Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ развития подземной добычи
1.1 Современное состояние подземной угледобычи в России 9
1.2 Анализ методических основ оценки эффективности технологических схем угольных шахт 27
1.3 Анализ методического обеспечения по обоснованию параметров эксплуатационных блоков 35
1.4 Цель, задачи и методы исследований 40
Выводы 42
2 Обоснование проектных решений по освоению запасов эксплуатационных блоков-модулей 43
2.1 Основные направления развития геотехнологической структуры угольной шахты 43
2.2 Обоснование преобразования горно-технологической структуры на пластах пологого залегания 47
2.3 Схемы вскрытия и подготовки угольных пластов пологого залегания 48
2.4 Классификация угольных месторождений и участков, благоприятных для отработки эксплуатационными блоками 60
Выводы 62
3 Разработка методики обоснования параметров эксплуатационных блоков и малозатратных технологий отработки запасов угольных пластов 64
3.1 Технолого-экономические исследования параметров системы воспроизводства запасов угольных шахт 64
3.2 Обоснование оптимальных соотношений объемов добычи, вскрытых, подготовленных и готовых к выемке запасов угля 68
3.3 Разработка методики обоснования основных параметров эксплуатационного блока 72
3.4 Разработка методики обоснования параметров вскрытия, подготовки и отработки локальных участков угольных месторождений
Выводы 85
4 Обоснование критерия оценки эффективности технологических систем шахт и параметров систем разработки локальных участков угольных месторождении в пределах горного отвода 87
4.1 Разработка методики оценки эффективности технологических систем шахт по экономическому критерию и по условиям промышленной и пожарной безопасности 87
4.2 Разработка технологических схем малых шахт, отрабатывающих обособленные участки угольных месторождений 99
4.3 Обоснование технологических параметров систем разработки локальных участков угольных месторождений 103
4.4 Опыт практического применения модульных эксплуатационных блоков для отработки участков угольных месторождений 106
4.5 Разработка комплексной расчетной схемы оптимизации основных параметров модульных эксплуатационных блоков 113
Выводы 135
Заключение 138
Список литературы
- Анализ методического обеспечения по обоснованию параметров эксплуатационных блоков
- Схемы вскрытия и подготовки угольных пластов пологого залегания
- Обоснование оптимальных соотношений объемов добычи, вскрытых, подготовленных и готовых к выемке запасов угля
- Разработка технологических схем малых шахт, отрабатывающих обособленные участки угольных месторождений
Введение к работе
Актуальность работы. В угольной промышленности продолжается реструктуризация, цель которой – создание высокоэффективного шахтного фонда предприятий. В соответствии с программой реструктуризации и общей стратегией развития угольной промышленности различных стран предусматривается превращение ее в устойчиво функционирующую и рентабельную отрасль за счет создания конкурентоспособных предприятий, освоения месторождений с благоприятными горно-геологическими условиями, внедрения новых технологий, комплексной экологически чистой переработкой полезных ископаемых.
Сложность заключается в том, что для применения высокопроизводительного оборудования необходимы благоприятные горногеологические условия, которые на шахтах Кузбасса составляют 10-30%. При использовании эффективных проектных решений перспективные угольные запасы на действующих шахтах будут отработаны в течение 10-15 лет, при этом в целиках, на выходах под наносы и на участках сложной конфигурации останутся запасы, где применение высокопроизводительной техники не эффективно. Объемы таких запасов в Кузбассе на действующих шахтах составляют около 250 млн т, а в приконтурных зонах разрезов более 400 млн т. Практика показывает, что отработка таких запасов ведется с использованием системы разработки - длинными столбами. Выемка осуществляется в комплексно-механизированных очистных забоях (КМЗ) или короткими забоями с полным обрушением кровли (КСО) по остаточному принципу без должной проектной проработки с низкой производительностью и большими потерями. Вовлечение в разработку оставляемых запасов должно закладываться на стадии проектирования шахты. Проектные решения должны использовать высокопроизводительные адаптивные технологии добычи угля, обеспечивающие полноту выемки угля при ограниченных инвестициях.
