CC BY
24
УДК: 622.333:622.68 (571.56-12)
Оценка горнотехнических условий Эльгинского месторождения с позиции применения горных комбайнов
Д.В. Хосоев, ведущий инженер, ФГБУН «Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН»_
В настоящее время в Южной Якутии ведется разработка крупнейшего в мире Эльгинского каменноугольного месторождения, производственная мощность составляет около 4 млн т, а также заканчивается строительство первой очереди на Западном участке по проекту ООО «Мечел-Инжиниринг», с доведением его мощности до 9,0 млн т угля в год.
Вскрышные породы на месторождении отрабатываются по транспортной схеме гидравлическими экскаваторами Komatsu РС-5500 (емкость ковша 28,0 м3), а также гидравлическими экскаваторами Komatsu РС-2000 (емкость ковша 11 м3) и РС-1250 (емкость ковша 6,7 м3). Междупластья Н16-Н15в и Н15в-Н15 отрабатываются по простой бестранспортной схеме экскаваторами-драглайнами ЭШ20/90 с размещением вскрышных пород в выработанном пространстве. Добычные работы осуществляются по транспортной схеме дизель-гидравлическими экскаваторами Komatsu РС-2000 и РС-1250.
Данная технология имеет ряд недостатков: применение буровзрывных работ оказывает негативное воздействие на окружающую среду, а валовая выемка угольных пластов (вместе с породными прослоями) предопределяет высокую зольность добываемого угля.
При разработке подобных пластовых месторождений в последнее время нашли широкое применение горные комбайны фрезерного типа Voest Alpine Surface Miner (VASM), Wirtgen Surface Miner (WSM), Krupp Surface Miner (KSM) [1-6]. Это оборудование позволяет осуществлять выемку горных пород тонкими слоями мощностью от 0,05 м до 800 мм, в зависимости от типоразмера комбайна с точностью резания до ±1 см. Их применение позволяет не только улучшить качество добываемого угля за счет уменьшения разубоживания его вскрышными породами, но также понизить его потери. Благодаря высоким значениям развиваемых усилий резания, эти машины могут успешно разрабатывать породы прочностью на сжатие до 60-80 МПа без использования буровзрывных работ. Поэтому достаточно актуальным вопросом является рассмотрение возможности применения такой техники на Эльгинском месторождении.
На примере угольного пласта Н15 и вмещающих пород междупластья Н16-Н15 для оценки горнотехнических условий с позиции применения такого оборудования был рассмотрен «первоочередной участок отработки») в пределах западного участка месторождения (рис. 1). Выполнен анализ по структурным признакам, мощности, условиям залегания междупластий и угольных пластов, а также по прочностным свойствам пород в массиве.
Рассматриваемый первоочередной участок располагается в Северо-Западной части месторождения, имеет длину около 3-х км и ширину 550 м. Запасы по пластам Н15в и Н15 соста-
вили 17,6 млн т угля.
На всем участке от пласта Н15 отщепляется угольная пачка Н15в. Суммарная мощность угольной пачки Н15в, пласта Н15 и вмещающих пород междупластий Н16-Н15в, Н15в-Н15 в среднем по участку составила около 27 м.
По данным скважин, находящихся на участке, выполнен анализ изменения мощностей рассматриваемых междупла-стий и угольных пластов, который показал, что мощность междупластия Н16-Н15 имеет неравномерный характер. Так, к примеру, на западной стороне участка наблюдается рост мощности с 23,3 до 28,0 м. В средней части участка мощность повышается от 7,4 до 22,6 м, а в восточной наоборот, прослеживается его падение с 33,3 до 14,4 м.
Мощность междупластья Н16-Н 15в в западном крыле участка имеет выдержанный характер в среднем 6,7 м, а на восточном фланге участка, наоборот, его мощность уменьшается с 27 до 4,8 м.
Мощность междупластья Н^- Н 15 имеет неравномерный характер. Так, его мощность в западной части участка с севера на юг растет от 15,1 до 19,7 м, а восточной части в этом же направлении изменяется с 4,9 до 9,4 м. Средняя мощность этого междупластья по участку составляет 12,3 м.
Проведенные исследования показали, что мощность как всего междупластия Н16-Н15, так и слагающих его двух междупластий Н16-Н15в и Н15в-Н15 на участке имеет невыдержанный характер, что следует учесть при выборе и оперативном управлении горных работ с использованием горных комбайнов.
