CC BY
32
2000 3000 4000
мощность пласта 2 м
6000 А, т/сут.
мощность пласта 4 м
граница технических возможностей отечественных комплексов
опросам оптимизации параметров угольных шахт, к которым относятся мощность шахты, длина выемочного поля, длина лавы, глубина разработки, количество лав в одновременной работе, посвящены работы многих известных ученных: Б.И. Бокия, Л.Д. Шевякова, В.В. Ржевского, А.И. Ми-тейко, К.К. Кузнецова, С.М. Липко-вича, М.И. Агошкова, А.С. Бурчако-ва, А.М. Курносова, Э.И. Гойзмана, М.И. Устинова, А.С. Астахова, А.С. Старикова, А.А. Ордина и др.. Несмотря на многообразие работ, общим для них является принцип минимизации условно-постоянных расходов, за счет увеличение мощности шахты. При этом основным параметром была мощность шахты, значение которой определяло количество очистных забоев и технологическую схему. В условиях, когда производительность очистного забоя была низкой, необходимо было иметь до 10-14 очистных забоев, поэтому в работе находилось несколько пластов, горизонтов, что и определяло сложность инфраструктуры. Использование в последние время на шахтах высокопроизводительных и надежных комплексов отечественного и зарубежного производства обеспечивают мощность шахты из одного максимум двух очистных забоев. Достигнутая концентрация меняет и горнотехнологическую структуру шахты в сторону ее упрощения, приближая параметры выемочного участка к параметрам шахты. В работах В.Д. Ялевского и В.А. Федорина новый тип технологической схемы получил название «модульный шахтоучасток» (МШУ) [1].
Что характерно для новых технологических схем шахт? Как правило, вскрытие таких шахт производится наклонными стволами, подготовка
однокрылая с проветриванием по бремсберговой схеме. Этим достигается сокращение объема проводимых и поддерживаемых выработок, обеспечивается конвейеризация транспортных систем от очистного забоя до поверхности. По такому образцу строятся новые шахты в Кузбассе «Котинская», «Улья-нов-ская», идет реконструкция шахты имени С.М. Кирова и т.д.
Основные параметры (наг-рузка на очистной забой, длина выемочного столба, длина лавы, глубина разработки) таких шахт определены в результате проектных расчетов (как правило, одновариантных) или по аналогии с действующими шахтами США и Австралии [1]. При этом в качестве критерия выступает производительность труда. Однако в настоящее время при существующей разба-лансированности в ценообразовании рост производительности труда не всегда приводит к снижению себестоимости [2].
Для научного обоснования параметров и изучения особенностей функционирования МШУ создана модель [3], позволяющая оценить динамику поведения и эффективность системы во времени и в пространстве через экономический критерий - чистый дисконтированный доход. Значение которого, определяется как разница между доходом шахты и суммой затрат с приведением полученного результата к одному году, через норму дисконтирования. Затраты включают капитальные вложения на строительство эксплуатационные расходы, к которым относятся: материалы, топливо, электроэнергия, заработная плата и начисления на нее, прочие расходы. Проведенные с помощью модели вычислительные эксперименты показали, что определяющие доход шахты затраты являются чув-
ствительными к изменению различных горно-геологических, горнотехнологических и экономических факторов и определяют области оптимальных их сочетаний. Основными технологическими параметрами «шахтоучастков», оптимизации которых была посвящена большая часть вычислений, являются: длина выемочного столба по простиранию; длина очистного забоя; глубина отработки запасов, а также нагрузка на очистной забой, определяющая производственную мощность шахты.
