Концептуальные технологические подходы освоения перспективных угольных месторождений Южной Якутии Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 14

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2000"

МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 г.

44 © А.В. Стариков, А.П. Ефремов^П.Н. Васильев, 2001

' ч —"X

УДК 622.271.326:553.042

А.В. Стариков, А.П. Ефремов, П.Н. Васильев

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ ОСВОЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЮЖНОЙ ЯКУТИИ

С

еверо-Восток Российской Федерации, на обширной территории которого выявлено более 200 месторождений угля, приобретает в последнее время важное значение в развитии угольной промышленности. На наш взгляд, широкое вовлечение месторождений угля Северо-Востока РФ в промышленную эксплуатацию на первоначальном этапе будет осуществляться путем строительства новых перспективных и реконструкции экономически целесообразных действующих предприятий. На втором этапе, чтобы избежать огромных затрат, связанных с неправильными подходами освоения угольных месторождений, уже сейчас необходимо при проектировании и строительстве новых шахт и разрезов применять прогрессивную комбинированную систему разработки угольных пластов (открыто-подземный способ-ОПС).

На территории Южно-Якутского угольного бассейна расположены угольные месторождения: действующие - Нерюнгринское (разрез «Нерюн-гринский»), Чульмаканское (разрез «Угольный»), Денисовское (разрез «Денисовский») - перспективные - Эльгинское, Муастахское, Беркакит-ское, Якокитское, Кабактинское, Локучакитское, Верхне-Талуминское с запасами по категориям А+В+С1 более 3,3 млрд т, которые уже сейчас могут стать объектом применения комбинированного способа разработки (табл. 1).

Главной особенностью угольных месторождений этого региона является наличие сплошного

или бокового (островного) распространения многолетней мерзлоты, при этом температура пород, морфология и фазовое состояние льда в породах значительно изменяются с глубиной разработки. Традиционные способы освоения месторождений такого типа не соответствуют современному уровню ведения горных работ. Произведенный анализ и типизация перспективных угольных месторождений Южно-Якутского угольного бассейна по горногеологическим, горнотехническим и геокриологическим условиям, позволяет сделать следующие выводы, что наиболее перспективным при освоении месторождений данного типа следует считать комбинированный способ разработки по следующим факторам:

1. Угольные пласты месторождений, в основном, полого залегания с рабочей мощностью от 1,0 до 5,0 м. и имеют выход на дневную поверхность под наносы мощностью 20-35 метров, что создает благоприятные условия для разработки угольных запасов открытыми и подземными горными работами.

2. Простое залегание и строение угольных пластов позволяет использовать передовую технологию и комплексную механизацию всех процессов горных работ, а также хорошие качественные характеристики углей (угли марки «К», «Ж», «КЖ».).

Комбинированная разработка месторождений предусматривает разработку полезного ископаемого последовательно или одновременно открытым и подземным способами.

Уже сейчас возникла экономическая целесообразность перехода разреза «Денисовский» Южно-Якутского угольного бассейна на подземные горные работы. В связи с этим, Горным институтом по проектированию предприятий угольной про-

Таблица 1

ОБЪЕКТЫ ОСВОЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЮЖНОЙ ЯКУТИИ

Марка угля Запасы А+В+С1, млн т С2, млн т Кол-во рабочих пластов Угол падения пласта, градус Тип вмещающих горных пород Зольность углей, %

Месторождения: 1.Нерюнгринское

Каменный «К,СС» 489,5 173,5 2 4-20 Крепкие песчаники 18,5

2. Уч.Чульмаканский-Западный

-«- 379,2 148,3 2 0-2 Крепкие песчаники 15,9-22

3. Уч.Чульмаканский-Восточный

-«- 198,2 - 3 0-2 -«- 17,8-31,4

4. Денисовское

Каменный «К,КЖ» 47,07 8 2-6 Мелкозернист. песчаники, алевролиты 14,6-40,8

5. Эльгинское

Каменный «Ж,СС» 879,1 1,290,4 24 1-10 Мелкозернист.и среднезерни-стые песчаники 6-43

6. Муастахское

Каменный «К» 125,4 450,3 -«- 10-30 Песчаники 14,6-25

7. Беркакитское

Камен. «КЖ-К» 588,2 254,8 -«- -«- -«- -«-

8. Якокитское

-«- 423,9 -«- -«- -«- -«- -«-

9. Кабактинское

-«- 160,8 450,3 -«- -«- -«- -«-

10. Локучакитское

Каменный 69,5 187,7 -«- -«- -«- -«-

11. Верхне-Талуминское

-«- - - - - ,6 0 2 - - -«- -«-

мышленности «Гипроуголь» г. Новосибирск, было выполнено «Обоснование инвестиций в строительство участка подземных работ по пласту К4»,-Том 1, 1999, -302 с.

