Разработка комплексов скважинной гидравлической отработки угольных пластов, залегающих в сложных горно-геологических условиях

О.В.Михеев, проф., д.т.н.

В.В.Мельник, с.н.с., к.т.н.

Московский государственный горный университет

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСОВ СКВАЖИННОЙ ГИПРАВЛИЧЕСКОЙ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, ЗАЛЕГАЮЩИХ В СЛОЖНЫХ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Решение научной проблемы разработки комплексов скважинной гидравлической добычи (СГД) угля невозможно без интеграции научных знаний, накопленной горной наукой.

С этой целью были детально проанализированы результаты аналитических и экспериментальных исследований: МГРА (б.МГРИ) по разработке слабосцементиро-ванных и рыхлых пород; ИГД им. А.А.Скочинского по исследованиям гидравлического разрушения угля и горных пород; ВНИИгидроугля по традиционной гидротехнологии добычи угля; МГГУ по исследованиям агрегатно-гидравлической технологии добычи угля; УкрНИИгидроуг-ля по разработке скважинных агрегатов и традиционной гидротехнологии. Однако, механически перенести полученные результаты для разработки технологии СГД угля из крутых мощных, нарушенных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения невозможно из-за специфики, как условий применения технологии, так и самой технологии.

Наряду с этим было установлено, что многие, принятые еще в 30-50-х годах, научные концепции процессов, составляющих СГД, усовершенствуются, как правило, лишь уточнением коэффициентов известных формул и зависимостей. Большинство предлагаемых эмпирических формул гидроразрушения, гидротранспортирования, всасывания и гидроподъема пригодны лишь для строго определенных условий. Решение

сложных задач каждого процесса СГД угля и их согласование между собой требует взаимодействия смежных фундаментальных наук, а также продолжения аналитических и опытно-теоретических исследований для создания фундамента СГД угля нового технико-экономического уровня, т.е. технологии будущего.

Ввиду сложности поставленных задач проблему разработки комплексов СГД угля необходимо решать с использованием системных методов исследований.

При обосновании правомерности использования системного анализа для разработки комплекса СГД угля, последний необходимо рассматривать как большую искусственную систему (БС). К сожалению до настоящего времени отсутствует единое мнение в определении БС, однако существует целый ряд общепризнанных отличительных признаков характеризующих БС.

Эффективность применения математического моделирования в исследованиях сложных систем горного производства очевидна.

Однако прежде чем приступить к разработке математической модели необходимо рассмотреть в какой мере СГД угля удовлетворяет признакам большой системы. Как известно, к комплексу специфических свойств БС относятся: необратимость, т.е. невозможность повторения траектории поведения системы на определенном отрезке времени; многовариантность поведения, или возможность значительного количества

альтернативных траекторий; вероятностный характер поведения; иерархический принцип организации; многоцелевое поведение, т.е. наличие нескольких, как правило, конфликтных между собой целей; отсутствие четких границ и наличие несущественных связей с другими системами; взаимодействие в одной системе людей, технических средств с окружающей средой; наличие внутренних и внешних связей, делящихся на информационные, материальные и энергетические; искусственная, созданная человеком для определенных целей, природа образования системы; нестационарность, медленно изменяющаяся система структуры, высокая степень вызиваемости и адаптации к внешней среде; отсутствие способности к целенаправленному многократному эксперименту, т.е. отсутствие возможности получения информации о поведении системы в будущем; невозможность создания физических моделей системы.

Скважинная гидравлическая добыча угля в силу вероятностного характера поведения. вызванного, в свою очередь, случайным воздействием на нее горногеологических и горнотехнических факторов, характеризуется определенной траекторией движения в пространстве, точное повторение которой на определенном отрезке времени невозможно. Вероятностный характер поведения СГД угля обуславливает также ее многовариантность и возможность большого количества альтернативных траекторий поведения.

Комплексы СГД угля предусматривается применять как в системе шахт или гидрошахт, так и отдельными модулями. В связи с этим технология СГД основывается на строгом иерархическом принципе организации. Низшим иерархическим уровнем СГД угля является совокупность процессов и операций, отдельные устройства и оборудование, организация добычных и вспомогательных работ. Высшим иерархическим уровнем СГД является порядок отработки

выемочного блока, определяющий направления проведения групп добычных и транс-пор 1НЫХ скважин, направление выемки угля в выемочном блоке, протяженность поддерживаемых выработок, схемы проветривания, схемы перемонтажа добычного и транспортного оборудования.

