Обоснование параметров технологических схем шахт с подземным обогащением угля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.02, кандидат технических наук Пацук, Владимир Евгеньевич

• Пацук, Владимир Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 1994

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пацук, Владимир Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОДЗЕМНОГО ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЯ И ОСТАВЛЕНИЯ ПОРОДЫ В ШАХТЕ.

1.1. Современное состояние обогащения угля.

1.2. Экологические проблемы обогащения угля.

1.3. Концепция экологически замкнутого процесса обогащения угля.

1.4. Цель, задачи и методы исследования.

Выводы.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОДЗЕМНОГО ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЯ.

2.1. Требования, предъявляемые к технологическим схемам подземного обогащения.

2.2. Структурные схемы технологии подземного обогащения.

2.3. Пространственно-планировочные решения при конструировании сети горных выработок шахты с подземным углеобогащением.

Выводы.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ШАХТ

С ПОДЗЕМНЫМ ОБОГАЩЕНИЕМ УГЛЯ.

3.1. Основные принципы моделирования технологических схем шахт с подземным обогащением угля.

3.2. Разработка алгоритма математической модели технологической схемы шахты с подземным обогащением угля.

3.3. Разработка машинной программы для реализации математической модели.

Выеоды.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ШАХТ С

ПОДЗЕМНЫМ ОБОГАЩЕНИЕМ УГЛЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

4.1. Исследование влияния различных горно-геологических факторов на параметры технологии подземного углеобогащения.

4.2. Оптимизация основных параметров технологической схемы шахты с подземным обогащением угля.

4.3. Технико-экономическая .эффективность технологии подземного углеобогащения.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров технологических схем шахт с подземным обогащением угля»

Обеспечение народного хозяйства высококачественным сырьем для металлургической промышленности и энергетики продолжает оставаться основной задачей угольной промышленности.

Доминирующая в настоящее время концепция механизации добычи угля затрудняет возможность осуществления селективной выемки из пластов сплошного строения чистых угольных пачек и прослойков породы и приводит к возрастанию зольности добываемого сырья. На обогатительные фабрики некоторых шахт страны поступает горная масса в которой зольность угля крупностью 10-200 мм в ряде случаев составляет около 65-68% [11, что приводит к необходимости дополнительной транспортировки и переработки значительных объемов породы.

В связи с увеличением глубины ведения очистных работ на тонких пластах в условиях освоенных районов затраты на транспорт пустой породы от места добычи полезного ископаемого до обогатительной фабрики и складирования сильно возрастают. Они ео много раз превышают стоимость самого обогащения. Обеспечить захоронение пустой породы, получаемой от обогатительных фабрик на поверхности, сложно в техническом отношении, а увеличение глубины ведения очистных работ приводит к увеличению затрат на эти работы, и они приближаются к затратам на добычу угля.

Работы по улучшению качества угля и снижению его потерь, уменьшению количества выдаваемой на поверхность породы ведутся в направлениях изыскания более совершенной горной технологии, применения процессов обогащения горной массы под землей и оставления породы в шахте. В каждом отдельном случае задача должна решаться путем отыскания наиболее рационального сочетания добычи угля и его обогащения с целью обеспечения максимального выпуска товарного угля при минимальных затратах.Более перспективным представляется использование многофункциональных производственных процессов собственно горных работ, в ходе выполнения которых осуществляется попутное обогащение угля.

Использование на шахтах простейших установок для механизированной породовыборки позволяет использовать забалансовые и некондиционные угли на некоторых угольных бассейнах, повышая тем самым эффективность использования недр. Это относится прежде всего к тем бассейнам, в которых изменение горно-геологических условий не всегда сопровождалось существенным изменением технологии производства. Улучшение качества добываемого угля только за счет его сортировки с применением ручной поро-довыборки оказывается тем не менее нецелесообразным в большинстве случаев, так как при существующей технологии отбойки угля основной объем добычи составляют мелкие классы угля.

