CC BY
37
- © Е.А. Ермаков, 2015
УДК 622.2.72
Е.А. Ермаков
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ ЛОКАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Дана характеристика систем разработки эксплуатационных блоков и предложен критерий оценки технологических схем, проведен анализ чуствительности критерия на изменение параметров.
Ключевые слова: локальные участки месторождений, отработка пласта, технологическая система шахты, критерий оптимальности.
В технологических схемах эксплуатационных блоков, для отработки локальных участков месторождений могут применяться следующие системы разработки:
• длинными столбами с управлением кровлей полным обрушением пород и отработкой пласта длинными комплексно-механизированными забоями (ДСО);
• короткими столбами с управлением кровлей податливыми угольными целиками и отработкой пласта короткими забоями (КСО);
• комбинированные.
Особенностями применения ДСО
в условиях модульных эксплуатационных блоков является несоответствие параметров системы разработки оптимальным, что связано с геометрическими параметрами выемочных полей и участков. Обычно дыемочного столба соответствует максимальной длине шахтного (выемочного) поля, а длина лавы зависит от наличия и укомплектованности секциями очистного механизированного комплекса. У малых шахт возможности приобретения нового оборудования длинного КМЗ стоимостью до 300-600 млн руб. ограничены, поэтому в очистном забое монтируется физически и морально устаревшее очистное оборудование, при этом длина лавы регламенти-
руется количеством работоспособных секций крепи и забойного конвейера.
Длина лавы на малых шахтах принимается в пределах 60-150 м. Схема подготовки шахтного поля панельная однокрылая. Выемочные выработки охраняются ленточными угольными целиками, в качестве которых принимаются барьерные, предохранительные или профилактические целики.
В условиях модульных эксплуатационных блоков рекомендуются следующие параметры системы разработки длинными столбами с полным обрушением пород кровли и выемкой пласта (слоя) длинными комплексно-механизированными забоями:
• длина столба 300-1000 м;
• длина лавы 60-150 м;
• вынимаемая мощность пласта (слоя) 1,30-4,20 м;
• ширина угольных целиков между выемочными столбами 6-20 м;
• нагрузка на КМЗ 1200-3000 т/сут.
Технологические параметры систем разработки короткими столбами с управлением кровлей податливыми угольными целиками и отработкой пласта короткими забоями рекомендуется принимать с учетом параметров выемочного забойного и транспортного оборудования при ограничениях по условиям безопасности, горно-геологическим и горнотехническим факторам.
Основными параметрами систем разработки являются ширина камеры и угольных целиков, при их оптимизации принимается максимальная ширина камеры и минимальная ширина целика. Отношения этих параметров влияют на основной показатель систем разработки с короткими забоями - коэффициент извлечения угля. Для определения зависимости коэффициента извлечения разработан следующий алгоритм.
В гравитационном поле напряжений при бесконечно большой площади выработанного пространства должно соблюдаться условие равновесия сил горного давления и сопротивления на сжатие угля в узких целиках
= асж (5 - ^ (1)
где у - плотность пород; Н - глубина разработки; 5к - площадь камер; 5 - полная площадь выработанного пространства, включающая площадь
а-1-(----
О 5 10 15 20
Предел прочности уст на сжатие, МПа Н - глубина разработки
Графики зависимости коэффициента извлечения от прочности угля и глубины разработки при отработке угольного столба камерно-столбовой системой разработки
камер и целиков; стсж - предел прочности угля на сжатие.
Отношение площади камер к общей площади выработанного пространства можно принять равным коэффициенту извлечения угля
к = ^ = °сж " 5 СТсж + 1Н (2)
где ки - коэффициент извлечения угля в пределах отработанной площади пласта.
Приведенные на рисунке графики зависимостей позволяют оценивать по уровню потерь угля эффективность технологии отработки угольных пластов короткими забоями и выбирать оборудование для проведения камер и выемки угля в угольных столбах обратным ходом.
Ширина камер зависит от технических характеристик выемочной машины, в частности, ширины захвата исполнительного органа. Возможна выемка угля в камере с перемещением выемочной машины по ширине камеры. По опыту проведения монтажных камер для монтажа механизированного комплекса и опыту применения систем разработки с короткими забоями на гидрошахтах и на шахтах с традиционной технологией можно рекомендовать на пологих пластах Кузбасса ширину камер в пределах 2,5-8,0 м, а на крутых пластах до 15 м.
