автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка и реализация методической базы проектирования гидроучастков с подземным замкнутым циклом обезвоживания угля и осветления воды

РГб од

глглЛ

2 0 и-;.'-»1-1

На правах рукописи

СЕН КУС Витаутас Валентинович

УДК (622.234.5 : 622.794).005.00,1.63

РАЗРАБОТКА И'РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИЧЕСКОЙ БАЗЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 'ИДР0УЧАСТК0В С ПОДЗЕМНЫЙ ЗАМКНУТЫМ ЦИКЛОМ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ УГЛЯ И ОСВЕТЛЕНИЯ ВОДЫ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1996

Работа (выполнена то Всероссийском научно-исследова-тельскам и /проектно-конструкторском институте гидравлической технологии добычи .угля '(ВНИИгидроуголь).

Научный консультант ,докт. техн. наук, проф. АТРУШКЕВИЧ А. А.

Официальные оппоненты: !докт. техн. наук,, проф. ЕРЕМЕЕВ В. М„, докт. техн. наук, проф. КУЗЬМИЧ И. А., докт. техн. наук,, ,проф. СТАРИКОВ А. В.

Ведущая организация — КузНИУИ (г. Прокопьевск Кемеровской обл.).

Защита диссертации состоится « '. » . . 1996 г.

в /Р. час. на заседании диссертационного совета Д-053.12.012 три Московоко'м государственном горном университете то адресу: 117939, Москва, Ленинский 'проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « . . . » . 4 . . . . 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. гехн. наук, 'проф., КУЗНЕЦОВ. Ю Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях перехода угольной промышленности на рыночные отношения остро встает проблема выживаемости нерентабельных предприятий. Одним из перспективных направлений ее решения является (перевод шахт с традиционной технологии на гидравлическую. Разработки институтов ВНИИгидроуголь, МГГУ, СибГГМА, ИГД им. А. А. Скочинского и др., направленные на создание адаптивных технологических схем, средств подготовки и очистной выамки, организацию подземного цикла водоснабжения, обезвоживания угля и осветления воды, а также технико-экономические расчеты, показали, что наиболее реальные перспективы развития гидродобычи связаны с отработкой запасов месторождений мощных крутых нарушенных пластов угля, где применение традиционных технологий менее эффективно.

Необходимость ускорения ¡внедрения гидротехнологии в сложных горно-геологических условиях определяет значительный спрос на разработку проектов гидроучасгков с подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды на шахтах Кузбасса, которые выполняются .в течение 0,8—1,2 г., что сопоставимо со сроком их строительства, а существенное сокращение сроков проектирования за счет увеличения числа проектировщиков и уровня квалификации не представляется реальным. Наиболее эффективный путь решения этой проблемы лежит в повышении уровня автоматизации шроектно--конструкторских работ.

Концепция обезвоживания угля и осветления технологической воды® подзе.мныл- условиях не позволяет формально заполнить (Методическую базу проектирования гидроучастка разработанными для гидрошахт методиками и программами и, следовательно, требует исследований в области разработки технологических схем, сбалансированных по объемам добычи угля, расходу воды, их инженерного и нормативно-методического обеспечения.

Отличительной особенностью проектирования гидро.у,частика является то, что проектируемый с ее помощью объект является сложной динамической системой, в которой необходи-

>мо сбалансировать внутренние технологические звенья в замкнутом цикле и осуществить многофакторную увязку с ее инфраструктурой. До настоящего времени аналогов методической. базы проектирования гидроучастков в угольной промышленности нет.

В связи с изложенным значительную актуальность приобретает научная проблема разработки теоретических основ, методов и средств технологического и проектного обеспечения для гидроучастков с подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды, а ее решение .позволяет 'повысить эффективность работы гидроучастка, сократить сроки проектирования и повысить качество ¡проектных решений..

Цель работы — установление закономерностей формирований и взаимосвязей характеристик технологических звеньев гидроучастков- с подземным замкнутым циклом обезвоживания угля и осветления воды для разработки методической 'базы проектирования, реализация которой обеспечивает повышение технического уровня и эффективности горного 'производства в рыночных условиях.

Идея работы заключается в моделировании структурной и .количественной сбалансированности функциональных звеньев и параметров гидроучастка с их последующей пространственно-временной увязкой, в технологической схеме шахты.

Методы исследований:

технико-экономический анализ, обобщение и научно-техническое прогнозирование состояния и путей развития гидротех-нодог-ии для оценки перспектив и условий ее применения;

системный анализ автоматизированных 'комплексов ¡проек-тирова.н'ия и управления угольными предприятиями для выделения ядра и периферии функциональных (модулей, выявления состава структуры1 и связей технологических звеньев гкд-роуча'стка;

методы свертки информации и математической, статистики для минимизации информационной базы и установления зависимостей -между входными и выходными параметрами модернизируемых м етодик;.

'математическое описание основных закономерностей формирования баланса ¡воды и угля в гидротранопортных системах для разработки алгоритмов оценки и методик расчета сбалансированности технологических звеньев и параметров гидроучастка;

эвристические методы и методы фильтрации при разработке и оценке эффективности активизации обезвоживания угля, осаждения шлама и осветления воды;

теория создания больших программных систем, методы структурного и модульного программирования для реализации комплексов программ в системе проектирования гидроучастков.

Основные научные положения, зыносимые на защиту:

>1. Конкурентоспособность и 'приоритетность .гидротехнологии на современном этапе обеспечиваются при отработке пластов угля в сложных горно-геологических условиях .путем создания локальных гидроучастков с .подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды при поэтапном наращивании их мощности и пространственно-временной увязке в технологической схеме действующих шахт.

2. Теоретические основы 'проектирования гидроучастков базируются на концепции 'предварительного структурного анализа программного обеспечения систем различных ориентации с последующим выделением общего ядра и периферии. В ядро входит комплекс функциональных задач, обеспечивающих достижение цели одновременно для различных автоматизированных систем по назначению. Периферия формируется специализированными функциональными задачами непосредственно для данной автоматизированной системы.

3. Классификация технологических звеньев и технических средств реализации модульной гидротехнологии с подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды по способам аккумуляции пульпы, отбойки, транспортировки, классификации, обезвоживания и сушки угля;, сгущения, обезвоживания шлама, осветления технологической воды позволяет выявить состав, структуру и связи основных функциональных звеньев, необходимых для выбора и разработки различных видов обеспечения и проектирования технологических процессов на уровне гидроучастка.

4. Декомпозиция системы проектирования гидрошахт предполагает выделение по функциональному назначению технологических 'процессов и звеньев с образованием в замкнутом цикле непрерывной технологической схемы, в которой элементы увязаны между собой, что требует обеспечения их сбалансированности по определенным пара^метращ и критериям.

о. Инженерное сопровождение разработанной методической базы включает комплекс новых и модернизированных методик и нормативной документации, обеспечивающих разработку и реализацию ¡проектов гидроучастков угольньтх шахт, при этом модернизация заключается в минимизации информационной базы, корректировке поправочных 'коэффициентов, установлении аналитических зависимостей 'между входными и выходными'параметрами.

6. Алгоритм оценки сбалансированности технологических звеньев гидроучастка включает в себя последовательно-параллельные решения ря;да задач: -математическое моделирование процессов очистной выём.ки, итерационное определение технических и технологических параметров обезвоживающих установок, шламосборников, водосборников и отстойников, а

также возврат, при необходимости, в исходное состояние позволяет обеспечить сбалансированность функциональных звеньев гидроучастка « .пространственно-временную увязку в рамках технологической схемы шахты.

7. Интенсификация и управляемость процессами обезвоживания угля и осветления воды достигается 'путем использования прогрессивных технологических схем, включающих элементы активного обезвоживания угля, осаждения шлама и осветления воды на обезвоживающих установках, бункерах, шламонакопителях н отстойниках, параметрически сбалансированных 'В технологической цепи гидроучастка.

8. Комплекс программ по расчету параметров обезвоживающих .установок, шламосборников и отстойников, представленный автономными модулями, элементы которых стыкуются информационно на входе-выходе, м -позволяют синтезировать набор технико-технологических решений, ориентированный .качественно и количественно на проектные значения объемов добычи, влажности угля и содержания твердого в оборотной воде.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

непротиворечивостью 'классификации технологических звеньев и технических средств „модульной, гидротехнологии сложившимся представлениям о вариантах ее реализации;

удовлетворительной сходимостью решений балансовых уравнений для всех технологических звеньев гидроучастка (85-90%);

положительными результатами лабораторных и стендовых испытаний предложенных способов и средств обезвоживания угля, и осветления воды;

'положительными результатами использования методик расчета параметров технологических схем при реализации проектных решений на четырех шахтах Кузбасса;

достаточной сходимостью расчетных и [производственных показателей функционирования локальных гидроучастков (расхождение до 10%);

¡повышением производительности труда проектировщиков на 10—,1'5% и сокращением сроков проектирования на 30— 45% при автоматизации расчетов проектирования, .гэдроуча-стков.

