Разработка прогрессивных решений



Предыдущая | Следующая

 

Разработка прогрессивных решений по эффективному применению скважинной гидравлической технологии добычи угля Развитие подземной добычи угля в России на протяжении последних двадцати лет (вплоть до 1998 г.) характеризовалось снижением объемов и удельного веса ее в общем балансе угледобычи. Только в последние годы наметилась тенденция МЕЛЬНИК Владимир Васильевич Заведующий кафедрой «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ, член-корреспондент Международной академии безопасности, доктор техн. наук, профессор ОСНОВАН В 1918 г.
роста объемов добычи угля подземным способом (108,6 млн т. в 2007 г.).
В угледобывающей отрасли, начиная с 1993 г., наметилась устойчивая тенденция увеличения нагрузки на очистной забой с 485 до 1813 т/сут. (в том числе на комплексно-механизированный — с 719 до 2577 т/сут.) и производительности труда рабочего на добыче с 66,3 до 95,8 т/мес. В 2007 г. 40 комплексных бригад, обеспечивали нагрузку на очистной забой более 1 млн т в год, а бригада В. И. Мельника ОАО «Шахта Котинская» (ОАО «СУЭК», Кузбасс) установила всероссийский рекорд годовой добычи — 4,41 млн т угля. Однако оснований для оптимистических прогнозов развития подземного способа добычи, к сожалению, весьма мало.
Основными причинами наличия такого положения в отрасли являются недостатки традиционных технологий подземной добычи и значительный износ основных фондов шахт, не всегда оправданная ориентация в отрасли только на комплексно-механизированную добычу угля в длинных очистных забоях (80,5 % в 2004 г), отрицательная динамика ввода и выбытия мощностей, при которой выбытие мощностей угольных шахт в 6-8 раз превышает их ввод.
Одним из направлений выхода из сложившейся в отрасли ситуации (продление срока жизнедеятельности угольных шахт, увеличение полноты извлечения запасов как списанных, так и из целиков различного назначения, вовлечение в отработку запасов высококачественных углей тонких крутонаклонных и крутых пластов, в первую очередь в сложных условиях ведения горных работ как на действующих, так и закрывающихся шахтах) является разработка нетрадиционных технологий добычи, первичной переработки и транспортировки угля потребителю, основу которых составляют высокопроизводительные и надежные элементы подземной, комбинированной и физико-химической геотехнологий.
В настоящее время на кафедре «Подземной разработки пластовых месторождений» (ПРПМ) МГГУ успешно развиваются девять основных направлений научных исследований:
1. Разработка вариантов гибких технологий интенсивной отработки шахтных полей с использованием высокопроизводительного оборудования нового технического уровня (руководитель — профессор, доктор техн. наук Ю. Н. Кузнецов);
2. Разработка теоретических основ проектирования и управления технологическими системами высокопроизводительных угольных шахт (руководитель — профессор, доктор техн. наук А. С. Малкин);
3. Создание комплексов скважинной гидравлической добычи, переработки и транспортировки угля потребителям (руководитель — профессор, доктор техн.
наук В. В. Мельник);
4. Создание комбинированных технологий добычи угля на основе гидромеханизации (руководитель — профессор, доктор техн. наук В. А. Атрушкевич);
5. Углеэнергетические комплексы для разработки угольных месторождений с получением сверхчистого газового топлива (руководитель — профессор, доктор техн. наук Ю. Ф. Васючков);
6. Комплексное освоение ресурсов угледобывающих предприятий (руководители — профессор, доктор техн. наук А. С. Малкин, доцент, канд. техн. наук В. В.
Агафонов);
7. Создание интегрированных технологических систем отработки мощных пластов (руководитель — профессор, доктор техн. наук Ю. Н. Кузнецов);
8. Разработка технологии отработки газообильных участков шахтных полей с добычей и утилизацией метана (руководитель — доцент, канд. техн. наук Ю. Г. Ан пилогов);
9. Разработка вариантов физико-химической геотехнологии (руководители — профессор, доктор техн. наук Б. Д. Терентьев, профессор, канд. техн. наук В. Г. Виткалов).
