Синтез безопасных комбинированных гидравлических процессов выемки угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

С.Г. Фомичев

СИНТЕЗ БЕЗОПАСНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЫЕМКИ УГЛЯ

"П основе основных недостатков очистной гидравлической

М.М выемки угля лежит последовательная схема выполнения рабочих процессов и операций струей гидромонитора, высокая неравномерность характеристик потока пульпы, а также сложность управления технологическими процессами. Повышенная энергоемкость гидравлической технологии и аварийность гидротранспорта являются следствием указанных недостатков. Современные технологии, например, комплексно механизированные очистные забои, реализуются при максимальном совмещении рабочих процессов во времени, характеризуются высокой равномерностью выходящего потока угля и поэтому имеют более высокие техникоэкономические показатели.

В гидравлической технологии рабочие процессы РП1, РП2 и РП3 выполняются последовательно одной высоконапорной струей воды, что предполагает низкий уровень совмещения рабочих процессов во времени и соответственно низкую нагрузку на очистной забой, и высокую энергоемкость добычи угля (рис. 1).

РП1 - основной рабочий процесс. Гидроразрушение угля РГ характеризуется неравномерностью производительности Пр из-за отжима угля силами горного давления, который, как правило, не мешает выемке угля за счет дистанционного действия струи и использования полости заходки как емкости для его временного складирования, но иногда приводит к возникновению аварийных ситуаций.

РП2 - вспомогательный рабочий процесс. Гидроприготовление угля в забое ПГн включает дробление негабаритов, которое не совмещается с основным рабочим процессом - разрушением угля, и характеризуется отсутствием гарантии полноты их дробления из-за интуитивной оценки расположения негабаритов в заходке, что влечет за собой повышенную аварийность гидротранспорта угольной пульпы.

РП3 - вспомогательный рабочий процесс. Гидровыгрузка угля ВГ включает:

- естественную выгрузку угля из забоя ВГс совмещенную с разрушением угля имеющую низкую производительность из-за неровной почвы заходок;

- принудительную выгрузку ВГн не совмещенную с разрушением, которая характеризуется высокой не равномерностью производительности из-за встречного движения струи с выходящим потоком пульпы, что требует дополнительного подтопления отбитого угля с последующим выпуском накопленной пульпы и также влечет за собой повышенную аварийность гидротранспорта.

Все рассмотренные процессы имеют высокую неравномерность выхода угля из забоя, что приводит к забучиванию потока пульпы и снижению безопасности очистных работ. Возникает естественный вопрос, каким образом изменить сложившуюся практику, стабилизировать выходные показатели и перейти от сложно управляемого к управляемому процессу гидравлической выемки угля?

Структурный пооперационный анализ механизированной, гидравлической, буровзрывной и других технологий очистной выемки угля показывает, что все операции разбиваются на две группы:

первая группа - операции и рабочие процессы не характерные для всех известных технологий: крепление, устранение отказов, за-бучивания и т. д;

вторая группа - рабочие процессы характерные для всех технологий: разрушение массива угля, дробление негабаритов, погрузка и транспортирование.

Идентичность структуры рабочих процессов по добыче угля, реализуемых различными способами и отличающихся терминологически, позволяет ввести понятие «базовый» процесс или «базовая» технология (табл. 1).

При разработке новых технологий признак «совмещение» вспомогательных процессов понимается более широко, чем признак «параллельности» и предполагает соответствие их продолжительности и производительности основному процессу - гидравлическому разрушению при соблюдении условия

Рис. 1. Зависимость производительности очистной гидравлической выемки угля и входящих в него рабочих процессов при отработке заходок пл. III Внутренний гидромонитором 12ГД 2 (т = 4,5 м; а = 60о; dн = 25 мм; Р = 9,2 МПа)

Тр > ъ > 4;

V V V

р > _1Р_ >_р_ •

Пр~ Рп ~Ре ’

(1)

тр =^рт/ пр ; Iп Vррт / рп ;

*в ^ррт/ Рв ;

Пр < рп < рв,

(3)

(4)

(5) (6)

где Тр и Пр - продолжительность и производительность разрушения угля; Vр и уОт - объем угля разрушаемый гидравлическим способом и его плотность; ^п и 4 - продолжительность приготовления и выгрузки угля из забоя; рп и рв - производительность приготовления и выгрузки угля.

