CC BY
106
----------------------------------------- © В.Я. Афанасьев, В.Ю. Линник,
2010
УДК 622.236
В.Я. Афанасьев, В.Ю. Линник
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КОНКРЕТНЫМ УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУА ТАЦИИ
Рассмотрены факторы, влияющие на эффективность работы угледобывающего комбайна и предложена экономико-математическая модель типовым условиям эксплуатации
Ключевые слова: шахта, очистной забой, шнек, резец, сопротивляемость резанию, породный прослой, твердые включения.
Эффективность функционирования очистных комбайнов в значительной мере зависит от работы шнекового исполнительного органа (в дальнейшем изложении шнек), резцы которого непосредственно контактируют с угольным забоем и формируют его суммарную и динамическую нагруженность. Известно, что нагруженность шнека определяется его параметрами и типом применяемого режущего инструмента. Поэтому соответствие параметров шнеков и режущего инструмента характеристикам разрушае-мости пласта имеет важное значение, поскольку от этого зависит общая нагруженность комбайна, а значит, его теоретическая производительность и нагрузка на очистной забой в целом.
Практика показывает, что, несмотря на значительное разнообразие применяемых на очистных комбайнах шнеков, в подавляющем большинстве случаев на шахтах применяются однотипные шнеки, оснащенные, как правило, недорогими поворотными резцами с конической режущей частью, использование которых на вязких углях сопровождается по сравнению с другими известными типами резцов повышенной энергоемкостью резанию и низкой сортностью добываемого угля. В значительной мере это связано с отсутствием научно обоснованных рекомендаций по области рационального применения различных типов шнеков. Между тем, наметившиеся в последние годы тенденции на создание технологий высокопроизводительной добычи угля по технологическим схемам «лава-горизонт» и «лава-шахта» требуют индивидуального подхода к выбору средств добычи угля, в том числе и к исполнительным органам.
Описание математической модели выбора конструкции исполнительного органа для эксплуатации в конкретных условиях
Прежде чем перейти к алгоритму решения задачи выбора конструкции исполнительного органа, остановимся на модели, позволяющей научно обоснованно выбирать оптимальный вариант шнека применительно к конкретным условиям эксплуатации. В данном случае постановка задачи принятия решения (модель причинноследственных связей) заключается:
а) в определении возможных стратегий - необходимо выделить ряд управляемых переменных Zi, значения которых описывают параметры исполнительного органа;
б) в определении условий окружающей среды - задаются неуправляемые переменные Aj, определяющие условия эксплуатации исполнительных органов;
в) в определении критерия выбора - тем самым задаются цели и определяется их относительная значимость.
В вышеперечисленных допущениях модель выбора конструкции исполнительного органа должна рассматриваться как зависимость параметров выходной группы Э от совместного действия входных А (неуправляемых) и регулирующих (управляемых) Z параметров Э = f {A, Z} ^ max,
где A [Ai, А2, ..., An] - вектор неуправляемых параметров, описывающих прочностные свойства конкретного угольного пласта; Z [Z1, Z2, ..., Zm] - вектор управляемых параметров, отражающий конструктивные особенности исполнительного органа.
Совместное рассмотрение всех связей функции дает наиболее полное математическое описание выходных параметров и позволяет на этой основе находить их оптимальное сочетание при определении целевой функции.
В качестве целевой функции для оценки конструкции исполнительного органа предложен удельный стоимостной показатель Суэ, который определяется как разность между ценой угля и суммарными затратами, связанными с эксплуатацией и ремонтом шнеков в конкретных условиях. При этом под оптимизацией понимается нахождение решения в условиях действующих ограничений, при котором целевая функция максимальна.
Последовательность расчета Су.э, состоит в следующем:
1. Для исполнительного органа с оцениваемыми параметрами определяются характеристики процесса разрушения в функции от показателей разрушаемости угольного массива hf = f [ At ];
2. Определяются показатели надежности исполнительного органа и режущего инструмента в функции от показателей разрушаемости пласта R = f [ At ];
3. Рассчитываются выходные параметры (показатели эффективности функционирования) как результаты процесса разрушения и надежности исполнительного органа Эг = f [hi, R];
4. Производится пересчет выходных параметров в стоимостные показатели
C = f Э ];
5. Рассчитывается обобщенный критерий Суэ.
Расчеты в изложенной последовательности выполняются для всех сравниваемых конструкций исполнительного органа. Выбирается та конструкция, для которой Суэ
= max.
Алгоритмы расчета основных показателей эффективности функционирования исполнительных органов
В качестве характеристики свойств разрушаемого угольного массива, влияющих на показатели эффективности функционирования исполнительного органа принят показатель эквивалентной сопротивляемости пласта резанию Аэ (Н/мм), интегрально учитывающий прочностные свойства пластов с учетом наличия в них породных прослоев и твердых включений.
Величина показателя Аэ, рассчитывается по следующему выражению
Аэ _ Ауг +1,5АвклКвкХкА + АпмКпХ.п
где Авкл, Ап , обобщенный показатель содержания и свойств твердых включений и
породных прослойков соответственно, Н/мм; Авкл, Ап.п - сопротивляемость резанию
твердых включений и породных прослойков соответственно, Н/мм; Sвкл,Snп-
удельное содержание в пласте твердых включений и породных прослойков; ёп - доля включений, перерезаемых резцами; Квкл, Кпп - коэффициенты, определяемые по формуле
А - А
К (К К ) = н_________—
-Г^щ^вкл) ^п.п . ?
Ауг
где Ан - сопротивляемость резанию неоднородностей (Авкл или Апп).
Последовательность расчетов по определению показателей эффективности функционирования шнеков следующая:
1. Определяется удельный расход резцов шнека в зависимости от показателя Аэ
^.р=1,3^ехр(0,015Аэ), шт/1000 т, (1)
где kр - коэффициент, учитывающий тип резца.