Поэтому исследования, направленные на обоснование рациональных геотехнологических параметров очистных участков, повышающих полноту извлечения запасов угля на шахтах Кузбасса, являются актуальными.
Целью работы являлось уточнение закономерностей адаптации систем разработки длинными столбами и короткими забоями с полным обрушением кровли к сложным горно-геологическим условиям
4 при ограниченных запасах угля для обоснования рациональных геотехнологических параметров очистных участков в пределах области рентабельной работы и повышения полноты извлечения запасов угля на шахтах Кузбасса.
Идея работы заключается в том, что рациональные геотехнологические параметры очистных участков в пределах области рентабельной работы, обеспечивающие полноту извлечения запасов угля на шахтах Кузбасса, соответствуют максимальным значениям чистого дисконтного дохода с учетом комплексного показателя эффективности, отражающего влияние мероприятий по промышленной и экологической безопасности, и горно-геологических условий.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Полнота извлечения запасов угля на шахтах Кузбасса в пределах
области рентабельной работы очистных участков достигается при
максимальных значениях чистого дисконтного дохода с учетом ком
плексного показателя эффективности, отражающего влияние горно
геологических условий, а также мероприятий по промышленной и
экологической безопасности.
2. Повышение полноты извлечения запасов угля на шахтах Куз
басса достигается совместным использованием системы разработки
длинными столбами с комплексно-механизированными забоями и
адаптивными коротко-забойными технологиями в виде эксплуатаци
онных блоков-модулей.
-
Уровень рентабельности отработки запасов угля в сложных горно-геологических условиях эксплуатационными блоками-модулями с применением системы разработки длинными столбами и комплексно-механизированных забоев нелинейно зависит от производственной мощности шахты, численности работающих и ценах на уголь.
-
Вскрытые, подготовленные и готовые к добыче запасы угля в пределах границ рациональных геотехнологических параметров очистных участков линейно зависят от производственной мощности шахты.
Новизна научных результатов работы.
1. Обоснована область применения эксплуатационных блоков-
модулей при доработке запасов угля в пределах шахтных полей и
предложены варианты геотехнологических решений для шахт Кузбас
са.
2. Установлены статистические зависимости объемов добычи от
подготовленных запасов, скорости подвигания очистных и подготови-
5 тельных забоев и числа работающих, обеспечивающие повышение полноты извлечения запасов угля.
-
Установлены рациональные соотношения объемов добычи, цены угля, численности работающих для эксплуатационных блоков-модулей при доработке запасов угля и обоснована область эффективной работы комплексно-механизированных забоев.
-
Обосновано использование в качестве критерия оптимальности при определении рациональных геотехнологических параметров чистого дисконтного дохода с учетом комплексного показателя эффективности, отражающего влияние внешних условий.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается: большим объемом натурных наблюдений; корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической статистики и современных достижений вычислительной техники; достаточным объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе теоретических исследований; удовлетворительной сходимостью расчетных значений с фактическими данными.
Личный вклад автора заключается в следующем: обоснована область применения эксплуатационных блоков-модулей при доработке запасов угля в пределах шахтных полей и предложены варианты геотехнологических решений для шахт Кузбасса; уточнены закономерности адаптации систем разработки длинными столбами и короткими забоями с полным обрушением кровли к сложным горногеологическим условиям при ограниченных запасах угля.
Практическое значение работы заключается в том, что разработан единый подход и усовершенствована система оценки горногеологических и горнотехнических условий при доработке запасов угля в пределах шахтного поля. Разработаны рекомендации по отработке шахтных полей сложной конфигурации с ограниченными запасами с использованием эксплуатационных блоков-модулей при ограниченных инвестициях, что позволяет увеличить полноту выемки запасов угля и продлить срок угольной шахты. Разработаны математические модели и комплексы программных средств для повышения эффективности САПР на всех этапах проектирования и эксплуатации шахт Кузбасса.
Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации использовались при формировании программ развития горных работ на шахтах ОАО УК «Южкузбассуголь», ОАО УК
6 «Прокопьевскуголь», ОАО «СУЭК» в проектах эксплуатационных блоков-модулей ОАО «Проектгидроуголь-Н» и ОАО «Сибнииугле-обогащения». Экономический эффект от использования результатов диссертационной работы на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс», шахтоуправления «Восточное» ОАО «Приморскуголь» составил 1274 тыс. рублей и для шахт ОАО «УК Сибирская» 4746 тыс. руб.
Апробация работы. Научные положения и практические
рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее
разделы докладывались и обсуждались в НИТУ МиСИС на семинарах
Московского горного института (г. Москва, 2013 – 2015 гг.), на
научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства
подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2013 - 2015 гг.), на научно-
технических советах ОАО «Прокопьевскуголь» (г. Прокопьевск
Кемеровской обл., 2012-2014 гг.), на XIV Международной научно-
практической конференции «Энергетическая безопасность России.
Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово,
2012 г.); ХV Международной научно-практической конференции
«Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2014 (г.
Кемерово, 2014 г.); Международной научно-практической
конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования
минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк Кемеровской обл. 2015); на
ежегодных научно-практических конференциях профессорско-
преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2015 г.); 9-й и 10-й
Международных конференциях по проблемам горной
промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2013 - 2014 г.).
Публикации: По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ, в том числе в 6 изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 154 страниц печатного текста, в том числе 42 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 200 наименований.
Анализ методического обеспечения по обоснованию параметров эксплуатационных блоков
Строительство малых шахт. Теоретическое обоснование возможности строительства шахты и частичной отработки запасов угля в пределах шахтного поля выполнено в 80-х годах и опубликовано в работах А.С. Бурчакова [16,17], В.В. Ржевского [18], А.Е. Гонтова [18,19,20], В.Д. Ялевского [21-24] и других авторов.
Необходимость строительства и эксплуатации малых шахт связана с отсутствием или ограничением инвестиций. Такой период становления рыночных отношений существовал во многих зарубежных странах и за счет применения малозатратных технологий на малых шахтах удалось повысить рентабельность угольной промышленности (США, Австралия, ЮАР, КНР и др.).
Анализ проектов угледобывающих предприятий Кузнецкого угольного бассейна показал, что по технологическим схемам их можно классифицировать по двум признакам: глубина разработки и угол падения пластов.
Глубина разработки характеризует возможность применения традиционных и нетрадиционных технологий угледобычи по геомеханическим условиям, в частности, по критерию удароопасности пластов. В соответствии с действующими нормативными документами [25], применение камерной и камерно-столбовой систем разработки на пластах, склонных к горным ударам, запрещается. Учитывая, что на шахтах Кузнецкого бассейна почти все пласты с глубины 150 м отнесены к угрожаемым по горным ударам, предлагается эту глубину принять в качестве критерия разделения технологических схем малых шахт на две группы не глубокие до - 150 м и глубокие свыше - 150 м.
Малые шахты, отрабатывающие угольные пласты на глубине до 150 м, характеризуются меньшими ограничениями по газодинамическим явлениям. Верхней границей шахтного поля таких предприятий являются границы выходов пластов под наносы или открытые горные выработки угольных разрезов.
Технологические схемы малых шахт отличаются системами разработки, типами горношахтного оборудования, схемами проветривания, транспорта и др. Угол падения пластов является определяющим признаком при выборе оборудования подготовительных и очистных забоев, поэтому можно выделить три типа шахт с: - пологим залеганием пластов (0-18); - наклонным залеганием пластов (19-35); - крутонаклонным и крутым залеганием пластов (более 35). Вскрытие шахтного поля осуществляется, как правило, наклонными стволами, пройденными по падению пластов или диагонально к линии простирания, угол наклона вскрывающих выработок не превышает 16-18.
Схема подготовки шахтного поля панельная, как правило, однокрылая панель. Система разработки камерная или камерно-столбовая, редко - длинными столбами с обрушением.
