Технология разработки месторождений угля с предварительным его обогащением в подземных условиях

По прогнозам специалистов доля угля в мировом топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) к 2020 году возрастет до 25 — 30%. В России к этому году рассчитывают добывать 450 млн т угля с ростом его доли в ТЭБ до 18 — 23% против 10 -12% в 2005 году, в котором было добыто 286 млн т.

Подземным способом, который считают наиболее экологическим по сравнению с другими способами, в нашей стране добывают 35 — 37% угля от общего объема. Значительную часть в этой доле составляют ценные коксующиеся угли — основное сырье коксохимического производства. Исходя из вышесказанного, можно полагать, что составляющая подземной разработки снижаться не будет, а абсолютные объемы добычи согласно прогнозам будут расти. Но, как и любая геотехнология, подземная разработка угольных месторождений сопряжена с решением ряда проблем, обусловленных в основном горно-геологическими условиями залегания пластов, структурными особенностями и качественными характеристиками угля, а также увеличением глубины ведения работ [1,2].

Одной из важных проблем подземной технологии является высокая зольность отбитого угля. В России в 2005 году в каждой тысяче тонн отбитой угольной массы на поверхность выдавалось в среднем 195 т породы [3,4].

Это происходит в результате отработки сложноструктурных пластов на всю вынимаемую мощность без селекции породных прослойков высокопроизводительными механизированными комплексами и агрегатами, удельный вес которых в подземной угледобыче в 2002 году превысил 90%. Разубожи-вание угля происходит также при проведении подготовительных выработок по пласту с подрывкой боковых пород сплошным забоем без раздельной выемки, что неизбежно при современных высоких темпах подготовки очистного фронта. В силу указанных причин зольность отбитого угля на отдельных шахтах России достигла 35−41% при материнской зольности пластов в диапазоне 8−20%.

Установлено, что даже после обогащения разные фракции (разные марки) обогащенного угля имеют зольность от 4 до 20 — 25% и более. Низкое качество добываемого угля становится серьезным препятствием на пути к рынку. Неполная реализация добытого угля — огромный ущерб не только для угольной отрасли, но и для его потребителей. Однако гораздо больший ущерб несут шахты, обогатительные фабрики, а также и предприятия, использующие уголь при производстве тепловой и электрической энергии. Комплексы этих предприятий наносят огромный вред окружающей среде, поскольку отходы от обогащения и переработки зольного угля достигают 60 — 70% его массы [1].

Породные отвалы шахт на поверхности, содержащие значительные объемы угля, являются опасными объектами по его самовозгоранию и сбросу в почвы, водные источники и атмосферу вредных веществ. Но, с другой стороны, эти отвалы могут быть квалифицированы как техногенные месторождения.

Лучшим способом утилизации пустой породы и отходов обогащения представляется закладка выработанных пространств после выемки угля, что не только исключает возможность загрязнения поверхности, но и сохраняет ее от проседания и провалов. Размещение породы в шахте с выкладкой ее в охранные бутовые и закладочные массивы обеспечит полноту выемки запасов угля, снизит объемы горнопроходческих работ по воспроизводству очистного фронта, снизит опасность проявлений горного давления в очистном забое и на его сопряжениях. Достигаемая при этом экономия за счет снижения затрат на транспорт породы, уменьшения зольности добываемого угля и улучшения состояния очистных и подготовительных выработок позволит повысить эффективность разработки сложных по структуре пластов.

Многие угольные месторождения представлены пластами различной мощности и с разным качеством энергетических углей (материнской зольностью, теплотворной способностью, содержанием серы, фосфора и т. п.). При этом на шахтах обычно отрабатывают в первую очередь более мощные пласты с углем далеко не всегда высокого качества, а затем переходят к отработке менее мощных пластов. Такой порядок отработки пластов разной мощности и качества угля обычно ограничивает производственную мощность шахты в начальный период эксплуатации и особенно при переходе на менее мощные, но качественные пласты. В результате оказывается, что при разработке менее качественных или меньшей мощности пластов, работа шахты эффективна из-за недостаточной малой производственной мощности и большой доли условно-постоянных затрат в себестоимости разработки, которая обычно составляет от 0,65 — 0,8 на шахтах небольшой производственной мощности и до 0,4 — на крупных шахтах. Часто такие запасы оказываются бросовыми, что привело к закрытию шахт (табл. П. 1), [2 — 9].

