CC BY
29
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ III. TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK SAFETY
| А.Р. Мукатов // A.R. Mukatov [email protected]
начальник горного отдела АО «Уралэ-лектромедь», 624091, Россия, г. Верхняя Пышма, Успенский проспект, 1 mining division head of Joint stock company "Uralelektromed», 1, Uspensky prospect, Verkniaia Pyshma, 624091, Russia
I В.В. Мельник // V.V. Melnik [email protected]
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», 119049, Россия, г. Москва, Ленина проспект, 4
doctor of technical Sciences, Professor, chair head of National research technological University "MISIS", 4, Lenin prospect, Moscow, 119049, Russia
I В.П. Тациенко // V.P. Tatsienko [email protected]
д-р техн. наук, директор института промышленной и экологической безопасности ФГБОУ ВО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя,28
doctor of technical sciences, T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Industrial and Environmental Safety Institute director, 28, Vesennyaya Street, Kemerovo, 650000, Russia
УДК 622.2
ОБОСНОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ГИДРОИМПУЛЬСНОЙ УСТАНОВКОЙ THE HYDRAULIC FACTORS SUBSTANTIATION AT STEEP COAL SEAMS' DEVELOPMENT WITH HYDROIMPULSIVE INSTALLATION
В работе представлено обоснование гидравлических факторов при разработке крутых угольных пластов гидроимпульсной установкой, установлено необходимое давление на выходе гидроимпульсной установки, выполнена проверка адекватности аналитического выражения для определения необходимого давления на выходе ГИУ, определения давления, необходимого для разрушения массива угля импульсной струей, установки для проведения очистных и нарезных работ при сопротивляемости угля резанию, получение зависимости для определения силы необходимой для разрушения угольного пласта гидроимпульсной установкой, определение необходимого давления импульсной струи на выходе гидроимпульсной установки для проведения нарезных и очистных работ. Материалы данного исследования будут использоваться как для составления математической модели процесса взаимодействия гидроимпульсной струи установки с разрушаемым массивом угля, так и при проектировании гидроимпульсных установок, предназначенных для разработки крутых угольных пластов.
The paper presents the hydraulic factors substantiation at steep coal seams development with hydroimpulsive installation (HII), the required pressure at the outlet of hydroimpulsive installation is found, analytical expression for determination HII outlet required pressure adequacy check is fulfilled, installation pressure required to crush the coal massif with the pulse jet to carry on extraction and preparation works when coal resists cutting is found, dependence is obtained to determine the necessary force to crush the coal seam with hydroimpulsive
installation, determination of the required pulse jet pressure at the outlet of hydroimpulsive installation for preparation and extraction works is done. The materials of this research will be used both to compile a mathematical model of the interaction process between the installation hydroimpulsive jet and the coal massif to be crushed and to design hydroimpulsive installations aimed to develop steep coal seams. Ключевые слова: РАЗРАБОТКА КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, ГИДРОИМПУЛЬСНАЯ УСТАНОВКА, ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, НЕСТАЦИОНАРНОСТЬ, ДИНАМИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ Key words: STEEP COAL SEAMS DEVELOPMENT, HYDROIMPULSIVE INSTALLATION, HYDRAULIC FACTORS, NONSTATIONARITY, DYNAMIC PRESSURE
Прокопьевско-Киселевский район Кузбасса является одним из представительных месторождений углей коксующихся марок, которые залегают в крутых пластах. Поэтому для сбалансированного развития Кузбасса необходимо разработать эффективные способы отработки таких угольных пластов. Таким образом, полная механизация очистных и подготовительных работ на шахтах, разрабатывающих крутые пласты, является одной из первоочередных и весьма важных задач. Практика и результаты исследований в нашей стране и за рубежом показывают, что для решения этих задач целесообразен гидравлический способ разрушения угольных пластов.
Следует отметить, что опыт применения гидравлических струй высокого давления при создании эффективных средств разрушения горных пород в РФ и странах СНГ довольно хорошо изучен, находя применения в различных областях деятельности.
