CC BY
51
УДК 622. 271 М.Р. Штейнцайг
МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ВЫСОТЫ УСТУПА КАРЬЕРА ПЕРВОЙ ОЧЕРЕДИ ПРИ УГЛУБОЧНО-СПЛОШНЫХ СИСТЕМАХ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Эффективность открытой угледобычи при освоении перспективных месторождений Кузбасса обеспечивается при углубочно-сплошных системах разработки. Техногенный потенциал выработанного пространства формируется строительством карьеров первой очереди. Разработана методология и установлены параметры схем геотехнологий, обобщаемые высотой уступа.
Ключевые слова: углубочно-сплошные системы открытой угледобычи, карьер первой очереди, высота уступа, эффективность инвестиций
M.R. Shteyntsayg
A METHODOLOGY FOR DETERMINATION THE HEIGHT OF THE BANK OF THE FIRST-STAGE OPEN-PIT MINE AT SINKING-ALL-WORK MINING METHODS OF COAL DEPOSIT’S DEVELOPMENT
The effectiveness of the open pit mining at developing of the perspective coal deposits in Kuzbass can be improved by the use of "sinking- allwork" methods. The man-caused potential of the open area of the pit is generated by the means of construction of the first stage open-pit mine. The methodology and main technological parameters of the geotechnology, generalized by the height of the bank, have been developed.
Key words: sinking- all-work methods of open-pit coal mining works, the first stage open-pit mine, the height of the bank, return of investments.
нтенсификация открытого способа добычи угля, главным образом,- за счет вновь осваиваемых месторождений этого минерального ископаемого в Сибирском и Дальневосточном федеральных округах, предопределена логикой реализуемых правительственных директив.
Учитывая качественные характеристики намечаемого к добыче сырья и степень инфраструктурного обеспече-
ния приоритетных геолого-эконо-мических районов, в планируемой перспективе наиболее высокие темпы прироста объемов открытой угледобычи следует ожидать в Кузнецком бассейне.
Здесь, как показывают результаты технико-экономического обоснования кондиций природной ресурсной базы, около 80% запасов минерального ископаемого, доступных открытому спо-собу добычи, сосредоточены в месторождениях, представленных свитами наклонных и крутопадающих пластов с суммарной мощностью угольных залежей около 200 м, при экономически оправданной глубине создаваемой рабочей зоны до 400 м.
В таких характерных горно-геологических условиях, как следует из теории и практики открытой угледобычи [1;2], предпочтительными являются углубочно-сплошные системы разработки, предусматривающие активное использование техногенного ресурса выработанного пространства для размещения здесь не менее 75 % перерабатываемых вскрышных пород.
Относительное снижение затрат на транспортирование вскрышных пород
%
Рис. 1
Прогрессивность концепции применения углубочно-сплошных систем разработки, в частности, иллюстрируется следующими результатами проведенных исследований влияния горно-технических факторов (глубина рабочей зоны Нрз., высота отрабатываемого уступа Ну, дальность L доставки вскрышных пород к местам их складирования) на затраты Зтек, обуславливаемые технологической необходимостью перемещения перерабатываемой горной массы.
Известно [3;4], что энергоемкость Э процессов транспортировки вскрышных пород определяется как:
- при внешнем отвалообразовании в ярусах высотой
Эвнеш= [Нр,Ь(1+1/8та) +
+ЛЫу(2Ьф+Ьо) + + ЬоЩб, Дж;
- при внутреннем отвалообразовании:
Эвнут
Л§[2Ыр.з.+ Ьф+Ь+2(Ыу+Ьо)/
/Sina], Дж,
где Lф, Ь- протяженность фронта горных работ вкрест и по простиранию угольной залежи, м; a-угол падения угольной залежи, град; А-ширина рабочей площадки, м; Lo-дальность транспортировки по отвальному ярусу, м; g-ускорение свободного падения.
Полагая, что величина Зтек пропорциональна энер-гозатратам соответст-
вующего процесса, несложно установить, что при реализации техногенного потенциала выработанного пространства представляется возможным примерно в 4,5 раза сократить ресурсоемкость транспортных операций. При этом степень влияния Ну на интенсивность снижения транспортных расходов при переходе на внутреннее от-валообразование оценивается уравнением связи Д Зтек=0,456 * Ыу-0,47, % (при корреляционном отношении г = 0,9).
