Методика определения производительности гидравлической выемочной машины Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.В. Мельник, 2002

Как видно из уравнения

УДК 622.234.5

В.В. Мельник

размерная глубина разрушения

(2), без-h„

‘щ

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ВЫЕМОЧНОЙ МАШИНЫ

Э

кспериментальный образец гидравлической выемочной машины, разработанный МГИ-МГГУ, б. ПО «Гидроуголь», ИГД им. А.А. Скочинского и СКБ завода «Гидромаш» был изготовлен на заводе «Гидромаш» [1, 2].

Стендовые и шахтные исследования экспериментального образца гидравлической выемочной машины проводились при непосредственном участии автора под руководством проф., докт. техн. наук О.В. Михеева (МГИ-МГГУ) и проф., докт. техн. наук А.А. Атрушкевича (СКБ завода «Гидромаш-ВНИИгидроуголь») [3].

Согласно работам [4-6] расчет производительности гидравлической выемочной машины, при скважинной гидравлической добыче угля, базируются на основных закономерностях расчета глубины разрушения угольного массива струями воды высокого давления, скорости смещения струй по забою, мощности отрабатываемого пласта и других параметров.

При выборе основных критериев разрушаемости угля струями воды высокого давления и тонкими струями высокого давления используется физическое моделирование функциональной зависимости между переменными и параметрами, характеризующими рассматриваемый процесс [4].

В соответствии с фундаментальными работами ИГД им. А.А. Скочинского [4-6] изменение глубины разрушения угольного массива hщ зависит от: величины осевого динамического давления струи воды Рт на контакте с массивом; предельной прочности угольного массива на одноосное сжатие <зсж; степени водопоглощения массива уо, учитывающего структурные особенности углей - хрупкость, пластичность, трещиноватость и др.; величины диаметра насадки do, диаметра струи на контакте ее с массивом До; длины начального участка струи 1н; длина струи I, измеренной от насадки до контакта с массивом; ширины щели Дщ, образованной струей воды в угольном массиве, среднего динамического давления струи воды Рср, полученного на контакте с массивом и скоростью перемещения струи воды по забою

V..

Функционально эта зависимость имеет вид:

Ьщ = f (Рт, <3сж, уо, do, Д, 1н,

Vn)

(1)

В ИГД им. А.А. Скочинского [1, 4-8] получена следующая обобщенная функциональная зависимость глубины разрушения угольного массива струей или струями:

h

(

щ

Д

= f

щ

і

Д_ Д 0

V,

л

g

Рг

W * р *0 Рср

(2)

щ

зависит от четырех основных безразмерных величин, трех симплексов

l ^ с^ж

Тн

d0 Рп

и одного комплекса

v„

w * р

*0 Рср

Количественное изучение

влияния каждого фактора на глубину разрушения проведено в ИГД им. А.А. Скочинского на базе стендовых и шахтных экспериментов [1, 4-7]. Обработка результатов этих экспериментов выполнена в виде критериев [4] в относительных величинах. Полученное специалистами ИГД им. А.А. Скочинского [1, 4-9] обобщенное уравнение безразмерной глубины разрушения угольного массива струей воды высокого давления имеет следующий вид:

h

(

щ

Дщ

= А

L d0 Р„ wop

Л

k

ср

і Д °c

Vn

(3)

1 щ

где k - показатель степени, характеризующий затухание приращения глубины щели; А - безразмерный множитель пропорциональности.

Расчетная глубина разрушения угольного массива струей воды высокого давления из уравнения (3) выражается:

Ґ

щ

1н do Рт ЪР

0 ср

\ 0.175

\ l Д °cж Vn

(4)

На основании статистического профиля щели равенство для расчета ширины щели Дщ имеет вид:

А. = 2mh, + b

(5)

где т = 0,14; Ь0 = 1,2 см.

Подставляя в равенство (5) вместо hщ, его значение из равенства (4) и разделив обе части полученного равенства на Дщ, получим уравнение:

1,2

Д щ

Г

1 - 2m • 3,14 •

d0

Д

Р m %Р,

0і сж

Vn

\

0.175

(6)

Таким образом, в результате проведенного обобщения, получены основные закономерности для расчета глубины разрушения угольного массива ^ и ширине щели Дщ при добыче угля струями высокого давления.

Расчет производительности гидравлической выемочной машины при добыче угля осуществляется следующим образом. При разработке угольных пластов при использовании комплексов СГД, при мощности пласта 1 м, предусматривается использовать многоструйную гидравлическую выемочную машину с давлением 10,0-12,0 МПа и расходом воды 400-600 м3/ч.