Механизированные породовыборные установки в схемах обогатительных фабрик наиболее широко использовались в Германии [2]. Для большинства угледобывающих предприятий стран СНГ наиболее характерным решением является размещение породовыборной установки в пределах шахтного наземного комплекса.

Большой интерес применение подземных породоЕыборных установок представляет на гидрошахтах, т.к. появляется возможность улучшить не только качество выдаваемого на поверхность угля, но и добывать уголь без оставления значительных целиков угля с гидравлической закладкой выработанного пространства [3].

Преимущества подземного обогащения угля по сравнению с традиционными схемами заключаются в следующем: породу можно использовать для закладки выработанного пространства, укладки бутовых полос без дополнительных затрат на транспортировку, что позволяет перейти к способу управления кровлей закладкой; возрастает производительность шахтного подьема по углю, что позволяет при тех же параметрах существенно повысить производственную мощность шахты и улучшить ее технике-экономические показатели; упрощается, а иногда и исключается, отвальное хозяйство на поверхности, что позволяет кардинально улучшить экологическую обстановку в районе добычи.

Однако внедрение подземных установок для обогащения угля встречает большие экономические трудности, связанные с существующей системой угледобычи и внуришахтного транспорта, с выбором оборудования для подземного обогащения и другими факторами.

Развитие гидравлического способа добычи и транспортирования угля позволяет искать пути использования имеющихся технических средств для мокрой обработки угля с целью извлечения породы и последующего ее транспортирования для захоронения.

Сочетание гидравлической технологии добычи угля с гидроудалением породы в подземных условиях особенно успешно может быть использовано для разработки мощных пластов с большим количеством твердых минеральных включений, что позволит свести к минимуму объем списываемых запасов и перевести некондиционные угли в категорию балансовых.

В разработанной Московским горным институтом (МГЙ), Институтом горного дела (ИГД) им. А.А.Скочинского и Донбасс?ипро-шахтом Целостной концепции создания высокопроизводительной, экологически чистой, автоматизированной угольной шахты глубокого заложения [4] основным элементом является идея подземного обогащения угля. Однако в силу концептуальности данной работы е ней не содержатся сведения о техническом решении данной проблемы. Указывается только принцип обогащения - в тяжелых сжиженных газах - фторалканах.

Более подробно процессы подземного обогащения угля рассмотрены в концепциях МГИ [5,61.

Однако в силу концептуального характера перечисленных работ, многие поставленные в них задачи должны быть обоснованы с научной стороны. В первую очередь это относится к теоретическому обоснованию основных параметров технологии подземного обогащения: структура процесса, число стадий, технологическая увязка с процессами собственно горного производства, режим работы и т.п.

Решению этих вопросов и посвящена настоящая работа, которая выполнялась в рамках научно-исследовательской работы "Разработать научные основы формирования экологически чистых горно-энергетических комплексов, обеспечивающих повышение полноты использования знергоресурсов недр", выполняемой Московским государственным горным университетом по плану Государственного комитета Российской Федерации по высшему образованию.

Целью работы является установление зависимости зольности обогащенного угля, эксплуатационных и приведенных затрат от горно-геологических и горнотехнических факторов для обоснования перспективных технологических схем подземного обогащения, позволяющих повысить технике-экономические показатели работы шахт и улучшить зрю логическую ситуацию.

Идея работы заключается в использовании малооперационнос-ти и малогабаритности обогатительного оборудования и производственных процессов, е которых совмещены добыча и обогащение горной массы.

