CC BY
79
УДК 622.33.013.3 © А.А. Мешков, М.А. Волков, А.А. Ордин, А.М. Тимошенко, Д.В. Ботвенко, 2018
О рекордной длине и производительности очистного забоя шахты имени В.Д. Ялевского
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-7-4-7
МЕШКОВ Анатолий Алексеевич
Канд. техн. наук,
первый заместитель генерального директора -технический директор АО «СУЭК-Кузбасс», 652507, г. Ленинск-Кузнецкий, Россия
ВОЛКОВ Михаил Александрович
Канд. техн. наук,
заместитель технического директора АО «СУЭК-Кузбасс», 652507, г. Ленинск-Кузнецкий, Россия, e-mail: VolkovMA@suek.ru
ОРДИН Александр Александрович
Доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник Института вычислительных технологий СО РАН, 630090, г. Новосибирск, Россия, тел.: +7 (913) 910-57-17, e-mail: ordinaa@ngs.ru
ТИМОШЕНКО Александр Михайлович
Канд. техн. наук,
исполнительный директор АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия
БОТВЕНКО Денис Вячеславович
Канд. техн. наук,
заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия
Поставлена и решена задача обоснования технической возможности и экономической целесообразности увеличения длины лавы № 5003 шахты имени В.Д. Ялевского АО «СУЭК-Кузбасс» до 400м и производительности до 70 тыс. т/сут. при отработке мощного угольного пласта. Проведенные расчеты по метановыделению в очистном забое № 5003 показывают, что при данной длине и производительности очистного забоя прогнозируется на исходящей струе концентрация метана 0,53% и ограничение по газовому фактору не происходит. Ключевые слова: шахта,угольный пласт, фракционный состав, метановыделение, скорость подачи, производительность, очистной комбайн.
ВВЕДЕНИЕ
Стратегией развития угольной промышленности России до 2030 г. предусматривается увеличение добычи угля по стране до 505 млн т [1]. В Кузбассе в 2017 г. добыто рекорд-
ное количество угля - 241 млн т, из них 85 млн т - подземным способом.
Шахта имени В.Д. Ялевского АО «СУЭК-Кузбасс» отрабатывает мощные пологие пласты Соколовского угольного месторождения. Шахта отнесена к сверхкатегорной по метану, природная метаноносность углей составляет 17,55 м3/т.
В АО «СУЭК-Кузбасс» совместно с ИВТ СО РАН и АО «НЦ ВостНИИ» поставлена и решена задача обоснования технической возможности и экономической целесообразности увеличения длины лавы № 5003 до 400 м и производительности до 65-70 тыс. т/сут.
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОЗМОЖНОСТИ
И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ
УВЕЛИЧЕНИЯ ДЛИНЫ ЛАВЫ
Лава № 5003 проектируется для отработки мощного пологого угольного пласта 50 шахты имени В.Д. Ялевского системой разработки «длинные столбы по простиранию» (рис. 1).
Пласт 50 мощностью 3,79 м залегает на глубинах от 100 до 260 м и имеет простое строение. Пласт опасен по взрывчатости угольной пыли, склонен к самовозгоранию с инкубационным периодом 57 сут. Пласт с глубины 220 м относится к угрожаемым по горным ударам [2]. Лава оснащена комплексом РВТ, в который входят: механизированные крепи РВТ 220/480 и 2400/5000, очистной комбайн SL-900, забойный скребковый конвейер SH РР 6/1142, штрековый скребковый конвейер SH РР 6/1342, дробилка SK 11/14 [2].
Для расчета технической производительности очистного комбайна предварительно определяется скорость его подачи при выемке угля по формуле [3, 4]: 30 N цпи
v =
м/мин.,
(1)
fP cos а + P sin а + SDn3K где: N - мощность электродвигателя рабочего органа, кВт; ц = 0,95 - КПД редуктора исполнительного органа для очистных комбайнов; н1л - количество резцов в одной линии резания; D - диаметр шнеков комбайна, м; f = 0,18-0,25 - коэффициент трения между комбайном и конвейером; P - вес комбайна, кН; а - угол залегания пласта, градус; нз - количество резцов, разрушающих забой одновременно (для большинства очистных комбайнов в работе обычно участвует половина всех резцов на шнеке); К = К К К К К. - ко-
1 ^ от a b з.р фр
эффициент, учитывающий отжим угля и другие параметры; Кот - коэффициент отжима, учитывающий уменьшение сил резания вследствие горного давления.
