Разработка и обоснование методов контроля качества угля на разрезах восточного забайкалья (на примере уртуйского буроугольного разреза)

На правах рукописи

СИДОРОВА ГАЛИНА ПЕТРОВНА

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

КАЧЕСТВА УГЛЯ НА РАЗРЕЗАХ ВОСТОЧНОГО

ЗАБАЙКАЛЬЯ

(НА ПРИМЕРЕ УРТУЙСКОГО БУРОУГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА)

Специальность: 25.00.22 – Геотехнология подземная, открытая

и строительная

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Чита - 2007

Работа выполнена в ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» и на кафедре Гидрогеологии и инженерной геологии ГОУ ВПО «Читинский государственный университет»

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Бабелло Виктор Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Овешников Юрий Михайлович;

кандидат технических наук, доцент Зыков Николай Васильевич

Ведущая организация ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Защита состоится 30.05.2007г в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.299.01 при Читинском государственном университете (г. Чита ул. Александро - Заводская, 30, зал заседаний ученого и диссертационного советов)

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ, ученому секретарю совета Д 212.299.01

Факс: (3022) 26-43-93; Web-server: www.chitgu.ru; E-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Читинского государственного университета

Автореферат разослан « 29 » апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. геол.-минерал. наук Н.П.Котова

Лицензия ЛР № 020525 от 02.06.97

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ N

Читинский государственный университет

ул. Александро-Заводская, 30, г. Чита, 672039

РИК ЧитГУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Качество полезного ископаемого и его технологические свойства являются одними из важнейших природных факторов при экономической оценке месторождения. Ошибки в оценке качества любых видов сырья выявляются и негативно влияют на экономику предприятия с самого начала эксплуатационных работ.

С позиции оценки качества, ценность ископаемых углей представляет вся добытая из недр угольная масса, а качество углей оценивается соответствием их определенных свойств требованиям ГОСТов, ОСТов, ТУ и соглашений с потребителем.

Требования потребителей к качеству углей в условиях насыщения рынка постоянно растут и весьма разнообразны, поэтому создание эффективных систем контроля на многих угледобывающих предприятиях считается одним из главных направлений работ. Контроль качества углей является неотъемлемой частью разработки месторождения. В процессе совершенствования горного производства, наряду со стандартными методами контроля качества углей, возникает необходимость применения современных методов, которые должны обеспечивать экспрессность, достаточную представительность анализируемого объема, возможность использования на различных этапах технологического процесса. Одним из возможных решений этого вопроса является разработка эффективной системы оперативного контроля, которая позволит управлять потоком добычи углей с учетом их качественных параметров, сократить время проведения лабораторных испытаний и снизить затраты на их проведение.

Объект исследования - угольные месторождения Восточного Забайкалья, разрабатываемые открытым способом.

Предмет исследования - методы контроля и управления качеством при оперативном планировании технологических процессов добычи угля, формировании и отгрузке партий товарной продукции.

Цель работы заключается в разработке эффективных методик оперативного контроля качества добываемых углей на этапах технологического процесса от планирования до отгрузки потребителям.

Идея работы заключается в том, что повышение потребительских качеств углей достигается с применением комплексной системы оперативного контроля зольности, низшей теплоты сгорания и их радиационно-гигиенических параметров, при планировании добычных работ, формировании грузопотоков и отгрузке потребителям.

Основные задачи работы:

- анализ состояния проблемы качества углей и методов оперативного контроля и управления качеством на угледобывающих предприятиях;

- обобщение и анализ качественных характеристик углей на основных месторождениях Восточного Забайкалья, разрабатываемых открытым способом;

- выбор, обоснование, апробация и внедрение эффективных методик контроля качества углей для оперативного управления потоком добычи:

- разработка комплексной методики формирования добычных блоков с помощью секционно-погоризонтных карт качества;

- разработка комплексной методики оперативного контроля зольности углей рентгено – радиометрическим опробованием (РРО), определения низшей теплоты сгорания и радиационно–гигиенических параметров добываемых углей для формирования партий товарной продукции.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплекс методов исследований: анализ результатов детальной разведки и эксплуатационно-разведочного бурения; анализ нормативно – технической и научно-методической документации, результатов химических, теплотехнических, гранулометрических, рентгенорадиометрических, спектральных, рентгеноспектральных методов исследования углей; статистическая обработка данных; натурные исследования инструментальных методов определения качества угля по зольности и содержанию естественных радионуклидов, технико-экономический анализ эффективности предложенных методов оперативного контроля качества угля.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Эффективное управление качественным составом транспортного потока добытого угля достигается оптимальным планированием добычных работ, путем секционного погоризонтного картирования запасов.

2. Методика экспресс-контроля зольности угля рентгенорадиометрическим опробованием (РРО) и низшей теплоты сгорания расчетным методом, позволяющая оперативно формировать партии угля требуемого качества.

3. Комплексная методика оперативного контроля радиационно - гигиенических параметров качества угля на этапах технологических процессов добычи, формирования грузопотоков, отгрузки потребителям, обеспечивающая радиационную безопасность добычи, транспортирования и потребления угля.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами экспериментально- промышленных исследований по контролю качества углей с результатами независимых лабораторий, с достоверностью 85-90 %.