Нарушение принципа полного совмещения процессов во времени (1) происходит под влиянием различных факторов:

- не равномерное поступление угля из забоя при его отжиме, в результате которого к разрушенному объему Vр поступает дополнительный объем угля V,).

- наличие негабаритов снижающих производительность транспорта.

Если дополнительно поступающий объем угля V).

- не значителен, то при условии наличия резерва производительности Пв транспортные средства, отгрузят его без остановки процесса разрушения угля;

- значителен, то возникает необходимость в остановке разрушения угля и последующей непрерывной его выгрузке.

Исключить указанные факторы, нарушающие технологические требования к процессу очистной выемки угля (1) и (6) не возможно, остается сгладить их влияние за счет соблюдения требований представленных в табл. 2:

Требование 1 - совмещаемость процессов за счет резерва времени и производительности у каждого процесса следующего за основным или предыдущим;

Требование 2 - совмещаемость процессов за счет аккумулирования угля в промежуточной «емкости» сглаживающей его неравномерное поступление.

Наличие емкости характерно для гидротехнологии (рис. 1), где отработанная полость позволяет аккумулировать отжатый уголь объемом:

Уд = 5 - 20 т при обрушении угля по контуру выемочной выработки на начальной стадии выемки отработки заходок после удаления крепи (зона отжима I);

351

Таблица 1

Структурная характеристика процессов очистной выемки угля

Структура технологических процессов Приоритет- ность Совмещенность с основным процессом

№ Механизированный Гидравлический Базовый

Л« РП1 Механическое разрушение угля Гидравлическое разрушение угля Разрушение угля (Р) Основной

РП2 Механическое дробление негабаритов Гидравлическое дробление негабаритов Приготовление угля (П) Вспомога- тельный Да (Пс)

Нет (Пн)

* в РП3 Механическая погрузка и транспорт Смыв и гидротранспорт угля Выгрузка угля (В) Вспомога- тельный Да (Вс)

Нет (Вн)

Таблица 2

Условия совмещения рабочих процессов по выемке угля

Нацменов ание Условия совмещаемости рабочих процессов №

условий Разрушение (Р) У Приготовление (77) У Выгрузка (В)

Исходное условие (1) Т 1Р > > гв -

Требование 1. Совмещаемость процессов за счет резерва времени По затратам т Ар = т 1 п = Тв (7)

времени = Кп = Ке1е (8)

По производи- У»- = Л„Рр = -Ъ- Л„Рр (9)

или производительности. тельности Пр = V, ПпРт = V, ПвРт (10)

Требование 2. (11)

Совмещаемость процессов за счет аккумулирования угля. Р/77 ЧпРр Р/77 ЛеРР

'/рп+'/а„. (12)

Пп Рт пе Рт

Уд = 30 - 50 т при обрушении потолочины заходки перед перепуском гибкого перекрытия на конечной стадии выемки (зона отжима II).

Формулы (7) - (9) получены с использованием выражений:

= 0^ (13)

•ч = (14)

Кп =—; (15)

Пп

Кв = —; (16)

Пе

Пп Пп Рп; (17)

Пв = Пв рв- (18)

Формулы (10-12) получены при условии, что на переработку за тоже время ^ к разрушенному объему угля Ур поступает дополнительный объем Уд

Ур = Урп + Удп; (19)

Ур = Урв + Удв, (20)

где Тп и Тв - время приготовления и выгрузки угля с резервом; Пп и Пв - производительность приготовления и выгрузки угля с резервом; Кп и Кв - коэффициенты запаса времени; цп и цв - коэффициенты запаса производительности; Урп и Урв - объемы приготавливаемого и выгружаемого угля разрушенного струей; Удп и Удв - дополнительные объемы приготавливаемого и выгружаемого угля отжатого в зонах I и II.

