CC BY
32
- © Е.А. Ермаков, 2015
УДК 622.012.2(001.2)
Е.А. Ермаков
МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОНННЫХ БЛОКОВ
Рассмотрена методика проектирования технологических схем эксплуатационных блоков на основе различных критериев оптимизации.
Ключевые слова: методика, проектирование, технологические схемы, эксплуатационный блок.
Разработанные для угледобывающей промышленности нормативные и методические документы [1-6 и др.] регламентируют основные параметры шахт и разрезов, но не учитывают современные рыночные отношения в России, при которых получила распространение практика строительства и эксплуатации малых рентабельных шахт и разрезов с производственной мощностью 100-500 тыс. т в год и сроком службы 3-5 лет («Фэсткол», «Углекоп» в Кузбассе и др.).
Практика показывает, что на малых горных предприятиях типа эксплуатационного блока наименьшая производственная мощность соответствует технической возможности одного (редко двух) очистного забоя и двух-трех подготовительных, т.е. есть необходимость устанавливать минимальную производственную мощность шахты по ее техническим, технологическим и финансовым возможностям.
Исследования различных методик расчета проектной и производственной мощности показали, что наиболее адекватные результаты позволяет получить инструкция [1], согласно которой
Д) = Д0е
+1000L S
(
1 Л
1 - e
(1)
где - технические возможности шахты по добыче по фронту очистных
и подготовительных работ, тыс. т; Д0 -технические возможности шахты по добыче исходя из фактического состояния горных работ на начальный период (первая очередь для строящихся шахт), тыс. т; Тст - среднее время отработки выемочного столба в заданных горно-геологических и горнотехнических условиях, лет; L - технические возможности шахты по проведению подготавливающих выработок, км; S -удельный объем проведения подготавливающих выработок, м/тыс. т.
Параметры в формуле (1) рекомендуется устанавливать по результатам планировки технологических схем выемочных участков в пределах шахтного поля.
Схемы и способы вскрытия и подготовки должны обеспечивать эффективное ведение очистных работ. Число одновременно работающих очистных и подготовительных забоев принимается по результатам их графической планировки в пределах шахтного поля с учетом ограничений по условиям вентиляции, транспорта, объема инвестиций и пр.
Другим важным параметром малого угледобывающего предприятия типа эксплуатационного блока является срок службы. В нормативных документах [1-5] одним из факторов, существенно влияющих на срок службы предприятия, является период амортизации основных фондов, который на период
эксплуатации предприятия должен быть не менее периода амортизации основных фондов.
В рыночных условиях появилась возможность создания гибких технологических систем горнодобывающих предприятий, на которых используются легкие конструкции для строительства технологического комплекса на поверхности и оборудование, взятое в аренду по лизингу.
После ликвидации предприятия возможна продажа основных фондов по остаточной стоимости.
Срок службы предприятия необходимо рассчитывать с учетом установленной проектной мощности предприятия и запасов угля в пластах в пределах эксплуатационного блока. Максимальный срок службы такого блока не должен превышать период амортизации основных фондов, так как работа при использовании морально и физически устаревших основных фондов становится нерентабельной.
Параметрами эксплуатационного блока, которые требуют методического и практического обоснования, относятся нагрузка на очистной забой, длина выемочного столба и длина очистного забоя.
Повышение нагрузки на очистной забой является одним из важнейших направлений роста эффективности горного производства. Для определения эффективного уровня нагрузки на очистной забой необходимо располагать методами расчета ожидаемой нагрузки в зависимости от горногеологических, горнотехнических и организационных факторов.
Анализ исследований по установлению зависимости среднесуточной нагрузки на очистной забой от влияющих факторов показывает, что широко распространенными в период 1960-1980 гг. были статистические методы. Наиболее полно рассмотрен этот вопрос в работах [7-10].