Теоретическая производительность очистного комбайна определяется с учетом (1) по формуле: 30ymrN цп1л
A =
fP cos а + P sin a + SDn3K
, т/мин.,
(2)
Рис. 1. План горных выработок по выемочному участку пласта 50 шахты имени В.Д. Ялевского Fig. 1. Plan of mine workings on the working area of the seam 50 of the V.D. Yalevskymine
где: у - объемный вес угля т/м3; т - вынимаемая мощность угольного пласта, м; г - ширина захвата комбайна, м.
По проекту [1] мощный пласт 50 принят к отработке очистным комбайном SL-900 по односторонней схеме, при которой пласт делится на два уступа. Верхний уступ мощностью т1, равной диаметру шнека 2,8 м, отрабатывается комбайном при движении вверх по лаве. Нижний уступ мощностью 1 м отрабатывается комбайном при движении вниз по лаве с одновременной зачисткой почвы пласта. Косой заезд комбайна осуществляется один раз за цикл в нижней части лавы. Результаты расчета производительности лав на рис. 2.
Анализ полученных результатов показывает, что при отработке комбайном нижнего уступа мощностью 1 м со скоростью подачи 38 м/мин. техническая производительность очистного комбайна составляет: 50483 т/сут. при двух рабочих сменах по 8 ч; 56793 т/сут. при 2,25 рабочих сменах по 8 ч; 66258 т/сут. при трех рабочих сменах по 7 ч; 75724 т/сут. при трех рабочих сменах по 8 ч. Таким образом, по техническим возможностям очистного комбайна SL-900 максимальная суточная добыча угля из лавы № 5003 может составить 75724 т/сут. при организации очистных работ в три рабочие смены по 8 ч.
Проведены расчеты оптимальной длины лавы № 5003 по критерию максимума чистого дисконтированного до-
хода, получаемого шахтой имени В.Д. Ялевского за период отработки панели [4]:
с-.)^) -|ЧЛ4> _ + к =
0 с £ (1 + Е)' £ (1 + Е)' 0 V к ' 0
(s - c)ymL L (1 -T (Lo) P
b
L + b
)-
S(L„)
T (L0)
L
L + b
(2c„Lc + 2cMLo + cnLo cos a) - KB - (kk + kc )Lo ^ max; (3) при соблюдении ограничения по условию вентиляции:
A(L)<AB>
где: AB - допускаемая производительность забоя по фактору вентиляции; Е - норма дисконта; с, ср - себестоимость соответственно очистных и подготовительных работ, руб./т; Ko - капитальные затраты на приобретение очистного комбайна, руб.; kk kc - удельные капитальные вложения на приобретение соответственно механизированной крепи и скребкового лавного конвейера, руб./м; 8(Lo) - коэффициент аннуитета, определяемый по формуле Моркилла:
5(4}=E i1 -
(4)
90000
80000
70000
X
>. и 60000
р"
а 50000
Е
40000
Т
Jb Щ 50000
5 20000
10000
О
-
*
/
100
HQO 500
-Добыча при количеств часов
- Добыча при количестве часов (2,2 5 т/сутки
Добыча при количестве часов (3*7), Т/сутки
Добыча при количестве часов (3*Й)гт/суткн
200 300 Длина лавы,м
Рис. 2. Зависимости суточной добычи угля от длины лавы № 5003 Fig. 2. Dependences of daily coal production on the lava No. 5003 length
Анализ результатов расчета показывает, что максимум ЧДД достигается при длине лавы 512 м. Практически, равноценными являются также варианты длины лавы 500 и 525 м. При длине лавы 512 м оптимальными являются параметры: извлекаемые промышленные запасы угля в панели - 23768 тыс. т; количество выемочных столбов - пять; количество штреков - 10; потери угля в охранных межлавных целиках - 1902 тыс. т, или 7,4%; срок отработки панели - 4,6 лет со среднегодовым объемом добычи угля 5200 тыс. т в год.
