автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Снижение энергозатрат гидравлической технологии добычи угля

На правах рукописи

СТЕФАПЮК Бсндан Михайлович

УДК 622.234.5:621.8.03

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГ ОЗАТРАТ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ

Специальность: 05.15.11 - "Физические процессы горного производства'

Автореферат .'шеееришии на соискание ученой степени докюра технических наук

Кемерово 1998

г

Работа выполнена во Всероссийском научно-нсследоватезижом и проектно-конструкторском институте гидравлической тсышшпш добычи угля (ВНИИгидроуголь)

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. Пузырен В.П.

докт. техн. наук, проф. Кошох В.Л. докт. техн. наук, проф. Калинин СИ.

Ведущая организация - Сибирский государственный индустриальный университет (СибГИУ)

Защита диссертации состоится 27 мая 1998 г. в 10 час.на заседании Диссертационного Д 003.57.01 при Институте угля и углехимии СО РАН

по адресу:

650025, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан 25 апреля 1998 г.

Огзыв на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направить по адресу специализированного

Совета.

Ученый секретарь Диссертационного совета, докг. техн. наук, профессор

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Рыночные экономические отношения заставили по - новому рассматривать преимущества и недостатки любых промышленных технологий. Не является исключением и угольная промышленность.

В связи с этим новую ценность приобретает гидравлическая технология добычи угля, как дополняющая технологические возможности угольной промышленности за счет:

- более высокой производительности труда,

- снижения доли тяжелого физического труда шахтеров,

- возможности отработки пластов в сложных горно-геологических условиях,

- возможности отработки локальных участков шахтных полей,

- создания участков полуоткрытой отработки пластов.

В то же время сама гидравлическая технология сдерживала свое распространение из-за высоких (в 2 -2,5 раза выше) удельных энергозатрат, которые сопровождались требованиями ввода в строй новых энергетических мощностей. Последнее не вписывалось в энергетическое развитие бассейна. Без снятия проблемы высоких энергозатрат не возможно сполна использовать преимущества технологии.

Проблема энергозатрат многогранна. Оставляя за пределами рассмотрения организационные причины перерасхода энергии, исследования и решения физических аспектов проблемы касаются использования энергии во всех зпеньях технологической цепи: забое, гидротранспорте рядового угля, обезвоживании угля и осветлении воды с учетом управляемости, как отдельных звеньев, так и всей технологической цепи.

Таким образом, научное обоснование возможности существенного снижения энергозатрат и рационального использования энергии являются актуальными.

Связь темы диссертации с государственными отраслевыми научными программами.

Работа выполнена в рамках планов НИОКР института ВНИИгидро-уголь 1981-1985-1990 гг. позиции плана 0300103000-032, 0300112000-032, 0300114000-032, 0301507000-032, 0301508000-032, 0301510000-032, 03015014000-032, 0315012000-032, 0315020000-032, 0315024000-032, 0315034000-032, 0392072000-032, 0! 19201000-032, планов комплексной программы "Уголь России" п. 1.7(93) и прямых договоров с угольными предприятиями Кузбасса: №34-93 и 116-94.

Цель работы - снизить энергозатраты гидравлической технологии добычи угля и снять ограничение по энергетическому фактору ее применения наугольных шахтах.

Идея работы заключается в выявлении свойств физических процессов производства, неучтенных ранее технологией и проявившихся как первопричины высоких энергозатрат, дня разработки на их основе способов, методов и средств снижения энергопотребления и рационального использования энергии в звеньях технологической цепи.

Задачи исследований.

- проанализировать энергозатраты как качественную характеристику технологии;

- изучить структуру энергетического баланса технологической цепи гидрошахты и влияние связей технологических звеньев на уровень энергозатрат;

- выявить первопричины высоких энергозатрат и их зависимость от конкретных параметров физических процессов гидротехнологии;

- разработать теоретические основы оптимального струеформирования, повышающего энергонесущую способность гидромониторной струи, и предложить способ и устройства ее реализации;

- установить аналижческис взаимозависимости характеристик струи и область ее оптимального разрушающего воздействия на горный массив;

- разработать способы, методы и средства управления забойными машинами (гидромониторами и механогидравлическими комбайнами), обеспечивающие рациональное объемное сканирование забоя, стимулирующие снижение уровня энергозатрат в забое;

- разработать тактику работы управляющих устройств забойных машин;

- разработать теоретические основы оптимизации параметров самотечного гидротранспорта, обеспечивающих снижение энергозатрат, и дать физические критерии оценки безаварийной работы трассы гидротранспорта;

- исследовать физическую основу смачиваемости угля как главного фактора, влияющего на энергозатраты обезвоживания, и, как следствие, разработать классификацию углей по смачиваемости;

- исследовать равновесную пленочную влагу сыпучих материалов и выработать критерии для выбора способа обезвоживания угля с минимальными энергозатратами;

- исследовать законы осаждения частиц в стоячей и подвижной воде с учетом сил когезии и адгезии и определить зависимость процесса осаждения

от надмолекулярной структуры воды;

- предложить экологически чистый способ управления структурой воды для повышения интенсивности осаждения тонколпспсрсных шламов и осветления шламовых вод;

- разработать критерии оценки рекомбинации структуры тсхноло! иче-ской цени для выхода на новые схемы гидроучастков со сниженными энергозатрат ами.

Методы исследований предусматривали:

- анализ технологической цепи гидравлической добычи угля, как управляемой системы, для выявления ее внутренних связей, влияющих на уровень энергозатрат;

- структурный анализ энергозатрат физических процессов в звеньях гидравлической технологии для выявления первопричин не оправданных физикой энергозатрат;

- аналитические исследования физических процессов гидравлической технологии для выявления их свойств, параметров и существенности влияния на энергозатраты;

- аналитическое описание и раскрытие взаимосвязей параметров физических процессов и эффектов феноменологического проявления для их целенаправленного использования;

- лабораторные, стендовые и промышленные (заводские и шахтные) исследовательские испытания аппаратуры и устройств для подтверждения теоретических выводов;

- разработку исходных данных, технических требований и технических заданий на новые установки, машины, устройства, изделия для практического внедрения результатов в технологию;

- разработку конструкторской документации на стадиях литер Э (экспериментальный), О, 0\ (опытный) и А (серийный) вид производства, а также литеры И (единичное производство) для реализации научных результатов.

Научные положения, выносимые на защиту

Гидравлическая технология добычи угля периода 70-80 годов по сравнению с конкурентной имеет преимущества в гибкости, адаптивности, живучести, гуманности и экологичности, уступает в качестве угля (сортности и влажности) и отстает в наукоемкости, в частности, имеет неоправданно высокие энергозатраты.

Энергозатраты технологии существенно зависят от свойств системы функциональных связей звеньев технологии, ее обратных связей, переходных процессов и управляемости параметров, в частности, такого важнейшего па-

раметра, как объемная доля твердого в пульпе.

Полууправляемость параметра объемной доли твердого в пульпе только в ограниченных случаях компенсируется сбалансированностью элементов технологической цепи и их высокой надежностью; этот параметр существенно влияет на энергозатраты.

Повышение коэффициента полезного действия процесса трансформации потенциальной энергии воды в кинетическую энергию дальнобойной струи и использование последней для отбойки угля достигается за счет оптимального струеформирования, учитывающего как феноменологические законы гидравлики, так и надмолекулярную структуру воды и закон передачи энергии.

Эффективное использование энергии струи в процессе ее воздействия на горный массив, обеспечивается оптимальным отношением энергетических параметров струи и геомеханических параметров горного массива.

Энергосберегающий режим процесса разрушения горного массива во время выемки угля достигается за счет программно-адаптивного управления сканированием в гидромониторном и программно-дистанционного в механо-гидравлическом забое при обязательном улучшении эргономических условий труда и параметров машин, влияющих на сортность угля.

Снижение энергозатрат в забое обеспечивается использованием обобщенного опыта управления горными машинами, закладываемого в программы управления, что достижимо при тактике двухуровнего построения управляющих устройств горных машин: поверхностного центра с ПЭВМ, создающего программы и забойного управляющего устройства, исполняющего эту программу с учетом сигналов датчиков обратной связи.

Снижение энергозатрат в процессе самотечного гидротранспорта обеспечивается оптимизацией параметров трассы: предельного угла наклона, угла потери уклона, формы профиля желоба и критической скорости с учетом сил когезии, а также снижением риска забучивания при широком диапазоне колебаний расхода пульпы и увеличением транспортной способности потока и, как следствие, увеличение объемной доли твердого в пульпе.

Энергозатраты при обезвоживании угля зависят от класса угля по смачиваемости, принадлежноаь к которому определяется дальнодействием сил адгезии и размером частиц.

Снижение энергозатрат в процессе обезвоживания угля и его сушки достигается за счет дифференцированного подхода к условиям обезвоживания с учетом предыстории смачивания, реальной пленочной влаги, временных законов дренирования свободной влаги и критериев термальной сушки мелких классов угля.

Интенсификация осветления воды при минимальных энергозатратах

достигается согласно общему закону осаждения частиц, зависящему от сил адгезии, когезии и структуры воды, путем воздействия на надмолекулярную структуру воды, которая существенно определяет режим процесса осветления воды.

Эффективное воздействие на структуру воды достигается физико-электрической ее обработкой.

Рекомбинации структуры технологической цепи с точки зрения энерго-заграт позволяет заменить или исключить из технологической цепи высоко энергозатратные звенья, что, в итоге, выводит технологию на схемы локальных подземных участков с замкнутыми циклами водоснабжения, имеющими существенно сниженные интегральные энергозатраты при сохранении других преимуществ технологии (безопасности и производительности труда, себестоимости и качества угля, адаптивности к горно-геологическим условиям).

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается:

- успешным моделированием технологических процессов с помощью специального математического аппарата и удовлетворительной сходимостью полученных на моделях результатов с экспериментальными данными лабораторных и промышленных исследований с погрешностью не более 20%;

- согласованностью теоретических данных о кибернетических свойствах технологии с производственными характеристиками гидрошахт и гидроучастков;

- успешной работой гидромониторных и механогидравлических забоев в различных режимах управления в сопоставимых условиях при исследовании влияния режима работы на энергозатраты;

- удовлетворительной сопоставимостью характеристик струй различных струеформирующих устройств при стендовых исследованиях и эффективности струй при выемке угля в промышленных условиях;

- адекватностью теоретических расчетов по вновь полученным зависимостям для самотечного гидротранспорта с результатами промышленных исследований;

- стройностью решения капиллярного уравнения при определении дальнодействия сил адгезии и практической целесообразностью классификации угля по смачиваемости и обезвоживанию;

- непротиворечивостью закона о конечной скорости осаждения твердых частиц, сопровождаемого парашютным эффектом, и результатами лабораторных и стендовых исследований воздействия электрических полей на структуру воды, ее память и статическую вязкость при интенсификации процесса осветления воды;

- положительными практическими результатами по снижению энер: затрат при реконструированной технологии, реализованной в локальных п роучастках с подземным замкнутым технологическим циклом водоснаб* ния.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении влияния свойства управляемости параметров тexнoJ гии, в частности, объемной доли твердого в пульпе на режим работы техно; гического процесса и величину энергозатрат;

- в установлении аналитической зависимости для оценки влияния < ратных связей объемной доли твердого в пульпе на энергозатраты;

- в новой теоретической основе создания оптимального струеформи: ния с учетом законов феноменологической гидравлики, надмолекуляри структуры воды, удвоения скоростей и оптимальной передачи энергии, р лизованных в многоступенчатом струеформирующем устройстве;

- в установлении аналитической зависимости между параметрами, : растеризующими струю, и между параметрами струи и геомеханически параметрами забоя;

- в разработке оригинальной логико-математической модели управ, ния процессом в забое;

- в выборе тактики создания системы управления забойными машш

ми;

- в установлении критериев оценки гидротранспортного качества жeJ бов и физических критериев оценки риска забучивания трассы;

- в решении капиллярного уравнения и определении дальнодейси сил адгезии, которое легло в основу классификации угля по смачиваемости

- в установлении параметров равновесной пленочной влаги и критер[ обезвоживания;

- в установлении единой закономерности для конечной скорости осг дения твердых частиц в воде, охватывающей все режимы (ламинарный - С кса, переходный - Аллена и турбулентный - Ритгингера), характеризующие парашютным эффектом создаваемым силами адгезии и когезии, существе! влияющих на процесс осветления воды;

- в выявлении влияния надмолекулярной структуры воды на вeлич^ статической вязкости и устойчивость шламовых вод, как коллоидных раст ров тонкодисперсных частиц, а также управление этой структурой с по! щью физико-электрических воздействий;

- в интегрально-дифференциальной оценке энергозатрат при рекон рукции технологической цепи гидравлической технологии добычи угля.