В этих работах основой расчета является применение методов множественной корреляции и их модификаций при обработке фактических данных о величине нагрузки при различных значениях исходных факторов. К недостаткам данных методов следует отнести: небольшое количество учитываемых факторов, недолговечность их применения в силу старения информации. Поэтому наряду со статистическими методами исследования с 1970-х гг. начинают развиваться аналитические подходы к расчетам нагрузки на очистной забой, при этом для определения отдельных величин используются их вероятностные характеристики, в качестве которых рассматриваются оценки уровня надежности горных машин, которые рассматриваются в работах В.И. Солодова, Г.С. Рахутина, Ф.П. Беды [11-12].
Отказы горных машин не исчерпывают все виды простоев очистных забоев, поэтому возникает необходимость исследовать потери рабочего времени, связанные с проявлениями горного давления, сбоями работы транспорта, простоями по общешахтным причинам. Изучению вопросов комплексного моделирования работы очистного забоя с целью оптимизации его параметров посвящены работы П.В. Авдулова [14], С.А. Каримана [15], Э.И. Гойзмана [16].
Наиболее распространенными для моделирования процессов очистной выемки являются вероятностно-аналитические методы, разработанные С.А. Кариманом [15], которые получили развитие в работах [17-19], и лежат основе отраслевой «Методики расчета нагрузки на очистной забой» [20].
Важным моментом в определении нагрузки на очистной забой является оценка влияния горно-геологических условий. В этом направлении следует отметить работу, выполненную Кузбасским политехническим институтом совместно с ИГД им. А.А. Скочинско-
го в 1976-1980 гг., результатом которой явилась типизация шахтопластов Кузбасса по совокупной сложности горно-геологических условий [21], учитывающая совокупность тридцати природных факторов. Диапазон изменения факторов разбит на четыре интервала с присвоением соответствующего количества баллов от 1 до 4. Отнесение пласта к различным типам сложности по горно-геологическим условиям производится по суммарному числу баллов. В качестве недостатка данной работы, следует отметить, что при определении совокупной сложности горно-геологических условий не учитывается влияние мощности и утла падения, а все горно-геологические условия считаются равнозначными.
В работе [22] приведены результаты исследований влияния зон горного давления на производительность очистного забоя. В результате анализа работы забоев с различными типами механизированных комплексов с рабочим сопротивлением крепей от 0,3 до 1 МПа построены графики зависимости изменения величины падения производительности забоя от величины рабочего сопротивления крепи, из которых следует, что с увеличением рабочего сопротивления крепи растет производительность очистного забоя.
В работах В.Е. Брагина [23] приведены результаты взаимодействия механизированных крепей с различными типами кровель пластов Кузбасса и определена зависимость производительности очистного забоя от сопротивления механизированной крепи. Установлено, что для мощности пластов от 1,2 до 2,5 м сопротивление крепи должно составлять 900-1000 кН/м2; для пластов мощностью 2,5-3,5 м сопротивление крепи должно быть не менее 1000 кН/м2; для пластов мощностью 3,5-4,5 м целесообразно увеличить сопротивление крепи до 1290 кН/м2.
Исследованиям влияния надежности и технического ресурса механизированного комплекса на производительность очистного забоя посвящены работы В.Н. Вылегжанина [24]. Формула технической производительности очистного забоя имеет вид
Q™, = Qn
k„k0
1 + f + f
Ja (U)
(2)
где Qn - минутная производительность выемочной машины, т/мин; км - коэффициент машинного времени; f - аварийность забойного оборудования; f2 - аварийность конвейерной цепочки; к0 - коэффициент готовности общешахтной технологической системы; Ja(u) - адаптивность механизированного комплекса в конкретных горно-геологических условиях (u = {1, 2, 3, 4}).
Одним из наиболее важных параметров очистного забоя является его длина. Основоположниками математических моделей оптимизации длины очистного забоя были видные ученые: В.М. Зыков, А.С. Бурчаков, М.И. Устинов, Б.М. Воробьев. A.M. Курносов, Г.С. Рахутин и мн. др. Широкое применение нашел подход разработанный В.М. Зыковым в начале 1960-х гг., который и был усовершенствован в более поздних работах [25-26].
Среди более поздних исследователей в этой области можно назвать Н.Т. Голь-цева, М.З. Моддабекова, В.П. Белова, Д.И. Местера, В.Л. Новикова и др.