Научная новизна работы

1. Впервые разработана и обоснована методика секционно-погоризонтного картирования эксплуатационных запасов при открытой разработке сложно-структурных месторождений, позволяющая эффективно управлять качественным составом транспортного потока добытого угля.

2. Выявлены зависимости вторичных спектров гамма-излучения от зольности при рентгенорадиометрическом опробовании углей, при этом установлено, что между аналитическим параметром, представленным отношением однократно-рассеянного излучения к характеристическому излучению железа и зольностью существует устойчивая корреляционная связь, описывающаяся математической моделью регрессии:

Ad = exp (4.89 – 0.389 x П),

где П – аналитический параметр

3. Впервые выявлена вариативность радиационных показателей углей на этапах планирования добычных работ, транспортирования и отгрузки угля потребителям, позволяющая обосновать комплексную методику оперативного контроля их радиационно-гигиенических параметров.

Практическая ценность работы

1. Разработана и внедрена методика составления секционно-погоризонтных карт качества углей, которые используются при планировании добычи угля по сортам, составлении шихты в соответствии с ТУ и требованиями потребителей.

2. Усовершенствован и внедрен метод определения зольности углей способом рентгенорадиометрического опробования, который используется для подготовки партий товарного угля заданного качества.

3. Разработан и обоснован графо-аналитический метод определения низшей теплоты сгорания по известным значениям влажности и зольности, который используется для оперативного определения данного показателя в потоке и при формировании партий товарного угля.

4. Разработана и внедрена комплексная методика контроля радиационно-гигиенического качества углей, которая позволяет обеспечить радиационную безопасность топлива.

Личный вклад автора

- постановка цели и задач исследований, анализ состояния изученности проблемы;

- проведение анализа комплексных исследований качества углей Уртуйского месторождения и статистическая обработка материалов;

- изучение качественных характеристик углей в процессе эксплуатации месторождения; составление проектов эксплуатационно-разведочных работ, проведение визуального, аналитического, приборного контроля качественных характеристик, обобщение и сопоставление результатов, натурные исследования предлагаемых методов оперативного контроля качества углей;

- апробация и внедрение методик оперативного контроля и управления качеством углей на всех технологических этапах от планирования добычи до отгрузки потребителю;

- разработка методики и составление секционно-погоризонтных карт качества.

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований и практической реализации были представлены, докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях Горного института ЧитГУ, г.Чита (2005-2007 гг.); семинарах кафедры «Открытых горных работ» ЧитГУ (2006 -2007 гг.); на VI Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения», г.Чита, ЧитГУ, 2006 г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 6 печатных работ – 5 статей и 1 тезисы доклада.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 104 наименований, изложена на 163 страницах печатного текста, включает 34 таблицы,18 рисунков и 4 приложения.

Автор выражает глубокую признательность: научному руководителю, доценту, канд. техн. наук В.А. Бабелло; д-ру техн. наук, профессору А.В. Рашкину; доценту, канд. техн. наук С.В.Смоличу за ценные советы и постоянную методическую помощь при выполнении работы; главному геофизику ОАО ППГХО Р.А.Суханову; начальнику аналитической лаборатории ЦНИЛ ОАО ППГХО А.В.Тирскому; д-ру техн. наук, профессору В.А.Овсейчуку; зам. начальника ОООС ОАО ППГХО В.Н. Францеву, гл. инженеру РУ«Уртуйское» В.В.Лескову за содействие, консультации и оказанную помощь в проведении лабораторных и промышленных испытаний, подготовке и обработке полученных результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Конкурентоспособность угля напрямую связана с его качеством. В жестких условиях рынка энергетического топлива контроль и обеспечение качества углей является одним из важнейших направлений технологического процесса, от которого во многом зависят экономические показатели работы не только угледобывающего предприятия, но и других отраслей народного хозяйства, которые этот уголь используют.

Вопросами качества углей занимались В.К. Турченко, П.П. Жуков, Ю.С. Зак, Г.Л. Стадников, К.В. Миронов, Н.В. Еремин, Т.М. Броневец, Г.Л. Куклина, А.М. Онищенко, П.И. Грабов, Л.П. Старчик и др. Анализ проведенных ранее исследований и опубликованных материалов по вопросам изученности контроля качества углей, методов контроля, вопросов управления качеством, показывает, что проблеме оперативного контроля и управления качеством углей уделено недостаточное внимание, а существующие методы контроля не всегда отвечают современным требованиям. Для установления возможных и наиболее рациональных направлений использования углей определяются многочисленные показатели их качества, номенклатура которых, правила отбора и обработка проб, методы их испытаний, анализа и измерений установлены соответствующими стандартами и ТУ.

Качество угля изучается в условиях естественного его залегания, в добытой и отгружаемой товарной продукции, а также при поступлении на углеперерабатывающие и углепотребляющие предприятия. На качество добываемого угля влияют следующие группы факторов:

производственные – планирование развития горных работ и долевое участие пластов (участков) в добыче угля;

горно-геологические – характеристика качества угольных пластов, мощность и угол их падения, глубина залегания, состав и свойства боковых пород, наличие тектонических и других нарушений;

технологические – способы проведения очистных и подготовительных работ, схемы выемки угля, режим работы выемочных механизмов, порядок выдачи угля и породы из подготовленных выработок (блоков) и т.д. Действие каждой группы факторов на качество углей имеет различный характер. С точки зрения управления качеством угля наиболее важную роль играют технологические факторы. Именно они при данных горно-геологических условиях определяют разрыв между качеством угольных пластов и добытого из них угля.