При увеличении длины лавы с 400 до 512 м значительно (на 20,7%) снижаются потери угля в охранных межлавных целиках и затраты на проходку штреков (на 16,7%). Однако чистый дисконтированный доход при этом увеличивается всего на 0,5%, что позволяет сделать вывод о равноценности проектного варианта с длиной лавы 400 м и оптимального варианта с длиной лавы 512 м.
Скорость подачи комбайна
Рис. 3. Зависимость метановыделения из отбитого угля от скорости подачи комбайна и производительности лавы № 5003
Fig. 3. Dependence of methane release from the broken-down coal on the combine intake velocity and the lava No. 5003 productivity
Полученные результаты проверены по пропускной способности забойного скребкового конвейера и газовому фактору.
Расчетные значения метановыделения из отбитого угля от скорости подачи очистного комбайна и производительности лавы № 5003 определены по формуле [5]:
в( х) =
_ 180уптгк1(0.9Х(1 + ЬРа) - аЬРа) ^ р, (уп)
-х-1
R2
, м /мин.; (5)
рЬ(а - 0.9X) ,=1
где: X = Хс + Хсе - природная метаноносность разрабатываемого пласта, м3/т; X, Хсе - соответственно объем сорбированного и свободного метана в угле, м3/т; а, Ь - постоянные изотермы И. Ленгмюра; k - количество классов фракций отбитого угля; к1 - коэффициент проницаемости угля, м2; Р, Ра- соответственно поровое давление газа внутри куска угля и атмосферное давление в забое, Па; ц - абсолютная вязкость среды на пути фильтрации метана, Па-с; р.(у) - зависимость выхода класса 1-й фракции от скорости движения очистного комбайна, %; Я. - средний радиус частицы угля 1-й фракции, м.
Расчеты метановыделения сделаны для проектного режима работы лавы № 5003: две рабочие смены по 8 ч и приведены на рис. 3,4.
Для расчета порового давления и дебита метана использованы следующие данные: коэффициент проницаемо-
330
Длин?ляны,м
-количество воэду« в mVmhh. -концентрации метзнэ
Рис.4. Зависимости количества воздуха и концентрации метана от длины лавы № 5003
Fig. 4. Dependences of the air amount and methane concentration on the lava No. 5003 length
сти угля, к1 = 0,01-10-15 м2; константы десорбции Ленгмюра: а = 49,3 м3/т, Ь = 0,207 х 10-6 Па-1; динамическая вязкость метана ц = 1,05 х 10-5 Па-с; частота вращения шнека п = 29 мин.-1; вылет резца: кр = 0,08 м.
Анализ полученных значений показывает, что наибольшее ме-тановыделение происходит при низкой скорости подачи очистного комбайна в пределах 5 м/ мин. Затем с увеличением скорости подачи комбайна метано-выделение нелинейно снижается и при проектных значениях скорости подачи 19,5-19,8 м/мин. и производительности забоя 37000 т/сут. составляет 12,5 м3/мин., что близко к фактическим значениям 12,88 м3/мин. в мае 2017 г.
Таким образом, при существующей длине 400 м лавы № 5003 и схеме проветривания очистного забоя увеличение его производительности до 75 тыс. т/сут. приводит к снижению метановыделения с 12,5 до 12,3 м3/мин. и тем самым не лимитирует нагрузку на очистной забой по газовому фактору.
По фактическим данным работы лавы № 5003 в мае 2017 г. количество воздуха на входящей струе составляет 3200 м3/мин. и на исходящей струе - 2300 м3/мин. Утечки воздуха через секции механизированной крепи составляют 900 м3/мин., или 2,25 м3/мин. на 1 м длины лавы, или 3,9 м3/мин. на одну секцию крепи.
Количество воздуха в лаве № 5003 снижается по линейной зависимости, а концентрация метана возрастает по нелинейной, гиперболической зависимости. При фактической длине 400 м лавы № 5003 концентрация метана на исходящей струе составляет 0,56%. При длине лавы 600 м концентрация метана соответствует предельной - 1%. Отсюда следует, что предельная допустимая по газовому фактору длина лавы составляет 600 м и соответствующая допускаемая производительность очистного забоя равна 80 тыс. т/сут.