Личный вклад автора состоит в разработке теоретических положений энергосберегающих процессов гидравлической технологии добычи угля и на их основе практических решений для снижения энергозатрат в стр_\сформировании, самотечном гидротранспорте, обезвоживании угля и осветлении технологической воды, в частности:

- в выявлении первопричин высоких энергозатрат технологии, заложенных недооценкой физических свойств надмолекулярной структуры воды;

- в выявлении оперативных свойств процессов, их управляемости, положительных и отрицательных обратных связей и их влияние на энергозатраты технологи;

- в разработке теоретических основ струеформирования, выходящих за пределы феноменологического метода исследований, учитывающих надмолекулярную структуру воды и закон передачи энергии, интерпретированный на гидравлические объемы, для многоступенчатого струеформирования, повышающего коэффициент полезного использования энергии при гидроотбойке с 13,8 до 40%;

- в предложении тактики программно-адаптивного управления забойными машинами на основании объективной и субъективно-объективной информации системы "забой-машина-человек" дня повышения производительности машин и снижения оперативных энергозатрат;

- в разработке теоретических основ самотечного гидротранспорта с учетом влияния сил адгезии, в выработке критериев оценки профиля трассы и профиля сечения желоба, а также риска забучивания для повышения гарантийной транспортной способности при У-образных желобах в два раза;

- в разработке теоретических основ смачивания с учетом дальнодействия сил адгезии, законов равновесной пленочной влаги и в выработке дифференцированного подхода к процессу обезвоживания рядового угля, обеспечивающего снижение энергозатрат не менее чем в два раза,

- в открытии парашютного эффекта падающей в воде твердой частицы и в развитии теоретических основ иерархической надмолекулярной структуры воды, а также способов управления этой структурой для осветления шламовых вод, сокращающих время процесса осветления в 10 -50 рак

- в разработке рекомендаций но рекомбинации технологической цепочки для оптимизации структуры технологической схемы гидравлической технологии по параметру энергозатрат, дающих в итоге общее снижение энергозатрат в два раза.

Эти новые направления позволяют решить проблему снижения энергозатрат и рационального использования энергии в физических процессах технологии.

Практическая ценность работы. Результаты выполненных исследо ваши позволяют:

- повысить к.п.д. использования гидравлической энергии при гидравли ческом способе выемки угля с 0,13 до 0,40.

- повысить на 40 - 60 % техническую производительность механогид равлических машин при их дистанционном управлении;

- повысить в два раза транспортную способность и снизить риск забу чивания самотечного гидротранспорта с U-образной формой профиля жело ба;

- снизить в три раза энергозатраты на обезвоживание за счет сохране ния сортности угля в предыдущих звеньях и использования различных спосо бов обезвоживания к углям различных классов смачиваемости;

- интенсифицировать более чем в 10 раз осветления шламовых вод пу тем воздействия на структуру воды, ее статическую вязкость;

- обеспечить в итоге снижение энергозатрат по процессам ре комбинированной технологический цепи в два раза.

Реализация работы. Идеи и закономерности, полученные в ходе ис следований, реализованы:

- в аппаратуре управления ПДУ (ДУ-2) для механогидравлическоп комбайна К-56МГ, прошедшей стадии от экспериментального образца д< серийного производства;

- в аппаратуре ДУ-4 для самоходного гидромонитора с импульсным по высителем давления ГПИ на стадии экспериментального и опытного образ цов;

- в аппаратуре АГА для самоходного гидромонитора на стадии опытно го образца;

- в гидромониторе ГДМС-12-10 с многоступенчатым струеформирую щим устройством;

- в гидромониторе ГДМСМ-12-10 с оптимальным многоступенчаты!» струеформирующим устройством;

- в Технических требованиях по исключению опасного фрикционноп искрообразования при гидравлической отбойке угля в очистных забоях гид рошахт и гидроучастков;

- в Техническом задании на механогидравлический комбайн К-86Г;

- в исходных требованиях на желоба с параболической формой попе речного сечения;

- в исходных данных на разработку физико-электрических осветлите

лей;

Апробация работы. Основные научные к меюдические положения диссертационной работы докладывалась и обсуждалась на следующих научных конференциях, совещаниях, семинарах, Ученых советах: координационное совещание по исследованию процессов гидродобычи и гидротранспорта на угольных шахтах, 27-31 марта 1962г., г. Новокузнецк; научная конференция "Математические методы п горном деле" 1963 г., г. Новосибирск, СО АН СССР; научная конференция преподавателей математических кафедр пединститутов Сибири (12-15 мая 1969 г.) г. Новокузнецк; на\чно-те\ннческое совещание "Применение эффективности подземной добычи угля гидравлическим способом и перспективы ее развития", 14-15 октября 1980 г., г. Новокузнецк; научно-практическая конференция "Применение микропроцессоров и робототехники для сокращения ручного труда в промышленности Кузбасса", 1 октября 1968г., г. Кемерово; VI Всесоюзное совещание по теоретическим и практическим аспектам турбулентных течений, 30 марта 1969 г., г. Таллин; на научных семинарах под эгидой Институт Угля СО АН СССР. "О состоянии и направлении развития научных исследований в области гидравлической добычи угля", г. Кемерово, 1968 г.; "Гидрошахты нового уровня" г. Новокузнецк, СМИ, 1988 г.; "Пути научно-технического прогресса гидро-гехнологий", г. Новокузнецк, ВНИИгидроуголь, 1990 г.; "Направление развития гидротехнологии отработки крутых пластов, теоретические и практические аспекты создания наукоемких гидротехнологии нового \ровня эффективности для сложных горно-геологических условий, г. Новокузнецк, СМИ, 23-25 ноября 1992 г.; lV-ая международная научно-практическая конференция, 13-16 мая 1997 г., г. Новокузнецк; Ученые Советы ВНПИгидроугля 1962 -1992 г.г.; Международная выставка "Уголь-75", г. Донецк; Экспонирование аппаратуры на ВДНХ СССР (две серебряные медали)

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 69 научных работах, 22 авторских свидетельствах и 3 патентах РФ.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения, изложена на 352 страницах, содержит 121 рисунок, 52 таблицы, список литера iypi.1 из 166 наименований, приложений.

Общий объем диссертации 395 страниц.

Диссертационная работа выполнена па основании исследований, проведенных во ВННИгидроугле в 1962-1996 гг.

ОСНОВНОЙ СОДЕРЖАНИЯ РАБОТ

1. Проблема энергозатрат физических процессов гидравлической добычи угля и пути решения проблемы

Гидравлическая технология добычи угля периода 70-80 годов, обла; многими положительными характеристиками имела неоправданно высоь энергозатраты на тонну добытого угля (в 2 - 2,5 раза выше, чем конкурент! "сухая" технология). Они составляли 70-160 кВт-ч/т против 35 кВт--ч/т в epi нем по отрасли.

Высокие энергозатраты, в частности, наблюдались в сети высоконап< ной гидроогбоики угля. Дифференциальная энергетическая характерней сети представлена в табл.1.

Высокие энергозатраты сопровождались и усугублялись еннжени сортности угля (сортность +6 мм - до 35%) и увеличением количества шла\ (-0,5 мм - до 26%). Большое количество шламов особенно сильно влияла энергозатраты при обезвоживании угля, в частности при термальной сушке

Проблема уменьшения энергозатрат без ущемления энергооснашеш сти процессов стала основной ряда направлений научных исследований ВИИИгидроутле и в других институтах. Основные из них были связаны с i следованиями физики формирования гидромониторных струй, управлег процессами отбойки угля, оптимизации сканирования забоя струей и рабоч органом комбайна избирательного дейспзия, оптимизации гидравличсскс транспортирования рядового угля и сохранения при этом его сортности, р работкой экологически чистых низкоэнергозагратных способов обезкожи ния угля и осветления технологической полы и обязательной энергетичеа-оптимизацией технологической цепи и кибернетических связей, нсотъемле свойственных ей. Эти исследования проявились, в итоге, в создании гидр лической технологии нового уровня наукоемкое™, все основные пронес которой сосредоточены в подземных условиях.

Отправными точками для выполнения работы являлись основопо. тающие труды выдающихся ученых B.C. Мучника, Б.А. Теодоровича, H Цяпко, С.С. Шавловского, А.И. Куприна, ! А. Нурка и многих других, pai тающих непосредственно в области i идравличсской технологии, а также областях смежных наук, имеющих непосредственное влияние на процсс< используемые в гидравлической tcxim.toi пи, и частности, прикладной ма матики (И.Д. Шевелов, З.Л. Рабинович), кибернетики (В.М. Глушков, П Чинасв), горной робототехники (Ю II Киклсвич, В.Л. Конюх, В.!1 Силаев)

Таблица 1

Энерго'.атраты гидромониторной выемки

Гилромонитор12 ГД 2

_(на о,(1т_масос_с расходом 360 мУчзс)

Звено сети > Коэф. Передано Потеряно

I передачи \ энергии, энергии, энергии, | кВт-ч кВтч

К,.,

Ш|Щ|.| электроподстанщш Электродвигатель ' 0,95

; [Высоконапорный насос___ :__0,65

Водоиод____ _ _ 0.9

| Итого, подвод энергии к гидро- 0.5)

, мопи юру_____________

Ок а^^ал ы в о/та гидромонитора^ 1__

| Струе(|)ормиру10тее устройст во__ ___0/30

Струя в возл> хе______0,42

Итого энергии у груди забоя___|Х22

Контакт струя-забой _____0,63

! Энергоемкое ib разрушения,

[ кВт-ч__ _______

i Производительность, т/ч_ _

■ Энергозатра1ы, кВт-ч^т__

i Средний к.п.д. высоконапорной

j сети_____

пульпа в забое т/м"' (м'/ м ')

1600 -

! 1520 80

i I_ 990 530 ;

: ! 910 50

> 040 660

) ! озо 10

) i 837 93

: ! 351 486

: 351 1249

; 1 220 131

2.0

80 -¡40

15,7-4.3

0.138

1:3,3 (1:4,5)

физики (Н. Маэно, Г. Харт, У. Германн, Дж. СпрадлеП. Дж. Уолкер), гидрав лики (Д.В. Штерешшхт, К. Кузов, С.С. К;, кателадзе, M А. Стырикович), физической химии (П Л. Ребиндер, А. Адамсон, Б.Д. Сумм. В.А. Горюнов), надмолекулярных структур (В.В. Синюков, I II. Новиков, 10.M Соколовский, J1 Са.тем), коллоидной химии (ДА. Фридрихсберг, С Л Шевченко), электрохимии (C.B. Яковлев, И Г. Краснобородский, В.М. Рогов. M Г. Грановский. 11 С. Лавров, О.В Смирнов, 3 А Проскуряков, В.П. Коваленко), работающие как в нашей стрпче. так и зп рубежом Они обеспечили информационную основу фундамеша.н.ных законов научных направлений, которые использованы в работе при icopei ичееких исследованиях, ана.ш ¡о фтическич законов, ис-по.чыонанныч в icxiio.toi ни. тччроеним м.пем.мическич чюделой процессов ropnoi о произво icma

1-1

Дифференцированный анализ технологической цепи и структуры энергозатрат позволил наметить главные объективно обоснованные пути ] шения проблемы:

- снять или свести к минимуму влияние процессов впереди стоят звеньев на рост энергозатрат последующих звеньев технологической цепи;

- улучшить коэффициент трансформации статической гидроэнергш динамическую энергию струи гидромонитора и улучшить соотношения I намических параметров по сечению струи к условному сопротивлению п ного массива,

- ввести рациональное объемное сканирование забоя при механоп равлической и гидравлической выемки угля, увеличивая при этом дисташ онность выемки;

- повысить транспортную способность самотечного гидротранспо] при снижении уклонов трассы и увеличении массовой (объемной) доли тв< дого в пульпе,

- снизить долю угля класса -6 мм, особенно класса - 0,5 мм в грану; метрическом составе рядового угля, и снизить энергозатраты на обезвожи! ние угля путем дифференцированного подхода к процессу обезвоживания;

- осуществить осветление оборотной технологической воды, учитьп ее надмолекулярные структурные свойства;

- осуществить рекомбинацию структуры технологической цепи шахп гидравлической технологией добычи угля, исключая или заменяя высс

.. энергозатратные процессы технологии.

Намеченные пути ведут к снятию проблемы высоких неоправданн ■_,„ энергозатрат технологии.

2. Кибернетические свойства параметров технологической цепи, их влияние на энергозатраты технологических процессов

!: Технологическая цепь гидравлической добычи угля - это сложная I

' :••• бернетическая система со своими внутренними обратными связями, со свс ствами адаптации, устойчивыми и не устойчивыми состояниями, возмуща щими воздействиями от внешних факторов, детерминированными и веро: ностными закономерностями, продолжительными переходными процесса?* ' реальными не очень высокими уровнями надежности всех звеньев и их С1 ■•'!? *зей.

Все звенья технологической цепи связывает водяной поток, котор: >«-выступает как носитель энергии, рабочий инструмент, транспортное сред< •-•-. - во, восстановленная тара.

Важной чертой параметров технологической цепи является их упр;

ляемость, которая может быть адекватно описана логическим вектором движения (ЛВД)

где - орты, указывающие направление воздействия, - проекции

вектора на орты - функции логические, логико-временные или логико-памятные, обуславливающие необходимое воздействие на основе показаний датчиков, контролирующих параметры заданий, планов и алгоритмов ведения режима процесса, т.е. совокупности текущих и предыдущих данных.

Обобщенный ЛВД для параметра "объемная доля твердого в пульпе" показан на рис.1, где представлены управляющие факторы воздействия на параметр и места (точки) его управляемости: в забое - управляемый, на самотечном гидротранспорте - полууправляемый, в камере пульпоприема - полууправляемый.

Первоначально неполная управляемость компенсировалась высокой надежностью забоя. Надежность описывалась вероятностной функцией:

П0а + 1)

Ф«.(*)= "' , „ х°" (1 - х")л; 0 < х < 1,

n'a

где а - действительное положительное число - коэффициент эффективности работы системы "человек-машина-среда", зависящий от восьми факторов готовности системы к работе; п - показатель условий работы системы, зависящий от четырех факторов.