Гидромониторы широко применяются при разработке россыпных, угольных, песочно-гра-вийных месторождений, а также в гидростроительстве. При разрушении горных пород (по одной из общепринятых версий ударом) имеет место механическое воздействие в результате динамической нагрузки и гидродинамического воздействия за счет касательных напряжений, возникающих в массиве.
В связи с активным воздействием струи на породы, разрушение водой происходит при меньшем давлении, чем при механических средствах. При разрушении гидромониторной струей скальных сильнотрещиноватых пород вода создает внутреннее давление, увлажняет породу и снижает сцепление частиц, что и приводит к разрушению.
В данной статье будут рассмотрены результаты использования гидроимпульсной установки для механизации очистных и подготовительных работ на шахтах, разрабатывающих крутые угольные пласты со сложными горно-геологическими и горнотехническими условиями.
Для создания и обеспечения высокопроизводительной работы гидроимпульсных уста-
новок (ГИУ) необходимо обосновать ряд основных технологических параметров: начальное давление струй, диаметр насадок, частоту воздействия, шаг разрушения - и установить особенности разрушения угольного массива гидроимпульсными струями.
Необходимое давление на выходе гидроимпульсной установки (ГИУ) представляет собой сумму давления Рнтах, необходимого для разрушения пласта, и изменений динамического давления , обусловленных прохождением струи через слой разрушенного угля,
Ри ген _ ^нтах +Д-Р. (1)
С учетом преобразований выражение (1) примет вид
Из приведенного выражения (2) следует, что необходимое давление на выходе ГИУ представляет собой сумму двух составляющих, первая из которых - случайная величина с распределением вероятности, не противоречащей закону Гаусса и Вейбулла. Вторая - практически детерминированная функция.
Тогда, согласно 1], необходимое давление на выходе ГИУ есть нестационарная случайная функция. Нестационарность этой функции обусловлена изменением (непостоянством) ее второго слагаемого - изменений динамического давления, как функции расстояния между насадкой и забоем. Из выражения (2) также следует, что второе слагаемое АР является его математическим ожиданием.
Нестационарность необходимого давления на выходе ГИУ, как случайной функции, обусловлена изменением ее математического ожидания. Такие функции, согласно 2], принято называть стационарными «в широком смысле слова».
Нестационарность функций такого рода может быть приведена к стационарным функци-
ям путем их центрирования, т. е. путем вычитания от значений функции его математического ожидания.
Применительно к решаемой в работе задаче - это вычитание потерь динамического давления, являющегося математическим ожиданием.
Тогда центрированное значение необходимого давления на выходе из насадок гидроимпульсной установки составит
Р.. = 1 , _ , _ _
н ген н ген н ген
Выражение (3) представляет собой необходимое для разрушения давление, представляющее собой двухпараметрическую случайную функцию
Проверка адекватности аналитического выражения для определения необходимого давления на выходе ГИУ производилась по математическому ожиданию, результаты которых приведены на рис. 1. Погрешность для конкретных условий проведения эксперимента не превышает 10 %.
Определим необходимое давление импульсной струи на выходе гидроимпульсной установки для проведения очистных и нарезных работ.
Вычислим коэффициент по следующей зависимости
□ = 4 к°С кст ; (4)
кэ1 7Г
где koc - коэффициент, учитывающий ослабление угольного пласта трещинами. Для крутых пластов Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса принимаем коэффициент равный 0,75-0,85; kcm - коэффициент, учитывающий условия разрушения угля импульсной струей (аэрацию струи, изменение поперечного сечения и другие), kcm = 1,15-1,25;
kэ1 - коэффициент, учитывающий изменение площади контакта струи с угольным массивом при прохождении через слой разрушенного угля, kэ¡ = 1,0-1,4. Для слоя разрушенного угля толщиной равной 0,5 м -= 1,185. Толщина слоя разрушенного угля принята равной 0,5м на основании данных экспериментальных и аналитических исследований.
