Теоретические основы модульной структуры угледобывающего предприятия Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.А. Федорин, 2013

УЛК 622.22 В.А. Федорин

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДУЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ УГЛЕДОБЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ*

Представлены исследования в области научного обоснования решений по проектированию параметров планировки и вскрытия шахтных полей с позиции системного анализа. Методом декомпозиции установлены необходимые и достаточные условия формироования структуры вскрытия и подготовки модулыного шахтоучастка с одним высокопроизводителыным очистным забоем.

Ключевые слова: модулыный шахтоучасток, вскрытие, подготовка.

На основании выполненных исследований установлено что повышение экономической эффективности, рентабельности подземного способа добычи угля, в особенности на комплексно-механизированных шахтах, требует решения проблем совершенствования каждого технологического процесса и их комплексного решения, при котором достигается наиболее высокая производительность комплексно-механизированного забоя.

Определена необходимая и достаточная горнотехнологическая структура подземной угледобычи как система технологически связанных горных процессов, определяющих эффективность работы комплексно-механизированной шахты, ее технико-экономические показатели [1].

Горнотехнологические структура шахты должна соответствовать вышеизложенным условиям. При одном среднедейст-вующем комплексно-механизированном очистном забое - такая горнотехнологическая структура получила название модульной (рис. 1).

В настоящее время наибольшие трудности вызывают проблемы воспроизводства очистного фронта.

"Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №13-05-98030 р_сибирь_а.

Рис. 1. Схема основных процессов горнотехнологической структуры

При анализе причин отмечают не только низкие темпы проходки, но и присущие большинству комплексно-механизированных шахт Кузбасса недостатки, несовершенство схем вскрытия и подготовки угольных пластов определяющие их горнотехнологическую структуру.

Методами системного анализа определена тенденция развития схем вскрытия и подготовки пологих угольных пластов на шахтах Кузбасса. В развитие теории проектирования угольных шахт разработаны методы решения задач деструктуриза-ции технологических объектов по добыче угля. Получены транспортно-технологические характеристики размещения основных вскрывающих выработок и коммуникаций, определяющих облик современной угольной шахты [2].

Численным экспериментом обоснован переход от традиционной шахты к горнотехнологической структуре угледобывающего комплекса (УДК) модульного типа., который представляет собой совокупность модульных шахтоучастков (МШУ), самостоятельно выдающим уголь на дневную поверхность (коммуникационный коридор) Разработан комплекс объемно-планировочных решений отличающийся от традиционной шахты значительным сокращением капитальных и эксплуатационных затрат на добычу угля.

Исследованиями установлено, что наибольшую эффективность обеспечивает модульный вариант - шахта с одним сред-

недействующим комплексно-механизированным очистным забоем.

Другим принципиальным отличием технологической структуры МШУ является односторонняя выемочная панель, она наиболее приспособлена к горно-геологическим условиям (в отличии от двусторонней), что решает ряд вопросов по безопасности горных работ, водоотведению и пожароопасности угольных пластов, позволяет увеличить длину выемочного столба до 4 - 6 км при благоприятных горно-геологических условиях. Длинные секционированные панели создают возможность пространственного разделения очистных и подготовительных работ с обособленным проветриванием (рис. 2).

Рис. 2. Модульные шахтоучастки с длинными секционированными панелями в системе угледобывающего комплекса (новое технологическое решение)

В качестве характеристики оценки эффективности технологических схем использована производительность комплексно-механизированного забоя. Проведен кластерный анализ по классификации факторов, определяющих комплексные исследования горнотехнологических структур вскрытия и подготовки угольных месторождений Восточного Кузбасса. Выбраны параметры модульных шахтоучастков в системе угледобывающих комплексов для работы на высокорентабельной основе. Получены объемно-планировочные решения задач по деструк-туризации шахтного фонда угледобывающих предприятий с высокими технико-экономическими показателями. В соответствии с отраслевой НТП "Совершенствование горного хозяйства, перспективное развитие шахтного фонда и оценка сырьевой базы при подземной добыче угля в РФ" разработано научно-техническое обоснование высокорентабельных угледобывающих предприятий на основе модульных горнотехнологиче-

ских структур [3]. В последствии у проектировщиков эта структура получила название «шахта-лава» или «шахта-пласт»

При создании горнотехнологических структур вскрытия и подготовки угольных пластов пологого залегания разработаны теоретические положения декомпозиции структуры угольных шахт до уровня модульных шахтоучастков с агрегированием их в состав системы угледобывающего комплекса - высокопроизводительного предприятия новой формации, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии теории освоения угольных месторождений.