Максимум вероятностной функции распределения находится в точке хт =^5, а добыча с забоя за месяц равна: А = А„„фал(х)±5 , где Атах-максимально возможная производительность машины в заданных горногеологических условиях; 2 - относительная погрешность оценки максимальной возможности системы забоя.

Функция фап(х) - апробирована многолетней работой короткого забоя с механогидравлической выемкой (К-56МГ с пультом дистанционного управления ПДУ) на шахте "Юбилейная".

Высокая надёжность забоя достигалась за счет резервирования. При надежности системы переключения резервируемых элементов: /'т =(0,8)"""', где

т - число резервных элементов в звене технологической цепи, установле] что резервирование не входит в противоречие с системой его управления тех пор, пока надежность системы управления выше надежности отдельнс элемента Рэ: Рсп > Ръ. Это достижимо, при т < 3, когда Р3 > 0,618-Ф"1- чис золотого сечения.

В объективных условиях, не обеспечивающих выполнение вышепри: денных требований, необходимо переходить на частичные внутришахтн замкнутые циклы, то есть использовать метод сгущения пульпы.

Потеря управляемости объемной долей твердого в пульпе, существен влияет на энергозатраты технологического процесса. Установлена завис мость энергозатрат от объемной доли твердого пульпы:

Э

Э = " +Э

где Эо=2,0 кВт-ч/т - нетто энергозатрат; Эк=16 кВт-ч/т - квота переходи! процессов; - объемная доля твердого в пульпе; р - показатель степени, р; ный 1,618.

Установлено, что гранулометрический состав рядового угля в пуль существенно влияет на энергозатраты последующих процессов: обезвожш ния угля и осветления воды. В частности, обезвоживание класса +6 мм превышает 0,04кВтШч/т, а сушка шлаковых углей составляет не менее 6, кВт-ч/т на 1% влаги.

3. Физические основы струеформирования и снижение энергозатрат при гидроотбойке угля.

Гидромониторная струя, как инструмент разрушения горного массш имея привлекательные преимущества: дистанционность и высокую энерг вооружен ность, и как механизм выгрузки горной массы из забоя, высок} надежность и пропускную способность, обладает при этом существенным 1 достатком - высокими энергозатратами на разрушение угля (общий к.п.д. использования энерг в системе насос-гидромонитор-забой составляет 12-14%). Существенная пр чина высоких энергозатрат - струеформирование, которое обеспечивает ко пактность струи и осевое динамическое давление.

Различные параметры струи, как установлено нами, связаны между бой экспоидной зависимостью.

/

\

У

где ; / - расстояние (длина струи) до рассматриваемой точки, и; -скорс струи на расстоянии / м, м/с; и/=о - скорость струи на выходе из струефор рующего устройства, м/с, м; /П1 - расстояние полета струи, м; К; - комп; ность струи; ц - коэффициент истечения струи. При этом имеет место ф) ционапьная зависимость компактности струи от угла расхождения струи:

где с!о - начальный диаметр струи, м; (1/ диаметр струи в точке /, м; а - у расхождения струи.

На основе экспериментальных данных, установлено, ш=0,806±0,005, или т=Ф/2=0,809 ( отклонение Д1П=0,003), то есть чис.'н тесно связано с законом гармонии отношений. В результате получена фор ла для коэффициента осевого динамического давления (отношения давле Ршах/Ро, где Р0- исходное давление):

Эффективность разрушения горного массива зависит от условного I дела прочности 11у массива. Разрушение обеспечивается при Р,гах/>КУ. Ха] тер влияния разрушающего воздействия на горный массив представлен с мощью коэффициента превышения порога прочности*: Ртах/=хКу

При этом установлена зависимость для производительности отбойь для ее энергозатрат:

К </°- 1

т

где т - коэффициент монолитности пласта, зависящий от структуры пла его напластований, трещиноватости , т>1; П,„ах - максимальная произвс

телыюсть, достигаемая при .г0,.,=] ,35; Э„м;, - минимальные энергозатраты, достигаемые при х01ТТ =1,35.

Для определения рабочей длины струи, как функции качества струи и геомеханических свойств забоя, решена система уравнений, описывающих свойства струи и массива, которая сводится к неполному кубическому уравнению, дающему один действительный корень, с учетом, что 1§«1 и ёо=2г0, получено:

где АР - напряжение, проявляющееся в зоне разрушения забоя.

При ДР->хЯу - струя не разрушает, а только смывает горную массу: I р ->/т и К/ -Я,.

Следует учесть, что струя разрушает забой не всем своим сечением, а только центральным эффективным Б*),, которое меньше или равно Бпр - площади сечения струи. Для эффективного сечения динамическое давление больше предела прочности Ра>хЯу, на остальной площади сечения струи динамическое давление меньше предела прочности Рг^Ку и ра¡рушение горного массива не происходит. Максимальная производительность достигается при 5Эф=>шах и Рэ-хЯу =тт. Это объясняет тот факт, что максимальная производительность гидроотбойки находится на расстоянии (60 - 90) ёо (для конфузорных струй).

При известном непрерывном конфузорном струеформировании профиль конфузора выбирался из условий ограничения градиента скорости потока а2 (иг - скорость потока): = • /(:)=> тю , или, что лучше, ограниче-

с/г

ния ускорения потока: а^ппп.

Последнее давало профили конфузоров с точками перегиба. Но динамические качества и эффективность струи оставались низкими, так как в этих расчетных моделях не учитывалось важнейшее свойство воды - ее надмолекулярная структура.

На основе моделирования (рис.2), установлено, что минимум внутренних потерь и энергозатрат достигается при упорядочении внутрижидкостных сил и ускорений, то есть при соблюдении закона удвоением скоростей, когда струя формируется-многоразовым удвоением скорости потока по закону:

где V/- начальная скорость струи - скорость на выходе из сопла, м/с; ио- ско-

и^=2 и0 при и,=2'ио *

рость подводимого потока, м/с; к - количество ступеней разгона, целое числс и; - скорость на ¡-ой ступени.

Величина к зависит от параметров подводимого давления Р0, расхода ( и исходной скорости 0«= где Яо - входной радиус струеформирутс

щего устройства. Для Р0=(10-12)МПа к=5

Интерпретируя закон Харта-Германна о доли энергии, передаваемой п цепочке твердых тел, на гидравлические массы в струеформирующем устроГ стве, установлено, что массы находятся в геометрической пропорции:

Ми:МгМ1:М;+|; М, =л/м„, -М,,, ,

где М, - масса воды в ¡-ой ступени устройства.

Согласно закону Спиднея, полная передача энергии по цепочке тел н; ступает при коэффициенте восстановления не менее 0,62 (т.е. не менее

Ф"').

В ходе исследований установлений, что коэффициент восстановлена движущейся воды - величина, зависящая от ее скорости и описывается закс ном:

^,.^=0,54 + 0,071о82^, (прио0г4,5 м/с).

"о

Для струеформируюицего устройства верно отношение:М;:М1+]=А, г; А - число оптимального отношения масс, А=3,236 + 3,02=2Ф.

Получены оптимальные отношения конструктивных параметров стру* формирующего устройства: радиусов К,:К,+| = У2, длин успокоительных уч; стков 1^:1^+1 =А/2=-Ф, тангенсов углов поджатая пото! tga¡•.tgai+l=2 ч/2 /А= Л /Ф.

Взрывы метана в гидромониторных забоях заставили рассмотреть в( прос об ограничении мощности гидромонитора, как инициатора соударенк тел, попадающих в его струю, в частности, кремниевых кусков породы, кот! рые при соударении со сталью 3 (анкерами, сетками) могут приводить к обр зованию фрикционных искр. Используя понятие искрового коридора в мет но-воздушной среде и баланс энергий удара, установлено, что выходное о верстие сопла при подводимом давлении 10-12 МПа должно быть не более I мм (с учетом коэффициента запаса 1,1 ).Дифференцированная энергетическ; характеристика высоконапорной сети с гидромонитором и новыми стру формирующими устройствами представлена в табл.2.

В итоге получены исходные данные для новых струеформирующ! устройств, сначата не оптимальных ( ГДМС-12-10 ), а затем и оптимальнь (ГДМСМ-12-10), что позволило снизить энергозатраты на отбойку угля 15,7±4,3 до 9,3±2,5, а затем до 4,9+0,6 кВт-ч/т и повысить к.п.д. сети "насо гидромониторный забой" с 13,8% до 23,5%, а затем до 40,8%.

Рис. 2. Полуплоскость плоской модели струеформироваиия, учитывающая надмолекулярную структуру воды: внутрижидкостные ускорения, перестройка порядка объемов;

а) непрерывное поджатие потока;

б) ступенчатое поджатие потока с удвоением скорости

Таблица

Дифференцированная оценка энергозатрат сети высоконапорной гидроотбойки с различными типами гидромониторов

Звено сети Гидромониторы (на один насос с расходом 360 м3/ч)

ГДМС-12-10 ГДМСМ-12-10

Кпэ 1 а м и о н й Я щ ¿н к о. V С * Кпэ ■ Л] м «Зон а. ж рз С ¡и н С

Шины э/подстанции Эл/двигатель В/н насос Водовод | 1600 0,95 | 1520 0,65 1 990 0,95 ; 940 80 530 50 0,95 0,65 0,95 1600 1520 990 940 80 530 50

Итого подвод энергии 0,59 ! 940 660 0,59 940 50

Каналы подвода гидромонитора Струеформирующее устройство Струя в воздухе 0,96 0,90 0,70 920 828 580 20 92 248 0,98 0,95 0,85 920 874 744 20 46 130

Итого, энергия у груди забоя 0,36 580 1020 0,46 744 856

Контакт "струя-забой" 0,65 376 204 0,88 655 89

Энергоемкость разрушения, кВт- ч/т 2,0 + 28% 2,0+12%

Производительность т/ч 135-240 290-370

Энергозатраты кВт'ч/т 9,3±2,5 4,9±0,6

Средний к.п.д. высоконапорной сети 0,235 0,408

Т:Ж пульпы в забое, т/м3(м3/м3) 1:1,9(1:2,6) 1:1,1(1:1,5)

Консистенция пульпы при шахтном притоке 40 м /ч 0,26 0,38

4. Способы, методы и средства управления забойными машинами (гидромониторами и мс.ханогидравлически-ми комбайнами), обеспечивающие снижение энергозатрат при добыче угля.

На производительность забоя особое влияние имеет порядок его отработки, то есть сканирование По данным нормативно-исследовательских станций в одних и тех же условиях различие в производительности достигает 25 - 35%. А с точки зрении энергозатрат это особо ощутимо в гидромониторном забое, где отбор энергии идет непрерывно, не зависимо от эффективности ее использования. Для правильного ведения процесса отбойки необходима информация о результативности процесса и целенаправленные действия управления по алгоритму, обеспечивающему хотя бы удовлетворительную эффективность.

Процесс управления в забое описан моделью с помощью обобщенного логического вектора движения (ОЛВД).Алгоритм управления записывается в гиперматрице вида:

1 а<|> < р'Р < а? £"> г"

2 ««> «<;> /£> р? о': << 1У" г':>

к /V

РТ № <

п а

где а/'', р/'1 - ограничивающие углы качания ствола в ¡-м такте программы; со/1* - угловые скорости движения; Ь'1' - расстояния до забоя в ¡-м такте программы; т(|) - контрольное время сканирования 1-го объема массива.

Состояние забоя контролируется датчиками, сигналы которых образуют матрицу:

0„= ||/ а'л а"п р-н Щ <4 I/ г-1,

где I - календарное время.

В общем виде функция управления примет вид гиперматрицы

ф„ = ^„А. .элементами которой являются памятные функции. В гидромонт

торном забое сканирование объемно и количество тактов достигает 200.

В комбайновом забое сканирование значительно проще (плоское), кс личество тактов около 30, Но здесь особое влияние приобретает скалярна составляющая управления - скорость подачи, от которой в основном завт сит сортность угля.

На комбайне К-56МГ с ПДУ особый эффект достигнут при последов; тельной гидравлической схеме управления стрелой рабочего органа, в резулт тате чего получено увеличение диагональной скорости подачи. Проведенны сравнительные испытания показали, что при равной оснащенности комбат нов, но при разных схемах управления (серийной и предложенной) получе выигрыш в производительности на 75%, при этом получен выход сортног угля (+ б мм) на 5,8% больше и шлама (- 0,5 мм), на 4,0% меньше, при это на 60% снижены энергозатраты.

Выработана тактика реализации модели управления. Она предусматрт вает двух уровневую разработку управляющих устройств забойных машин ] на поверхности, используя обобщенный опыт, синтезируют гиперматрицу записывают ее на не теряющих информацию элементах памяти с помощы ПЭВМ, 2) забойная часть расположена на машине, реализует заданный алге ритм с учетом информации датчиков обратной связи.

5. Энергозатраты на г идротранспорт угля и пути и\ снижения.

Самотечный гидротранспорт занисит от многих параметров, характерт зующих материал, воду, трассу. Это: р: - плотность твердого материала, кг/м с!т - максимальные размеры частицы, м; ц/ - размерные отношения форм: частицы, м; рв - плотность воды, кг/м3; г| - вязкость воды, Па-с; ро - коэффт циент трения покоя твердая частица - желоб; (Лс - коэффициент трения сколт жения твердая частица - желоб; 1 - угол уклона трассы; Д1 - потеря угла укле на трассы для гидросмеси (пульпы); Ь - высота потока, м; Ь - полуширина пс тока в верхней точке, м; - типоразмер желоба (по профилю), сл - коэффицт ент лобового сопротивления твердой частицы в воде; Дг - граничный слой твердых частиц, создаваемый силами адгезии и когезии, м.