• - диаметр насадки 8мм, ▲ - диаметр насадки 10мм, ♦ - диаметр насадки 12мм. • - nozzle diameter 8 mm, ▲ - nozzle diameter 10 mm, ♦ - nozzle diameter 12 mm Рисунок 1 - Зависимость необходимого давления на выходе гидроимпульсной установки от толщины слоя разрушенного угля Figure 1 - Pressure required at the outlet of hydroimpulsive installation dependence on the destructed coal layer thickness
54
Определим давление, необходимое для разрушения массива угля импульсной струей, установки для проведения очистных и нарезных работ при сопротивляемости угля резанию Арт = 50; 100 и 150 кН/м и для длины скола угля 1ск = 0,0055; 0,0070 и 0,0095 м. Данные длины скола угля соответствуют трем, двум и одному импульсу струи в одну точку угольного массива соответственно. Данные расчета представим в виде таблиц (табл. 1, 2, 3).
Таблица 1. Давление, необходимое для разрушения угольного пласта P при длине скола угля l =
J н max 1 ^ J ск
0,0055 м
Table 1. Pressure required to destroy the coal seam P
' J н max
at the length of the coal breakage l = 0.0055 m
d, мм н P , МПа н max
А = 50 кН/м ри А = 100 кН/м ри А = 150 кН/м ри
8 4,43 8,86 13,30
10 2,84 5,67 8,51
12 1,97 3,94 5,91
Таблица 2. Давление, необходимое для разрушения угольного пласта P при длине скола угля l =
J н max 1 ^ J ск
0,0070 м
Table 2. The pressure required to break the coal seam Рн at the length of the cleavage of coal l = 0.0070 m
max ^ ^ ск
d , мм н P г, МПа н max
А = 50 кН/м ри А = 100 кН/м ри А = 150 кН/м ри
18 5,64 11,28 16,92
10 3,60 7,22 10,83
12 2,51 5,01 7,52
Таблица 3. Давление, необходимое для разрушения угольного пласта Р при длине скола угля l =
J н max 1 ^ J ск
0,0095 м
Table 3. Pressure required to break the coal seam P
н max
with the length of the cleavage of coal l = 0,0095
d , мм н P г, МПа н max
А = 50 кН/м ри А = 100 кН/м ри А = 150 кН/м ри
18 7,65 15,31 22,97
10 4,90 9,80 14,70
12 3,40 6,81 10,21
Рациональное число импульсов струи в одну точку угольного массива составляет 2-3.
Поэтому необходимое давление на выходе ГИУ, согласно выражения (1), будем определять для длин скола угля, соответствующих трем и двум импульсам струи (табл. 1 и 2) при сопротивляемости угля резанию А = 50; 100 и 150 кН/м.
Для вычисления необходимого давления на выходе ГИУ к полученным значениям давлений прибавим потери динамического давления AP, обусловленные прохождением импульсной струи через слой разрушенного угля. Потери динамического давления AP будем определять для слоя разрушенного угля толщиной 0,5-0,6 м. Данные расчета представлены в таблицах 4 и 5.
Таблица 4. Необходимое давление на выходе ГИУ PH при длине скола угля l = 0,0055 м
ген 1 ^ J ск '
Table 4. Necessary pressure at the outlet of the GIU P
J 1 н ген
at the length of the cleavage of coal l = 0,0055 m
d AP, P МПа н max
н мм МПа А = ри 50 кН/м А = ри 100 кН/м А = ри 150 кН/м
18 8,5 12,93 17,86 21,8
10 4,2 7,04 9,87 12,71
12 4,1 6,07 8,04 10,01
Таблица 5. Необходимое давление на выходе ГИУ P при длине скола угля l = 0,007 м
нген 1 m J ск '
Table 5. Necessary pressure at the outlet of the GIU P at the length of the cleavage of coal l = 0,007 m
нген ^ ^ ск
d, н' мм AP, МПа Рн ma, МПа
Ари = 50 кН/м Ари = 100 кН/м Ари = 150 кН/м
18 8,5 14,14 19,78 25,42
10 4,2 7,80 11,42 15,03
12 4,1 6,61 9,11 11,62
Необходимое давление импульсной струи на выходе гидроимпульсной установки для проведения нарезных и очистных работ составляет
Р = 1 / +ДР /с\
н ген , о ри ск
На основании предыдущей зависимости установлены диапазоны необходимого давления импульсной струи для различных диаметров насадок при сопротивляемости угля резанию от
50 до 150 кН/м:
• 10-19 МПа для насадки диаметром 0,012 м;
• 13-24МПа для насадки диаметром 0,010м;
• 22-34МПа для насадки диаметром 0,008м.
