Обоснование оптимальной длины и производительности очистного забоя при отработке мощного угольного пласта шахты "Талдинская-Западная-1" Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.33.013.3 © А.А. Ордин, А.М. Тимошенко, Д.В. Ботвенко, А.М. Никольский, 2019

Обоснование оптимальной длины и производительности очистного забоя при отработке мощного угольного пласта шахты «Талдинская-Западная-1»

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-3-50-54

ОРДИН Александр Александрович

Доктор техн. наук,

заместитель директора по научной

работе ООО «НПЦ ВостНИИ»,

ведущий научный сотрудник ИВТ СО РАН,

650002, г. Кемерово, Россия,

e-mail: ordin@misd.ru, тел.:+7 (913) 910-57-17

ТИМОШЕНКО Александр Михайлович

Канд. техн. наук, исполнительный директор АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия

БОТВЕНКО Денис Вячеславович

Канд. техн. наук, заведующий лабораторией АО «НЦ Востнии», 650002, г. Кемерово, Россия

НИКОЛЬСКИЙ Александр Михайлович

Канд. техн. наук, директор ООО «Майнинг Про», старший научный сотрудник ИГД СО РАН,

630091, г. Новосибирск, Россия, e-mail: nikosya@mail.ru, тел.: +7 (903) 936-92-52

Проведены исследования по обоснованию оптимальной длины и производительности очистного забоя 6605 шахты «Талдинская-Западная-1» (АО«СУЭК-Кузбасс») при отработке мощного метаноносногоугольного пласта. Обосновано снижение метановыделения при высокой производительности очистного комбайна 7LS6C «JOY» и определены допускаемая длина и производительность очистного забоя 6605 по газовому фактору.

Ключевые слова: шахта, угольный пласт, очистной забой, производительность, длина лавы, очистной комбайн, скребковый конвейер, прибыль, метановыделение, фракционный состав.

ВВЕДЕНИЕ

В Институте вычислительных технологий СО РАН совместно с ИГД СО РАН и НПЦ «ВостНИИ» разработано методическое обеспечение программы «ПРОЗА-5.0» для имитационного моделирования и оптимизации технологических параметров очистных работ при разработке ме-таноносных угольных пластов [1]. Фрагменты этой методики использованы авторами для обоснования рекордной производительности очистного забоя 5003 шахты им. В.Д. Ялевского (АО «СУЭК-Кузбасс») [2] и оптимизации технологических параметров очистных работ на шахте «Талдинская-Западная-1» (АО «СУЭК-Кузбасс»).

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОЧИСТНЫХ РАБОТ

Шахта «Талди нская-За падная-1» входит в АО «СУЭК-Кузбасс» и находится в Прокопьевском районе Кемеровской области. Поле шахты «Талдинская-Западная-1» расположено в центральной части Ерунаковского геолого-промышленного района Кузбасса и является частью Талдинского и Северо-Талдинского каменноугольных месторождений.

Шахта «Талдинская-Западная-1» работает по принципу «шахта-лава». Уголь разрабатываемого пласта 66 - энергетический, марка угля - Д. Уголь склонен к самовозгоранию с инкубационным периодом 62 сут.

Вынимаемая мощность пласта - 4,5 м. Для отработки пласта 66 на шахте используются механизированная крепь DBT 2200/4800, очистной комбайн 7LS6C JOY и лав-ный скребковый конвейер PF 6/1142 «DBT». Принята длина лавы 300 м. При организации ведения горных работ на шахте используется трехсменный режим. В первую смену 6 ч перед началом выемки отводились на техническое обслуживание оборудования, профилактические, ремонтные и вспомогательные работы. В оставшиеся 2 ч первой смены, во вторую и третью смены велись очистные работы.

