Обоснование технологических требований к гидромониторам для эффективного проведения подготовительных выработок

Актуальность работы. Добыча угля гидравлическим способом является одной из перспективных технологий разработки полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях. Положительные результаты, полученные на гидрошахтах «Красногорская» и «Тырганская», способствовали тому, что в последнее время построены гидроучастки и на шахтах «Коксовая», им. Ворошилова, им. Дзержинского, «Зиминка» ОАО «Прокопьевскуголь».

Достоинством гидротехнологии является высокая безопасность, достигаемая за счет дистанционного управления процессом выемки угля, а недостатком — высокая энергоемкость добычи угля, которая связана с низкой производительностью гидромониторов. Наибольшие энергозатраты отмечаются при проведении подготовительных выработок в условиях, где доля энергии горного давления, затрачиваемая на разрушение массива, проявляется незначительно, а решающее значение принадлежит энергии гидравлической струи, зависящей от конструкции гидромонитора и его элементов струеформирования. Повышение эффективности формирования струи в гидромониторах за счет выбора успокоителей и насадков — один из путей уменьшения энергоемкости гидротехнологии.

До настоящего времени при создании гидромониторов основное внимание уделялось повышению их надежности и минимизации гидравлического сопротивления проточной части, без модификации струеформирующих устройств. Для определения производительности использовались эмпирические зависимости, которые не оценивали в полной мере влияния качества гидромониторной струи на ее разрушающую способность. Это затрудняло обоснование технологических требований к гидромониторам по фактору эффективной отбойки угля.

В связи с этим исследования, направленные на повышение эффективности использования подводимой к гидромонитору энергии для гидравлического разрушения, базирующиеся на изучении динамики струи и процессов ее формирования в стволе гидромонитора, являются весьма важными. Изучение взаимодействия гидромониторной струи с угольным массивом позволит обосновать технологические требования к созданию эффективных струеформирующих устройств гидромониторов, повысить их технико-экономические показатели за счет определения рациональных параметров отрабатываемых заходок и безопасность проведения подготовительных выработок.

Таким образом, обоснование технологических требований к гидромониторам для эффективного разрушения угольного массива в подготовительных выработках является актуальной научной задачей.

Соответствие диссертации планам НИР. Исследования проводились в рамках планов НИОКР института ВНИИгидроуголь в 1981 — 2000 годы по темам: «Провести комплекс поисковых исследований с целью разработки малоэнергоемкой технологии выемки угля на основе применения управляемого процесса гидравлического разрушения и улучшения динамических характеристик струй» (39 400 800−032) и «Разработать и внедрить методы повышения эффективности гидроотбойки угля путем управления динамическими характеристиками струй и состоянием массива» (30 010 300−032) и, а также инициативным работам НФИ КемГУ в 2001 — 2004 годы по направлению «Изыскание резервов снижения энергоемкости гидравлической технологии добычи угля».

Цель работы. Повышение эффективности применения гидромониторов при проведении подготовительных выработок за счет обеспечения требуемых технологических параметров гидравлического разрушения угольного массива.

Идеяработы заключается в обосновании критериев качества гидромониторов, с использованием установленных зависимостей динамического давления по длине гидромониторной струи от технических характеристик гидромонитора и прочностных свойств угля.

Задачи исследований: обосновать критерии качества формирования струи в подземном гидромониторе и установить зависимость распределения динамического давления в гидромониторной струе от расстояния до насадкапровести стендовые испытания успокоителей и насадков для определения их роли при формировании гидромониторной струиопределить зависимость динамических характеристик струи от предела прочности угля для оценки производительности гидромонитора в подготовительных выработках различных форм и размеровобосновать рациональную длину заходки в подготовительном забое для обеспечения максимальной скорости ее проведения при минимальных энергозатратахразработать методику оценки требуемых технических характеристик гидромонитора для определения рациональной области его применения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов, включающий анализ технологии и опыта гидравлической добычи угля, обобщение научно-технических разработок в области формирования струй и гидравлического разрушенияметоды математического моделирования для описания динамических характеристик струи и взаимодействия струи с угольным массивомчисленные методы для вычисления объемных интеграловметоды математической статистики для обработки результатов стендовых и шахтных испытанийстендовые исследования динамики струи и процессов струеформирования в гидромониторах для корректировки теоретических зависимостейхронометражные наблюдения за процессами гидравлического разрушения угольного массива для проверки адекватности изменения производительности гидравлического разрушения по длине струи.