Тогда, учитывая, что средняя наработка на отказ резцов Тр есть величина обратная р, имеем Тр =0,77^ехр(0,015Аэ), тыс. т.
2. По величине энергоресурса Эр;, величина которого для данной конструкции шнека примерно постоянна и не зависит от условий эксплуатации [1], рассчитывается межремонтный ресурс шнека Ям.ш
Рм.ш= ЭRHWR, т
где Нт - удельные энергозатраты на резание пласта (кВтч/т), рассчитываемые по ОСТ 12.44.258-84 в зависимости от показателя Аэ.
3. Определяется техническая производительность комбайна без учета времени замены резцов и шнеков
60В Н уУ
„ _ ---з--т! п т/ч
Чтех 1+(V / ь)тн ’ ’
где Ь - длина лавы, м; Нпл - вынимаемая мощность пласта, м; у - плотность угля, т/м3; Уп - скорость подачи комбайна, м/мин; Тн - суммарное время непроизводительной работы лавы за цикл, обусловленное конструкцией и надежностью комбайна, мин.
Скорость подачи комбайна Уп, входящая в последнюю формулу, рассчитывается по выражению
Уп = 10,8ККрехр(-0,74Аэ 10-2), м/мин,
где К и Кр - коэффициенты, определяющие влияние на скорость подачи установленной мощности комбайна и радиального вылета резца соответственно.
4. Определяется время на замену шнеков Тз.ш
Т.... _
_ tшdвQцHWR
Эр
где tш - длительность замены шнека, ч; Qц - объем добычи за цикл, тыс. т; ёв - коэффициент, учитывающий вынужденные простои комбайна связанные с отказами шнеков.
Величина йв численно равна доле внезапных отказов шнеков в общем потоке их отказов.
5. Определяется время на замену резцов Тзр не совмещенное с другими операциями по выемке
Тз.р Кс tу.рQц, ч
где Кс - коэффициент, учитывающий часть времени на замену резцов не совмещенных с другими операциями по выемке (обычно Кс =0,7 - 0,8); ty.р - удельное время на замену резцов, ч/1000т.
6. Определяется техническая производительность комбайна с учетом времени Т3.ш и Т3.р
' _ ^ц .
Ц тех Т , Т ^ Т ’ Т ’ м з.ш 3. р
где Тм - продолжительность работы комбайна по выемке объема угля (добычи) Qц с производительностью Qmех, т.ч.
7. Определяются потери производительности ^^тех и удельной потери добычи
А<2у.з.ш по ф°рмулам:
тех тех тех ,
где дтех, д’тех - техническая производительность соответственно без учета и с учетом продолжительности замены шнеков Т3.ш и резцов Тзр, т/ч.
Д^.з.ш ^Цтех{[1,3^р еХр(0.015Аэ)] Тз.р + Гш Т з.ш },
где гш - удельный расход шнеков, шт/1000 т.
Известно [2], что энергозатраты на резание, а, следовательно, и сортность угля (его фракционный состав) могут быть улучшены за счет следующих факторов:
- увеличения скорости подачи комбайна (толщины стружки);
- оптимизации схемы резания (оптимального отношения ширины стружки t к ее толщине К) применительно к конкретным условиям эксплуатации;
- исключения (уменьшения) передрабливания отбитых кусков угля между торцом лопасти шнека и неразрушенным массивом за счет применения соответствующего типа инструмента (тангенциальный, радиальный) и его пространственной ориентации;
- уменьшения числа резцов в линии резания.
С учетом вышеизложенного задача оптимизации параметров исполнительного органа по сортности и энергозатратам на резание должна решаться с учетом всех вышеуказанных факторов. При этом в качестве алгоритма можно принять следующую последовательность вычислений:
1. В качестве исходных данных задаются значения показателя способности угля к измельчению т и сопротивляемости пласта резанию зоне работы исполнительного органа А Впп.
2. Определяется показатель разрушаемости пласта R.
_ 0.8Авпл ■ т2 3
К =----------------------— , кВтчсм/м .
ехр(2.3т) - 4.4 - т
3) По ОСТ 12.44.258-84 рассчитываются удельные энергозатраты на выемку Н„.
4) Рассчитывается показатель приведенной степени измельчения угля Км по формуле
_ НцК - 0,01К
Км К
5) Определяется выход W-dy (%) класса крупности угля менее d мм при работе
комбайна, оснащенного исполнительным органом с оцениваемыми параметрами. Расчет производится по формуле [2]
Ж-,7 = 100[1 - ехр(-Км й;)], %.
т
При этом выход /-тых классов крупности Wi (%), по значениям которого собственно и рассчитывается сортность угля, равен
W = Ж-йУ - Ж-й(М), %,
где й - максимальный размер куска угля, мм.
Имея самостоятельное значение для определения показателей эффективности функционирования исполнительного органа, рассмотренные алгоритмы расчета входят составными частями при определении критерия эффективности Су.э. Разработка алгоритма расчета обобщенного критерия Су.э Расчет критерия Су.э основан на определении показателей надежности и эффективности функционирования исполнительных органов, выраженных в единицах стоимости, отнесенных к объему добычи. Последовательность расчетов следующая:
1. Определяются удельные затраты на шнеки Цу.ш (руб/1000т) и резцы Цу.р (руб/1000т):
Цуш = Лу.ш ■ Цш ; (2)
Цу.р = Nу.р ■ Цр, (3)
где Л^ш и р - удельный расход шнеков и резцов соответственно; Цш и Цр - цена
шнека и резца, руб.
Удельный расход шнеков определяется по выражению
луш = 1/Км.ш(6.8Дш + 2)Аэ0’5 ■Ю-2], шт/1000 т
Тогда, подставляя в (2) последнее выражение, а в (3) формулу (1) для определения Лу.р, имеем:
ЦУш = Цш /Км ш (6.8Дш + 2)Аэ0’5 ■ 10-2 ], шт/1000 т;
Цур = 1^р ехр(0.015Аэ)Цр , шт/1000т.