Для расчета технической производительности очистного комбайна определяется скорость его подачи в зависимости от вынимаемой мощности уступа пласта [1]:

Таблица 1

Расчетные технологические параметры лавы 6605 при организации очистных работ в 2,25 смены по 8 ч

Показатели 1 Длина лавы, м |

1 150 I I 200 I 1 250 I I 275 1 300 1 325 I 350 I 400 I

Время отработки верхнего уступа, мин 7,15 9,53 11,92 13,11 14,30 15,49 16,69 19,07

Время отработки нижнего уступа, мин 9,33 11,61 13,89 15,03 16,17 17,31 18,44 20,72

Время цикла, мин 16,48 21,15 25,81 28,14 30,47 32,8 35,13 39,79

Количество циклов в сутки 66 51 42 38 35 33 31 27

Добыча угля с цикла, т/цикл 777 1037 1296 1425 1555 1685 1814 2074

Добыча угля, т/сут. 50946 52953 54236 54718 55126 55476 55780 56280

v(m) = -

30N

м/мин,

(1)

fP cos а + P sin а + Smn3l K где m - вынимаемая мощность уступа пласта, м; N - мощность электродвигателя рабочего органа, кВт; ц = 0,95 -КПД редуктора исполнительного органа для очистных комбайнов; п1л - количество резцов в одной линии резания; м; f = 0,18-0,25 - коэффициент трения между комбайном и конвейером; P - вес комбайна, кН; a - угол залегания пласта, градус; пз - количество резцов, разрушающих забой одновременно (для большинства очистных комбайнов в работе обычно участвует половина всех резцов на шнеке); К - коэффициент, учитывающий отжим угля, угол резания, ширину резца, затупление и форму резцов; S - сопротивляемость пласта резанию, кН/м.

В формуле (1) знак «+» стоит перед составляющей массы комба йна при его движен ии вверх по лаве, а знак «-» - при движении комбайна вниз по лаве.

Теоретическая производительность очистного комбайна определяется с учетом формулы (1) по гиперболической зависимости от вынимаемой мощности уступа пласта [1]:

30yrNпи1л

комбайном при движении вверх по лаве. Нижний уступ мощностью 2,25 м отрабатывается комбайном при движении вниз по лаве с одновременной зачисткой почвы пласта. Косой заезд комбайна осуществляется один раз за цикл в нижней части лавы.

Скорость подачи очистного комбайна 7LS6C JOY определена по формуле (1) при одновременном участии в резании 26 резцов на шнеке и составляет 21 м/мин при отработке верхнего уступа и 22 м/мин при отработке нижнего уступа.

После расчета скоростей подачи очистного комбайна при отработке верхнего и нижнего уступов определяются время цикла с учетом концевых операций в нижней части лавы и количество циклов в сутки.

Суточная добыча угля из лавы определяется по гиперболической зависимости от ее длины (L) и мощности (m) уступа [1]:

6°ymrLnQM Тсм

A(L) = n( L)ymrL = -

Т + Т 2

60yrn Т

i см см

A(m) = ymrv(m) =

, т/мин, (2)

fP cos а + Smn3К ky

m,

(3)

( fP cos a + P sin a) + Sn3К

\5Nmnnh

mL

3L,

v vk

где у - плотность горной массы, т/м3; г - ширина захвата комбайна, м.

По проекту мощный пласт 66 принят к отработке по уступной технологии, при которой пласт делится на два уступа. Верхний уступ мощностью 2,25 м отрабатывается

100 150 200 250 300 Д/1ИНЭ Л;ШЫ,М

350

400

Рис. 1. Зависимости суточной добычи угля от длины лавы 6605 шахты «Талдинская-Западная-1» при различной организации очистных работ Fig. 1. Relationship between daily coal production and length of lava 6605 of "Taldinskaya-Zapadnaya-1" mine for various coal-face work arrangements

где L - длина лавы, м; n(L) - количество циклов в сутки; Tl, T2 - время отработки соответственно верхнего и нижнего уступов, мин; n , Т - соответственно количество

' ' ' ' см см

рабочих смен в сутки и длительность рабочей смены, ч; ку = 1-1,3 - коэффициент организации труда на концевых операциях; Lk - длина косого заезда; vk - скорость подачи комбайна при косом заезде, м/мин; уфк - скорость фланговой передвижки концевого участка скребкового конвейера, м/мин.

В сводном виде результаты расчетов суточной добычи угля из очистного забоя 6605 в зависимости от длины лавы приведены в табл. 1 и на рис. 1.