Вопрос оперативного контроля качества углей в таких условиях отработки месторождения остается весьма актуальным и не может быть решен без применения новых эффективных методов и методик. Наряду со стандартными методами контроля качества угля необходима разработка и внедрение современных оперативных методов контроля, находящихся в непрерывной связи с процессом совершенствования технологии горного производства.

Уртуйский буроугольный разрез – одно из перспективных структурных подразделений Приаргунского производственного горно-химического объединения. В настоящее время разрез вышел на годовую производительность 4,5 млн. т. угля, а реализация высококачественного угля приносит весомую прибыль ОАО ППГХО в последние годы.

Одна их важнейших задач предприятия это контроль и обеспечение качества добываемого угля, так как это обеспечивает устойчивое положение на рынке сбыта.

Сложный петрографический состав и различное соотношение микрокомпонентов групп витринита, инертинита и липтинита обусловили значительное разнообразие углей на Уртуйском месторождении. Количественное соотношение типов углей приведено в таблице 1.

Преобладающими являются фюзинито – гелититы и гелито – фюзиниты. В распределении различных петрографических типов наблюдается определенная закономерность: в нижней части разреза пластов преобладают угли класса гелитолитов (57%). Угли этого класса блестящие, хрупкие, с раковистым или полураковистым изломом.

Для них характерны низкие показатели максимальной влагоемкости и «материнской» зольности.

Таблица 1

Количественное соотношение типов углей на Уртуйском

месторождении

Группа	Класс	Петрографические типы	Кол – во (%)
Гумолиты	Гелитолиты	Фюзинито – гелиты Липоидо – фюзинито – гелиты Фюзинито – гелититы Гелититы	9 5 37 6
	Фюзенолиты	Гелито – фюзетиты Липоидо – гелито – фюзетиты	34 9

По классификации соответствуют группе 3Б. Количество гелитолитовых углей увеличивается с юга на север в сторону расщепления пластов. В верхней части разреза пластов преобладают угли класса фюзенолитов (43%). Угли этого класса матовые, полуматовые, с ребристым или округло-угловатым изломом, вязкие, твердые, крепкие, с более высоким удельным весом. По качественным характеристикам соответствуют классу 2Б. Следовательно, угли на месторождении различаются по вещественному составу компонентов, которые по разному влияют на их свойства, как энергетического топлива.

По ГОСТ 25543–88 – угли Уртуйского месторождения относятся к группам 2Б и 3Б, подгруппам 2БВ, 2БФ, 3БВ, 3БФ.

Качественные показатели представлены в таблице 2.

Разработанная и предложенная нами система оперативных методов контроля угля позволяет управлять потоком добычи с учетом качественных показателей на всех этапах технологического процесса от планирования до отгрузки потребителям.

Она включает в себя три основных направления:

1. Управление качеством угля на стадии планирования с помощью секционно-погоризонтных карт качества.

2. Оперативный контроль и управление качеством угля при подготовке партий товарной продукции по двум из основных его параметров: зольности и низшей теплоте сгорания.

3. Оперативный радиационно-гигиенический контроль качества угля и решение задачи его радиационной безопасности

Таблица 2

Основные показатели качества углей Уртуйского месторождения, %

Инд. пласта	Wrt	Ad	Vdaf	Cdaf	Hdaf	Ndaf	Sd	Qdafs	Qrt	R0	OK
М	16,5-35,5 29,0	4,6-19,2 7,9	37,1-41,2 39,3	72,1-77,2 76	3,8-5,0 4,4	0,6-1,1 0,7	0,12-0,74 0,28	29,04-30,47 29,92	-	0,38-0,48 0,45	28-38 34
М1	-	5,8-22,9 9,5	36,4-41,0 38,3	72,2-76,6 76,4	4,4-4,6 4,4	0,9-0,9	0,18-0,63 0,31	29,05-30,1 29,74	-	0,43-0,50 0,46	28-52 43
М3	-	6,9-13,9 9,1	35,2-42,3 40,0	71,4-76,9 76,4	4,1-4,8 4,6	0,8-0,8	0,23-0,60 0,32	29,35-30,03 29,45	-	0,48-0,48	39-39
В це- лом по место- рожде- нию	16,5-35,0 29,0	4,6-29,1 8,7	35,0-45,2 39,2	71,4-78,8 76,2	3,1-5,0 4,4	0,6-0,1 0,78	0,12-0,75 0,33	28,94-30,87 29,82	17,90	0,38-0,50 0,46	25-52 36

Примечание. Qdafs, Qrt –МДж / кг

Управление качеством углей начинается с геолого-технологического картирования запасов.

Карты качества применяются в угольной промышленности и отстраиваются по единичным или комплексным показателям. Это графическое изображение поверхности пласта или его участка, разделенное на зоны, однородные по уровням значения какого-либо показателя. Для каждого показателя отстраивается отдельная карта. Недостатком использования таких карт является высокая погрешность в точности определения качественного показателя, т.к. зачастую он распространяется на всю мощность пласта и его значительную площадь.

Нами предложена методика составления секционно-погоризонтных карт качества, которая внедрена и используется на Уртуйском буроугольном разрезе уже несколько лет.

