CC BY
10
ФИЗИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ УГОЛЬНЫХ ФОРМАЦИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПОТАПОВ В. В. Уральская государственная горно-геологическая академия
:дние несколько лет на многих угольных шахтах постоянно снижается качество до-угля (горной массы). В силу разных причин (выемка с присечкой пород, снижение и»<-горных работ из-за изношенности оборудования, вовлечение в эксплуатацию высоко-лзстов, отставание подготовки запасов, выдача породы от проходки подготовительных и выработок вместе с углем и т. д.) зольность добываемого угля на большинстве шахт дос-1 % и более при материнской зольности пластов в пределах от 8 до 20 %. В результате обогащения разные фракции (разные марки) обогащенного угля имеют зольность от 4 '•и более. Низкое качество добываемого угля становится серьезным препятствием на рынку. Даже в условиях дефицита топливно-энергетических ресурсов в стране часть добы->гля уже в настоящее время не находит сбыта. Так, в 2001 г. из добытых в стране 269,3 оставались на складах 9,7 млн т. или 3,6 % добычи. Неполная реализация добытого угля -ущерб для угольной отрасли и не только для нее, но и для потребителей угля. Однако :о не главный ущерб от снижения качества добываемого угля. Гораздо больший ущерб .ты, обогатительные фабрики, а также перерабатывающие и использующие уголь пред-по производству тепловой и электрической энергии. Комплексы этих предприятий свои->дами наносят огромный ущерб окружающей среде, по:кольку отходы от обогащения и :и зольного угля достигают 60-70 % его массы [ 1 ]. Многие угольные месторождения представлены пластами разной мощности и с разным ка-энергетических углей (материнской зольностью, теплотворной способностью, содержани-. фосфора и т. п.). При этом на шахтах обычно отрабатывают в первую очередь более пласты с углем далеко не всегда высокого качества, а затем последовательно переходят к ;е менее мощных пластов. Такая последовательная отраЗотка пластов разной мощности и обычно ограничивает производственную мощность шахты, как в первый период эксплуа-так и особенно при переходе на менее мощные и качественные пласты. В результате оказы-что при разработке менее качественных пластов или меньшей мощности эффективность шахты недостаточна из-за малой производственной мощности и большой доли условно !нных затрат в себестоимости добычи которая обычно составляет от 0,65-0,8 на шахтах не-й производственной мощности до 0,4 - на крупных шахтах. Часто такие запасы оказыва-бросовыми. Что привело к закрытию шахт (табл. 1) {3,4].
Сложившееся положение во многом является следствием недостаточной разработанности ленительно к современным экономическим условиям научных основ рационального использо-1я недр и совершенствования технологии добычи в направлении повышения качества добыто угля. Эти вопросы рассматриваются без учета взаимосвязи с процессами обогащения и дальнейшей переработки угля. Решение задач обоснования экономической целесообразности повышения качества добываемых углей, особенно коксующихся, а также оценка технологических ;\ем вскрытия, подготовки и систем разработки обеспечивают более высокое их качество [I].
Прежде всего следовало бы иметь в виду, что, добывая зольный уголь, приходится расходовать на добычу породы в этом угле определенную долю капитальных затрат. И не только на строительство шахты, но и в течение всего срока службы шахты на вскрытие и подготовку запасов, реконструкцию шахты, приобретение оборудования и т. д. Если раньше капитальные ЭДТрагы обеспечивало государство, го этот фактор можно было не учитывать. Но сейчас капиталовложения можно получить только под большой процент, и это нельзя не учитывать. Точно так же приходится расходовать на добычу- породы (в горной массе) эксплуатационные (текущие) затраты. На стадии обогащения зольность не только требует дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат, но и уменьшает производство концентрата. На основе статистической обработки фактических данных шахты и обогатительной фабрики установлены зависимости выхода концентрата и затрат на обогащение в зависимости от зольности добываемого угля (рис. 1) [ I ].
Таблица I
Динамика сокращения шахтного фонда и численности персонала угольных шахт
Территория Шахтный фонд по состоянию на: Численность персонала угольных предприятий, чел.