Научная новизна состоит:

в обосновании горно-геологических условий и технических направлений, обеспечивающих 'конкурентоспособность и приоритетность гидротехнологии по сравнению с традиционной;

е разработке концепции построения 'методической базы проектирования гидроучастков, базирующейся на структурном анализе смешанных автоматизированных систем с после-

дующим выделением ядра и периферии функциональных задач;

в классификации технологических звеньев и технических средств реализации модульной гидротехнологии, позволяющей выявить структуру, состав и связи производственных процессов для разработки методической базы проектирования гидроучастков;

в формулировании новых требований к параметрам и критериям САПРгидроучаст.ков, обеспечивающим сбалансированность технологических звеньев;

в разработке алгоритмов оценки и обеспечения сбалансированности технологических звеньев гидроучасша, базирующихся на математическом моделировании процессов очистной выемки и итерационном определении технических и технологических 'параметров обезвоживающих установок,, шламосбор-ников и отстойников с их пространственно-временной увязкой в технологической схеме шахты.;

в разработке методики расчета баланса воды и угля, дифференцированно учитывающей выход твердого по классам, интенсивность осаждения шлама и распределение потоков воды в замкнутом цикле технологического водоснабжения гидроучастка;

в разработке комплекса методик, в том числе для расчета технологических параметров обезвоживающих установок (грохот, ©иброобезвоживатель,, фильтрующий буккер), учитывающих объемы и динамику поступления и выхода из цикла горной массы и воды; для расчета технологических пара/метров установок и устройств вывода и осаждения шлама (центрифуга, виброобезвоживатель, шламосборник, отстойник), учитывающих характер поступления остаточного продукта обезвоживания и закономерности осаждения шламов;

■в обосновании вариантов и параметров технологических схем н технических средств активного обезвоживания угля, осаждения шлама и осветления водьг, базирующихся на принципах применения высокочастотной вибрации горной массы и создания фильтрующего слоя у стенок шпальтовых бункеров для обезвоживания мелких классов угля и осветления воды; использования центробежных сил для осаждения шлама.

Научное значение диссертации состоит в создании методической базы 'проектирования гидроучастков, на основе выявленные закономерностей формирования характеристик их функциональных звеньев, сбалансированных на уровне технологической схемы шахты.

Практическое значение работы заключается ¡в том, что результаты выполненных исследований позволяют:

обеспечить сбалансированность технологических звеньев гидроучастков по горной ¡массе и воде, создавая условия своевременного вывода шламов из оборотного цикла;

выбрать путем многовариантных автоматизированных расчетов рациональные параметры технологических звеньев и технических средств для обезвоживания угля, осветления воды и осаждения шлама с увязкой их в единую технологическую схему;

обеспечивать интенсификацию и управляемость процессов обезвоживания угля,, осветления воды и осаждения шлама;

сократить сроки и улучшить качество проектных, технико-технологических проработок для гидроучастков;

использовать разработанное программное обеспечение в составе других автоматизированных систем, с «оторьши оно имеет 'информационную, методическую и программную связь;

¡включать в методическую базу новые результаты научных исследований и инженерным разработок по реализации гидротехнологии с подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды;

реализовать через вычислительные центры предприятий и институтов современные методы проектирования гидроучастков и 'внедрять их проекты на. угольных шахтах.

Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, использованы:

при составлении бассейнового нормативно-методического документа «Методика расчета параметров гидравлической выемки угля в коротких забоях»;

при выполнении проектов гидроучастков шахт « Зимин -«а», «5—6», «Северный Маганак», «Коксовая», «Центральная,»,■ «Красный Углекоп», им. Калинина АОУК «.Прокопь-евскуголь»;

при обосновании целесообразности перевода на .гидротехнологию и ¡проектирования гидроучастка шахт им. Димитрова, «Байдаевская», АОУК «Кузнецкуголь»;

при разработке технического задания, технического и рабочего проектов и комплекса программ САПРтидроуча'стка, .который внедрен на вычислительных центрах института ВНИИгидроуголь и АОУК «Прокопьевокуголь».

Научные положения и .практические рекомендации использованы /в учебных дисциплинах горных специальностей Московского государственного горного университета и Сибирской государственной горно-металлургической академии.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты, исследований докладывались и получили одобрение на Всесоюзном совещании «АСУ ТП в химии, нефтехимии, металлургии и энергетике» (Москва, 1973); на Всесоюзном семинаре «Механизация и автоматизация производственных процессов на .'Промышленных предприятиях» (Новокузнецк, 1975); на Всесоюзной научно-технической конференции «Практика и пробле(мы автоматизации управления технологическими процессами, производствами и предприятиями» (Ке-

мерово, 1982); на VII Всесоюзном семинаре «Оптимизация торных работ» (Новосибирск, 1985); на Всесоюзном научно-техническом совещании ,по развитию гидравлической технологии добычи угля (Новокузнецк, 1990); на научно-технических совещаниях по выполнению .комплексных программ «Недра России», «Уголь России» (Москва, 1992); на научных семинарах <кафедры ТПУ Московского государственного горного университета (Москва, '1995); на Международной научно-практической конференции «Проблемы реформирования региональной экономики» (Кемерово, 1994); на научно-практической конференции III Международной ярмарке-выставке «Уголь-металл» (Новокузнецк, 1994).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 45 печатных трудах, включая 5 авторских свидетельств на изобретения, 3 научно-технических отчетах, а также в технических заданиях и технорабочих. проектах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, содержит 238 страниц, в том числе 46 рисунков, 13 таблиц, 3 приложения, список литературы из 265 наименований.

Автор выражает благодарность А. С. Бурчакову Л. А. 'Пучков,у, Ю. Н. Кузнецову, С. П. Казакову, О. В. Михе-еву, В. Н. Лритьмову, В. Н. Фрянову, С. Г. Фомичеву за методическую помощь, ценные .консультации при работе над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Перспективные направления развития гидротехнологии на угольных шахтах. В гидравлической технологии подземной добычи угля выделяют 4 этапа: первый этап (1953— 1965 гг.) —стадия промышленного эксперимента; второй этап (1966—1976 гг.)—наращивание производственных мощностей. Высокая производительность по отбойке угля и благоприятные горно-геологические условия предопределили успех гидродобычи. Производительность труда рабочего по добыче на 'гидрошахтах Кузбасса щ 1976 г. составила 153,2 т/мес, что в 2,1 раза выше, чем в среднем на лучших шахтах традиционной технологии этого 'бассейна. Значительный вклад внесли в достигнутые результаты ВНИИгидроуголь, УкрНИИгидро-утоль, ИГД им. А. А. Скочииского, ИГД СО АН СССР, МГИ, СМИ, ДПИ, представленные ведущими учеными А. С. Бурча-ковым, Э. Б. Голандом, А. Е. Гонтовым, Г., И. Грицко, А. С. Кузьмичем, М. Н. Маркусом, В., С. Мучником, Г. И. Разгиль-деевьг,м, К. Ф. Сапицким, Б. А. Теодоровичем и 'многими другим«.

Третий этап (1977—1988 -гг.) характеризуется ухудшением торно-гео,логических условий, стабилизацией объемов добычи

угля гидравлическим способом и снижением производительности труда на рабочего, .которая в целом оставалась значительно выше, чем на шахтах традиционной технологии. Однако резервы дальнейшего улучшения технико-экономлческих показателей гидрошахт технологической схемой, включающей: гидроотбойку и безнапорную транспортировку угля по желобам (выработкам), ги др о,подъем и напорный гидротранспорт пульны на фабрику в условиях рыночной экономики исчерпались. Высокая капитало- и энергоемкость гидрошахт, защита окружающей среды диктуют необходимость поиска новых технических, технологических решений и создания гидротехнологии нового уровня.

С 1979 г. 'в СССР, Польше, Чехословакии, Японии, Китае активно начались научные исследования и промышленные испытания 'гидротехнологии, 'базирующейся на новых принципах, предусматривающих обезвоживание угля и осветление технологической воды в подземных условиях. Значительный »клад в развитие этого направления внесли ученые институтов ВНИИшдроуголь, ИГД им. А. А. Скочинского, МГГУ, СибГПМА, такие, как А. А. Атрушкевич,, А. С., Бурчаков, С. П. Казаков, И. А., Кузьмич, Ю. Н. Кузнецов, В. Г. Лурий, О. В. Михеев, В. С. Мучник, Б. П. Одиноков, Б. А. Теодоро-вич, Г. Т. Тютиков, С. Г. Фомичав, В. Н. Фрянов, 'В. М. Хазов и др.

Принцип функционирования гидроучастка с подземным •циклом обезвоживания угля и осветления воды заключается в следующем. Осветленная вода из водосборника (рис. 1) высоконапорным насосом подается для отбойки угля. Отбитая горная масса с водой (.пульпа) транспортируется по желобам к техническим средствам предварительного обезвоживания, ■где часть воды со .шламом класса —0,5 мм сбрасывается в шламосборник для осаждения, а горная масса подается на устройства глубокого обезвоживания. Обезвоженный уголь влажностью 8—12% бункеризуется, а лодрешетный продукт со шламом ¡класса —0,5 ¡мм сбрасывается в шламосборник, откуда осветленная вода поступает в водосборник, а осажденный шлам насосом подается на устройство обезвоживания.