Практика показывает, что при длинных выемочных столбах и комплексно-механизированной отработке пластов невозможно обеспечить полную выемку промышленных запасов угля в пределах шахтных полей. Остаются участки угольных пластов неправильной формы, с переменными углами падения, отработка которых длинными очистными забоями нерентабельна или невозможна.
Опыт работы развитых угледобывающих стран (США, Австралия, ЮАР) при отработке запасов угля пологих пластов свидетельствует о высокой эффективности камерных и камерно-столбовых систем разработки с использованием комбайнов непрерывной выемки угля, самоходных вагонов и магистральных ленточных конвейеров.
В Кузбассе большой опыт отработки пологих пластов камерно-столбовой системой накоплен на шахтах «Распадская», «Углекоп» и «Усинская». В качестве основного оборудования используются отечественные комбайны ГПКС, импортные АМ-50, ГОУ-12СМ18, самоходные вагоны отечественного производства 5ВС-15 и импортные JOy-10SC32B.
Результаты работ показывают, что использование импортных комбайнов непрерывной выемки угля Joy-12CM18 с самоходными вагонами позволяет достигать месячной добычи угля - 20 тыс. т и более.
Использование комбайнов ГПКС с аналогичной схемой транспорта угля самоходными вагонами не обеспечивает добычу угля более 6-8 тыс. т в месяц.
Анализ горно-геологических условий применения камерных и камерно-столбовых систем разработки показал, что доработка запасов угля с использованием этих систем может успешно применяться и на других шахтах Кузбасса, отрабатывающих пласты средней мощности по традиционным схемам.
Отработка запасов угольных пластов короткими столбами с использованием проходческих комбайнов, самоходных вагонов и сталеполимерной анкерной крепи подготовительных выработок позволяет при малых затратах на оборудование и небольшой численности рабочих, обеспечить прибыльную работу выемочных участков. Резервами повышения уровня добычи угля являются: - использование проходческих комбайнов с более высокой произво дительностью (типаКП-25, Ш-10); - использование для бурения шпуров и установки анкеров в кровле выработок пневматических бурильных установок. Целесообразность применения более дорогого импортного оборудования должна быть обоснована технологическими и экономическими расчетами. При высоком уровне инвестиций можно рекомендовать использование высокопроизводительного очистного оборудования: - комбайнов непрерывной выемки угля типа ЮУ-12СМ18 для камерной и камерно-столбовой систем разработки; - очистных механизированных комплексов типа КМ-138, КМ-145 для системы разработки длинными столбами.
Технологические и технические решения при разработке проектов малых шахт для отработки пластов на глубине до 150 м регламентируются действующими нормативными документами для глубоких шахт, при этом увеличивается доля затрат, которые не окупаются из-за ограниченного объема промышленных запасов угля и малого периода их отработки, поэтому возникает необходимость разработки новых технологических и технических решений, адаптивных к шахтным полям с запасами угля 1-20 млн т.
Наиболее трудоемким процессом строительства малой шахты является проведение наклонных стволов в обводненных условиях сверху вниз и на некоторых малых шахтах скорость проведения стволов составляет 2-5 м/мес. В период эксплуатации шахты часто возникают проблемы использования бремсберговой схемы проветривания, для решения которой предлагается для подачи в шахту свежего воздуха и водопонижения проводить вертикальные скважины диаметром 800-1200 мм. Технология бурения и обсадки скважин освоена на шахтах Кузбасса при установке газоот-сасывающих вентиляторных установок. Вместо сложной инфраструктуры на земной поверхности можно использовать инфраструктуру соседних действующих или ликвидированных шахт и разрезов или вахтовых бригад, что приводит к снижению производственных издержек.
Малые шахты, отрабатывающие угольные пласты на глубине более 150 м, как правило, расположены на границе с действующими шахтами или в пределах горных отводов ликвидированных шахт. Для вскрытия шахтного поля используются существующие горные выработки, очистная выемка ведется с применением системы разработки длинными столбами с полным обрушением пород кровли, при этом выемочные столбы могут быть неправильной геометрической формы и с ограниченными запасами угля. Отработка таких выемочных столбов длинными КМЗ экономически убыточная.
