Концепции формирования природно-технических комплексов и технологий открытой угледобычи Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

И.М. Щадов, д.т.н., Востсибуголь, В.М. Щадов, к.т.н.,Трансуголь Концепции формирования природно-технических комплексов и технологий открытой угледобычи

Природно-технический комплекс (ПТК) - динамическая совокупность технических и природных объектов, тесно взаимодействующих в едином процессе получения продукции и обеспечения среды обитания требуемого качества.

Природосбережение охватывает сами недра, земли, природные (естественные) водную и воздушную среду, флору и фауну. Причем сбережение недр характеризует не только возможное предотвращение текущих потерь полезных ископаемых и компонентов, но и сохранение недр, их реальных и потенциальных ресурсов [1]. Эта функция ресурсосбережения характеризует стремление снизить текущие и общие объемы добычи, что положительно скажется и на других природных ресурсах.

Но природосбережение не является целью разработки. Основная задача горных разработок как производства - получение продукции, связанного с ней дохода, так же как цель потребителя (электростанций и др.) - использование угля (рядового или обогащенного) для выработки электроэнергии и получения своей прибыли. В целом экономически рациональные решения могут быть и ресурсосберегающими, не отвечать этому направлению, занимать промежуточное положение, не полностью или даже в малой степени быть экологичными. Необходимо найти такие решения, которые обеспечат снижение антропогенных нагрузок на природную среду и не потребуют больших дополнительных природоохранительных затрат (3-6% объема реализации, как свидетельствует мировой опыт). Причем эффект должен быть достигнут в целом для ПТК, без передачи функций загрязнителя производителем потребителю (разрезом

- электростанции).

Горнодобывающая часть тех-

ГИАБ

нической подсистемы ПТК структурно может быть представлена двумя переделами (горной и первичной переработки), а вторая часть основной переработки (сжигание) - одним переделом и транспортными коммуникациями между переделами.

В каждом переделе должны быть выявлены основные группы факторов, по которым необходимо принимать решения, и установлена последовательность их рассмотрения. Эти группы факторов могут быть определены и ранжированы исходя из их значимости для достижения цели (производства продукции и получения прибыли) и влияния на природные ресурсы. Применительно к горному переделу (открытой угледобыче) выделены следующие группы факторов.

В качестве одной из первых определена группа главных параметров разреза, к которой относятся: размеры разреза по глубине и в плане (границы), запасы полезных ископаемых и объемы горной массы, мощности по углю (угольной массе), вскрыше, чистому углю, качество угля, генеральный план (главные решения по размещению основных объектов разреза). Именно эти качественные и количественные показатели оказывают основное влияние на доходы, расходы, прибыль и объемы антропогенного воздействия в целом на природные ресурсы.

Следующую группу факторов формируют основные технологические решения - по комплексной механизации, системе разработки и ее параметрам, вскрытию, технологическим схемам, т.е. в целом технологии горных работ и, как их составляющих, вскрышных и добычных работ.

Выбор комплексов основного

оборудования непосредственно влияет на удельные затраты. Главным фактором является отсутствие транспорта (использование бес-

1

транспортных технологий), а при невозможности этого - применение конвейерного или железнодорожного транспорта вместо автомобильного.

Бестранспортные технологии являются и наиболее экологически безопасными, так как утилизируют отходы горного передела

- неиспользуемые вскрышные породы посредством размещения во внутренние отвалы. Экологически благополучны конвейерный и электрифицированный железнодорожный транспорт. Такое совпадение экономических и экологических интересов является наиболее благоприятным.

Система разработки должна обеспечить, с одной стороны, создание благоприятных условий для работы горного и транспортного оборудования (что влияет на удельные затраты и текущие объемы вскрышных работ, тем самым и на общие затраты), а с другой стороны, - воссоздавать запасы полезного ископаемого и вскрышных пород через подвига-ние вышележащих уступов и нарезку новых, что, в свою очередь, связано с объемами вскрышных работ. Наконец, такие параметры системы разработки как длина фронта, скорость его подвигания, темп углубления горных работ непосредственно влияют на производительность разреза по углю и его доходы.