Сложившееся положение является следствием недостаточной разработанности в современных экономических условиях научных основ рационального использования недр и совершенствования технологии разработки в направлении повышения качества добываемого угля. Эти вопросы рассматриваются без учета взаимосвязи с процессами обогащения и дальнейшей переработки угля. Обоснования экономической целесообразности повышения качества добываемых углей, особенно коксующихся, является весьма актуальной задачей для отрасли [1].

Совершенствование технологий с обогащением углей и, соответственно, улучшение экономических показателей очистных работ в последние годы связывают, в первую очередь, с введением операции предварительного обогащения на добычных участках.

Предварительное обогащение углей может быть реализовано: механическими методами — гравитационными, специальными, избирательным дроблением-грохочением или методами радиометрической сепарации.

Возможна и комбинированная технология предварительного обогащения, включающая несколько различных процессов.

Применительно к углям известны случаи использования для предварительного обогащения: механизированной переработки избирательного дробления-грохочения, радиометрической сепарации, разделение углей и породы по коэффициентам трения, сочетание гидравлической выемки угля с гидроудалением породы в подземных условиях [4, 5, 6].

Преимущества подземного обогащения угля по сравнению с традиционными схемами заключаются в следующем:

— породу можно использовать для закладки выработанного пространства и укладки бутовых полос без дополнительных затрат на транспортировку, что позволяет перейти к управлению кровлей очистного забоя способом закладки;

— возрастает производительность шахтного подъема по углю, что позволяет при тех же параметрах существенно повысить годовую мощность шахты и улучшить ее технико-экономические показатели;

— упрощается, а иногда и исключается отвальное хозяйство на поверхности, что позволяет кардинально улучшить экологическую обстановку в районе разработки.

Работы по улучшению качества угля и уменьшению количества выдаваемой на поверхность породы за счет внедрения комплекса обогащения отбитой горной массы непосредственно под землей с оставлением породы в шахте находятся в начальной стадии. В связи с этим исследования, направленные на обоснование технологии разработки угля со снижением его зольности в стесненных подземных условиях с использованием методов и малогабаритных аппаратов предварительной концентрации углесодержащих формаций, являются актуальными.

В каждом случае задача должна решаться путем поиска рационального сочетания способов разработки угля и его обогащения с целью обеспечения максимального выпуска товарного угля при минимальных затратах. Более перспективным представляется выполнение производственных процессов очистных работ в комплексе с попутным обогащением угля.

Все это свидетельствует о необходимости проведения исследований, которые позволили бы обосновать и разработать новые технологические и технические решения, учитывающие контрастность физико-механических свойств угля и породы, для улучшения качества отбитого угля в подземных условиях за счет его сортировки. Диссертация связана с научно-исследовательскими работами, проводимыми Уральским государственным горным университетом в рамках госбюджетной работы.

Объектом исследования являются технологические схемы разработки угольных месторождений.

Предметом исследований являются технологии разработки месторождений угля с использованием процессов предварительного обогащения отбитого угля в подземных условиях.

Цель работы: обоснование технических решений по усовершенствованию технологии разработки месторождений угля с предварительным обогащением в подземных условиях, обеспечивающих повышение качества добываемого угля и утилизацию пустой породы в погашаемых горных выработках.

Идея работы: повышение технико-экономических показателей работы угольной шахты за счет совершенствования технологии добычи угля с предварительным его обогащением в подземных условиях.

Методы исследования. Применен комплексный метод исследования, включающий анализ теории и практики разработки месторождений угля, определение физико-механических характеристик компонентов углей, испытания обогатимости, математическое и физическое моделирование.

При изучении состава и разделительных признаков угля применялись методы химического, минералогического, спектрального, ситового, фракционного анализов. Измерение механических, электрических, рентгенорадио-метрических характеристик проводилось с использованием стандартных и специально разработанных методик и аппаратуры. Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований выполнялась в лабораторных и опытно-промышленных условиях с использованием методов математической статистики и теории планирования эксперимента.

