Границы применения одновременного и последовательного способов бестранспортной разработки свиты из двух пологих пластов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.33

В. Г. Проноза, Т. Н. Гвоздкова, М. А. Тюленев

ГРАНИЦЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОДНОВРЕМЕННОГО И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СПОСОБОВ БЕСТРАНСПОРТНОЙ РАЗРАБОТКИ СВИТЫ ИЗ ДВУХ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ

На разрезах южного Кузбасса отрабатываются угольные месторождения Томь-Усинского геолого-экономического района, представленные свитой из трех-четырех пологих пластов. Их разработка осуществляется разрезами: «Красногорский» (геологические участки «Сибиргинский 8», «Сибиргинский 7», «Кийзакский 8», «Кийзак-ский 9»); «Междуреченский» (геологические участки «Кийзакский 5-7», «Сибиргинский 4-6»); «Сибиргинский» (геологический участок «Сибиргинский 1-3»). Структуры свит и статистические параметры залегания пластов показаны на рис.1. Строение нижней части свиты на высоту двух пластов и их междупластий характеризуется показателем:

т = Н / Н , (1)

где Н1 - высота нижнего междупластья, м; Н2 -высота верхнего междупластья (между вторым и третьим пластами), м.

Нижняя часть карьерных полей на высоту 3555 м, включающая два пологих пласта, отрабатывается по бестранспортной технологии. По объёму добычи угля она является ведущей, так как обеспечивает большую его часть.

Поэтому одним из направлений повышения экономической эффективности работы перечисленных разрезов является снижение затрат на вскрышные работы по бестранспортной технологии.

Анализ структур, параметров и показателей действующих бестранспортных технологических схем показал, что для снижения затрат на вскрышные работы необходимо определить рациональные границы применения способов разработки свиты из двух пологих пластов: последовательного - сначала верхнего междупластья и пласта, а затем нижнего междупластья и пласта, и одновременного - параллельная разработка меж-дупластьев и пластов [1].

В работе [1] границы рационального применения способов не обосновываются численно, но отмечается, что при одновременном способе разработки междупластий коэффициент переэкскава-ции (в профиле горных работ) выше, чем при последовательном. Указывается и влияющий фактор

- большое удаление драглайна от отвала при разработке верхнего междупластья и, следовательно, больший неразмещаемый объем породы непосредственно в отвальном слое.

Аналогичная задача решалась при обосновании способов разработки двух подуступов при разделении высокого уступа на два слоя [2]. Это

исследование проведено в начале 70-х годов прошлого века, когда глубокие скважины при подготовке высоких уступов (40 м и более) к выемке не бурились из-за отсутствия соответствующего оборудования. В результате этого приходилось делить уступ по мощному междупластью на подус-тупы.

В работе принят критерий для обоснования рациональных границ применения способов -удельные затраты на вскрышу. В исследованиях соотношении высот подуступов оценивалось коэффициентом т.

В работе [2] установлено, что при т < 0,4 рационально применение одновременного способа разработки подуступов, при т > 0,4 - последовательного.

В данной статье изучена разработка двух ме-ждупластий и двух пластов. В этом случае, в отличие от условий разработки двух подуступов, добавляется технологический процесс - выемка второго (верхнего) пласта свиты. Тогда изменяются требования к установке драглайна на разработке развалов вскрышных уступов, а также увеличивается удаление верхнего междупластья от отвала, что приводит к изменению показателей разработки свиты пластов. Поэтому пересмотрены рекомендации работы [2].

Отсутствие рекомендаций по этому вопросу просматривается на практике. Так на разрезе «Красногорский» одновременный способ применяют и при т= 0,30, и при т= 1,2 (рис. 2-а, б), а на геологическом участке «Сибиргинский 4-6» (разрез «Междуреченский») применяют последовательный способ при т= 3,8 (рис. 2-в).

Для обоснования рациональной границы применения способов построен ряд схем экскаваций с последовательной и одновременной разработкой междупластий. Для того, чтобы охватить весь диапазон условий залегания свит пластов на геологических участках, варианты схем экскавации

построены при значениях т= 0,3; 0,7; 1; 2; 3; 4; 5.

На рис. 3-а, б, в, г, как пример, показаны схемы экскавации: для последовательного способа при т = 0,3 (рис. 3-а), т = 4 (рис. 3-б); для одновременного т = 0,3 (рис. 3-в), т = 4 (рис. 3-г).

Условные обозначения параметров залегания пластов показаны на рис. 1: т - нормальная мощность нижнего пласта, м; т2 - то же, верхнего, м; а - угол откоса вскрышного и угольного уступов, град; ф - угол залегания пластов, град.