Схемы вскрытия и подготовки угольных пластов пологого залегания
Экстремальными приняты углы, по направлению движения очистного забоя, превышение которых затруднит работу комплекса, что повлечет за собой снижение скорости подвигания очистного забоя и объемов добычи.
На основе рабочих характеристик механизированных комплексов, предназначенных для работы на пластах мощностью 1,6 м, принят предельный угол 8 [146], с увеличением мощности пласта значение угла эффективной работы комплекса падает.
Анализ вариантов раскройки шахтного поля показывает, что размещение выработок выемочных столбов параллельно длинной оси брахисинклинали наиболее предпочтительно (вариант 1) по следующим факторам: - общие запасы в столбах увеличиваются на 4 % относительно варианта 2 и на 12 % относительно варианта 3; - средние запасы одного столба увеличиваются на 23 % относительно варианта 2 и на 38 % относительно варианта 3. - объем проведения выработок (м/на 1000т) запасов уменьшается на 5% относительно варианта 2 и на 10 % относительно варианта 3; число монтажей демонтажей комплекса снижается на 17 % относительно варианта 2 и на 20 % относительно варианта 3; суммарная протяженность отдельных участков выемочных столбов с углом более 8 градусов по направлению движения очистного забоя в варианте 1 составляет 3,2 км, во 2-м варианте 6,1 км, а в 3-м варианте 12,1 км, что больше чем в варианте 1 в 3 раза. Во всех вариантах имеются участки выработок, где направление движения потоков воды и угля совпадают, что является основной причиной повышения влажности угля, образования угольной пульпы заиливающей конвейеры.
В варианте 1 количество таких участков меньше чем в вариантах 2 и 3, за счет планировочных решений и проведения водоотводящих выработок в блоках.
Сравнение показывает, что вариант 1 обеспечивает расчетные значения производительности очистного забоя на 20 % больше, чем в варианте 2 и на 40 % больше, чем в варианте 3.
Вскрытие шахтных полей или их частей в угольной промышленности требует проектирования раскройки шахтных полей, причем длительность последствий мероприятий, осуществляемых в соответствии с принятым проектом, при этом следует учитывать технологические решения на длительную перспективу, развитие горной техники и технологии, а также техники безопасности, поскольку планирование раскройки шахтных полей определяет инфраструктуру будущей шахты.
Раскройку шахтных полей необходимо представлять, как оптимизационную задачу, целью которой является выбор наилучшего варианта вскрытия из всех возможных для наиболее эффективной эксплуатации предприятия.
Современная техника и технология очистных работ, транспорта полезного ископаемого, доставки материалов и перевозки людей вышли за рамки старой планировки горных работ, что ограничивает их дальнейшее развитие.
Следовательно, необходима раскройка шахтного поля, которая дает возможность дальнейшего развития горной техники и технологии, а также совершенствования техники безопасности, что позволяет обеспечить гибкость технологической и организационной структуры шахт.
Шахты и шахтоучастки (эксплуатационные блоки) эксплуатирующие один механизированный очистной забой имеют более высокую производительность по сравнению с шахтами, имеющими традиционную ГТС.
Анализ прогрессивных способов вскрытия, подготовки и систем разработки, а также горно-геологических условий Кузнецкого бассейна показывает, что на многих месторождениях для разработки запасов до глубины 300...400 м целесообразно применять безгоризонтные схемы вскрытия и подготовки [147], использование которых обусловлено возросшими возможностями транспортирования полезного ископаемого на базе полной конвейеризации, а также созданием мощных машин для доставки материалов, оборудования и перевозки людей по наклонным выработкам. Основная тенденция в зарубежных угледобывающих странах связана с переходом к простым, в структурном отношении, схемам вскрытия с использованием наклонных выработок.
В США вскрытие шахт осуществляется в основном штольнями и наклонными стволами, пройденными по пласту и отрабатывают его одним комплексно-механизированным очистным забоем. Такая схема вскрытия обеспечивает незначительные объемы поддерживаемых выработок, но при этом количество вскрывающих и подготовительных выработок, обслуживающих лаву больше, чем в России.