Сущность подхода к оптимизации длины лавы по Зыкову-Бурчакову заключается в следующем [26]:
1. Определяется нагрузка по техническим возможностям оборудования.
2. Определяется нагрузка по фактору проветривания.
3. Принимается меньшая нагрузка.
4. Определяется экономически выгодная длина лавы с учетом затрат, связанных с потерями надежности при увеличении длины лавы:
а) составляется функция затрат внутри лавы;
б) оставляется функция затрат от потери надежности за счет увеличения длины лавы;
в) определяется экономически выгодная длина лавы.
5. Устанавливается максимально допустимая длина очистного забоя по фактору горного давления.
6. В качестве оптимальной длины принимается наименьшая.
7. Корректируется длина лавы по фактору рациональной организации работ.
В общем виде функция затрат имеет вид
У С = С + С21 + С3 ^ 1 2 3 , (3)
где С1, С2, С3 - затраты, соответственно обратно и прямо пропорциональные и не зависящие от длины лавы, руб.
Эффективная длина определяется по формуле
1, =, С1
э \ С
и ^ о
(4)
Данный подход имеет существенный недостаток, поскольку стоимостная функция является монотонной и не имеет выраженного минимума.
В работах В.Е. Брагина, А.Н. Реме-зова [23, 27] на основе статистической обработки результатов определяется оптимальное значение производительности очистного забоя. Функция нагрузки на очистной забой устанавливается в зависимости от типа используемого оборудования, аргументом которой является длина лавы. В этих работах определена оптималь-
ная длина выемочного столба по простиранию в зависимости от типа используемого комплекса, при которой стоимость подготовки и отработки выемочного столба будет минимальной.
Установлено, что тип кровли влияет на длину выемочного столба и очистного забоя, а повышение надежности используемого оборудования и рабочего сопротивления крепи позволяют увеличивать размер выемочного поля по простиранию и длину лавы.
На пластах с легкоуправляемой устойчивой кровлей рациональная длина выемочного столба при сопротивлении крени менее 500 кН/м2 составляет 1100-1200 м, более 500 кН/м2 -1700-1800 м, рациональная длина очистного забоя составляет соответственно 150-160 м и 190-210 м.
На пластах с легкоуправляемой кровлей эти параметры соответственно равны 900-1000 м, 1300-1500 м, 100-110 м и 150-160 м, а на пластах с трудноуправляемой устойчивой кровлей - 900-1300 м, 90-100 м, 170210 м, неустойчивой - 700, 1300, 70 и 130-150 м.
Недостатком работ является, что их результаты распространяются на комплексы, поведение которых при работе изучалось, а применение новых требует дополнительных исследований.
Следовательно, производительность очистного забоя зависит от сложности горно-геологических условий, технических характеристик выемочного оборудования и технологических параметров забоя, причем между которыми должно быть соответствие, а оптимальная длина очистного забоя определяется горно-геологическими и техническими параметрами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция по расчету производственных мощностей действующих предприятий по добыче и переработке угля (сланца). - М.: ЦНИЭИуголь, 1993. - 99 с.
2. Методические положения выбора оптимальных технологических решений в проектах шахт с учетом изменчивости горно-геологических факторов. - М.: Центрогипро-шахт, 1985. - 86 с.
3. Станченко И.К. и др. Методология проектирования горных предприятий: Справочник. - М.: Недра, 1989. - 429 с.
4. Курносов А.М., Устинов М.И., Набро-дов И. П. и др. Методы оптимального проектирования угольных шахт. - М.: Недра, 1974. - 368 с.
5. Нормы продолжительности и уровня освоения проектных мощностей и экономических показателей вводимых в действие предприятий и объектов. - М.: Госплан СССР, 1985. - 69 с.
6. Степанов Ю.В. Разработка технологических решений эффективного освоения угольных месторождений малыми угледобывающими предприятиями; Автореферат диссертации кандидата технических наук. - Новокузнецк, СибГИУ, 2004. - 19 с.
7. Килячков А.П. Влияние горнотехнологических факторов на производительность труда подземных рабочих шахт Донбасса. -М.: Недра, 1978. - 87 с.