Исследование этой зависимости показывает, что заметное сокращение транспортных затрат возможно при уменьшении Ну до 8-10 м. В тоже время, увеличение этого параметра более чем на 15 м практически не оказывает влияния на Зтек при углубочно-сплошных системах разработки (рис. 1).
В общем случае, принципы построения углубочно-сплошных схем геотех-нологичй, гарантирующие их техникоэкономическую эффективность и социально-экологическую приемлемость, сводятся к следующему: ограничение глубины отработки на наименее угленасыщенном фланге (карьер первой очереди) при условии вовлечения в эксплуатацию основных запасов минерального ископаемого у противоположного фланга осваиваемого месторождения на полную расчетную глубину рабочей зоны; управление направлением, темпом углубки и скоростью подвигания фронта горных работ по простиранию угольной залежи с целью создания возможности
УГОЛЬНЫЕ РАЙОНЫ КУЗБАССА
Рис. 2
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНЫХ РАЙОНОВ КУЗБАССА, ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДЛЯ ОТКРЫТОЙ УГЛЕДОБЫЧИ
Месторож Д4Ш НаНТОНОЕ!- нирафе» Мшщость пжта йол гадают ПЖП,1р1Д Кол-во гтосп Запашуинпо ’ПКШШКИК.ВК! ПрСНЫШШШЬЕ запасы 1$<м. КОЗфф. Ойщм овьем ддрыши
(<рда)л от-до еИВШОЕЫЙ прошит. пигсрнт лассе, тыст з*. м ,т ЕС (ТО, 3 шеи е тн .наносы, 3 тыс м
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
ДЙПЕуИЩе иперомнрнднын рГфнЦ
УрОШЕОв ‘ЪеШЕСКЙ’ 143-12,4 6-35 8 31752 28903 32133 7*6 252600 78100
“Сцпвди" 334-12,94 6-75 7 1294-34 120457 135126 7,1 965000 230500
‘ЗздйрОЕОЯЙ'’ 1,45-11516 8-11 3 25934 24498 26349 4,0 106100 37600
Кркотки ‘Тйршнояй’’ ‘ТТерШПЕОПЙ" 3,14-21,78 3,44-11,16 5-18 13-15 4 3 50772 3281 46727 3133 50540 3599 2,7 5,0 134550 18100 15890 3040
‘йпяояй" 4,4-14*7 20-33 3 2517 2326 2496 5,7 143» 4430
1Е!р. "ТОфжаотт ■ Юянык” 2,44-13* 0-15 4 32378 28047 29499 3,1 90950 43450
ПЕф. ‘ТОфжантш- Юяный” 2,44-0,0 0-15 5 108024 106170 13204-0 3.2 417087 102420
‘Д^пйеош" 2,71-17,24 5-45 19 нд. 116700 нд. 3,3 391600 нд
Сшеро ‘ТавдноЕш” 1,58-213 5-45 11 417921 390726 456133 5,17 2358350 155550
Талдшское "йлданский- СнЕнрНЬЖ" 4 >1 6.9 10-3) 9 163515 157961 175708 5,1 837940 95630
ЧЬдпкаои?’ 2-15 2-8 9 66636 62300 70569 4,0 285000 60800
Нио-казаюое ‘Бз: жазаюий-■ЙШД1ЫН 2^89-18,15 15-55 13 59304 55445 62804 4,7 295307 32887
‘ТСавишаногоГ 2^14-14,52 12-45 7 100739 93085 110291 4*9 539650 58710
Тропоое 17роший-Г 2,94-10* 5-75 8 129241 120144 136738 7,5 1020180 196770
‘7рстин-3" 5*2-18,74 7-73 11 210796 195925 213820 4,73 1012000 150000
‘Икиш” 2,15-20,25 8-75 21 766788 734421 804733 5,4 4351400 196770
Каракиское 1Кфаканснй1-2" ‘Крканиик Восточный" 3,14-21,78 2^20,3 5-75 10-7? 11 28 646159 нд. 611854 653,5 676834 нд. 5,9 5,1 3999000 3337300 226000 н.Д
‘Кциканиик Юиный-2” 1,64-14* 2-5 5 224300 191980 253910 2,7 695700 102500
‘Берииыхпнапй” ‘Нсииыхгмом?’ 2,3-24^3 4 Л-16,0 15-60 27-73 6 6 66645 32320 62000 30750 74780 33010 7.1 5.1 532570 169750 75680 21490
‘Штатный” 2*8-24 14* 6 25180 23680 26860 5,0 134150 35250
Зшаучастка 4 Л 16,0 4Ц0-7Ц0 20 171900 163950 183410 4,6 838150 85260
мшкрафезош
Нсвжаанши ‘Няокваноии-Г 2*-18,7 15-55 11 60624 56210 64041 7,8 498300 11300
‘На<мз?ший-2" 2*-18,7 15-55 11 214979 207778 227096 6,8 1544700 81000
Рис. З
Рис. 4
Рис. 5
В характерных горно-геологичес-ких условиях угольных месторождений Кузбасса (рис. 2) рациональная глубина карьера первой очереди оценивается в 70-120 м [5], что обеспечивает техникоэкономическую эффективность углу-бочно-сплошных систем разработок как на этапе строительства добывающего предприятия, так и при отработке запа-
сов минерального ископаемого в период эксплуатации осваиваемых месторождений.