Движение материала в гидросмеси идет под действием трех основны сил: силы сталкивания Р„, силы уклона и силы трения Ё Условие транс портирования:

Из этого выражения с учетом сил граничного слоя получено значение для критической скорости потока:

Гг

1 + Дг/г

Р. )

■О,

где гравитационное ускорение, 9,81 м/с .

Эта зависимость представлена на рис. 3. Здесь наглядно видно, что силы агдезии заметно снижают критическую скорость, особенно для частиц с размером менее 6мм, а это говорит о снижении необходимых энергозатрат на гидротранспорт. По той же причине уменьшается критический угол трассы и угол потери уклона. Для последних установлены аналитические зависимости.

Введены относительные числа, характеризующие различные профили желобов:

1) Коэффициент гидравлического радиуса где ^ условный номер

профиля желоба: 0 - трапеция с углом наклона боковой стороны 80°, 1 - полуокружность,

. 2 - прямоугольник, 3 - парабола, 4 - треугольник, при этом каждый профиль гидравлически оптимален

2) Коэффициент использования лобового сопротивления Кд=5эф/5эф1, где - максимально возможная площадь перекрытия частицей сечения желоба.

3) Коэффициент относительной глубины потока при равных сечениях

4) Коэффициент использования глубины потока для частиц максимального размера Кт=Сйтах_,Л^)/(с1тах 1^1).

Расчетами установлено что, желоба с различными профилями характеризуются следующими относительными коэффициентами, приведенными в табл.3

Таблица 3.

Коэффицие! ты.

желоба (условный №_]') Кд к„ ; Кг А Пк.

0 0,90 0,82 0,91 1.00 0,67

1 1,00 1,00 1,00 ! .00 1,00

2 0,89 0,78 0,89 ! ,00 0,62

3 0,975 1,14 1,07 ; 1,0 0 1,19

4 0,71 1,15 1,25 ; 0.83 0,85

Рис. 3. Зависимость критической скорости гидротранспорта от размера частицы и ее плотности

Исходя из уравнения передачи энергии движущейся воды твердым частицам, получена зависимость для максимальной транспортной способности от определяющих параметров:

(„) о,25тсу:2 А', к„

8 и

р.

| к

К„Кг

-1,

где С - коэффициент Шези.

Введено понятие относительного коэффициента транспортной способности Кс,„ =е(П^)/е(п^| и относительною коэффициента энергозатрат, как величины, обратной коэффициенту транспортной способности а', =1 /К^.,.

Рассматривая риск забучиваиия трассы, как отношение сил трения и сил сталкивания и уклона Р, = /(/■".„ получена зависимость с учетом коэффициентов объемного К,1 и лобового К,5 затопления:

Р. =

Ро

слс!ла-; 1-

1+-

1 +

Рт Л '

К„К,

2^1 Ь-к1; К

Затопляемость влияет также на критическую скорость. При полном затоплении (К5У =К35 =1) и Ръ<], имеем гарантируемую транспортную способ-

ность Б0

(ш).

1 +

-1.

Энергоемкость гарантируемого гидротранспорта опишется зависимо-

стью:

Э„= 1,3-

1

-• 1000/ -1000^, Джт-к.\1,

где 1,3 - коэффициент, учитывающий начальный и конечный переходные процессы.

При Лма,ос=0,75 ; г|1р>,т=0,93; £О(т)=0,45; ¡=0,006; ^9.8м/с2 получим: Эо=2,42-106Дж/т-км =6,6 кВт-ч/т-км.

Снижение риска забучивания трассы снижает вероятность возможных энер-

гозатрат на ликвидацию аварийных заторов и восстановления работоспособности трассы.

6. Физические процессы смачивания угля и пути сокращения энергозатрат на обезвоживание и сушку угля.

Классическая теория смачивания, и в частности, манжетной влаги входит в противоречие с опытом при рассмотрении смачивания мелких классов углей (шламов). Для решения этой проблемы необходимо, как минимум, установить дальнодействие сил адгезии. Для этого следует решить капиллярное уравнение в общем виде с точностью до величины второго порядка. Частный случай для угла смачивания 0 = 0° был решен лордом Рэлеем в 1915 году.

Исходя из равенства: рк=р8, где рк - Лапласово давление, Рк = 2 с/гт; рг • гравитационное давление жидкости; о - поверхностное натяжение на границе с воздухом, Н/м; гт - радиус мениска, м, получена зависимость для высоть поднятия жидкости:

, .1 а: г 1 + 2мп.

Л = СОЗЬ'^ —----г-

г 3 (14-ИП0)-

где г - радиус капилляра, м; а^ - капиллярная постоянная, ak = ^2o/(pg); р плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение гравитации, 9,8 м/с.

После предельного перехода h—>0, получено выражение для радиуса, < затем и высоты дальнодействия сил адгезии:

/г l + sinö . Л, гт cos в

г, = ак V3 , , Ал -at УЗ - ■ ,

* Vi + 2 sin 0 ! л/l + 2sin в

из которых следует, что с изменением угла смачиваемости от 0 до 180° Ah меняется от 6,65 до - 6,65 мм, а радиус от 6,65 до 7,68 (при 0°) и 6,65 мм (npi 180°).

При рассмотрении предложенной модели пленочной влаги, установле но, что частицы размером менее 6 мм обладают при наличии влаги устойчи вой пленочной оболочкой, удерживаемой силами адгезии. Этим же объясни ется весьма трудное обезвоживание угля с частицами размером менее 1 мм.

Установлено, что угол смачивания 0 зависит от размера частицы и ci;: дий метаморфизма углей, характеризуемой выходом летучих веществ V',%.

9 = 2MlId{ l-0.0l(r -25)'}±3°.

Этот угол существенно зависит от направления процесса "смачиванис обезвоживание". С учетом этого гистерезиса формула принимает вид:

О = 2,1 V4¡j11 ±2.5 - 0,01([" -2sj}i 30.

Знак "+" берется при смачивании и так "-" - при обезвоживании. С позиции смачиваемости и обезвоживания следует различать 4 класса смачиваемости угля в зависимости от крупности его частиц:

I класс - 100 (200) - 6 мм, практически гидрофобный, 0=35-93°,

II класс - б - 1 мм, обладает при обезвоживании исходной влажностью 17-23%; 6=12-45°.

III класс - 1 - 0,05 мм, гидрофильный, исходная влажность 22 - 37%, 6=5-25°.

IV класс - 0,05 -0,005 мм (50-5 мкм) - образует с водой коллоидный раствор, при осаждении исходная влажность более 40%; 0^0-SJ.

Влажность обезвоженного угля зависит от времени его пребывания в

воде:

FP = H'„+W —, T=24>ídT,

a о .[ у ' ij \ i ¡ 5

где t - время пребывания в воде, с; п - показатель корня, n=2.3 ± 0,2; Wa - исходная пластовая влажность, %; W6 - влажность после длительного (предельного) пребывания в воде, %; 24 - константа с размерностью ч/м"ш; d,dj - нижняя и верхняя границы размера частиц обезвоживаемого угля, м;

Эффективное регрессивное время выигрышное для процесса обезвоживания равно Тэфрор-^О.ОЗТ,), которое для I класса равно не более 10,6 - 30,6 мин.; для II класса - не более 4,6 - 7,5 мин.; для III класса - не более 1,4 - 3,4 мин.; для IV класса не более 0,5 мин.

Из этого следует, что предварительное обезвоживание рядового угля следует проводить не позднее, чем через 5 минут после его подачи на гидротранспорт. Последнее реально только для локальных участков добычи угля.

Пленочную и гравитационную влагу разделяет равновесие сил гравитация и статической вязкости жидкости:

Л/-,

— ■РвЯ-х», i

где i - показатель структуры воды; Лг, - величина устойчивой пленочной влаги, м; р„- плотность воды, кг/м';.*ц- статическая вязкость, Па

Из предыдущего выражения найдена величина устойчивой пленочной

влаги:

PbS

Ее зависимость от температуры показана на рис. 4. Экспериментальные данные подтвердили теоретическую модель.

Влажность сыпучего материала описывается зависимостью:

У- 100-.

Р. 6АгуМ

Зная зависимость статической вязкости от температуры, не трудно найти зависимость влажности от температуры различных классов углей.

На частицах пленочная влага удерживается равновесным состоянием пленки. Избыток влаги стекает как гравитационная влага. Гравитационная влага удаляется дренированием. Для определения скорости дренирования исходим из основной формулы Пуазейля о расходе вязкой жидкости.

С учетом нестационарности процесса при высоте тонкого слоя Н м и с учетом лабиринтности каналов получена средняя скорость дренирования для слоя частиц с радиусом г:

1,71*7

где г) - коэффициент динамической вязкости, Па с;

Среднее время дренирования представится зависимостью:

Н Н

Установлено целесообразным для дренирования разделять рядовой уголь на классы 100-6 мм со средней скоростью дренирования 0,1 м/с и 6 - 0,5 со средней скорость дренирования 2,2 мм/с. Скорость дренирования рядового угля существенно зависит от количества в нем мелких классов (-6 мм).

Самый энергозатратный способ обезвоживания - термическая сушка, при которой прямые энергозатраты составляют 6,25 кВт-ч на 1% влаги в 1 тонне угля (испарение 10 кг воды). Затраты энергии при дренаже не превышают 0,04 кВт-ч/т, а при дренаже с обдувом - 1 кВт-ч/т.

При использовании физико-электрического осаждения (ФЭО) углей их исходная влажность на 4-6% ниже, а энергозатраты составляют 4-6 кВт-ч/т, то есть имеем 1 кВт-ч/т на 1%. Обезвоживание мелких классов угля с помощью ФЭО совмещается с осветлением воды,

Рис. 4. Зависимость толщины равновесной пленочной влаги от температуры для чистой (¡=2) и шламовой (¡=2,5) воды. *- экспериментальные данные.

Существенная экономия энергии получается, если угли сушить "на половину": III класса не до 12, а до 16%, IV класса не до 12, а до 20%, при этом влажность выходного продукта повышается только на +0,96%, а энергозатраты снижаются на - 10,1 кВт-ч/т. Пример дифференциальной структуры обезвоживания рядового угля приведен в табл.4

Таблица 4

Сопоставление способов сушки

Класс угля, мм Доля класса в рядовом угле Исходная влажность после обезвоживания Удельные энергозатраты, кВт-ч/т Конечная влажность, % Энергозагрг ты, кВт-ч/т

200-6 0,57 7,5/7,5 ^ 0,04/0,04 7/7 0,02/0,02

6-1 0,25 12/12 1,0/1,0 9/9 0,25/0,25

1-0,05 0,12 20/16 50,0/4,0 (ФЭО) 12/16 6,00/0,48

0,05-0,005 0,06 32/26 125,0/6,0+ 38,0 (сушка) 12/20 7,50/2,94

Итого 1,00 8,41/9,37 13,77/3,69

Новый способ +0,96 -10,08

В таблице левая цифра - классический способ, правая - новый.

7. Физические процессы осветления воды и пути снижения энергозатрат на осветление

Исследования показали, что вода является сложной структурой, в которой существенную роль играют водородные связи.

Предложено рассматривать динамическую вязкость воды, как единук зависимость от состояния ее водородных связей:

\J.M5

7 = 4

Чо

<7.(7')

-А,

где А,,= 1827 мкПа-с; ЯоЛ(Т) - внутренняя нетермодинамическая энергия водь при 0°С и Т°С; В,,=3 кДж/кг.

Доля разорванных водородных связей прямо пропорциональна удель ной внутренней нетермодинамической энергии

где о, =3665 кДж/кг

Итак, водородные связи рвутся начиная от абсолютного нуля до + 374°С. В промежуточном жидком состоянии структура воды представляет иерархию: "совокупность - колония - миникапля". Совокупность - это кристаллическая структура. В одной совокупности содержится пс молекул НгО:

/; =0,74—Г—

где 0,74 - коэффициент упаковки при координальном числе 12; 4 - коорди-налъное число кристаллов льда, 11с - условный радиус совокупности, м (А); гт - радиус молекулы воды,гт =1,38; 1А =10"'°м.

Внутри совокупности расположены молекулы Н;0 со всеми закрытыми водородными связями. На поверхности совокупности, на ее "оболочке" расположены молекулы, имеющие одну или две, или три разорванные водородные связи. Количество молекул в "оболочке" равно:

Доля разорванных водородных связей воды при температуре Т равна:

8 или <5Г=-

т г „с г г\ { 11 )\

где число разорванных водородных связей в молекуле "оболочки". Это дает возможность определить радиус совокупности:

К =

2г„

и количество молекул в ней:

(■-Я*

Совокупности объединены в колонии. Эта структура подтверждается, в частности, зависимостями теплофизических характеристик влажных веществ: теплопроводность влажных пористых веществ определяется теплопроводностью сухого вещества Х« и теплопроводностью Колонии воды, равной 7,64 Вт/(м-К),

Л,,. =ЛД1-И0 + 7,64 ш

1 -IV

Теплопроводность совокупности, равна 12,36 Вт/(м-К). V/ - массовая доля влаги. Чистая вода - это квазиколлоидная система.

Твердая частица в шламовой воде может находиться в трех состояниях: состояние равновесия, когда давление частицы на жидкость создаваемое гравитацией, уравновешивается статической вязкостью воды х,,, в частности, для частиц шаровой формы:

4

-1<{Рт-Рв)Е <хи ■

Из условия равновесия находим величину критического радиуса:

Найдено, что = пс10"5, Па.