Реализация такого направления в технологии ликвидирует наиболее «слабые» звенья .гидродобычи: значительные затраты электроэнергии, связанные с гидроподъемом и транспортировкой пулыпы на обогатительную фабрику; сброс высокона-иорной технологической воды ® забоях; необходимость строительства поверхностного комплекса по переработке угля; загрязнение окружающей среды, связанное с наличием шламовых отстойников. Важнейшим ее качеством является органичность привязки гидроучастков к инфрастружтуре и сети выработок действующих сухих, шахт.

Высокие технико-экономические показатели гидрошахт, ликвидация присущих и,м недостатков и снижение капитальных затрат при строительстве тидроучастков на шахта« традиционной технологии в условиях рыночных отношений создают предпосылки ¡приоритетного развития этого направления, особенно в сложных горно-геологических условиях.

При этом стратегия и тактика внедрения гидроучастков заключается в поэтапном ускоренном строительстве (3— 6 .мес.) и последовательном увеличении их числа до 2—3 на шахте с одновременным закрытием низкопроизводительных участков традиционной технологии.

Необходимость ускорения создания гидроучастков определяет значительный спрос на их проекты для, 26 закрывающихся шахт Кузбасса, срок разработки которых (4—6 'мес.) сопоставим со сроком строительства гидроучастка на действующих шахтах. Интенсификация проектирования за счет увеличения числа проектировщиков и их профессиональной квалификации не представляется реальным. Наиболее эффективный путь решения этой проблемы лежит в повышении уровня автоматизации проектно-конструкторских работ.

Формирование концепций и разработка теоретических основ автоматизированного проектирования гидроучастков. Разработка автоматизированных систем управления, проектирования, научных исследований и др. для, предприятий угольной промышленности проводятся с 70-х годов.. Значительный вклад в это направление внесли институты 'Центрогипрошахт, Карагандагипрошахг, Ленгипрошахт, Сибгипрошахт, Кузбасс-гипрошахт, Южгипрошахт, ЦНИЭИуголь, ИГД им.. А. А. Схо-чинокого, ИГД СО РАН, ИУ СО РАН, ДонУГИ, ДПИ, ОибГГМА и видные ученые А. С. Астахов, А. С. Бурчаков, В. Н. Вылегжанин, Г. И. Грицко, А. В. Докукин, В. М. Еремеев, А. С. Кузьмич, К. К. Кузнецов, А. М. Курносов, Л. А. Ка-форин, А. С. Малкин, А. И. Митейко, В.. А. Неуймин, Г. И. Ну-жлихин, Л. А. Пучков, М. А. Сребный, В. А. Харченко, С. Цой и многие другие.

Системы автоматизированного проектирования «САПР-шахт», «САПР ОФ» и «САПР разрезав» разрабатывались в рамках отраслевой комплексной программы «САПР уголь», в основе которой 'была положена концепция декомпозиции системы на подсистемы и задачи по принципу выполнения разделов ¡проектов и реализация задач по очередя1м. Подобная концепция не может быть ¡принята при создании «САПР гидрошахт» и «САПР гидроучастков» и причина этого лежит в отсутствии единства программных средств, информационной базы и в технологической особенности объектов, 'которая заключается в непрерывности производственных процессов, объединенных единым энергоносителем в замкнутом цикле добы-

чи, транспортировки, обезвоживания угля и осветления технологической, воды.

Создание системы «САПР гидрошахт» в институте ВНИИ-гидроуголь началось в 1986 т., которое в настоящее время трансформировалось в «САПР гидроучастков». Это обусловлено рядом субъективные и объективных причин. Во-первых, отсутствием заказов на 'проектирование гидрошахт, ;в связи с переходом па рыночные отношения, во-вторых, сменой поколения программно не совместимой вычислительной техники, в-третьих, сменой ориентации института В'Н'ИИгидроуголъ на создание гидроучастков с обезвоживанием угля и осветлением воды в подземных, условиях и 'большим спросом па их проектирование для шахт традиционной технологии.

В процессе разработки методической, 'базы проектирования гидроучастков был сформирован ряд концепций для ее реализации.

Общей концепцией является то, что процесс проектирования и управления им представляется динамической системой, для формирования, которой необходимо учитывать возникновение ¡многофа.кторньи информационных связей между элементами, где выполнение процедур в одной из задач может вызвать изменение состава и структуры, другой.

Для анализа функций задач предлагается выделение ядра и периферии, в которой ядро системы, составляют задачи, выделенные путем нахождения общих 'функций автоматизирован ньк систем различных целевых направлений, а периферия формируется из задач, отвечающих целевому назначению разрабатываемой системы, что позволяет сделать ее открытой для систем всех уровней. При рассмотрении задач технологических функций гидроучастка ядро будет состоять из комплекса задач подсистемы выбора технологических параметров подготовки выемочных блоков, вентиляции, технологического водоснабжения, напорного и безнапорного гидротранспорта. В периферию, обеспечивающую целевое назначение, ¡войдут задачи ¡мониторинга, ведения информационной базы, интерфейсы и функциональные алгоритмы комплексов подсистем обезвоживания, угля и осветления воды.

Многовариантное проектирование предполагает реализацию проектных вариантов в три этапа. На первом, интерактивном,— выбор конкурентоспособных вариантов, на втором— их проработка,, на третьем — корректировка в ходе получения дополнительной информации об условиях функционирования гидрсучастка (этап адаптивного проектирования).

Возникновение информационных связей между элементами ведет к необходимости управления ,'процессом (проектирования и диктует необходимость централизованного или автономного включения в процесс нужных процедур 'проектирования. Выделение процедур предполагает ¡многомерную декомпозицию:

по разделам проекта, назначению и функциям задач, информационным связям.

При обычном проектировании эти работы имеют естественную связь, т. е. в процессе осмысления выполняются чертежи н разрабатываются документы.

При автоматизированном проектировании гидроучастков эти этапы имеют четкое процедурное разделение, в котором процесс проектирования включает две основные процедуры: выбор (синтез) структуры и выбор (синтез) параметров объектов проектирования.

Формирование структуры при автоматизированнйм проектировании осуществляется на основе программных модулей (банк программ), описания информационных элементов (банк данных), допущенных к использованию. Описание структуры выполняется на формальном языке, словарем которого являются имена ¡базовых элементов и представляются информационной моделью объекта проектирования.

Центральный! элементом структуры процесса является математическая модель, проектирования (рис. 2), которая служит средством анализа принимаемьгх решений и связывает входные параметры в систему выходных критериальных показателей О, с целевой функцией 5, при этом критериями служат максимум производительности добычи угля и минимум приведенных затрат.

Для гидроучастков и гидрошахт типичны линейные и ветвящиеся структуры, последние могут быть последовательными и циклическими. Формально среда проектирования гидрошахт описывается совокупностью количественных параметров X различной физической природы: техническими параметрами (характеристиками) объекта, не подлежащими изменению в /процессе проектирования; горно-геологическими параметрами, характеризующими возмущения среды, с которой взаимодействует объект проектирования; технологическими параметрами, в которых должен функционировать объект.

Совокупность параметров среды 5 может быть задана набором констант или системой величин, каждая из которых имеет диапазон значений..

Входные параметры X могут задаваться1 или формироваться диапазоном значений, в котором проектировщик имеет возможность его изменить для достижения поставленной цели. Границы некоторых параметров могут быть открытыми, и тогда поиск оптимального (рационального) параметра является одной из составляющих задач проектирования.

Выходные параметры объекта у соотносятся с целевой функцией у = ЦХ, АХ) и критериями проектирования в, С0, на основании чего производится корректировка входных параметров или структуры объектов проектирования.

¡При проектировании гидроучастков и гидрошахт определенность 'и неопределенность среды* проектирования 5, 6 являются принципиально важными при постановке проектных задач. Для перехода к неопределенной среде необходимо введение вероятностных критериальных показателей (?, йо.

Для формирования состава, структуры и связей гидроучастка разработана классификация технологических звеньев и технических средств реализации модульной гидротехнологии с подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды (рис. 3) по материальным потокам, технологическим процессам и способам отбойки, транспортировки, обезвоживания, ¡классификации, выгрузки, сгущения, осветления угля, воды и шлама. Она позволила, вместе с декомпозицией системы проектирования, сформировать комплекс задач моделирования процессов и звеньев гидроучастков, выявить их информационные и структурные связи в технологических схемах, создать алгоритм управления вычислительными процедурами и выбрать компоненты системного обеспечения, реализующие в ее структурной сети итерационный расчет параметров гидроучастка с изменением трассы расчетных процедур при их корректировке.

Автоматизация проектирования гидроучастков требует, наряду с конкретизацией и обоснованием концепций, проведения научно-исследовательских работ, направленных на создание алгоритмов, средств математического, технического и технологического обеспечения гидроучастков с подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды.

Разработка базы технических решений и методик расчета для обеспечения технологических процессов гидроучастков. На основе анализа разработанной классификации технологических схем, звеньев и элементов гшдроучастков, «ормативно-¡методических и руководящих документов установлено, что яри их проектировании используются нормы ¡и нормативы гидрошахт и обогатительных фабрик, опыт и интуиция разработчиков; в действующих технологических схемах применяются технические средства, не обеспечивающие высокую эффективность и надежность работы гидроучастков; не исследоваиы параметры основных технологических звеньев и технических средств; не разработаны (математические модели технологических процессов.