Научите положения, разработанные лично автором, и новизна: классификация технологических схем шахт с подземным обогащением угля, позволяющая синтезировать новые технологические схемы;, пространственно-планировочные решения по размещению обогатительного оборудования в горных выработках действующих и проектируемых шахт, отличающиеся использованием малооперационного и малогабаритного обогатительного оборудования, позволяющие определить места привязки и объемы камер для его размещения; экономико-математическая модель технологической схемы шахты с подземным обогащением угля, позволяющая исследовать взаимосвязи технологических параметров технологии подземного углеобогащения и влияющих факторов; зависимость приведенных затрат от длины лавы и размеров шахтного поля по простиранию, отличающаяся учетом затрат на формируемые обогатительные комплексы и наличие встречных потоков горной массы, обогащенного угля и пустой породы, позволяющие оптимизировать эти параметры для конкретных горно-геологических условий; зависимости зольности обогащенного угля, эксплуатационных и приведенных затрат от суммарной мощности породных прослойков отрабатываемого пласта, отличающиеся учетом специфических условий подземного углеобогащения и позволяющие производить оценку различных вариантов технологических схем.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: результатами лабораторных и натурных наблюдений процессов обогащения угля на экспериментальной установке; значительным объемом вычислительного эксперимента на ЭВМ, включающим более 10000 вариантов; удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с производственным опытом, накопленным в области подземного углеобогащения, и результатами лабораторных исследований ( расхождение до 15% ).

Значение работы. Научное значение диссертационной работы заключается в разработке на основании классификации структурных схем подземного обогащения угля и увязке обогатительных процессов с процессами непосредственно горного производства, разработке требований, предъявляемых к технологии подземного обогащения, а также в установлении зависимости их параметров от влияющих горно-геологических и горнотехнических факторов по результатам реализации математической модели технологии.

Практическая ценность работы заключается в разработке пространственно-планировочных решений по размещению обогатительного оборудования для наиболее типичных схем подготовки шахтных полей и схем околоствольных дворов, а также в установлении рациональных количественных параметров технологической схемы подземного обогащения для групп горно-геологических условий, характерных для угольных шахт России.

Реализация выводов и рекомендаций. Результаты работы были приняты при формировании программы работ по созданию экологически чистой шахты, выполняемых Московским государственным горным университетом ( МГГУ ) по заданию Государственного комитета по высшему/ образованию, а также отдельные решения по горной части были использованы Институтом обогащения твердого топлива ( ИОТТ ) при проектировании экспериментальной установки для подземного обогащения угля.

- 9

Заключение диссертации по теме «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», Пацук, Владимир Евгеньевич

Выводы.

1. Установлены зависимости зольности горной массы и обогащенного угля от суммарной мощности породных прослойков, позволившие установить, что подземное обогащение становится эффективным при извлечении на стадии хотя бы 60% породы прослойков; при использовании методов обогащения с извлечением породы на уровне 90% обогатительный комплекс должен состоять из одной стадии; двухстадийное обогащение оправдано при извлечении породы на стадии в пределах 50-70%.

2. Анализ зависимости эксплуатационных расходов и приведенных затрат от суммарной мощности породных прослойков позволил сделать вывод, что одностадийные схемы ( за исключением когда обогатительный комплекс находится на панельном бремсберге ) экономичнее по сравнению с традиционными технологиями; двухстадийные технологические схемы экономически неоправданы, за исключением схемы, когда в околоствольном дворе размещаются две стадии обогащения: крутонаклонный сепаратор и гидроциклон.

3. Зависимости зольности обогащенного угля и приведенных затрат от материнской зольности угля и зольности породных прослойков показывают, что применение подземного обогащения

- 126 экономически нецелесообразно при высокой материнской зольности угля и особенно эффективно при высокой зольности породных прослойков.

4. Длина лавы не оказывает непосредственного влияния на величину приведенных затрат при различных технологических схемах подземного обогащения.

5. Анализ зависимости приведенных затрат от размеров шахтного поля по простиранию показывает особенно резкое их снижение при увеличении размеров с 1000 м до 5000 м; в дальнейшем темпы снижения уменьшаются, ассимптотически приближаясь к постоянному значению на уровне 10 руб/т.

6. Оценка результатов экономика-математической модели показала, что наиболее экономичным методом подземного обогащения является гидростатический подъем, но из-за недостаточной технологической апробации он не рекомендуется для внедрения. Более перспективна технологическая схема с крутонаклонным сепаратором в околоствольном дворе. Промышленные испытания крутонаклонных сепараторов на поверхности даяи хорошие результаты.

