Обоснование параметров технологии добычи и процесса разрушения угля скважинными гидромониторными агрегатами

О.В.Михеев, проф., д.т.н.

В.В.Мельник, с.н.с., к.т.н.

А.Ю.Малышев, инженер

Московский государственный горный университет

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ И ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ СКВАЖИННЫМИ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ

АГРЕГАТАМИ

В условиях перехода страны на рыночные отношения с одновременным соблюдением эколого-социально-экономи-ческих требований к производству обоснование параметров и внедрение нетрадиционных способов отработки угольных пластов в сложных условиях представляет важную государственную задачу. Подтверждается данное положение тем, что значительное количество запасов особо ценных марок угля (К, Т, СС и др.) залегают в сложных условиях, например, Прокопьевско-Киселевское, Анжерское и Сахалинское месторождения.

Технология угледобычи для указанных месторождений, несмотря на усилия многих коллективов институтов и специа-листов-производственников, остается на уровне 50-60 гг. И кроме того, необходимо признать, что в настоящее время традиционной, прогрессивной технологии угледобычи для указанных условий опробованной и готовой к промышленному применению нет.

В связи с этим, обоснование параметров технологии и процесса разрушения угля скважинными гидромониторными агрегатами является актуальной научной задачей.

Основным исполнительным органом гидромониторного скважинного агрегата является струеформирующее устройство, состоящее из насадки и ствола с успокоителем. Основная функция успокоителя сводится к улучшению качества струи и повы-

шению ее разрушающей способности путем устранения винтового закручивания жидкости в стволе. В отношении уменьшения турбулентности струи роль успокоителя не ясна, так как во-первых, сам пластинчатый успокоитель является источником возмущения потока. Во-вторых, известные исследования в этой области имеют некоторую незавершенность поскольку основной вывод несколько неопределенен - компактность струи лучше, если ячеек в успокоителе будет больше. Кроме того, основным критерием компактности струи является длина начального участка и в качестве исходной предпосылки принимается гипотеза постоянства начальной скорости и отсутствия градиента статического давления внутри начального участка как в продольном, так и в поперечном направлениях. Вместе с тем, известно, что Прандтлевская теория турбулентного перемешивания предполагает рост поперечной пульсации по линейному закону вдоль развития струйного потока, что и является основной причиной разрушения струи изнутри, а отрицательная роль атмосферного явления не столь очевидна.

Поэтому целью исследований авторы обозначили разработку методик расчета процессов струеформирования и производительности разрушения угольного массива гидромониторными агрегатами для обоснования параметров скважинной технологии добычи угля.

Как уже отмечалось механическое воздействие пластинчатых успокоителей на поток устраняет крупномасштабные неста-ционарности, но не влияет на природу процесса поперечных колебаний в начальном участке.

В связи с этим были разработаны струеформирующие устройства скважинных агрегатов, обеспечивающие ввод в область начального участка струи воздуха, а также химических и механических веществ для управления качеством струеформирова-ния на выходе. Конструктивно такое струеформирующее устройство представляет собой ствол с насадкой, по оси которых размещена трубка с выходом в атмосферу, по которой во время истечения струи эжекти-руется воздух в область начального участка.

Местоположение эжектирующей трубки в проточной части насадки определяется вакуумметрической характеристикой, где максимальное разряжение соответствует границе перехода конической части в цилиндрическую, в которой образуется воздушный пузырь, обтекаемый высокоскоростным потоком, и под действием атмосферного давления кольцевой поток формируется за пузырем в качественную, компактную струю.

Глубина воронки разрушения, образованной скважинным агрегатом с эжектирующей трубкой, оказалась в 1,2-1,33 раза выше, чем у гидромонитора с традиционным успокоителем на расстоянии

7,4 м. Процесс разрушения образца угле-песчано-цементных образцов производился значительно интенсивней при самоэжекти-ровании песка по оси струи. Глубина воронки разрушения в первые 60 с воздействия в 1,5-1,6 раза превышала воронку, образованную при эжектировании воздуха.

Добавки полимеров (ПАВ) с длинноволокнистой структурой и высоким молекулярным весом значительно сглаживает структуру турбулентности, что приводит к уменьшению поперечной составляющей

пульсаций по длине начального участка струи. Отклонение опытных точек при работе гидромонитора на воде с добавками ПАВ от кривой для чистой воды наступает достаточно резко при достижении концентрации ПАВ не менее 0,008%. Увеличение глубины воронки при этом составляет около 46-51%.

Параметры выемочного блока и производительность скважинной гидродобычи угля определяется необходимой теряемой мощностью струи на контакте с забоем. Обработка опытных данных позволила установить, что для струеформирующих устройств с эжектирующей трубкой относительная длина начального участка определяется зависимостью:

1 1

<10 а 2л + 4л*10'9 • Яе ^

1н - длина начального участка

гидромониторной струи, м;

^О - диаметр насадки, м;

Яе - число Рейнольдса для на-

садки;

а - коэффициент турбулентной

структуры.

Согласно общей структурной формы зависимости изменения осевой скорости по длине струи, экспериментально установлено искомое выражение для струеформирующего устройства с эжектирующей трубкой:

V = V --------------

ОС О 1

0,8 + 0,2 ~

1«

или с учетом суммарного коэффициента сопротивления:

у = у __________________-_______________

¥ ос у О »

0,8 + 0,2(2л + 4я • 10"9 Ле)---

а° ,0)

ГДе / - расстояние от насадки до

забоя, м;

ОС

К

о

осевая скорость по длине струи, м/с;

начальная скорость струи при вылете из насадки, м/с.