Для формирования замкнутой базы- технических решений ,и обоснования выбора различных вариантов технологических схем шдроучастков при автоматизированном проектировании проведены исследования технологических процессов отбойки и обезвоживания угля, осветления воды в подземных условиях и разработаны способы подземной переработки угля, технологические схемы гидроучастков, технические средства и решения.

Отбойка угля. В .методике расчета параметров гидроотбой-■ки заложен пооперационный анализ процесса гидравлической выемки угля до продолжительности технологического цикла, складывающегося из периодов отбойки угля,, забойного пуль-поформ'ирования, вспомогательных операций и технологических сбросов воды, обусловленных отказами оборудования.

Основные показатели эффективности гидравлической технологии добычи угля: производительность забойного оборудования П, энергоемкость ¡процесса Э и массовое содержание угля в пульпе Мц определяются по формулам:

fj^Mjí. э = о,273 ; — , (1)

Гц ЛГц Q

где Р, Q — давление и расход воды в канале гидромонитора соответственно (МПа, м3/с) • ' По методике рассчитываются: рабочие давление и расход воды через гидромонитор; наклонная высота подэтажа; шаг передвижки гидромонитора; масса добытого угля; ¡коэффициент извлечения угля,; количество подэтажей; потери угля в за-ходке; время на выполнение операций процессов гидравлической выемки угля; коэффициент использования высоконапорной воды и ряд других ¡параметров.

Масса добытого угля определяется по 'формуле

= , (2)

\ Ясл /

где /Сн — коэффициент извлечения угля; b — шаг перестановки гидромонитора, м; h — наклонная высота подэтажа, м; т—мощность .пласта, м; ясл —количество слоев, отрабатываемых самостоятельно из под-этажных штреков; S4 — сечение выемочной выработки вчерне,, м2. Процесс пульпоформирования в забое складывается из отдельных операций: выгрузка угля из ¡забоя, разбивка негабаритов, разбучивание призабойного пространства, ручных операций по погрузке. Затраты времени на отдельные операции определяются в общем виде по формуле

^ = (3)

где т,- — нормативные коэффициенты затрат времени на выполнение операций пуль,сформирования, полученные на основе хронометражных наблюдений; Кн — коэффициент содержания негабаритов в отбитой горной массе; C¡ —технологические коэффициенты параметров забоя, влияющие на продолжительность операций (геометрия заходки, характеристики угольных пачек, характер разбучивания и т. п.).

Обезвоживание угля. По ¡методике расчета параметров обезвоживания горной .массы рассчитываются объемы угля и шлама, выводимые из замкнутого цикла. Установлено, что объем выводимых мелких шламов пропорционален объему влаги, захваченному крупными классами угля. Масса мелких частиц, осевших на поверхности и ¡выводимых с крупных, ¡классов угля, определяется, по формуле

где Ут — объем твердого в пульпе, м3; Уж — объем жидкого

в пулыпе, м3; Улдо-бпо)—объем мелких ¡классов угля, •подаваемых на .грохот и способных оседать на поверхности '.крупных кусков угля, 'М3, ¡который ¡зависит от ситового состава ¡угля и доли шламов, поступающих в технологическую цепочку звеньев, и объемов добычи угля.

Методика позволяет определять характеристики пульпопо-токов, ти'п и схему включения обезвоживающих ¡установок и, на базе СНиП, рассчитывать размеры камерьг обезвоживания.

Параметры гидровиброобезвоживателя, разработанного институтом В НИ И г ид р о угол ь, определяются по ¡методике, основанной на базе исследований, которыми установлено, что рациональными частотами, при которых происходит наилучший срыв влаги для рядового угля., являются. 25 + 75 Гц с амплитудой колебаний >1,5—'1,8 мм,.

Сгущение шлама. При использовании центрифуги объем сгущенного шлама определяется по формуле

■где ащф —доля твердых частиц в фугате для вертикальных центрифуг при влажности шлама менее 30% составляет ашф =2,5—3. При влажности шлама более 30% доля твердых частиц определяется по формуле, в которой учитывается коэффициент соотношения объемов ¡мелких шламов общему выводу мелких шламов из центрифуги, который лежит в диапазоне (0,35—0,40).

Для выгрузки сгущенного шлама из шламосборника может использоваться дозатор,, параметры которого рассчитываются с учетом производительности обезвоживающих установок, продолжительности его работы и объемов осевшего шлама.

Для интенсивного сгущения шлама разработана конструкция шламосборника, использующая принцип гидроциклона, в котором отвод осветленной воды производится из его цен-

(4)

(5)

тральной части переливом, что дополнительно обеспечивает гравитационное осаждение шлама. В диссертация, приведена методика расчета -параметров шламосборника (угла наклона стенок, объема,, количества осевшего и вынесенного шлама).

Осветление технологической воды достигается использованием двух способов: закачкой ее в пространство на обрушенные породы и в специально пройденные или приспособленные для этих целей отработанные выработки с последующей очисткой отстойников механизированным способом и отгрузкой шлама. .В первом случае расчет технологических параметров отстойника производится по разработанной ¡методике.. Объем пространства за обрушенными породами, используемый ¡как отстойник, определяется, по формуле

где т — мощность пласта, м; 5И0, —площадь ранее отработанного участка, м2; К пои —коэффициент извлечения в очистном контуре отработанного участка; Кр — коэффициент разрыхления обрушенных пород отработанного пространства, /Ср = 1,3—1,5; а — угол залегания пласта, град.

Если в качестве отстойника используются старые выработки, то определяется время заполнения отстойника шламом по формуле

С использованием этой формулы дана оценка пригодности выработок для использования в качестве шламосборника.

Водосборник в замкнутом цикле гидроучастка выполняет роль аккумулирующей емкости и отстойника мелких шламов. Предложена конструкция водосборника, отличающаяся от шламосборника необязательной локальной выгрузкой шламов или забором воды (в водосборнике может быть поставлен всас ,по всей длине).

В разработанной методике расчета параметров водосборника учитывается время заполнения высоконапорных водоводов, шламосборника, отстойника, очистной заходки и желобов безнапорного гидротранспорта.

База технических решений и разработанных методик расчета параметров отдельных технологических процессов гидроучастков позволяет перейти к их компоновке в технологические схемы, которые в зависимости от горнотехнических условий будут иметь различную конфигурацию и использовать различное оборудование.

Упр = т5П0В/Си(>к 1 — (2 — /Ср)

(в)

5 а/

(5С0 5т /0 V,

(7)

Разработка технологических схем гидроучастков. При разработке технологических схем гидроучаетков используется «вазиупорядоченный граф вариантов схем, (построенный на основе классификаций элементов и процессов, ¡включающих способы- отбойки, транспортировки, обезвоживания, и сушки шлама, аккумуляции пульпы и угля, сгущения шлама и осветления ¡воды (рис. 4). Процесс выбора рациональных вариантов, отобранных для анализа, заключается в определении траекторий на квазиупорядоченном графе, которые «привязываются» ¡к конкретным условиям шахты и технологии.,

Технологическая схема (рис. 5), которая включает безнапорную транспортировку пулыпы из породных и угольных забоев, обезвоживание и аккумулирование горной массы, сбор, охлаждение и осветление воды, в водосборниках и подачу ее в .забой, и отличается тем, что повышение эффективности достигается за счет равномерной подачи гидросмеси и ее аккумуляции в транспортных средствах и почве выработок. Для повышения надежности технологической, схемы обезвоживания угля и уровня безопасности работ аккумулирование горной массы осуществляют от нижней части транспортной выработки вверх, по уклону, для чего поперек устья, выработки устанавливают водонепроницаемую перегородку по длине выработки.,

Технологическая схема (рис. 6) отличается тем, что обезвоживание и классификация, горной массы: по крупности осуществляются на двухситовой. вибрационной установке, при этом надрешетный и подрешетный 'продукты перепускаются в раздельные фильтрующие бункера, которые за счет процессов Дренажа, фильтрации и перелива воды дополнительно обезвоживают горную массу, сгущают шламы различных классов для выдачи их на обезвоживающие агрегаты второй ступени. Осветление и охлаждение технологической воды достигается совместным ее сбросом с шахтным притоком в. секционный водосборник, ¡где в приемной секции ¡производят осаждение шлама, .который возвращают вновь в фильтрующий бункер или сбрасывают в дренажный штрек. Избыток воды из водосборника сбрасывается переливом в главный или участковый водоотливы шахты.