2. Определяются суммарные удельные затраты, связанные с отказами резцов и исполнительных органов равны
Цу = Цу.ш+Цу.р = Цш / [Км.ш(6,8Dш+2)Аэ0^510~2]+l,3kpexp(0,015Aэ)Цр, руб/т.
3. Определяется удельная стоимость потерь добычи Цу^ , связанная с заменой резцов и шнеков по формуле
Цу.а = (ЦУ.з.р + Цу.з.ш ), руб/тыс.т,
где Цу.з.р, Цу.з.ш - удельная стоимость потерь добычи, связанная с заменой резцов и шнеков соответственно, определяемые по формулам:
Цу.з.р АЧтех <у.р Цуг ;
Цу.з.ш АЧтех <ч.ш • Ц уг ,
где Цуг - цена тонны угля, руб.; Адтех - падение технической производительности; <у.р и <.у.ш - удельное время замены резцов и шнеков (ч/1000т), определяются по формулам:
<ур = му.г • Т,.р. = [1,34Р ехр(0,015Аэ) ]Г, р ;
1,.ш = Куш, • Тш = {1/[Л,ш(6,8Д, + 2)Аэ0510-2] Тш•
где <р и <ш - время (ч) замены одного резца и шнека соответственно, определяемое по хронометражным данным.
Величина Адтех определяется по формуле
л ■ ■ ■ ,
Аа = а-----------------------= а - а , т/ч,
1 тех 1 тех т , т ^ Т тех тех. ш ’ ’
м з.р з.ш
где ч' тех и ч'тех.ш - техническая производительность соответственно без учета и с учетом продолжительности замены резцов и шнека, т/ч; Тм - продолжительность работы комбайна по выемке объема угля (добычи) Qц (т) с производительностью Чтех (т/ч); Тзр и Тз.ш - время замены отказавших резцов и шнеков за цикл выемки, соответственно (ч).
Таким образом
Цуй = Цуг • АЧтех (<у.р + <уш ).
4. Удельные затраты на электроэнергию определяются по формуле
Цу.эл = Н^т • Цэл ,
где Цэл - цена 1 кВт ч электроэнергии.
5. Рассчитывается средневзвешенная цена Цуг тонны угля для конкретной шахты с учетом его сортности
Цуг = 1 (Ц,-к,/100),
1=1
где пк - число классов крупности; Ц/ - оптовая цена угля /-го класса крупности (руб/т); Wi - выход угля /-го класса крупности.
Таким образом, с учетом полученных выражений и соответствующих преобразований, общие стоимостные затраты равны
П
2 Цу. = {[Ям.ш(6.8Пш+2)Аэ0510-2]-1 (Цш + <шЦугЛЧтех) + 1.3 крХ /=1 1
ехр(0.015Аэ)(Цр + ЦугАЧтех <р) } 10~3 + НКр Цэ
Следовательно, выражение для обобщенного критерия эффективности Суэ примет вид
пк Ц Щ
Су.э = _ {[Км.ш(6.8Пш+2)Лэ0-510-У(Цш + шЦугАдтех) +
і=1 100
+ 1.3 кр Х еХр(0.015Аэ)(Цр + Цуг АЦтех tр) }10-3 + НщЯ Цэ, руб/т.
Алгоритм расчета критерия Суэ, и сформированный банк данных о характеристиках разрушаемости угольных пластов послужили основой для разработки пакета прикладных программ, позволяющих в рамках одного программного продукта в автоматизированном режиме обрабатывать информацию из базы данных о характеристиках разрушаемости конкретного шахтопласта и выбирать для его разработки оптимальную конструкцию исполнительного органа.
---------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Линник Ю.Н. Научные основы создания исполнительных органов нового технического уровня для угледобывающих комбайнов. В ж-ле: Уголь, № 12, М.: 1994, с. 18-22.
2. Позин Е.З., Меламед В.З., Тон В.В. Разрушение углей выемочными машинами. - М.: Недра, 1984.-288 с.И
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------
Афанасьев В.Я. - профессор, доктор экономических наук, проректор по научной работе, ipk@guu.ru
Линник В.Ю. - кандидат технических наук, доцент, кафедра экономики и управления в нефтегазовом комплексе, lincorjde@gmail.com Г осударственный университет управления.
А
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. ПЛЕХАНОВА
ГАВРИЛОВ Юрий Александрович Обоснование режимов работы вибрационной щековой дробилки с ав-торезонансным электроприводом маятниковых вибровозбудителей возвратно-вращательного движения 05.09.03 к.т.н.
------------------------------------------ © В.Я Афанасьев, Ю.Н. Линник,
В.Ю. Линник, 2010
УДК 38.01.11
В.Я. Афанасьев, Ю.Н. Линник, В.Ю. Линник
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ПЕРИОД ДО 2030 ГОДА
Приведены результаты анализа горно-геологических условий разработки угольных пластов. Особое внимание уделено характеристикам пластов, влияющим на безопасность ведения очистных и подготовительных работ в подземных условиях шахт. С учетом закрытия действующих шахт и вновь вводимых в эксплуатацию, дана прогнозная оценка горно-геологических условий на период до 2030 года.
Ключевые слова: угольный пласт, мощность, угол падения, глубина залегания, газоносность, горные удары, внезапные выбросы, самовозгораемость угля, устойчивость пород кровли.
нергетическая стратегия России на период до 2030 года» предусматривает существенное наращивание объемов добычи угля и замещение значительной доли природного газа углем. Связано это с несколькими причинами. Во-первых, по мере развития экономики России потребность в электроэнергии промышленности постоянно возрастает. Во-вторых, Правительством РФ взят курс на полную газификацию удаленных населенных пунктов, что потребует дополнительно значительных объемов природного газа. В третьих, в ближайшее десятилетие потребность в газовом топливе в европейских странах будет увеличиваться и обеспечивать ее в значительной мере должна будет Россия. Поэтому высвобождение части природного газа за счет наращивания доли угля при выработки энергии является стратегической задачей России.