Второе состояние - переходный процесс, когда частица начинает падать, преодолев статическую вязкость. Движение ускоренное, начинают работать силы динамического сопротивления - динамической вязкости.

Третье состояние: равномерное движение - силы гравшации и силы сопротивления уравновесились. Постоянную скорость называют конечной скоростью. Из условия = Ёф, или

= при

3 2 Кг» .

получена единая зависимость для конечной скорости (перекрывающую зонь законов Стокса, Аллена и Риттенгера).

„.-.ЗСГОУя

ЗСЛрв Л + 1' я

где Сд - коэффициент, характеризующий обтекаемость тела, Сл=0,35; с1 - тол шина "граничного слоя", создающего парашютный эффект; К - радиус части цы, м.

Величина с! зависит от радиуса частицы (рис. 6).

с) = аи+а,сГ<>+а2сГ*6)\

где ао=10"4м - шкала меры воды (размер миникапли), аи =(|74)47лг-10"'\ а1=аоФ-2"3-10"1 =0,020225...=0,0202; Ф=1,618...; с, - отношение радиуса совс

купности (при Т=15°С и ¡=1) к межмолекулярному расстоянию с!т молекул Н20, с,=20,95АУ2,90 А=7,2204...=7,22; а^аЛ-Я, (при Т=4°С и ¡=1), а2=Ю" "(22,16 А/2,90 А )=7,645...10"4=7,65-10"4; с:= 1/Ф=0,6180339....=0,618.

Получена зависимость конечной скорости осаждения при наличии боковых течений со скоростью ив:

о = и.<1+

3 (1-СЛ)Ч '

1,8 (Рт/Рв

Эта зависимость представлена на рис. 5.

Установлена возможность изотермического процесса изменения структуры воды (изменения ¿) (рис. 6): это магнитное воздействие с увеличением ¡-»3, сопровождаемое укрупнением совокупностей, и электрическое - с уменьшением ¡->1 и измельчением совокупностей, и вместе с этим уменьшением статической вязкости.

Установлена зависимость статической вязкости от структуры (¡) и температуры (Т)воды.

Изучено постоянное и периодическое физико-электрическое воздействие на воду. Более эффективно периодическое. Время начала осаждения тна оптимизировано

тно=2)8(0-э|тп)2+4,71^(Т/Ттт)-о,25 (час).

где 6,9тт - скважность обработки, 6т1П=0,4; Т,Т,ип - период обработки, Тгшп=0,067 часа.

Энергозатраты при этом на межэлектродную жидкость составили 0,581,72 кВт-ч/м3, а с учетом каталитического эффекта - 0,19-0,57 кВт-ч/м3. Скорость осаждения частиц шламовой воды возросла на уровне 1 г/дм^ в 10 -35 раз, на уровне 0,1 г/дм3 - более 50 раз.

8. Влияние энергозатрат на структуру технологической цепи гидравлической добычи угля.

Энергозатраты старой (1984 р.) и новой технологии сопоставляем с помощью формулы:

эн=э1к,=2:э„к1,с,,

где Эс - фактический уровень затрат на звене в 1984 г.; К,,с - коэффициент снижения затрат за счет конкретных технических и технологических решений.Для схемы с подземным замкнутым циклом получены следующие дан-

ные; приведенные в табл. 5

Таблица 5

_Сопоставление энергозатрат на процессы технологической цепи_

Наименование основного процесса Старые энергозатраты (1984), кВт-ч/т К„с Новые энергозатраты кВт-ч/т

Высоконалорное водоснабжение (гидроотбойка и смыв угля) 19,6 0,261 5Д

Средненапорное водоснабжение (комбайновая выемка и самотечный гидротранспорт по шахте) 15,5 0,310 4,8

Подъем угля "на-гора" 15,2 0,257 3,9

Обезвоживание угля и сушка шламовых углей 13,9 0,258 3,6

Осветление воды 0,3 1,67* 0,5

Прочие расходы Н,3 1,19** 17,1

Итого 78,8 0,445 35,0

Достоверность статистики ±5% +4,0 Достоверность оценки ±20% +7,0

11,м/с; ¿,м ю1

\ Л-шой, X" ■ V / / у

1^-0 *|с \> ^ \ у

1^=0.1 С ✓/ У? а /

Л=0.5м(0 /Л ху / V / / /у

ч/Т /1/

/ / ' / 1 Ч ! ! /Н\ ч и,

/ 1 / 7 1 ч // /

10е

«Г

ю"

10

ч

10

10

10

гб 1_р_______

10"6 10"5 Ю'1* 10'1 10"г

10"1 10°

Рис. 5. Зависимость конечной скорости при боковом течении и8 (0-1,0 м/с) от размера частицы и ее плотности с учетом парашютного эффекта и зависимость неличины граничного слоя от размера частицы

Т= 20'С, ВТ~-0,М1 п У35

1 К-Ьо Со&оКул и оимй млебул «¡оаочКМ

3 5 \G650

2 18 • 2.Ц290

1 ¿32 49880

Рис. 6. Изотермические преобразования надмолекулярной структуры воды

Для схемы с подземным замкнутым циклом получены данные; приведенные в табл.5

Таблица 5

Сопоставление энергозатрат на процессы технологической цепи

Наименование основного процесса Старые энергозатраты (19Я4), кВт-ч/т К„с Новые энер-1 гозатраты, кВт-ч/т !

Высоконапорное водоснабжение (гидроотбойка и смыв угля) 19,6 0,261 ! 5,1

Средненапорное водоснабжение (комбайновая выемка и самотечный гидротранспорт по шахте) 15,5 0.310 1 4,8 1

Подъем угля "на-гора" 15,2 0,257 | 3,9

Обезвоживание угля и сушка шламовых углей 13,9 0,258 1 3,6

Осветление воды 0,3 1,67* ; °>5

Прочие расходы 14,3 1,19** 1 17,1

Итого 78,8 0,445 ; 35,0

Достоверность статистики±5% + 4,0

Достоверность оценки+20% + 7,0

*) Выигрыш времени и качества.

**) Решения на стадии разработки.

Проведенные исследования и предложенные решения позволяют достичь поставленную цель- существенно снизить энергозатраты гидравлической технологии добычи угля и снять ограничения по энергетическому фактору ее применения на угольных шахтах.

заключение

В диссертации на основе выполненных исследований энергозатрат физических процессов гидравлической технологии угледобычи разработаны теоретические положения энергосберегающих процессов струеформирова-ния, гидротранспорта, обезвоживания угля и осветления технологической воды, совокупность которых является нопым крупным достижением в развитии физических процессов горного производства.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты и выводы'

1. Анализ гидравлической добычи угля периода 70-80 годов подтвердил, что она по сравнению с конкурентной имеет преимущества в гибкости, адаптивности, живучести, гуманности и экологичности; уступает в качестве продукции (сортности угля и его влажное: и) и отстает в наукоемкое™, в частности, имеет неоправданно высокие энергозатраты на одну тонну добытого угля (70 - 160 кВт-ч/т против 35 кВт-ч/т).

2. Гидравлическая технология добычи угля, как система взаимосвязанных объектов, обладает положительными обратными связями, памятью и продолжительными переходными процессами рабочих состояний; за счет предварительной прокачки высоконапорных водоводов-пульповодов доказано, что положительные обратные связи при снятии ограничений на расход воды уводят систему в нештатные режимы управления с неоправданно высокими энергозатратами^! 60-1 80 кВт-ч/т)

3. С помощью логического вектора движения (ЛВД) показано, что полууправляемым является объемная доля твердого в пульпе; этот недостаток в прежних схемах технологии пытались компенсировать сбалансированностью: а) методом B.C. Мучника - резервированием забоев, б) методом "сгущения пульп" - частичными подземными замкнутыми циклами водоснабжения; первый эффективно решал проблему энергозатрат, если надежность каждого отдельного элемента была не менее 0,618; предложена комплексная вероятностная оценка надежности добычного забоя с учетом объективных и субъективных параметров; установлена ¡ависимосгь в виде отрицательной обратной связи между обьемной долей твердого в пульпе и энергозатратами технологии.

4. Теоретически обоснован новый оригинальный способ трансформации потенциальной энергии воды в кинетическую энергию струи с учетом надмолекулярном структуры поды, гармонического закона удвоения скорости и передачи энергии по цепочке последовательных гидравлических движущихся объемов, что, в итоге, позволило создать многоступенчатое струефор-

мируюшее устройство, повышающее коэффициент полезного действия высоконапорной ce i и с 12-14 до 40%, то есть в три рл ¡а.

5. Установлены аналитические зависимости производительности гидромонитора и энергозатрат от соотношения гидрометрических и гидродинамических характеристик струи и геомеханических - забоя, установлена взаимосвязь между параметрами струи; дальностью полета, коэффициентом осевого динамического напора и коэффициентом компактности струи; теоретически обосновано так называемое эффективное расстояние струи, равное (6090) do, с максимальной производительностью iидромонитора и минимальными энергозатратами, чем положено теоретическое начало созданию динамического управления качеством онергонесутей струи.

6. Процесс программно-адаптивного и программно-дистанционного управления в гидромониторном и механогидрлнлическом комбайновом забоях описывается обобщенным логическим вектором движения (ЛВД), проекциями которого являются функции, представленные гииерматрииами с ло! ч-ко-памятным базисом и, или, не, триггер.

7. Тактика создания управляющих у cipo йс i в забойных машин предусматривает: а) разработку в техотделе шахты с помощью ПЭВМ алгоритмов и программ управления и записи их на носителях с негеряюшейся памятью, б) установку на забойных машинах исполнительных устройств, работающих по внесенным программам с учетом датчиков, контролирующих управляемые параметры.

8. Самотечный гидротранспорт зависит от 12 параметров, характеризующих материалы, трассу н форму желобов, для сопоставления последней предложено четыре относительных коэффициента; получены аналитические зависимости для кршического vr.na уклона трассы, величины потери угла уклона при гидротранспорте рядового угля, критической скорости с учетом сил агдезии, гарантийной транспортом способности и риска забучивания; при сопоставительном анализе предпочтение отдано желобам с U-образной формой, которые позволяют более чем в два раза снизит ь энергозатраты на гидротранспорт рядового угля,

9. Получив общее решение капиллярного уравнения с точностью до второго порядка, для установления дальнодействия сил адгезии, которые существенно влияет па смачиваемость углей наравне с другими существенными факторами (структурой воды, предысторией смачиваемости, газоносностью, времени пребывания в воде); это стало основой новой классификации углей по смачиваемости к зависимости от размера их часгитт. установлено четыре класса смачиваемости: 1-ый (6-100 (200)мм), П-ой (1-6 мм), 1!!-нй (0,05-1 мм) и IV-ый (1,005-0,05j.

10. У влажных углей выявлена равновесная пленочная влатл, уставов-

лена ее зависимость от температуры и статической вязкости воды; установл на закономерность дренирования воды из тонкого слоя углей различно грансостава и доказана целесообразность раздельного дренирования углей -и +6 мм, дающей выигрыш времени обезвоживания; обоснованы критер! термальной сушки мелких углей "наполовину"; дифференциальный подход обезвоживанию и сушке позволяет снизить энергозатраты на этом пронес технологии в три раза.

11. Установлена единая зависимость, конечной скорости осажден твердых частиц в стоячей и подвижной воде для всех режимов движения (л минарного, переходного и турбулентного, описываемых законами Стоке Аллена и Риттингера) с учетом сил адгезии и когезии, порождающих так н зываемый парашютный эффект, при этом впервые получена аналитическ зависимость величины "граничного слоя" от размера частицы; установлю существенное влияние на процесс осветления воды ее структуры, от котор' напрямую зависит статическая и динамическая вязкость воды,

12. Эффективное влияние на надмолекулярную структуру воды доетт нуто при физико-электрической обработке воды, в результате которой, с храняя экологическую чистоту воды, процесс ее осветления (осаждения тв« дых частиц) ускорялся в 10-50 раз, а сроки осветления сократились с 50-7 часов до 2-8 часов; средние затраты электроэнергии при физик электрической обработке (ФЭО) шламовой воды составили 1 кВт-ч/м3.

13. Изменение структуры технологической цепочки, исключение из ь напорного гидроподъема и напорного гидротранспорта, как высокоэнерго: тратных и резко понижающих сортность угля, усугубляющих при этом п[ цессы обезвоживания шламовых углей и осветление шламовых вод, приве к созданию локального подземного замкнутого цикла гидравлической тех! логии; установлено, что локальные гидроучастки выходят по энергозатрат на уровень сухих шахт, приобретая при этом высоконадежный внутриша; ный транспорт угля, более высокую производительность труда, более и[ влекательные и безопасные условия труда и высокое качество добываемс угля; получена интегральная оценка энергозатрат при новой технологии уровне 35,0 + 7,0 кВт-ч/т, что в два раза ниже энергозатрат в удовлетворите, ном в свое время 1984 году (78,8±4,0 кВт-ч/т).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Стефанюк Б.М. Технологическая цепочка гидрошахты как объект управления (аншшз кибернетических свойств). -Новокузнецк: 1990 - 53 с. илл. 8, библ. 11 .-Деп. в ВИНИТИ 13.12.90 №6234 -В90.

