Снижение энергозатрат гидравлической технологии добычи угля

4 Актуальность работы. Рыночные экономические отношения заставили поновому 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 3 001 «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 31 510 «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 300 103 000−032, 300 112 000;032, 300 114 000−032, 301 507 000−032, 301 508 000−032, 301 510 000−032, 3 015 014 000−032, 315 012 000;032, 315 020 000−032, 315 024 000−032, 315 034 000−032, 392 072 000;032, 119 201 000−032 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 надежностьюэтот 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, учитывающего как феноменологические законы гидравлики, так и надмолекулярную структуру воды и закон передачи энергии.

Эффективное использование энергии струи в процессе ее воздействия на гор-<1 ный 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 механогидравлическом 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, принадлежность 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 энергозатрат 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%- ф — 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 снижения энергозатрат при реконструировании технологии, реализованной в локальных гидроучастках с подземным замкнутым технологическим циклом водоснабжения.

Научная новизна работы заключается:

— в установлении влияния свойств управляемости параметров гидравлической технологии, в частности, объемной доли твердого в пульпе на режим работы технологического процесса и величину энергозатрат;

— в установлении аналитической зависимости для оценки влияния обратных связей объемной доли твердого в пульпе на энергозатраты;

— в новой теоретической основе создания оптимального струеформивания с учетом законов феноменологической гидравлики, надмолекулярной структуры воды, удвоения скоростей и гармоничности передачи энергии, реализованных в многоступенчатом струеформирующем устройстве;

— в разработке оригинальной логико-математической модели управления процессом в забое;

— в выборе тактики создания системы управления забойными машинами;

— в установлении критериев оценки гидротранспортного качества желобов и физических критериев оценки риска забучивания трассы;

— в решении капиллярного уравнения и определении дальнодействия сил адгезии, которое легло в основу классификации угля по смачиваемости;

— в установлении параметров равновесной пленочной влаги и критериев обезвоживания;

— в установлении единой закономерности для конечной скорости осаждения твердых частиц в воде, охватывающей все режимы (ламинарный — Стокса, переходный — Аллена и турбулентный — Риттингера), характеризующийся парашютным эффектом создаваемым силами адгезии и когезии, существенно влияющих на процесс осветления воды;

— в выявлении влияния надмолекулярной структуры воды на величину статической вязкости и устойчивость шламовых вод, как коллоидных растворов тонкодисперсных частиц, а также управление этой структурой с помощью физико-электрических воздействий;

— в интегрально-дифференциальной оценке энергозатрат при реконструкции 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 струеформировании, 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.

4* 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» для повышения производительности машин и снижения оперативных энергозатратл.

— 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 и-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 раз;

— в разработке рекомендаций по рекомбинации технологической цепочки для О 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 исследований позволяют:

— повысить к.п.д. использования гидравлической энергии при гидравлическом способе выемки угля с 0,13 до 0,40.

— повысить на 40 — 60% техническую производительность механогидравличе-ских машин при их дистанционном управлении;

— повысить в два раза транспортную способность и снизить риск забучивания самотечного гидротранспорта с и-образной формой профиля желоба;

— снизить в три раза энергозатраты на обезвоживание за счет сохранения сортности угля в предыдущих звеньях и использования различных способов обезвоживания к углям различных классов смачиваемости;

— предложить способ интенсификации более чем в 10 раз осветления шламовых вод путем воздействия на структуру воды, ее статическую вязкость;

— обеспечить снижение энергозатрат по процессам ре-комбинированной технологической цепи в целом в два раза.

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

— в аппаратуре управления ПДУ (ДУ-2) для механогидравлического комбайна К-56МГ, прошедшей стадии от экспериментального образца до серийного выпуска;

— в аппаратуре ДУ-4 для самоходного гидромонитора с импульсным повысите-лем давления ГПИ на стадии экспериментального и опытного образцов;

— в аппаратуре АГА для самоходного гидромонитора на стадии опытного образца;

— в гидромониторе ГДМС-12−10 с многоступенчатым струсформирующим устройством;

— в гидромониторе ГДМСМ-12−10 с оптимальным многоступенчатым струе-формирующим устройством;

— в Технических требованиях по исключению опасного фрикционного искро-образования при гидравлической отбойке угля в очистных забоях гидрошахт и гидроучастков;

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

— в исходных требованиях на желоба с параболической формой поперечного сечения;

— в исходных данных на разработку физико-электрических осветлителей;

Апробация работы. Основные научные к методические 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 1962 г., г. Новокузнецкнаучная конференция «Математические методы в горном деле» 1963 г., г. Новосибирск, СО АН СССРнаучная конференция преподавателей математических кафедр пединститутов Сибири (12−15 мая 1969 г.) г. Новокузнецкнаучно-техническое совещание «Применение эффективности подземной добычи угля гидравлическим способом и перспективы ее развития», 14−15 октября 1980 г., г. Новокузнецкнаучно-практическая конференция «Применение микропроцессоров и робототехники для сокращения ручного труда в промышленности Кузбасса», 1 октября 1968 г., г. Кемерово;

VI Всесоюзное совещание по теоретическим и практическим аспектам турбулентных течений, 30 марта 1969 г., г. Таллиннна четырех научных семинарах под эгидой Института 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 гидротехнологий", г. Новокузнецк, ВНИИгидроуголь, 1990 г.;

Направление развития гидротехнологии отработки крутых пластов, теорети-% ческие и практические аспекты создания наукоемких гидротехнологий нового уровня эффективности для сложных горно-геологических условий, г. Новокузнецк, СМИ, 23−25 ноября 1992 г.;

1У-ая международная научно-практическая конференция, 13−16 мая 1997 г., г. Новокузнецк;

Ученые Советы ВНИИгидроугля 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.