01.94 01.98 01.2000 01.94 01.98
Пермская область (Кизеловский бассейн) Тульская область (Подмосковный бассейн) Приморский край 14 24 14 6 6 6 0 1 0 22952 39754 32324 7602 14351 11595
Сахалинская область 12 5 1 20070 72%
Ростовская область (Вост. Донбасс) 46 9 13 146740 79628
Челябинская область 10 6 1 33967 25383
Кемеровская область (Кузбасс) 75 54 37 331521 184У5У
Республика Коми (Печорский бассейн) 19 14 8 74088 45104
Всего по России 214 126 61 701416 375919
В современных экономических условиях самым важным фактором оказывается велич» необходимых для строительства шахты или ее реконструкции капиталовложений, поскольку средства, как правило, должны быть возвращены инвестору с большими процентами. Естествен^ что при последовательной отработке пластов удельные капиталовложения будут значител» больше, чем при одновременной их отработке, хотя в этом случае может несколько снизт
' среднее качество добываемого угля и
ал х
о <*
и
♦4
13
«
41 *0
У» »
п
Уш.Ч%
4> »4 «1 44 4> «»
»! и * и я и к нчкпммпм
Рис. I. Влияние зольности добываемого коксующегося угля на выход концентрата и затраты на обогащение: 1 - зависимость выхода концентрата от зольноси горной массы; 2 - зависимость затрат на обогащение горной массы в зависимости от зольности
цена. Это серьезное изменение уело! финансирования капитальных работ бует определенного совершенство ват методических основ решения мног задач проектирования и эксплуатации угольных шахт, разрабатывающих пласты разной мощности и разного качества. Важно также правильно обосновать экономическую целесообразность вовлечения в эксплуатацию запасов с несколько пониженным качеством угля либо отказа от их эксплуатации. Для правильного решения этих задач необходимо разработать новые научные положения по оценке запасов, определению потерь и разу-боживания угля, выбору параметров горных работ, сравнительной оценке систем разработки, которые полностью отвечают условиям рыночной экономики и отражают особенности технологических схем добычи и переработки угля. Реше-
ние этих задач позволит вовлечь в эксплуатацию огромные дополнительные запасы, более полно использовать имеющиеся производственные фонды шахт, обогатительных фабрик и других пере рабатывающих уголь предприятий и повысить эффективность работы многих угольных шахт [4].
В то же время на многих угольных шах~ах имеются вполне реальные возможности для снижения зольности добываемого угля и уменьшения огромных ущербов перерабагывающим предприятиям и окружающей среде. Практически без дополнительных затрат может быть снижена зольность на 5-10 % за счет применения технологий подготовки и отработки выемочных участков с оставлением породы в шахте. Возможны и другие пути снижения зольности угля, применение и других технологических и организационных мероприятий, позволяющих снизить зольность добы-
с минимальными дополнительными затратами. Для внедрения этих мероприятий не-ггинятъ адекватные меры по экономическому стимулированию их применения. Сло-;ма стимулирования угольных шахт за снижение зольности добытого угля неэф-. Обычно величина надбавки или скидки за 1 % зольности принимается равной 2,5 % от или себестоимости добычи и практически почти не связывается с качеством угля. :ких данных о влиянии зольности на такие важные показатели качества, как выход | товарного угля, и их влияние на эффективность работы предприятий, перерабатываю-показываст. что экономическое значение изменения зольности в несколько раз принятое изменение цены угля [1].
ьэование технологии разработки угольных месторождений с предварительным снижс-возможно только при детальном изучении физических параметров пород, слабые формации месторождений, мощности и угла падения пластовых отложений и
вуст несколько классификаций мощности угольных пластов.
2 приводится классификация угольных пластов по мощности: используемая в уголь-(А), применяемая в горном деле (Б), а также данные В. Н. Волкооа (1985 г.). проана-1727 пластоссчсиий по 163-м месторождениям (В) 12].
Таблица 2
Группировка угольных пластов по мощности
А Б В
градации мощность, м группа мощность, м (радации мощность, м %
Весьма тон- До 0,7 1 До 0.6
II 0,6-0,9
Тонкие 07-и
III 0.9-1.3
Средней мощности 1»2-3.5 Тонкие и средней мощности 1-3,15 59,3
IV 1,3-2,0
V 2,0-3.5
Относите 11 кМЛ мощные 3,15-10 31.1
Мощные 3,5-15 VI Я.5-5,0
VII >5
1 Сверхмощные >15 Мощные 10-31.5 7.3
Весьма мощные 31,5-100 1,9
Уникальные по мощности 100-315 0,4
В табл. 3 приведены некоторые физические параметры, позволяющие использовать их для шх методов обогащения углей с целью уменьшения зольности. Для ряда полезных ископаемых эффективное разделение компонентов возможно с исполь-:м различий в коэффициентах трения и восстановления при взаимодействии частиц с по-)ми разделения [6].