Вскрытие рабочих горизонтов разреза влияет в основном на работу транспорта и соответствующие затраты. Рассмотрение таких групп факторов как главные параметры разреза и основные технологические решения позволяет утверждать, что существует одна еще более важная группа природообразующих факторов, от которой в первую очередь зависят сама возможность открытой разработки и область достижимых экономических показателей, а также и другие параметры. Важнейшими факторами этой группы являются типы месторождений и

$ 1999

их размеры. Именно они ограничивают возможные главные параметры разреза и в определяющей степени влияют на применяемые технологии. Поэтому важнейшим условием достижения благоприятных экономических и экологических показателей является рациональный выбор объекта открытой разработки. К таким первоочередным объектам разработки относятся пологие угольные месторождения. Вовлечение в открытую разработку преимущественно таких месторождений позволяет иметь относительно большие (3-4 км и более) размеры разреза по простиранию пластов, сравнительно небольшую конечную глубину разреза (до 200-250 м), запасы угля 250-300 млн т и более, большую мощность разреза по углю (4-5 млн т/год и более). В то же время обеспечивается максимальная степень применения бестранспортных технологий и в целом внутреннего отвалообразования,

сравнительно простое достижение минимальной землеемкости открытых разработок. Немаловажное значение среди природообразующих факторов имеют климат района разработки, рельеф поверхности, растительный и животный мир, гидрологические условия.

Четвертую группу факторов формируют основные процессы открытых горных работ. Здесь важное значение как для последующих процессов, так и для экологической безопасности имеют взрывные работы. Комплексная оптимизация их параметров позволяет, особенно в настоящее время, существенно снизить производственные издержки на горные работы в целом. Необходимо и улучшение технико-экономических показателей других производственных процессов.

В отдельную группу выделены специальные (дополнительные) природоохранные мероприятия, выполняемые для снижения антропогенного воздействия открытых горных работ на окружающую среду. К ним относятся специальные мероприятия по горнотехнической рекультивации, очистке сточных вод, созданию

68~

водозащитных завес для снижения размеров депрессионных воронок, нейтрализации газовых выделений и т.д. Эти мероприятия в ряде случаев могут повышать доходы и непосредственно горного предприятия, но чаще связаны только с дополнительными издержками. Поэтому желательно, чтобы необходимые природоохранные меры предусматривались уже используемыми технологиями процессов и в целом горных работ.

Рассмотренные группы факторов, определяющие формирование технологических и организационных решений в горном переделе, могут быть представлены в виде плоского многоуровневого графа (рис.1). Этот граф характеризует как в целом круг принимаемых решений, так и их связи и, главное, комплексность решений, обеспечивающих достижение экономической и экологической эффективности.

Формирование ПТК заключается в определении составляющих комплекса и их функций, связей между ними, способов и организационных форм их реализации (как составляющих, так и комплекса в целом как системы). Производственно-оганизационная структура ПТК базируется в основном на действующих угольных разрезах, что является единственно возможным в настоящее время и на перспективу.

Формирование природно-технического комплекса - процесс по существу непрерывный. Это связано прежде всего с расширением направлений использования углей, в том числе нетопливного, увеличением объемов комплексного использования полезных ископаемых, пород вскрыши и отходов производства, реструктуризацией угольной промышленности, вводом новых и реконструкцией действующих предприятий, внедрением новых прогрессивных технических, технологических и организационных решений, в том числе экологически безопасных технологий. Все это приводит к изменению оценки природного потенциала, расширению номенклатуры выпускаемой продукции, снижению производственных затрат, повышению эко-

номической эффективности работы предприятий. Формирование природно-технического комплекса включает шесть этапов:

♦ оценка природного потенциала месторождений полезных ископаемых;

♦ оценка антропогенной нагрузки в районах добычи и потребления полезных ископаемых;

♦ установление и анализ качественно-количественных взаимосвязей между элементами (под-системами) природно-технического комплекса;

♦ анализ основных факторов,

обоснование уровней и задач принятия организацион-

но-техничес-

ких решений, обеспечивающих экономичные, экологически безопасные технологии добычи и потребления углей и других полезных ископаемых;

♦ обоснование критериев и разработка методики комплексной оценки технических и организационных решений с позиций природно-технического комплекса в целом;

♦ формирование и оценка технологических решений различных уровней.

Первые два этапа в целом представляют комплексную

оценку природных ресурсов ПТК. Причем, если первый этап определяет прежде всего позитивные результаты функционирования комплекса, то второй служит для определения предельно - допустимой новой, антропогенной нагрузки в местах добычи и потребления полезных ископаемых (прежде всего углей), которая характеризует экологические ограничения при решении различных технических и организационных задач. Методология решения задач первого этапа изложена в [2]. Задачи второго этапа составляют существо экологической науки и решаются на основе специальных исследований состояния основных компонентов окружающей среды в регионе (земли, воздуха и воды) и оценки ее рекреационных возможностей.