Научные положения, выносимые на защиту: характер распределения динамического давления в гидромониторной струе позволяет выделить эффективное ядро, определяющее рабочую длину струи в зависимости от предела прочности углясовокупность требований к техническим характеристикам гидромониторов базируется на результатах обоснования параметров качества струи, обеспечивающих эффективность гидроотбойки угляпроизводительность гидромонитора в подготовительных выработках шахт является функцией, увязывающей технические его характеристики, коэффициент осевого динамического давления, площадь эффективного ядра разрушения и предел прочности углязависимость производительности гидравлического разрушения по длине струи позволяет устанавливать рациональную длину заходки при проведении подготовительных выработок с учетом их геометрии и прочности угля при минимуме энергозатратметодика оценки требуемых технических характеристик гидромонитора по результатам стендовых испытаний обеспечивает выбор области рационального применения гидромониторов в широком диапазоне горногеологических условий.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается корректностью уравнений автомодельных струйных течений, адаптированных к условиям движения гидромониторной струи, и удовлетворительной сходимостью полученных результатов с экспериментальными данными с погрешностью не более 10%- удовлетворительным соответствием характеристик струй различных струеформирующих устройств при стендовых исследованиях и выемке угля в промышленных условияхотклонением расчетной производительности гидравлического разрушения от фактической, полученной в условиях гидрошахты «Юбилейная»: захронометрировано 500 м проведенных выработок, при этом расхождение не превысило 15%- положительными результатами шахтных испытаний опытного образца модернизированного гидромонитора ГДМС 12−10 с параметрами, установленными в стендовых условиях на шахтах «Тырганская» (добыто 23 ООО т угля) и «Красногорская» (добыто 14 ООО т угля).

Научная новизна работы заключается в: установлении зависимости динамического давления по длине гидромониторной струи, эффективное ядро которой ограничивается минимальным давлением, необходимым для разрушения угляобосновании критериев качества гидромонитора: «коэффициента дальнобойности», «коэффициента компактности» и «коэффициента осевого динамического давления" — разработке комплекса технологических требований к гидромониторам по обеспечению эффективного разрушения угля в подготовительных выработкахустановлении максимума производительности гидромонитора по разрушению, рациональной длины заходки и минимума затраченной энергии.

Личный вклад автора состоит: в разработке экспериментально-аналитической модели гидромониторной струи, где коэффициенты, характеризующие начальные условия истечения, определяются по результатам стендовых испытанийв обосновании критерия качества гидромонитора, позволяющего оценить эффективность струеформирования и определить его производительность разрушения угляв установлении зависимости производительности гидромонитора по разрушению угольного массива от эффективного ядра струи на различных расстояниях от насадкав проведении стендовых исследований насадков и успокоителей как основных струеформирующих устройств, определяющих качество гидромонитора, для определения их эффективных параметровв промышленных испытаниях гидромониторов, технические параметры которых предварительно определялись стендовыми испытаниямив разработке методики оценки технических параметров гидромонитора по результатам стендовых испытаний для выбора области рационального их использования.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований позволяют оценивать качество серийных и вновь разработанных гидромониторов и устройств струеформирования путем определения параметров качества струиопределять производительность разрушения угля гидромонитором с учетом динамических характеристик его струиобосновывать на стадии проектирования гидроучастка рациональные параметры подготовительных выработок при гидравлическом разрушении угляповысить производительность гидравлического разрушения в подготовительных выработках на 20−30% за счет применения успокоителей, увеличивающих динамическое давление струи в 1,2 -1,4 разаопределять область применения гидромонитора по результатам его стендовых испытаний.

Реализация работы. Идеи и закономерности, полученные в ходе исследований, реализованы при разработке норм оценки качества струи подземного гидромонитора как средства гидравлического разрушения (в технических условиях на гидромонитор ГДМС 12−10 по теме «Разработать и внедрить методы повышения эффективности гидроотбойки угля путем управления динамическими характеристиками струй и состоянием массива») — рекомендаций для струеформирующих устройств модернизированного гидромонитора ГДМС 12−10 (в опытном образце по теме «Разработать и внедрить методы повышения эффективности гидроотбойки угля путем управления динамическими характеристиками струй и состоянием массива») — натурного стенда, построенного во ВНИИгидроугле для исследования водяных струй, и типовой методики проведения испытаний серийных и экспериментальных гидромониторовпаспортов проведения выемочных печей по пласту 25 в условиях ш."Юбилейная" и подэтажных штреков по пласту «Двойной» ш. Тырганская.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции по вопросам гидродобычи (Кемерово, 1985) — на VI Всесоюзном научном совещании по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений «Турбулентные течения и техника эксперимента» (Таллинн, 1989) — на Всесоюзном научно-техническом совещании «Технология разработки угольных пластов гидравлическим и механическим способом при управлении кровлей с закладкой выработанного пространства» (Москва, 1990) — на секциях Ученого совета института ВНИИгидроуголь (Новокузнецк, 1986;1991) — на 6-й Всероссийской конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, 2004) — на научном семинаре факультета информационных технологий НФИ КемГУ (Новокузнецк, 2005).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 печатных работах, включая 5 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, содержащего 91 наименование. Общий объем работы — 133 страница.

Выводы к главе 4.

1. Результаты проведенных исследований позволили разработать методику оценки технических характеристик гидромонитора по результатам стендовых испытаний, которая позволяет сравнивать гидромониторы различных конструкций и прогнозировать их эффективность без непосредственного сравнения в условиях гидрошахты.

2. Исследования влияния элементов проточной части на динамические параметры струи позволили усовершенствовать серийные гидромониторы ГМДЦ-3 (усовершенствованный ГДМС 12−5) и 12ГД-2 (усовершенствованный ГДМС 12−10). Проверка по предложенной методике показала превосходство усовершенствованных над серийными в 1,3−1,4 раза.

