Научное обеспечение инновационного развития угольной промышленности



Предыдущая | Следующая

 

Научное обеспечение инновационного развития угольной промышленности ПОТАПОВ Вадим Петрович Доктор техн. наук Директор ИУУ СО РАН АБРАМОВ Игорь Леонидович Канд. техн. наук Ученый секретарь ИУУ СО РАН Институт угля и углехимии СО РАН организован в 1983 г. на базе Кузбасского комплексного отдела Института горного дела и отдела физико-химических и экологических проблем Института неорганической химии СО АН СССР. Тематика института с самого начала ориентирована на обеспечение эффективной, ресурсосберегающей и экологически безопасной разработки угольных месторождений, исследования состава и строения ископаемых углей, развитие углехимии и химии углеродных материалов.
В институте работают 156 человек, в том числе 58 научных сотрудников, 14 докторов и 33 кандидата наук. В аспирантуре обучаются 43 человека.
В лаборатории геотехнологии освоения угольных месторождений под руководством доктора техн. наук В. А.
Федорина, созданы научные основы проектирования современных угольных шахт. Для вскрытия и подготовки угольных пластов пологого залегания разработаны теоретические положения декомпозиции структуры угольных шахт до уровня модульных шахтоучастков с агрегированием их в состав системы угледобывающего комплекса — высокопроизводительного предприятия новой формации.
Установлена рациональная область геологических ресурсов для размещения модульных шахтоучастков на угольных месторождениях Кузбасса. Разработана база данных по 150 геологическим участкам за пределами горных отводов существующих шахт и разрезов с общими высокотехнологичными запасами коксующихся и энергетических углей около 4 млрд т.
Подготовлен электронный справочник технологических решений для модульных структур вскрытия и подготовки шахтоучастков, обеспечивающих высокие темпы технического перевооружения очистных и подготовительных работ в связи со сравнительно небольшим сроком отработки модульного шахтоучастка (10-15 лет).
Внедрение технологических решений в практику проектирования модульных шахтоучастков позволяет провести реконструкцию геотехнологических структур существующих шахт для максимального использования возможностей горно-шахтного оборудования (шахты «Распадская», «Кольчугинская», «Инская», «Абашевская», «им. В. И. Ленина» и др.).
Программой предусмотрено довести уровень добычи угля в Кузбассе к 2020 г.
до 184 млн т. Составной частью Программы развития угольной отрасли Кемеровской области стал прогноз добычи углей коксующихся марок. Динамика добычи коксующихся углей в Кузбассе показана на рис. 1.
К концу прогнозируемого периода коксовая шихта Кузбасса претерпит некоторые изменения. Так, значительно уменьшится доля добычи углей марок КО, КСН, Г, КС. Их место займут марки ОС, Ж, ГЖ.
При этом добыча углей коксующихся марок вырастет в полтора раза по сравнению с объемом их добычи в 2002 г.
Лаборатория геомеханики (доктор техн. наук О. В. Тайлаков) решает задачи создания методов мониторинга газогеомеханических процессов и состояния массивов горных пород, геомеханического обеспечения технологий подземной разработки угольных месторождений.
Проведены исследования фильтрационных свойств угольных пластов в условиях Чертинского угольного месторождения на основе методики Gas Research Institute (США). Разработан новый метод геомеханики — метод компьютерного моделирования геомеханического состояния массива горных пород при отработке угольного пласта, позволяющего отобразить пространственную расчетную схему задачи для любой технологической схемы отработки и динамику развития очистных работ с помощью элементов подвиганий забоя и фронта работ.
Разработаны современные методики оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород на базе программно-аналитического комплекса, включающего комплект электронных манометров и программное обеспечение компаний Backer Oil Tools, In-Situ и Raven Ridge для оценки коллекторских и фильтрационных свойств горных пород.
Под руководством ведущего специалиста в области геомеханики многолетнемерзлых горных пород профессора В. Ю. Изаксона выполнены исследования процессов деформирования массивов горных пород и геоматериалов, в том числе вызванных техногенной деятельностью, с решением задач:
— исследования и оценки напряженнодеформированного состояния горных выработок и бортов действующих карьеров алмазоносных месторождений с учетом особенностей свойств многолетнемерзлых горных пород;
— создания алгоритма решения задач напряженно-деформированного состояния многолетнемерзлого горного массива, разработки численных методов решения и программных комплексов для ПЭВМ.
Произведены расчеты напряженнодеформированного состояния бортов и днища карьеров на основных кимберлитовых трубках — «Мир», «Интернациональная», «Айхал». Показано, например для трубки «Мир», что в днище карьера имеется зона разгрузки мощностью около 100 м, в которой вертикальные нагрузки на выработки будут малыми.