Первое защищаемое научное положение:

Эффективное управление качественным составом транспортного потока добытого угля достигается оптимальным планированием добычных работ, путем секционного погоризонтного картирования эксплуатационных запасов.

Авторское представление секционно-погоризонтных карт качества позволило выделить следующие этапы их составления:

- запасы угля на горизонте оконтурены и подсчитаны по данным детальной разведки;

- границы подсчетных блоков отстроены по геологическим разрезам;

- вся площадь горизонта разбита на сектора продольными и поперечными разведочными линиями по сети 125 х 50 м. Такая разведочная сеть позволяет набрать оптимальное количество необходимого для расчетов материала и одновременно является площадью сектора. Проектная высота горизонта – 12 м.;

- основными прогнозируемыми показателями качества являются: зольность сухой массы, влажность рабочей массы, теплота сгорания рабочей массы, содержание серы в сухой массе и содержание естественных радионуклидов (ЕРН);

- на основе фактических материалов для каждого сектора рассчитываются объем угля в нем и его усредненные качественные показатели.

Все необходимые данные помещены на один лист: карта (план) горизонта с блокировкой и сетью разведочных линий, т.е. секторов в масштабе 1: 5000 и таблица показателей качества в каждом секторе. При получении дополнительных материалов после эксплуатационно-разведочных работ, бороздового опробования, гамма-опробования и т. д., данные на погоризонтных картах качества пополняются.

По материалам предложенных карт качества производятся расчеты качественных характеристик угля при планировании добычных работ, выборе оптимального варианта этих работ, расстановки горного оборудования, проводится прогноз показателей качества на долгосрочный период при заключении договоров на поставку угля.

Расчеты производятся в режиме усреднения качества, методом решения линейной задачи о смеси, которая применяется в горном деле, с использованием целевой функции вида:

n

Xi Ci - min,

i = 1

где Xi - управляемые переменные объема добычи в секторе i,т.

Ci - затраты на добычу угля в секторе i, руб

при ограничениях:

- по объему угля из каждого сектора

Qmaxi > Xi > Qvini ( i =1,2,3 … п),

где Qmaxi и Qmini – максимально возможный и минимально необходимый объем угля из сектора i, т.

- по качеству угля n n

Xi Wri / Xi = Wr пл.,

i = 1 i = 1

где Wri – содержание рабочей влаги в секторе i,%

n n

Admax Xi Adi / Xi Admin,

i=1 i=1

где Admax и Admin максимальное и минимальное допустимое содержание золы в добыче,% n n

XiUi / Xi Umax,

i=1 i=1

где Ui и Umax содержание урана в секторе i и максимальное содержание

урана,%

Пример выбора показателей для расчета шихты показан на рис.1.

Гор. + 504 м (Бл. 3-А) Гор. + 588 м (Бл. 19-С1)

111

95

112

Сектор 95 Сектор 111 Сектор 112

Объем – 30,0 т.т. Объем – 20,0т. т Объем – 21,0 т.т.

Ad ср. – 12,8 % Ad – 12.2% Аd - 21.3 %

Wr ср. – 32,0% Wr – 36.0% Wr – 35.0 %

Sср. - 0,18 % Sср. - 0,19 % Sср. – 0.2 %

U max – 0,0006% Umax - 0,0012 % Umax - 0.001%

Qri - 3844 ккал/кг Qri – 3608 ккал/кг Qri - 3272 ккал/кг

(16,08 Мдж/кг) (15,1 МДж/кг) (13,69 МДж/кг)

Рис.1.Участки пласта М, планируемые к отработке

Результаты расчетов сводятся в таблицу, которая прилагается к плану

горных работ.

Карты качества являются необходимым источником информации при составлении планов добычи угля по сортам, расчете шихты в соответствии с ТУ и требованиями потребителей при оперативном, текущем и перспективном планировании.

Одними из основных показателей качества угля является зольность и низшая теплота сгорания угля.

Стандартный метод определения зольности (ГОСТ 11022-75) предусматривает полное сжигание навески угля, отобранной и разделанной стандартным же способом, при t = (815±15)о С. Органическое вещество при этом удаляется в виде диоксида углерода и воды, а минеральные примеси, подвергаясь ряду превращений, образуют золу. Отношение массы неорганического остатка, полученного после полного сжигания пробы угля, к массе этой пробы определяет содержание золы в %. На проведение анализа по определению зольности стандартным методом (отбор пробы, обработка, сушка, сжигание) уходит около 24 часов.

Такой подход не позволяет повысить эффективность технологического процесса добычи угля. Для управления качеством угля в процессе добычи необходимо использовать средства оперативного определения его показателей.

В угольной промышленности наряду со стандартным методом определения зольности применяются и инструментальные методы, как правило, используемые для ускоренного определения этого показателя. Для экспрессного определения зольности угля часто применяется рентгенорадиометрический метод ее измерения.

В практике применения рентгенорадиометрического метода существуют три способа измерения: интенсивности, спектральной разности, спектральных отношений.

Способ спектральных интенсивностей может быть применен при определении зольности углей, но он имеет ряд недостатков, так как существенно зависит от аппаратурных факторов (разрешение применяемых детекторов, распада источников возбуждения, стабильности блока питания), а так же физического состояния угля (влажности, крупности) и соблюдения идентичности геометрии измерения.