В данной статье основное место отведено освещению актуальности, постановке и результативности научных исследований по третьему направлению, а именно: «Создание комплексов скважинной гидравлической добычи, переработки и транспортировки угля потребителям». В России и ряде зарубежных стран развивается принципиально новое направление в области добычи угля, основанное на переводе полезного ископаемого в месте залегания в подвижное состояние и выдаче его на поверхность, реализуемое вариантами физико-химической геотехнологии. В настоящее время физико-химическая геотехнология представлена подземной газификацией угля (ПГУ), подземным сжиганием угля (ПСУ), скважинной гидравлической добычей угля (СГД), подземной гидрогенизацией (растворением) угля (ПРУ) и прямым получением энергии из пласта (экстракцией) угля (ПЭУ).
С точки зрения уровня развития технологии и техники, а также потребительских свойств конечной продукции в виде пульпы на сегодняшний день наиболее подготовленной к промышленному внедрению является скважинная гидравлическая добыча угля. Ее основным достоинством, равно как и классической гидротехнологии, является возможность отработки запасов угля в осложненных горно-геологических и производственно-технических условиях при обеспечении высокой интенсивности и поточности, производственной гибкости и синхронизации режимов выполнения комплексов рабочих процессов.
Коллективами институтов ГИХС, МГРИ, ВНИИПИИстромсырье, ВНИИГ, НИКМА и др. накоплен значительный опыт скважинной гидродобычи несвязанных и слабосвязанных пород, и разработан ряд скважинных агрегатов («Гидромониторный», «Эрлифтный», «Крот», «Крот-ПИ», «Торпеда», СГС-3, СГС-4, ГДА-6 и др.). Однако использовать в полной мере полученные результаты для реализации скважинной гидродобычи угля не представляется возможным как из-за недостаточной изученности основных слагающих процессов, так и сложности всей технологии СГД угля в целом.
Основными причинами низких показателей использования скважинной гидротехнологии явилось недостаточное использование системного подхода и отсутствие концепции, механизма и принципов разработки при проектировании и внедрении вариантов скважинной гидравлической технологии угледобычи.
Концепция создания комплексов СГД, первичной переработки и транспортирования угля потребителю заключается в синтезировании различных геотехнологий (подземной, комбинированной и физико-химической) на основе системного подхода, применения нетрадиционных технологий и единого энергоносителя.
Решение научной проблемы разработки технологических решений по реализации скважинной гидравлической добычи (СГД) угля невозможно без интеграции системы знаний, накопленных горной наукой. С этой целью были детально проанализированы результаты аналитических и экспериментальных (лабораторных, стендовых и натурных) исследований ГИГХС — по СГД фосфоритов; МГГРУ — по разработке СГД слабосцементированных и рыхлых пород; ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского — по исследованиям гидравлического разрушения угля и горных пород;
ВНИИгидроугля — по традиционной гидротехнологии добычи угля; МГИ—МГГУ, СКБ завода Гидромаш, ВНИИгидроугля — по исследованиям агрегатно-гидравлической технологии добычи угля; УкрНИИгидроугля — по разработке скважинных агрегатов и традиционной гидротехнологии. Однако механически перенести полученные результаты для разработки технологии СГД угля, например из крутых, мощных, нарушенных пластов Прокопьевско-Киселевского или Сахалинского месторождения, невозможно из-за специфики и сложности как условий применения, так и самой скважинной гидродобычи.
Рассмотрение СГД как сложной технологической системы с учетом характерных признаков больших систем (БС), требований к проектам угольных шахт, основных принципов создания технологических схем гидрошахт нового технико-экономического уровня, принципов проектирования локальных гидрокомплексов дает возможность сформулировать основные принципы разработки комплексов СГД, первичной переработки и транспортировки угля потребителю.