В проектной документации, учтены выполненные в ИГДС СО РАН, параметры барьерного целика между открытыми и подземными горными работами по пласту К4. Эта же проблема назрела и для разреза «Нерюнгринский» ГУП «Якутуголь». В ИГДС СО РАН разработаны новые технологии комбинированной разработки месторождений полезного ископаемого, предусматривающие выемку полезного ископаемого во взаимосвязи открытых и подземных работ.

Ниже приведены некоторые варианты новых технологий комбинированной разработки месторождений.

Вариант 1

Вскрытие и подготовка к открыто-подземной разработки месторождений (рис. 1) осуществляется следующим образом: на участке месторождения полезного ископаемого 1, предназначенном для открытых горных работ, проводят разрезную траншею 2 от выходов пласта на поверхность 3 до границы между открытыми и подземными работами 4 и извлекают вскрытое полезное ископаемое. Затем устанавливают на вскрытой почве пласта

Рис. 1. Вскрытие и подготовка к открыто-подземной разработки месторождений

1 - участок месторождения полезного ископаемого; 2 - разрезная траншея; 3 -выход пласта на поверхность; 4 - граница между открытыми и подземными горными работами; 5 - главные вскрывающие выработки; 6 - слой пустых пород; 7 - участок месторождения для подземных горных работ; 8 - выемочный столб

крепь главных вскрывающих выработок 5 и производят полную затяжку бортов и кровли выработок. Установленную крепь засыпают слоем пустых пород 6 таким образом, чтобы мощность этого слоя была не менее 3Н, где Н-высота выработок. Дальнейшее вскрытие участка месторождения 7, предназначенного для подземных работ, ведут из сооруженных главных вскрывающих выработок 5. Нарезку выемочных столбов 8 ведут по простиранию пласта, что обеспечивает надежную работу очистному комплексу. Вся подготовка участка 7, предназначенного для подземных работ,

ведется одновременно с производством вскрышных и добычных работ на участке, предназначенном для открытых работ 1.

Преимуществами предлагаемого способа являются:

• отсутствие разрыва во времени по добыче полезного ископаемого после отработки участка открытых работ и перед началом работы участка подземных работ;

• возможность строительства развитого поверхностного комплекса на свободной территории без оставления охранных целиков полезного ископаемого под здания и сооружения;

• минимальные затраты на сооружение вскрывающих главных выработок на участке открытых работ;

• применение наиболее рациональной технологии выемки полезного ископаемого при расположении выемочных столбов по простиранию пласта.

Вариант 2

Вариант открыто-подземной технологии, (рис. 2) осуществляют следующим образом: после установления границы 1 между открытыми и подземными горными работами, при отработке последней заходки вскрышного уступа 2 оставляют выше пласта полезного ископаемого 3 слой пустых пород 4 мощностью не менее 2-х кратной мощности пласта 3. Ширину

охранного целика 5 принимают по расчету из выражения:

В = Н - 3т;

где В - ширина охранного целика; Н - ширина заходки породного уступа; т - мощность пласта полезного ископаемого.

В монтажной камере 6 монтируют очистной комплекс 7 и создают в монтажной камере положительную температуру воздуха, используя локальные калориферы или другое оборудование. Затем пускают очистной комплекс 7 в работу с транспортировкой угля конвейерной линией 8. По мере работы комплекса происходит первичное обру-

Рис. 2. Вариант открыто-подземной технологии

1 - граница между открытыми и подземными работами; 2 - последняя заходка на участке открытых работ; 3 - полезное ископаемое (уголь); 4 - временно оставленный слой вскрышных пород; 5 - охранный целик; 6 - монтажная камера; 7 -очистной комплекс; 8 - конвейерная линия

шение пород кровли. При этом обрушается и часть пород слоя 4, которая заполняет своей массой выработанное комплексом 7 пространство и препятствует поступлению холодного атмосферного воздуха в призабойное пространство. После выполнения указанных работ производят выемку пород 4, вскрывая охранный целик 5, который затем и извлекают, исключая потери полезного ископаемого.