Способ спектральной разности применяется при необходимости компенсации влияния мешающих факторов на аналитический параметр, и при этом остаются все недостатки способа спектральной интенсивности.

Способ спектральных отношений в меньшей степени зависит от аппаратурных факторов, физического состояния угля и геометрии измерения. Он и был выбран за основу разработанной нами методики определения зольности углей методом рентгенорадиометрического опробования (РРО).

При планировании, составлении шихты, предварительной оценке качества угля и решении других вопросов в текущей работе геолога и мастера ОТК разреза постоянно приходится сталкиваться с определением одного из основных показателей качества угля – низшей теплотой сгорания на сухое состояние топлива (Qri). Оперативное определение теплоты сгорания необходимо увязать с известными значениями рабочей влажности и зольности. Различными исследователями постоянно изыскиваются пути определения (Qri) по известным значениям рабочей влажности и зольности (Wr, Ar), методы определения которых не требуют больших затрат (как во времени, так и в материальном плане). Так, при изучении Уртуйских углей Сибирским филиалом ВТИ были получены уравнения регрессии на несколько диапазонов влажности. Анализируя эти зависимости, можно сделать следующие выводы: при качественно правильных зависимостях

Qri = F(Wr, Ad), линии уравнений не параллельны, имеют разный наклон, расстояние между линиями не одинаковы, т.е. коэффициенты уравнений определены неверно, ошибка состоит в применении одного уравнения на целый диапазон влажности. Это можно объяснить недостаточным объемом исходных данных для достоверного определения регрессии.

Второе защищаемое научное положение.

Методика экспресс-контроля зольности углей рентгенорадиометрическим опробованием (РРО) и низшей теплоты сгорания расчетным методом, позволяющая оперативно формировать партии угля требуемого качества.

Эффективный атомный номер золообразующей части угля, в состав которой входят соединения Al, Si, S, Ca, Mg, Fe, K, P, зависит от их содержания в золе. Постоянство состава золы гарантирует однозначность взаимной связи эффективного атомного номера угля с зольностью. По коэффициенту вариации содержаний в золе все золообразующие элементы разделяются на три группы. К первой группе можно отнести золообразующие элементы с низким (до 50%) коэффициентом вариации содержаний в золе (алюмосиликаты, кремнезем, окислы серы и кальция). Во вторую группу - золообразующие элементы с коэффициентом вариации содержаний элементов в золе от 50 до 100% (окислы магния и железа).

К третьей группе отнесены элементы с коэффициентом вариации содержаний в золе более 100% (окислы фосфора и калия).

Для предлагаемой нами методики практический интерес представляет содержание железа в углях и его корреляционная связь с зольностью.

В качестве аналитического параметра предлагается отношение однократно-рассеянного излучения к характеристическому излучению железа. Поскольку энергия рентгеновского излучения применяемых источников Плутония-238 выше края поглощения железа, то железо поглощает первичное и отражает излучение большее, чем алюминий и кремний. Следовательно, увеличение содержания железа ведет к уменьшению рассеянного излучения и к увеличению флуоресцентного излучения железа. Такое соотношение позволяет повысить чувствительность аналитического параметра к зольности.

Физически метод основан на облучении исследуемой поверхности угольной пробы источниками ионизирующего излучения и регистрации возникающего при этом вторичного излучения. Уголь, являющийся сложным многокомпонентным веществом, может быть представлен как смесь органической массы и минеральных примесей. Физический смысл метода определения зольности в углях заключается в том, что при увеличении зольности возрастает эффективный атомный номер за счет повышения содержаний золообразующих элементов и, как следствие, происходит изменение амплитудной составляющей однократно-рассеянного излучении.

Проводя регистрацию вторичного излучения на определенном участке спектра, можно судить о величине зольности в исследуемой пробе.

На рисунке 2 представлены графики вторичных спектров проб угля с различной зольностью, на которых видно, что однократно-рассеянное излучение закономерно уменьшается с увеличением зольности.

Кроме того, отмечается пик характеристического излучения железа, увеличивающийся с увеличением содержания железа.

Рис.2. Аппаратурные спектры вторичного гамма-излучения

для проб угля с различной зольностью (Аd):

верхний пик - Ad = 5,2 %, нижний - Ad = 30,8%

Предложенная методика измерения впервые реализована на анализаторе РРК-103 «Поиск» с применением в качестве детектора пропорционального счетчика СИ-6Р с ксеноновым наполнителем. Источником возбуждения является Плутоний-238, суммарной активностью 34 мКи. Первый измерительный канал устанавливается в районе максимума пика рассеянного излучения источников возбуждения. Второй рабочий канал захватывает пик характеристического излучения железа. Стабилизация спектрометрического тракта осуществляется за счет применения системы АРУ (автоматической регулировки усиления).В качестве репера используется максимум пика рассеянного излучения.

Первоначально зависимость аналитического параметра от зольности угля была установлена по измерениям 242 проб. В качестве исходного материала были использованы товарно-расчетные пробы, прошедшие соответствующую пробоподготовку и проанализированные на зольность в спектрально-аналитической лаборатории рентгеноспектральным методом

Для снижения уровня случайной погрешности по каждой пробе проводилось по три измерения. За исходный результат принималось среднее значение аналитического параметра. Анализ полученных результатов показал, что между зольностью угля и аналитическим параметром существует устойчивая корреляционная связь. Эта связь наиболее хорошо описывается математической моделью регрессии:

Аd = ехр ( 4,89 – 0,389 х П ),

где П – аналитический параметр.