7. Результаты сравнения технологических схем подземного обогащения при различных способах транспортировки горной массы и хвостов углеобогащения показали, что наиболее экономичен для принятых условий рельсовый транспорт.

8. Годовой экономический эффект для шахт с производственной мощностью 1,2 млн.т рядового угля применительно к условиям ПО "Антрацит" составляет 2,5 млн.т.

- 127 -3 А К Л Ю Ч Е Н И Е

В диссертационной работе дано решение актуальной для угольной промышленности задачи разработки и обоснования параметров технологических схем шахт с подземным обогащением угля.

Основные научные выводы, практические результаты и рекомендации заключаются в следующем:

1. Анализ существующих методов обогащения позволил выделить для применения в подземных условиях гравитационный метод.

2. Определены требования, которым должны удовлетворять аппараты подземного углеобогащения: аппараты должны быть малогабаритными; процесс обогащения должен быть поточным; широкий диапазон разделения по крупности; низкая энергоемкость; небольшие объемы используемых материалов; обеспечение необходимых санитарно-гигиенических условий.

3. В работе впервые предложена классификация технологических схем подземного обогащения угля, позволяющая не только систематизировать известные технологические схемы, но и синтезировать новые.

4. Анализ технологических характеристик схем, выделенных на основе классификации, позволил определить группу наиболее перспективных одно- и двухстадийных схем, использующих аппараты, отвечающие разработанным требованиям, и отобрать из них схемы, наиболее приемлемые на современном уровне развития горной техники. Это схемы с применением для обогащения в подземных условиях крутонаклонных сепараторов, гидроциклонов и гидростатического подъема.

5. На основании анализа технологических схем угольных шахт, номенклатуры и габаритов серийных и опытно-промышленных образцов обогатительного оборудования разработаны пространственно-планировочные решения по размещению, привязке и габаритам камер для формирования подземных обогатительных пунктов при различных вариантах систем подготовки шахтных полей.

6. Разработана экономико-математическая модель шахты с подземным обогащением угля, позволяющая исследовать влияние различных горно-геологических ( мощность пласта и породных прослойков, материнская зольность угля, зольность породы ), горнотехнических ( длина лавы, размер шахтного поля по простиранию, коэффициент извлечения породы из породных прослойков ) и экономических факторов на показатели технологии - зольность обогащенного угля, его себестоимость, капитальные и приведенные затраты, стадийность обогащения и место расположения обогатительных пунктов.

7. Установлены зависимости зольности обогащенного угля эксплуатационных и приведенных затрат от суммарной мощности породных прослойков, зольности угольных пачек и породы, позволившие установить, что применение подземного углеобогащения экономически нецелесообразно при высокой ( более 15.20% ) материнской зольности угольных пачек; особенно предпочтительно подземное углеобогащение при высокой зольности породных прослойков; подземное обогащение должно обеспечивать извлечение на стадии хотя бы 60% породы из породных прослойков; при высоком извлечении породы ( порядка 90% ) достаточно одной стадии обогащения горной массы.

8. Сравнительная оценка результатов экономико-математической модели показала, что наиболее экономичным методом подземного углеобогащения является использование гидростатического подъема. Но из-за недостаточной технической апробации он не может быть рекомендован ко внедрению. Более перспективной является технологическая схема с использованием крутонаклонного сепаратора в околоствольном дворе.

9. Для типичных горно-теологических и горнотехнических условий шахт результаты сравнения технологических схем шахт с подземным углеобогащением при различных способах транспортировки горной массы и хвостов углеобогащения показали, что наиболее экономичен рельсовый транспорт.

10. Технико-экономическая эффективность, рассчитанная применительно к шахтам, работающим в условиях близких к ПО "Антрацит", составила в ценах на 1 января 1991 года 2,5 млн. руб. в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пацук, Владимир Евгеньевич, 1994 год

1. Состояние и перспективы развития предварительного обогащения угля.// Добыча и переработка угля: Зарубежный опыт: Экспресс-информ./ ЦНИЭИуголь.-1987.-Вып.1. с.1-16.