Обеспечивающие рациональное формирование и функциони-

ГИАБ 1 $ 1999

рование природно-технического комплекса организационно-технические и технологические решения, как и основные их определяющие факторы, подразделяются на уровни (см. рис. 1):

I - оценка потенциала природно-технического комплекса;

II - определение основных характеристик горных предприятий (главные решения и параметры разреза);

III - выбор основных техно-

логических и организационных решений по разработке месторождений;

IV - обоснование параметров производственных процессов;

V - разработка специальных природоохранных мероприятий.

На основании анализа практики проектирования и эксплуатации разрезов определены следующие основные задачи каждого уровня.

На первом уровне: Ы - возможные направления использования углей и других полезных ископаемых; 12 - варианты кондиций и запасов полезных ископаемых; 13 - состояние природной среды; 14 - возможные

функции горных работ.

На втором уровне: П.1 - границы разреза, кондиции и запасы угля и других полезных ископаемых; П.2 - номенклатура и качество выпускаемой продукции; П.3

- порядок освоения месторождений; П.4 - размещение основных объектов разреза; П.5 - мощности по угольной массе, углю, вскрыше и попутным полезным ископаемым.

На третьем уровне: ПЫ - грузопотоки и их качествен-но-коли-

чественные показатели; Ш.2 - комплексная механизация горных работ; Ш.3 - система разработки и ее параметры; Ш.4 - схема

вскрытия и ее параметры; Ш.5 -организационно-технологические схемы.

На четвертом уровне: IV. 1 -буровзрывные работы; IV. 2 - выемочно-погрузочные работы; IV. 3

- транспортирование; ^.4 - отвальные работы; ^.5 - складирование угля.

На пятом уровне: V.! - горно-

ГИАБ

техническая рекультивация; ^2 -специальный дренаж; ^3 - очистка сточных вод; ^4 - пылегазозащитные мероприятия.

Для обоснования критериев решения задач различных уровней необходимо прежде всего выделить основные результирующие показатели (характеристики) работы разрезов. К ним относятся показатели выпуска различных видов продукции и ее качество, характеризующие вклад разреза в соответствующую его основному назначению воспроизводящую функцию открытых горных работ, а также потребление различных видов ресурсов. Основной экономический показатель - чистая прибыль, характеризующая в том числе и экономический вклад разреза (через федеральные и региональные налоги) в государственный и местный бюджеты, является производным от показателей выпуска продукции и потребления ресурсов и учитывается непосредственно в системе критериев.

К основным результирующим показателям работы разреза относятся: объемы и качество по видам угольной продукции, сортам и маркам угля; объемы и качество попутных полезных ископаемых; объемы конечной продукции природно-технического комплекса, прежде всего электроэнергии; объемы воспроизводства природных ресурсов; показатели потребления материальных; трудовых; финансовых; природных (в том числе недр, земли, воздуха, воды) ресурсов.

Взаимосвязь основных задач формирования и организации функционирования природ-

но-технического комплекса и результирующих показателей его работы целесообразно отображать в матричном виде.

При решении многих технологических и организационных задач (особенно верхних уровней), связанных с формированием качества полезных ископаемых, определяются результирующие показатели работы не только горных предприятий (разрезов и обогатительных фабрик), но и потребителей продукции, прежде всего электростанций. При этом влия-

1

ние качественных характеристик угля на экономические и экологические показатели функционирования разреза и электростанции противоположно. Улучшение качества угля (например, снижение содержания зольности и ми-неральных примесей) связано с дополнительными затратами на горном предприятии, но в то же время ведет к снижению затрат и экологического ущерба на электростанциях.

Если формирование природно-технического комплекса

включает решение определенных, но разовых задач, то организация функционирования комплекса заключается в периодическом, в соответствии с принятыми календарными периодами, решении задач организации, планирования и управления производством, а также в создании механизма (системы) управления комплексом в целом и его подразделениями, адекватной периоду адаптации к рыночным условиям. Таким образом, организация функционирования комплекса заключается, с одной стороны, в решении ряда известных организацион-

но-управленчес-

ких задач, но иногда по новым критериям, учитывающим функционирование всего комплекса и складывающиеся рыночные отношения (конъюнктуру спроса, динамику изменения цен и др.). С другой стороны, необходимо было создать организационный механизм функционирования комплекса, включающий систему взаимоотношений между поставщиками и потребителями, систему планирования и организации поставок продукции и взаиморасчетов за нее, создание рыночных инфраструктур и структуры управления, учитывающей новые функции, возникшие в связи с переходом к рыночной экономике (маркетинг, работа с ценными бумагами и др.).