В результате расчетов установлено, что при работе комбайна 7LS6C JOY и длине лавы 300 м максимально возможная добыча угля в лаве № 6605 при организации очистных работ в 2,25 смены по 8 ч может достигать 55 тыс. т/сут.

Проведены расчеты оптимальной длины и производительности очистного забоя 6605 по условию максимума годовой прибыли шахты «Талдинская-Западная-1» [1, 3]: PL = znxAL - С0 - HKo - од + + Hk)L ^ max, руб. в год, (4)

'Добыч* при количестве часов

!.-Хл!, Т/.'ММ-Н

Добыча При количеств?

часов

Х

— —Добыча при

количестве

часов

Х

— — Добыча при

количестве часов

Х

r

1

+

m

где z - оптовая цена 1 т угля, руб./т; n1 - количество рабочих дней в году; A(L) - суточная производительность очистного забоя, определяемая по гиперболической зависимости (3), т/сут.; С0 - постоянные расходы в очистном забое на зарплату, материалы и электроэнергию, не зависящие от его длины, руб. в год; Ho, Hk, Я - нормы амортизации соответственно для очистного комбайна, механизированной крепи и лавного скребкового конвейера; Ko - капитальные затраты на приобретение очистного комбайна, руб.; kk kc- удельные капитальные вложения на приобретение соответственно механизированной крепи и скребкового лавного конвейера, руб./м.

Целевая функция (4) имеет максимум относительно длины лавы. Результаты расчета годовой прибыли шахты «Талдинская-Западная-1» по формуле (4) в зависимости от длины лавы 6605 при различной организации очистных работ приведены на рис. 2.

Из рис. 2 следует, что максимум годовой прибыли шахты достигается при оптимальных длинах лавы от 300 до 400 м в зависимости от организации очистных работ. Соответственно, оптимальная производительность очистного забоя 6605 составляет от 41 до 41,6 тыс. т /сут.

Полученные результаты проверены по пропускной способности забойного скребкового конвейера и газовому фактору.

Расчетная производительность скребкового конвейера определяется по формуле [1, 4]:

Q = 60Fk (a)v =

60Fk(a) -102Nn

Рис. 2. Зависимости годовой прибыли шахты «Талдинская-Западная-1» от длины лавы 6605

Fig. 2. Correlation of the "Taldinskaya-Zapadnaya-1" mine annual profit and the length of lava 6605

1.1L (2q0 f1 cos a + qg (f2 cos a- sin a))

, т/мин,

(5)

где Е - площадь поперечного сечения насыпной угольной массы на конвейере, м2; к(а) - коэффициент использования желоба рештаков, учитывающий уменьшение объема горной массы на рештаке при увеличении угла наклона (а) конвейера; V - скорость движения цепи и скребков конвейера, м/с; N - мощность привода конвейера, кВт; ц = 0,8-0,95 - КПД привода скребкового конвейера; Ь - длина конвейера, м; - расчетная погонная масса груза на конвейере, кг/м; д0 - погонная масса цепи со скребками, кг/м; /1 = 0,2-0,35 - коэффициент трения между цепью и рештаком; /2 = 0,35-0,6 - коэффициент трения между насыпной горной массой и рештаком [4]; g - насыпная плотность горной массы на конвейере, т/м3.

Расчет пропускной способности скребкового конвейера РР 6/1142 произведен по формуле (5) в зависимости от длины лавы и приведен в табл. 2.

Таким образом, по пропускной способности скребкового конвейера РР 6/1142 при его длине 300 м допускается рост производительности очистного забоя 6605 до 69800 т/сут. при режиме очистных работ в 2,25 рабочие смены по 8 ч.