Обогащение по упругости основано на различиях траекторий движения частиц после удара чпругую разделяющую поверхность. Мерой упругого взаимодействия между частицами и ма-юм этой поверхности может служить величина коэффициента восстановления, опрсдсляс-как модуль отношения нормальных проекций относительной скоросги в точке их контакта г и перед ударом.
Физические параметры порол, слагающих угленосные формации |3|
Табл!
Породы ()6<идя пористость Плотность d. . vlK)<> см Удельное 1кк-тросолротм»-книс р. ( >М«М Радиоактивность /,. пкА/кг Коэффициент крепости / Скэрость распростра-мент io.ihu. м/с* 10'
Уголь бурый 12-25 1.2-1,3 10-200 215-860 0.3-0.6 1.2
Уголь каменный 2-12 1,3-1.4 100-I06 215-860 2-4 1.2
Антрациты 1-2 1.4-1.8 кгЧо 215-860 2,6-6 1.2
1 лини 5-25 1,9-2.4 0.8-20 860-2151 2-3 OÄ-3.3
Аргиллиты 3-25 2.4-2.8 10-400 860-2151 2-6 0Ä-33
Алевролиты 3-20 2.4-2,75 15-600 572-1287 2-6 0J8-3.3
Песчаники 3-15 2.4-2.75 2-3*101 358-860 6-10 6.9
Известняки 2-2,5 2.3-2.9 10-5*I0J 36-860 2-6 3.4
Извср. породы 1-3 2.5-3.7 500-105 71-1792 16-20 6.4
Классическим экспериментом, позволяющим определить величину коэффициента нонления, является опыт Ньютона, для проведения китороги чаешцу ui пускаю i без началь скорости с высоты h} на горизонтальную плоскость, после чего частица, отраэивиись от плос сти, поднимается на высоту h2. Величина коэффициента восстановления в этом случае
MvA,r.
При определении коэффициентов используются данные серии замеров и результаты вычисления коэффициентов из условия минимизации квадратичной невязки при решении переопределенной системы нелинейных алгебраический уравнений серии замеров. Методика позволяет установить количественную связь между коэффициентом восстановления при ударе и коэффициентом мгновенного трения для различных материалов поверхности разделения (6|.
Результаты опытов по определению упругих свойств угленосных формаций, коэффицие1ггов статического и кинематического тре»1ия, восстановления и мгновенного трения приведены в табл. 4, 5.
Таблица 4
Показатели физико-механичсских свойств угленосных формаций при уларе о сталь (Л ■ 500 мм)
Породы Коэффициент статичсскою трения м Коэффициент кинематическою трения fa Коэффициент ВОССГ4НОН.1С- ния к Коэффициент трения при ударе к
Уголь бурый 0,63 0,42 0,27 0Л6
Уголь каменный 0,61 0,40 0,25 0,25
Антрациты 0,52 0,34 0.24 0,21
Глины 0.74 0,62 . 0,12 0,36
Аргиллиты 0.47 0,31 0,45 0,17
Алевролиты 0,48 0,31 0,45 0,17
Песчаники 0,46 0.3 0,73 0,12
Известняки 0.55 0,37 0,7 0,13
Извср. породы 0,46 0,31 0,76 0,07
Таблица 5
Показатели физико-механических свойств угленосных формации при уларе о резину (лента) (А -500 мм)
Породы I Коэффициент статического трения ц Коэффициент кинематического трсиия /а Коэффициент юс становления к Коэффициент трения при уларе
Уголь бурый 0.9 0,72 0,18 0.28
Уголь каменный 0,8 0,64 0,17 0.27
Антрациты 0.7 0,56 0,16 0,26
Глины 1.1 0,88 0,09 0.48
Аргиллиты 0,6 0,48 0,35 0,18
Алевролиты 0,61 0,49 0,35 0,18
Песчаники 0,59 0,47 0.33 0,19
Известняки 0,74 0,59 0.44 0,13
Извер. породы 0,60 0.48 0.35 0.18
Результаты исследования показали наличие контрастности по этим физическим признакам угленосных формаций.