Горизонтальные силы максимальны для выработок, направленных вдоль длинной оси горизонтального сечения трубки, поэтому система подземной разработки первого этажа рудника должна предусматривать минимальную протяженность подготовительных выработок в этом направлении. Описанные результаты позволяют оптимизировать вопросы размещения и направления подготовительных выработок, расчета их крепи.
Решена задача о промораживании закрепной зоны вертикального ствола, которая в горизонтальном сечении является осесимметричной (задача Ламе).
Расcчитаны безопасные режимы промораживания применительно к проходке стволов на руднике «Мир».
Разработана технология анкерного крепления выработок угольных шахт с применением канатных анкеров АК. 01,
АК. 02, научный руководитель — канд.
техн. наук В. Е. Ануфриев. Анкеры канатные АК. 01 закрепляются ампульным способом в шпурах диаметром 27–30 мм с использованием ампул с минеральной композицией или полиэфирной смолой.
Анкеры канатные АК. 02 закрепляются в шпурах диаметром 30 и 43 мм нагнетательным способом с использованием органно-минеральной смолы «Геофлекс».
Грузонесущий стержень канатных анкеров АК. 01, АК. 02 выполняется из арматурного каната.
Применением канатных анкеров обеспечивается безопасность горных работ, сокращается срок монтажа очистного комплекса в лаве длиной 250 м более чем на 30 %. По сравнению с анкерами глубокого заложения канатные анкеры требуют наименьших затрат на бурение из-за уменьшения сечения шпуров, что сокращает время на бурение шпуров до 28 %. Для производства канатных анкеров создано предприятие ООО «РАНК», производственные мощности – 5-6 тыс.
анкеров в мес.
Разработан метод математического моделирования аэрогазодинамических процессов в выработанном пространстве при высоких скоростях подвигания забоя (доктор техн. наук Д. Ю. Палеев).
Сформулирована физико-математическая постановка трехмерной задачи о распространении метана в выработанном пространстве угольной шахты с учетом прилегающей лавы, вентиляции, газоотсасывающих, дегазационных скважин и открытых сбоек, сообщающихся с газодренажным штреком. Это позволило выполнить моделирование комбинированного способа проветривания, реализуемого на высокогазоносных участках при высокой скорости подвигания очистного забоя. Предварительные оценки показали, что в зависимости от строения пористой среды выработанного пространства роль сил сопротивления меняется, однако во многих случаях они значительно выше сил инерции, а также сил вязкости, проявляющихся между фильтрационными слоями. Получены трехмерные уравнения газовой динамики и переноса метана в среде с переменной пористостью. Полученные результаты распределения концентрации метана в выработанном пространстве на высотах 14 м и 2 м показывают, что более легкий метан собирается в верхней части обрушенного пространства, где его концентрация остается равной начальному значению. В то же время на высоте 2 м метан сдувается вентиляционными потоками в сторону выхода воздуха из лавы и через газоотсасывающую скважину.
В лаборатории газодинамики угольных месторождений (профессор Г. Я.
Полевщиков) выполнены исследования газодинамики процессов разгрузки и разрушения, газоносных геоматериалов в зонах ведения горных работ. Разработаны методы прогноза и предотвращения, локализации опасных зон и распространения последствий выбросов для непрерывного автоматизированного прогноза системами мониторинга газопроявлений в шахтах.
Установлены основные закономерности аэрогазового обмена на границе «очистной забой — выработанное пространство», получены решения прикладных задач по оценке ресурсов метана в горном блоке:
— установлены и количественно определены основные условия возникновения и развития процесса саморазрушения газоносных геоматериалов при ведении подземных горных работ;
— установлены общие закономерности изменения газодинамической активности углеметанового пласта при различных технологических возмущениях в процессе проведения подготовительных выработок. Разработаны основные подходы к адаптивному моделированию газопроявлений в очистных забоях пологих пластов, оснащенных системами рудничного мониторинга с компьютерным оснащением;
— установлены закономерности и получены решения прикладных задач по структуризации и оценке ресурсов метана с их дифференцированием по физическим особенностям на действующих и закрытых шахтах;
— введено понятие газового потенциала массива горных пород, характеризующее ресурсы метана в зоне провоцируемых очистными работами интенсивных геомеханических процессов. Впервые установлена значительно превышающая шаги обрушения основной кровли волнообразная периодичность по длине выемочного столба (период – 170-520 м, амплитуда – до 40 %) изменений относительного газопритока в выработанное пространство и определены ее структурные составляющие — газокинетический паттерн массива горных пород.