Из анализа полученных данных следует:
1. Необходимое давление на выходе ГИУ представляет собой нестационарную случайную функцию, случайный характер которой обусловлен:
• случайным характером разрушения угля с распределением вероятности по закону Гаусса;
• случайным характером длины скола угля
с распределением вероятности по закону Вей-булла;
Нестационарность функции обусловлена изменением потерь динамического давления, как функции расстояния от насадки до забоя. Потери динамического давления, по данным наших исследований, практически детерминированная функция, являющаяся математическим ожиданием случайной функции.
2. Нестационарность давления, необходимого на выходе ГИУ, как случайной функции, может быть представлена в виде стационарной двухпараметрической случайной функцией пу-
тем ее центрирования.
На основании выполненных исследований получена зависимость для определения силы, необходимой для разрушения угольного пласта гидроимпульсной установкой. Материалы данного исследования будут использоваться как для составления математической модели процесса взаимодействия гидроимпульсной струи установки с разрушаемым массивом угля, так и при проектировании гидроимпульсных установок, предназначенных для разработки крутых угольных пластов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лукьянченко Е. С. Исследование и выбор основных параметров гидромониторной буровой установки для безлюдной выемки угля. Дисс. ... канд. техн. наук: 05.05.06. Донецк. 196 с.
2. Свешников А. А. Прикладные методы теории случайных функций. М.: Наука, 1998. 463 с.
3. Махов В. Г. Обоснование параметров технологии выемки крутых пластов гидроимпульсными установками: Автореф. ... дис канд.техн.наук: 05.15.02. Донецк, 2003. 21 с.
4. Геммерлинг О.А. Обоснование параметров гидроимпульсной установки для проведения нарезных работ на пластах крутого падения: Автореф. дис.канд. техн. наук: 05.05.06. Донецк, 2007. 235 с.
5. Прогрессивные технологические решения скважинной гидравлической добычи угля / Мельник В.В. [и др.]. М., 2005. 395 с.
6. Технологические решения по активному управлению геомеханическими процессами в угольных шахтах / Воскобоев Ф.Н. [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 458 с.
7. Бойко Н. Г, Геммерлинг О. А. Стенд для исследования процесса взаимодействия гидроимпульсной струи с разрушаемым массивом угля // Вюл Донецького прничого шституту: Всеукра'шський науково-техычний журнал прничого профшю. 2002. № 3. С. 70-71.
8. Технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевска и Киселевском месторождении системами под этажной гидроотбойки. Прокопьевск, 2006.
9. Инструкция по безопасному применению технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевска и Киселевском месторождении системами под этажной гидроотбойки. Прокопьевск, 2006.
10. Гидроструйные технологии на очистных, подготовительных и вспомогательных работах / В.Г. Мерзляков [и др.]. Изд-во "Берг Инфо", "Глюкауф на русском языке", 2000. № 1.
11. Леман X. Орошение бороздовых резания резцовых коронок комбайнов избирательного действия. Глюкауф. 1987. № 12. С. 3-11.
12. Усовершенствование водоструйных систем. Design guidelines improved water spray systems, Mukherjee S.K., Singh V.V., Iayaramap N.I. (University of Utah, Salt Lake City (USA) Min. Eng/ (Littleton, Colo). Nov. 1986, 38(11). p. 1054-1059.
13. Мерзляков В.Г, Бафталовский B. E. Системы высоконапорного пылевзрывозащитного орошения для проходческих комбайнов избирательного действия // Науч. сообщ. ННЦ ГП- ИГД им. А.А. Скочинского. 2005. Вып. 330. С. 268-276.
14. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., И.Г. Ищук, Гольдин Ю.А Научные основы гидравлического разрушения угля. М.: Наука, 1973.
15. Исследование гидравлического разрушения угля. Коллективная монография. М.: Наука, 1972.
16. Шавловский С.С., Бафталовский В.Е. Влияние угла конусности и длины цилиндрического участка насадки на компактность струи. В сб. "Технология добычи угля подземным способом". 1971. № 12.
17. Мерзляков В.Г. Разрушение угля высокоскоростной струей воды и дисковой шарошкой. М.: Недра, 1997. 215 с.
18. Мерзляков В.Г., Присташ В.В. Гидромеханическое разрушение угля и горных пород -экологически чистая и безопасная технология XXI века // Окружающая среда - человек, ресурсосбережение: Сб. научн. тр. 1999. Вып. 2. Т. 1. С. 145-158.
19. Никонов ГП., Шавловский С.С., Хныкин В.Ф. Исследование динамики и структуры тонких струй воды давлением до 500 ат. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1969. 38 с.
REFERENCES
1. Lukianchenko, Ye. S. (2006). Issledovanie i vybor osnovnykh parametrov gidromonitornoi burovoi ustanovki dlia bezliudnoi vyemki uglya. [Study and selection of the hydraulic monitoring drilling rig main parameters for unmanned coal extraction]. Candidate's thesis. Donetsk [in Russian].
2. Sveshnikov, A. A. (1998). Prikladnyie metody teorii sluchiainykh funktsii [Applied methods of the random functions theory]. Moscow: Nauka [in Russian].
3. Makhov, V. G. (2003). Obosnovanie parametrov tekhnologii vyemki krutykh plastov gidroimpulsnymi ustanovkami [Steep seams excavation technology justification with hydroimpulsive installations]. Extended abstract of candidate's thesis. Donetsk [in Russian].
4. Gemmerling, O. A. (2007). Obosnovanie parametrov gidroimpulsnoi ustanovki dlia provedeniia nareznykh rabot na
plastakh krutogo padeniya [Hydroimpulsive installation parameters justification for preparation work at steep seams] Extended abstract of candidate's thesis. Donetsk [in Russian].
5. Melnik, V. V., Kozova G. I. et al. (2005). Progressivnyie tekhnologicheskiie resheniia skvazhinnoi gidravlicheskoi dobychi uglia [Progressive technological solutions of borehole hydraulic coal mining]. Moscow:[in Russian].
6. Voskoboiev, F.N., Dzhigrin, A.V., Melnik, V.V., Klishin, V.I., Kachurin, N.M., Isaiev, I.R., Lupii, S.M., & Kostiuk, S.G. (2015). Tehnologicheskie resheniia po aktivnomu upravleniiu geomehanicheskimi processami v ugolnykh shakhtakh [Technological solutions for active control of geomechanical processes in coal mines]. Tula: TulGU [in Russian].
7. Boyko, N. G., & Gemmerling, O. A. (2002). Stend dlia issledovaniia protsessa vzaimodeistviia gidroimpulsnoi strui s razrushaemym massivom uglia [Stand for hydroipulsive jet and crushed coal massif interaction process research]. Visti Donetskogo girnichogo institute,3,70-71 [in Russian].
8. Tekhnologicheskie skhemy razrabotki ugolnykh plastov Prokopievska i Kiselevskom mestorozhdenii sistemami podehtazhnoi gidrootboiki. [Technological scheme of Prokopievsk and Kiselevsk field coal seams development with sublevel hydraulic crushing systems]. Prokopyevsk (2006) [in Russian].
9. Instruktsiia po bezopasnomu primeneniiu tekhnologicheskikh skhem razrabotki ugolnykh plastov Prokopievska i Kiselevskom mestorozhdenii sistemami podehtazhnoi gidrootboiki. [Instructions for safe use of technological schemes of Prokopyevsk and Kiselevsk field coal seams development with sublevel hydraulic crushing systems]. Prokopievsk (20060 [in Russian].