Основные защищаемые положения:

— технология подземной разработки угля целесообразна с применением фрикционного, рентгенорадиометрического и радиорезонансного методов обогащения, включенных в комплекс производственных процессов;

— технология предварительного обогащения угля в подземных условиях наиболее эффективна с применением малогабаритного оборудования бара-банно-полочного фрикционного сепаратора и сепаратора по трению и упругости;

— при обогащении рентгенорадиометрической сепарацией величина интенсивности вторичного характеристического рентгеновского излучения элементов в диапазоне 4,5 — 7,5 кэВ прямо пропорциональна зольности углесо-держащих кусков, что позволяет идентифицировать и выделять высокозольные куски;

— при обогащении фрикционным методом при сочетании процессов движения углесодержащих частиц по наклонной поверхности, удара их о поверхность вращающегося барабана и повторяющихся ударах свободно падающих частиц о наклонные поверхности отражающих элементов формируется веер траекторий частиц, отличающихся коэффициентом трения и восстановления при ударе, благодаря чему происходит разделение.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

— установлении существенных различий в физических свойствах углей и пород, что позволяет выбрать три наиболее эффективных метода разделения: рентгенорадиометрический, радиорезонансный и фрикционный, обеспечивающих вывод до 40% пустой породы в хвосты;

— разработке математических моделей процесса фрикционного разделения угля и породы и совершенствовании методики определения коэффициента восстановления скорости от коэффициента мгновенного трения при ударе с режимами движения частиц;

— обосновании технологии подземной разработки месторождений угля с техническими решениями по размещению оборудования для процессов обогащения отбитого угля и утилизации пустой породы в погашаемые выработки, обеспечивающие повышение качества товарного угля.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются представительным объемом экспериментальных исследований в опытно-промышленных и лабораторных условиях с использованием для их решения современных математических методов, апробированных методов механики и современных представлений об основных закономерностях контакта сыпучих материалов с поверхностями разделения, удовлетворительной сходимостью результатов моделирования с результатами лабораторных и опытно-промышленных испытаний аппаратов и технологий. При доверительной вероятности 0,85 — 0,95 расхождение не превышает 15% относительных, положительными результатами испытаний технических решений по разделению угля и породы в ОАО «НИИпроектасбест» (г. Асбест), ОАО «Радос», «ПИАТ», (г. Красноярск), ЗАО НПК «Техноген», (г. Екатеринбург).

Практическое значение заключается:

— в разработке проектных решений по размещению обогатительного оборудования в подземных условиях, что позволяет решать основные задачи улучшения качества добываемого угля;

— определении рациональных конструктивных и режимных параметров фрикционных сепараторов для размещения их в горных выработках для разделения угля и породы в пределах добычного участка;

— использовании для задач предварительного обогащения углей рент-генорадиометрического и радиорезонансного сепараторов.

Научное значение работы заключается в обосновании технологии разработки месторождений угля с использованием методов предварительного обогащения, выбранных на основе изучения физических характеристик, и исследования закономерностей разделения угля и породы в обогатительных аппаратах.

Личный вклад автора: постановка задач и разработка методик исследований, организация и непосредственное участие в выполнении исследований и опытно-промышленных испытаний предложенных технических решений, математическая обработка, анализ и обобщение полученных результатов, разработка рекомендаций по снижению зольности.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы и практические рекомендации использованы ОАО «Радос», (г. Красноярск), ОАО «НИИпроектасбест» (г. Асбест) при разработке технологии и аппаратов для разделения угля и пустой породы.

Разработанная технология извлечения угля рекомендована для использования на Коркинском угольном разрезе для переработки породных отвалов.

Результаты исследований в виде проектно-конструкторских задач и программ для моделирования процесса разделения материалов на фрикционных сепараторах внедрены в учебный процесс на кафедрах обогащения полезных ископаемых и разработки пластовых месторождений Уральского государственного горного университета при изучении дисциплин: «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» и «Моделирование обогатительных процессов».

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и российских научных конференциях и семинарах: «Неделя горняка» (г. Москва, 2004 — 2006), чтениях памяти В. Р. Кубаче-ка (г. Екатеринбург, 2004 — 2006), «Математическое моделирование механических явлений» (г. Екатеринбург, 2004), «Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья» (г. Екатеринбург, 2003 -2006) — научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа — регионам» и молодежной научно-практической конференции в рамках Уральской горнопромышленной декады (г. Екатеринбург, 2003 — 2006). На Всероссийском конкурсе студенческих работ под девизом «Уголь» получен диплом, 2003 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, изложенных на 158 страницах машинописного текста, и также включает 64 рис. и 21 табл., список литературных источников из 122 наименований, приложения.

