Обоснование пространственно-планировочных и технологических решений при проектировании подземной отработки запасов угольных месторождений брахисинклинального типа Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УЛК 622.272:622.268.13

© В.В. Мельник, 2014

В.В. Мельник

ОБОСНОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ БРАХИСИНКЛИНАЛЬНОГО ТИПА

Рассмотрены основные проектные и технологические решения по освоению угольных месторождений брахисинклинального типа с минимальными потерями полезного ископаемого за счёт перехода на реализацию прогрессивных пространственно-планировочных и технологических решений на базе системно-упорядоченного синтеза подземной и физико-химической геотехнологий и рационального сочетания комплексно-механизированной, агрегатно-гидравлической, скважинной гидравлической и механо-гидравлической технологий очистных работ.

Ключевые слова: пространственно-планировочные решения, брахи-синклиналь, отработка запасов, технологические решения.

На большинстве угольных шахт России реализуются традиционные пространственно-планировочные и технологические решения, не позволяющие достичь мирового уровня технико-экономических показателей функционирования предприятий и полноты извлечения запасов. Так, при существующих подземных геотехнологиях разработки месторождений Кузбасса уровень извлечения запасов углей составляет порядка 55-60%.

До сего времени не получают развития технологии отработки запасов угля в осложненных горно-геологических и производственно-технических условиях, позволяющие решить экономические и социальные проблемы не только в угольной отрасли, но и в ряде горнодобывающих регионов в целом.

Одной из основных причин недостаточной эффективности функционирования угольных шахт, осваивающих георесурсы угольных ме-

307

сторождений брахисинклинального типа, является приверженность традиционным пространственно-планировочным и технологическим решениям, заключающимся в выделении обособленных барьерными и охранными целиками горных отводов.

Одним из направлений выхода из сложившейся ситуации является переход к освоению георесурсов месторождения брахисинкли-нального типа одним высокопроизводительным угледобывающим предприятием, обеспечивающим отработку запасов, в том числе и в осложненных горно-геологических и производственно-технических условиях, и, как следствие, повышающим полноту извлечения георесурса.

Угольные месторождения брахисинклинального типа, как правило, представляют собой замкнутые синклинальные складки осадочных пород, имеющие в плане овальную форму, а вмещаемые угольные пласты с периферии складок наклонены к их центрам.

Основными отличительными особенностями угольных месторождений брахисинклинального типа от других форм (брахиантиклиналь, антиклиналь и др.) являются: изменение с глубиной залегания пластов качества угля, газоносности, водопритоков, объема запасов на рабочих горизонтах, интенсивности проявления горного давления и др.; ограничение запасов угля контурами границ брахисинкли-нальных складок.

Ведущими проектными, проектно-конструкторскими, научно-исследовательскими организациями, а также вузами горного профиля были проведены широкомасштабные исследования по комплексному освоению угольных месторождений брахисинклинального типа.

Однако в настоящее время возникает острая потребность в новых методических подходах к проектированию и освоению георесурсного потенциала угольных месторождений брахисинклинального типа.

Исследованиям, направленным на повышение технологичности разработки угольных пластов, в том числе залегающих в виде брахи-синклиналей, посвящены работы ННЦ ГП — ИГД им. A.A. Скочин-ского, ИПКОН РАН, Института угля и углехимии СО РАН, ПНИУИ, ВНИИгидроуголь, УкрНИИгидроуголь, ДонНИИ, ДонГТУ, МГГУ, ТулГУ, КузГТУ, СибГГМА и многих других организаций.

Существенный вклад в развитие теории и практики разработки различных угольных месторождений внесли A.A. Атрушкевич, В.Е. Брагин, А.С. Бурчаков, В.Н. Вылегжанин, Ё.Н. Гапанович, 308

H.K. Гринько, Г.И. Грицко, A.B. Джигрин, П.В. Егоров, С.И. Калинин, И.С. Крашкин, В.Ф. Крылов, Ю.Н. Кузнецов, A.C. Кузьмич, В.Г. Лурий, A.C. Малкин, Ю.Н. Малышев, Н.В. Мельников, О.В. Михеев, B.C. Мучник, Л.А. Пучков, A.B. Ремизов, В.Н. Фрянов, В.А. Федорин, В.Д. Ялевский и др.

