Обоснование принципов создания малооперационных технологий при использовании в очистных забоях гидромониторных агрегатов

В.В. Козлов, к.т.н., «НИТУ МИСиС»

А.Б. Михеева, к.т.н., «НИТУ МИСиС»

А.С. Оганесян, д.т.н., «НИТУ МИСиС»

В.В. Агафонов, д.т.н., «НИТУ МИСиС»

В настоящее время повышение производительности гидроотбойки за счет увеличения давления и расхода воды, как показывают расчеты, не позволяет достигнуть существенного увеличения производительности.

Так, при отбойке угля гидромонитором с насадкой, удаленной от плоскости забоя на расстояние 1 м, повышение давления с 10 МПа до 16 МПа позволили увеличить производительность гидроотбойки всего в 1,4–2,0 раза, при этом возрастают энергозатраты на разрушение.

Выполненные расчеты показывают, что наиболее влияющим на производительность гидравлического разрушения фактором является расстояние от насадки гидромонитора до разрушаемого забоя. Приведенные на рис. 3 зависимости свидетельствуют об ухудшении всех показателей, характеризующих процесс гидравлического разрушения с удалением насадки гидромонитора от забоя.

С целью выявления факторов, в наибольшей степени влияющих на производительность гидроотбойки, были проведены теоретические экспериментальные исследования [1]. Как показывают расчеты, выполненные по методике С.С. Шавловского, производительность гидравлического разрушения (П) в значительной степени зависит от принятого расстояния от насадки до гидромониторного забоя:

где: – α₀ диаметр насадки, мм; P_m– осевое динамическое давление струи на контакте с угольным массивом, МПа; Ψ₀– коэффициент удельного водопоглащения пласта; P_cp– среднее динамическое давление струи на контакте с угольным массивом, МПа; η– коэффициент, учитывающий размеры заходки; l_Н.З– расстояние от насадки до забоя, м; σ_сж– предел прочности угля на сжатие, МПа; Д– диаметр струи воды у забоя, м. Энергоемкость разрушения определяется по формуле:

где: Q– расход воды, м³/с; H_H– давление воды в напорном трубопроводе насоса, МПа. Результаты расчета по формуле (3) показывают, что при давлении 10 МПа и расходе воды Q = 300 м3/ч производительность гидроотбойки (П_в) при расстоянии от насадки гидромонитора до забоя l = I м составляет 300 т/ч (рис. 1). На расстоянии l = 2,5 м производительность падает в три раза и при l = 10 м уменьшается в 100 раз. Влияние диаметра насадки на производительность гидроотбойки в наибольшей степени проявляется на расстоянии l до 4 м. При этом, увеличениe α₀ с 18 до 22 мм приводит к росту производительности на 3–4 %, а затем при α₀= 26 мм и α₀= 30 мм с ростом расхода и диаметра пятна струи в месте контакта с забоем и уменьшением среднего давления струи производительность падает.

Методика расчета гидромониторной выемки угля в очистных забоях позволяет учесть давление в канале гидромонитора, диаметр насадки, качество струи, размеры заходок, физико-механические свойства пласта, степень развития горных работ на участке и положение по отношению к ранее отработанному пространству отрабатываемых заходок. Расчетная формула производительности отбойки по забою имеет вид:

где: K– коэффициент отжима и самообрушения; Kl– коэффициент, учитывающий длину струи; m– базовое значение консистенции пульпы; l– безразмерная длина струи.

Расчетная формула (3) не содержит параметров, учитывающих расстояния от насадки гидромонитора до забоя. В связи с этим, как следует из данных расчетов, величина не оказывает существенного влияния на производительность гидроотбойки (рис. 3). Расчетная формула (3) дает среднее значение производительности по заходке.

Сравнение показателей, характеризующих эффективность процессов гидравлического разрушения, показывает, что производительность выемки угля в заходках, раздавленных силами горного давления в 1,5–2 раза выше, чем в заходках, оконтуренных массивом угля.

Экспериментальные исследования по гидровымыванию опережающих полостей позволили установить влияние диаметра насадки, начального расстояния от насадки до забоя, скорости перемещения струи по забою на производительность при напоре воды перед насадкой гидромонитора 4–5 МПа.

Производительность гидравлического разрушения угля при использовании насадок диаметром d= 14 мм и d= 17 мм, при увеличении начального расстояния от 0,5 до 5 м уменьшается с 200 до 20 м3/ч, то есть в 10 раз. В процессе исследований также было установлено, что вместе с величиной начального расстояния l на производительность гидроотбойки существенное влияние оказывает скорость перемещения струи по забою V.Так, при V= 0 м/с и V= 0,8 м, производительность гидроотбойки составила 4,4 т/ч, при V= 0,15 м/с она возросла до 18,9 т/ч и при = 0,53 м/с – достигла 39 т/ч.

Увеличение скорости V с 0,73 м/с и одновременное удаление гидромонитора от забоя до 1,3 м приводит к некоторому снижению производительности – до 36,5 т/ч. По данным проведенных экспериментов, средняя производительность гидроотбойки 34,2 т/ч при вымывании опережающих полостей была достигнута при мощности гидромониторной струи 130 кВт-ч и средней энергоемкости разрушения 3,8 кВт-ч/т.

Таким образом, наиболее эффективный способ повышения производительности гидроотбойки в десятки раз, снижения энергоемкости гидроразрушения в несколько раз, и повышения консистенции пульпы – приблизить гидромонитор к забою на оптимальное расстояние.

Это может быть достигнуто за счет его перемещения за разрушаемым забоем с оптимальной скоростью. При этом должны быть созданы новые технологические схемы очистной выемки, установлены оптимальные параметры струеформирующих аппаратов и скорости их перемещения. Основным оборудованием этого являются технологические схемы на основе гидромониторных агрегатов.