Ширина и форма угольных целиков при прочих равных условиях существенно зависит от применяемой системы разработки: камерной или камерно-столбовой. При камерной системе разработки оставляются ленточные целики с минимальной шириной, равной мощности пласта, и максимальной шириной, равной ширине камер.
При камерно-столбовой системе разработки междукамерные столбы частично отрабатываются заходками при движении обратным ходом выемочной машины. В этом случае оставля-
ются угольные целики полигональной формы между камерами и очистными заходками. Длина заходки (размер по перпендикуляру к оси камеры) зависит от многих факторов: устойчивости пород кровли, газоносности пласта, способа и схемы проветривания, способа крепления пород кровли, технической характеристики выемочной машины и др.
Очистная заходка проводится без крепления пород кровли, а ее размеры определяются по предельной площади устойчивых обнажений пород кровли и габаритам выемочной машины. Длину заходки при устойчивых породах кровли можно принимать равной расстоянию между режущим органом и пультом управления выемочной машины.
Проведенный анализ показывает, что на технологические параметры систем разработки угольных пластов короткими столбами оказывают влияние геомеханические параметры: максимальная площадь устойчивых обнажений пород кровли, минимальная ширина устойчивых угольных целиков, поэтому необходимо разработать их методику определения.
Под качественными параметрами ТСШ принимается схема вскрытия и подготовки, система разработки и т.д., к количественным параметрам относится мощность разрабатываемого пласта, угол падения, нагрузка на очистной забой, производственная мощность шахты и т.д. Прослеживается, например, взаимообусловленность схемы вскрытия шахтного поля и схемы вентиляции, схемы подготовки и схемы транспорта. Имеются взаимосвязи количественных параметров: производственной мощности шахты с числом очистных забоев и нагрузкой на один забой, темпа подготовки очистного фронта со скоростью подвигания очистных забоев. Количественные и качественные параметры технологической системы шахты взаи-
мосвязаны и изменение любого из них скажется на взаимосвязи с ним других параметров технологии [1-2].
Взаимосвязь качественных и количественных параметров шахты характерна и для экономических показателей системы. Любое изменение технологических параметров ведет к изменению экономической ситуации. С другой стороны, изменение экономических параметров требует соответствующей корректировки технологических, поэтому обоснование параметров горнотехнологических модулей должно базироваться на комплексной расчетной схеме, которая позволит одновременно учитывать взаимосвязь качественных и количественных параметров.
Основой комплексной расчетной схемы является технолого-экономн-ческая модель, которая описывает взаимообусловленность качественных и количественных параметров в математической форме, выстроенных в логической последовательности [5].
Особенностью комплексной расчетной схемы является то, что она делает возможным совместную оптимизацию параметров шахты и ГТМ (производительность, длина выемочного столба, длина лавы) и позволяет обосновать схемы вскрытия, схемы проветривания и транспорта с одновременным определением рациональных сечений сети горных выработок и выбором средств механизации и т.д.
Одновременное исследование влияния уровня и значения любого параметра шахты и отдельных элементов технологической схемы на обобщающий показатель эффективности дает основу для нахождения и выбора наиболее экономичных и технически целесообразных решений.
Технологическая система шахты -это большая, многомерная, развивающаяся во времени и пространстве система, характеризующаяся наличием
внутренних связей между составляющими се подсистемами и элементами, поэтому построение модели технологической системы шахты сопряжено с трудностями, связанными с необходимостью увязать многообразие горно-геологических, технологических и экономических факторов.
Описать связи между факторами и математическими зависимостями очень сложно и порой невозможно, поэтому для построения модели технологической системы шахты наиболее приемлемым, простым и наиболее точно описывающим поведение сложной системы является метод вариантов, который позволяет сравнить варианты геотехнологии, не поддающиеся аналитическому описанию, или требуют создания сложных алгоритмов решения. Практически любое аналитическое описание сложного объекта подразумевает его упрощение, тогда как метод вариантов позволяет избежать его и учесть влияние различных факторов.