Требуемая производительность вспомогательных рабочих процессов совмещенных с основным - разрушением угля, определится из уравнения (12):

- по приготовлению угля Пп считая негабариты частью выгружаемого угля

V V + V,

р_ рп дп

откуда Пп = Пр К,

Пр Пп

Урп = Ур Кн; (22)

Удп = Удв К,; (23)

- по выгрузке угля Пв считая, что выгружается весь извлекаемый уголь

V V + -Л V

Пг = Рвп , откуда П = Пр Ки 1*.; (24)

П р п в Vp

Vpe + Vde = V Ки, (25)

где Кн - коэффициент, учитывающий содержание негабаритов в отбитом угле; Ки - коэффициент извлечения угля в заходке; V - полный объем угля в заходке.

Vde Voe + Von m (loe + lonX (26)

где Voe и Von - объемы отжатого угля у выработки и в потолочине заходки; 1ов и 1оп - приведенная длина зон обрушения у выработки и в потолочине.

Средняя производительность Пр по разрушению угольного массива струей части очистной заходки размером lp входящая в выражения (21) и (25) (рис. 1)

A hH ~ 1ОП

Пр = - j Пр (I) d ; (27)

1Р 1ов

lp = К - (1ов + lon), (28)

где Пр(1) - зависимость производительности разрушения по длине струи l; Кн - наклонная высота заходки; lp - приведенный размер зоны не отжатого угля в заходке.

При синтезе любых комбинированных процессов очистной выемки угля для соблюдения условия совмещения процессов во времени не эффективные способы или средства реализации рабочих процессов по выгрузке и приготовлению угля замещаются более производительные и менее энергоемкие (рис. 2, А).

Синтез гидравлических комбинированных процессов очистной выемки угля, с использованием гидравлического разрушения угля в качестве основного рабочего процесса, имеет ряд отличительных признаков (рис. 2, Б).

1. Всегда присутствует естественная гидравлическая выгрузка угля из забоя ВГ, за счет воды постоянно подаваемой через гидромонитор, участвующая в комбинированном процессе выемки совместно с другой более эффективной выгрузкой.

2. Не исключается дробление негабаритов струей, которое может использоваться при максимальных размерах негабаритов ён >

0,5 - 2,0 м превышающих приемную способность механизированных узлов дробления и при наличии элементов крепи создающих аварийные условия его эксплуатации.

Рекомбинируемые базовые процессы (БП)

Рекомбинированные группы рабочих процессов: (Р) - разрушение угля;

(П) - приготовление угля; (В) ■ выгрузка угля.

Комбинированные группы рабочих процессов

Дополнительные рабочие процессы (ЦП)

Синтезированный процесс (СП)

А. Общая схема для любых комбинированных технологий выемки

БП1

7Т\

! БП2 ! -------

/ і '

|! ♦ ІІ

Б. Принципиальная схема для гидравлических (Г) комбинированных технологий

БПГ

7Т\

! БП2 ! I..........’

|( I

Рекомбинируемые базовые процессы (БП)

Рекомбинированные группы рабочих процессов: (Р) - разрушение угля;

(П) - приготовление угля; (В)-выгрузка угля.

Комбинированные группы рабочих процессов

Дополнительные рабочие процессы (ДП)

Синтезированный процесс (СП)

БПГ

7Г\

! БП2 ! і-,-.-,-!

|! » !|

БПЗ

В. Принципиальная схема для смешан-

ных технологии выемки угля

Рис. 2. Схемы рекомбинации базовых процессов и синтез гидравлических комбинированных процессов (технологий) очистной выемкой угля

3. Не исключается принудительная выгрузка струей оставшегося отбитого угля на конечной стадии отработки заходок, который удалён на длину 1д > 2 - 3 м из-за ограниченных размеров зоны выгрузки, например механизированной.