Угольные пласты Н15в, Н15 характеризуются широким площадным развитием с мощностью более 1,0 м, в связи с чем представляют промышленный интерес. По мощности пласт Н15 относится к группе мощных, а верхняя отщепившаяся пачка - Н15в к пластам средней мощности. Расстояние между
Рис. 1 Месторасположение первоочередного участка отработки
ними на первоочередном участке изменяется от 4,9 до 15,9 м.
Мощность угольного пласта Н15в имеет выдержанный характер - его средняя мощность составляет около 1,5 м. Пласт Н15в имеет простое строение, в западной и средней части участка в этой пачке наблюдается один породный прослой мощностью до 0,1 м. С другой стороны участка в эту пачку включены два породных прослоя мощностью 0,05 и 0,1 м. Угол падения этого пласта в среднем по участку составляет 4°.
По мощности угольный пласта Н15 имеет невыдержанный характер - так, в
восточной части участка с севера на юг наблюдается снижение его толщины с 4,1 до 2,75 м, в средней части участка его мощность уменьшается с 4,1 до 2,3 м, а в западной мощность пласта, наоборот, растет с 4,4 до 4,55 м.
Исследование мощностей породных прослоев по угольному пласту Н15 показывает, что он имеет сложную структуру. В западной части участка наблюдается от трех до четырех породных прослоев мощностью 0,05 до 0,5 м, а в восточной части находятся от пяти до шести породных прослоев мощностью от 0,05 до 0,2 м.
Как показал проведенный анализ, угольные пласты имеют пологое залегание около 4°. Из двух угольных пластов Н15в и Н15 угольный пласт Н15в имеет выдержанный характер и простое строение. Этот пласт следует отрабатывать валовым способом. А угольный пласт Н15 на данном участке ха-
Табл. 1 Мощность, площадь и объемы пород по междупластиям Н16-Н15в и Н
Породы Расположение на профилях и геологических разрезах Мощность, м Площадь, м2 Объемы, м3 % участия пород
Междупластье Н15в -Н16
ПКЗ 11-1, 2-3, 3-4, 4-5, 6-№ 6,4-22,7 705 600 12 024 150 44,6
ПСЗ 11-1, 1-2, 6-№ 6,7-15,9 644 350 10126160 37,6
ПМЗ 1-2, 3-4, 5-6 8,7-16,1 262 150 3 984 590 14,7
ПАП 5-6 11,2 68 600 768 320 3,1
Междупластье Н16 Н15в
ПКЗ 4-5, 6-М 4,9-15,9 240100 3 543 990 13,9
ПСЗ 11-1, 1-2, 6-№ 9,4-15,9 440 600 6 256 390 24,6
ПМЗ 11-1, 1-2, 2-3, 3-4, 5-6 9,4-15,5 931 400 14 436 700 56,9
ПАП 5-6 16,1 68 600 1 104 460 4,6
Табл. 2 Общие объемы пород по междупластию Н|6-Н, и их процентное участие
Породы Объемы, м3 % участия пород
ПКЗ 15568 140 29,7
ПСЗ 16 382 550 31,3
ПМЗ 18 421 290 35,2
ПАП 1 872 780 3,8
Всего 52 244 760 100
- песчанник мелко-зернистый (асж- 72 МПа) Щ - песчанник средне-зернистый (Ощ,- 60 МПа) | - песчанник крупно-зернистый (сц-45 МПа) Щ - переслаивание песчанников и апевропитов (сгсж- 49 МПа)
Рис. 2 Горизонтальный разрез по почве пласта Н16
Рис. 3 Горизонтальный разрез по почве угольной пачки Н1;
рактеризуется по мощности невыдержанностью и сложным строением. Таким образом, данный пласт следует отрабатывать селективным способом.
На рассматриваемом участке выявлены четыре типа вмещающих пород, слагающих междупластие Н16-Н15: песчаники мелкозернистые (ПМЗ), песчаники среднезернистые (ПСЗ), песчаники крупнозернистые (ПКЗ) и переслаивание алевролитов и песчаников (ПАП).