Основные принципы разработки комплексов СГД заключаются в обеспечении: единой производственной системы «добыча — первичная переработка — транспортирование угля потребителю»; геотехнологичности или безлюдности технологии угледобычи; отработки запасов углей высокого качества в осложненных горно-геологических и производственно-технических условиях; малооперационности и поточности; экологической и технологической безопасности; максимальной адаптивности к изменяющимся условиям; высокой согласованности подсистем между собой; социальной и экономической значимости.
Механизм разработки технологической системы комплексов СГД, первичной переработки и транспортировании угля потребителю предусматривает: формирование банка данных о скважинной гидротехнологии; разработку базовых вариантов технологических схем СГД угля; выделение основных подсистем и разработку классификации комплексов СГД; установление резервов повышения производительности основных подсистем скважинной гидротехнологии; согласование подсистем комплексов СГД по принципу «добыча — первичная переработка — транспортирование угля потребителю»; обоснование (технологическое, геомеханическое, экономическое) параметров комплексов СГД угля.
Опираясь на концепцию и механизм создания комплексов СГД угля, возможно выделить комплекс взаимосвязанных основных технологических подсистем: вскрытие и подготовку запасов выемочного блока (бурение и оборудование добычных и транспортных скважин, монтаж и демонтаж оборудования различного назначения); разрушение угольного массива струей или струями в различных режимах гидравлическим, механогидравлическим и комбинированным способами; безнапорный и напорный гидротранспорт; управление горным давлением; обезвоживание угля и осветление технологической воды; первичная переработка и транспортирование угля потребителю.
Первым этапом исследований по СГД угля явились аналитические исследования скважинной технологии в целом и основных ее подсистем и процессов. Объектами исследований первого этапа были следующие подсистемы и процессы: разрушение угольного массива струей или струями в различных режимах; формирование гидромониторных и тонких струй различными устройствами;
безнапорный транспорт пульпы по очистной камере и скважинам; подъем пульпы различными устройствами. Целью первого этапа исследований являлось выявление резервов повышения эффективности функционирования всех основных подсистем комплексов СГД, переработки и транспортировки угля потре бителю. На втором этапе осуществлялась разработка различных вариантов скважинных агрегатов и требований к основным подсистемам комплексов СГД. На данном этапе разрабатывались гидромониторные агрегаты для бурения скважин и очистной выемки угля; тонкоструйные агрегаты с использованием эффекта перекрещивающихся струй; механогидравлические агрегаты.
Кроме того, были сформулированы технологические требования к подсистемам напорного и безнапорного транспорта пульпы, обезвоживания угля и осветления технологической воды.
Третий этап был направлен на проведение стендовых и шахтных исследований основных подсистем скважинной гидротехнологии. Были проведены стендовые исследования различных струеформирующих устройств скважинных агрегатов, подсистемы безнапорного транспорта угольной пульпы, подсистемы подвода высоконапорной технологической воды к струеформирующим устройствам, подсистемы гидроподъема, подсистемы обезвоживания угля и осветления технологической воды.
Результатом третьего этапа исследований являлось экспериментальное подтверждение возможности повышения производительности и надежности основных подсистем комплекса СГД угля.
На следующем, четвертом, этапе осуществлялось геомеханическое обоснование параметров скважинной гидравлической добычи угля (из подземных горных выработок, с земной поверхности и комбинированным способом) на основании математического моделирования с использованием численного метода конечных разностей. Результатом этого этапа исследований явилось обоснование параметров различных вариантов технологических схем скважинной гидротехнологии для различных горно-геологических и горнотехнических условий.
На завершающем этапе исследований разработаны рекомендации по применению комплексов СГД угля, включающие методики их проектирования и определения производительности основных подсистем скважинной гидротехнологии, на основе которых выбраны и рекомендованы к опытно-промышленному применению рациональные варианты технологических схем СГД угля (из подземных горных выработок, с земной поверхности и комбинированных).