Особенности залегания пластов в брахисинклинальных складках ограничивают область применения прогрессивных схем вскрытия, подготовки и отработки запасов угля. Для рационального освоения ресурсного потенциала необходим комплексный подход к проектированию схем полного или поэтапного вскрытия запасов всего месторождения, подготовке и отработке запасов угля с оптимальными технологическими параметрами выемочных участков полей из-за их ограниченных размеров. Кроме того, следует учитывать ограничение длины очистного забоя при отработке запасов пластов на участках с переменным углом падения; необходимость повышения требований в части обеспечения безопасности горных работ при добыче угля на обводненных участках пластов под наносами, с углами падения больше 20° на границах складки, при увеличении газоносности и горного давления.

Анализ геологических структур угольных месторождений Кузбасса показывает, что наиболее сложной формой складчатости является асимметричная брахисинклинальная, которая включает в себя целый ряд других форм.

Из анализа распределения добычи из действующих очистных забоев шахт Кузбасса по мощности и углам падения отрабатываемых пластов следует, что область применения сегодняшней подземной угледобычи — это наиболее благоприятные горно-геологические и горнотехнические условия, а именно: мощность пласта 1,5-4,2 м; угол падения пласта до 15°; гипсометрия пласта спокойная; приток воды в очистной забой не более 10 м3/ч; метаноносность пласта не более 9 м3/т; отсутствие дизъюнктивных нарушений; легко- и среднеуправляемая кровля; глубина разработки до 400 м.

Следовательно, в настоящее время на шахтах Кузбасса применяется выборочная отработка участков угольных пластов длинными комплексно-механизированными забоями (КМЗ), имеющая следующие негативные последствия: интенсивное истощение запасов угля в пределах горных отводов шахт; ширина технологических целиков

309

достигает 60-80 м и оказывает негативное влияние на эффективность и безопасность отработки сближенных угольных пластов; не решены проблемы эффективности и безопасности отработки мощных и тонких пластов.

К числу негативных факторов применения выборочной технологии угледобычи следует отнести низкий коэффициент извлечения угля из недр (0,4-0,7), свидетельствующий о нерациональном использовании георесурсов.

Для эффективного освоения георесурсов месторождений бра-хисинклинального типа необходимы новые проектные, пространственно-планировочных и технологические решения, адаптивные к условиям строящихся угледобывающих предприятий. Поэтому необходимы методические принципы обоснования проектных, про-ектно-планировочных и технологических решений при подземной разработке угольных пластов, залегающих в виде брахисинклиналей.

На основе анализа результатов научных исследований и производственного зарубежного и отечественного опыта возможно сформулировать следующие основные принципы формирования рациональных вариантов проектных, пространственно-планировочных и технологических решений по подземной разработке угольных пластов, залегающих в виде брахисинклиналей: освоение георесурсов месторождения одним крупным угледобывающим предприятием; месторождение подразделяется на отдельные технологические участки, для отработки по одной из синтезируемых геотехнологии (длинными комплексно-механизированными забоями, короткими комплексно-механизированных забоями, агрегатно-гидравлической, скважин-ной гидравлической и механо-гидравлической выемкой); повышение полноты извлечения запасов угольных пластов; повышение технологичности отработки запасов; безопасность ведения горных работ; высокопроизводительная добыча углей в различных горнотехнических условиях; максимальная адаптивность к изменяющимся горно-геологическим условиям; малооперационность и поточность; сочетаемость синтезируемых технологий разработки.

Опираясь на эти принципы в диссертации разработана систематизация проектных и технологических решений при освоении георесурсов месторождений брахисинклинального типа (рис. 1).

В предложенную систематизацию включены успешно применяющиеся в настоящее время геотехнологии, а именно: подземная

310

Рис. 1. Систематизация проектных и технологических решений при освоении месторождений брахисинклинального типа (КМЗ — комплексно-механизированный забой, КГРП — комплекс глубокой разработки пластов)

Таблица 1

Область рационального применения синтезируемых геотехнологий при освоении месторождений брахисинклинального типа

Синтезируемые геотехнологии

Угол падения, град

Мощность пласта, м

Глубина, м

а

Э &

« X

а

I

С

к

§

о

5 V

си

Ч ч-»

¡3

* в

- >5

5 $

с: в «\о

Хо и

Удельный объем проведения выработок, м/тыс. т

ю

V

I

ю

Шинные КМЗ:

100<ЬЛ< 300м Короткие КМЗ:

Ьл<40-60 м

ксо

Камерная

Камерно-столбовая

КГРП

Гидравлическая Механо-гилравлическая Скважинная гидравлическая

+

+/-+

+ + +

8-12

10-20

30-50 40-50 30-35 30-40 20-35 20-30 30-40

Примечание. «+» — области рационального применения подземной разработки пологих угольных пластов длинными комплексно-механизированными забоями (КМЗ),«-»— не рекомендуется применение этой технологии.1_п —длина лавы, КСО — короткие столбы с обрушением пород кровли, КГРП — комплекс глубокой разработки пластов,{ — коэффициент крепости угля по шкале Протодьяконова.