С применением методических рекомендаций и указаний [7, 8] были отстроены границы распространения этих пород на участке между продольными и поперечными профилями по глубине и простиранию междуп-"» ластья Н16-Н15. В подавляющем большинстве случаев это считается методом «из средины» для этого расстояние между скважинами или профилями делятся пополам (рис. 2, 3). Произведен расчет площади участков различных типов пород по глубине и простиранию. Далее был выполнен подсчет объемов пород по междупластьям Н16-Н15в и Н15в-Н15 (табл. 1).
В табл. 2 сведены общие объемы пород по всему междупластию Н16-Н15 и их процентное участие по участку. Наибольшую долю в процентном отношении имеют ПМЗ-35,2%, затем ПСЗ - 31,3%, ПКЗ - 29,7% и ПАП -3,8%. Общий объем всех песчаников на участке составил - 95,5%.
На рис. 2 и 3 показаны горизонтальные разрезы в пределах по почве угольного пласта Н16 и почве угольной пачки Н15В.
Как показали проведенные исследования, в верхнем междупластии Н16-Н15в (рис. 2) наибольшее распространение по площади приходится на песчаники крупнозернистые и песчаники среднезернистые - 70,5 и 64,4 га,
15в-Н15
тогда как на долю мелкозернистых песчаников и переслаивание алевролитов и песчаников - соответственно 26,2 и 6,8 га. По составу пород в этом междуп-ластии в основном преобладают ПКЗ -12,0 млн м3 (44,6%), ПСЗ - 10,1 млн м3 (37,6%), ПМЗ - 3,9 млн м3 (14,7%) и ПАП - 0,7 млн м3 (3,1%).
Другая ситуация наблюдается в нижнем междупластии Н15в-Н15, где основную долю по площади занимают ПМЗ и ПСЗ - 93,1 и 44,0 га, на долю ПКЗ и ПАП приходится соответственно 24,0 и 6,8 га (рис. 3). По типам пород здесь большую часть занимают ПМЗ - 14,4 млн м3, что составляет 56,9% от общего объема пород. Далее идут ПСЗ - 6,2 млн м3 (24,6%), ПКЗ - 3,5 млн м3 (13,9%) и ПАП -1,1 млн м3 (4,6%).
В табл. 3 приведены физико-механические свойства вмещающих пород на первоочередном участке. Средние значения (по литотипам) предела прочности при сжатии изменяются от 45 до 72,1 МПа.
Ранее в работе [9] с учетом прочностных характеристик пород и угля был произведен расчет производительности комбайна КСМ-2000Р через энергосиловые показатели.
Результаты расчетов показали, что техническая производительность КСМ-2000Р по породам может составить: ПКЗ -610 м3/ч, ПСЗ - 630 м3/ч, ПМЗ - 540 м3/ч, ПАП - 900 м3/ч и углю - 1400 м3/ч.
Для оценки эффективности применения данного оборудования на первоочередном участке Эльгинского месторождения необходимо выполнить технико-экономические расчеты в сравнении с цикличной технологией.
Существенно повысить производительность комбайнов можно за счет применения метода безвзрывного физико-химического разупрочнения горных пород путем опережающей обработки горного массива водными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Проведенные нами экспериментальные исследования по разупрочнению мелкозернистых песчаников показали, что при условии разупрочнения пород с прочностью на сжатие от 60 до 80 МПа за счет применения ПАВ производительность КСМ-2000Р может возрасти на 70% с 650 до 1100 м3/ч и достичь 80% паспортной [11].
Таким образом, на основе анализа выполненных исследований можно сделать следующие выводы.
Выводы
1. Выполненные исследования показали, что мощность меж-дупластия Н16-Н15 и слагающих его двух междупластий Н16-Н15в и Н15в-Н15 на участке имеет неравномерный характер, что следует учесть при планировании горных работ.
2. Как показали расчеты наибольшая производительность горных комбайнов - типа KSM может быть достигнута при разработке вскрышных пород верхнего междупластия, состоящего в основном из менее прочных пород ПКЗ, ПСЗ и ПАП в объеме 22,9 млн м3 (85,3%). По нижнему меж-дупластию Н15в-Н15> где находятся в основном крепкие породы ПМЗ - 14,4 млн м3 (56,9%) производительность комбайнов значительно снижается.
За счет применения ПАВ производительность КСМ-2000Р может возрасти с 650 до 1100 м3/ч (80% паспортной).