1. Установлено, что эволюция горнотехнологической структуры (ГТС) угледобывающего предприятия идет в направлении снижения энтропии структурообразующих элементов схемы вскрытия и подготовки шахтного поля, приводит к понятию "модульный шахтоучасток", обеспечивающего необходимые и достаточные условия оптимального воспроизводства фронта очистных работ. Каждый этап эволюции ГТС шахт характеризуется уменьшением числа элементов структуры и ее упрощением. Так в модульном шахтоучастке с одним очистным забоем, по сравнению с традиционной шахтой, число элементов подземной структуры снижает энтропию с 2,61 до 1,46 за счет концентрации горных работ.

2. Для исследования и структурного преобразования технологических схем разработаны методы декомпозиции и синтеза "модульных" структур, обеспечивающих необходимые и достаточные условия высокопроизводительного функционирования очистных механизированных забоев (до 12000 т в сутки на 1 забой) в модульном шахтоучастке.

3. Агрегирование модульных шахтоучастков в состав системы угледобывающего комплекса (УДК) определяет структуру современного высокопроизводительного угледобывающего предприятия новой формации. Практически обеспечивается наивысшая концентрация горных работ УДК путем введения в работу любого числа модульных шахтоучастков (в зависимости от конъюнктуры угольного рынка), автономно ведущих подготовку и отработку своего выемочного участка на угольном пласте. В проекте УДК "Котинский" (вторая очередь) планируется введение 3-х модульных шахтоучастков с общей производительностью 10800 тыс. т/год.

4. Установлена количественная связь транспортно-технологических характеристик размещения основных вскрывающих выработок модульного шахтоучастка с инфраструктурой поверхности угледобывающего комплекса для решения объемно-планировочных задач и балансовых уравнений вскрытия и подготовки угольных месторождений, снижающие в модульном шахтоучастке транспортные затраты в 2 раза. Обеспечивается мобильность и независимость размещения вскрывающих выработок модульного шахтоучастка, так как их можно располагать в наиболее выгодных местах по условиям геологического строения поля угледобывающего комплекса.

5. Оптимизация модели по размещению транспортного горизонта на поверхности шахтного поля с формированием коммуникационного коридора угледобывающего комплекса снижает энтропию топологии сети горных выработок и минимизирует транспортную характеристику заложения наклонных стволов на флангах модульных шахтоучастков. Сокращается срок строительства до 2-х лет модульного шахто-участка за счет ликвидации трудоемких работ в околоствольных дворах и протяженных горных выработках.

6. Установлено, что рациональной основой модульной структуры шахтоучастка является автономная односторонняя панель (соизмеримая по простиранию с длиной выемочного столба) с одним действующим высокопроизводительным очистным механизированным забоем, воспроизводимом в этой же панели. Полная ликвидация сети подземных горных выработок после отработки модульного шахтоучастка позволяет в целом по угледобывающему комплексу (при равном количестве работающих шахтоучастков) поддерживать постоянную протяженность горных выработок до 5 м/1000 т добычи.

7. Увеличение длины выемочного столба по простиранию до 6 км с запасами до 10 млн.т при благоприятных горно-геологических условиях обеспечивает секционная схема подготовки и проветривания модульного шахтоучастка. Ориентация выемочного столба совпадает с ориентацией выемочной панели и учитывает факторы геомеханики и во-доотведения. Восходящий порядок отработки позволяет сокращать количество поддерживаемых выработок на 20-30 %,

а также создать благоприятные условия для фильтрации шахтной воды через обрушенные породы выработанного пространства и ее очистки до нормативных требований. Повышение безопасности и комфортности ведения горных работ обеспечивается за счет сокращения пути подвода свежей струи к горным работам.

8. Разработана алгоритмическая модель оптимизации размещения коммуникационных сетей угледобывающего комплекса на основе синтеза топологии и трассировки линейно-узловой структуры подъездных путей методами динамического программирования и теории графов. Реализация модели подтверждает фланговое размещение коммуникационного коридора при учете факторов консервации запасов в охранных целиках с экономическим эффектом до 20 % по вариантам размещением коммуникационного коридора.