традиционная и гидравлическая, открытая, комбинированная (открыто-подземная) и физико-химическая (скважинная гидравлическая).

На основании системного подхода осуществлено формирование базы данных и определена область рационального применения синтезируемых геотехнологий при освоении месторождений бра-хисинклинального типа (табл. 1).

В исследованиях рассматривались сочетания подземной и физико-химической геотехнологий при вскрытии угольных пластов наклонными осевыми и фланговыми стволами, деление угольных пластов на части для независимой отработки высокопроизводительными длинными комплексно-механизированными забоями, а также применение коротких комплексно-механизированных лав, агрегатно-гидравлической, скважинной гидравлической и механо-гидравлической, камерной и камерно-столбовой технологий.

На основе сформированных принципов и информационной базы разработано два варианта проектных, пространственно-планировочных и технологических решений при подземной отработке угольных месторождений брахисинклинального типа, обеспечивающих эффективное и безопасное ведение горных работ с минимальными потерями полезного ископаемого в недрах (на примере перспективных месторождений Кузбасса). Детально остановимся на двух из них.

Первый вариант проектных и пространственно-планировочных решений при разработке угольных пластов, залегающих в виде бра-хисинклиналей, представлен на рис. 2.

При подземной отработке запасов угольных месторождений бра-хисинклинального типа вскрытие осуществляется вдоль продольной оси брахисинклинали и при наличии на одном из крыльев шахтопла-ста крутого залегания, шахтное поле вдоль поперечной оси складки делят на части посредством проведения наклонных выработок. Указанные выработки проводят по пласту угля с поверхности одного из крыльев шахтопласта и соединяют на противоположном крыле поля с выработками, разделяющими крутое залегание пласта от пологого.

При этом выработки, разделяющие крутое залегание пласта от пологого, проводят под углом не более 20 градусов к горизонтальной плоскости пласта. Наклонные выработки на самой низкой геодезической отметке шахтопласта соединяют с обеих их сторон с выемочными выработками, оконтуривающими вдоль продольной оси брахисинклинали, дренажные столбы, отработку которых ведут в

313

Рис. 2. Принципиальные пространственно-планировочных решения при разработке угольных пластов, залегающих в виде брахисинклиналей: 1 — наносы; 2 — выход пласта под наносы; 3,4 — соответственно продольная и поперечная ось складки; 5 — промплощадка пласта; 6,7 — наклонные стволы; 8 — вспомогательный штрек; 9 — бремсберг; 10, 11 — крутая и пологая части пласта; 12 — водоотлив; 13, 14, 13', 14' — выемочные наклонные выработки; 15, 15' — дренажные столбы; 16 — очистной забой; 17, 17' — выработанное пространство; 18,19, 20, 21—промежуточные наклонные выработки; 22 — вспомогательный штрек; 23 — вспомогательный уклон; 24 — шурф; 25 — ось наклонных выработок; 26 — направление отработки; 27 — порядок отработки; 28 — поток шахтных вод; 29, 30 — смежные выемочные столбы; 31 — граница крутой части пласта; 32, 34, 35 — наклонные выработки; 33 — присечной штрек

Рис. 3. Принципиальные пространственно-планировочные решения при разработке угольных пластов (вариант 2): 1 — наносы; 2 — выход пласта под наносы; 3, 4 — оси брахисинклинальной складки; 5 — промплошадка; 6, 7 — наклонные стволы; 8 — штрек; 9 — бремсберг; 10, 11 — наклонные выработки; 12 — водоотлив; 13,14 — наклонные выработки; 14' — наклонная выработка; 15 — дренажный столб, разделяюшей шахтное поле на два крыла, левое Ёк и правое Пк; 16 — очистной забой; 17, 17' — выработанные пространства; 18, 19 и 20,21 — промежуточные наклонные выработки; 22 — вспомогательная выработка; 23,24 — шурфы; 25 — оси выемочных выработок; 26 — направление отработки; 27 — порядок отработки; 28 — поток шахтной воды; 29,30 -выемочные столбы; 31 — граница крутого залегания пласта; 32 — наклонные выработки; 33 — присечной штрек

противоположном направлении с перепуском загрязненной шахтной воды в выработанное пространство каждого столба.