Полученные зависимости имеют хорошее опытное подтверждение в сравнении с расчетными зависимостями исследователей ИГД им. А.А.Скочинского (табл. 1).

Таблица 1

Осевые давления гидромониторной струи

I№ № Давление Р0> МПа Диаметр насадки, йо, м Исследова- тели Значения осевого давления струй, МПа Расстояние от насадки, м

4 6 8 10 12 14 20

опыт 17,1 6,0 5,5 3,4 2,2 1,42 0,5

1 6,0 0,017 ИГД 17,8 12,64 9,5 8,19 7,0 6,15 4,54

авторы 13,7 8,0 5,2 3,67 2,72 2,1 из

опыт 15,3 8,2 7,9 3,5 2,8 1,8 0,9 |

2 5,0 0,019 ИГД 16,2 11,5 9,0 7,4 6,36 5,57 4,12

авторы 12,82 7,62 5,0 3,58 2,67 2,07 1.12

опыт 16,0 7,4 7,2 5,1 3,5 2,4 1,3

3 6,0 0,022 ИГД 18,0 12,7 10,0 8,26 7,07 6,2 4,58

авторы 14,5 8,57 5,64 4,0 2,97 2,3 1,24

На следующем этапе работы производились опытно-аналитические исследования взаимодействия гидромониторной струи с угольным массивом, в результате которого выделены две основные задачи:

• исследование силы удара гидромониторной струи;

• исследование потерь энергии гидромониторной струей.

Анализ структуры силы удара струи об угольный массив показывает, что эта величина не может полностью оценивать производительность гидравлического разрушения, т.к. сила не является эквивалентом совершенной работы по разрушению угля в единицу времени. Рассматривая взаимодействие струи с забоем как явление гидравлического удара, имеет место прямо пропорциональная зависимость между величиной нагрузки в единицу времени и вызванная ею деформация угольного массива при условии, что разрушение происходит.

Тогда производительность гидравлического разрушения определяется по сле-

дующей предложенной авторами зависимости:

\ 2

’ /

"'

где А - опытный коэффициент, учитывающий петрографические особенности и физические свойства разрушаемого угля; ф -коэффициент скорости насадки; р0 - плотность жидкости струи, кг/м3; Р0 - начальное давление, МПа.

Стендовые исследования струеформирующих устройств скважинных агрегатов показали, что повышение производительности разрушения образцов достигается за счет перемещения процесса струеформиро-вания из ствола агрегата к насадке за счет применения эжектирующей трубки в проточной части насадки. При этом установлены четыре зоны воздействия на струю при перемещении эжектирующей трубки вдоль оси канала ствола и оптимальное соотно-

ф • 71

1.5

Ро

‘5 -у/2

0,8 + 0

шенне площади поперечного сечения эжек-тирующей трубки и насадки, равное 0,476, при котором достигается максимальное к.п.д. работы водовоздушного эжектора.

Установлено, что при разрушении уг-ле-песчано-цементных блоков при начальном давлении воды 6,0 МПа, диаметре насадки 0,0268 м без эжектирующей трубки, а так же при диаметре эжектирующей трубки

0,0185 м, расстоянии от насадки до блока

7,4 м и времени воздействия струи 320 с максимальная глубина воронки 0,220 м получена при эжектировании песка, что на 48% больше, чем при эжектировании возду-

ха и на 35% - при эжектировании поверхностно-активных веществ с процентным содержанием в воде 0,01, 0,014 и 0,021%. Глубина воронки, образованной при использовании эжектирующей трубки превышала на 20-22% аналогичный показатель у гидромонитора без нее с традиционным сотовым успокоителем.

Обоснованные в данной работе параметры процессов струеформирования и разрушения являются основой для разработки методики шахтных исследований технологии СГД в условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса.

©О.В.Михеев, В.В.Мельник, А.К).Малышев

Рукописи, депонированные в Информационно-аналитическом центре горных наук

1. Сластунов С.В., Коликой К.С., Бурчаков А.С., Ярунин С.Л., Ножкин II.В., Презент Г.М., Швец И.А., Горбунов С.М. «Комплексная дегазация с использованием паротеплового воздействия на шахте им. Костенко*. - 42 с.

2. Сластунов С.В., Ножкин II.В., Презент Г.М., Найму хам сто в С.К., Швец И.Л., Горбунов С.М. «Технология комплексной дегазации с использованием гидравлического расчленения с использованием пороховых генераторов и пластиковых скважин на западном крыле шахты им. Костенко». - 8 с.

3. Сластунов С.В., Ножкин Н.В., Кодиков К.С., Презент Г.М., Швец И.А., Горбунов С.М. «Методика экспериментальных работ на шахтах по совершенствованию метода гидрораскачивания с использованием азота».

- 18 с.

4. Сластунов С.В., Ножкин II.В., Презент Г.М., Баймухаметов С.К., Швец И.А., Горбунов С.М. «Технология комплексной дегазации с использованием гидравлического расчленения с использованием сжиженного азота и пластовых скважин на шахте им. Костенко». - 15 с.

5. Орешкин А.В., Николаев С.В., Потапенко В.А. «Совершенствование механизированного комплекса для разработки пласта «Мощный» на шахтах Воркуты». - 10 с.

6. Маслов М.В. «Долгосрочная аренда горной техники в угольной промышленности». - 2 с.

7. Егоров А.Я. « Анализ устойчивости склонов высокого берега реки Волги о г.Нижний Новгород». - 9 с.

8. Коржавин А.В., Гончару к Е.А. «Технология терминологических словарей».

- 18 с.

9. Омельченко Е.Я., Коробкин П.В. «Структурная схема скиповой подъемной установки с учетом особенностей ее работы».