Оптимальная форма поля модульного шахтоучастка (эксплуатационного блока) - прямоугольная, сформированная выемочными столбами, ориентированными по простиранию пласта. При проектировании необходимо, чтобы технологически ориентированный выемочный столб имел достаточные запасы для рентабельной работы комплекса.
Ширина выемочного столба (длина очистного забоя) влияет на производительность в меньшей степени, чем длина и зависит от технических характеристик оборудования, углов залегания пласта и т.п. Оптимальная длина выемочного столба и выемочного поля принимается 2000... 2500 м.
Дальнейшее увеличение длины связано с трудностями проведения выработок выемочного столба по вентиляции, времени устойчивого состояния крепи выработок и другим ограничивающим факторам.
На пластах, имеющих "выход" на поверхность на небольшой глубине (8... 12 м) длина выемочных столбов может быть увеличена за счет разделения поля эксплуатационного блока на части проведением промежуточных уклонов с поверхности (рисунок 2.7) и выемочный столб продолжается за уклонами, его длина и запасы могут быть увеличены в 1,5-2 раза.
В технологической схеме подготовки и отработки запасов возможно разделение во времени и пространстве подготовительных и очистных работ для улучшения условий вентиляции и сокращения сроков поддержания выработок. Схема эксплуатационного блока несколько усложняется, увеличивается потребность в транспортном оборудовании, но в целом, экономический эффект может быть значительным за счет увеличения запасов выемочного столба.
Обоснование оптимальных соотношений объемов добычи, вскрытых, подготовленных и готовых к выемке запасов угля
В качестве базовой ТСШ может быть принята ТСШ действующей или проектируемой рентабельной шахты, целесообразность модернизации которой определяется по условию Jp 1.
При Jp 1 проект вложения инвестиций в развитие шахтного фонда следует реализовать, а при Jp 1 проект следует признать экономически неэффективным.
По формуле (4.1) удельные эксплуатационные затраты С, связанные с выполнением процессов и операций ТСШ, можно использовать как характеристику эффективности, определяющую соответствие технологических и технических решений, технических средств и организации производственного процесса передовому опыту и достижения научно-технического прогресса, которые применяются на угледобывающих предприятиях конкурентов на рынке сбыта угольной продукции.
По законам рыночных отношений, максимальная эффективность технологических процессов и операций ТСШ соответствует минимальным производственным затратам. Для прогноза производственных затрат существует множество экономико-математических моделей. Однако надежность получаемых результатов невысокая, что связано с динамикой рыночных цен, многообразием влияющих факторов, сложностью моделей.
Прогноз технико-экономических показателей на шахтах ОАО «ОУК «Южкуз-бассуголь», проведенный для разработки проектно-сметной документации при перспективном планировании горных работ, позволил установить, что при эволюционном развитии ТСШ наиболее надежными являются технолого-экономические модели, базирующиеся на ретроспективной информации с корректировкой фактических данных по эмпирическим зависимостям. Для разработки алгоритма такой зависимости предлагается использовать мультипликативную модель вида ТТ (4.3) C=Св I I xi mi , г =1 где Сэ - проектная производственная себестоимость предприятия, отрабатывающего угольные пласты в пределах шахтного поля по принятой в проекте технологической схеме, руб./т; Св - фактическая производственная себестоимость предприятия; mi- эмпирический коэффициент, учитывающий влияние на затраты iго параметра ТСШ; n - количество значимых факторов; i - отношение i-го критерия проектируемой и действующей (базовой) ТСШ. Параметры зависимости (4.3) определяются по фактическим показателям девяти шахт ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» с учетом динамики цен во времени.
Для определения эффективности инвестиций при разных вариантах использования запасов угля в недрах, приняты результаты исследований, приведенные в горной литературе [73,74, 77, 78, 80,82, 86, 157-169 и др.], которых качество угольных месторождений рассматривается независимо от технологии угледобычи.