С его помощью можно количественно оценить некоторые факторы качественного характера, не поддающиеся непосредственной экономической оценке.
Выбор оптимального варианта определяется по области оптимальных значений принятого критерия. Ширина исследуемой области характеризуется основными технико-экономическими параметрами сравниваемых вариантов и точностью вариантных расчетов. В практике проектирования принято считать экономически равноценными варианты, отклонение между которыми не превышает 5-10%.
Недостатком метода вариантов является большая трудоемкость и громоздкость расчетов. Однако недостаток может быть устранен при использовании компьютерной техники.
Задачами оптимального проектирования является обоснование и вы-
бор критерия оптимальности, который должен обладать технико-экономической емкостью, чувствительностью и универсальностью. В работе предлагается использовать критерий чистого дисконтированного дохода, который удовлетворяет перечисленным требованиям и широко используется в практике для оценки инвестиционных вложений.
Критерий обладает технико-экономической емкостью, которая подразумевает способность учитывать влияние разнообразных технико-экономических характеристик горного предприятия и отдельных элементов технологической схемы (уровня капитальных затрат, сроков их вложения, годовой производительности, производительности труда рабочих, себестоимости добычи и т.д.) на качество проекта предприятия и результаты его функционирования. Чувствительность критерия определяется величиной отношения удельного приращения значения критерия к удельному изменению управляемого параметра.
В качестве подтверждения чувствительности выбранного критерия использовалась методика, предложенная в работах [3-4], в которой чувствительность критерия оптимальности по отношению к любому переменному параметру оценивается с помощью условно нормируемых показателей (отношение текущего показателя к оптимальному).
В таблице представлены результаты оценки критерия по предложенной методике.
Анализ данных таблицы показывает, что выбранный критерий обладает качествами чувствительности.
Универсальность подразумевает использование одного критерия для оценки эффективности горного предприятия в целом: как системы, так и эффективности входящих в него отдельных элементов.
Наименование показателя Отношение величины критерия, соответствующего некоторому 1-му значению параметра, к оптимальному Я/в.. Оценка чувствительности
Нагрузка на забой при изменении нагрузки от оптимальной на 33% б. = 200; б = 415; 0,4 < 200/415 < 0,7 значительная
Длина шахтного поля по простиранию, при изменении длины шахтного поля от оптимального на 50% б. = 230; б = 415; 0,4 < 480/800 < 0,7 значительная
По глубине при изменении глубины от оптимального на 50% б. = 480; б = 800; 0,4 < 480/800 < 0,7 значительная
Длина лавы б. = 400; б = 590; 0,4 < 400/590 < 0,7 малая
Математическое выражение функции цели модели имеет вид
. = ^ (ЦА, - И, + а,.)
и ^
(1 + 6 у
к
^ тах
¡=1
-е-
(1 +6У , (3)
где Ц. - цена 1 т угля, руб.; d - норма дисконтирования; а. - амортизационные отчисления, руб.; Т - время отработки запасов в шахтном поле, лет; tc - время строительства шахты, лет; А. - годовая добыча, т; И. - затраты на добычу угля, руб.; К - капитальные затраты.
К. = К + К б, (4)
1 с об' у '
где Кс = I (А, Ь, Н, 1, х, I) - капитальные затраты на строительные работы, руб.; Коб = I (А, Ь, Н, а, х, 1, т) - капитальные затраты на оборудование, руб.
И. = И + И + И + И + И +
. тр прох под э пров
+ и + и + и + И +и +
дег вод э з.пл пов
+И + И , (5)
амор пр' 4 7
где И = I (А, а, Ь, Н) - затраты на транспорт, руб.; Ипрох = I (х, Ь, 1) - затраты на проходку выработок, руб.; Ипод = I (А, Ь, Н, I - затраты на поддержание выработок, руб.; Иэ = I (А, х, Ь, Н) - затраты на электроэнергию, руб.; И = I (х, Ь, Н, А) - затраты на
проветривание, руб.; Идег = I (х, А) - затраты на дегазацию, руб.; Ивод = I (Н, - затраты на водоотлив, руб.; Иамо = I (А, Ь, Н, а) - амортизационные отчисления, руб.; Изпл = (А) - затраты, связанные с оплатой труда, в т.ч. начисление, руб.; Ипов = (А) - затраты, связанные с обслуживанием зданий и сооружений на поверхности, руб.; Иэ = (А, Н, Ь) - затраты, связанные с обеспечением энергоснабжения; Ипр -затраты, руб. А - суточная нагрузка на забой, т; Н - глубина, м; Ь - длина шахтного поля по простиранию м; т -мощность пласта, м; а - угол падения пласта, град; х - метаноносность, м3/т; I - коэффициент крепости пород.