На основе стендовых (завод «Гидромаш» и институт «ВНИИгидроуголь») и шахтных (гидрошахта «Инская», бывш. ПО «Гидроуголь») исследований установлены рациональные параметры двух — и трехструйного разрушения угольного массива, позволяющего увеличить производительность выемки угля на 35-40 %, снизить энергоемкость разрушения угля с управляемым выходом требуемого фракционного состава. На основании исследований рекомендуются следующие значения гидравлических, технических и технологических параметров при двухструйном разрушении: начальное давление воды Р0=30,0 МПа, диаметр ствола Dс=0,1 м, диаметр двух насадок dн=0,020 м, расстояние между осями струй lст=0,25 м, начальное расстояние от насадок до забоя — 0,3 м, величина вынимаемой стружки — 0,6-1,0 м, глубина врубовой щели — 2,9 м, величина плеча обрушения — 0,24 м, горизонтальное расположение струй.
Разработан агрегат скважинный гидромониторный (АСГ) с повышенной разрушающей способностью на базе результатов внедрения агрегатно-гидравлической технологии и агрегатов АФГ, АФМГ и АФТ на гидрошахтах «Юбилейная», «Инская» и «Полосухинская» в Кузбассе и анализа результатов проведенных опытных и промышленных испытаний на шахтах и гидрошахтах агрегатов АГС-1, АГС-2 и КБГ, разработанных НПО «Углемеханизация» (Украина).
Разработаны требования к агрегату АСГ с повышенной разрушающей способностью в целом и к основным его устройствам и элементам, а именно, струеформирующему устройству, энергоподающему ставу, станку подачи.
Разработаны три варианта агрегатов и выемочных машин (типа АФТ и ГВМ) с использованием тонких струй для очистной выемки угля из подземных горных выработок на основе результатов исследований, проведенных в период 1984-1990 гг. на шахтах «Инская» и «Полосухинская».
Отличительными особенностями разработанных агрегатов, в частности АФТ, являются: использование перекрещивающихся струй для разрушения угольного массива; формирование струй в струеформирующих устройствах, равномерно расположенных по длине очистного забоя; постоянное прижатие струеформирующих устройств к поверхности забоя для повышения производительности; обеспечение эффективной работы подсистемы безнапорного транспорта пульпы.
Стендовые исследования технологии разрушения образцов угля перекрещивающимися струями гидравлической выемочной машины (ГВМ) и агрегата АФТ проводились в два этапа. На первом этапе изучался характер рассеивания энергии струй в фокусе (точке пересечения) и за фокусом. На втором — исследовалась эффективность разрушения цементо-песчанных образцов перекрещивающимися струями.
Совместно со специалистами ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского были предложены два варианта струеформирующих устройств для АФТ и ГВМ. К достоинствам первого варианта устройств относится высокое качество формируемых струй, так, длина начального участка струй составит величину lн = 70 d0 (например, при d0 = 6 мм — lн = 420 мм, а при d0 = 8 мм — lн = 560 мм).
Недостатком устройства является сложность его размещения из-за большой длины в исполнительном органе.
С целью ликвидации указанных недостатков было разработано малогабаритное струеформирующее устройство типа ствол-насадка, проточный канал которого состоит из трех конфузоров и цилиндрического участка. Входной конфузор с углом конусности ? предназначен для выравнивания динамических характеристик поступающего потока жидкости, снижения вихреобразования и уменьшения гидравлических потерь на входе в струеформирующее устройство. Величина угла конусности ? выбирается из соотношения 40° Длина начального участка струи, сформированной в стволенасадке, составит lн= (30-40) d0, например, при d0= 6мм — lн= (180-240) мм, а при d0= 8мм — lн= (240 — 320) мм.
Во время стендовых исследований струеформирующих устройств экспериментального образца ГВМ установлено влияние начального давления воды на глубину щелей в углепесчаноцементных образцах; выявлена зависимость величины вырезаемых кусков из образцов от расстояния между осями перекрещивающихся струй; обоснована зона оптимальных диаметров тон коструйных насадок, находящаяся в диапазоне от 0,027 до 0,033 м. Кроме того, установлено влияние начального расстояния от тонкоструйных насадок до углецементного блока на глубину щелей, а также обосновано рациональное значение расстояния между осями перекрещивающихся струй.