Для реализации вышеуказанных направлений необходимы условия, при которых бы с одной стороны существенно возросла производительность добычных работ на угольных шахтах, а с
другой - снизилась себестоимость добываемого угля. Последнее необходимо для повышения конкурентоспособности угля перед нефтью и газом, запасы которых в России будут исчерпаны в ближайшие десятилетия.
В связи с вышеизложенным были выполнены исследования направленные на анализ горно-геологических условий разработки угольных пластов на действующих и перспективных шахтах и их прогнозная оценка на период до 2030 г.
Анализ горно-геологических условий разработки угольных пластов на действующих шахтах
В период 2000-2010 годов в отработку были вовлечены более 207 пластов. За этот период количество разрабатываемых пластов практически не изменилось. По состоянию на 01.01.2010 г в разряд рабочих отнесено 209 шахтопла-стов.
Рассмотрим распределение шахто-пластов по углам падения и геологической мощности (табл. 1). Анализируя приведенные в табл. 1 данные, видно, что
Таблица 1
Распределение шахтопластов по мощности и углу падения
Мощность пласта, м Количество шахтопластов
Угол падения пласта, градус Всего, шт. Удельное участие, %
до 35 36-45 свыше 45
до 1.2 12 - - 12 5,7
1,21-1,8 26 3 5 34 16,2
1,81-3,5 64 4 17 85 40,0
более 3,5 45 4 31 80 38,1
Всего 147 11 53 209 100
Удельное участие, % 69,6 5,2 25,2 100
Таблица 2
Распределение добычи угля из действующих очистных забоев в зависимости от мощности и углов залегания угольных пластов по данным за 2009 г.
Мощность пласта, м Удельный вес очистной добычи (%) по углам падения пласта (градусов) Всего
до 35 36-45 более 45
до 1,2 3,1 0 0 3,1
1,21-1,8 12,6 0,1 0,1 12,8
1,81-3,5 57,8 0,2 0,8 58,8
более 3,5 21,9 0,8 2,6 25,3
Всего 95,4 1,1 3,5 100,0
подавляющее больщинство шахтопластов (69,1%) приходится на пологонаклонные, из которых 40,6 % составляют пласты средней мощности (мощность пласта 1,8-3,5 м), 38,2 % мощные (более
3,5 м) и лишь 4,3% тонкие пласты.
Доля крутопадающих (более 45 град.) и крутонаклонных (36-45 град.) пластов в общем объеме разрабатываемых подземным способом составляет 30,9 %. Однако такие пласты разрабатываются исключительно в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса без применения средств комплексной механизации.
В табл. 2 приведено распределение объемов добычи угля в зависимости от геологической мощности и угла падения пласта. Данные приведены по итогам работы шахт в 2009 г. Сравнивая данные табл. 1 и 2 видно, что в целом по России 69,1 % очистных забоев, относящихся к пологонаклонным пластам, добывают 95,4 % от всего объема добываемого в
России подземным способом угля. Важно отметить, что в основном это забои, оборудованные механизированными комплексами. Напротив, несмотря на то, что на крутопадающие и крутонаклонные пласты приходится 30,9 % очистных забоев, добывается ими всего 4,6 % от общего объема угля, добытого подземным способом.
В табл. 3 приведены усредненные по России и основным угледобывающим районам РФ данные о динамике изменения вынимаемой мощности разрабатываемых пластов за последнее десятилетие.
Из таблицы видно, что по всем основным угледобывающим районам наблюдается увеличение средней геологической мощности пластов. Связано это с тем, что в рассматриваемый период происходило постепенное замещение неперспективных шахт с неблагоприятными горно-геологичес-кими условиями
Таблица 3
Динамика изменения средней геологической мощности разрабатываемых пластов
Наименование
Средняя геологическая мощность пласта (м) по годам
угледобывающих районов 2004 2005 2006 2007 2008 2009
В целом по России 2,91 2,94 3,23 3,43 3,68 3,73
Западно-Сибирский район 3,20 3,30 3,64 3,87 4,11 4,23
Северный район 2,48 2,47 2,43 2,34 2,27 2,29
Северо-Кавказский район 1,61 1,67 1,43 1,38 1,32 1,33
новыми шахтами с более мощными угольными пластами.
Аналогичным образом выглядит картина и по динамике изменения средней вынимаемой мощности пласта (табл. 4), откуда видно, что в целом по РФ за последние 10 лет вынимаемая мощность пластов также возросла в среднем с 2,6 м до 3,27 м.
Особенно заметный рост вынимаемой мощности составил по пластам Западно-Сибирского угольного района. Напротив, мощность пластов Северного и Северо-Кавказского райо-нов осталась примерно неизменной.
В табл. 5 приведены данные по средней глубине залегания угольных пластов различной геологической мощности, откуда видно, что вследствие значительного разнообразия горно-геологических условий максимальная глубина разработки на шахтах России колеблется от 45-70 м в Дальневосточном районе до 1200 м в Восточном Донбассе.
Тонкие пласты мощностью до 1,8 залегают приемущественно на значительной глубине, преышающей в среднем 500 м. В основном это шахты СевероКавказского и Северного районов. Напротив, пласты мощностью 1,8 - 3,5 м и мощные залегают в основном на небольшой глубине (от 100 до 400 м) и разрабатываются преимущественно шахтами Кузбасса (Западно-Сибирский район), Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Шахты России работают в весьма неравнозначных условиях и по безопасности ведения горных работ. В табл. 6 приведено распределение шахт по категориям газовой опасности, откуда видно, что в целом по России угольные шахты представлены всеми 6-ю категориями по газовой опасности: негазовые, I, II и III категории, сверхкатегорные и опасные по внезапным выбросам угля и газа. Негазовыми являются 13,3 % шахт России, 17,8% отнесены к I категории, и 12,2% - ко II категории. Таким образом, суммарная доля предприятий, осуществляющих добычу угля подземным способом в относительно благоприятных по газовой опасности условиях, практически исключающих необходимость выполнения дегазационных работ, составляет 43,3%.