Сибиргинский Я “р-з Красногорский " .. 1 - 0,38

Кийзакский 5-7 "р-з Мет)уречецский"

Сибиргинский 7 “р-з Красногорский "

и«*

\ \ X - 0,48 \\

Сибиргинский 4-6 "р-з Междуреченский "

Кийзакский 9 "р-з Красногорский'

Сибиргинский 1-3 "р-з Сибиргинский "

Рис. 1. Статистические параметры залегания угольных пластов на геологических участках Томь-Усинского района

Во всех схемах экскавации принята однотип- Параметры отвала показаны на рис. 3-а: А -

ная схема отсыпки внутреннего трехъярусного ширина вскрышной и отвальной заходок, м; Н01 -

отвала, характеризуемая подготовкой дополни-

^ ^ ^ высота откоса первого яруса отвала, м; ао1 - угол

тельной емкости во втором ярусе. „

подрезки откоса первого яруса, град; Б - берма

ffl и V хода ЭШ 15 90

IV ход ЭЩ 15 90

II Щч ЭШ 15.90

Рис. 2. Бестранспортные технологические схемы: а) участок «Сибиргинский 7» (разрез «Красногорский»); б - участок «Кийзакский 9» (разрез «Красногорский»); в - участок «Сибиргинский 4-б» (разрез

«Междуреченский»)

между верхней бровкой первого яруса и нижней бровкой второго яруса, м; уг - общий (генеральный) угол откоса отвала, град; а0 - угол откоса второго и третьего ярусов, град; НЯ2, Няз - соответственно, высота второго и третьего ярусов отвала, равная высоте разгрузки драглайна (Нр), м; Яч, Яр - соответственно, радиус черпания и разгрузки драглайна, м.

При разработке структур схем экскавации приняты следующие параметры отвала: высота откоса первого яруса - 35 м (рекомендации Сибирского филиала ВНИМИ), генеральный угол откоса отвала - 27° (рекомендации Сибирского

филиала ВНИМИ), высота второго и третьего ярусов - 38 м (высота разгрузки драглайна

ЭШ 20.90); угол подрезки откоса первого яруса -45° [3]; ширина бермы между первым и вторым ярусами - 10 м [3], угол откоса ярусов - 37°.

Задача по расчету показателей схемы экскавации решается как «плоская», т.е. в профиле горных работ на один метр фронта работ.

Границей между забойной и отвальной сторонами схемы экскавации является внешний контур отсыпаемого внутреннего отвала (ломаная а-6-3-4 на рис. 3-а).

При обосновании границ применения способов разработки принят критерий - коэффициент

К =83

Рис. 3. Схемы экскавации для разработки свиты из двух пологих пластов: а, б - последовательная разработка вскрышных уступов по междупластьям, соответственно, при т = 0,3 и т = 4; в, г - то же, одновременная разработка соответственно при т= 0,3 и т = 4.

переэкскавации в профиле горных работ на забой- при ведении вскрышных работ по данной схеме.

ной стороне схемы экскавации (Кп.зс). Он равен Показатель Кп3с более объективен, чем эконо-

отношению объемов переэкскавации на забойной мический, поскольку в условиях рынка постоянно

стороне ко всему объему экскавируемой породы изменяются цены на материалы, запчасти и энер-

горесурсы. Поэтому результаты экономических расчетов могут дать существенную погрешность.

Выделение профильного коэффициента пере-экскавации отдельно для забойной (Кпзс) и отвальной (Кпо) сторон предложено в [4]. Такой методический подход применим в сложных бестранспортных схемах экскавации, где имеет место переэкскавация породы и на забойной стороне, и на отвальной. По этому методу профильный коэффициент переэкскавации (Кп) равен:

Кп = Кп.зс + Кп.о ■ (2)

Следствием такого методического подхода является то, что если на отвальной стороне в различных схемах экскавации коэффициент Кп.о одинаковый, то оценка схем может производиться только по коэффициенту Кп.зс. В частности, такое положение имеет место при отсыпке трехъярусных отвалов с подготовкой дополнительной емкости для второго яруса и при одинаковой высоте породного слоя, размещаемого в отвале. Это положение использовано в данном исследовании.

Источниками объемов переэкскавации на забойной стороне являются следующие.

1. Первая трасса рабочего хода экскаватора, создаваемая для разработки развала верхнего уступа 8тр1 (фиг. 1-2-3-4 на рис. 3-б при последовательном способе, а также на рис. 3-в и рис. 3-г при одновременном).

2. Вторая трасса рабочего хода экскаватора, создаваемая для разработки развала нижнего уступа 5тр.2 (фиг. 5-6-в на рис. 3-а и фиг. 5-6-7-8 на рис.3-б при последовательном способе; фиг. 5-6-7-

8-4 на рис. 3-в и фиг. 5-6-7-3 на рис. 3-г при одновременном).