Сложившаяся практика проектирования угледобывающих предприятий включает этапы геологического изучения строения месторождения с последующей разработкой технологической части проекта. При разработке проектной документации в соответствии с заданием на проектирование предприятия зачастую принимаются проектные решения, не соответствующие реальной горно-геологической ситуации. В качестве примера можно привести шахты «Казанковская», «Шушталепская», «Краснокаменская», «Кыргайская», «Антоновская», «Анжерская Южная» в Кузбассе. Принятые в проектах технологические системы шахт с длинными комплексно-механизированными очистными забоями (КМЗ) оказались не адаптивными к сложным горно-геологическим условиям.
По данным Комитета природных ресурсов по Кемеровской области [169, 170], несоответствие принятой в проектах шахт технологии угледобычи горногеологическим условиям приводит к необходимости списания балансовых запасов угля в объемах, превышающих уровень добычи в Кузнецком угольном бассейне (рисунок 4.3).
В соответствии с разработанными принципами, можно утверждать, что нельзя получить высокую эффективность ТСШ при низком качестве месторождения полез 92 ных ископаемых, поэтому на стадии проектирования необходимо оценивать эффективность ТСШ по качеству геологических характеристик шахтного поля.
Существует множество методик экономической оценки месторождений полезных ископаемых [77, 79, 84, 159, 167, 171-174 и др.], в которых учитывается влияние тектоники, гидрогеологии, характеристик угольных пластов, наличие попутных полезных ископаемых и компонентов, разведанность и запасы шахтного поля. Технология отработки угольных пластов выбирается при оценке месторождения по соответствию ТСШ с длинными КМЗ и горнотехническими условиями эксплуатации. Альтернативные ТСШ рассматриваются в современных проектах шахт редко, поэтому такой методический подход при проектировании шахт и разрезов приводит к снижению извлечения балансовых запасов в пределах отдельных шахтных полей, а коэффициент извлечения запасов падает до 0,4.
Приведенные на рисунке 4.3 графики изменения списанных по разным причинам балансовых запасов и объемов добычи угля в Кузбассе показывают, что объемы списанных запасов угля превышают объемы добычи. Отношение объема списанных запасов угля к добыче за период 1990...2002 годы составило в среднем 1,6. Период 2003...2005 годов к учету и анализу не принимался поскольку объем списанных запасов снизился до 13205 тыс. т за счет административных барьеров, установленных Министерством природных ресурсов РФ.
Анализ данных свидетельствуют о несоответствии ТСШ горно- геологическим и горнотехническим параметрам угольных месторождений Кузбасса. Следовательно, существующие нормы технологического проектирования, эталоны и нормативные документы не обеспечивают рациональное недропользование.
Одним из путей улучшения системы недропользования является применение технологических систем шахт, адаптивных к геологическому строению шахтного поля.
Идея применения адаптивного управления подземной технологией угледобычи была предложена и реализована в научных работах Е.И. Рогова, Г.И. Грицко, В.Н. Вылегжанина, Э.И. Витковского, В.П. Потапова и др. [136, 175]. По результатам этих исследований ТСШ можно рассматривать как адаптивную искусственную управляемую систему, которая приспосабливается к изменениям горногеологических условий, требованиям техники безопасности и рынка.
В работах [136, 175, 176] предлагается использовать критерий адаптации ТСШ к внешней среде. Взаимодействие ТСШ и внешней среды осуществляется через множество связей, по каждой из которых вычисляется критерий адаптации, рассматриваемый как мера эффективности частной характеристики ТСШ.
Например, балансовые запасы угля в пределах шахтного поля по мощности пласта распределяются в соответствии с графиком, приведенном на рисунке 4.4.
Отношение объема добычи угля на пластах мощностью 1,6...2,4 м к общим балансовым запасам является мерой адаптивности технологии угледобычи по критерию качества недропользования в этом диапазоне мощностей. Аналогично можно построить графики по углу падения пластов, газоносности, дизъюнктивной нарушенное углепородной толщи и др.