Случайные погрешности единичных измерений зольности не велики, поэтому результаты рентгенорадиометрического определения зольности угля были признаны удовлетворительными. Порогом обнаружения зольности по данной методике является наименьшее ее значение, которое можно обнаружить с вероятностью 95% в исследуемой пробе. Значение порога измерений зольности угля найдено экспериментально, путем неоднократного измерения пробы угля с наименьшей, имеющейся в наличии зольностью. Порог обнаружения зольности рассчитан по формуле:

Adn = 3 Sn,

где Sn – средняя квадратичная погрешность измерения.

n

Sn = ( Zi – X)2 2/ 2N,

i=1

где N – число измерений;

Zi - результаты рентгенорадиометрического опробования (РРО) зольности,%

Х – зольность по данным геологического опробования,%

По данным 242 измерений, среднее значение зольности по РРО составило –

5,3 %. Среднеквадратичная погрешность единичного измерения - 1,5%.

Adn = 3 х 1,5 = 4,5%

Порог обнаружения зольности рентгенорадиометрическим методом составляет - 4,5%.

Методика определения зольности углей способом рентгенорадиометрического опробования с использованием в качестве аналитического параметра отношения однократно-рассеянного излучения к характеристическому излучению железа, с измененной методикой настройки прибора РРК -103 «Поиск», была разработана и опробована на Уртуйском буроугольном месторождении. В настоящее время она используется для оперативного контроля зольности углей при формировании шихтовочных штабелей на угольном складе, контроля формирующихся партий отгружаемого топлива. что и позволило сократить объем лабораторных анализов на 90% от отгружаемых партий угля.

Расчетный метод определения низшей теплоты сгорания.

Нами для установления зависимостей Qri = F (Wr, Ar), принят метод, вытекающий из ГОСТ 27313-95 (ИСО 1170-77) «Обозначения показателей качества и формулы пересчета результатов анализа для различных состояний топлива». По ГОСТу пересчет низшей теплоты сгорания из одного состояния топлива в другое производится по формуле:

Qr2 = (Q r1 + 6Wr1 )100 – Wr2 - Ar2 / 100 – W r 1 – Ar1 - 6Wr2 ( 1),

где Qr1– низшая теплота сгорания на первое состояние топлива с рабочей влажностью Wr1 и рабочей зольностью Ar1;

Qr2 - низшая теплота сгорания (неизвестное) на второе состояние топлива с известной рабочей влажностью Wr2 и зольностью Ar2.

Принимаем за Qr1, Wr1, Ar1 показатели качества углей, достаточно надежно определенные различными исследованиями на стадии разведки и технологических испытаний для Уртуйского месторождения:

Qr1 = 4020 ккал/кг, Wr1 =29,5 %, Ar1= 12,5 %, расчет зольности на рабочее состояние топлива для углей Уртуйского месторождения:

Ar 1 = Ad1 100 – Wr1 = 8,81 % (2),

где Ad1 – зольность на сухое состояние топлива.

Подставляя средние значения в формулу (1), получим формулу расчета низшей теплоты сгорания для углей Уртуйского месторождения:

Qr2 = 68,0337 (100 – Wr2 – Ar2) - 6Wr2 (3 ).

Эта формула позволяет рассчитать низшую теплоту сгорания (Qr2) Уртуйских углей для любого состояния топлива по известным значениям рабочей влажности и зольности.

На основе данной формулы построена палетка для определения Qr2 графическим способом (рис.3). Масштаб построения графика и количество линий может быть любым.

Qri

5000

4000

3000

5 10 15 20 25 Ar2

Рис.3. Графическая зависимость низшей теплоты сгорания (Qri)

Уртуйских углей от рабочей зольности (Ari) и рабочей

влажности (Wri).

Дробные значения зольности и влажности откладываются на палетке путем интерполяции между целыми значениями. Правильность определения низшей теплоты сгорания по формуле (3) и графику проверена по результатам сопоставления этого показателя с данными лаборатории ТЭЦ г. Краснокаменска в период с 1999 по 2005 годы. По известным значениям W r2 и Ar1, определенным в лаборатории, рассчитывалась величина Qr2 по формуле (3), которая сравнивалась с фактически полученным значением на калориметре. Всего сравнивалось 284 определения.

Среднее квадратическое расхождение между рассчитанным и фактическим значениями составило ± 3,5 %. Необходимо иметь в виду, что это расхождение является суммой погрешностей определения трех составляющих: влажности, зольности и теплоты сгорания пробы в лабораторных условиях. Исключив один из анализов – собственно определение теплоты сгорания, точность определения Qr2 будет зависеть только от точности определения рабочей влажности и рабочей зольности.

Проведенный анализ раздельно по геологическим блокам и пластам, содержащим различные генетические разности углей, показал, что угли группы 2Б, отличающиеся большей влагоемкостью и, соответственно, рабочей влажностью, имеют более низкую теплоту сгорания, и наоборот: угли группы 3Б имеют меньшую влагоемкость (соответственно влажность) и более высокую теплоту сгорания. Угли подгрупп 2БФ и 3БФ имеют ограниченное распространение и не образуют самостоятельных блоков. Теплота сгорания углей всех подгрупп, в пределах погрешности определения показателей качества, подчиняется одному закону, описанному формулой (3), систематических расхождений не установлено.