Согласно конструктивной схеме выемочной машины, указанной мощности угольного пласта в лаве и расходу воды, возможно применение схемы разрушения с использованием в лаве 24 струй. На каждую работающую струю, при принятых одинаковых диаметрах насадок, приходится расход по 25 м3/ч напорной воды.

ст

сг

Для одной такой струи, с давлением Р0 = 10; 20; 30 МПа и расходом воды Q0 = 0,00694 м3/с, определяется диаметр насадки по формуле:

Qо = 43,9^^

4

Из уравнения (7) получим величину d0:

dо -

4в0

4 • 0,00694

43,9 • 0,96 • 3Д4-Л0

(7)

= 0,0081м , (8)

I 43,9^жуР0

где d0 - диаметр насадки, м; Q0 - расход воды насадки, м3/с; ц - коэффициент расхода насадки, равен 0,96; Р0 - давление воды перед насадкой, МПа.

При данном диаметре насадки = 0,8 см), длина начального участка струи 1н, определяется для разработанного специально типа насадки с высокой обработкой ее внутренней поверхности, соотношением:

1н = 90do = 72 см

Скорость перемещения струи по забою, принята по конструктивным особенностям многоструйной гидравлической выемочной машины, т.е. V,, = 10-50 см/с.

Физико-механические свойства намечаемых к угольных пластов Прокопьевко-Киселевского района Кузбасса, характеризуются следующими показателями: временное сопротивление угля одноосному сжатию стсж = 12 МПа, степень во-допоглощения угольного пласта, принята по табл. 1, согласно [4, 6], у0 = 0,2 см/МПа-с и плотность угля у = 1,3 т/м3.

Для расчета параметров разрушения угольного массива, с указанными физико-механическими свойствами и начальных параметров струй первоначально необходимо определить гидродинамические характеристики струи на расстоянии контакта струи с забоем. Это расстояние определяется из условий: выбирается расстояние 10 от насадки до плоскости забоя, которое может быть принято порядка 4 см и к

этому добавляется средняя глубина щели И

Следовательно, данным длина струи определяется из следующего выражения: I - /0 * Ищ - 4 +12 - 16см .

Поскольку длинна струи I не превышает 1н, то осевое ее динамическое давление на этом расстоянии равно начальному, т.е. Рт = Ро = 10,0 МПа.

Среднее динамическое давление струи, в пределах длины начального участка, определяется согласно следующей зависимости:

Рср - 1,28Р01 ^

0.2

0.8

16

0..2

А - dг

V к 0 J

-1,28-10-1 — 1 и 7МПа (9)

(10)

Диаметр струи определяется из выражения:

где ^ - коэффициент распада струи. Величина ^ определяется по формуле:

к0 - 3,71 dо

0.7

- 3,7

0.8

0.7

- 0,452

(11)

I J V 16

Тогда диаметр струи по формуле (10) будет иметь следующее значение:

д - 4*9! I0'5 (1010'25 -1,5 см V 0,452 J V 7 J

На основании полученных гидродинамических характеристик струи и физико-механических свойств угля определяют параметры разрушения. По уравнению (6) определится ширина щели при Уп = 10 см/с 1,2

дщ ----------------------------------------- 5,6см

1 - 2 • 0,14 • 3,4

Щ '

72 0,8 10 0,2 • 7

16 1,5 12 10

0.175

Таблица 1

УДЕЛЬНОЕ ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

0,25

Класс угля по сопротивляемости гидравлическому разрушению Значение удельного водопоглащения пласта у 0, см/МПа*с Характеристика угля

I 0,23-0,22 0,22-0,21 0,21-0,20 Угли очень мягкие. Окисленные, с сильно развитой прирожденной трещиноватостью, перемятые, чешуйчатого и землистого строения, усиленно появляется отжим пласта под воздействием горного давления.

II 0,20-0,16 0,16-0,12 0,12-0,09 Угли мягкие, с хорошо развитой прирожденной и тектонической трещиноватостью. Без минеральных включений, способствующих цементированию основной массы. Наблюдается отжим пласта под воздействием горного давления. Антрациты очень хрупкие, с сильно развитой прирожденной и тектонической трещиноватостью, окисленные перемятые.