9. Технологические решения, формирующие структуру модульного шахтоучастка адаптированы к комбинированным (открыто-подземным) способам разработки угольных месторождений, что позволяет минимизировать транспортную характеристику разреза за счет внутреннего отвалообразова-ния и рационального использования недр (Патенты РФ). Модульные шахтоучастки в системе открытых горных работ имеют высокие технико-экономические показатели (ш. Си-биргинская, ш. Байдаевская) производительностью 1-2 млн т/год и соизмеримую эффективность угледобычи за счет совместного использования производственной инфраструктуры угольного разреза [4]. Установлено, что комбинированным (открыто-подземным) способом в Кузбассе добывают около 38 млн т/год (2012 г.)

10. Установлена рациональная область геологических ресурсов для размещения модульных шахтоучастков на угольных месторождениях Кузбасса. Разработана база данных по 150 геологическим участкам за пределами горных отводов существующих шахт и разрезов с общими запасами коксующихся и энергетических углей около 4 млрд т. Создан электронный справочник технологических решений для модульных структур вскрытия и подготовки шахтоучастков, обеспечивающих высокие темпы технического перевооружения очистных и подготовительных работ в связи со сравнительно небольшим сроком отработки модульного шахтоуча-

стка (10-15 лет), что позволяет при подготовке очередного модульного шахтоучастка учесть самые новые технические решения.

11. Оценка экономической эффективности модульной ГТС вскрытия и подготовки шахтного поля производится по производительности труда рабочих, занятых в горном производстве, величиной себестоимости добываемого угля, необходимыми инвестициями и сроком их окупаемости. Проекты ТЭО инвестиций УДК "Котинский" (в 2010 г. из одного очистного забоя - 700 тыс. т в месяц с производительностью выше 1000 т,/чел в месяц), новой шахты Талдинская - 1 с месячной производительностью очистного забоя в 1 млн т в 2013 году) в Ерунаковском районе Кузбасса подтверждают рейтинг модульных ГТС на уровне мировых технико-экономических показателей работы шахт США и Австралии в аналогичных горно-геологических условиях.

12. Внедрение технологических решений в практику проектирования модульных шахтоучастков позволяет провести реконструкцию горнотехнологических структур существующих шахт для максимального использования возможностей горношахтного оборудования, поднять производительность труда рабочих шахт до 300-800 т в месяц, снизить расчетный срок окупаемости капиталовложений до 3-5 лет для новых предприятий и 1-3 лет - для реконструируемых, что делает модульные горнотехнологические структуры угольных шахт Кузбасса весьма привлекательными для инвестиций.

В заключение следует отметить, что в 2012 году подземным способом добыча угля в Кузбассе составила 79 млн.т/год, в том числе около 80 % этого объема получено по новым геотехнологическим решениям вскрытия и подготовки шахтных полей, разрабатываемых и патентуемых в Институте угля СО РАН.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ялекский В.Д.,Федорин В. А. Модульные горнотехнологические структуры вскрытия и подготовки шахтных полей Кузбасса. (Теория, Опыт, Проекты). - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. -224 с., ил.

2. Потапов В.П., Федорин В.А., Кассина О.В. Современные геотехнологические структуры угольных шахт Кузбасса./ Горный информационно-аналитический бюллетень. № 6. 2006. - С. 252-255.

3. Потапов В.П., Федорин В.А., Шахматов В.Я. Стратегия инновационного развития угольных компаний Кузбасса./ Материалы Международной научно-практической конференции «Системный подход к созданию высокоэффективных угледобывающих предприятий с использованием наукоемких технологий». М.: Сборник научных статей - 2008. -С. 7-14.

4. Федорин В.А., Шахматов В.Я., Михайлов А.Ю. О приоритетных направлениях объединения открытых и подземных геотехнологий в единую систему ведения горных работ в Кузбассе./ Вестник Кузбасского гос. техн. Университета. Научно-технический журнал № 3, 2012. -С. 102-106. ШИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Федорин Валерий Александрович - доктор технических наук, заведующий лабораторией, fva@icc.kemsc.ru,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения РАН.