Расчетные значения метановыделения из отбитого угля определены в соответствии с законом фильтрации А. Дар-си и уравнением сорбции И. Ленгмюра по нелинейной зависимости, имеющей максимум относительно скорости подачи и производительности очистного забоя [1, 5]: д(Л) = т1у1 +

120тгк1 (0,9 X (1 + ЬРа) - аЬРа)

yb(a - 0,9X)

м /мин,

A

hp 0,25ymrh

2 Y

ymr(nnnlR) ппп1л

A

(6)

где X = Хс + Хсв - природная метаноносность разрабатываемого пласта, м3/т; Хс Хсв - соответственно объем сорбированного и свободного метана в угле, м3/т; а, Ь - постоянные изотермы И. Ленгмюра; v1 - удельный дебит метана из 1 м2 обнаженной поверхности пласта, м3/м2мин; т - динамическая вязкость метана, Па-с; п - частота вращения шнека комбайна, мин-1; к- расстояние между резцами на лопастях шнека, м.

Результаты расчета метановыделения из очистного забоя 6605 приведены в табл. 3. и на рис. 3.

Анализ полученных значений из табл. 3 показывает, что максимальное метановыделение 9,4 м3/мин из отбитого

Таблица 2

Производительность скребкового конвейера SH PF 6/1142

Показатели Длина конвейера, м

200 I 250 I 300 I 350 I I 400 I I 450 I 500

Скорость конвейера, м/с 2,39 1,91 1,59 1,37 1,20 1,06 0,96

Производительность, т/мин 96,95 77,56 64,63 55,4 48,48 43,09 38,78

Производительность, т /ч 5817 4654 3878 3324 2909 2585 2327

Производительность, т/сут. 104707 83766 69805 59833 52354 46537 41883

Таблица 3

Расчетные значения метановыделения из отбитого угля в лаве 6605

Показатели Скорость подачи комбайна, м/мин

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Суточная добыча угля, тыс. т/сут. 2,2 6,7 11,2 15,7 20,2 24,7 29,2 33,7 38,2 42,6 47,1 51,6

Средний диаметр отбитого куска угля, м 0,0444 0,0533 0,0621 0,071 0,0798 0,0887 0,0975 0,1063 0,1152 0,124 0,1329 0,1417

Суммарная площадь фильтрации метана из отбитого угля, м2 486,23 1216,45 1738,68 2130,7 2435,82 2680,04 2879,95 3046,6 3187,65 3308,58 3413,41 3505,16

Скорость фильтрации из отбитого угля, м/мин 0,010 0,007 0,005 0,004 0,003 0,003 0,002 0,002 0,002 0,001 0,001 0,001

Суммарное метановыделение из отбитого угля и обнаженного пласта, м3/мин 5,331 8,96 9,4 8,85 8,04 7,21 6,46 5,79 5,21 4,7 4,27 3,9

угля происходит при скорости подачи очистного комбайна 5 м/мин. Затем, с увеличением скорости подачи комбайна, метановыделение нелинейно снижается. При принятых значениях скорости подачи комбайна 21-22 м/мин и производительности забоя 47-49 тыс. т/сут. метановыделение в лаве составляет 4,27-4,08 м3/мин.

Таким образом, при существующей длине 300 м лавы 6605 и схеме проветривания очистного забоя увеличение его производительности до 50 тыс. т/сут. приводит к снижению метановыделения с 9,4 до 4,0 м3/мин и тем самым не лимитирует нагрузку на очистной забой по газовому фактору.

ВЫВОДЫ

В результате применения закона фильтрации А. Дарси и уравнения сорбции И. Ленгмюра теоретически доказано, что метановыделение из отбитого угля в очистном забое нелинейно возрастает с увеличением природной метано-носности угля и имеет точку максимума относительно скорости подачи и производительности очистного комбайна. При дальнейшем увеличении скорости подачи очистного комбайна метановыделение из отбитого угля начинает снижаться вследствие изменения фракционного состава угля и роста выхода крупных фракций. Метановыделение также значительно, в квадратической зависимости, снижается при уменьшении частоты вращения шнеков комбайна.

При низкой скорости движения очистного комбайна происходит переизмельчение угля при его отбойке и погрузке на лавный скребковый конвейер, что приводит к увеличению дебита метана из угольной массы. При высокой скорости подачи очистного комбайна увеличиваются глубина стружки и выход крупных фракций угля, вследствие чего происходит снижение метановыделения в очистной забой. Снижение метановыделения при высоких скоростях подвигания очистного забоя подтверждается теоретическими результатами и фактическими данными замеров средствами аэрогазового контроля на ряде шахт Кузбасса и Донбасса.