Выводы 1. Установлено, что высокая конкурентоспособность скважинной гидротехнологии при отработке запасов угольных пластов в осложненных горно-геологических и производственно-технических условиях, для которых отсутствуют высокопроизводительные технологии добычи угля, обеспечивается посредством создания интегрированной системы производств по добыче, первичной переработке и транспортировке угля потребителю.
2. Разработана и реализована методологическая база создания комплексов СГД, первичной переработки и транспортирования угля потребителю, включающая концепцию, механизм, классификацию и принципы реализации системного подхода к разработке технологических решений, обеспечивающих объективное выделение основных подсистем, их взаимное согласование и единство направлений повышения полноты использования производственных возможностей.
3. Разработаны приоритетные технологические и технические решения, обеспечивающие высокую производительность и безопасность скважинной гидротехнологии при вскрытии и предварительной подготовке запасов выемочного блока, выемке угля рекомендуемыми гидромониторными (АСГ), тонкоструйными (АФТ, ГВМ) и механогидравлическими (АСМ-1 и АСМ-2) агрегатами с последующей первичной переработкой и транспортировкой угля потребителю.
4. Доказано, что повышение производительности СГД по выемке угля достигается на базе реализации разработанной систематизации способов повышения производительности разрушения угольного массива при применении различных вариантов скважинных агрегатов (гидромониторных АСГ, тонкоструйных АФТ, ГВМ и механогидравлических АСМ-1, АСМ-2).
5. Проведены стендовые и шахтные эксперименты, результаты которых явились основой для установления рациональных параметров технологии двух — и трехструйного разрушения угольного массива гидромониторным агрегатом АСГ, обеспе чивающим повышение производительности выемки на 35-40 % при начальном давлении воды Р0=30,0 МПа, диаметре ствола Dс=0,1м, диаметре двух насадок dн=0,020 м, расстоянии между осями струй lст=0,25 м, начальном расстоянии от насадок до забоя 0,3 м, величине вынимаемой стружки 0,6—1,0 м, глубине врубовой щели 2,9 м, величине плеча обрушения 0,24 м, расположении струй в горизонтальной плоскости.
6. Разработаны базовые варианты тонкоструйных агрегатов АФТ и ГВМ для добычи угля из подземных горных выработок, отличительной особенностью которых является использование перекрещивающихся струй для разрушения угольного массива и равномерное их расположение по длине очистного забоя, постоянное прижатие струеформирующих устройств к плоскости забоя для обеспечения максимальной производительности и благоприятных условий функционирования подсистемы безнапорного транспорта пульпы. На основании стендовых и шахтных исследований обоснованы параметры эффективного разрушения угольного массива тонкими перекрещивающимися струями (начальное давление воды Р0=30,0 МПа, диаметр насадок dн=0,008 м, расстояние между струями lст=0,3 м, углы воздействия струй в горизонтальной и вертикальной плоскостях, соответственно 90 и 45°).
7. Обоснованы рациональные параметры механогидравлической технологии отработки запасов тонких пластов агрегатом АСМ-1 и АСМ-2. Суточная нагрузка на очистной забой, оборудованный агрегатом АСМ-1, составит: 429 т при ширине захвата 3,6 м; 596 т при ширине захвата 5,0 м; 823 т при ширине захвата 7,5 м; 1053 т при ширине захвата 10 м. Суточная нагрузка на очистной забой, оборудованный агрегатом АСМ-2, составит 1153 т при продолжительности перерывов 4,3 ч и продолжительности выемочного цикла 20,8 ч.
8. Предложена методика определения производительности подсистемы разрушения угольного массива струями при СГД, отличающаяся режимами (одно-, двух-, трех – и тонкоструйного) разрушения, а также скорректированы зависимости для определения производительности подсистем безнапорного и напорного гидротранспортирования при скважинной гидротехнологии.

/*/

а в чем заключается суть разрушения массива?