ш 0,09-0,07 0,07-0,06 0,06-0,05 Угли мягкие, с плохо развитой прирожденной и тектонической трещиноватостью, минерализованные. Отжим пласта под воздействием горного давления проявляется слабо. Хрупкие, сильно трещиноватые антрациты, пласты которых усиленно отжимаются горным давлением.

IV 0,05-0,04 0,04-0,035 Угли плотные, вязкие, с плохо развитой прирожденной и тектонической трещиноватостью. Степень минерализации увеличивается как в цементирующем веществе, так и в виде заполнений трещин карбонатом, кварцем, пиритом. Отжим пласта под воздействием горного давления проявляется слабо. Хрупкие антрациты, с хорошо развитой прирожденной и тектонической трещиноватостью, наблюдается отжим пласта под воздействием горного давления.

Глубина щели по выражению (4) составит:

^ Г72 0,8 10 0,2 - 7Л|°Л75 „„„

кш = 5,6 - 3,4 -1-----------------I = 20,2см

щ {16 1,5 12 10 )

По глубине щели определяется плечо обрушения (а), которое по данным работы [4] определяется по зависимости: а = 0,9 - hщ = 0,9 - 20,2 = 19,2см.

Глубина разрушения при этом составит, а ^ = 18,2 см. Допустимый шаг обрушения $«0,6-Ц = 0,9-20,2 = 18,2 см.

Производительность гидравлической выемочной машины, предлагается определять по следующей зависимости:

П = mhрL/^3600^771, т / ч, (12)

где т - мощность угольного пласта, м; ^ - расчетная глубина разрушения угля, м; Ь - длина лавы, м; / - средняя плотность угля , т/м3; 7 - коэффициент, учитывающий разные неполадки при работе агрегата в лаве, по аналогии с гидромонитором равен 0,88; 7 - коэффициент полезного водопотребления, равен 0,68; Т - время, затрачиваемое на один проход струеформирующей части агрегата по забою, с. длинна пути передвижения рабочего органа, равна половине

длины лавы, т.е. — = 25м .

2

Соответственно, при ^,=10 м/с Т = 2500 = 250с,

10

2500

^1=20 м/с Т= ------= 125с .

20

Скорость подвигания лавы рассчитывается по следующему соотношению:

hD 18,2

60 = 4,7см / мин ,

Т 250 Ир 182

W„ -—р -—— 60 - 5,4см /мин и т.д. п Т 125

Для рассматриваемого примера расчета по зависимости (12) часовая производительность многоструйного выемочного агрегата определяется: при Уп = 10 м/с -

П -1 • 0,182 • 50 •1,3 • — • 3600 • 0,88 • 0,68 - 102га /ч,

250

при Уп = 20 м/с

П -10,182• 504,3 • — • 3600^ 0,88• 0,68 - 126,6га/ч, и т.д.

125

По предоставленному методу расчета параметров разрушения угля и производительности выемки, выполнен расчет и для других значений скоростей перемещения струи по забою, т.е. для Уп = 0,3; 0,4 и 0,5 м/с, результаты которого приведены в табл. 2.

Таблица 2

ПАРАМЕТРЫ РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МНОГОСТРУЙНОЙ ВЫЕМОЧНОЙ МАШИНЫ В ВЫРАБОТКЕ ПРИ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОМ НАПРАВЛЕНИИ ВСТРЕЧИ СТРУИ С ПЛОСКОСТЬЮ ЗАБОЯ, Т. Е. а = 900 фо = 0,8 см; Ро = 10 МПА; L = 16 см; Lн = 72 см; Д = 1,5 см; Рср = 7 МПа; осж = 12 МПа; у 0 = 0,2 см/МПа-С; у = 1,3 т/м3)

V„, см/с Дщ,СМ hTO см hD, cv П, т/ч Wn, см/мин

10 5,6 20,2 18,2 102,0 4,4

20 3,9 12,5 11,3 126,6 5,4

30 3,3 9,6 8,7 145,0 6,2

40 3,1 8,7 7,9 175,0 7,6

50 2,8 7,5 6,8 190,4 8,1

Для варианта схемы выемки угольного пласта в лаве при направлении струи воды относительно плоскости забоя под углом а = 600 , расчет параметров разрушения угля и производительности гидравлической выемочной машины производится по тому же методу и по все тем же зависимостям, что и для первого рассмотренного выше варианта, когда а = 900. Однако, здесь в последнем варианте особенность заключается в том, что плечо обрушения а, и следовательно и расчетная глубина hp, умножаются на sin a=sin 600 = 0,866, в результате расчетная производительность снижается.