8. Зыков В.М., Белихин В.Г. Методика анализа эффективности механизированных крепей и оптимизация на ЭВМ основных элементов выемочных участков. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1967. - 25 с.
9. Майзель Л.Л., Звягин П.З., Пейсако-вич Л.Л. Выбор параметров очистного забоя на пластах полого падения. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1963. - 25 с.
10. Асташкин И.В. Применение вероятностных схем обслуживания в горном деле. -М.: Недра, 1971. - 160 с.
11. Солодов В. И. Гетопанов В.Н., Шпильберг И.Л. Надежность горных машин и комплексов. - М.: ИГД им. А. А. Скочин-ского, 1972. - 188 с.
12. Рахутин Г.С. Вероятностные методы расчета надежности, профилактики и резерва горных машин. - М.: Недра, 1970. - 204 с.
13. Беда Ф.П. Оценка эксплуатационной надежности горно-шахтного оборудования // Уголь Украины. - 1982. - № 4. - С. 27-29.
14. Авдулов П.В. Математические методы исследований в горном деле. - М.: МГИ, 1967. - 141 с.
15. Кариман С.А., Брайцев А.В., Шрам-ко В.М. Моделирование и оптимизация про-
изводственных процессов при добыче угля. -М.: Наука, 1975. - 135 с.
16. Гойзман Э.И. Моделирование производственных процессов на шахтах. - М.: Недра, 1977. - 192 с.
17. Бурчаков А.С., ЗиглинЛ.А., Ярошев-ский. Анализ надежности процессов в лавах, оборудованных комплексами. - М.: 1969. -30 с.
18. Адилов К.Н. Совершенствование технологии подземной разработки пластовых месторождений. - М.: Наука, 1979. - 304 с.
19. Беловодский В.А. Методика определения средней нагрузки на очистной забой по производственному объединению. Добыча угля подземным способом // Уголь. -1983, № 1. - С. 1-12.
20. Методика расчета нагрузки на очистной забой / Методические документы по определению нагрузок на очистные забои угольных шахт. - М.: ИГД им. А.А. Скочин-ского, 1980. - С. 11-35.
21. Каталог шахтопластов Кузнецкого, Карагандинского и Печерского угольных бассейнов с характеристикой горно-геологических факторов и явлений. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1982. - 179 с.
22. Егоров П.В., Калинин С.И. и др. Влияние зон повышенного горного давления от целиков и краевых частей на нагруженность механизированной крепи и производительность очистного забоя при отработке свиты пластов с труднообрушаемой кровлей. / Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами: Сборник научных трудов ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1987. -C. 114-119.
23. Брагин В.Е. Повышение эффективности комплексно-механизированной разработки пологих и наклонных угольных пластов Кузбасса: дисс. на соиск. ученой степени доктора тех.наук. - Кемерово, 1996. - 267 с.
24. Вылегжанин В.Н., Витковскнй Э.И., Потапов В.П. Адаптивное управление подземной технологией добычи угля. - Новосибирск: Наука, 1987. - 232 с.
25. Зыков В.М. Оптимизация основных параметров систем разработки при комплексно-механизированной выемке. - М.: ЦНИЭ-ИУголь, 1974. - 120 с.
26. Бурчаков А.С., Зыков В.М. Оптимизация систем разработки на угольных пластах. - М.: Недра, 1977. - 200 с.
27. Ремезов А.В. Повышение технического уровня и эффективности технологии выемки пологих пластов угля механизированными комплексами: Дисс. на соиск. уч. степени доктора тех. наук., 1998. - 401 с. i«:rj=i
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Ермаков Егор Анатольевич - аспирант,
начальник договорного отдела ООО «Сибнииуглеобогащение», МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru.
UDC 622.012.2(001.2) METHODICAL PROVIDING OF PLANNING OPERATING BLOCKS
Ermakov E.A., Graduate Student,
Chief of Contractual Department of Ltd. «Sibniiugleobogashcheniya», Prokopevsk, Russia,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia,
e-mail: ud@msmu.ru.
In the article a pacMarpHBaercn design technique of flowsheets of operating blocks is on the basis of different criteria of optimization.