8. Основные результаты работы и практические рекомендации использованы для разработки технологии и аппаратов для разделения углей в НИИпроектасбест, ОАО «Радос», г. Красноярске, в учебном процессе на кафедре РПМ и ОПИ УГГУ.

9. Технико-экономическая эффективность, рассчитанная применительно к шахте «Коркинская» ОАО «Разрез Коркинский», составила в ценах на 1 января 2007 г. 21 млн рублей в год. f>

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано решение актуальной научной задачи совершенствования технологии разработки месторождений угля с предварительным его обогащением в подземных условиях, обеспечивающее повышение качество отбитого угля и утилизацию пустой породы в.

I погашаемых выработках.

Основные научные и практические выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. В результате исследований гранулометрического, вещественного состава, контрастности и признаков разделения угольных фракций отбитого угля различных месторождений доказана возможность обогащения угля в кусковом виде.

В качестве методов для снижения зольности могут быть использованы: фрикционный, рентгенорадиометрический и радиорезонансный.

Исследования физических свойств угля и породы показали: интенсивность вторичного характеристического рентгеновского излучения элементов в диапазоне 4,5 — 7,5 кэВ прямо пропорциональна зольности углесодержащих кусковпри сочетании процессов движения углесодержащих частиц по наклонной поверхности, удара их о поверхность вращающегося барабана и повторяющихся ударах свободно падающих частиц о наклонные поверхности отражающих элементов, формируется веер траекторий частиц, отличающихся коэффициентом трения и восстановления при ударе, благодаря чему происходит разделение.

2. Анализ эффективности схем обогащения позволил определить наиболее перспективные технологические схемы с использованием в подземных условиях современных сепараторов по трению и упругости, обеспечивающих выделение значительной части высокозольных продуктов.

Использование малогабаритных установок БПФС и СПРУТ позволяет встраивать их в технологическую последовательность движения угольной массы от забоя до погрузочных пунктов в пределах добычных участков, а в сочетаниях с пневмозакладочными комплексами осуществлять размещение пустой породы в погашаемых выработках и закладку выработанных пространств при любых способах управления горным давлением (кровлей).

3. Разработаны технические решения по размещению и привязке оборудования подземных участковых пунктов обогащения при различных способах подготовки шахтных полей и системах разработки.

4. Усовершенствована методика определения зависимости коэффициента восстановления от коэффициента мгновенного трения при ударе, которая учитывает особенности поведения частиц в зависимости от режимов их движения и формы.

5. Математическая модель и экспериментальные исследования процесса разделения сыпучих многокомпонентных материалов на фрикционном барабанно-полочном (БПФС) и по трению и упругости (СПРУТ) сепараторах позволили установить, что доказана возможность разделения углей на данной аппаратуре. Рациональные параметры следующие:

— для БПФС — сочетания видов покрытия поверхности полки и барабана (сталь — сталь, сталь — резина) и положения оси вращения барабана. Рациональными следует считать следующие параметры: диаметр барабана 0,5 мдлину разгонной полки 1 мугол наклона полки 35°, угловую скорость вращения барабана 11,8 рад/с, радиус дуги дефлектора 0,1 м-.

— для СПРУТ такими параметрами являются: ширина полки элемента о.

Ь = 0,1 — 0,15 м), определяемая двугранным углом, 0 = 100, что о соответствует уголку № 100 фасонного прокатаугол наклона, у = 25, попарно-шахматная схема расположения отражательных элементоврасстояние между ярусами элементов AZ = 0,1 м. Рациональная скорость подачи частиц материала на плоскость БПФС и СПРУТ лотка составляет 1 -1,5 м/с.

6. Результаты испытаний на опытно-промышленных сепараторах подтвердили основные выводы теоретических исследований: например для ш. «Коркинская» сепаратор БПФС обеспечивает выделение низкозольного 42% и высокозольного угля 58% с массовой долей золы соответственно 12,5 и 52,8%, а сепаратор СПРУТ — низкозольного угля 34,6%, высокозольного 65,4% с массовой долей золы 9,75 и 54,23%.

7. Технологические испытания радиометрических сепараторов (РРС и ПИАТ) показали высокую эффективность разделения углей: РРС — выделено до 35% высокозольного и 65% низкозольного с массовой долей золы соответственно 67 и 24%- ПИАТ — низкозольного 41%, высокозольного 59% с массовой долей золы соответственно 14 и 51%.