Разработка технологических схем малых шахт, отрабатывающих обособленные участки угольных месторождений
Выбор конвейера для наклонного ствола осуществляется аналогичным способом, с учетом дополнительного потока из подготовительных забоев.
Площади сечения подготовительных выработок рассчитываются исходя из условий нормальной работы транспорта и подачи необходимого количества воздуха при максимальных нагрузках на очистной забой; для выемочных выработок предусмотрен также запас площади сечения при безнишевой технологии для выхода комбайна в выработку [27].
Сечение пластовой выработки для подачи воздуха, удовлетворяющее заданному значению ее депрессии, определяется по формуле [198]
Распараллеливание транспортного и вентиляционного потоков, требует увеличить количество выработок с учетом того, что для транспортирования необходимо иметь дополнительную выработку (4.35) 0,8/0,4 + 1, т. 1 0 Лесс us S0 \ h где S0 - сечение, выбранное с учетом специфики выработки. Расчет ширины охранных целиков. В результате производства очистных работ происходит сдвижение горных пород, для зашиты пластовых выработок от воздействия горного давления их ограждают целиками угля. Ширина охранных целиков у выработок может быть определена по формуле проф. М.М. Протодьяконова [98]
Опыт работы очистных забоев с многоштрековой подготовкой показывает, что размер целиков должен быть не менее 23...30м[139].
Подготовительные и очистные работы должны быть взаимоувязаны во времени, чтобы к моменту отработки очистного забоя в данном выемочном поле был подготовлен новый очистной забой в следующем выемочном поле, что достигается соответствующим взаимным расположением подготовительных и очистных забоев и обеспечением необходимых скоростей проведения подготовительных выработок. Необходимое место расположения забоев подготовительных выработок при данном состоянии очистных работ можно определить по формуле [199] где L0 - длина штрека, м; V0 - скорость подвигания забоя, м/сут; V„ - скорость проведения данной подготовительной выработки, м/сут. Отсюда необходимую скорость проведения подготовительных выработок определяют по формуле где Ьф - фактическое расстояние, которое надо пройти забоем данной подготовительной выработки, чтобы обеспечить подготовку выемочного поля, м; (Ьф=Ьокштрек, где кштрек - количество штреков, оконтуривающих лаву с одной стороны, шт); запас времени по подготовительным работам, мес.
Расчет затрат на водоотлив. В научной литературе в настоящее время нет стоимостных данных по водоотливу, которые бы позволили определить его стоимость. Однако эти расходы связаны с затратами на электроэнергию для откачки воды из шахты, амортизационными отчислениями на оборудование, заработной платой обслуживающего персонала, проходкой горных выработок.
Стоимость электроэнергии на водоотлив Эгод можно выразить через работу, которую необходимо совершить, чтобы поднять определенный обьем на высоту Н где Ve - объем воды, м 3ч; Я- высота подъема, м; ц - КПД насоса. Затраты на электроэнергию в шахтах определяются по двухставочному тарифу: с учетом потребляемой и установленной мощностей. Плата за потребляемую мощность определяется по формуле [200] Ei =Ndetdeka3, (4.40) где Nde - мощность двигателя, кВт; tde - время работы двигателя, ч; к - коэффициент учитывающий загрузки двигателя; аэ - тариф оплаты 1кВт/ч потребляемой электроэнергии, руб. Плата за где а - аэродинамическое сопротивление выработки, кц; с - коэффициент формы выработки; аэ - стоимость 1 кВт/ч, руб; ц - к.п.д. вентилятора; t - время проветривания, ч; / - длина выработки, м; Q - количество воздуха, проходящего по выработке, м3/с; F - площадь сечения выработки, м . Выводы Анализ критериев эффективности и принципов их оценки, а также опыт применения модульных эксплуатационных блоков позволяет сделать следующие выводы. 1. Потенциальными для модульных эксплуатационных блоков являются следующие типы участков угольных месторождений: 136 нетехнологичные для высокопроизводительной отработки по применяемым на действующих шахтах технологиям угледобычи, ликвидированных угольных шахтах, в приконтурных зонах угольных разрезов и обособленных геологических блоках угольных месторождений.