Для расчета критерия, каждая из составляющих частей издержек представляется функцией горно-геологических, экономических и технологических факторов, изменение которых позволит учесть их влияние на обобщающий показатель эффективности -чистый дисконтированный доход. Такая форма представления функции цели позволит комплексно решать задачу оптимизации, т.е. наряду с определением оптимальных параметров шахты выявить влияние стоимости оборудования на исследуемые параметры: уровень заработной платы, временной фактор и т.д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурчаков А.С., Малкин А.С., Еремеев В.М. и др. Проектирование предприятий с подземным способом добычи полезных ископаемых: Справочник. - М.: Недра, 1991. -399 с.
2. Звягин П.З., Кузнецов К.К. и др. Современные методы проектирования угольных шахт. - М.: Недра, 1996. - 323 с.
3. Бурчаков А.С., Малкин А.С. Научные основы проектирования угольных шахт. - М.: Наука, 1971. - 150 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
4. Сенкус В.В., Вичканов В.В. Обоснование параметров вскрытия и подготовки шахтных и выемочных полей при разработки свиты наклонных пластов гидравлическим способом / Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сборник научных статей Междунар. научно-практической конференции - Новокузнецк: СибГИУ, 2004. - С. 93-95.
5. Рогов В.И. Взаимодействие технологии и условий подземной выемки угля. - Алма-Ата: Наука, КазССР, 1978. - 207 с. ЕШ
Ермаков Егор Анатольевич - аспирант,
начальник договорного отдела ООО «Сибнииуглеобогащение», МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru.
UDC 622.2.72
SUBSTANTIATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF THE SYSTEMS DEVELOPMENT OF LOCAL AREAS OF COAL DEPOSITS
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 flow charts of operational blocks, for development of local areas of the fields used in the following development systems: long poles with management roof complete collapse of species and depletion of the reservoir long complex-mechanized faces; short columns with management pliable roof coal pillars and testing of layer short faces; combined. Each system has a number of positive and negative qualities and for their combination on the level of design should be optimized parameters, which allows to achieve the best results. The characteristic of the systems development operational blocks and proposed evaluation criterion of technological schemes, the analysis of the sensitivity of the criterion to change settings.
Key words: local areas of the field, the development of the reservoir, the technological system of the mine, the optimality criterion.
REFERENCES
1. Burchakov A.S., Malkin A.S., Eremeev V.M. Proektirovanie predpriyatii s podzemnym sposobom dobychi poleznykh iskopaemykh: Spravochnik (Underground mine planning, Handbook), Moscow, Nedra, 1991, 399 p.
2. Zvyagin P.Z., Kuznetsov K.K. Sovremennye metody proektirovaniya ugol'nykh shakht (Modern methods of coal mine planning), Moscow, Nedra, 1996, 323 p.
3. Burchakov A.S., Malkin A.S. Nauchnye osnovy proektirovaniya ugol'nykh shakht (Scientific basis for coal mine planning), Moscow, Nauka, 1971, 150 p.
4. Senkus V.V., Vichkanov V.V. Naukoemkie tekhnologii razrabotki i ispolzovaniya mineralnykh resursov: Sbornik nauchnykh statei Mezhdunar. nauchno-prakticheskoi konferentsii (High technologies of mineral mining and use: Proceedings of International Conference), Novokuznetsk, SibGlU, 2004, pp. 93-95.
5. Rogov V.l. Vzaimodeistvie tekhnologii i uslovii podzemnoi vyemki uglya (Interaction between the technology and ground conditions in underground coal mining), Alma-Ata, Nauka, KazSSR, 1978, 207 p.