3. Часть объема экскавируемой породы верхнего уступа при последовательном способе не размещается в отвальном слое - 5пн (фиг. е-б-в-г на рис. 3-а). Такие условия возникают при Т < 1,5, когда драглайн располагается на поверхности развала верхнего уступа (8тр1 = 0) и находится на наибольшем удалении от отвального слоя. При Т > 1,5 высота верхнего уступа большая, что способствует формированию широкого плоского развала. Драглайн размещается на первой рабочей трассе $трл и разрабатывает развал верхнего уступа на вылет стрелы (рис. 3-б). Он предельно приближен к отвалу и полностью размещает породу в отвальном слое (5пн = 0).

Общий объем породы (на один метр фронта работ), переэкскавируемый на забойной стороне схемы экскавации Бп.зб, составляет

^п.зб = ^тр.1 + ^тр.2 + ^пн. (3)

Тогда коэффициент переэкскавации на забойной стороне равен

^п.зб

(4)

А (1 + Н 2 )Кр-(1 - Ксб )

где Ксб - коэффициент взрывного сброса породы (соответственно, Ксб при последовательном способе и К°сб при одновременном). Подставив в (4) выражение (3) и поэлементно разделив его на знаменатель, получим

Кп.зб = Кп.тр1 + Кп.тр2 + Кп.пн , (5)

Таблица 1. Значения площадей взрывного сброса, экскавируемой и переэкскавируемой породы

в схемах экскавации

(Исходные данные: Н1 + Н2 = const = 55 м; ZS = 3080 м3; <р = 10°; А = 40 м; ЭШ 20.90;

а01 = 45°; а0 = 37°; К„ = 1.4; Б = 13 м; а„ = av = 75°; тг = 14 м; т2 = 11 м)

Т Н2 ,м Н1,м Х£э.м3 М ^mp. 1 « М S 2, м3 Sпн, м

Последовательный способ

0,3 12,7 42,3 2612 468 - 50 0

0,7 22,6 32,4 2523 557 - 133 153

1,0 27,5 27,5 2475 605 - 180 225

1,5 33,0 22,0 2408 672 568 240 262

2,0 36,6 18,3 2370 710 440 290 -

3,0 41,2 13,8 2330 750 272 356 -

4,0 44,0 11,0 2280 800 193 388 -

5,0 45,8 9,2 2260 820 158 400 -

Одновременный способ

0,3 12,7 42,3 2344 736 700 307 -

0,7 22,6 32,4 2440 640 493 348 -

1,0 27,5 27,5 2500 580 344 380 -

1,5 33,0 22,0 2550 532 320 400 -

2,0 36,6 18,3 2595 485 300 425 -

3,0 41,2 13,8 2650 430 256 435 -

4,0 44 11 2709 371 260 435 -

5,0 45,8 9,2 2750 330 279 425 -

где Кптр1 - коэффициент переэкскавации от ликвидации первой рабочей трассы (Кп.тр} при последовательном способе и К°птр} при одновременном); Кптр2 - то же при ликвидации второй

рабочей трассы (Кпп,тр2 при последовательном способе и Кп.тр2 при одновременном); Кпп,пн -коэффициент переэкскавации от перевалки промежуточного навала Sm.

Для расчета перечисленных коэффициентов переэкскавации необходимо знать значение коэффициента взрывного сброса Ксб ( 6).

Взрывной сброс оказывает значительное влияние на показатели схем экскавации, поскольку часть породы сбрасывается взрывом непосредственно в отвальный слой и не подлежит дальнейшей экскавации. Расчет параметров буровзрывных работ и параметров развалов производился по методике, изложенной в [5].

Величина объемов породы, перемещаемых взрывом в отвал, оценивалась коэффициентом

взрывного сброса Ксб [5] :

Ксб = Sc6/ X Sa. (6)

где Sc6 - объем сброшенной взрывом породы в

отвальный слой (фиг. а-в-с-д на рис. 3-а), м2; £S3

- сумма объемов породы верхнего и нижнего уступов в разрыхленном виде, м2,

X S э =(Н} + Н 2 )• АКр. (7)

где Кр - коэффициент разрыхления породы в раз-

вале.

В работе изучено влияние соотношения высот вскрышных уступов (показатель т) при различных способах их разработки на коэффициент взрывного сброса.

В табл. 1 приведены исходные данные и значения площадей породы уступов, подлежащих экскавации или переэкскавации, а также взрывного сброса.

При последовательном способе коэффициент взрывного сброса Кпсб возрастает с увеличением

Рис. 4. Зависимости показателей разработки забойной стороны схем экскавации от величины т: а - коэффициентов взрывного сброса Ксб и Косб (последовательный и одновременный способы); б - коэффициентов Кп.тр1, Кп.тр2 и Кп.пн ; в - коэффициентов Кп.тр1 и Кп.тр2; г - коэффициентов Кп.зс и К пзс

т (рис. 4-а), так как первым взрывается верхний уступ, и объем сброса (8сб) возрастает, поскольку увеличивается высота Н2 (табл. 1).