Достаточно стабильной остается группа шахт, отличающихся высокой степенью метаноопасности, представленная шахтами III категории, сверхка-тегорными и пластами, относящимися к опасным по внезапным выбросам угля и газа. Их суммарная доля в общем количестве шахт составила 56,7%.
Очень высоким уровнем газовой опасности характеризуется шахты Кузбасса, на территории которого действуют 19 из 25 в целом по России шахт, опасных по выбросам угля
338
Таблица 4
Динамика изменения средней вынимаемой мощности разрабатываемых пластов
Наименование
Средняя вынимаемая мощность пласта (м) по годам
угледобывающих районов 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
В целом по России 2,60 2,53 2,58 2,62 2,91 2,94 3,07 3,15 3,20 3,27
Западно-Сибирский 2,90 2,72 2,79 2,98 3,1 3,31 3,42 3,53 3,54 3,56
Северный 2,61 2,58 2,52 2,42 2,32 2.30 3,60 2,56 2,62 2,62
Северо-Кавказский 1,57 1,59 1,62 1,53 1,61 1,67 1,62 1,61 1,75 1,78
Таблица 5
Распределение шахтопластов по глубине залегания
Мощность пласта Число шахтопластов с глубиной залегания, от — до (м): В среднем Удельное участие, %
до 100 101- 200 201- 300 301- 400 401- 500 501- 600 601- 700 701- 800 801- 1000 более 1000 Всего
до 1,20 2 - 2 - 1 - 3 - 3 - 11 566 5,3
1,21-1,80 1 1 9 3 7 2 4 1 1 3 32 506 15,5
1,81-3,50 4 16 13 17 13 8 6 1 2 1 81 323 39,1
более 3,50 2 11 24 29 13 5 - - 1 - 85 317 40,1
Всего 9 28 48 49 34 15 13 2 7 4 209 - 100
В среднем 2,39 3,79 3,89 5,10 3,39 4,20 1,94 2,27 1,96 1,66 3,73 360 -
Удельное участие, % 4,3 13,5 22,7 23,3 16,4 7,2 6,3 1,0 3,4 1,9 100 - -
Таблица 6
Распределение шахт России по категориям газовой опасности
Угольные районы России Всего шахт Категории шахт по газу
нега- зовые I кат. II кат. III кат сверх- кате- горная опасные по внезапным выбросам
Северный 7 - - 1 1 2 3
Северо-Кавказский 11 11 - - - -
Урал 1 - - - 1 -
Западная Сибирь З9 - 6 9 16 17 11
Восточная Сибирь 3 - 3 - - - -
Дальний Восток 9 - 7 1 - 1 -
В целом по России 90 12 16 11 18 20 14
Таблица 7
Распределение шахтопластов по природной газоносности
Параметр Распределение шахтопластов по природной газоносности (м3/т)
до 15 16-25 свыше 25 всего
Число шахтопластов, шт. 97 43 62 202
Удельное участие, % 48,0 21,3 30,7 100,0
и газа (76,0%), 15 из 19 сверхкатегорных шахт (79,0%). Большинство удароопасных пластов (75,8%) также разрабатывается в Кузбассе. При этом абсолютно все шахты опасны по газу.
Наиболее благоприятными условиями по газу отличается СевероКавказский регион (Восточный Донбасс), где все 12 шахт являются негазовыми. Высоким уровнем опасности по данному фактору отличаются шахты Северного региона, где доля шахт с высоким уровнем газовой опасности составляет почти 100%.
Рассмотрим более подробно распределение угольных пластов России по природной газоносности, склонности проявления внезапных выбросов угля и газа, опасности проявления горных ударов. Анализу были подвергнуты 207 шахтопластов, разрабатываемых шахтами России.
Из табл. 7 видно, что большинство разрабатываемых пластов (52,0%) име-
ют повышенную (16-25 м3/т) и высокую (свыше 25 м3/т) природную газоносность, что негативным образом влияет на работу шахты и требует проведения значительных по трудоемкости и капитальным затратам мероприятий по дегазации пластов. Относительно невысокую газоносность (до 15 м3/т) имеют 48,0% шахтопластов, что способствует увеличению уровня технологичности работы очистных забоев.
Природная газоносность пластов в существенной мере определяет также уровень опасности пластов по внезапным выбросам угля и горным ударам. Чем выше газоносность пласта, тем выше вероятность проявления горных ударов и внезапных выбросов угля на шахтах. Об этом свидетельствуют и данные табл. 8 и 9, где приведены геологические условия залегания угольных пластов по опасности проявления внезапных выбросов угля и горным ударам.
Таблица 8
Распределение шахтопластов по склонности проявления внезапных выбросов угля и газа в зависимости от глубины залегания
Параметр Распределение шахтопластов по вероятности проявления внезапных выбросов угля
не опасные угрожаемые опасные Всего
Число шахтопластов, шт. 94 37 78 209
Удельное участие, % 4З,0 17,7 37,3 100,0
Таблица 9
Распределение шахтопластов по опасности проявления горных ударов
Параметр Распределение шахтопластов по опасности проявления горных ударов
не опасные угрожаемые опасные всего
Число шахтопластов, шт. 6З 91 З3 209
Удельное участие, % 30,9 43,8 2З,2 100,0
Анализируя данные табл. 8 видно, что из 208 обследованных шахтопласта 44,7 % их не опасны по внезапным выбросам угля. Напротив, 17,8% и 37,5% шахтопластов относятся к угрожаемым и опасным по внезапным выбросам угля соответственно.