Первый вариант проектных и пространственно-планировочных решений обеспечивает независимую отработку запасов пологой и крутой частей брахисинклинали при разновременном вскрытии их наклонными осевыми и фланговыми стволами.

Второй вариант проектных и пространственно-планировочных решений при разработке угольных пластов, залегаюших в виде бра-

315

хисинклиналей, представлен на рис. 3 и предусматривает: применение синтезируемых геотехнологий; сокращение объема проведения горных выработок главного направления и выработок, проводимых по породе; независимую подготовку и отработку крыльев шахтного поля; применение высокопроизводительной схемы транспортирования угля на основе полной конвейеризации; обособленное проветривание подготовительных и очистных забоев; отработку пластов вдоль продольной оси брахисинклинали длинными столбами большой протяженности без перемонтажей оборудования механизированных комплексов и оставления межпанельных целиков угля; восходящий порядок отработки запасов в крыльях шахтного поля и погашения горных выработок по мере ведения очистных работ и очистки загрязненной шахтной воды в выработанном пространстве дренажного столба.

Обоснование рациональных параметров разработанных пространственно-планировочных и технологических решений при освоении угольных месторождений брахисинклинального типа с минимальными потерями полезного ископаемого в недрах осуществляется исходя из имеющейся горно-геологической информации и производственно-технических условий.

Для этого на основе экономико-математического моделирования должна быть определена величина чистого дисконтированного дохода от применения каждой из синтезируемых геотехнологий.

В результате, исходя из общей постановки задачи, комплекса исходных данных и номенклатуры оптимизируемых решений, целевую функцию и ограничения экономико-математической модели можно представить следующим образом:

где 2 — целевая функция, У1 — вектор исходной горно-геологической информации, У2 — вектор исходных технических условий, X — вектор основных оптимизируемых решений, У3 — вектор исходных стоимостных данных.

где К — капитальные затраты по ]-му производственному процессу или объекту, тыс. руб., С^ — эксплуатационные затраты по ;-му производственному процессу или объекту, тыс.руб.

Кп = У2, Уз), еХг,

(1)

Уз = К С),

(2)

316

Таблица 2

Результаты экономико-математического моделирования по определению величины чистого дисконтированного дохода от применения синтезируемых геотехнологий

Тип применяемого оборудования NPV (чистый дисконтированный доход

2 КМ138И 100,4

со 1КМ174 126,5

2КМКЮ.4-11/32 88,6

» 4КМ-144К 94,5

л S S КМ 800 96,4

S КМ 1000 87,9

КМ 1400 82,3

КМ 700/800 103,2

а H7.10S ПауратГмбХ 56,4

VME Вестфалия Бекорит 87,2

S S и а2 0 ESA Эйкгофф 62,6

0 S йй КМКЛ, Россия 85,5

S 8 1ГКПС, Россия 12,8

¡3 а 2 1ГПКСМ, Россия 14,6

£ о 0 КП-25, Россия 16,8

г » с g о s а а К-110 (Украина) 11,6

£ S К-220 (Украина) 10,8

S АМ-65 Фест Альпине, Австврия 25,9

S и S <в * АМ-75 Фест Альпине, Австврия 28,9

s ЕТ-110 Атлас Копко Эйкгофф, ФРГ 18,5

л S ЕТ-120 Атлас Копко Эйкгофф, ФРГ 18,9

а а г WAW 130/160 Вестфалия Люнен, ФРГ 17,2

(в * Джой 12СМ15, Англия 26,8

Джой 12СМ18, Англия 28,7

■ IS ® 12 ГД-2 (Россия) 8,2

1»! £ ÜB АФГ (Россия) 10,3

АФТ (Россия) 9,5

S S £ ГВМ (Россия) 9,9

и S АГ-1 (Россия) 11,3

317

Тип применяемого оборудования NPV (чистый лисконтирован-ный лохол

Синтезируемые геотехнологии Механогилравли-ческие К-56 МТ (Россия) 12,9

КПА-3 (Россия) 15,6

АФМГ-1 (Россия) 14,4

АФМГ-2 14,9

АСМ-1 12,7

АСМ-2 13,9

Сква-жинные гилравли-ческие АГС-1 (Украина) 5,4

АГС-2 (Украина) 5,9

КБГ (Украина) 6,7

АСГ (Россия) 7,8

Результаты экономико-математического моделирования по определению величины чистого дисконтированного дохода от применения каждой из синтезируемых геотехнологий при освоении угольных месторождений брахисинклинального типа представлены в табл. 2.