Рассмотрим оптические свойства углесодержащих формаций. Фотометрический метод обо-и полезных ископаемых основан на использовании различий в оптических свойствах мине-и горных пород при их взаимодействии со светом. Наиболее легко оцениваемыми отттиче-свойствами минералов являются цвет, блеск и прозрачность. Светочувствительные оптиче-систсмы фотоэлектронных сепараторов обычно используют какое-то одно из этих свойств, давило, разделительным признаком для фотометрической сепарации является уровень отра-й способности (коэффициент отражения) минералов в видимом диапазоне спектра или либо его части, а также соотношение уровней отражательной способности в различных об-спектра. Изучение отражательной способности минераюв производится путем измерения лого отражения образцов минералов на спектрофотометрах СФ-10; СФ-14; СФ-18 [7]. В выбранном ранее для исследования видимой области спектра необходимо определить волны излучения, при которой будут проводиться измерения коэффициента отражения (по м проф. Цыпина Е. Ф.).
Необходимость выбора длины объясняется следующими причинами:
1) в видимом диапазоне волн (400-750 Нм) коэффициенты отражения минералов зависят от волны, а лучшее распознавание часгиц компонентов возможно при наибольшей разности циентов отражения;
2) при теоретических исследованиях целесообразно пользоваться наиболее простой характе-ой отражения - коэффициентом отражения на выбранной длине волны, а не всем спектром.
Длина волны выбирается по следующему критерию: разность коэффициентов отражения нтов на данной длине волны максимальна, ограничением являются участки длин волн в дственной близости от границ видимого диапазона. Ограничения вызваны методикой сня-спектров отражения с отдельных частиц. Для верного измерения коэффициента отражения цы необходимо, чтобы фотометрируемая поверхность была полностью занята поверхностью ни.
Так как на длинах фотометрируемая поверхность не видна, то во избежание погрешностей измерении коэффициентов отражения образцов выбор длины волны для спектральных иссле-1яий в непосредственной близости от указанных нецелесообразен. На рис. 2 приведены усредненные спектры отражения чаггиц угля и породы.
Рис. 2. Усредненные спектры диффузного отражения частиц угля -1 и породы - 2, входящих в продукты обогащения следующих обогатительных фабрик: а - ЦОФ «Объединенная*; б - ЦОФ «Киевская»; в - ОФ Карагандинского мсталпургического комбината (КМК)
Проведенные спеюрофотометрические исследования отдельных частиц показали, что коэффициент отражения частиц компонентов есть величина случайная. Кроме того, они позволили получить распределения коэффициентов отражения частиц, которые обладают некоторыми общим* и отличительными чертами. На рис. 3 приведены гистограммы распределения коэффициентов от. ражения частиц компонентов различных продуктов обогащения и аппроксимирующие их графики нормальной плотности вероятности, которая свидетельствует о возможности фотометрического' метода для разделения угольных и порэдных формаций.
Предпосылки использования сортировки высокозольных углей вытекают из анализа работ проф. Возженикова Г. С., который предложил непрерывный контроль зольности углей и транспортируемой массы в вагонах через тензометрическое взвешивание, поскольку между зольностью и плотностью имеется тесная связь, представленная в виде линейной зависимости между кажущейся плотностью угля рк и его зольностью Ас1 [5].
Кажущаяся плотность минеральной части угля примерно в два раза выше кажущейся плотности обеззоленной органической массы (2,4 и 1,2 т/м3 соответственно).
Также для анализа использовалась насыпная плотность товарных углей в вагоне.
Предложенный вариант тензометрического контроля с учетом объемной массы транспортируемого угля позволяет оценивать содержание зольности в вагонетках на стадии добычи на основе предложенных уравнений для расчета зольности (5].
Расчеты позволяют оценивать качество углей к дальнейшему их использованию в обогатительных переделах или оставлять их как непредставляющие ценность в забое.
В зависимости от мощности разрабатываемых пластов и комплекса физических характеристик технология должна иметь гибкие схемы ведения проходческих и добычных работ с возможностью уменьшения захвата породы (угля) с высокой зольностью.
Рис. 3. Гистограммы распределения коэффициентов отражения частиц угля и породы на Х=650 нм, совмещенные с графиками нормальной плотности
вероятности:
• ЦОФ «Обсдинснная»: б - ЦОФ «Кисвская»; в - ОФ Карагандинского металлургического
комбинат (КМК)
лнз физических свойств угольных формаций свидетельствует о возможности уменьше-углей на стадии добычи непосредственно в забое без транспортировки высокозоль-в на поверхность.