Технологическая схема (рис. 7) основана на использовании многослойных дуговых шпальтовых сит и энергии падающего потока в пульпоспускной печи и фильтрующих бункеров и отличается тем, что обезвоживание ¡производится ¡на дуговых шпальтовых ситах, расположенных каскадно в жесткой, подвижной в .пулыпоспуокной ¡печи, раме. При этом верхнее сито отделяет уголь класса +50 мм, второе—крупностью

0 мм, третье--1- 3 мм, четвертое--)— 0,5 ¡мм, а подрешетный ¡продукт сбрасывается на поддон, откуда по трубам поступает в фильтрующие бункера для ¡сгущения шлама, кото-

Способ отбойкн дгля: 1-гадравляческнд,2-веканогакрав-»ическяа. З-агхан.чзироваяннй, 1-буро-вэрапкоЯ

Способ транспортировки дгга: •идраэлачесйяй:1-напорный, !-бвзнапорный(по вегобан.поч->8 выработки)

1пособ аккдадлзцни пульпа: -без аккднзлацла,2-с аккдауля-|ией(в пдльпосборниках:наклоа-[нх.вертмшышх, У -образных, ючве заработок, траиспортяшс :елсбах)

пособ о5еэаогпзз!!::а я лассифвхации угла: -на грохотах,2-зкброобеэяозп-акснх установке", 3-ппальтсвкх атахД-цоятрЕфугаа

поспи сгусенка влана: -ялайосбориахэ,2-гпцрот! клоне, -тонкослойноа осветлятеле,4-

яяьтрдЕДза бднг.врв

юсоб обезвоживания маяа: -центрифуге,2-зиброобезвояява-»ле. З-лнточноиззкууи-сильтре

¡особ осветления вода: отстоИяяк.2-вкрабптаккэг про-раПСТВ0,3-ТСП80С50ЯННЙ осзет-

[тель

особ еуврз дгяз: пяеваатвчэскйй,2-ториоаяяда-онанй

Риа.Ц

Пулы

■>ЬП!

хгтст

гп1} штпт/Г и! ипж

Рис ?

4/7//'/////7777/7

Рис.а

Рмс.9

рый периодически подается на обезвоживающую установку, дренажная вода и фугат сбрасываются в секционный водосборник, лде шлам осаждается и насосом возвращается в фильтрующий бункер. Для сушки падающего обезвоженного угля устанавливается вентилятор .местного проветривания, с подводом воздуха к нижнйму каскаду шпальтовых сит,, который создает встречный поток, обеспечивающий обдув и срыв пленочной ¡влаги с кусков угля.

Предложенные схемы имеют недостатки, которые заключаются в увеличении потерь угля (при отработке последнего подэтажа блока, и пригодны для отработки пластов крутого падения. Они послужили основой для создания новых технологических схем. Реализованная на шахте «5—6» технологическая схема (рис. 8) отличается тем, что обезвоживание ¡производится в две ступени: на агрегате предварительного обезвоживания, который представляет собой продольный фильтрующий ¡бункер трапециевидной формы, где производится аккумуляция ¡пульпы, обезвоживание и выдача, угля. Обезвоженная горная масса выдается скребковым ¡конвейером, рабочая ветвь которого движется, по дну бункера, выполненному из шпальтового сита и скребков, выгружает уголь на классификационный шпальт, где отделяется, и выдается на отгрузку уголь +0,5 мм. Горная .масса крупностью —0,5 ¡мм. поступает на виброобезвоживающую установку, после чего отгружается. Дренажная вода со шламом крупностью —0,3 мм сбрасывается в водосборник, который оснащается механизированным комплексом его очистки.

Установлено, что при повторной подаче шлама непосредственно на шпальт обезвоживающей установки удаляется 55—65%, при ¡подаче на сформированный, фильтрующий слой угля —70—85%.

При строительстве открыто-подземного гидроучастка разреза «Листвянский» принята технологическая схема (рис. 9), которая отличается тем, что обезвоживание, выдача угля, забор шлама и воды осуществляются в точках, расположенных по длине бункера, при этом для. эффективного осветления воды скорость подачи цепей .конвейеров снижена, а зоны, забора шлама и воды, отделяются от приемной емкости бункера наклонными шпальтовыми ситами, по которым движутся скребки с резиновыми пластинами, обеспечивающими съем с них пленки, образованной нефтепродуктами и фенольными группами.

Предложенные технологические схемы позволяют ¡вести отработку пологих пластов и обеспечить суточную ¡добычу гидроучастков 500—1000 т/сут, в которых повышение эффективности осветления водьг достигается за счет использования разработанных конструкций шламосборника, отстойника, секци-

2

Г/

онного водосборника, фильтрующих бункеров и обезвоживающих установок,

Анализ существующих технологических схем гидроучастков на базе разработанной .классификации установил,, что в схемах,, где не используются, вибрационные обезвоживатели с частотой выше 25 Гц, центрифуги и технические средства сушки угля, его влажность составляет 18—25%, три использовании этих технических средств достигается' влажность 8— 12%.

Разработка базовых алгоритмов САПР гидроучастка. Объединение методик при автоматизированном проектировании гидроучастков осуществляется на базе алгоритма расчета баланса технологической воды, разработанного в результате исследований .замкнутого цикла обезвоживания угля и осветления воды, <в котором количественно определяются объемы вывода из цикла горной массы, воды и характеристики пульло-потоков технологических звеньев,, рассчитываемых, ,в ходе проектирования технологической схемы гидраучастка для' пускового, переходного и стационарного режимов,, ¡по которым производится выбор технологических параметров.. Основные расчетные формулы с привязкой к обобщенной структурной схеме тидроучастка (рис. 10) приведены .в табл. '.1.

Таблица 1

Наименование .параметров Формула

1 2

ВЫХОД ПУЛЬПЫ 1ИЗ очистного и подготовительного забоев, м3/ч

Пусковой режим

<?5

Часовой объем горной массы, 'м3/ч

отгружаемой

Часовой объем воды, 'поступающей в водосборник, м3/ч:

а — коэффициент накопления шлама в водосборнике

Часовой расход -воды .из шахтного притока, необходимый для поддержания 'баланса, м3/ч

Часовой объем сгущенного шлама, возвращаемый >на обезвоживающую установку

I — доля возвращаемой воды

<?,+ <?а +

А + А

/С(1

<Этв = —-(А + А)

-К) + — (А +А)

Т

а = 1 — АГ (1 + №) 1)

Р:и Пр

(А + А) т

= / (1 — /С) «?, + <?а) -Ь

+ — (А +А)

7

Рн шл

Окончание табл. 1

Часовой объем воды, удаляемой с горной массой, м3/ч

Переходный режим

Часовой объем отгружаемой гарной массы, м3/ч

Часовой объем поступления шлама в водосборник, м3/ч

Часовой объем 'поступления воды в водосборник, м3/ч

<?« = И^г.

к

- —(Л + Л,)Х

т

п

12 ¿(1 -ю ¡. 1

(1-0(1 -К) , . , . . СЛил = -(А1 + ¿1)

1+2 [<'0-А'))л ¿=1

Уж - (<?» + 0) X

к+ 2 [¿(1-0(1-Ю1£1

I ¿==1 )

где у— удельная масса угля, т/м3; А" —.коэффициент вывода твердого на обезвоживающей установке; № — коэффициент влажности горной .массы.

В стационарном режиме параметры <3ТВ, <3ШЛ, (¿ж находятся .как значения пределов при л-> с/г для соответствующих формул переходного режима.

Анализ результатов расчетов (рис. 11) и стендовые испытания показывают, что система .приходит в стационарный режим по горной массе в диапазоне изменения коэффициента вывода твердого К от 0 до 1 на 3-м цикле оборота воды.

В процессе уточнения параметров технологических звеньев и процессов гидроучастка принимаются условия, которые отвечают требованиям снижения крупности частиц в каждом последующем звене цикла

8„ > Зш > 8«0 > > 8ц > 3„ (8)

где б/ — соответственно максимальные крупности частиц, выходящих с подрешетным продуктом обезвоживающей установки, осаждаемых в шламосборнике, на поверхности крупных частиц, в отстойнике, центрифуге и водосборнике. Алгоритм и принятые условия обеспечивают увязку методик в замкнутом цикле гидроучастка и разработку мониторинга системы САПР.

Автоматизация проектирования гидроучастков с подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды. Анализ

2*

19

задач, реализованных в САПРуголь, показал, что для их увязки в систему требуются технические средства с большими ресурсами, при этом для гидрошахт и гидроучастков ¡может быть использовано ограниченное количество задач. Специфика гидрошахт и гидроучастков, заключающаяся в -использовании единого энергоносителя для отбойки и транспортировки угля, требует проведения обезвоживания угля и осветления воды в замкнутом цикле, .который диктует необходимость выполнения выдвинутых, в работе концепций. Их реализация связана с формированием структуры, выполненной на уровне математического, информационного, программного, лингвистического обеспечения.

Структурными единицами информационного обеспечения являются .четыре группы, хранилищ, ¡каждая из которых имеет свое программное управление и языки представления данные: библиотека программных 'модулей ¡(банк ¡программ) с их описанием различного целевого назначения и, уровней интеграции; база данных с описанием технологических данны.х, нормативно-справочной информации,, форматов документов; временное хранилище рабочих файлов, ¡предназначенных для описания структуры объекта, на различны,х этапах проектирования, которые являются его информационной моделью; временное хранилище документации ¡по объекту до ¡момента .выпуска проекта, которое с развитием перерастает в автоматизированную архивную систему, обеспечивающую ¡ведение технического архива.

Структурными единицами программного обеспечения, являются 'программы трансформации исходных данных, формирования структуры информационной модели, управления базой данных, управления вычислительным процессом, интерфейса базы данных, ¡модули (проектирования, формирования документации ведения архива, выпуска документации,, обеспечивающих, достижение поставленной цели.