В конкретной горногеологической обстановке достижение задаваемых результирующих показателей эффективности осваиваемых инвестиционных ресурсов обеспечивается управлением линейными параметрами элементов системы разработки, обобщаемыми высотой уступа карьера первой очереди (в соответствии с теоретическими основами открытых горных разработок, априори принимается равенство высот рабочих уступов на этапах строительства и эксплуатации угледобывающего предприятия).
Алгоритм разработанной методики обоснования этого технологического параметра карьера первой очереди представлен на рис. 3 Критериями целесообразности рекомендуемых к реализации технико-технологических решений на базе обосновываемой высоты рабочего уступа карьера первой очереди являются оценки дисконтированной доходности (КРУ) и внутренней нормы дохода (1К^), основанные на принципах Г. Хоскольда, а также такие показатели эффективности инвестиций как минимальные сроки вовлечения в отработку возможно больших объемов минерального ископаемого.
Результаты графо-аналитического анализа влияния высоты уступа на средние значения коэффициента вскрыши, позволяют установить соответствующую
Рис. 6
Рис. 7
зависимость Квск = 21,1Ну-0 65, м3/т (при г=0,83). Исследование этой зависимости (рис. 4) методом конечных приращений дает возможность оценить область рациональных значений Ну > 10 м, при которых практически неощутимо влияние Ну на величину Квск.
Проведенными исследованиями было установлено, что сокращение периода подготовки угледобывающего предприятия к эксплуатации (рис. 5) с задаваемой производственной нагрузкой обеспечивается увеличением вы-соты уступа
карьера первой очереди Тосв=256,9Ну-06, лет (при г=0,84).
Однако, при этом заметно сокращается приемная способность создаваемого выработанного пространства (рис. 6):
Оо=73,7Ну-1’04, млн. м3 (при г=0,87).
Очевидно, что выбор высоты уступа карьера первой очереди оказывает влияние не только на темпы вовлечения в хозяйственный оборот природной ресурсной базы и параметры формируемой рабочей зоны угледобывающего предприятия, но и на результирующие производственно-экономические его показатели, которые в обобщенном виде интерпретируются величиной удельных приведенных затрат
Спр=ЕК+S, руб/т (где Е- нормируемая рентабельность горного производства; К и S-соответственно, удельные капитальные затраты и текущие эксплуатационные издержки по процессам открытой угледобычи, руб/т). Поскольку высота уступа определяет массо-габаритные (а, следовательно,-стоимостные) характеристики применяемой выемочно-погрузочной и сопря-жено-эксплуатируемой горно-транспортной и вспомогательной техники, для задаваемой мощности угледобывающего предприятия представляется возможным установить взаимосвязь между величиной удельных приведенных эксплуатационных затрат и высотой рабочих уступов. Так, применительно к упоминаемым выше характерным гор-
Рис. 8
Рис. 9
но-геологчиеским условиям вновь осваиваемых месторождений Кузбасса при задаваемой мощности угольного разреза порядка 2,5 млн тонн в год, уравнения связи исследуемых параметров на этапах строительства и эксплуатации угледобывающего предприятия имеют вид:
Спр стр= - 0,028Ну3 + 1,455Ну2 --25,08Ну + 48,2, руб/т (при г=0,87);
Спр эксп= 11,411пНу + 29,4, руб/т (при г=0,85)
При этом взаимосвязь массогабаритных показателей выемочно-погрузоч-ной техники и высоты отраба-
тываемых уступов (при соблюдении безопасных условий эксплуатации с задаваемой интенсивностью соразмерной емкости ковша экскаватора q) определяется установленными уравнениями регрессии для механических лопат (ЭКГ) и гидрофициро-ванных экскаваторов (ЭГ): Gэкг= 34,03Ну + 16^ --244,7, т
(при коэффициенте множественной корреляции
R=0,83);
G эг= 16,66НУ + 20,11q --116,8, т
(при коэффициенте множественной корреляции
R=0,85)
Условно стоимость 1 т рабочей массы того, либо иного вида карьерных экскаваторов, понимаемая как некий интегральный показатель складывающейся рыночной цены на комплектующие механо-метал-
лоизделия и силовое элек-тро-, гидрооборудование, определяется соответствующими маркетинговыми исследованиями.