Тс« этом возникает необходимость детального анализа схем ведения горных работ на осно-
ких характеристик залегания угля в месторождении. Анализ современного состояния угольной промышленности, общих тенденций се развития, научных работ, посвященных проблемам оценки запасов угольных месторождений, мсто-ления потерь и разубоживания угля, определения производственной мощности уголь-позволяет установить возможность повышения эффективности работ на оснозс оптими-заласов и технологических схем добычи угля с учетом его качества, физических и геологи-характеристик.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
: Акимов Л. М. Обоснование эффективности технологических схем, обеспечивающих повышение ка-добываемого угля: Автореф. дис.... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2002. 22 с.
2. Алексеев В. П. Промышленные типы угольных месторождений: Учебное пособие. Екатеринбург: УГТТА, 1994. 80 с.
3. Алексеев В. П. Промышленные типы угольных месторождений. Часть 3. Распознавание объестов и их практической значимости: Учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во УГГГА. 2001. 92 с
4. Венедиктов Л. А. Оптимизация основных параметров действующих шахт, разрабатывающих отлеты разной мощности с разным качеством энергетических углей: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Нов» черкасск, 2002. 23 с.
5. Возжеников Г. С.. Возженигов С. Г.. Фаустов В. П.. Федоров В. Л. О непрерывном контроле золь ности энергетических углей // Изв. вузов. Горный журнал. 1994. № I. С. 13 - 18.
6. Потапов В. Я. Комбинированная технология предварительного обогащения асбестовых руд: Авто реф. дис____канд. техн. наук. Екатеринбург, 1999. 20 с.
7. Цыпин £ Ф. Некоторые вопросы фотометрического контроля качества продуктов обогащения: Дне ... канд. техн. наук. Свердловск, 1975. 150 с.
ИЗВЛЕЧЕНИЕ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ РАЙОНА ВОРКУТЫ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕГО НА ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЦЕЛИ
ТАРАСОВ А. Е. Уральская государственная горно-геологическая академия
По геологическим сведениям, объемы метана в угленосных толщах в 6 раз превышают ра> веданные запасы природного газа. Извлечение метана и применение его в промышленных целя полностью оправданы как для повышения рентабельности добычи угля, так и с экологическое стороны.
Шахты Воркуте кого месторождения в Печорском бассейне всегда отличались от других месторождений значительным содержанием метана в угольных пластах, а относительная газообильность сверхкатсгорных шахт составляет в среднем 40 mVt. Объем метана до глубины 1500 метров в Воркуте, по оценкам, составляет более 7 трлн м\
При разработке i-азоносных угольных пластов в этом регионе появились ряд проблем, связанных с извлечением метана.
1. Проблема меганобезопасности угольных шахт. Только за последние годы произошло несколько крупнейших аварий, связанных с газом (шахта «Воркугинекая» - 13.01.2001; «Комсомольская»- 1998, «Центральная» - 18.01.1998, что привело к закрытию шахты) [2].
2. Проблема повышения эффективности добычи угля при отработке высокогазоносньа угольных пластов. Например, производительность очистных забоев в 1,5-2 раза ниже технолог» чески возможных. Для этого уровень дегазации должен составлять 40 %,а иногда 50-60 %.
3. Проблема утилизации шактного метана ввиду высокого его содержании для промышленных нужд, в частности, для топки сушильных установок обогатительных фабрик, шахтных воздухонагревателей, шахтных котельных и др., носит больше сезонный характер, так как наибольши расход приходится на зимнее epeva года [3].
В настоящее время извлечение метана на промышленные цели производится на всех шахтах Воркутского месторождения. За 2000 год объединению ОАО «Воркутауголь» удалось сэкономить около 40 тыс. т условного топлива. С возрастанием эффективности дегазации объем добычи метана возрастает. В ближайшей перспективе намечается обеспечить объем утилизации метана в 50-55 млн му в год, что дает экономию угля до 75-80 тыс. т.
На всех шахтах ОАО «Воркутауголь» принята столбовая система подготовки. Столбы отрабатываются по падению или по простиранию с оставлением выработок для повторного использования. Схема проветривания высуочных участков - прямоточные с подсвежением по конвейерному штреку.
Можно выделить рациональную технологическую схему для дегазации подработанных пластов (рис. 1). Суть ее состоит в том, что для бурения дегазационных скважин оставляются специальные ниши. Эти ниши способствуют защите устья скважин, так как находятся вне зоны разгрузки трсщиноватости, что снижает подсосы свежего воздуха, а также увеличиваег концентрацию метана [1].