Лингвистическое обеспечение проектирования гидроучастков строится на стандартном программном обеспечении с использованием -управляющих директив и языков вн,утреннего представления данных, предназначенных, для описания информационной модели объекта в оперативной базе дайны* и архива хранения и выпуска документов проектирования «а различных технических, средствах.

Проектирование связано с выполнением двух основных работ: выбором технических решений и отображением этих решений ш ¡виде совокупности документов.

Действующими нормативными документами ¡предусматривается выпуск технико-экономического обоснования, технического проекта, рабочих чертежей, что связано с выпуском документации и не может классифицировать САПР. Для лид-роучастка наиболее целесообразна классификация по видам

Ю Í2 WjMfh

в о а л pHfh

Н> 20 2V 2t 32 d.m

40 to Û

» 20 гч 2t ¿2 Ы.т

so

40 36

го 10 в

g Ю Л N !Ь л,т

юо to 60 W

20 о

\ ■ !■

/

•

8, Ю t2 W

Рмс.13

проектных задач и методам .математического обеспечения, которые определяют состав и содержание программно-информационного обеспечения.

Анализ предпосылок показывает, что следует выделить следующие основные этапы проектирования, гидроучастков: системное (общее) проектирование, функциональное проектирование, конструкторское проектирование.

Этап системного проектирования соответствует эскизной проработке будущего объекта, который рассматривается как единое целое на абстрактном, уровне. На этом этапе решаются два жласса задач: внутренние — к которым относится отработка структуры объекта, системных алгоритмов., протоколов обмена и интерфейса; внешние — управление ¡последующей разработкой, связанное с ,в,ыработ,кой частньих критериальных требований к элементам структуры, и определение внешних условий функционирования элементов.,

Этап функционального проектирования предназначен для. отработки структуры и функциональной схемы объекта при работе в реальной среде. Основы, этапа составляют математические модели .процессов с характеристикой .их типа (статический, динамический). Дальнейшая интерпретация этих моделей на основе инженерных знаний обеспечивает создание функциональных моделей на макроуровнях, необходимых для реализации проектных задач.

Зтал конструкторского проектирования обеспечивает конструкторское оформление всех решений, принимаемых на предыдущих этапах, является центральным и предполагает использование функциональных моделей для проверки синтезируемых решений.

Он содержит наибольшее число инвариантов автоматизированного проектирования, к которым относятся средства обеспечения, графического отображения и формирования документации.

Каждому этапу свойственна своя декомпозиция общего процесса проектирования на ряд подпроцессов, которые мотут требовать создания собственного информационного или программного обеспечения, что диктуется сложностью объекта проектирования.

Б результате декомпозиции процесса проектирования гидроучастков и гидрошахт каждый элемент принципиально может иметь связь с другими, в которой следует различать две категории информационного обмена: сигнальный и структурный.

Сигнальный информационный обмен возникает при декомпозиции объекта проектирования на элементы. Структурный обмен возникает при, расчленении процесса проектирования одного объекта на этапы или операции разных уровней.

В ¡первом случае свяв-и определяются массивами чисел, общими для различных ¡моделей, во ¡втором — связь реализуется аппаратом ссылок. Для сложных объектов, имеют место разные ¡виды декомпозиции, следовательно, информационный обмен носит смешанный характер.

Выделенные по функциональному назначению технологические операции v процессы: выемка ¡угля, пушьиоформирова-ние, безнапорный транспорт, ¡кл а сейф икания и дробление горной массы, частичное обезвоживание, аккумулирование ¡горной массы, возможный пульпозабор, напорный гидротранспорт, обезвоживание и обогащение угля, осветление воды, технологическое водоснабжение, проведение подготовительных выработок в замкнутом цикле образуют непрерывную схему гидроучастка, в которой все элементы увязаны между собой. Увязка подсистем, программ и модулей, осуществляется системой мониторинга, который базируется! на алгоритме сбалансированности технологических, звеньев гидроучастка.

САПР гидроучастков разрабатывается в институте ВНИИ-гнлроутоль с 1992 г. и финансируется ГУК «Росуголь» по комплексной программе «Уголь России».

Первая очередь САПР тидроучастка ¡представлена на рис. 12 и сдана в эксплуатацию в июле 1995 г.

Практика автоматизированного проектирования технологических схем гидроучастков. Примерами использования внедренного комплекса задач является автоматизированное проектирование технологических схем гидроучастков на ряде шахт Кузбасса.

¡При проектировании гидроучастка шахты «Северный Ма-ганак» НПК «Уголь» для отработки пластов «Проводник», III и IV «Внутренний» рассчитывалась технологическая схема, включающая механогидравлическую нарезку, гидроотбойку, самотечный гидротранспорт, обезвоживание горной массы на грохотах, осветление воды гравитационным осаждением шлама в наклонных шламосборнике (80 м3) и водосборнике (65 м3), соединенных между собой и обеспечивающих осветление воды переливом. Технологическое водоснабжение забоев и выдача шламов на обезвоживание обеспечиваются насосами типа ЦНС 300-1200, HLII-8. В ходе проектирования выбраны иара1'.метры очистной выемки. На рис. 13 представлены некоторые зависимости показателей эффективности выемки угля от рассматриваемых параметров для очистных забоев на пластах IV «Внутренний» (а), «Проводник»'(б), III «Внутренний» (¡в), полученные методами математического моделирования. Анализ вида зависимостей указывает на существование достаточно узких диапазонов ¡величин варьируемы* параметров, при которых значения показателей эффективности выемки, производительности и энергоемкости близки ¡к оптималь-

иы1м. Они отличаются от наилучших в рассматриваемом диапазоне не более чем на 10%. Это позволило рекомендовать шахте рациональные 'параметры очистной выемки на каждом из пластов ;(табл. 2).

Таблица 2

'Параметры ¡Пласты

IV «Внутренний» «Проводник» III «Внутрен-якй»

Давление воды, МПа 8-12 12—14 8-Ю

Диаметр насадки, мм 28 -30 26-28 26 —2й

Высота подэтажа, м 11-14 12—14 1! —! Г)

Отличительной особенностью проектирования технологической схемы гидроучастка шахты «5—6» АОУК «Прокопьевск-уголь» является то, что в качестве шламосборника используется фильтрующая, емкость (96 м3) комплекса предварительного обезвоживания, в котором выдача угля и шлама на глубокое обезвоживание осуществляется скребковым конвейером.

Осевший шлам сдвигается со дна водосборника (250 <м3) к зумпфу шламового насоса скреперной установкой и выдается на гидровиброобезвоживатель,

Комплекс программ проектирования гидроучастков использовался при выполнении проекта экспериментального участка разреза «Листвянский» для отработки оставленных запасов в бортах, отличительной особенностью которого является совмещение функций шлалю- и водосборников в фильтрующей емкости (160 м3) комплекса предварительного обез-'гожнвания угля. Одновременная отработка пластов V, VI, VII 'позволит обеспечить добычу угля 1200—1500 г/сут.

За период внедрения основных научно-методических и технических решений, разработанных в диссертации, экономический эффект на предприятиях НПО «Прокопьевскуголь» составил. 300,45 тыс. руб. (в ценах 1991 г.). Научные результаты и практические рекомендации использованы! при составлении бассейнового нормативно-методического документа «Методика расчета параметров гидравлической выемки в коротких оч'истны-х забоях»; при обосновании строительства .гидроучастков шахт «5—6», «Коксовая», «Зиминка», «Северный Ма-ганак» АОУК «Прокопьевскуголь», разреза «Листвянский», шахты им. Димитрова АОУК. «Кузнецкуголь», при составлении бизнес-плана шахт <;5—6» и им. Димитрова. Научные положения использованы в учебных курсах горных специальностей МГГУ и СибГГМА.

2.3

Разработанный комплекс алгоритмов и программ., технические и технологические решения являются ба-зой СА'ПР гидроучастков, обеспечивающей сокращение сроков, повышение качества проектных работ и эффективности работы гидроуча-сткав с .подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных автором исследований осуществлено решение научной проблемы разработки теоретических ¡положений и методов автоматизированного проектирования :гидроучастков с иодзе|м|ным циклом обезвоживания угля и осветления ¡воды, что имеет важное -научное народнохозяйственное значение для угольной промышленности России.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

'1. Показано, что преимущества гидротехнологии наиболее эффективно реализуются на шахтах, отрабатывающих угольные пласты- в сложных горно-геологических условиях. При этом следует ориентироваться на гидравлическую технологию нового уровня 'С подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды и строительство модульных тидро,участков, привязанных к действующим технологическим схемам шахт традиционной технологии. Прогнозируемые и достигнутые показатели: нагрузка на очистные забои 500—1000 т/сут; снижение себестоимости угля в 1,2—2,5 раза; увеличение безопасности труда в 1,7—'1,9 раза, равнозначность по экологич-ности позволяют считать гидротехнологию нового уровня приоритетной ¡перед традиционной и санирующей нерентабельные шахты в сложных горно-геологических условиях Кузбасса.