Key words: methodology, planning, flowsheets, operating block.
REFERENCES
1. Instruktsiya po raschetu proizvodstvennykh moshchnostei deistvuyushchikh predpriyatii po dobyche i pererabotke uglya (slantsa) (Guidelines on calculation of productive capacities of operating coal (shale) mining and processing plants), Moscow, TsNlElugol', 1993, 99 p.
2. Metodicheskie polozheniya vybora optimal'nykh tekhnologicheskikh reshenii v proektakh shakht s uchetom izmenchivosti gorno-geologicheskikh faktorov (Guidelines on selection of optimized process designs in mine planning, considering variability of mining-and-geological factors), Moscow, Tsentrogiproshakht, 1985, 86 p.
3. Stanchenko l.K. Metodologiya proektirovaniya gornykh predpriyatii: Spravochnik (Mine planning methodology: Handbook), Moscow, Nedra, 1989, 429 p.
4. Kurnosov A.M., Ustinov M.I., Nabrodov l.P. Metody optimal'nogo proektirovaniya ugol'nykh shakht (Optimized coal mine planning methods), Moscow, Nedra, 1974, 368 p.
5. Normy prodolzhitel'nosti i urovnya osvoeniya proektnykh moshchnostei i ekonomicheskikh pokazatelei vvodimykh v deistvie predpriyatii i ob"ektov (Standard durations and levels of reaching design capacity and economic performance at plants and other industrial objects put into operation), Moscow, Gosplan SSSR, 1985, 69 p.
6. Stepanov Yu.V. Razrabotka tekhnologicheskikh reshenii effektivnogo osvoeniya ugol'nykh mestorozh-denii malymi ugledobyvayushchimi predpriyatiyami (Development of process solutions toward efficient coal extraction in small mines), Candidate's thesis, Novokuznetsk, SibGlU, 2004, 19 p.
7. Kilyachkov A.P. Vliyanie gornotekhnologicheskikh faktorov na proizvoditel'nost' truda podzemnykh rabochikh shakht Donbassa (Effect of mine-technical factors on personnel productivity in underground mines in Donbass), Moscow, Nedra, 1978, 87 p.
8. Zykov V.M., Belikhin V.G. Metodika analiza effektivnosti mekhanizirovannykh krepei i optimizatsiya na EVM osnovnykh elementov vyemochnykh uchastkov (Procedure of powered support efficiency analysis and the computer-aided optimization of basic elements of extraction areas), Moscow, lGD im. A.A. Skochinskogo, 1967, 25 p.
9. Maizel' L.L., Zvyagin P.Z., Peisakovich L.L. Vybor parametrov ochistnogo zaboya na plastakh pologo padeniya (Selection of parameters of production headings for gently dipping beds), Moscow, lGD im. A.A. Skochinskogo, 1963, 25 p.
10. Astashkin l.V. Primenenie veroyatnostnykh skhem obsluzhivaniya v gornom dele (Application of probabilistic maintenance schemes in mining), Moscow, Nedra, 1971, 160 p.
11. Solodov V.l. Getopanov V.N., Shpil'berg l.L. Nadezhnost' gornykh mashin i kompleksov (Reliability of mining machines and machine assemblies), Moscow, lGD im. A.A. Skochinskogo, 1972, 188 p.
12. Rakhutin G.S. Veroyatnostnye metody rascheta nadezhnosti, profilaktiki i rezerva gornykh mashin (Probabilistic procedures to calculate reliability, preventive maintenance and reserve of mining machines), Moscow, Nedra, 1970, 204 p.
13. Beda F.P. Ugol' Ukrainy. 1982, no 4, pp. 27-29.
14. Avdulov P.V. Matematicheskie metody issledovanii v gornom dele (Mathematical methods of research in mining), Moscow, MGl, 1967, 141 p.
15. Kariman S.A., Braitsev A.V., Shramko V.M. Modelirovanie i optimizatsiya proizvodstvennykh prot-sessov pri dobyche uglya (Modeling and optimizing productive processes in coal mining), Moscow, Nauka, 1975, 135 p.