Данный способ позволяет избежать дополнительных работ в зимний период за счет разрыва во времени производства вскрышных работ последнего уступа и разделение его на два слоя.

Вариант 3

Комбинированная разработка месторождений полезных ископаемых (рис. 3) осуществляется следующим образом: последнюю заходку вскрышных работ при комбинированной разработке месторождений полезных ископаемых располагают таким образом, чтобы борт вскрышного уступа совпадал с границей между открытыми и подземными горными работами. Вдоль границы располагают и проводят вентиляционный штрек 1 выемочного столба 2, оконтуренного откаточным (конвейерным) штреком 3 и монтажной

камерой (не показано), проведенной у границы выемочного столба 2 по падению пласта. При выемке последней заходки над пластом полезного ископаемого и вентиляционным штреком 1 оставляют слой пустых пород 4 мощностью не ме-

месторождения; 2 - полезное

чскодеем$яцгон»Ш№¥ре1аУше®ь4 -швчнштшяб?; 5 --обЪейвёSKр^ЬSЬ^ЬIX

щррк^ишйюй пудах йо|лденн-го шесго; Ле-лЖ^1®-

нее 3-х м. Затем в монтажной камере выемочного столба 2 монтируют очистной комплекс 5

и вводят его в работу, а после выемки выемочного столба 2 и обрушения пород основной кровли производят довскрышу слоя пустых пород 4, используя менее мощную вскрышную технику, и выемку охранных целиков 6 полезного ископаемого, чем достигается полнота его выемки. Вы-

рырпботки; 8 перемещаемый блок;

9 - подсекающая плоскость; 10 - скважины; 11 - наклонная площадка; 12 - свод обрушения

емку целиков 6 следует приурочивать ко времени перемонтажа комплекса 5 из одного выемочного столба в другой.

Преимуществами данного способа являются:

• исключение потерь полезного ископаемого в охранных целиках;

• улучшение условий управления кровлей при труднообру-шаемых породах;

• равномерная работа по добыче полезного ископаемого.

Вариант 4

Вариант комбинированной разработки пологих и наклонных залежей (рис. 4) выполняют следующим образом:

На выбранном к разработке участке 1 месторождения полезного ископаемого 2 проводят выездные 3 и разрезную 4 траншеи. Причем последнюю располагают в нижней части участка. После первоначальной выемки пород вскрыши в объеме 5, извлекают полосу полезного ископаемого 6 шириной В, которую определяют из выражения:

В = Н + 0,1п

где Н - ширина перемещаемого блока породы; п — количество намеченных к перемещению блоков.

Затем по пласту полезного ископаемого 2 у кровли пласта проводят подготовительные выработки 7 параллельно разрезной траншеи 4. Расстояния между выработками принимают равным

работки

7, под блоком 8 создают подсекающую плоскость

9 с помощью, например, канатных или цепных пил. С поверхности бурят наклонно ряд скважин

10 под углом О. В месте извлеченного полезного ископаемого 6 формируют наклонную площадку

11 , поверхность которой имеет угол наклона, превышающий угол наклона пласта полезного ископаемого 2 на угол 3 При этом выдерживают соотношение:

О= 0,5 Р< 15о

Подсекающая плоскость 9 может быть заполнена материалом с малым коэффициентом трения. Скважины 10 заполняют либо рассчитанным количеством ВМ, либо веществом, значительно увеличивающим свой объем при определенных условиях, после чего скважины одновременно взрывают, что создает плоскость отрыва блока 8, а блок получает первоначальный импульс и перемещается под действием собственного веса из положения I в положение II. Для подготовки к перемещению очередного блока 8 используют выработку 7, оставшуюся в массиве горных пород на расстоянии h от плоскости отрыва блока. Это расстояние принимают большим, чем размеры свода обрушения 12 вокруг выработки 7. Очередные блоки 8 перемещают после извлечения полезного

ископаемого 2 по выше описанной схеме.

Преимуществами данного способа разработки пологих и наклонных залежей полезного ископаемого являются:

• большой объем одновременно перемещаемых пустых пород в блоке;

• создание наклонных боковых поверхностей блоков, что снижает возможность их осыпания;

• перемещение крупных блоков без существенного разрушения поверхностного и почвенного слоя резко сокращает затраты и ускоряет процесс рекультивационных работ.