Практический опыт, анализ проектных и научных решений свидетельствуют, что общим направлением формирования вариантов технологий открытой разработки является сохранение и по возможности улучшение качеств

Л

вариантов, которые имеют положительную оценку факторов, и снижение отрицательных качеств. Другими словами, необходимо при формировании технологий одновременно и комплексно стремиться к повышению как экономических, так и экологических показателей.

Как выше уже отмечалось, наиболее благоприятными производственными возможностями, низкими издержками, относительной экологической безопасностью характеризуются открытые разработки пологих угольных месторождений. Свиты таких пластов преобладают в регионах Восточной Сибири и Дальнего Востока.

Применительно к свите пологих угольных пластов общими направлениями формирования технологий разработки являются:

♦ первоочередное ведение добычных работ на более угленасыщенных участках (с большей мощностью пластов и более высоким качеством угля);

♦ интенсивное формирование выработанного пространства по нижнему пласту с целью ускоренного внутреннего отвалообра-зования и увеличения его объема;

♦ преобладающее использование и глубокий ввод экологически более безопасного железнодорожного транспорта с электрической тягой.

Разработанная концепция комплексного формирования технологий (рис.2) включает обоснования: технологических зон; развития горных работ; глубины ввода железнодорожного транспорта, вида тяги и руководящего уклона; мощности разреза по углю и календарного плана; приемной способности внутренних отвалов; транспортной схемы и схемы вскрытия.

Ниже излагаются основные методические положения данной концепции.

1. Выделяются добычные и вскрышные технологические зоны. Последние дифференцируются

в соответствии с применяемыми

68

комплексами оборудования

(бестранспортными и транспортными). При разработке сближенных угольных пластов выделяются одна-две добычные зоны и бестранспортная технологическая

зона, размеры которой определяются совместно с выбором рациона-

льного типа экскаваторно-отвального комплекса. При разработке свиты рассредоточенных пологих угольных пластов число технологических зон увеличивается. Чаще всего две зоны (бестранспортная и транспортная) выделяются по нижнему пласту и междупластью, а транспортные вскрышные зоны -над каждым вышележащим угольным пластом.

2. Выполняется геометрический анализ поля разреза [3]. Целесообразно при этом использование математических моделей месторождения и горных работ по технологическим зонам.

Исходная геологическая информация при этом представлена первичными материалами: ко-

лонками разведочных скважин, планом их расположения и поперечными геологическими разрезами. Подсчеты объемов вскрышных пород и угля, его качества по этапам, блокам и технологическим схемам с использованием ЭВМ позволяют быстро рассмотреть достаточно много вариантов порядка развития горных работ и отобрать группу предпочтительных вариантов для детального анализа.

3. Определяется общая структура базовой технологии на основании результатов предыдущего анализа и целенаправленных требований, основными из которых являются интенсивная отработка мощных малозольных угольных пластов и обеспечение возможности отсыпки внутренних отвалов.

Практическая реализация

ГИАБ 1 Л 1999

данного положения сводится к нахождению комбинации одновременной (или с небольшим отставанием) отработки выше- и нижележащих пластов на относительно ограниченном фронте уже в первый период эксплуатации разреза. Варианты расчетов развития горных работ на ЭВМ по блокам позволяют относительно легко составлять и сравнивать такие комбинации. Обязательным условием является также использование железнодорожного транспорта при разработке покрывающей породной толщи, а по возможности и пород междупла-стий, и верхних угольных пластов при их относительно простой гипсометрии. Далее определяются конкретные варианты технологий для дальнейших детальных расчетов по этапам разработки.

4. Обоснование глубины ввода железнодорожного транспорта:

♦ на основании выделенных технологических зон устанавливаются предельные требуемые отметки глубины транспортной вскрыши по характерным поперечным профилям и необходимые для их достижения уклоны забойных путей;

♦ с учетом технически возможных по условиям безопасности уклонов (до 10%о) и радиусов кривых передвижных железнодорожных путей корректируются развитие рабочей зоны разреза, необходимые и возможные высотные отметки вскрышных зон с использованием железнодорожного транспорта и глубина его ввода.