Установленные взаимосвязи Спр 1= =В(Иу) весьма эффективно могут быть использованы на стадии принятия концептуальных технико-техноло-гических решений и выявления области поиска оптимальных значений Ну для конкретной горно-геологической обстановки намечаемого к освоению угольного месторождения.
В своей совокупности результаты проведенных исследований по установлению взаимосвязи высоты уступа карьера первой очереди с результирующими
технико-экономическими и социальноэкологическими показателями при углу-бочно-сплошных системах разработки угольных месторождений в характерных горно-геологи-ческих условиях Кузбасса позволяют рекомендовать к пользованию на этапе предпроектных проработок следующие зависимости, характеризующие эффективность освоения задал-живаемых инвестиционных ресурсов и период их окупаемости (Ток): NPV=-0,171Ну4+5,144Ну3-49,028Ну2+ +266,41Ну + 1048,6, млн. руб (при г=0,83);
ЖЯ=-0,001Ну4+ 0,024Ну3 -0,149Ну2+
+ 1,274Ну + 21,916, % (при г=0,87);
Ток= 0,002 Ну3 - 0,047Ну2 +0,155Ну + +7,791, лет (при г=0,85)
Графическая интерпретация установленных взаимосвязей представлена на рис. 7, 8, 9, соответственно.
1. Томаков П.И., Коваленко В.С. Природоохранные технологии открытой разработки крутых и наклонных угольных месторождений Кузбасса. Уголь №1 1992.
2. Коваленко В.С. Методологические основы обоснования местоположения отвалов вскрышных пород с учетом оценки природной среды и природных ресурсов- в сб. научн. тр. «Комплексное освоение месторождений твердых полезных ископаемых». - М: Недра, 1991, №1.
3. «Мировая Горная Промышленность 2004-2005: история, достижения, перспективы», под ред. Щадова М.И. - М.: НТЦ «Горное дело», 2005.
Разработанная методика выбора рациональной высоты уступа карьера первой очереди апробирована практикой проектирования разреза «Инской-2» на Черемшанском угольном месторождении Кузбасса, где в отработку вовлекаются пять сближенных наклонных пластов суммарной мощностью 80м. Здесь фактически обеспечиваемые основные производственно-экономические показатели с достаточной для инженерных расчетов точностью (коэффициент вариации не более 35%) корреспондируются с расчетными данными: при расчетной мощности предприятия в 2,5 млн т в год рекомендуемая высота уступа карьера первой очереди составляет 12 м, что позволяет примерно на 8 % повысить производственную нагрузку на пусковой комплекс предприятия и почти на 10% сократить при этом текущие эксплуатационные издержки.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Реентович Э.И. «Экорномическое обоснование параметров карьеров», М., 1952.
5. Талант В.В. Обоснование параметров и технологии строительства карьера первой очереди при углубочно-сплошных поперечных системах разработки. Автореф. канд. дис. - М.: МГГУ, 2006.
6. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Учебник для вузов. Ч. 2 Технология и комплексная механизация- 4е изд. - М.: Недра, 1985.
7. Мельников Н.В. «Краткий справочник по открытым горным работам». - М.: Недра, 1982.
И'.ГЛ
Коротко об авторе
Штейнцайг М.Р. - аспирант, ud@msmu.ru Московский государственный горный университет,