2. Митенев В.П., Стефашок Б.М., Каминский Д.А. Концепции и критерии нового технико-экономического уровня гидрошахт'/ Сб. научн. трудов/ Совершенствование технологии и оборудования при гидравлической добыче угля. -Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1990.-С. 12-1 8.

3. Стефашок Б.М. От концепций к стратегическому направлению развития систем управления забойными машинами. -Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1990,-Юс.: илл. 1,библ 8.-Дсп. в ВИНИТИ 16.10.90 №5376-1390.

4. Анализ состояния и разработка предложений по развитию гидравлического способа добычи угля по Кузнецкому бассейну (по заказу ГКНТ) т.1: ч. 1 и 2; т.2: ч.1 и ч.2. Отчет Нив. №02.85.0070214. Руков. Сазонов А.Е., Одинокое Б.П., Хазов В.М., Семенихин А.Я., Стефанкж Б.М., Веселков B.C. -Новокузнецк: 1985.

5. Стефашок Б.М. Логический вектор движения// Материалы к научной конференции преподавателей математическим кафедр институтов Сибири (12-15 мая 1969 года). -Новокузнецк: 1969.-С.133-136.

6. Стефашок Б.М. Логические векторы движения и логические гиперматрицы и их использование при математической формализации задач автоматики// Труды ВНИИгидроугля/ Вопросы гидравлической добычи угля, вып. XII -1968,-С.34-38.

7. Стефанюк Б.М. Двузначные функции памяти// Материалы к научной конференции преподавателей математических кафедр институтов Сибири (12-15 мая 1969 года). -Новокузнецк: 1969.-C.I32-I33.

8. Стефанюк Б.М. Двузначные функции, заданные таблицами переходов переменных// Кибернетика, 1973 -№2,-С.35-42.-Киев: Наукова думка.

9. Стефашок Б.М. Синтез асинхронных автоматов с памятью, заданных на таблицах переходов// Сб. трудов ВНИИгидроугля, вып. 18/ Автоматизация и вычислительная техника на гидрошахтах. -Новокузнецк: 1970.-С.24-28.

10 Стефашок Б.М. Синтез логических управляющих устройств для управления объектами с многозначными параметрами с помощью логических векторов движения и логических гиперматриц в базисе логических и памятных функций// Сб. трудов ВНИИгидроугля, выи. 18/ Автоматизация и вычислительная техника на гидрошахтах. -Новокузнецк: 1970.-С.28-35.

П. Стефанюк Б.М. Простые памятные функции, их перечисление и синтез. "-Новокузнецк: 1989-50с: 12 илл., библ.7.-Деп. в ВИНИТИ, 12.12.89

№7354-В89.

12. Стефанюк Б.М. Эллиптическая экспоида. -Новокузнецк; 1985.-28 с илл. 12, библ.5.-Деп. в ВИНИТИ, 15.03.85 №1892-85Деп.

13. Стефанюк Б.М. Геометрические и проективные свойства эллиптич! ской экспоиды. -Новокузнецк: 1989,- 24 е.: илл. 4, библ.2.-Деп. в ВИНИТ1 16.05.89 №3273-В89.

14. Стефанюк Б.М. Эллиптическая экспоида и определение "застойнс зоны" в струйном гасителе гидравлических ударов. -Новокузнецк: 1991.- 1 е.: илл.З, библ.5.-Деп. в ВИНИТИ, 01.08.91 №3301-B9I.

15. Стефанюк Б.М. О функции плотности распределения вероятност получения добычи из забоя гидрошахты// Труды ВНИИгидроугля, вып.4 Гидромеханизация и гидротранспорт на угольных шахтах. -Новокузнец 1978.-С.77-90.

16. Стефанюк Б.М. Математическое описание работы в забое автоно! ной машины на основе самоходного гидромонитора с использованием теор* алгоритмов и математической логики (получение алгоритма работы и пер ход к его реализации)/ Математические методы в горном деле, ч.1. -Новое: бирск: СО АН СССР, 1963 -С.127-135.

17. Стефанюк Б.М. Математическое описание работы автономной м шины в забое// Труды ВНИИгидроугля, вып. 111.-М.: гос. науч.-техн. изд-в 1963.-С.108-119.

18. Удостоверение о регистрации от 17.02.64 №42841 Госкомизобрет ний СССР/ Создание макета автономной машины типа МАГ-1 с элсктрошк схемой управления и датчиками обратной связи на основе самоходного ги ромонитора. Рук. работы Мучник B.C., Агринский K.M., Бугров В.Г., Сим ненко В.И., Стефанюк Б.М., Гартман А.К., Глухов А.Ф., Паршуков A.C., Л бов И.А., Ланковский Б.И.

19. Стефанюк Б.М. Система логических и функциональных полупр водниковых ячеек с напряжением 1,5 вольта для схем управления шахтньи машинами// Труды ВНИИгидроугля, вып.XIII/ Вопросы гидравлической д были угля. -Новокузнецк: I968.-C. 104-110.

20. Стефанюк Б.М. Алгоритмы работы и логико-памятные функции г реключения управляющего устройства шахтной автономной машины// Tpyj ВНИИгидроугля, вып.VIII/ Вопросы гидравлической добычи угля. -М.: Н дра, 1968.-С. 139-144.

21. Синтез схемы управляющего устройства макета автономной маш ны с гидромонитором// Труды ВНИИгидроугля, вып.VIII/ Вопросы гидравл ческой добычи угля. -М.: Недра, 1968.-С. 133-139.

22. Стефанюк Б.М. Агринский K.M. Некоторые особенности элемент электронной схемы управляющего устройства макета автоматического гг

ромонитора//Труды ВНИИгидроугля, вып.VIII/ Вопросы гидравлической добычи угля. -М.: Недра, 1968.-C.13M33.

23. Стефанюк Б.М. Логическая модель устройства программного управления//Труды ВНИИгидроугля, вып.Х/ Вопросы гидравлической добычи угля. -Новокузнецк: 1969.-С. 168-176.

24. Стефанюк Б.М. Логико-математическая модель автоматизированного управления машиной для гидравлической выемки угля// Сб. науч. трудов ВНИИгидроугля/ Повышение эффективности гидродобычи на шахтах Кузбасса. -Новокузнецк: 1985.-С.85-96.

25. Стефанюк Б.М. Дистанционное управление механогидравдическими комбайнами. -Уголь, 1979, №2.-С.42-43.

26. Стефанюк Б.М., Бугров В.Г., Симоненко В.И. Программно-дистанционное управление комбайном К-56МГ// Вопросы гидравлической добычи угля, вып.ХГ-Кемерово: Кем. книж. изд-во, 1967.-С.63-37.

27. Стефанюк Б.М., Бугров В.Г., Агринский K.M., Комаров B.C., Попков Л.П. Искробезопасная система автоматического управления комбайном К-56МГ.-Горные машины и автоматика, 1968. №5.-С.37-38.

28. Стефанюк Б.М., Бугров В.Г., Симоненко В.И. Аппаратура программно-дистанционного управления комбайном К-56МГ и некоторые результаты ее шахтных испытаний. -Проектирование и строительство угольных предприятий, 1969, №5 (113)-С.26-27.

29. Стефанюк Б.М. Дистанционное управление комбайна К-56МГ// Краткие тезисы докладов к предстоящему научно-техническому совещанию по совершенствованию технологических схем гидрошахт Кузбасса. -Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1972.-С.27-28.

30. Стефанюк Б.М., Седоволосый О.Д., Гончаров В.Ф. Гидросистема комбайна К-56МГ с программно-дистанционным управлением и результаты ее шахтных испытаний//Труды ВНИИгидроугля, вып.27, 1973.-С.87-91.

31. Стефанюк Б.М. Некоторые вопросы надежности аппаратуры автоматизации забойных машин// Труды ВНИИгидроугля, вып.34/ Гидромеханизация и гидротранспорт на угольных шахтах. -Новокузнецк: 1974.-С.85-89.

32. Стефанюк Б.М., Авдеева Г.А., Аксентьев Ф.Ф., Мандыч П.Е. Звуковая предупредительная сигнализация на горных машинах с дистанционным управлением// Труды ВНИИгидроугля, вып.42. -Новокузнецк: 1978.-С.70-77.

33. Стефанюк Б.М., Авдеева Г.А. Устройство для ввода искробезопас-ных цепей во взрывонепроницаемую оболочку рудничного оборудования// Труды ВНИИгидроугля, вып.37./Гидравлическая добыча угля. -Новокузнецк: 1977.-С.73-76.

34. Стефашок Б.М., Авдеева Г.А, Мандыч П.Е. Дистанционное управление механогидравлическим комбайном К-56МГ/ Информ. листок №472-77,

Кемеровский МТЦНТИиП -4с.

35. Стефанюк ü.M., Симоненко В.И. Устройство для управления стре лой рабочего органа горного комбайна/ Информ. листок №477-77, Кемеров ский МТЦНТИиП-4с.

36. Стефанюк Б.М., Авдеева Г.А. Создание, испытание и внедрение ап паратуры дистанционного управления комбайном К-56МГ. -М.: ЦНИЭИ уголь, 1976.

37. Солдатенко A.B., Одинокое Б.П., Златицкий А.Н., Стефанюк Б.М Совершенствование механогидранлической выемки - один из путей сниже ния уровня подземных потерь// Учет добычи и потерь при гидравлическо) технологии. -Новокузнецк: 1970.-с.13-19.

38. Стефанюк Б.М. Аппаратура дистанционного управления ДУ2 дл. комбайна ГПКГ - Горные машины и автоматика, 1981, №2.-С. 12-13.

39. Стефанюк Б.М. Аппаратура дистанционного управления ДУ2 дл: комбайна ГПКГ// Труды ВНИИгидроугля/ Научные и технические проблемt технологии добычи угля при гидромеханизации. -Новокузнецк: 1982. - С.138 146.

40. Муратов Р.Г., Никифоров М.А., Вузовский А.И., Стефанюк Б.М Гладких М.Ф. Самоходный гидромонитор ГПИ с импульсным повысителег давления и дистанционным управлением/ Горные машины и автоматика, - М ЦНИЭИуголь, 1984.

41. Стефанюк Б.М., Авдеева Г.А, Пульт дистанционного управлени гидромонитором ГПИ// Труды ВНИИгидроугля/ Совершенствование техник и технологии гидродобычи угля. -Новокузнецк: 1986. - С.103-107.

42. Авдеева Г.А., Стефанюк Б.М. Конструктивные особенности датчи ков положения ствола гидромонитора// Труды ВНИИгидроугля/ Совершена вование техники и технологии гидродобычи угля. -Новокузнецк: 1988. - С.64 66.

43. Стефанюк Б.М., Мотовилов Н.И., Правдин В.Г., Муратов Р.Г., Нт кифоров М.А. Агрегат АГА с адаптивным автоматизированным управление; для выемки угля гидравлическим способом (промышленный робот)// Сб. ш учн. трудов/ Гидромеханизация горных работ. -Новокузнецк: СМИ, 1987 С.50-54.

44. Стефанюк Б.М., Мотовилов Н.И., Правдин В.Г. Промышленный рс бот АГА с автоматизированным адаптивным управлением для выемки угл гидравлическим способом// Сб. тезисов/ Применение микропроцессоров робототехники для сокращения ручного труда в промышленности Кузбасса Кемерово: КЦНТИ, 1988.-С.25-26.

45. Мотовилов 11.И., Правдин В.Г., Стефанюк Б.М. Основные функци системы управления автоматизированным гидромониторным агрегатом

Труды ВНИИгидроугля/ Совершенствование технологических схем и оборудования гидравлической добычи угля. -Новокузнецк: 1987.-С.75-82.

46. Мотовилов Н.И., Правдин В.Г., Авдеева Г.Л., Стефанюк Б.М. Устройство автоматического управления скоростью перемещения струи гидромонитора по забою// Труды ВНИИгидроугля/ Совершенствование техники и технологии гидродобычи угля. -Новокузнецк: 1986.-С.99-103.

47. Стефанюк Б.М. Автоматизация гидрошахт// Труды ВНИИгидроугля/ Повышение эффективности подземной добычи угля гидравлическим способом и перспективы ее развития.-Новокузнецк: 1981.-С.50-52.

48. Стефанюк Б.М. Перспективы управления забойными машинами для гидравлической добычи угля// Труды ВНИИгидроугля/ Совершенствование технологии и средств механизации и автоматизации гидродобычи угля. -Новокузнецк: 1988.-С.55-60.

49. Стефанюк Б.М. Пути создания и перспективы развития автоматизации машин для гидравлической выемки угля// Сб. научн. трудов/ Гидромеханизация горных работ. -Новокузнецк: СМИ, 1989.-С.87-91.

50. Арапов И.И., Стефанюк Б.М. Взрывоопасность гидрошахт// Раздел 2.6 монографии/ Мясников A.A., Старков С.П., Чикунов В.И. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах. -М.: Недра, 1985.-С.83-92.

51. Кожемяков В В., Стефанюк Б.М., Арапов И.И., Пронякин C.B. О возможности накопления статического электричества в гидромониторном забое// Труды ВНИИгидроугля/ Научные и технические проблемы технологии добычи угля при гидромеханизации. -Новокузнецк: 1982.-С.205-209.

52. Стефанюк Б.М., Кожемяков В.В., Арапов И.И., Правдин В.Г. Опасность фрикционного искрения в гидромониторных забоях// Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело, 1983, №6.-С.25-26. -М.: ЦНИЭИуголь.