5. Возможная производственная мощност разреза по углю и рационального варианта развития горных работ:

♦ определяются на основании компьютерных расчетов по математическим моделям месторождения и горных работ объемы горной массы и качество угля по этапам подвигания фронта для рассматриваемых вариантов развития горных работ;

♦ выполняется анализ сравниваемых вариантов развития горных работ по итоговым объемным, линейным и относительным показателям;

ГИАБ

♦ на основании линейных и объемных показателей развития горных работ по вариантам, а также ориентировочной производительности разреза по углю (проектной или рассчитанной аналитически) определяются сроки отработки этапных объемов горной массы и требуемое годовое подвигание горных работ;

♦ осуществляется проверка возможности реализации требуемых величин подвигания фронта горных работ, для этого:

• на основе норм выработки на экскавацию и транспортирование горной массы в зависимости от длины фронта работ и расстояния от фронта до обменного пункта определяются сроки отработки вскрышной заходки экскаваторами разных моделей в комплексе с локомотивосоставами разной полезной массы;

• устанавливаются средние расходы времени на переукладку забойных путей в зависимости от длины фронта работ на горизонте;

• с учетом времени плановых ремонтов и перегонов экскаваторов, отработки одной заходки и переукладки путей определяются максимальное число отрабатываемых экскаваторных заходок нормальной ширины и максимальное годовое подвигание фронта работ при постоянной установке одного вскрышного экскаватора на горизонте;

• расчетные данные сравниваются с передовыми показателями, полученными в близких горнотехнических условиях;

• осуществляется сравнение требуемых и расчетных (в необходимых случаях скорректированных с учетом опыта) показателей скорости подвигания фронта работ;

• выполняются расчеты средней производительности разреза по углю за рассматриваемый период эксплуатации при максимально возможном подвигании фронта по условиям работы экскаваторно-железнодорожного комплекса оборудования;

• определяется максимально допустимое подвигание фронта работ для каждой конкретной длины фронта работ по участкам и технологическим зонам (пластам)

1

на расчетные годы эксплуатации с целью оценки возможного увеличения производительности разреза по углю;

• устанавливаются достигаемые при этом расчетные сроки отработки этапов и возможная производительность разреза по углю.

6. Обоснование возможностей внутреннего отвалообразования (приемной способности внутренних отвалов) осуществляется следующим образом:

♦ выбирается математическая модель поэтапного определения вместимости внутренних отвалов, непосредственно связанная с математическими моделями месторождения и развития горных работ;

♦ на основе ранее определенных

поэтапных объемов горных работ с использованием указанной математической модели устанавливаются погоризонтные объемы

складирования транспортной и бестранспортной вскрыши;

♦ с учетом дифференциации

этапных объемов вскрышных пород по технологическим зонам и сроков отработки этапов определяются среднегодовые объемы

транспортной вскрыши в зоне

верхнего пласта, которые могут быть размещены в выработанном пространстве разреза.

7. Календарный план

вскрышных и добычных работ строится на основании средних объемов угля, транспортной и бестранспортной вскрыши в течение характерных этапов с учетом сроков их отработки и требования наиболее полного размещения вскрышных пород в выработанном пространстве для варианта развития горных работ, обеспечивающего это требование и наилучшие объемные показатели.

8. Обосновываются принципиальная схема грузопотоков и соответствующая транспортная схема разреза по этапам горных работ. Основные факторы формирования схемы грузопотоков -местоположение и возможности приемных сооружений и вскрывающих выработок, увеличение срока их службы, сокращение расстояния перемещения горной

Л 1999

массы.

В целом разработанные концепция и методические положения предусматривают комплексное принятие решений по технологическим зонам, развитию горных работ, грузопотокам, карьерному транспорту, отвалообразо-ванию, производственной мощности по углю и горной массе при разработке свит пологих угольных пластов, в том числе и наиболее сложных рассредоточенных. Это дает возможность детально и со-

пряженно рассмотреть по этапам горных работ и выбрать основные технологические решения. Использование концепции и методических положений, как показывают расчеты для конкретных условий, позволяет сократить отчуждение природных ресурсов при одновременной интенсификации горных работ и создании благоприятных условий работы экологически чистого транспорта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли. Под ред. К.Н.Трубецкого. -М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. - 478 с.

2. Щадов И.М. Проблема использования углей АО “Востсибуголь” // Уголь. - 1995. - №2. - С.46-47.

3. Ржевский В.В. Технология и комплексная механизация открытых горных работ - М.: Недра, 1980 - 631с.

©И.М. Щадов, В.М. Щадов

__________68_

ГИАБ 1 4 1999