'2. Сформировано количественно-качественное представление ориентированных классов автоматизированных систем, согласно которому формирование и локализация ядра осуществляются на стадии разработки мониторинга системы, определяют ее направленность и делают открытой для других систем, а периферия синтезируется на основе системного анализа функций технологических звеньев.

3. Разработана классификация технологических звеньев и технических средств модульной гидротехнолотии, которая позволила установить ее особенности:

по составу: наличие 6 основных функциональных звеньев, предназначенных для подземного обезвоживания угля и осветления воды, высоконапорного водоснабжения, отбойки угля, иулыпоформировани» транспортировки, обезвоживания угля, осветления воды, ¡вывода шламов из замкнутого цикла;

по структуре: последовательное включение звеньев в тех-

нологический процесс и возможность выполнения отдельных операций параллельно;

по связям: гибкость и многофакторность в технологической схеме гидроучастка, что обуславливает необходимость обеспечения их сбалансированности.

4. Определены порядок и последовательность декомпозиции системы проектирования гидроучастков, которая состоит из двух этапов: выделение на Км этапе двумерной матрицы с осями «Декомпозиция по этапам» и «Внутриэтапная декомпозиция», элементами которой являются отдельные проектные задачи с последующей их увязкой через баланс по объему угля, расходу технологической воды, выведению шламов из замкнутого цикла и обеспечению заданной влажности выдаваемого продукта.

5. Сформирована база данных САПР гидроучастков, отличающаяся от баз САПР уголь возможностью последовательного использования данных в различных задачах, привязкой к корректируемым в ходе эксплуатации шахты горно-геологическим факторам и показателям, доступом к отдельным и интегрируемым параметрам по зафиксированному! сценарию. На ее основе систематизированы' компоненты САПР с конкретизацией информационного обеспечения и представления выходных параметров задач в форме и объемах, необходимых для стыковки смежных программ, и подсистем.

6. Разработан общий алгоритм оценки и определения параметров сбалансированности технологических звеньев гидроучастка. Он включает в себя и увязывает математические модели:

процессов очистной гидравлической выемки угля, позволяющие определить рациональные параметры очистных, работ, производительность отбойки, прогнозировать динамику поступления и содержания твердого в .пульпе и осуществлять сбалансированность звеньев «гидромонитор — забой — гидротранспорт»;

определения технических и технологических параметров обезвоживающих установок, позволяющие установить их пропускную способность, содержание влаги в горной массе и шлама в подрешетном продукте и осуществить сбалансированность звеньев «безнапорный гидротранспорт — обезвоживание угля»;

определения технических и технологических параметров водосборников, шламонакопитлеей и отстойников, позволяющие установить периодичность выпуска шлама и очистки, вывод мелких классов угля из замкнутого цикла обезвоживания угля и осветления, воды и сбалансировать звенья «шламона-копитель — отстойник — водосборник — высоконапорное водоснабжение».

7. Исследование и -обобщение путей и средств активизации обезвоживания угля и осветления воды,, управления и балансирования их параметров явились основой для: разработки базы технических, решений и методов интенсификации процессов, в которую входят:

■методы, основанные на бункеризации твердого подрешет-ного .продукта, вибрационном отделении шлама и фильтрующем осветлении технологической воды через создаваемый слой угля;

способы подземной переработки угля за счет равномерной подачи -гидросмеси и ее аккумуляции в транспортных, средствах; обезвоживания,,, классификации угля -и его раздельной аккумуляции в фильтрующих, бункерах; гравитационного обезвоживания на многослойных шпальтовых, ситах;

фильтрующие и вибрационно-центробежные устройства для обезвоживания угля, сгущения, шлама и осветления технологической воды;

технологические схемы с аккумуляцией угля в транспортных средствах; активным центробежным осаждением шлама в приемной секции -водосборника; с обезвоживанием и классификацией угля в фильтрующих бункерах; с центробежным и гравитационным осаждением твердых частиц в шлймосбор-нике, отстойнике и водосборнике.

8. Количественный анализ эффективности использования разработанных методов, способов, устройств и технологических схем позволил установить, что:

— рациональные частоты,, при которых происходит ¡интенсивный срыв влаги с кусков угля при виброобезвоживании, находятся в диапазоне '25—75 Гц с амплитудой 1,5—1„8 'мм;

— эффективность обезвоживания шламов на центрифуге резко понижается при влажности исходного продукта более 30%, при этом влажность ¡выгружаемого шлама будет составлять 18—25%;

— при разгрузке шламосборника дозатором необходимо поддерживать остаточный объем шлама в диапазоне 30— 50%, что предотвращает прорыв воды в обезвоживающую установку;

— объемы шламосборника, отстойника и (водосборника регламентируются -из техно,логических условий временем их, заполнения., ¡которое для шламосборника находится в диапазонах (0—1) ч, отстойника более (¡1—2) ч, (водосборника (2— 6) ч. Продолжительность процесса стабилизации шламообо-рота для, различных, технологических схем, составляет 3— 4 цикла.

9. Внедрение комплекса технических и технологических решений, методов и средств автоматизированного проектирования для локальной гидротехнологии с подземным циклом обезвоживания угля и осветления воды позволяет:

обосновать способы и средства технического санирования нерентабельных шахт Кузбасса, работающих в сложнььх горно-геологических условиях;

расширить область эффективного применения гидротехнологии путем поэтапного создания гидроучастков на шахтах традиционной добычи угля с последующим увеличением их числа и привязкой к параметрам и структуре действующих шахт;

интенсифицировать процесс обезвоживания угля и осветления технологической воды в 1,5—2 раза;

обеспечить качество проектной документации гидроучастков;

поднять уровень автоматизации проектных работ с 18 до 35%;,

¡повысить производительность труда проектировщиков на 14%;

сократить сроки проектирования, на 35—45%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сенкус В. В., Кариколпаков В. М. Обоснование параметров движения твердых частиц ,на этапе пульпоформирования//К©мплексное освоение угольных месторождений: Сб. науч. -тр.—М.: МГИ, 1989, с. 127—130.

2. Притыиов В. Н., Сенкус В. В. ¡Методика определения стоимости технологической воды и транспортирования пульпы на гидрошахтах. — Ново-кузнец: СМИ, 1989. — 25 с.

3. Методика расчета параметров гидравлической выемки угля -в коротких очистных забоях/А. С. Бурчаков, О. В. Михеев, О. А. Атрушкевнч, В. В. Сенкус и др. — М.: МГИ, 1990. — 68 с.

4. Притыиов В. Н., Сенкус В. В., Мельник В. В. Снижение энергоемкости технологических процессов при гидравлической добыче угля//Ин-тенсивная подготовка и отработка шахтного поля: Сб. ¡науч. т;р. — М.: МГИ, 1990. С. 14—17.

5. Методика расчета стоимостных параметров технологических процессов гидрошахт/А. С. Бурчаков, О. Е. Михеев, В. В. Сенкус и др. — М.: МГИ, 1089. — 42 с.

6. Притыиов В. Н., Жабин Г. И., Сенкус В. В. Энергоемкость технологических процессов на гидрошахтах и пути ее снижения. — Новокузнецк: СМИ, 1987. — 33 с.

7. Технологические процессы углесо'сного гидроподъема шахты/ В. Н. Притьмов, Г. Н. Хабаров, К. Ф. Васильев, В. В. Сенкус. — Новокузнецк: СМИ, 1987. — 53 с.

8. Вопросы методической разработки САПР гидрошахт/В. В. Сенкус, В. Н. Притьмов, А. С. Соловьев, В. В. Мельник//Разработка локальных гидрокомплексов для добычи угля в сложных условиях: Сб. науч. тр. — М.: МГИ, 1990. С. 156—1.59.

9. Автоматизация проектирования проветривания подготовительных выработок на базе микроЭВМ/С. П. Казаков, В. В. Сенкус, В. Р. Коган, И. П. Петрук. — Безопасность труда в промышленности, 1989, № 10, с. 39.

'10. Сенкус В. В., Лавцевич В. П. Книга ждет читателя//Из,вестия вузов. Горный журнал, 1988, № 5.-2 с. — Рец. на кн./Вылегжаннн В. Н. и др. Адаптивное управление подземной технологией добычи угля.— Новосибирск: Наука, Ш87. — 238 с.

11. Тищенко С. М., Сенкус В. В., Никишичев Б. Г. Классификация пород активной кровли по нагрузочным свойствам Распадского месторождения Южного Кузбасса//Научно-технические достижения и 'передовой 'опыт в угольной промышленности: Инф. сб. — М.: ЦНИЭИуголь, 1991, № 2.— 9 с.

12. Сенкус В. В., Тищенко С. М., Никишичев Б. Г. Особенности силового взаимодействия механизированных «репей оградительно-поддерживающего типа с породами кровли на пластах средней мощности//Науч.но-технические достижения и передовой опыт в угольной промышленности: Инф. сб. — М.: ЦНИЭИуголь, '1991, №2.-8 с.

13. Крепление торных выработок многокомпонентными закрепляющими ооставами/В. Н. Притьмов, iM. Н. 'Притьмов, В. В. Сенкус и др.//Устойчивость 'И крепление горных выработок: Сб. тр. — Л.: ВНИМИ, 1990, с. 103— 108.