3. Сравнительные испытания этих гидромониторов, проведенные в условиях гидрошахт «Юбилейная», «Красногорская» и «Тырганская» подтвердили теоретические результаты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основании выполненных исследований приведены научно-обоснованные технические решения, позволяющие предъявить технологические требования к гидромониторам для проведения подготовительных выработок, имеющие существенное значение для эффективной и безопасной выемки угля подземными гидромониторами и позволяющие совершенствовать управление этим процессом при ведении горных работ.

Основные теоретически и практически значимые результаты заключаются в следующем.

1. Установлено, что динамическое давление на оси струи обратно пропорционально квадрату расстояния до насадка, а в поперечном сечении закон распределения, близкий к нормальному. Для серийных гидромониторов (типа ГМДЦ — 3) осевое динамическое давление на расстоянии 2 — 3 м от насадка уменьшается в 1,8 — 2,7 раза. Полное описание пространственно — динамических характеристик струи обеспечивается предложенным коэффициентом осевого динамического давления, который позволяет рассчитывать размеры эффективного ядра струи, непосредственно участвующего в разрушении массива и определяющего рабочую длину струи.

2. Экспериментально показано, что для оценки качества гидромонитора и его струеформирующих устройств может быть использован коэффициент осевого динамического давления. Найдены выражения для «коэффициента компактности», определяющего угол расширения струи, и «коэффициента дальнобойности». Сравнительные испытания успокоителей показали, что лучшим является радиально — цилиндрический, для которого коэффициент осевого динамического давления равен 0,4 (в 1,4 раза больше, чем у серийного). Испытаниями насадков установлены лучшие их параметры: угол конусности — 40°, длина цилиндрического участка на выходе — (3−4) диаметра. Комплексное использование предложенного успокоителя и насадка увеличивает дальнобойность струи на 35 — 40% по сравнению с серийными гидромониторами.

3. Производительность гидравлического разрушения гидромонитора в точке контакта его струи с угольным массивом пропорциональна осевому динамическому давлению и площади эффективного ядра. Корректировка формулы осуществляется эмпирической постоянной, определяемой эксперментально — аналитическим методом по измерениям проведенной части выработки. Предложенная зависимость производительности по длине струи позволяет вычислять время выемки угля из заходки с известными геометрическими параметрами.

4. Технико-технологические требования к гидромониторам, используемым при проведении подготовительных выработок по углям с условным пределом прочности 1 — 3 МПа, заключаются в следующем: подводимое давление не менее 10 МПа, диаметр насадка 20 — 26 мм (соответствует расходу 250 — 350 л м /час.). Помимо этого, гидромонитор оснащен радиально цилиндрическим успокоителем с 3-мя внутренними цилиндрами, разрезанными крестообразными пластинами, насадок имеет угол конусности 40° и цилиндрический участок не более 3 — 4 do, а «коэффициент осевого динамического давления» должен быть более 0,5.

5. Предварительные испытания гидромониторов на стенде, разработанном и построенном для измерения параметров струи по предложенной модели (проведение экспериментов возможно при давлениях до 10 МПа и расходах до л.

250 м /ч, что соответствует условиям промышленной эксплуатации), позволяют определить область их рационального использования в зависимости от горногеологических условий. Коэффициент осевого динамического давления, установленный по результатам стендовых испытаний, позволяет в зависимости от крепости угля определять рабочую длину струи и планировать горные работы.

6. Полученная зависимость производительности гидромонитора от расстояния до насадка позволяет устанавливать рациональную длину заходки при прохождении подготовительной выработки, учитывая качество струи, крепость угля и шаг крепи, по минимуму энергетических затрат на гидравлическое разрушение, и регулировать время подачи высоконапорной воды в забой.

7. Практическая значимость результатов подтверждается сравнительными испытаниями гидромонитора с усовершенствованным струеформирующим устройством — ГДМС 12−5 и серийного — ГМДЦ-3 при проходке подготовительных выработок на пласте 25 шахты «Юбилейная» (500м выработок). Повышенный коэффициент осевого динамического давления нового гидромонитора (в 1,42 раза больше, чем у серийного) способствовал увеличению производительности разрушения угля почти в 1,5 раза. Испытания опытного образца гидромонитора ГДМС 12−10 в условиях шахт «Тырганская» (очистные работы, добыто 23 000 т угля) и «Красногорская» (добыто 700 т при подготовительных работах) зафиксировали повышение производительности гидравлического разрушения более чем в 1,6 и 1,7 раз, соответственно, по сравнению с серийным гиромонитором 12ГД-2.

8. Каждый гидромонитор, изготовленный на заводе, должен подвергаться стендовым испытаниям для определения качества его изготовления: коэффициент осевого динамического давления не должен быть меньше критической величины, определенной для конкретного типа гидромонитора (например, для гидромонитора ГДМС 12−10 это значение равно 0,5). Это позволит определять его область рационального применения при планировании горных работ.