Таким образом, расчеты показывают, что при длине лавы 400 м и увеличении производительности до 70 тыс. т/сут. ограничения по газовому фактору не ожидаются вследствие снижения метановыделения из отбитого угля с 12,5 до 12,3 м3/мин., при этом ожидается снижение концентрации метана на исходящей струе до 0,53%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных расчетов по лаве № 5003 шахты имени В.Д. Ялевского получены следующие выводы и практические рекомендации: - технические возможности очистного комбайна SL-900 позволяют увеличить производительность лавы № 5003 до 75 тыс. т/сут., что может быть достигнуто при режиме очистных работ в три рабочие смены по 8 ч и увеличении скорости подачи очистного комбайна SL-900 до 38 м/мин. при отработке обратным ходом нижнего уступа мощностью 1 м;
- расчет пропускной способности скребкового конвейера SH РР 6/1142 показывает техническую возможность увеличения производительности очистного забоя № 5003 до 69 тыс. т/сут. при указанном режиме работы;
- расчеты показывают экономическую целесообразность увеличения длины лавы до 500 м при отработке пласта 50, длина 400 м лавы № 5003 близка к оптимальной. При увеличении длины лавы с 400 до 512 м значительно (на 20,7%) снижаются потери угля в охранных межлавных целиках и затраты на проходку штреков (на 16,7%). Однако чистый дисконтированный доход при этом увеличивается всего на 0,5%, что позволяет сделать вывод о равноценности проектного варианта с длиной лавы 400 м и оптимального варианта с длиной лавы 512 м;
- увеличение скорости подачи очистного комбайна SL-600 до 38 м/мин. вызывает снижение метановыделения в очистной забой с 12,5 до 12,3 м3/мин. вследствие увеличения выхода крупных фракций более 100 мм и соответствующего снижения дебита метана;
- при длине лавы 400 м и увеличении производительности до 69 тыс. т/сут. ограничение по газовому фактору не ожидается вследствие снижения метановыделения из отбитого угля, при этом прогнозируется снижение концентрации метана на исходящей струе с 0,56 до 0,53%.
Полученные результаты исследований переданы в АО «СУЭК-Кузбасс» и позволили достичь в очистном забое №5003 длиной 400 м в мае 2017 г. рекордной производительности 1407 тыс. т/мес.
Список литературы
1. Долгосрочная программа развития угольной промышленности России на период до 2030 года. М., 2012.
2. Технический проект разработки Соколовского каменноугольного месторождения. Отработка запасов пластов 50 и 52 в границах шахтоуправления «Котинская» АО «СУЭК-Кузбасс» с объединением сети горных выработок шахт им. В.Д. Ялевского и «Котинская». I этап. Дополнение № 3. Т. 1. Книга 1 / ООО НПЦ ВостНИИ, 2017.
3. Ордин А.А., Метельков А.А. Оптимизация длины лавы и производительности комплексно-механизированного очистного забоя угольной шахты // ФТПРПИ. 2013. № 2. С.100-113.
4. Ордин А.А. Никольский А.М., Метельков А.А. Моделирование и оптимизация технологических параметров очистных и подготовительных работ в панели угольной шахты // ФТПРПИ. 2013. № 6. С. 117-127.
5. Ордин А.А., Тимошенко А.М. Нелинейные зависимости метановыделения от природной метаноносности угольного пласта и кинематических параметров резцов очистного комбайна // ФТПРПИ. 2017. № 2. С.110-117.