В результате проведенных расчетов по лаве № 6605 шахты «Талдинская-Западная-1» сформированы следующие практические рекомендации:

- технические возможности очистного комбайна 7LS6C JOY позволяют увеличить производительность лавы 6605

0 5 10 15 20 25

Скорость подачи комбайна, м/мин

S

VO £

Ф С Ф

д

Z m

о н а т

ф

0 5 10 15 20 25 30 35 40 Добыча угля, тыс. т/сутки

Рис. 3. Зависимость метановыделения из лавы 6605 от скорости подачи и производительности очистного комбайна 7LS6C JOY Fig. 3. Dependence of methane release from lava 6605 on the feed rate and productivity of 7LS6C JOY shearer

до 47-49 тыс. т/сут. при режиме очистных работ в две рабочие смены по 8 ч и до 55 тыс. т/сут. при организации очистных работ в 2,25 рабочие смены по 8 ч;

- расчет пропускной способности скребкового конвейера РР 6/1142 показывает техническую возможность увеличения производительности очистного забоя 6605 до

62 тыс. т/сут. и 69 тыс. т/сут. при соответствующей организации очистных работ в две рабочие смены по 8 ч и в 2,25 рабочие смены по 8 ч;

- принятая по проекту длина 300 м лавы 6605 является близкой к оптимальному значению по условию максимума годовой прибыли щахты;

- расчеты показывают, что увеличение скорости подачи очистного комбайна 7LS6C с 5 до 22 м/мин повлияет на снижение метановыделения в очистной забой с 9,4 до 4,27 м3/мин вследствие увеличения выхода крупных фракций более 100 мм и соответствующего снижения дебита метана;

- при увеличении производительности очистного забоя 6605 до 50 тыс. т/сут. ожидается снижение метановыделения из отбитого угля в очистной забой до 4 м3/мин, поэтому ограничения на производительность очистного забоя 6605 по газовому фактору не прогнозируются.

Повышение сортности угля из очистных забоев становится наиболее важной задачей при подземной разработке метаноносных угольных пластов на больших глубинах, так как решение этой задачи позволит снизить мета-новыделение из отбитого угля, увеличить рыночную цену угля, повысить производительность и безопасность очистных работ.

Список литературы

1. Методическое обеспечение программы «ПРОЗА -5.0» имитационного моделирования и оптимизации технологических параметров очистных работ длинностол-бовой системы разработки пологих и наклонных метаноносных угольных пластов. Новосибирск: ИВТ СО РАН, 2018. 148 с.

2. О рекордной длине и производительности очистного забоя шахты им. В.Д. Ялевского / А.А. Мешков, М.А. Волков, А.А. Ордин и др. // «Уголь». 2018 № 7 С. 4-7. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/072018.pdf (дата обращения: 15.02.2019)..

3. Ордин А.А., Метельков А.А. К вопросу об оптимизации длины лавы и производительности комплексно-механизированного очистного забоя угольной шахты // ФТПРПИ. 2013. № 2. С. 100-113.

4. Рудничный транспорт и механизация вспомогательных работ / Ю.А. Кондрашин, В.К. Колояров, С.И. Ястрем-ский и др. М.: Горная книга, 2010. 534 с.

5. Ордин А.А., Тимошенко А.М. Нелинейные зависимости метановыделения от природной метаноносности угольного пласта и кинематических параметров резцов очистного комбайна // ФТПРПИ. 2017. № 2. С. 110-116.