2. Размещение обогатительного оборудования в подземных условиях (ФРГ). М. ЦИТИ угольной промышленности, 1959, 27 с.

3. Лурий В.Г. Разработка локальных гидрокомплексов для добычи угля в сложных условиях. Спец.05.15.02. Дисс. на соиск. уч. степ. д.т.н. в форме научного доклада.- М.:МГИ, 1990.-48с.

4. Целостная концепция создания высокопроизводительной, экологически чистой, автоматизированной угольной шахты глубокого заложения.- Люберцы: ИГД им. А.А.Скочинского, 1990,-69с.: ил.

5. Концепция создания высокопроизводительной, экологически чистой, автоматизированной угольной шахты глубокого заложения. М.: МГИ, 1990. - 29 С.

6. Концепция создания нетрадиционных технологий разработки угольных месторождений, основанных на экологически чистых методах воздействия на угольный пласт или вмещающие его горные породы. М.: МГИ, 1991. - 43 с.

7. Угольная промышленность Российской Федерации./ Минтопэнерго Р.Ф. ЦНИЭИуголь.- М.,1992, т.1. 146с.

8. Угольная промышленность Российской Федерации./ Минтопэнерго Р.Ф. ЦНИЭИуголь." М.,1992, т.2. 146с.

9. Угольная промышленность США и ее место в топливно-энергетическом кмплексе страны. Обзор.- М.: ЦНИЭИуголь, 1993.- вып.10.- 86с.- 131

10. А.Р.Молявко, В.А.Кинариевский. Обогащение угля в про-тивоточных сепараторах КНС. Обзор ЦНИЭИуголь, серия обогащение и брикетирование угля. Вып.5, 1987.

11. A.c. 676730 СССР, МКИ3 е 21 с 41/04 Способ разработки крутых пластов полезных ископаемых.\ А.С.Бурчаков, И.И.Шаровар, Б.Я.Экбер (СССР).- 3 стр.: ил.

12. Теоретическое исследование производственных процессов, характерных для технологии безлюдной выемки в тяжелых средах. Отчет о НИР (том 1), М.: МГИ, N ГР 81047355.- 1981.-102с.

13. Бродт A.C. Особенности проектирования шахт при разработке пластовых месторождений блок-стволами с гидростатическим подъемом. Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н.- М.: МГИ, 1991.185 с.

14. Шкуренко Е.П. Гидравлический подъем полезных ископаемых и массовых грузов в тяжелых жидкостях// Уголь.-1936.-N 128.- с. 73-79.

15. Установление основных закономерностей регенерации рабочей среды при подземном обогащении угля. Отчет о НИР, М.: МГИ, N ГР 01890031196.- 1989.- 86 с.

16. Саранчук В.И., Сирий Н.П., Маринич В.П. Профилактика самовозгорания и тушения породных отвалов во Львовско-Волынском бассейне.- // Уголь Украины, 1976, N 1, с. 33-34.

17. Мосинец В.Н., Грязнов М.В. Горные работы и окружающая среда.- М.: Недра, 1978.

18. Тарасенко В.В. Основные направления решения проблемы оставления породы в шахтах Донбасса.// Уголь Украины.- 1984.-N4.- 132

19. Шаровар И. И. Структура энергоресурсов угольных месторождений// Комплексное освоение угольных месторождений: Сб. научн. тр. МГИ.- М.,1989, с. 96-99.

20. А.С.Бурчаков, И.И.Шаровар. Концепция создания экологически чистого горно-энергетического комплекса.// Проблемы будущего горной науки Росси/ АЕН Российской Федерации.- М. : ИАЦ ГН, 1992.- 251 с. (с. 110-128).

21. Montreal Protocol on Substances that deplete the Ozone Layer. Final. Act // UNEP, 1987.- 23 p.p.

22. С.Г.Евсиович. Обогащение руд в тяжелых суспензиях.-М.: Госгортехиздат, 1959, с. 3-8, 41-44.