Лаборатория геоинформационных технологий и математического моделирования систем и процессов угледобычи занимается созданием научно-методических основ активного информационного мониторинга горно-технологических и геоэкологических систем применительно к задачам реструктуризации угольной промышленности, исследованием вопросов применения объектно ориентированого моделирования геосистем горного производства с целью разработки универсального подхода к созданию широкого класса распределенных вычислительных комплексов для решения задач горного дела (доктор техн. наук В. П. Потапов).
Для решения широкого круга задач горной информатики создана современная базовая электронная геолого-промышленная карта Кузнецкого бассейна (M 1:100000). В карте представлены сведения о геологической изученности, особенностях геологического строения, угленосности, качестве углей, состоянии и перспективах освоения воспроизводства угольной сырьевой базы Кузбасса.
Реализация разработки позволяет детализировать конкретные горно-экономические районы с целью комплексного изучения и освоения полезных ископаемых в Кемеровской области.
На основе объектно ориентированной геоинформационной модели геохимической базы данных кузнецких углей разработана геоинформационная система, являющаяся принципиально новым средством исследований, позволяющим получать ранее известные закономерности, связанные как с пространственным распределением редких и драгоценных металлов, так и взаимосвязей между ними. С помощью системы выполнена оценка ресурсов редкоземельных и радиоактивных элементов с учетом перспектив переработки в металлоугольное сырье. Проведены исследования по геологическим аспектам эффективного развития угледобывающей промышленности в Кузбассе, учитывая перспективы глубокой переработки углей и минеральных отходов с извлечением ценных металлов. Создан электронный атлас, показывающий распределение редких и редкоземельных металлов по горноэкономическим районам Кузбасса.
Профессором А. Б. Логовым разработан оригинальный метод системного анализа (системного аудита) функционального состояния производственных, территориальных и социальных объектов, который составляет инструментарий и научную поддержку лиц, принимающих решения.
Идея метода состоит в отображении выборки функциональных показателей в пространстве состояний и использовании фундаментальных критериев и соответствующих диагностических признаков для получения конкретных заключений (рис. 2). Благодаря выбранному виду преобразований удается сочетать в анализе показатели и характеристики различной размерности и природы без использования эмпирических приемов.
Объектами анализа являются системы в широком смысле, например: совокупности предприятий, участков, бригад и т. п.; энергетические и транспортные сети; комплексы функциональных показателей (в частности валовых, статей затрат, характеристик производительности и т. п.); характеристики этапов работы или планирования работы предприятий; номенклатура изделий (в том числе, марочный состав угля); системы цен на совокупности товаров.
Разработан оригинальный метод вибродиагностики уникальных роторных машин и механизмов, основанный на анализе орбит прецессии ротора, восстановленных по измерениям вибросигналов на корпусах подшипников скольжения. В совокупности с современными методами измерения, обработки и анализа случайных процессов и идентификации метод образует систему, которая предназначена для определения, по параметрам вибрации, технического состояния динамического оборудования, не имеющего эталонов и стандартов виброактивности, и выявления причин повышенной вибрации.
Внедрение системы сокращает затраты на ремонт и техническое обслуживание уникального динамического оборудования, снижает вероятность внезапных отказов и аварий. Объекты диагностики: ответственные и сложные установки, представленные единичными экземплярами; машины новых серий и конструкций;
машины на стадии приработки или при превышении ресурса; машины массовых серий, эксплуатирующиеся в нетипичных условиях и режимах.
Система проверена на ряде энергетических (турбогенераторы, насосы, вентиляторы) и химических (турбокомпрессоры) машин предприятий Кемеровской области и показала высокую степень достоверности заключений о виде технического состояния диагностируемого оборудования.
Одним из серьезных достижений института последних пяти лет стал разработанный профессором Б. Л. Герике дисковый рабочий орган, реализующий принцип непрерывного разрушения крепких горных пород для использования на машинах для послойного фрезерования. Совместно с фирмой MAN TAKRAF (ФРГ) создан и испытан опытный образец машины ТМ-D25, предназначенной для разрушения горных пород крепостью до 80 МПа.
Принцип малоциклового разрушения, реализованный в конструкции рабочего органа, позволяет снизить энергоемкость процесса разрушения до 3-4 кВт?ч/ м3 при??сж= 60 МПа, что значительно превосходит лучшие образцы горных машин. Конструкция рабочего органа позволяет регулировать гранулометрический состав горной массы, получение на выходе требуемой фракции угля, щебня и т. д. (рис. 3).
Дисковый рабочий орган может быть реализован на машинах в различных областях: комбайны для послойного фрезерования (дорожное строительство, открытые горные работы), очистные комбайны для угольных шахт, буровые машины. Проведены опробования макетного образца машины для послойного фрезерования TM-D25 на стенде и при добыче строительных материалов.