Предложенная методика оперативного расчета низшей теплоты сгорания позволяет снизить объем дорогостоящих анализов в калориметрической бомбе, прогнозировать теплотворные качества угля в блоке, пласте, горизонте, секторе.

Радиационно-гигиенический контроль качества угля на всех этапах его добычи. Одними из важнейших показателей качества углей, с точки зрения экологов, являются его радиационно-гигиенические параметры. Угли с содержанием естественных радионуклидов встречаются практически повсеместно. Значительной проблемой при решении вопросов радиационно-гигиенического контроля углей является то, что до настоящего времени нет как отечественных, так и международных нормативно-методических документов, определяющих требования к содержанию радионуклидов в сжигаемых углях.

Действующими ОСПОРБ-99 п.5.3.4. определены ограничения содержания радионуклидов только в продуктах сжигания углей (зола, шлак) при использовании их в строительных целях. Отсутствие нормативных документов приводит к организационным, методическим и техническим трудностям при организации системы контроля радиационного качества угля.

Третье защищаемое научное положение.

Комплексная методика оперативного контроля радиационно-гигиенических параметров качества угля на этапах технологических процессов добычи, формирования грузопотоков, транспортирования и потребления угля.

В результате опытных работ нами была разработана система контроля качества угля по радиационно-гигиеническому фактору, которая базируется на понятии удельной эффективной активности (Аэфф, Бк/кг), принятом в практике радиационной оценки материалов, используемых в строительстве (в том числе шлака и золы), и определяется уравнением, приведенным в НРБ-99:

Аэфф = АRa + 1.31 ATh + 0.085 AК, Бк/кг

где: АRa, ATh – удельные активности Ra – 226 и Th – 232, находящихся в равновесии с остальными членами уранового и ториевого семейств;

АК – удельная активность К- 40.

Предложенная нами система контроля качества угля обеспечивает представительное экспрессное определение удельной эффективной активности с достаточной для радиоэкологических требований точностью единичного измерения.

Функционально система радиационно-гигиенического контроля работает следующим образом:

1. Гамма-каротаж на этапах детальной и эксплуатационной разведок.

Выполняется в скважинах колонкового и шнекового бурения с использованием аппаратуры ПРМК-102 «Обь», «Прометей-Р-1Н» и каротажных станций СК-1-74, СКС-2АУ-01 в комплексе с кавернометрией.

Минимальная определяемая удельная эффективная активность при непрерывной записи результатов гамма-каротажа на ленту при скорости не более 50 м/ч составляет 5,3 Бк/кг, при точечном каротаже при времени измерения на точках t = 10 с составляет 4,1 Бк/ кг. Результаты гамма-каротажа используются для составления погоризонтных карт качества, проектов развития разреза, перспективного и текущего планирования добычи угля по сортам.

Методика гамма-каротажа стандартная.

2. Гамма-опробование забоев экскаваторов. Проводится с целью оперативного контроля подготовленных к отработке блоков угля радиометром направленного приема ПРН-4-01М. Минимальная определяемая удельная активность при опробовании угля составляет 9,9 Бк/кг.

Методика гамма-опробования в естественном залегании угля (в забоях) и на штабелях угольного склада разработана нами и применена на углях впервые и состоит из 3-х разделов:

1. Аппаратура. Методы подготовки ее к работе, особенности эксплуатации и ремонта.

2. Методика и техника проведения гамма-опробования.

3. Обработка результатов гамма-опробования.

Для гамма-опробования угля в естественном залегании и на штабелях угольного склада, применяется прибор рудничный направленного приема ПРН-4-01, модернизированный с целью повышения чувствительности и использования в одноканальном варианте измерений (увеличение чувствительности прибора к гамма-излучению в 10 раз и отключение от измерительной схемы компенсационного канала). Методы подготовки прибора к работе, особенности эксплуатации и ремонта предусмотрены специальной инструкцией.

Методика и техника проведения гамма-опробования предусматривает разбивку профилей на участках опробования с шагом в 1 м., с подробной привязкой профиля (горизонт, блок, сектор, репера и т.д.).

Замеры прибором ведутся в намеченных точках опробования. Все записи производятся в специальном журнале, в котором, кроме привязки и значений замеров в делениях шкалы, указываются также характерные особенности, такие как наличие тектонических нарушений, зоны окисления, изменение структуры угля и т.д.

Обработка результатов гамма-опробования заключается в пересчете показаний прибора, выраженных в делениях шкалы, в значениях интенсивности, выраженные в мкР/час, в расчете средней интенсивности по профилю (штабелю):

J = J1 + J2 + … Jn / n,

где J средняя интенсивность по профилю (штабелю), мкР/час;

J1, J2, Jn – интенсивность в точках наблюдений, мкР/час;

n – количество точек наблюдений.

Расчет содержаний урана (Сu,%) по интегральной гамма-активности проводится по выведенному нами уравнению регрессии, на основании определения пересчетных коэффициентов, которые определены экспериментально:

Cu = CRa – NTh / Kрр,

где СRa – содержание радия, %

NTh - поправка на влияние тория;

Крр – коэффициент радиоактивного равновесия.