Вариант 5

Предлагаемая технология разработки угольных пластов с применением короткозабойной техники (рис. 5) предусматривает отработку угольных пластов месторождения открытым способом, исходя из условий экономической целесообразности и граничного коэффициента

вскрыши. При этом применяется прогрессивный открыто-

подземный способ разработки.

Вскрывающие и подготовительные выработки 1 проходят по пласту угля 2, предназначенного для отработки подземным способом, который отрабатывают камерно-столбовой системой разработки с удержанием кровли на целиках угля 3, с применением короткозабойной техники - проходческих комбайнов. Данная технология исключает подработку вышележащих угольных пластов.

После отработки вышележащих пластов угля, оставленные целики 3 извлекаются.

Данный способ позволяет отказаться от буровзрывных работ, снизить эксплуатационные затраты на 40-60 %, сохранить земную поверхность от провалов, а также применим тогда, когда качество угля вышележащих угольных пластов отрабатываемых открытым способом не удовлетворяет требованиям потребителя.

Вариант 6

Способ формирования вентиляционной сети для регулирования теплового режима шахты (рис. 6) осуществляют следующим образом:

По мере приближения вскрышных и очистных работ к границе 1 между открытыми и подземными горными работами, в выработанном пространстве 2 в выбранном месте устанавливают крепь теплообменных выработок 3 и соединительной выработки 4. Затем установленная и смонтированная крепь засыпается породами 5 от продолжающихся вскрышных работ. Одновременно производят засыпку,

Рис. 6. Способ формирования вентиляционной сети для регулирования теплового режима шахты

1 - граница между открытыми и подземными горными работами; 2 - выработанное пространство; 3 - крепь; 4 -соединительные выработки; 5 - пустые породы; 6 - вентиляционный канал; 7 -вентиляторная установка; 8 - горные выработки; 9 - галерея

устанавливаемых по мере засыпки, железобетонных колец вентиляционного канала 6. После полного прекращения открытых горных работ, остановленных у границы 1 , производят монтаж вентиляторной установки 7. Соединительную выработку 4 соединяют с подземными горными выработками 8 участка подземных горных работ с помощью галереи 9, которую выполняют воздухоизоляционной, либо засыпают также породами вскрыши.

Регулирование теплового режима выполняют, пропуская подаваемый в подземные горные выработки 8 воздух через теплообменные выработки 3. В зимнее время воздух в теплообменных выработках нагревается и поступает в выработки 8 с температурами, приближающимися к температурам горного массива, окружаю-

щего эти выработки, т.е. с отрицательными значениями температур, т.к. горный массив находится в многолетней мерзлоте. В это время теплообменные выработки 3 накапливают холод за счет теплоемкости пород, окружающих их. В летнее время воздух с положительными температурами в теплообменных выработках охлаждается и поступает в выработки 8 с отрицательными температурами, что не вызывает растепление выработок.

Преимуществами предлагаемого способа являются:

• исключение потерь полезного ископаемого в охранных целиках;

• низкая трудоемкость возведения выработок вентиляционной сети;

• одновременность работ по формированию вентиляционной сети с горными работами на подземном участке по вскрытию его и подготовке к эксплуатации.

Данные технологии защищены патентами РФ № 2083830 6Е 21 С41/00, № 2106570 6Е 21 С 41/00, № 2117155 6Е 21 С 41/00.

Выводы

Преимуществом технологий является экологическая и экономическая целесообразность, высокая степень адаптивности с открытыми и

подземными горными работами. Технологии позволяют сократить сроки строительства и ввода предприятий в эксплуатацию на 3-5 лет, снизить капитальные и эксплуатационные затраты на 3050 %, сократить площади нарушенной земной поверхности и горных отводов, исключить потери угля в граничных и барьерных целиках, сохранять земную поверхность от образования провалов, проникновения в подземные выработки холодного воздуха и ливневых вод. Технологии учитывают климатические, геокриологические и геомеханические условия, сопутствующие освоению месторождений.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =

/---------------------------------------------------------------------------V

Стариков А.В. - профессор, доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН. Ефремов А.П. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Институт горного дела Севера Сибирского отделения РАН.

Васильев П.Н. - ст. научный сотрудник Институт горного дела Севера Сибирского отделения РАН.

Z