'14. Сенкус В. В., Рудас Г. Я. Структурно-модульное проектирование программного обеспечения//Практика и проблемы автоматизации управления технологическими 'процессами, 'производствами и предприятиями: Тез. докл. — Кемерово, 1982. — 3 с.

'1:5. Сенкус В. В., Рудас Г. Я. Планирование эксперимента при разработке (математической модели//Практика и проблемы автоматизации управления технологическими процессами, производствами и предприятиями: Тез. докл. — Кемерово, 1982. — 2 с.

!¡6. Сенкус В. В., Тов Г. М., Коробемиикова Н. В. Особенности нормирования расхода основных материалов на гидрошахтах: Сб. науч. тр.— Прокопьевск: ВНИМИ. — 1982, № 43. — 5 с.

,17. Плакиткин Ю. А., Сенкус В. В. К вопросу разработки автоматизированной системы формирования стоимостных параметров для угольных шахт, —М.: МГИ, 1,985. — 7 с. — Деп. в ЦНИЭИуголь 04.05.85, № 3341.

18. Плакиткин Ю. А., Сенкус В. В., Воропанова В. Д. Методика формирования экономически эффективного подмножества элементов систематизации технологических схем шахт. — М.: МГИ, 1085. — 5 с. — Деп. в ЦНИЭИуголь 04.05.85, № 3342.

'19. Сазонов А. Е., Сенкус В. В., Притьмов В. Н. Расчет стоимостных параметров как основа оптимизации технологических процессов гидрошахт/Сб. тр. VII Всесоюзного семинара по оптимизации горных работ: Тез. докл. — Новосибирск, 1985. — 3 с.

20. Сенкус В. В. Интенсификация проектирования гидрошахт//Гидро--механизация горных работ: Межвузов, сб. науч. тр. — Новокузнецк: СМИ, 1991, с. 154—157.

21. Атрушкевич А. А., Сенкус В. В., Фомичев С. Г. Отработка крутых пластов блоками с подземным замкнутым циклом обезвоживания угля и осветления технологической воды//Вопросы создания экологически чистых предприятий и производств угольной промышленности: Сб. тр./ВНИИОС-уголь. — Пермь, 1,982, с. 86—£2.

22. Технологические процессы гидротранопортных систем/А. С. Бурча-ков, О. В. Михеев, В. Н. Притьмов, В. В. Сенкус.— М.: МГИ, 1992 — ¡I «5 с.

¡23. Бурчаков А. С., Сенкус 'В. В. САПР гидрошахт и гидроучастков с подземным замкнутым циклом//Разработка способов и технологических решений, обеопечивающих экологическую чистоту шахт: Сб. на.уч тр — М : МГИ, 1-992, с. 10—12.

24. Сенкус В. В. Общая концепция разработки САПР гидрошахт//' Научно-технические разработки (МГГУ АО УК «Кузнецкуголь» и института «ВНИИгидроуголь» Сб. науч. тр. — ;М.: (МГГУ, 1994, с. 49—51.

25. Сенкус В. В. Концепция выделения структуры и ядра САПР г.ид-рошахт//Прогрессивные технологии .разработки угольных месторождений: Сб. науч. тр. — М.: МГИ, 1,9¡92, с. 26—30.

26. Сенкус В. В., Притьмов В. Н. Методические аспекты создания САПР гидрошахт ,и гидроучастков с подземным замкнутым цвклом//Науч-

но-технические разработки МГГУ АО УК «Кузнецкуголь» и института «ВНИИгидроуголь»: Сб. ,яауч. тр. —¡М.: МГГУ, 1994, с. 1124—127.

27. Сенкус В. В. Концепции управления проектированием гидрошахт// Научно-технические разработки МГГУ АО УК. «Кузнецкуголь» и института «ВНИИгидроуголь»: Сб. науч. тр. —М.: МГГУ, 1994, с. 97—(100.

28. Сенкус В. В. Общая схема 'процесса автоматизированного проектирования гидрошахт//Разработка способов и технологических решений, обеспечивающих экологическую чистоту шахт: Сб. науч. тр. — М.: МГИ, 1992, с. 3:9—47.

29. Сенкус В. В. Структура программно-информационного и лингвистического обеспечения САПР гидрошахт//Прогрессивные технологии разработки угольных месторождений: Сб. науч. тр.—М.: МГИ, 1992, с. 33— 36.

30. А. с. № 1624174, МКИ Е21 М/1Ю. Устройство для крепления горных вьгработок/В. Н. Притьмов, В. С. Рознолевич, Г. Я. Рудас, В. В. Сенкус и др. —№ 4653848/03. Заявлено 22.02.89. Опубл. 30.01,91. Бюл. № 4,— 1>1 с.

31.. А. с. № 81599557, МКИ Е 21 1,9/00. Механизированная проходческая кр.еяь/В. Н. Притьмов, Ю. П. Ваижа, Е. Б. Серебряная, В. В. Сенкус и др. — № 4445539/24—03. Заявлено 20.06.88. Опубл. 46Л0.90. Бюл. № 38,— 9 с.

32. А. с. № 1456593, МКИ Е 21 20/00. Способ крепления горной выработки/В. Н. Притьмов, М. Н. Притьмов, В. В. Сенкус. — № 4242238/22— 03. Заявлено 23.03.87. Опубл. 07.02.87. Бюл. №5.-2 'с.

33. А. с. № 1523680, МКИ Е 21 23/00. Способ монтажа механизированного очистного комплекса/В. Н. Притьмов, А. И. Мирошних, М. Н. Притьмов, В. В. Сенкус. — № 4372016/31—03. Заявлено 27.01.88. Опубл. 23.'111.89. Бюл. Л° 43. — 7 с.

34. Пути сокращения 'площадей поверхностных отстойников с базоот-ходной утилизацией шламов шахт Кузбасса/А. А. Атрушкевич, С. П. Казаков, В. В. Сенкус и др.//Проблемы реформирования региональной экономика: Матер. Международ, конф. — Кемерово, 1994, с. 120—121.

35. Технологическая санация нерентабельных шахт Кузбасса намеченных к закрытию/А. А. Атрушкевич, С. П. Казаков, В. В. Сенкус и др.// Проблемы реформирования 'региональной экономики: Матер. Международ, конф. — Кемерово, 1994, с. 113—lil4.

36. Разработка нового экологически чистого способа гидравлической добычи угля на основе синтеза подземной и открытой технологии/ А. А. Атрушкевич, С. П. Казаков, В. В. Сенкус и др.//Проблемы реформирования региональной экономики. Матер. Международ, конф. — Кемерово, 11994, с. 116—11.8.

37. Разработка экологически чистого открыто-подзе!много способа отработки верхних горизонтов угольных пластов на основе гидромеханнза-ци'и/А. А. Атрушкевич, С. П. Казаков, В. В. Сенкус и др.//III Междунар. выставка-ярмарка «Уголь—металл»: Матер, научно-,практ. конф. — Ново-кунезцк, 1,994, с. 53—60.

38. Исследование влияния горно-геологических и горнотехнических факторов ,на конструктивные элементы систем разработки при гидродобыче и расчет количествеиных характеристик их параметров/В. В. Сенкус, Б. П. Одиноков, С. Г. Фомичев и др.: Обзор. — М.: ЦНИЭИуголь, 1.992. — 59 с.

39. Автоматизированное проектирование гидроучастков с подземным замкнутым циклом обезвоживания угля и осветления воды/В В. Сенкус, Т. И. Чвора, С. Г. Фомичев и др./МГГУ. — М. — Деп. МГГУ 13.11.95. № 27/9—206. — 146 с.

40. Сенкус В. В. Разработка и реализация системы автоматизированного проектирования гидроучастков с 'подземным замкнутым циклом обезвоживания угля и осветления технологической воды//Перепективы развития горнодобывающей промышленности: Тез. докл. научн.-'практ. конф.— Новокузнецк, 1995, с. 62—64.

41. Сенкус В. В., Фомичев С. Г. Математическое моделирование пуль-поформирования в забое//Гидрот,ранопорт угольных шахт: Изд. МГУК. — М„ ¡1994, с. 16—20.

42. Сенкус В. В., Фомичев С. Г. Специальное программное обеспечение САПРгидрошахт и гвдроучастков с подземным замкнутым циклов/Научно-технические 'разработки МГГУ, АО УК «Кузнецкуголь» :и «ВНИИгидро-уголь»: Сб. -науч. тр. — М.: МГГУ, 1,994, с. 69—73.

43. Сенкус В. В., Фомичев С. Г., Целлермайер Б. Я. Проблема обезвоживания угля в подземных условиях//Гидрограиспорт угольных шахт: Изд. 'МГУК- — М., 1994, с. 106—'108.

44. Методическое обеспечение проектирования гидроучастков с подземным циклом обезвоживания и осветления/В. В. Сенкус, С. Г. Фомичев, С. ¡П. Казаков, А. А. Атрушкевич/МГГУ. — М., деп. МГГУ 13.Ы.95. № 27/9—206. — 198 с.

45. Сенкус В. В., Фомичев С. Г., Целлермаейр Б. Я. Технические и технологические решения по обезвоживанию угля при транспортировке// Гидротранспорт угольных шахт: Изд. МГУК- — М., Ю94, с. 118—122.