По опасности проявления горных ударов пласты распределяются следующим образом: 30,9% шахтопластов не опасны, 43,8 % - угрожаемы и 25,2% опасны по горным ударам.
Подавляющее большинство пластов, разрабатываемых в России, являются опасными по взрывам угольной пыли. Данное обстоятельство обуславливает необходимость значительных дополнительных затрат на контроль, связывание и инертизацию угольной пыли как в местах ее образования (очистные и подготовительные забои, места перегрузки и т.д.), так и в местах интенсивного осаждения (горные выработки).
Значительное количество шахтопластов в России относятся к опасным, склонным и весьма склонным по самовозгоранию угля. Большинство из них отрабатывается также на шахтах Куз-
басса. Число их составляет108 шахтопластов или 8З,7% от общего по России количества шахтопластов.
В 2009 году на шахтах России насчитывалось 71 очистной и 207 подготовительных забоев, опасных по фрикционному искрению пород, что свидетельствует об увеличении потенциальной опасности воспламенения метановоздушной смеси от данного источника.
В связи с высокой газовой опасностью на 20 шахтах России использовали дегазацию выработанного пространства и на 1З - пластовую дегазацию. Дегазацию применяли, в основном, на шахтах Кузбасса и Северного региона.
Характеристика углевмещающих горных пород по управляемости и устойчивости кровли, прочности почвы
В прогнозных каталогах шахтопластов России определены следующие сочетания свойств боковых пород:
- ТНП (кровля трудноуправляемая, породы непосредственной кровли неустойчивы, почва прочная);
- ТУП (кровля трудноуправляемая, породы непосредственной кровли устойчивы, почва прочная);
- ЛУС (кровля легко и среднеуправляемая, породы непосредственной кровли устойчивы, почва слабая);
- ЛУП (кровля легко и среднеуправляемая, породы непосредственной кровли устойчивы, почва прочная);
- ЛНП (кровля легко и среднеуправляемая, породы непосредственной кровли неустойчивы, почва прочная);
- ТНС (кровля трудноуправляемая, породы непосредственной кровли неустойчивы, почва слабая);
- ТУС (кровля трудноуправляемая, породы непосредственной кровли устойчивы, почва слабая);
- ЛНС (кровля легко и среднеуправляемая, породы непосредственной кровли неустойчивы, почва слабая).
Рассмотрим характеристики углевмещающих горных пород на шахтах основных угольных районов России.
В Кузнецком угольном бассейне (Западно-Сибирский район) преобладают породы кровли средней устойчивости и устойчивые (41%) и прочные породы почвы (57%). Трудноуправляемые породы кровли встречаются в 36% случаев. Ложная кровля на значительной площади (более 30%) встречается в 35 % случаев.
Непосредственная кровля пластов Западной Сибири сложена в основном (74,6%) алевролитами крепостью 3 - 5 единиц по шкале профессора Прото-дьяконова М.М., иногда перемежающихся с песчаниками. В 19% случаев непосредственная кровля состоит из аргиллитов крепостью 3-5 единиц. Иногда встречаются кровли сложенные песчаником, но это встречается лишь в 6% случаев.
Основная кровля угольных пластов Кузнецкого бассейна сложена алеврали-
тами различной крепости (55,6%) и песчаниками (44,4%), иногда перемежающиеся с алевролитами.
Почва пластов также в основном сложена алевролитами (70,6%), реже аргиллитами (21,4%). Иногда почва пластов состоит из песчаников (7,9%), имеюших крепость от 7 до 10 единиц.
В Северном районе (Печорский бассейн) наиболее распространены следующие сочетания боковых пород: ТНП
- 23,1 %; ТУП - 53,8 %. Два пласта относятся к категории ЛНП и один к категории ТУС. Преобладают породы кровли средней устойчивости и устойчивые
- 60 % и прочные почвы - свыше 90 %.
Непосредственная кровля пластов сложена в основном аргиллитами и алев-ролитовыми аргиллитами и лишь в 8% случаев она состоит из алевролита.
Основная кровля шахтопластов Печерского бассейна сложена примерно поровну алевролитами и песчаниками, имеющими крепость по шкале профессора Протодьяконова М.М. от 3 до 8 единиц - для алевролитов и до 15 - для песчаников.
Почвы пластов на 47% состоят из алевролитов, в 23 % случаев сложены песчаниками и в 30% - аргиллитами
В Северо-Кавказском районе (Восточный Донбасс) имеет место три сочетания свойств боковых пород, однако преобладают породы типа ТУП - 58,3 %. Три пласта (25%) относятся к категории ЛНС и два (16,7%) - к ТНП. Из всего количества шахтопластов, разрабатываемых на шахтах Восточного Донбасса 75 % относится к пластам с труднооб-рушаемыми породами основной кровли. 58,3 % шахтопластов имеют породы непосредственной кровли средней устойчивости и устойчивые и 75 % пластов с прочной почвой.
Непосредственная кровля угольных пластов Восточного Донбасса примерно
поровну распределена между глинистыми сланцами, крепостью 2-6 единиц, сланцами песчаными, крепостью 6-8 единиц, и и сланцами песчано-глинистыми, крепостью 4 единицы. Иногда глинистый сланец замещается песчаным сланцем.
Основная кровля в подавляющем большинстве случаев сложена песчаником, и песчаным сланцем. В одном случае (шахта Алмазная, пласт l6-l6) основная кровля сложена известняком, невысокой крепости (3 единицы).
Почвы пластов в основном состоят из песчано-глинистых сланцев (54%), реже из песчаных сланцев (31%). В 15% случаев почвы сложены глинистыми сланцами и только в одном случае (шахтоуправление Замчаловское) почва сложена песчаником.