Установлено, что коэффициент взрывного

сброса при обоих способах нелинейно связан с Т:

Кпб = -0,0015т3 - 0,0195т2 + 0,0883т + 0,1215; (8)

К°сб = -0,0011т3 + 0,0137т2 + 0,0696т + 0,248. (9)

Основными причинами изменения объемов взрывного сброса являются дальность отброса породы взрывом при различных значениях высот уступов, последовательность их взрывания, параметры и конфигурация выработанного пространства, в котором формируется развал.

На рис. 4-б, в, г показаны зависимости коэффициентов переэкскавации от т, связанные с перевалкой рабочих трасс и промежуточного навала.

Последовательный способ. Коэффициент переэкскавации Кп.пн с ростом т от 0,3 до 1,5 возрастает до значения 0,11 (рис. 4-б),что обусловлено увеличением высоты верхнего уступа; удалением экскаватора от отвала и, значит, появлением не-размещаемой части породы в отвальном слое.

При Т> 1,5 меняется структура схемы экскавации, при применении которой объем породы при разработке развала верхнего уступа полностью размещается в отвальном слое, т.е. 8пн = 0; Кп.пн = 0 (рис. 3-б). Как отмечалось выше, драглайн, работающий по такой схеме, устанавливается на отсыпаемой им первой рабочей трассе 8тр1. Коэффициент переэкскавации при перевалке этой трассы К п.тр1 нелинейно уменьшается с увеличением т (рис. 4-б), поскольку нелинейно возрастает коэффициент взрывного сброса Ксб (рис. 4-а)

и снижается объем трассы 8тр.1 (табл. 1).

Коэффициент переэкскавации от второй рабочей трассы К п.тр2 нелинейно растет с ростом т (рис. 4-б), из-за нелинейного роста объема трассы 8" тр.2 (табл. 1).

Одновременный способ. При этом способе коэффициент переэкскавации от перевалки первой рабочей трассы Кп.тр1 нелинейно снижается с

ростом Т, поскольку объем трассы 8° тр1 с увеличением высоты верхнего уступа уменьшается (табл. 1). Коэффициент переэкскавации от перевалки второй рабочей трассы К „,тр2 нелинейно растет с увеличением Т, причем изменение коэффициента - в небольшом интервале: 0,13^0,17. Это говорит о небольшом изменении объема трассы 8° тр. 2 при изменении высот уступов Н1 и Н2 (табл. 1).

На рис. 4-г показана граница рационального применения способов. При Т = 0,3 ^1,5 явно эффективен последовательный способ; при т= 1,5^3 - одновременный; при т > 3 оба способа равнозначны.

Анализируя применяемые в настоящее время схемы экскавации с позиции полученных результатов, следует отметить, что на разрезе «Красногорский» на участках «Сибиргинский 8» и «Си-биргинский 7» эффективнее перейти с одновременного способа на последовательный.

На разрезе «Сибиргинский» на участке «Си-биргинский 4-6» целесообразнее применить одновременный способ, а не последовательный, как в настоящее время.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лоханов, Б.Н. Исследование параметров бестранспортной системы разработки свиты пологих пластов / Лоханов Б.Н. // Автореф. дис. канд. техн. наук, - М.: МГИ, 1969. - 23 с.

2. Березняк, М.М. Экономическое обоснование схем подготовки и выемки междупластий при бестранспортной разработке свиты пологих пластов / М.М. Березняк, В.Г. Проноза, В.С. Вагоровский // Разработка угольных месторождений открытым способом. Межвуз. сб. науч. трудов. Кузбасс. политехн. инт, Кемерово, 1972. - С. 111-118.

3. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. - М., Недра, 1982. -С. 211-212.

4. Гвоздкова, Т.Н. Обоснование структуры бестранспортных схем разработки свит из трех пологих угольных пластов / Гвоздкова Т.Н. // Автореф. дис. канд. техн. наук. Кузбасс. гос. техн. ун-т, Кемерово, 2006. - 22 с.

5. Репин, Н.Я. Буровзрывные работы на угольных разрезах / Н.Я. Репин, В.П. Богатырев, В.Д. Буткин и др. // Под ред. Н.Я. Репина. - М.: Недра, 1987. - 254 с.

□Авторы статьи:

Проноза Гвоздкова Тюленев

Владимир Григорьевич Татьяна Николаевна Максим Анатольевич

- докт. техн. наук, проф. каф. откры- - канд. техн. наук, доц. каф. откры- - канд. техн. наук, доц.

тых горных работ КузГТУ, тых горных работ КузГТУ, каф.открытых горных работ КузГТУ,

тел.: 8(3842)58-30-59 тел.: 8(3842)58-30-59 tma.geolog@kuzstu.ru