Поправка на калий не учитывается ввиду незначительности его вклада. Средние значения тория и калия определены не только для каждого пласта и блока, но и для каждого сектора. Эти показатели участвуют в расчете радиационно-гигиенических параметров для каждого сектора, при составлении погоризонтных карт качества.

3. Гамма-экспресс анализ углей в автосамосвалах. Это оперативный контроль и сортировка текущей добычи (контроль проходит каждый автосамосвал с углем). Выполняется на радиометрической контрольной станции (РКС), оборудованной аппаратурой «Алмаз» по разработанной нами методике. Минимальная определяемая эффективная удельная активность в транспортной емкости составляет порядка 20 Бк/кг.

Предложенная нами методика гамма-экспресс анализа угля в автосамосвалах состоит из:

- определения эксплуатационных характеристик радиометрической контрольной станции, которые включают в себя экспериментальный выбор геометрии измерения, определение величины натурального фона, определение погрешностей измерения, определение величины нулевого фона, определение пересчетных коэффициентов;

- модернизации и настройки аппаратуры;

- схемы замера и сортировки автосамосвалов с углем;

- обработки результатов измерений, которая заключается в определении содержаний урана в угле с естественной влажностью. Расчет производится по формуле, выведенной нами экспериментально:

C = Jимп / n x 7,2 x 10-6 x 100 – Wmax / 100 %,

где J имп - сумма импульсов по всем автосамосвалам,

n – количество автосамосвалов,

Wmax – максимальная влагоемкость угля, (%).

4. Гамма-опробование угля в отбитой массе выполняется на штабелях промежуточного склада радиометром ПРН-4-01М для дополнительного контроля подготовленных к отгрузке партий угля и формирования шихтовочного штабеля по радиационно-гигиеническим параметрам.

5. Гамма-спектрометрический анализ проб выполняется на установке РКП-05П в ЦНИЛе, применяется для контроля работы аппаратуры. Методики гамма опробования угля в естественном залегании, на штабелях угольного склада и гамма-экспресс анализа угля в автосамосвалах, разработаны нами впервые для углей на основе экспериментальных работ и прошли успешную апробацию на Уртуйском буроугольном разрезе. Сравнительный анализ за период с 1993 по 2006 гг., показывает высокую эффективность применяемых методов.

Все основные операции в системе радиационно-гигиенического контроля внедрены и используются на Уртуйском буроугольном разрезе и закреплены разработанными соответствующими технологическими инструкциями для персонала. Сама система контроля закреплена стандартом предприятия.

Заключение

В диссертации дано решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности технологического процесса добычи угля открытым способом на основе разработки системы оперативного контроля за его качественными параметрами. Основные научно-практические результаты выполненных исследований и рекомендаций сводятся к следующему.

1. На примере Уртуйского буроугольного месторождения разработана методика составления секционно-погоризонтных карт качества, которые успешно используются для оперативного, текущего и перспективного планирования добычи. Методика составления карт рекомендуется для использования на угольных месторождениях, разрабатываемых открытым способом.

2. Разработан и обоснован высоко эффективный оперативный контроль зольности угля рентгенорадиометрическим методом для управления этим показателем при подготовке штабелей угля к отгрузке.

3. Разработанная методика графо-аналитического расчета низшей теплоты сгорания по известным значениям рабочей влажности и рабочей зольности позволяет оперативно производить оценку теплотворных свойств углей и применима на любом угольном месторождении с использованием зависимостей

Qri =F (Wr, Ar) может быть представлена в виде формул или палеток.

4. Разработанная и применяемая на разрезе Уртуйский система радиационно-гигиенического контроля качества углей позволяет эффективно управлять потоком добычи угля и формировать штабели на угольном складе с учетом его радиационно-гигиенических параметров и рекомендуется для использования на других угледобывающих предприятиях.

5. Фактический экономический эффект от применения системы оперативного контроля и управления качеством угля за счет повышения сортности угля, сокращения объема и времени лабораторных испытаний составляет – 28,4 млн. руб. в год.

Основные положения диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Сидорова, Г.П. Радиационно-гигиенический контроль качества угля на Уртуйском буроугольном разрезе / Г.П.Сидорова // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М., 2006. - № 2. – С.37-40.

2. Сидорова, Г.П. Определение зольности углей Уртуйского месторождения методом рентгенорадиометрического опробования // Вестник ЧитГУ. – Чита: ЧитГУ, 2006. - № 3(40). - С.59-63.

3. Суханов, Р.А. Оценка низшей теплоты сгорания углей по известным значениям рабочей зольности и влажности / Р.А.Суханов, Г.П.Сидорова // Горный информационно-аналитический бюллетень.- М., 2006. - № 4. - С.66-69.

4. Сидорова, Г.П. Проблемы контроля радиационно-гигиенического качества углей и методы их решения на Уртуйском буроугольном разрезе // VI Всероссийская научно-практическая конференция «Кулагинские чтения»: мат-лы конф.- Чита: ЧитГУ, 2006. - С.70-74.

5. Суханов, Р.А. Оперативное определение низшей теплоты сгорания угля по известным значениям зольности и влажности / Р.А.Суханов, Г.П.Сидорова // Вестник ЧитГУ.- Чита: ЧитГУ, 2006.- № 3 (40). - С.55-59.

6. Сидорова, Г.П. Методы оперативного контроля качества угля на Уртуйском буроугольном разрезе / Г.П.Сидорова // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М., 2006.- № 12. - С.42- 45