16. Goizman E.I. Modelirovanie proizvodstvennykh protsessov na shakhtakh (Modeling productive processes in mines), Moscow, Nedra, 1977, 192 p.
17. Burchakov A.S., Ziglin L.A., Yaroshevskii. Analiz nadezhnosti protsessov v lavakh, oborudovannykh kompleksami (Analysis of process flow reliability in mechanized longwalls), Moscow, 1969, 30 p.
18. Adilov K.N. Sovershenstvovanie tekhnologii podzemnoi razrabotki plastovykh mestorozhdenii (Improvement of underground mining technology for stratified deposits), Moscow, Nauka, 1979, 304 p.
19. Belovodskii V.A. Ugol', 1983, no 1, pp. 1-12.
20. Metodicheskie dokumenty po opredeleniyu nagruzok na ochistnye zaboi ugol'nykh shakht (Instructional guidelines on estimation of coal face outputs), Moscow, IGD im. A.A. Skochinskogo, 1980, pp. 11-35.
21. Katalog shakhtoplastov Kuznetskogo, Karagandinskogo i Pecherskogo ugol'nykh basseinov s kharak-teristikoi gorno-geologicheskikh faktorov i yavlenii (Catalog of coal beds within mine fields in the Kuznetsk, Karaganda and Pechora coal basins with characteristics of mining-and-geological factors and phenomena), Moscow, IGD im. A.A. Skochinskogo, 1982, 179 p.
22. Egorov P.V., Kalinin S.I. Vzaimodeistvie mekhanizirovannykh krepei s bokovymi porodami: Sbornik nauchnykh trudov IGD SO AN SSSR (Interaction between powered support and sidewall rocks: Collected scientific papers of the Institute of Mining, Siberian Branch, USSR Academy of Sciences), Novosibirsk, 1987, pp. 114-119.
23. Bragin V.E. Povyshenie effektivnosti kompleksno-mekhanizirovannoi razrabotki pologikh i naklon-nykh ugol'nykh plastov Kuzbassa (Effectivization of integrated mechanized mining of flat and inclined coal beds in Kuzbass), Doctor's thesis, Kemerovo, 1996, 267 p.
24. Vylegzhanin V.N., Vitkovskni E.I., Potapov V.P. Adaptivnoe upravlenie podzemnoi tekhnologiei do-bychi uglya (Adaptive control of underground coal mining technology), Novosibirsk, Nauka, 1987, 232 p.
25. Zykov V. M. Optimizatsiya osnovnykh parametrov sistem razrabotki pri kompleksno-mekhanizirovannoi vyemke (Optimization of basic parameters of integrated mechanized mining methods), Moscow, TsNIEIugol', 1974, 120 p.
26. Burchakov A.S., Zykov V.M. Optimizatsiya sistem razrabotki na ugol'nykh plastakh (Optimization of coal bed mining methods), Moscow, Nedra, 1977, 200 p.
27. Remezov A.V. Povyshenie tekhnicheskogo urovnya i effektivnosti tekhnologii vyemki pologikh plastov uglya mekhanizirovannymi kompleksami (Improvement of engineering level and efficiency of mechanized flat coal mining technology), Doctor's thesis, 1998, 401 p.
НОВИНКИ ИЗДАТЕЛЬСТВА «ГОРНАЯ КНИГА»
ПОДЗЕМНАЯ РАЗРАБОТКА
мкошшшшш полезных
UCKirtWEMbLK
Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. Том 1
Пучков Л.А., Жежелевский Ю.А. Год: 2015, второе издание Страниц: 562 ISBN: 978-5-98672-389-1 UDK: 622.27
На единой теоретической и методической основе изложены вопросы вскрытия, подготовки шахтных полей и системы разработки угольных месторождений, что исключает дублирование материалов и способствует его лучшему усвоению. Обобщен передовой опыт вскрытия и подготовки шахтных полей угольных месторождений в России и за рубежом. Даны основные понятия и объяснение специальных терминов. Приведены методики оптимизации горно-технических параметров, выбора схем вскрытия и подготовки шахтных полей угольных месторождений, принципы конструирования вариантов систем разработки и определения основных параметров. Отдельный раздел посвящен разработке рудных месторождений.