Для СГД угля характерно многоцелевое поведение. Система преследует стремление к достижению минимума блоков составляющих технологию. Но в то же время технологии СГД просто необходим блок обезвоживания угля, осветления воды и илоудаления. Выше перечисленные цели находятся в конфликтных состояниях по отношению друг к другу, что само по себе является отличительной особенностью больших систем.

СГД не имеет четко выраженных границ с другими системами, так как сама является частью большой системы. Целый ряд элементов СГД. например подготовительные выработки, средства гидротранспорта, проветривание и т.д. являются одновременно элементами систем подготовки и транспорта более крупных частей шахты или гидрошахты, или другими словами, систем, иерархический уровень которых выше исследуемой системы.

Формально задачи синтеза сложных управляемых систем и задачи оптимального управления по Е.И.Рогову идентичны и отличаются только тем, что при синтезе векторы начальных состояний системы являются искомыми, а в задаче управления начальное состояние системы известно.

Рассматривая СГД как сложную систему, в ней можно выделить комплекс взаимосвязанных технологических процессов и операций (подсистем) - подготовка выемочного блока, (бурение и оборудование добычных и транспортных скважин; монтаж и демонтаж оборудования различного назначения); очистная выемка (разрушение угольного массива, пулыюприготовление, безнапорный и напорный гидротранспорт;

управление горным давлением); обезвоживание угля, осветление технологической воды и илоудаление.

Для каждой из перечисленных подсистем характерно множество определяющих параметров. Подготовка выемочного блока определяется горно-геологическими условиями, составом средств бурения и оборудования скважин различного назначения. Очистные работы кроме характеристики горно-геологических условий, применяемого оборудования и выемки включают горнотехнические параметры, к которым в данном случае относятся: направление выемки, параметры выемочной полосы, размеры выемочного блока, способ управления горным давлением и т.д.

Кроме перечисленных основных подсистем при составлении модели СГД угля необходимо разработать ряд вспомогательных модулей подсистем.

Так, из опыта работ гидрошахт и гидроучастков в нашей стране и за рубежом следует, что изначально эффективность различных вариантов гидротехнологии добычи угля предопределяется наличием в технологической схеме модулей обезвоживания угля, осветления технологической воды и илоудаления. Подтверждается данное положение результатами исследований, выполненных в МГГУ, институтах ВНИИ-Гидроуголь, УкрНИИГидроуголь, Польше, Японии, Чехии, а также опыта эксплуатации гидрошахт, гидроучастков и локальных гидрокомплексов с подземным оборотным циклом водоснабжения и водношламовых систем обогатительных фабрик.

На гидрошахтах и гидроучастках неоднократно предпринимались попытки применения блоков или их элементов, по

обезвоживанию угля осветлению технологической воды и илоудалению. Однако, применяемая при этом технология и техника приводила к заиливанию водосборников и шламоотстойников, повышенному износу запорной аппаратуры, насосов и труб, что негативно сказывалось на внедрении указанной технологии. С учетом этого разработаны основные составляющие элементы модулей обезвоживания угля, осветления технологической води и илоудаления нового технико-экономического уровня.

Для высокопроизводительного и надежного фунукционирования комплексов СГД угля необходимо разработать структуру и элементную базу комплекса в целом, а также модулей обезвоживания угля и осветления воды, водоснабжения и илоудаления, которые включают, например, использование: специальных выработок или емкостей в комплексе с багерэлеваторами и тонкослойными осветлителями для более интенсивного сгущения пульпы и осветления воды; выработанного пространства и комплексов профилактической заиловки для утилизации накопившегося ила.

Следовательно, проблема разработки комплексов СГД для отработки угольных пластов залегающих в сложных горногеологических условиях осуществляется с использованием системных методов исследований. Установлено, что технология СГД угля в полной мере удовлетворяет всем признакам большой системы.

Кроме общепринятых основных подсистем комплекса СГД угля разработаны ряд вспомогательных модулей подсистем позволяющих технологии скважинной гидротехнологии выйти на уровень технологии будущего.

©О.В.Михеев, В.В.Мельник