10. Merzlyakov, V. G., Kuzmich, I. A., Baftalovsky, V. Ye., Ivanushkin, I. V., & Goldin, Y. A. (2000). Gidrostruinyie tekhnologii na ochistnykh, podgotovitelnyh i vspomogatelnykh rabotakh [Water-jet technologies for extraction, preparatory and auxiliary works]. Publishing house "Berg Info" info", "Gluckauf in Russian", No. 1, [in Russian].
11. Leman, X. (1987). Oroshenie borozdovyh rezaniya rezcovyh koronok kombawnov izbiratelnogo deistviia [Cutting head tool bits water spraying of selective action mining combines]. Glyukauf, № 12, pp. 3-11 [in Russian].
12. Mukherjee S. K., Singh V. V., Iayaramap N. I. (1986). Improvement of water-jet systems. Design guidelines of improved water spray systems, (University of Utah, Salt Lake City (USA) Min. Eng / (Littleton, Colo). Nov. 1986, 38 (11). p. 3. 1054-1059 [in English].
13. Merzlyakov, V. G., & Baftalovsky, B. Ye. (2005). Sistemy vysokonapornogo pylevzryvozashchitnogo orosheniia dlia prokhodcheskikh kombainov izbiratelnogo deistviia [Systems of high-pressure dust- and explosion-proof selective action heading machines spraying]. A. A. Skochinsky Mining Institute, Scientific information, Issue. 330 [in Russian].
14. Nikonov, G. P., Kuzmich, I. A., Ishchuk, I. G. & Goldin, Yu. A. (1973). Nauchnyie osnovy gidravlicheskogo razrusheniia uglia [Scientific basis for hydraulic destruction of coal]. Moscow: Nauka [in Russian].
15. Issledovaniie gidravlicheskogo razrusheniia uglia [The study of the hydraulic destruction of coal]. Collective monograph.- Moscow: Nauka [in Russian].
16. Shavlovsky, S. S., & Baftalovsky, V. Ye. (1971). Vliianie ugla konusnosti i dliny tsilindricheskogo uchastka nasadki na kompaktnost strui [Nozzle taper angle cylindrical part length influence on the jet compactness]." The underground method coal extraction technology", Moscow: Tsnieiugol collection of works, № 12. [in Russian].
17. Merzlyakov V. G. (1997). Razrusheniie uglia vysokoskorostnoi struiei vody i diskovoi sharoshkoi [Coal destruction with high-speed water jet and a disk cutter]. Moscow: Nedra, [in Russian].
18. Merzlyakov V. G., & Pristash, V. V. (1999). Gidromekhanicheskoie razrushenie uglia i gornykh porod -ehkologicheski chistaia i bezopasnaya tekhnologiia XXI veka [Hydromechanical the of the coal and rocks destruction is the XXI century eco-friendly and safe technology]. Environment — people, resource-saving: Scientific works collection, Issue. 2. - Vol. 1 [in Russian].
19. Nikonov, G. P., Shavlovsky, S. S., & Khnykin V. F. (1969). Issledovanie dinamikii struktury tonkikh strui vody davleniem do 500 at. [Dynamics and structure study of thin water jets with pressure up to 500 atmospheres]. Moscow: A. A. Skochinsky IGD, [in Russian]
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАГЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ ГОРНОСПАСАТЕЛЬНОГО ДЕЛА
ж
уНА CTFSiKE
БЕЗОПАСНОСТИ
КОНТАКТЫ
650002, РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ, Г. КЕМЕРОВО, ПР-Т ШАХТЕРОВ, 14 ТЕЛЕФОН: +7 (3842) 641 960
ФАКС: +7 (3842) 641 960
W
Щ.
а..
#ЭКСПЕРТ
• 'Щ
X i я» ■ jK^-t/A
<■ i if ^fy Т
В ОБЛАСТИ ОХРАНЫ ТРУДА
V?- . . ¿. я . ■ • '
-Ш С • • :: , '.
■
г г т