53. Арапов И.И., Кожемяков В.В., Стефанюк Б.М., Правдин В.Г. Анализ возможных причин фрикционного искрообразования в гидромониторном забое и оценка степени их опасности// Труды ВНИИгидроугля/ Гидравлическая технология подземной угледобычи на шахтах Кузбасса. -Новокузнецк: 1983.-С.170-174.

54. Стефанюк Б.М., Правдин В.Г. Определение температуры фрикционных искр и оценка их взрывоопасное™// Труды ВНИИгидроугля/ Совершенствование технологии отработки угольных пластов и оборудования при гидродобыче. -Новокузнецк: 1984.-С.164-172.

55. Технические требования по исключению опасного фрикционного искрообразования при гидравлической отбойке угля в очистных забоях гидрошахт и гидроучастков. Утвжд. Гл. инж. ВПО "Кузбассуголь" В.М. Абрамовым, 1983 г. - Составители: Арапов И.И., Кожемяков В.В., Сазонов А.Е.,

Стефанюк Б.М.

56. Стефанюк Б.М., Килин A.A. Анализ методов расчета конфузоров насадков для стационарных струй// Трулы ВНИИгидроугля, вып.40/ Гидравлическая добыча угля. -Новокузнецк: 1977.-С.42-63.

57. Стефашок Б.М. Необходимые условия дня формирования бескави-тационных струй высоконагюрного гидромонитора// Труды ВНИИгидроугля/ Техника и технология гидродобычи угля на шахтах Кузбасса. -Новокузнецк: 1981.-С.72-75.

58. Стефашок Б.М. Струеформирование и его оптимизация. -Новокузнецк: 1991. 30с.: илл.5, библ.16.-Деп. в ВИНИТИ 17.08.92 №2642-В92.

59. Стефанюк Б.М. Интуитивная модель переходного процесса в кон-фузорах гидромониторов. -Новокузнецк: 1988. -43с.: илл.16, библ.6. -Деп. в ВИНИТИ04.04.89. №2192-В89.

60. Плетнев О.Н., Стефанюк Б.М., Бартышев A.B. Феноменологическая модель формирования высокоскоростных турбулентных водяных струй в системе последовательного включения конфузоров по схеме многократного ускорения-успокоения потока//Турбулентные течения и техника эксперимента/ Тезисы докладов VI Всесоюзного научного совещания по теоретическим и практическим аспектам турбулентных течений. -Таллин: 1989.-С.94-99.

61. Стефанюк Б.М. Оптимизация многоразгонного струеформирующего устройства. -Новокузнецк: 1991. -15с.: илл.2, библ.10. -Деп. в ВИНИТИ 17.08.92. №2644-В92.

62. Казаков С.П., Стефанюк Б.М.,Воспанчук Е.А. Дифференцированная оценка и пути сокращения энергозатрат в технологической цепи гидромониторной выемки угля// Труды ВНИИгидроугля/ Техника и технология гидравлической добычи угля. -Новокузнецк: 1991 .-С.178-187.

63. Стефанюк Б.М. Исходная информация для автоматизации выпуска шламов из сгустительных аппаратов// Труды ВНИИгидроугля/ Техника и технология гидравлической добычи угля.-Новокузнецк: 1991.-С.133-141.

64. Стефашок Б.М. Структура воды и осветление шламовых вод физико-электрическим способом// Доклад на IV семинаре: Теоретические и практические аспекты создания наукоемких технологий новых уровней эффективности для сложных горно-геологических условий, 23-25 ноября 1992 г. -Новокузнецк: 6с.

65. Журавлев В.А., Стефанюк Б.М. Обоснование параметров и разработка желобов для безнапорного гидротранспорта// Доклад на IV семинаре: Теоретические и практические аспекты создания наукоемких технологий новых уровней эффективности для сложных горно-геологических условий, 2325 ноября 1992 г. -Новокузнецк: 4с.

66. Атрушкевич A.A., Казаков С.П., Стефанюк Б.М., Атрушкевич В.А.

Гидротранспорт угольных шахт. -М.:МГУК, 1994. -144с.

67. Стефанкж Б.М., Казаков С.П., Целлермайер Б.Я. Классификация углей по смачиваемости. -Горный информационно-аналитический бюллетень, вып.6. -М.:МГГУУ. 1994. -С.46-48.

68. Теоретические основы и лабораторные исследования способа физико-электрического воздействия на шламовые воды// Отчет по теме 0391022, Инв. №02.09.90 004427 Ответствен, испол. Стсфаиюк Б.М. -Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1991. -46с.

69. Атрушкевич A.A., Атрушкевич O.A., Фомичев С.Г., Кравченко А.И., Стефанкж Б.М. Гравитационно-фильтрующий храпок// Перспективы горнодобывающей промышленности/ Тезисы докладов IV международной научно-практической конференции 13-16 мая 1997 г. -Новокузнецк: СибГГМА, 1997. -С. 198.

70. A.c. №360465, МКИ E2IC 35/08, Е21С 27/24, Е21С 45/00. Устройство для управления стрелой рабочего органа горного комбайна/ Б.М. Стефанкж, В.И. Симоненко. -Заявл. 15.01.70. Опубл. 28.11.72, Бюл. №36.

71. A.c. №638723, МКИ Е21С 35/24. Устройство для управления горным комбайном/ Б.М. Стефанюк, Л.П. Попков, А.Д. Рошкованов. -Заявл.

24.12.76. Опубл. 28.12.78, Бюл. №47.

72. A.c. №682648, МКИ Е21С 35/24. Устройство для управления горным самоходным комбайном/ Б.М. Стефанюк. -Заявл. 14.06.76. Опубл.

30.08.77, Бюл. №32.

73. A.c. №875027, МКИ Е21С 35/08. Устройство для управления горным самоходным комбайном/ Б.М. Стефанюк. -Заявл. 10.11.77. Опубл. 23.10.81, Бюл. №39.

74. A.c. №699178, МКИ Е21С 35/24. Устройство для управления стреловидным рабочим органом горного комбайна/ Б.М. Стефанюк. -Заявл. 06.06.66. Опубл. 25.11.79, Бюл. №43.

75. 773661, МКИ G07C 11/00. Устройство для контроля работы системы дистанционного управления/ Б.М. Стефанюк. -Заявл. 11.04.79. Опубл. 23.10.80, Бюл. №39.

76. A.c. №705488, МКИ G08B 21/00, Е21С 35/24. Устройство для звуковой предупредительной сигнализации/ Б.М. Стефанюк, П.Е. Мандыч, Ф.Ф. Аксентьев. -Заявл. 24.08.77. Опубл. 25.12.79, Бюл. №47.

77. A.c. №788137, МКИ G08B 21/00, Е21С 35/24. Устройство для звуковой предупредительной сигнализации/ Б.М. Стефанюк, П.Е. Мандыч, Ф.Ф. Аксентьев. -Заявл. 01.06.78. Опубл. 15.12.80, Бюл. №46.

78. A.c. №830457, МКИ G08B 21/00. Устройство для звуковой предупредительной сигнализации/ Б.М. Стефанюк, Г.Е. Кашицын, Л.П. Попков, Ф.Ф. Аксентьев. -Заявл. 13.07.79. Опубл. 15.05.81, Бюл. №18.

79. A.c. №1474262, МКИ Е21С/ Исполнительней орган горного ком байна/ Р.Г. Муратов, М.А. Никифоров, А.И. Вузовский, Б.М. Стефашок, П.И Юрин. -Заявл. 24.03.87. Опубл. 21.04.89. Бюл. №15.

80. A.c. №1086156, МКИ Е21С 35/24. Способ автоматического управле ния гидромонитором/ Б.М. Стефанюк, Н.И. Мотовилов. -Заявл. 07.02.83 Опубл. 15.04.84, Бюл. №14.

81. A.c. №1335694, МКИ Е21С 35/24. Способ автоматического управле ния гидромонитором/ Н.И. Мотовилов, В.Г. Правдин, Б.М. Стефанюк -Заявл 06.03.86. Опубл. 07.09.87, Бюл. №33.

82. A.c. №883452, МКИ E2IC 45/00, Е21С 35/24. Устройство для авто матического управления стволом гидромонитора/ Б.М. Стефанюк. -Заявл 12.03.80. Опубл. 23.11.81, Бюл. №43.

83. A.c. №178188, МКИ G05B Гидравлический датчик для регулирова ния скорости движения гидромонитора/ Б.М. Стефанюк, K.M. Агринский И.А. Лобов. -Заявл. 17.07.62. Опубл. 08.01.66, Бюл. №2.

84. A.c. №1543070, МКИ Е21С 35/24. Устройство для автоматическое управления стволом гидромонитора/ Н.И. Мотовилов, В.Г. Правдин, Б.М Стефанюк. -Заявл. 04.04.88. Опубл. 15.02.90, Бюл. №6.

85. A.c. №1525277, МКИ Е21С 45/00, Е21С 35/24. Устройство для ас томатического управления стволом гидромонитора/ Р.Г. Муратов, М.А. Ни кифоров, Б.М. Стефанюк, А.И. Вузовский. -Заявл. 17.11.87. Опубл. 30.11.8S Бюл. №44.

86. A.c. №1260517, МКИ Е21С 45/00. Гидромониторный агрегат/ B.ÏV Стефанюк, A.A. Атрушкевич, Д И. Цукер. -Заявл. 09.04.85. Опубл. 30.09.8С Бюл. №36.

87. A.c. №1442724, МКИ F15 1/00. Способ формирования струи/ А.Е Бартышев, О.Н. Плетнев, Б.М. Стефанюк, В.М. Хазов. -Заявл. 09.12.8: Опубл. 07.12.88, Бюл. №45.

88. A.c. №1590713, МКИ Fl5 1/00. Способ формирования струи/ O.f Плетнев, Б.М. Стефанюк, A.B. Бартышев. -Заявл. 09.11.88. Опубл. 07.09.9l Бюл. №27.

89. A.c. №1580011, МКИ Е21С 45/00. Устройство для формированк струй жидкости/ A.B. Бартышев, О.Н. Плетнев, Б.М. Стефанюк, А.Н. Стрел: ников, В.М. Хазов. -Заявл. 09.12.85. Опубл. 23.07.90, Бюл. №27.

90. A.c. №1637429, МКИ Е21С 45/00. Устройство для формированг струй жидкости/ О.Н. Плетнев, Б.М. Стефанюк, A.B. Бартышев. -Заяв, 12.10.88. Опубл. ДСП.

91. A.c. №1652571, МКИ Е21С 45/00. Устройство для формироваш струй жидкости/ О.Н. Плетнев, Б.М. Стефанюк, A.B. Бартышев. -Заяв 04.04.88. Опубл. 30.05.91. Бюл. №20.

92. Патент РФ №2039275, МКИ Е21С 45/00. Устройство для формиро-1Ш1Я струй жидкости/ ВНИИгидроуголь, Стсфашок Б.М. -1а-ui.11.07.91.Опубл. 16.07.95. Бюл. №19.

93. Патент РФ №2031857, МКИ C02F 1/48, В03С 5/0(). Способ оскстлетя поды/ ВНИИгидроуголь, Б.М. Стсфашок. -Заяпл. 16.07.9! Опубл. 7.03.95. Бюл. №9.

94. Патент РФ №2070153, МКИ B65G 53/30. Желоб для транспортиро-III и я пульны/ ВНИИгидроуголь, A.A. Атрушкевич, Б.М. Стсфашок, Б.П. диноков, В.А. Атрушкевич, Л.Ф. Еремина, С.П. Казаков. -Заявл, 22.04.92. публ. 10.12.96. Бюл. №34.

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации

Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторскии институт добычи угля гидравлическим способом ВНИИгидроуголь

На правах рукописи

Стефанюк Богдан Михайлович

УДК 622.234.5:621.8.03

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРЕОЗАТРАТ ЕИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОЕИИ ДОБЫЧИ УЕЛЯ

феодальность: ОЗЛЗЛГ-т^из^ёские процессы

'-~£го|Шг6!рроизводствам

.г?......