Повышение производительности очистного забоя технологического модуля улучшает техникоэкономические показатели, однако, для обеспечения суточных нагрузок на очистной забой более 5000 т/сут. становится необходимостью использование импортных комплексов, стоимость которых в 6-7 раз выше отечественных. Исследования, проведенные на модели, позволили, определить область эффективной работы шахт оснащенных отечественной и зарубежной техникой. По техническим возможностям оборудования выделены три зоны: I - один очистной забой с нагрузкой до 4000 т/сут.; II -4000- 8000 т/сут. обеспечивают два забоя оснащенные отечественной техникой или один забой оснащенный импортной техникой ( например комплекс «Джой»); Ш - один забой оснащенный импортной техникой, обеспечивающий нагрузку более 8000 т/сут.
Сопоставление кривых чистой дисконтированной прибыли рис. 1, показывает, что применение дорогостоящей импортной техники экономически эффективно при стабильных суточных нагрузках на очистной забой более 8000 т/сут., что близко к техническим возможностям этой техники. Шахты со среднесуточными нагрузками менее 8000 т/сут. (таких большинство в России) целесообразно оснащать отечественными угледобывающими комплексами, имея в наличии один или два комплексномеханизированных очистных забоя.
Как показали результаты многочисленных вычислительных экспериментов (рис. 2), основными влияющими факторами на оптимальное значение длины выемочного столба являются нагрузка на очистной забой, мощность и угол падения разрабатываемого пласта. Из приведенного рисунка видно, что подавляющее большинство зависимостей имеет оптимумы по длине выемочного столба, из соотношений которых выявляются некоторые закономерности. Диапазо-
со
ны изменения оптимальной длины выемочного поля МШУ, в подавляющем большинстве случаев, составят 3-6 км.
Причем оптимальная длина выемочного столба имеет прямую зависимость от нагрузки на очистной забой при прочих равных условиях. От нагрузки на очистной забой в большей степени зависит величина чистого дисконтированного дохода и поэтому этот фактор является решающим при определении оптимальной длины выемочного поля (рис. 3).
Рис. 1. Зависимость эффективности модульной структуры шахт от производительности очистного забоя в условиях использования механизированных комплексов с разными техническими характеристиками (отечественных и импортных)
Рис. 3. Зависимость оптимальной длины выемочного столба от нагрузки на очистной забой
Оптимальная длина выемочного столба, при прочих равных условиях, имеет прямую зависимость от угла падения разрабатываемого пласта. Это объясняется тем, что дополнительные затраты от усложнения условий работы при этом компенсируются снижением удельных затрат при подготовке более длинного выемочного столба. При этом, естественно, величина чистого дисконтированного дохода при увеличении угла падения разрабатываемого пласта снижается.
При прочих же равных условиях, оптимальная длина выемочного столба в ряде случаев имеет обратную зависимость от мощности разрабатываемого пласта, причем с увеличением мощности разрабатываемого пла-
* 5
4 -
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Нагрузка на очистной забой, т/сут.
мощность пласта 2 м и угол................ мощность пласта 2 м угол падения
ма
ль
падения до 7 град.
15 град.
3000 4000 5000 6000 7000 8000
нагрузка на очистной забой, т/сут I -облась работы отечетвенного комплекса II - область работы импортного комплекса
мощность пласта: 2м
3 м
4м
6
Рис. 5. Зависимость оптимальной длины очистного забоя от его производительности.
ста, растет величина чистого дисконтированного дохода. Этот эффект определяется положительным влиянием данного фактора, позволяющим получить больший доход при тех же капитальных вложениях.
Важным технологическим параметром, определяющим экономические показатели шахты, является длина очистного забоя, оптимизации которой посвящена вторая серия вычислительных экспериментов (рис. 4).