Дополнительными технологическими процессами (ДП) являются:

а) подача дополнительной низконапорной воды (ГВН) для доведением консистенции пульпы до требуемых значений гидротранспорта при избытке угля получаемого от совмещения рабочих процессов;

б) предварительное ослабление массива за счет нагнетания воды в скважины (ОН), проведения разгрузочных полостей (ОП) или сотрясательного взрывания (ОВ) используемого на начальных этапах совершенствования гидротехнологии.

Если при синтезе гидравлических комбинированных технологий очистной выемки угля первый рекомбинируемый базовый процесс БП1 всегда гидравлический, из которого используется только гидравлическое разрушение угля РГ, то второй БП2, из которого заимствуются вспомогательные процессы, может быть механизированный и тонкоструйный гидравли-ческий (табл. 3 - процессы № 1 и № 2).

К смешенным вариантам синтезируемых гидравлических комбинированных технологий очистной выемки угля относятся случаи, когда дополнительно к основному рабочему процессу, гидравлическому разрушению РГ из базового процесса БП1, заимствуются вспомогательные рабочие процессы у двух других базовых процессов БП2 и БП3, например - у механизированного и тонкоструйного гидравлического (рис. 2, В и табл. 3 - процессы №3 и №4).

Выводы

1. Разработана структура «базового процесса» очистной выемки угля включающая три рабочих процесса по добыче угля идентичные в различных технологиях выемки, но реализуемые различными способами: основной рабочий процесс разрушение угля и два вспомогательных - приготовление и выгрузка угля.

2. В структуру синтезируемых комбинированных процессов очистной выемки угля заложена полная совмещаемость рабочих процессов приготовления и выгрузки угля во времени с основным рабочим процессом - разрушением угля.

3. Разработан метод расчета параметров комбинированной технологии очистной выемки на крутых пластах с процессами, совмещаемыми во времени. В основу метода заложено аккумулирование угля отжимаемого под действием сил горного давления и не равномерно поступающего в заходку объемом VI, = 5 - 50 т дополнительно к объему Vр разрушаемому гидравлическим способом.

356

Таблица 3

Перечень основных синтезируемых технологий очистной выемкой угля

I с & 1. 3 Рекомбинируемые группы базовых процессов Рабочие процессы из рекомбинируемых групп используемые для синтеза Наименование синтезированных процессов, их обозначение и структура

Разруше- ние Приготовление Выгрузка

і БП1 Гидравлический (Г) РГ - ВГ 1. Комбинированный гидромеханический КГМ (РГ - ПМ - ВМ)

БП2 Механизированный (М) - ПМ ВМ

2 БП1 Гидравлический (Г) РГ - ВГ 2. Комбинированный гидравлический КГ (РГ - ПГт - ВГт)

БП2 Гидравлический (Гт)1 - ПГт ВГт

3 БП1 Гидравлический (Г) РГ - ВГ 3. Комбинированный смешанный гидромеханический КСГМ (РГ - ПМ - ВГт)

БП2 Механизированный (М) - ПМ -

БП3 Гидравлический (Гт)1 - - ВГт

4 БП1 Гидравлический (Г) РГ - ВГ 4. Комбинированный смешанный механогидргидравлический КСМГ (РГ - ПГт - ВМ)

БП2 Механизированный (М) - - ВМ

БП3 Гидравлический (Гт)1 - ПГт -

1 Процесс, основанный на использовании тонкоструйных средств гидромеханизации (индекс - «т») для рабочих процессов по приготовлению угля и его выгрузки.

4. Разработаны четыре основных варианта комбинированных гидравлических технологий очистной выемки угля, в основу которых заложена структурная рекомбинация базовых процессов и замена не эффективных процессов на менее энергоемкие и более производительные, а также за счет введения дополнительных процессов обеспечивающих улучшение показателей. Выбор конкретных исполнительных механизмов и устройств для реализации вспомогательных процессов, зависит от различных горногеологических и технологических факторов.

5. Практическая реализация комбинированных гидравлических технологий очистной выемки угля позволит перейти к полному управлению процессом, что позволит снизить энергоемкость добычи угля и повысить безопасность.

— Коротко об авторах ------------------------------------------

Фомичев Сергей Григорьевич - Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк, кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные системы и управление».