Результаты расчета параметров разрушения угля и производительность выемки, при угле наклона струи относительно плоскости забоя а = 600, приведены в табл. 3.

Таблица 3

ПАРАМЕТРЫ РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МНОГОСТРУЙНОЙ ВЫЕМОЧНОЙ МАШИНЫ В ВЫРАБОТКЕ ПРИ НАПРАВЛЕНИИ СТРУИ К ПЛОСКОСТИ ЗАБОЯ ПОД УГЛОМ а=

600 (D0 = 0,8 см; Р0 = 10 МПа; L = 16 см; LH = 72 см; Д = 1,5 см;

V„, см/с Дщ,см hTO см hD, cv П, т/ч Wn, см/мин

10 5,6 20,2 15,8 88,5 3,6

20 3,9 12,5 9,8 109,8 4,6

30 3,3 9,6 7,5 125,0 5,4

40 3,1 8,7 6,9 153,0 6,6

50 2,8 7,5 5,8 162,4 6,9

Для варианта схемы выемки угольного пласта в лаве при направлении струи воды относительно плоскости забоя под углом а = 300 приведен расчет параметров разрушения и производительности выемки, который приведен в табл. 4. Таблица 4

ПАРАМЕТРЫ РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МНОГОСТРУЙНОЙ ВЫЕМОЧНОЙ МАШИНЫ В ВЫРАБОТКЕ ПРИ НАПРАВЛЕНИИ СТРУИ К ПЛОСКОСТИ ЗАБОЯ ПОД УГЛОМ а=

300 ф0 = 0,8 см; Р0 = 10 МПа; L = 16 см; LН = 72 см; Д = 1,5 см;

Рср = 7 МПа; осж = 12 МПа; у о = 0,2 см/МПа-С; у = 1,3 т/м )

V„, см/с Дщ,см hTO см hD, cv П, т/ч Wn, см/мин

10 5,6 20,2 10,1 56,6 2,5

20 3,9 12,5 6,4 71,0 3,1

30 3,3 9,6 4,9 81,6 3,6

40 3,1 8,7 4,5 98,8 4,4

50 2,8 7,5 3,8 105,8 4,6

Расчетная глубина разрушения угля и производительность выемки при перпендикулярном направлении струи воды к плоскости забоя, т.е. а = 900, при всех прочих равных условиях выше на 15%, по сравнению с расчет ной глубиной разрушения угля и производительностью при направ-

лении струи воды к плоскости забоя под углом а = 600 и в В данной работе представлена методика определения

1,8 раза больше по сравнению с вариантом если принять производительности гидравлической выемочной машины

угол наклона направления струи к плоскости забоя а = 300. при различных схемах и параметрах воздействия струй.

-------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Создать и внедрить гидравлический агрегат для добычи угля из тонких и весьма тонких пластов с углами падения до 35°. Отчет о НИР / ИГД им. А.А. Скочин-ского. Руководитель Кузьмич И.А. - М., 1986. - 53 с.

2. Создать и внедрить гидравлический агрегат для добычи угля из тонких и весьма тонких пластов с углами падения до 35°. Отчет о НИР / МГИ. Руководитель Михеев О.В. - М. 1986. - 91 с.

3. Мельник В.В. Результаты стендовых и шахтных исследований экспериментального образца гидравлической выемочной машины. - М.: Изд-во МГГУ, ГИАБ, 2002. - №5. - С. 11-14.

4. Шавловский С.С. Основы динамики струй при разрушении горного массива. - М.: Наука, 1968. - 174 с.

5. Исследование гидравлического разрушения угля. Коллективная монография. - М.: Наука, 1968. - 188 с.

6. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Ищук И.Г., Гольдин Ю.А. Научные основы гидравлического разрушения угля. - М.: Наука, 1973.

- 147 с.

7. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А. Разрушение пород струями воды высокого давления. - М.: Недра, 1987.

- 142 с.

8. Шавловский С—., Бафталовский

В.Е. Исследование динамики водяных

струй давлением до 500 ат. с насадками увеличенных диаметров от 5 до 8 мм и разрушение ими крепкого угля. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского. Отчет по теме 16В. 1971.

- 74 с.

9. Бафталовский В.Е., Шавловский

С.С. Разработка и создание технологии применения полимерного раствора при тонкоструйном разрушении угля и горных пород. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского. Отчет по теме 0146180000, 1980. - С. 4058.