Согласно критерию NVP среди анализируемого горношахтного оборудования с экономической точки зрения наиболее эффективным является применение очистного механизированного комплекса 1КМ174 (табл. 2).

Согласно критерию NVP среди анализируемого оборудования с экономической точки зрения наиболее эффективны варианты с использованием проходческих комбайнов австрийского производства АМ-50, 65, 75 Фест, Альпине и Джой 12СМ11,15,18 (табл. 2).

Согласно критерию NVP среди анализируемого оборудования с экономической точки зрения наиболее эффективно использовать проходческо-добычное оборудование VME-8E фирмы Вестфалия Бекорит и короткозабойный комплекс 1,2КМКЛ (Россия), степень отличия которых от вариантов с использованием короткозабойных комбайнов H7.10S фирмы Паурат ГмбХ и ESA фирмы Эйкгрофф составляет 18,5-21,4% (табл. 2).

Осуществлено обоснование параметров синтезируемой технологии очистных работ на базе гидравлического агрегата с различными подвижными органами разрушения: одноструйными, работающими в режиме врубообразования и обрушения, двухструйными, трех-

318

струйными и тонко-струйными, работаюшими в режиме перекре-шиваюшихся струй.

Обоснованы параметры механогидравлической технологии отработки пластов агрегатом АСМ-1 и АСМ-2: длина камеры должна составлять 120 м, а высота — 0,6 м при прямом ходе и 1,2 м при обратном ходе (очистной выемке); суточная нагрузка на очистной забой составит для агрегата АСМ-1 при ширине захвата 3,6 м — 429 т/сут; 5,0 — 600 т/сут; 7,5 м — 820 т/сут; 10 м — 1053 т/сут; суточная нагрузка на очистной забой, оборудованный агрегатом АСМ-2, составит 1150 т/сут.

Обоснованы на основании экономико-математического моделирования параметры технологии очистной выемки угля гидравлическим агрегатом с двухструнными и тонкоструйными подвижными органами разрушения, а именно; длина лавы и длина выемочного столба, которые находятся в диапазоне, соответственно, 58,5 — 61,5 м; 732 — 768 м; 67,5 — 70,5 м; 751 — 787 м.

Выводы

1. Доказано, что одним из направлений эффективной и безопасной отработки запасов угольных месторождений брахисинкли-нального типа с минимальными потерями полезного ископаемого в недрах является реализация прогрессивных пространственно-планировочных и технологических решений на основе синтеза подземной и физико-химической геотехнологий, рационально сочетаюшего комплексно-механизированную, агрегатно-гидравлическую, скважинную гидравлическую и механо-гидравлическую выемку угля.

2. Предложены основные принципы систематизации и формирования прогрессивных пространственно-планировочных и технологических решений, сочетаюших независимую отработку запасов пологой и крутой частей брахисинклинали при разновременном вскрытии их наклонными осевыми и фланговыми стволами.

3. В рамках функционирования крупномасштабного предприятия разработаны варианты пространственно-планировочных решений, предусматриваюших деление угольных пластов на части для независимой отработки выемочных участков высокопроизводительными длинными комплексно-механизированными очистными забоями, а также применение коротких комплексно-механизированных лав, агрегатно-гидравлической, скважинной гидравлической и механогидравлической технологий.

319

4. Обоснование рациональных параметров технологических решений при освоении угольных месторождений брахисинклинального типа с минимальными потерями полезного ископаемого в недрах следует осуществлять исходя из динамики развития во времени и пространстве производственного потенциала предприятия с учетом предложенной экономико-математической модели, определяющей интегральную величину чистого дисконтированного дохода.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мельник В.В., Хуцишвили Г.А. Разработка концепции, основных принципов и механизма формирования рациональных вариантов пространственно-планировочных и технологических решений при проектировании подземной разработки угольных пластов, залегающих в виде брахисинклиналей // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск. — 2012. — № ОВ 11. — С. 3-9.

2. Мельник В.В., Хуцишвили Г.А. Методика обоснования проектных решений по подземной безопасной и эффективной отработке запасов брахисин-клиналей // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск. — 2012. — № ОВ 11. — С. 10-15. Н233

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Мельник Владимир Васильевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Подземная разработка пластовых месторождений, Московский государственный горный университет, msmu-prpm@yandex.ru

320