23. Каминский B.C. Центробежное обогащение углей и сланцев." М., Недра, 1967.

24. Вредные вещества в промышленности. Органические вещества. Под ред. Э.Н.Левиной и И.Д.Гадаскиной.- Л.: Химия, 1985, 461 с.

25. Вредные вещества в промышленности. Органические вещества. Под ред. Н.В.Лазарева и Э.Н.Левиной.- Л.: Химия, 1976, 1976, 1821 с.

26. Вредные вещества в промышленности. Неорганические соединения элементов. Под ред. В.А.Филова.-Л.: Химия, 1988 С I— IV группы), 1989 (V-VIII группы), 1104.

27. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. В двух частях. Под ред. Калверха С. и Инглунда Г.М.- М.: Металлургия, 1988, 1472 с.

28. Баниэль А., Минцмагер А.- В кн. Международный конгресс по обогащению полезных ископаемых.- М.: Госгортехиздат, 1962., с. 382-389.

29. Шаровар И.И., Пацук В.Е. Состояние и перспективы развития методов подземного обогащения угля (N27/9-44 от 29.10.92) М.: МГИ, ГИАБ, 1992, 4с.

30. Н.Г.Бедрань. Обогащение углей: Учебник для вузов.2.е издание, перераб. и доп.- М.: Недра, 1988,- 206 е.: ил.

31. Кузнецов В.Н. Исследование и разработка технологических схем выемки угля без постоянного присутствия людей в очистном забое и оптимизация их параметров. Дисс. на соиск.уч. степ, к.т.н.- М.: МГИ, 1982.- 148 с.

32. Технология подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Учебник для вузов / Под общ. ред. А.С.Бурчакова.3.е изд., перераб. и доп. М., Недра, 1983. 487 с.

33. Бурчаков A.C., Шаровар И.И., Кузнецов В.Н., Казаков В.Б. Практикум по дисциплине "Технология и комплексная механизация подземных работ".- М.: МГИ, 1987, 167 с.

34. Задачник по подземной разработке угольных месторождений. Учебн. пособие для вузов / Сапицкий К.Ф., Дорохов Д.В., Зборпдак М.П., Андрушко В.Ф.- 4-е изд., перераб. и доп. М., Недра, 1981. 311 с.- 134

35. Бурчаков A.C., Харченко В.А., Кафорин Л.Г. Выбор технологических схем угольных шахт. М.: Недра, 1975.- 274 с.

36. Бурчаков A.C., Зыков В.М. Оптимизация систем разр-вботки на на угольных шахтах. М.: Недра, 1977.- 198 с.

37. Устинов М.И. Выбор технологических решений при подготовке новых горизонтов и реконструкции шахт. М.: Недра, 1985.192 с.

38. Сочинов A.C., Квон С.С., Адилов К.Н. Методы анализа и оптимизации технологических схем угольных шахт. М.: Недра, 1974.- 296 с.

39. Способы вскрытия, подготовки и системы разработки шахтных полей. Под.ред. Б.Ф.Радченко.-М.: Недра, 1985.- 296 с.

40. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в различных выбросах.- Л.: Гидрометеоиздат, 1987,- 270 с.

41. Отраслевая методика расчета количества отходящих, уловленных и выбрасываемых в атмосферу вредных веществ предприятиями по добыче и переработке угля. Пермь: ВНИИОСуголь, 1989, 42с.

42. Руководство по контролю параметров пылегазовых потоков на предприятиях угольной прмышленности.- Пермь: ВНИИОСуголь, 1981, 123 с.

43. Гордиенко В.Н. Обоснование параметров технологии размещения породы от проведения подготовительных выработок. Спец. 05.15.02 Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н. М., 1994. - 21 с.

44. Временные методические рекомендации по комплексной оценке эффективности мероприятий научно-технического прогресса в угольной промышленности. М.: ЦНИЭИуголь, 1990, 327 с.