UNDERGROUND MINING
UDC 622.33.013.3 © A.A. Meshkov, M.A. Volkov, A.A. Ordin, A.M. Timoshenko, D.V. Botvenko, 2018 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 7, pp. 4-7
Title
on record length and productivity of highwall mining the v.d. yalevsky mine
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-7-4-7 Authors'
Meshkov A.A.', Volkov M.A.1, Ordin A.A.2, Timoshenko A.M.3, Botvenko D.V.3
1 "SUEK-Kuzbass" JSC, Leninsk-Kuznetskiy, 652507, Russian Federation
2 Institute of Computing Technologies of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, the Federal State Budgetary Institution of Sciences (FSBIS), Novosibirsk, 630090, Russian Federation
3 "Scientific Centre "VostNII" for Industrial and Environmental Safety in Mining Industry" JSC, Kemerovo, 650002, Russian Federation
Authors' Information
Meshkov A.A., PhD (Engineering), Technical Director Volkov M.A., PhD (Engineering), Deputy Technical Director, e-mail: VolkovMA@suek.ru
Ordin A.A., Doctor of Engineering Sciences, Leading researcher, tel.: +7 (913) 910-57-17, e-mail: ordinaa@ngs.ru Timoshenko A.M., PhD (Engineering), Executive Director Botvenko D.V., PhD (Engineering), Head of laboratory
Abstract
They set and resolved the task of justification of the technical and economic feasibility of increasing the length of the lava No. 5003 of'SUEK-Kuzbass" JSC the V.D. Yalevsky mine up to 400 m and a capacity of up to 70,000 tons per day when working out a high coal. The methane release calculations made in the highwall mining No. 5003 show that with a given length and productivity of the highwall mining, a methane concentration of 0.53% is predicted on the outgoing jet and no gas restriction occurs. Figures:
Fig. 1. Plan of mine workings on the working area of the seam 50 of the V.D. Yalevsky mine
Fig. 2. Dependences of daily coal production on the lava No. 5003 length Fig. 3. Dependence of methane release from the broken-down coal on the combine intake velocity and the lava No. 5003 productivity Fig. 4. Dependences of the air amount and methane concentration on the lava No. 5003 length
Keywords
Mine, Coal Seam, Fractional composition, Methane release, Intake velocity, Productivity, Cutter-loader.
References
1. Dolgosrochnaya programma razvitiya ugol'noy promyshlennosti Rossii na period do 2030 goda [Long-term program of the Russian coal industry development for the period until 2030]. Moscow, 2012.
2. Tekhnicheskiy proekt razrabotki Sokolovskogo kamennougol'nogo mestorozh-deniya. Otrabotka zapasov plastov 50 i 52 v granitsakh shakhtoupravleniya «Kotinskaya» AO «SUEK-Kuzbass» s ob"edineniem seti gornykh vyrabotokshakht im. V.D. Ya-levskogo i «Kotinskaya». I etap. Dopolnenie № 3. T. 1. Kniga 1 [Technical project of the Sokolovskoye coal field development. Working coal seames 50 and 52 within the boundaries of the mine management"Kotinskaya" of"SUEK-Kuzbass"JSC with the merger of the network of mine workings of the V.D. Yalevsky and"Kotinskaya" mines. Stage I, Supplement No. 3, Vol. 1, Book 1]. SPC VostNII LLC, 2017.
3. Ordin A.A. & Metelkov A.A. Optimizatsiya dliny lavy i proizvoditel'nosti kompleksno-mekhanizirovannogo ochistnogo zaboya ugol'noy shakhty [Optimization of lava length and productivity of a complex mechanized highwall mining of coal mine]. Fiziko-tehnicheskie problemyi razrabotki poleznyih isko-paemyih - Journal of Mining Science, 2013, No. 2, pp. 100-113.
4. Ordin A.A., Nikolsky A.M. & Metelkov A.A. Modelirovaniye i optimizatsiya tekhnologicheskikh parametrov ochistnykh i podgotovitel'nykh rabot v paneli ugol'noy shakhty [Modeling and optimization of technological parameters of cleaning and preparatory works in the coal mine panel]. Fiziko-tehnicheskie problemyi razrabotki poleznyih iskopaemyih - Journal of Mining Science, 2013, No. 6, pp. 117-127.
5. Ordin A.A. & Timoshenko A.M. Nelineynyye zavisimosti metanovydeleniya ot prirodnoy metanonosnosti ugol'nogo plasta i kinematicheskikh parametrov reztsov ochistnogo kombayna [Nonlinear dependencies of methane release on the natural methane content of the coal seam and the kinematic parameters of the cutter-loader cutters]. Fiziko-tehnicheskie problemyi razrabotki poleznyih iskopaemyih - Journal of Mining Science, 2017, No. 2, pp. 110-117.