/УглЯ^

Диссертация на соискания ученой степени доктора технических наук

#

Новокузнецк - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 6

V 1. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОЗАТРАТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Основная идея и концепции развития технологии, факторы, сдерживающие развитие гидравлической технологии добычи

угля................................................................................. 16

1.2 Анализ энергетических затрат на гидрошахтах Кузбасса............ 18

1.3 Структура и причинность энергозатрат физических процессов технологической цепочки................................................... 25

1.4 Основные пути решения проблемы снижения энергозатрат на шахтах и участках гидравлической добычи угля.........................27

Задачи исследования.................................................................. 29

Литература к главе 1...................................................................30

2. КИБЕРНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕПИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЭНЕРГОЗАТРАТ

2.1 Кибернетические свойства параметров процессов технологической цепи.......................................................... 31

2.2 Принципиальные вопросы управления процессами..................... 38

2.3 Управляемость технологического звена и процесса, логический

„ вектор движения, как модель управляемости............................ 39

2.4 Управление надежностью технологической цепи, ее влияние на энергозатраты.................................................................. 46

2.5 Надежность забоя как системы "человек-машина-среда", влияние функции распределения добычи на энергозатраты.......................47

2.6 Динамическая сбалансированность характеристик технологическо цепи, методы сбалансированности процессов, роль положительных обратных связей.................................................................. 56

2.6.1. Метод B.C. Мучника сбалансированности процесса.......... 57

2.6.2. Сбалансирование процессов технологической цепи методом сгущения пульпы...................................................... 61

2.6.3. Переход от строгой сбалансированности к полной автономности.............................................................64

Выводы к главе 2..................................................................... 65

Литература к главе 2...................................................................66

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРУЕФОРМИРОВАНИЯ ДЛЯ ГИДРООТБОЙКИ УГЛЯ И СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ГИДРООТБОЙКЕ

3.1 Структура гидромониторной струи....................................... 67

# 3.2 Условия разрушения угля струями высокого давления, законы

энергоемкости.................................................................. 90

3.3 Струеформирование............................................................ 102

3.3.1. Классическое представление о струсформировании.............102

3.3.2. Успокоители в струеформировании.................................111

3.3.3. Конфузоры и насадки................................................ 113

3.3.4. Проблемы струеформирования.................................... 113

3.4 Новые представления и физические основы струеформирования.... 115

3.4.1. Влияние надмолекулярной структуры воды на

^ струеформирование................................................... 115

3.4.2. Управление переходными гидравлическими процессами...... 123

3.4.3. Многоразгонное струсформирующее устройство и его параметры............................................................... 128

3.5 Ограничение мощности гидромониторных струй по фактору безопасности в шахтах опасных по газу и пыли........................ 130

3.6 Технологические преимущества гидромонитора с новым струеформирующим устройством и снижение энергозатрат при гидроотбойке угля............................................................... 132

Выводы к главе 3..................................................................... 134

Литература к главе 3...................................................................136

4. СПОСОБЫ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЗАБОЙНЫМИ МАШИНАМИ (ГИДРОМОНИТОРАМИ И МЕХАНОГИДРАВЛИЧЕСКИМИ КОМБАЙНАМИ), ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ

4.1 Влияние сканирования забоя на процесс отбойки угля и энергозатраты гидромониторного забоя....................................140

4.2 Варианты решения задачи управления гидромонитором............. 148

4.3 Тактика совершенствования способов сканирования.................... 152

^ 4.4 Логико-математическая модель процесса управления.................. 153

4.5 Основные факторы, влияющие на энергозатраты в механогидравлическом забое................................................. 158

4.6 Технические решения, обеспечивающие дистанционность управления механогидравлического комбайна........................... 163

4.7 Практическая реализация идей управления машинами и внедрение аппаратуры на шахтах.......................................................... 166

Выводы к главе 4..................................................................... 171

Литература к главе 4................................................................... 173

5. ЭНЕРГОЗАТРАТЫ НА ТРАНСПОРТ УГЛЯ И ПУТИ ИХ СНИЖЕНИЯ

5.1 Многофункциональное использование воды.............................. 179

5.2 Параметры, характеризующие самотечный гидротранспорт.......... 179

5.2.1. Движение материала, критическая скорость.......................180

5.2.2. Формы поперечного сечения желоба и их относительное сравнение, коэффициенты относительного сравнения.......... 189

5.3 Зависимость максимальной транспортной способности потока от формы поперечного сечения желоба, относительные энергозатраты гидротранспорта по желобам различной формы.......................... 193

5.4 Средняя скорость гидросмеси, "потеря" угла уклона и

ê критический уклон трассы..................................................... 197

5.5 Режимы работы гидротранспорта, оценка риска

забучивания трассы............................................................. 202

5.6 Влияние сил адгезии на критическую скорость, образование шламовых вод.................................................................. 206

5.7 Энергозатраты самотечного гидротранспорта и коэффициент

эффективного его использования.......................................... 211

Выводы к главе 5..................................................................... 213

tä

Литература к главе 5...................................................................214

6. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СМАЧИВАНИЯ УГЛЯ И ПУТИ СОКРАЩЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ЕГО ОБЕЗВОЖИВАНИЕ И СУШКУ

6.1 Влага на частицах угля.........................................................215

6.2 Дальнодействие, скорость и время релаксации сил адгезии (смачивания)......................................................................218

6.3 Модель смачивания частиц, зависимость смачиваемости

от размера частицы..............................................................225

6.4 Гистерезис смачивания и обезвоживания.................................. 228

6.5 Классификация углей по смачиваемости................................. 230

6.6 Влияние времени пребывания угля в воде на эффективность обезвоживания....................................................................234

6.7 Реальная пленочная влага на частицах второго и третьего классов смачиваемости....................................................................241

6.8 Равновесное состояние пленочной влаги и исходная влажность сыпучих материалов............................................................ 243

6.9 Скорость дренирования гравитационной влаги...........................250

6.10 Локальная влажность, налипание и слипание частиц угля и

^ критерий термальной сушки шламов....................................... 256

6.11. Пути сокращения энергозатрат на обезвоживание угля.................258

Выводы к главе 6...................................................................... 262

Литература к главе 6...................................................................263

7. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОСВЕТЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВОДЫ И ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ЕЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЕ

7.1 Вода и ее надмолекулярная структура..................................... 264

7.2 Структура шламовой воды.....................................................277

7.3 Законы и зависимости, влияющие на устойчивость и расслоение шламовой воды.................................................................. 279

7.3.1. Статическое равновесие и статическая вязкость; критический радиус частицы........................................ 279

7.3.2. Начало осаждения и переходный режим...........................287

7.3.3. Динамическое равновесие и конечная скорость частицы. Противоречия взглядов................................................ 289

7.4 Единая зависимость конечной скорости осаждения твердых частиц в стоячей воде. Парашютный эффект.

Толщина "граничного" слоя...................................................295

4 7.5 Стесненное осаждение частиц в стоячей воде.

Усиленный парашютный эффект............................................303

7.6 Осаждение твердых частиц в подвижной воде............................313

7.7 Интенсификация осветления шламовой воды физико-электрическим способом........................................... 319

Выводы к главе 7...................................................................... 333

Литература к главе 7...................................................................335

8. ВЛИЯНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА СТРУКТУРУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ЦЕПИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ДОБЫЧИ УГЛЯ

8.1 Гидравлическая технология с точки зрения уровня энергозатрат.....336

8.2 Гидравлическая технология с точки зрения монопольной зависимости от потребителя................................................. 339

8.3 Адаптивность к условиям санации стареющих шахт.................. 340

8.4 Рост производительности без роста энергозатрат........................ 340

8.5 Структурная схема подземного локального замкнутого цикла гидравлической технологии добычи угля.................................. 341

8.6 Предпочтительные схемы рекомбинации технологической цепи с точки зрения энергозатрат................................................... 343

Выводы к главе 8..................................................................... 347

Литература к главе 8...................................................................348

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................349

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 353

Акт и протокол опытной проверки метода повышения эффективности гидроотбойки путем управления динамическими

характеристиками струй и средств его реализации..................... 353

Результаты хронометражных наблюдений..................................380

Проспекты ВДНХ............................................................... 390

41

ВВЕДЕНИЕ

4 Актуальность работы. Рыночные экономические отношения заставили по-

новому рассматривать достоинства и недостатки любых промышленных технологий. Не является исключением и угольная промышленность. В связи с этим новую ценность приобретает гидравлическая технология добычи угля, как дополняющая технологические возможности угольной промышленности за счет:

- более высокой производительности труда,

- снижения доли тяжелого физического труда шахтеров,

- возможности отработки пластов в сложных горно-геологических условиях,

- возможности отработки локальных участков шахтных полей,

- создания участков полуоткрытой отработки пластов,

В то же время сама гидравлическая технология сдерживала свое распространение из-за высоких (в 2-2,5 раза выше) удельных энергозатрат, которые сопровождались требованиями ввода в строй новых энергетических мощностей. Последнее не вписывалось в энергетическое развитие бассейна. Без снятия проблемы высоких энергозатрат невозможно сполна использовать достоинства технологии.

Проблема уменьшения энергозатрат без ущемления энергооснащенности процессов стала основой ряда направлений научных исследований во ВНИИгидроугле и в других институтах. Основные из них были связаны с исследованиями физики формирования гидромониторных струй, управления процессами отбойки угля, оптимизации сканирования забоя струей и рабочим органом избирательного действия комбайна, оптимизации гидравлического транспортирования рядового угля и сохранения при этом его сортности, разработкой экологически чистых низкоэнергозатратных способов обезвоживания угля и осветления технологической воды и обязательной энергетической оптимизацией технологической цепи и кибернетических связей, неотъемлемо свойственных ей. Эти исследования проявились, в итоге, в создании гидравлической технологии нового уровня наукоемкости, все основные процессы кото-рои сосредоточены в подземных условиях.

В силу вышесказанного теоретические и лабораторно-промышленные исследования, развивающие научные основы обновленной технологии, являются актуальными.

Отправными точками для выполнения работы являлись основополагающие труды выдающихся ученых: B.C. Мучника, Б.А. Теодоровича, Н.Ф. Цяпко, С.С. Шавловского, А.И. Куприна, Г.А. Нурка и многих других, работающих непосредственно в области гидравлической технологии, а также в областях смежных наук, имеющих непосредственное влияние на процессы, используемые в гидравлической технологии, в частности, прикладной математики (И.Д. Шевелов, 3.JI. Рабинович), кибернетики (В.М. Глушков, П.И. Чинаев), горной робототехники (Ю.Н. Киклевич, B.JI. Конюх, В.И. Силаев), физики (Н. Маэно, Г. Харт, У. Германн, Дж. Спрадлей, Дж. Уолкер), гидравлики (Д.В. Штеренлихт, К. Кузов, С.С. Кукателадзе, М.А. Сты-рикович), физической химии (П.Л. Ребиндер, А. Адамсон, БД. Сумм, В.А. Горюнов), надмолекулярных структур (В.В. Синюков, Г.И. Новиков, Ю.М. Соколовский, Л. Са-лем), коллоидной химии (Д.А. Фридрихсберг, С.Л. Шевченко), электрохимии (C.B. Яковлев, И.Г. Краснобородский, В.М. Рогов, М.Г. Грановский, И.С. Лавров, О.В. Смирнов, З.А. Проскуряков, В.П. Коваленко), работающие как в нашей стране, так и за рубежом.

♦ Исследования проводились в рамках долгосрочных планов НИОКР института

ВНИИгидроуголь 1981-1985-1990 г. по проблемам 03001 "Разработать и внедрить комплекс научно-технических решений по подготовке к отработке пологих, наклонных и крутых угольных пластов гидрошахт Кузбасса, в том числе для сложных горногеологических условий, обеспечивающих повышение производительности труда рабочего по добыче в 3 раза по сравнению с уровнем 1980 года в аналогичных условиях" и проблемы 031510 "Создать, усовершенствовать и осуществить широкое внедрение технологических процессов (схем) и оборудования, обеспечивающих повышение технического уровня технологии гидравлической добычи угля и производительности труда на гидрошахтах в 1990 г. в 1,3 раза по сравнению с уровнем, достигнутым в 1985 г." по темам 0300103000-032, 0300112000-032, 0300114000-032, 0301507000-032, 0301508000-032, 0301510000-032, 03015014000-032, 0315012000-032, 0315020000-032, 0315024000-032, 0315034000-032, 0392072000-032, 0119201000-032 и планов комплексных программ "Уголь России", "Недра России" "Создать высокоэффективную экологически чистую технологию отработки крутопадающих пластов гидравлическим способом с подземным замкнутым циклом водоснабжения, обезвоживания угля и осветления воды" п. 1.7(93).

Цель работы - снизить энергозатраты гидравлической технологии добычи угля и снять ограничение по энергетическому фактору ее применения на угольных шахтах.

Идея работы заключается в выявлении свойств физических процессов производства, неучтенных ранее технологией и проявившихся как первопричины высоких энергозатрат, для разработки на их основе способов, методов и средств снижения энергопотребления и рационального использования энергии в звеньях технологической цепи.

Методы исследований предусматривали:

- анализ технологической цепи гидравлической добычи угля, как управляемой системы, для выявления ее внутренних связей, влияющих на уровень энергозатрат;

- структурный анализ энергозатрат физических процессов в звеньях гидравлической технологии для выявления первопричин не оправданных энергозатрат;

- теоретические аналитические исследования физических процессов, участвующих в технологии, для выявления их свойств, параметров влияющих на них и оценки факторов, влияющих на энергозатраты;

- аналитическое описание и раскрытие взаимосвязей параметров физических процессов и эффектов для их целенаправленного использования;

- лабораторные, стендовые и промышленные (заводские и шахтные) исследовательские испытания аппаратуры и устройств для подтверждения теоретических выводов;

- разработку исходных данных, технических требований и технических заданий на новые установки, машины, устройства, изделия для практического внедрения результатов в технологию;

- разработку конструкторской документации на стадиях литер Э (экспериментальный), О, Ох (опытный) и А (серийный) вид производства, а также литеры И (единичное производство) для реализации научных результатов.

Научные положения, выносимые на защиту

Гидравлическая технология добычи угля периода 70-80 годов по сравнению с конкурентной имеет преимущества в гибкости, адаптивности, живучести, гуманности и экологичности, уступает в качестве угля (сортности и влажности) и отстает в

наукоемкости, в частности, имеет неоправданно высокие энергозатраты.

Энергозатраты технологии существенно зависят от свойств системы функ-* циональных связей звеньев технологии, ее обратных связей, переходных процессов и

управляемости параметров, в частности, такого важнейшего параметра, как объемная доля твердого в пульпе.

Полууправляемость параметра объемной доли твердого в пульпе только в ограниченных случаях компенсируется сбалансированностью элементов технологической цепи и их высокой надежностью; этот параметр существенно влияет на энергозатраты.

Повышение коэффициента полезного действия процесса трансформации потенциальной энергии воды в кинетическую энергию дальнобойной струи и использование последней для отбойки угля достигается за счет оптимального струеформиро-вания, учит