Результаты вычислений показали, что основными факторами, определяющими оптимальную длину очистного забоя, являются, как и в предыдущем случае, нагрузка на очистной забой, мощность разрабатываемого пласта и кроме этого - стоимость применяемого механизированного комплекса. Изменение угла падения разрабатываемого пласта оказывает незначительное влияние. Диапазон изменения оптимальной длины очистного забоя в большинстве случаев составляет 180-280 м, при обратной зависимости данного параметра от мощности вынимаемого пласта и
прямой зависимости от угла падения. Это связано с компенсацией положительных и отрицательных влияний горно-геологических условий на экономические показатели модульной шахты соответствующими изменениями времени отработки запасов выемочного столба. С ростом нагрузки на очистной забой растет величина чистого дисконтированного дохода и при этом оптимальная длина лавы изменяется в небольших пределах в
большую
сторону. Уменьшение оптимальной длины очистного забоя при нагрузке более 5000 т/сут. объясняется резким удорожанием оборудования, связанным с исчерпанием производительности отечественных механизированных комплексов и переходу на импортные (рис. 5)
Н, м
150 200
мощность пласта, м 2
250
300
350
400
4
Рис. 7. Зависимость оптимальной глубины от нагрузки на очистной забой
длина выемочного столба, м
нагрузка на очистной забой, т/сут.
4000 9000
Еще одним важным параметром, определяющим экономическую эффективность шахты модульной структуры, является глубина отработки запасов оптимизации, которой посвящена третья серия вычислительных экспериментов (рис. 6). Из результатов вычислений видно, что глубина
отведенных запасов, поэтому эффективная глубина модульной шахты может быть сдвинута относительно оптимума в большую сторону, но при этом оставаться в области положительных значений чистого дисконтированного дохода, во избежание убытка. С целью полно-
Рис. 8. Связь между оптимальной размерами выемочного столба и длиной лавы
приближаясь к максимальному значению (рис. 7).
Увеличение угла падения разрабатываемого пласта хотя и увеличивает глубину разработки, при прочих равных условиях, однако наклонная длина шахтного поля уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом глубины увеличиваются затраты на транспортировку угля и материалов, проветривание, водоотлив, ухудшаются горногеологические условия разработки, поэтому становится более экономически целесообразно увеличить запасы шахтного поля за счет увеличения размеров по простиранию.
Оптимальные параметры «шах-тоучаска», являются, как показали исследования взаимозависимыми. Вид этой зависимости представлен на рис. 8. Поэтому, например, уменьшение длины выемочного столба, по горно-геологическим или
отработки запасов, так же имеет оп-тимумы относительно чистого дисконтированного дохода. В первом приближении, определяя значение проектной шахты можно руководствоваться оптимальными значениями этого параметра. Однако при обосновании этого параметра необходимо принимать во внимание и показатель полноты отработки запасов в пределах шахтного отвода, который также является экономической категорией. Экономически выгодна наиболее полная отработка
ты выемки запасов целесообразен переход на две системы разработки - там где позволяют горногеологические условия проектировать «длинные лавы», остальное отрабатывать «корот-кими лавами».
Основными факторами, определяющими оптимальную глубину шахты, является угол падения, мощность разрабатываемого пласта и нагрузка на очистной забой. С увеличением нагрузки на очистной забой, оптимальная глубина растет
горнотехнологическим причинам, требует увеличения длины лавы и, как следствие, глубины разработки.
Следует отметить, что представленные выше результаты получены без учета влияния геомехани-ческих и газодинамических процессов. Поэтому определение оптимальных параметров для конкретных горно-геологических, горнотехнологических и экономических условий требует проведения дополнительных исследований.
1. Ялевский В.Д., Федорин В.А Модульные горнотехнологические структуры вскрытия и подготовки шахтных полей Кузбасса. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. - 224 с., ил.
2. Кузьмин АП., Писаренко М.В., Моисеева Е.И., Пятакова Т.Л.. Эволюция подземного механического способа добычи угля. Кемерово// Вестник КузГТУ,.- 2001, №2. - С. 43-48.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Писаренко М.В. Экономико-математическая модель шахты с высоконагруженными забоями. // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых в Кузбассе. Кемерово: НТЦ Кузбассуглетехнология, № 17, 2001. - С.76-82.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Писаренко Марина Владимирова — научный сотрудник лаборатории ресурсосберегающих технологий угледобычи, ИУУ СО РАН, г.Кемерово.