UNDERGROUND MINING

UDC 622.33.013.3 © А.А. Ordin, А.М. Timoshenko, D.V. Botvenko, А.М. Nikolskiy, 2019

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 3, pp. 50-54

Title

ENGINEERING STUDY OF OPTIMAL COALFACE LENGTH AND PRODUCTIVITY IN THICK-SEAM MINING AT "TALDINSKAYA-ZAPADNAYA-1" MINE

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-3-50-54

Authors

Ordin А.А.1 2, Timoshenko А.М.3, Botvenko D.V.3, Nikolskiy А.М.4, 5

1 "Scientific and Production Centre VostNII" LLC, Kemerovo, 650002, Russian Federation

2 Institute of Computing Technologies of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, the Federal State Budgetary Institution of Sciences (FSBIS), Novosibirsk, 630090, Russian Federation

3"Scientific Centre "VostNII" for Industrial and Environmental Safety in Mining Industry" JSC, Kemerovo, 650002, Russian Federation

4 "Mining Pro", LLC, Novosibirsk, 630091, Russian Federation

5 N.A. Chinakal Institute of Mining Russian Academy of Sciences Siberian Branch, Novosibirsk, 630091, Russian Federation

Authors' Information

Ordin А.А., Doctor of Engineering Sciences, Deputy Scientific Director, Leading researcher, tel.: +7 (913) 910-57-17, e-mail: ordin@misd.ru Timoshenko А.М., PhD (Engineering), Executive Director Botvenko D.V., PhD (Engineering), Head of laboratory Nikolskiy А.М., PhD (Engineering), Director, Senior Researcher, tel.: +7 (903) 936-92-52, e-mail: nikosya@mail.ru

Abstract

Studies have been carried out to justify the optimal length and productivity of the stope 6605 of the "Taldinskaya-Zapadnaya-1" mine during the development of a thick methane-bearing coal seam. Justified the reduction of methane release at high performance shearer 7LS6C"JOY" and identifies the allowable length and productivity 6605 stope on the gas factor. Figures:

Fig. 1. Relationship between daily coal production and length of lava 6605 of "Taldinskaya-Zapadnaya-1" mine for various coal-face work arrangements Fig. 2. Correlation of the 'Taldinskaya-Zapadnaya-1" mine annual profit and the length of lava 6605

Fig. 3. Dependence of methane release from lava 6605 on the feed rate and productivity of 7LS6C JOY shearer

Keywords

Mine, Coal seam, Longwall face, Stope, Productivity, Length of stope shearer, Scraper conveyor, Profit, Methane debit, Fractional composition.

References

1. Metodicheskoe obespechenie programmy PROZA-5 0 imitatsionnogo mod-elirovaniya i optimizatsii tekhnologicheskikh parametrov ochistnykh rabot dlin-nostolbovoy sistemy razrabotki pologikh i naklonnykh metanonosnykh ugolnykh plastov [Methodological support of the PROZA-5.0 software for simulation and optimization of coal-face work process parameters in long pile mining flat and inclined methane-bearing coal seams]. Novosibirsk, IVT SO RAN Publ., 2018, 148 p.

2. Meshkov A.A., Volkov M.A., Ordin A.A., Timoshenko A.M. & Botvenko D.V. O rekordnoj dline i proizvoditel'nosti ochistnogo zaboya shahty im. V.D. Ya-levskogo [On record length and productivity of highwall mining the V.D. Yalevsky mine]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, No. 7, pp. 4-7. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/072018.pdf (accessed 15.02.2019).

3. Ordin A.A. & Metelkov A.A. K voprosu ob optimizatsii dliny lavy i proiz-voditelnosti kompleksno-mekhanizirovannogo ochistnogo zaboya ugolnoy shakhty [On optimizing the length of lava and productivity of a complex-mechanized working face of the coal mine] // Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh - Journal of Mining Science, 2013, No. 2, pp. 100-113.

4. Kondrashin Yu.A., Koloyarov V.K., Yastremskiy S.I. et al. Rudnichnyi transport i mekhanizatsiya vspomogatelnykh rabot [Mining transport and mechanization of auxiliary works]. Moscow, Gornaya Kniga Publ., 2010, 534 p.

5. Ordin A.A. & Timoshenko A.M. Nelineynye zavisimosti metanovydeleniya ot prirodnoy metanonosnosti ugolnogo plasta i kinematicheskikh parametrov reztsov ochistnogo kombayna [Nonlinear dependence of methane release on the natural methane content of the coal seam and kinematic parameters of the shearer cutters] // Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh - Journal of Mining Science, 2017, No. 2, pp. 110-116.