмокаемых), использовании уравнения баланса зольности при измельчении угля и выводе интегрального соотношения для расчета ее остаточного значения. При гидротранспортировании угля на расстояние, например, 1 км остаточная зольность снижается при легкоразмокаемых породах - на 20-30 %, при средне - и трудноразмокаемых - на 10-20 % и 5-10 % соответственно.

6. Смачиваемость и обезвоживаемость угля существенно зависят от крупности его частиц, которые по указанным факторам следует разделить на 4 гранулометрического класса: первый класс - (+6 мм) является гидрофобным и самообезвоживается до 2-3 % поверхностной влаги; второй - (1-6 мм) - смачиваемый со свободно удаляемой пленочной влагой при встряхивании. Доведение влажности второго класса возможно до 8-10 %. Третий класс (0.05-1 мм ) является гидрофильным, влажность которого при выходе из воды достигает 23-27 %. Уплотнение его упаковки при транспортировании обеспечивает переход пленочной воды в объемно-манжетную со снижением влажности до 12-14 %. Четвертый класс (- 0.05 мм) создает устойчивые коллоидные растворы, осаждаемые только специальными способами.

7. Физическими процессами, обеспечивающими интенсивность обезвоживания подвижного (транспортируемого) слоя угля являются: перекатывание частиц с трением друг о друга, разрушающим пленку влаги и обеспечивающим ее стекание через шпальтовое сито; прилипание частиц третьего класса к частицам четвертого с образованием общего, более тонкого, слоя влаги; выравнивание влажности по толщине слоя, что обеспечивает поддержание высокого градиента влажности на границе со шпальтовым ситом и повышает скорость ее стекания. Аналитическое решение уравнения изменения влажности подвижного слоя угля

показывает, что интенсивное обезвоживание происходит в течение первых 10 мин., при этом влажность слоя убывает по экспоненте, показатель которой прямо пропорционален времени транспортирования, толщине слоя и ширине щелей в ситах.

8. Алгоритм синтеза комбинированных схем отработки пластов с использованием элементов открытых и подземных горных работ, в том числе гидротехнологии, включает в себя разбиение технологической цепочки на звенья, формирование вектора качественных признаков (уровней), построение квазиупорядоченного графа вариантов (около 700) и их типизацию. Получено 8 базовых технологических схем, использование которых позволяет реализовать преимущества и обеспечить взаимоадаптацию параметров отдельных технологий в конкретных горнотехнических условиях.

9. Математическое моделирование потокораспределения двухфазной среды «вода-уголь» для произвольных технологических схем позволяет осуществлять их синтез с элементами гидротехнологии, проектировать углегидротранспортные и обезвоживающие системы при одновременным прогнозе качества угля, интенсивности шламообразования и оценке возможности пополнения складируемых запасов сгущенными шламами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в отечественных изданиях:

1. Разработка экологически чистого открыто-подземного способа отработки верхних горизонтов угольных пластов на основе гидромеханизации / A.A. Атрушкевич, С.П. Казаков, С.И. Щемелинин и др. Сб. науч. трудов по материалам круглых столов международных

выставок-ярмарок горно-металлургического комплекса // Новокузнецк: СибГГМА, 1995. - С. 91 -93.

2. Казаков С.П., Щемелинин С.И., Атрушкевич В.А. Математическое моделирование процесса обезвоживания подвижного слоя угля // Горный информационно-аналитический бюллетень - М. : МГГУ, 1995, вып. 4. - С. 77 - 79.

3. Казаков С.П., Родиковский М.И, Щемелинин С.И. О реструктуризации угольной промышленности России // Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых: Межвуз. науч.-тех. сб. / Новокузнецк: СибГГМА, 1996, вып. 2. -Q.il - 86.

4. Казаков С.П., Щемелинин С.И., Андрющенко В.В. Моделирование потокораспределения в углегидротранспортных сетях для расчета обезвоживания угля // Математические и экономические модели в оперативном управлении производством : Тематич. сб. науч.-техн. статей. - М: Электрика, 1997, вып. 4. - С. 84 - 87.

5. Стефанюк Б.М., Щемелинин С.И. Классификация гранулометрического состава угля по факторам смачиваемости и обезвоживаемости для управления его качеством // Математические и экономические модели в оперативном управлении производством: Тематич. сб. науч.-техн. статей. - М. : Электрика, 1997, вып 4. - С. 96 - 97.

Тезисы докладов в материалах Международных конференций:

6. Казаков С.П., Щемелинин С.И. Гидравлическая технология выемки угля в бортах разрезов // Тез. докл. II Междунар. научн.-практич. конф. / Перспективы развития горнодобывающей промышленности. -Новокузнецк : СибГГМА, 1995. - С. 64.

7. Щемелинин С.И. Выбор геомеханических параметров перспективных систем разработки угольных пластов подземным способом с открытых техногенных выемок в условиях Листвянского разреза // Тез.

докл. III Междунар. науч.-практ. конф./Перспективы развития горнодобывающей промышленности - Новокузнецк : СибГГМА, 1996. -С. 92.

8. Щемелинин С.И. Системный анализ технологии выемки забалансовых запасов угля на разрезах // Тез. докл. 1 Междунар. конф. / Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Новокузнецк: СибГГМА, 1996. - С. 74 - 75.

9. Щемелинин С.И. Особенности применения гидротехнологии при подземной выемке забалансовых запасов угля на разрезах // Тезисы докл. на 1У Международной научно-практической конференции / Перспективы развития горнодобывающей промышленности. Новокузнецк : СибГГМА, 1997. - С. 131 - 132.