По прочности на одноосное сжатие боковые породы в Кузнецком бассейне относятся к средним (асж = 30-60 МПа). В Печорском бассейне боковые породы более прочные и составляют асж = 40-80 МПа. Наиболее прочные боковые породы имеют место на шахтах Восточного Донбасса, где асж = 60-80 МПа.
Ложная кровля площадью более 25 % и мощностью 0,1 -0,3 м встречается при разработке 50 % шахтопластов в Кузнецком бассейне, 90 % в Печорском и около 100% в Восточном Донбассе.
Прогноз горно-геологических условий разработки угольных пластов, намеченных к отработке в период до 2030 года
Для прогноза горно-геологических условий на период до 2030 г. привлекались данные о перспективных для освоения подготовленных участков недр нераспределенного фонда, учитывалось также наличие у предприятий угольной
промышленности лицензий на право пользования участками недр с целью добычи (разведки) угля, выбытие шахт и их фактическое строительство взамен выбывающих из эксплуатации. Таким образом, анализу были подвержены практически все разрабатываемые и намеченные к отработке подземным способом шахтопласты.
В табл. 10 приведен перечень шахт, которые по прогнозным оценкам в силу ряда причин (исчерпание балансовых запасов угля, неблагоприятные горногеологические условия добычи, низкая рентабельность предприятия), будут выведены из эксплуатации в период до 2030 г.
Из таблицы видно, что до 2030 г будет закрыто 26 шахт. Из них по причине истощения запасов будут закрыты 10 шахт (№1-5 рудника Баренцбург, Алмазная, Владимирская, Егозовская, им. 7 ноября, Полысаевская, Новая-2, Есаульская, Большевик, Зеленогорская-Новая.
Набольшее выбытие шахт прогнозируется в Кузбассе, который за 20 лет может потерять порядка 70,0 млн. т. угля. Ситуации осложняется тем, что в бассейне произойдет ликвидация преимущественно крупных шахт, которые в настоящее время являются основными предприятиями, обеспечивающими потребность отечествен-ных потребителей качественными углями с одной стороны и формирующих внешний угольный рынок - с другой.
Это касается прежде всего таких шахт как: Полысаевская, Им. 7 Ноября, Котин-ское, Талдинская-Западная 2, №7, Чертин-ская-Коксовая, Есаульская.
В табл. 11 приведен прогнозный перечень основных шахт, вводимых взамен выбывающих в период до 2030 г.
Таблица 10
Перечень закрываемых к 2030 г. шахт и их горно-геологические характеристики
Наименование шахты Средняя геологиче- Угол падения Глубина разра- Категория по газу Опасность по
скаямощность пла- пласта, град ботки шахтопла- и опасность по выбросам угля горным ударам
ста, м ста, м и газа
СЕВЕРНЫЙ РАЙОН
№1-З рудника «Баренцбург» 1,6 3 6З0 сверхкатегорная опасна
Северная 0,9-4,3 3^ 970 опасна по выбросам опасна
Воргашорская 2,8 6 ЗЗО сверхкатегорная не опасна
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РАЙОН
Алмазная и 9 1060 не газовая не опасна
Западная 0,9-1,3З 11 796 опасна по выбросам не опасна
Шерлоковская-Наклонная 1,2 11 27З не газовая не опасна
ЗАПАДНО-СИБИРСКИЙ РАЙОН
Красноярская 2,З 8 420 3 угрожаемая
Полысаевская 1,7-2,4 3 480 сверхкатегорная угрожаемая
Им. 7 Ноября 2,9-4,З З 290 сверхкатегорная угрожаемая
Егозовская 4,2 6 480 3 опасна
Котинское 1,8-4^ 10 310 3 опасна
Талдинская-Западная 2 З,0 11 130 1 не опасна
№7 4,З 14 200 2 не опасна
Заречная 2,З-3,8 10 410 сверхкатегорная угрожаемая
Чертинская-Коксовая 2,0 2З 620 опасна по выбросам опасна
Чертинская-Южная 1,0 11 100 опасна по выбросам угрожаемая
Колмогоровская - 2 6,9 17 280 3 угрожаемая
Коксовая 2,8-1З З7-72 400 опасна по выбросам угрожаемая
Есаульская 1,8 2З З60 сверхкатегорная угрожаемая
Антоновская 3,0 1З 2З0 2 угрожаемая
Большевик 3З 8-10 З00 2 угрожаемая
Сибиргинская 8,6 7 400 3 опасна
Ольжерасская-Новая 6,З 6 140 3 угрожаемая
Кнюхтинская-Южная 2,8 10 19З 2 угрожаемая
Владимирская 4 6 100 2 угрожаемая
Зеленогорская-Новая 2,1 7 110 1 не опасна
343
Согласно представленной в табл. 10 и 11 информации, можно сделать вывод о том, что расширение производственных мощностей, как за счет ввода новых шахт, так и за счет закрытия существующих неперспективных шахт, затронут в большей степени крупнейшие угольные компании Кузнецкого угольного бассейна. К 2030 г. в России будут действовать порядка 100 шахт (на 10 больше, чем в настоящее время).
Выполненный прогноз закрытия и ввода в эксплуатацию новых шахт позволяет выполнить прогнозную оценку горно-геологических условий разработки угольных месторождений подземным способом, основные положения которого сводятся к следующему:
1. Устойчивость и обрушаемость пород кровли, прочность боковых пород на сжатие, параметры и распространение пород ложной кровли существенно не изменятся.
2. Увеличится глубина горных работ на отдельных шахтах Кузнецкого бассейна до 650-700 м.
3. Увеличится количество шахтопла-стов в Кузнецком и Печорском бассейнах с природной газоносностью более 15 м3/т, при которой существенно ограничивается нагрузка на лаву по метановому фактору при действующих способах дегазации разрабатываемого столба. Отдельные пласты опасны по внезапным выбросам и горным ударам будут иметь высокую природную газоносность (25 м3/т).
4. В Кузнецком, Печорском и Восточно-Донецком бассейнах увеличится количество разрабатываемых шахтопла-стов мощностью 1,0-1,5 м с применением струговых установок. Такие пласты содержат в основном коксующиеся малосернистые (содержание серы менее 1 %) угли.
Горно-геологические условия разработки пологих пластов мощностью 1,0-
1,5 м на новых шахтах будут благоприятными: породы непосредственной
кровли средней устойчивости (80 %); породы почвы - прочные; сопротивляемость пластов резанию - менее 200 Н/мм; газоносность пластов - менее 15 м /т; нарушенность пластов переходимыми сбросами - менее 5,0 м/га.
5. Пласты, предназначенные для комбайновой выемки мощностью 1,510,0 м будут иметь, как правило, угол падения до 180 (90-95 %). Только 7 шах-топластов - наклонные с углом падения 19-350. Пласты мощностью от 1,5 до 5,0 м будут разрабатываться в один слой, а более 5 м - двумя наклонными слоями.
6. Для перспективных пластов мощностью 1,5-5,0 м из горно-геологических условий, затрудняющих ведение горных работ, можно выделить следующие:
- в Кузнецком и Печорском бассейнах большинство (70 %) шахтопластов будут сближенными даже при нисходящем порядке их отработки, т. е. расстояние между пластами составляет менее 50 м. Сближенные пласты необходимо будет отрабатывать без оставления целиков угля около выемочных штреков;
- отдельные шахтопласты будут иметь достаточно высокую сопротивляемость резанию (пласты 29а, 26а, 30, Тройной, Н4, Мощный) из-за наличия в них крупных твердых включений и крепких породных прослойков;
- опасность отдельных пластов по внезапным выбросам и горным ударам;
- высокая природная газоносность пластов - более 15 м3/т (около 35 % пластов).
Таблица 11
Прогнозный перечень шахт, вводимых в эксплуатацию в период до 2030 года
Наименование шахты, участка
Природная газоносность, м3/т
ыбро
Опасность шахты (пласта) по:________________________
| горным ударам | самовозгораемости угля
северный район
Шахта Грумант 2 10 неопасна опасна несклонен
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РАЙОН
Обуховская 1 2 неопасна неопасна несклонен
Кадамовская 0,0 неопасна неопасна несклонен
Быстрянская 1-2 0,0 неопасна неопасна несклонен
Платовская 0,0 неопасна неопасна несклонен
Садкинский Восточный № 2 0,0 неопасна неопасна несклонен
Садкинский Северный 0,0 неопасна неопасна несклонен
Калиновская Восточная 0,0 неопасна неопасна несклонен
ЗАПАДНО-СИБИРСКИИ РАЙОН
Жерновская-3 4,5-24.4 опасна опасна весьма склонны
Конюхтинская-Западная 3,8-19,0 угрожаемая опасна опасен
Майская 22,2 угрожаемая опасна склонный
Им. С.Д. Тихова 0,0 опасна угрожаемая несклонный
Томская Глубокая 133,0 опасна угрожаемая несклонный
Распадская Коксовая 5,0-25,0 опасна опасна склонный
Ерунаковская-4 4,6-54,4 опасна опасна весьма склонны
Ерунаковский 1 4,6-24,4 опасна опасна весьма склонны
Ерунаковский 3 4,6-24,4 опасна опасна весьма склонны
Ольжерасская Глубокая 19,8-54,4 опасна угрожаемая весьма склонны
Ерунаковский 2 0,15-24,4 опасна опасна весьма склонны
Шахта «Разрез Инской» 0,19-37,7 опасна угрожаемая склонный
Сибирская 14,15-19,54 неопасна угрожаемая склонный
Жерновская 1 2.0-24,4 опасна опасна весьма склонны
РЕСПУБЛИКА САХА (ЯКУТИЯ)
Чульмаканская н.д. угрожаемая неопасна несклонны
Локучакитская н.д. угрожаемая неопасна несклонны
Инаглинская н.д. угрожаемая неопасна н.д.
' н.д. - нет данных
345
7. При разработке мощных пологих пластов (более 5 м) в Кузнецком бассейне основные трудности будут связаны с наличием труднообрушаемых песчаников и гравелитов в кровле пластов III и 1У-У, что затрудняет бесцеликовую отработку верхнего слоя пласта.
Большую опасность представляют возможные эндогенные пожары в нижнем слое из-за оставления межслоевой пачки угля (1,0-1,5 м) и геологических нарушений в виде сбросов.
В целом горно-геологические условия отработки пологих угольных пластов в 2030 г будут в основном (60%) высокотехнологичными. При этом необходимо будет особое внимание в Кузнецком и Печорском бассейнах уделять вопросам:
- дегазации пологих пластов с эффективностью не менее 40 %;
- безопасной отработки самовозгорающихся мощных (8-10 м) пологих пластов;
- эффективной отработки тонких пологих пластов с крепкими антрацитами.
Особые усилия при эксплуатации будут сосредоточены на решении проблемы эффективной отработки мощных крутопадающих пластов на шахтах Про-копьевско-Киселевского района Кузбасса. В настоящее время здесь широко применяют систему разработки подэ-тажными штреками с выемкой угля гидромониторами или с помощью буровзрывных работ с обрушением.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Афанасьев В.Я. - профессор, доктор экономических наук, проректор по научной работе, ipk@guu.ru
Линник Ю.Н. - профессор, доктор технических наук, начальник отдела управления инновационными проектами, ylinnik@rambler.ru
Линник В.Ю. - кандидат технических наук, доцент, кафедра экономики и управления в нефтегазовом комплексе, lincorjde@gmail.com
Г осударственный университет управления.
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. ПЛЕХАНОВА
МАРТЕМЬЯНОВА Алена Николаевна Повышение экономической эффективности потребления угля на внутреннем рынке 08.00.05 к.э.н.