3. При селективной отработке угольного пласта Н15, характеризующегося сложноструктурным строением (наличие от трех до шести породных прослоев мощностью 0,05-0,5 м)
Табл. 3 Физико-механические свойства вмещающих пород на первоочередном участке [10] и производительность комбайна КСМ-2000Р
Породы Прочность на сжатие Ясж, МПа Прочность на растяжение Qj,, МПа Коэффециент хрупкости Коэффециент крепости Производительность (в плотной массе), м3/ч
ПКЗ 45,1 6,7 6,5 3-8 610
ПСЗ 59,6 7,7 8,9 3-11 630
ПМЗ 72,1 7,4 9,7 3-13 540
ПАП 49,3 5,3 9,3 3-8 850
Угли 3,8 0,3 12,6 0-1 1400
применение горных комбайнов наиболее рационально, это обеспечит повышение качественных показателей угля, по сравнению с валовой выемкой при цикличной технологии. Пологое залегание пластов также создает оптимальные условия для применения горных комбайнов. 4. Для оценки эффективности применения данного оборудования на первоочередном участке Эльгинского месторождения необходимо выполнить технико-экономические расчеты в сравнении с цикличной технологией.
Информационные источники:_
1. Пихлер, М. Комбайны Wirtgen Surface Miner на открытых горных работах: История развития, масштабы применения и перспективы расширения /М. Пихлер, Ю.Б. Панкевич//Горная промышленность. - 2009. - №2. - С. 54-57.
2. Чебан, А.Ю. Техника и технология раз-работки месторождений цементного сырья на Дальнем Востоке и перспективы их развития / А.Ю.Чебан, Н.П. Хрунина // Системы. Методы. Технологии. - 2014. - №1 (21). - С. 131-135.
3. Мировая горная промышленность. История. Достижения. Производство / М.Н.Т.Ц.-М.: Горное дело. - 2005.- 520 с.
4. Опарин, В.Н. Безвзрывные технологии открытой добычи твердых полезных ископаемых. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. - 336 с.
5. Лабутин В.Н. Безвзрывная технология добычи полезных ископаемых: состояние и перспективы. Оценка эффективности применения различных способов разрушения в технологиях открытых горных работ. // ФТРПИ. - 2004. - №2 - С. 66-74.
6. Пихлер М., Применение комбайна Wirtgen 2200SM для разработки сложноструктурных угольных пластов. // М. Пихлер, В.П. Смагин, П.В. Федорко, Ю.Б. Панкевич, М.Ю. Панкевич. // Горная промышленность. - 2008. №5. С. 30.
7. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Угли и горючие сланцы. Москва. 2007 г.
8. Методические указания по подсчету запасов золота и олова в россыпях. - Магадан, 1979 г.
9. Ермаков, С.А, Оценка производительности комбайнов КСМ-2000Р при безвзрывной выемке горных пород и углей Эльгинского месторождения с учетом их физико-химического разупрочнения / С.А. Ермаков, Д.В. Хосоев // Горный информационно - аналитический бюллютень. -2008. - № 4. - С. 88-93.
10. Отчет о результатах детальной разведки Северо-западного участка Эльгинского каменноугольного месторождения в Токинском районе Южно-Якутского бассейна за 1991-1996 гг. В 3-х томах, том 1, книга 2. Текст. Чульман, РС (Я) -1996 г).
11. Хосоев, Д.В. Экспериментальные исследования прочности песчаников Эльгинского каменноугольного месторождения / Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северных и северо-восточных регионов России: /Всероссийская научн.-практ. конф., посвященная памяти чл.-корр. РАН Ново-пашина М.Д. г. Якутск, 17-20 сентября 2013 г.
■ Справка журнала «Горная Промышленность»:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Севера имени Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук
История Института началась с создания в 1970 г. лаборатории рудничной аэродинамики (с 1971 г. - аэрологии) в составе отдела физико-технических проблем Севера при Президиуме ЯФ СО АН СССР (в этом же году - в составе ИФТПС ЯФ СО АН СССР). А уже Постановлением Совета Министров СССР от 07.03.1980 г. №117 образован Институт горного дела Севера Якутского филиала Сибирского отделения академии наук СССР.
В настоящее время Институт является единственным академическим учреждением горного профиля на Северо-Востоке России, проводящим на мировом уровне комплексные фундаментальные и прикладные исследования по изучению свойств геоматериалов и массивов горных пород и разработке перспективных геотехнологий освоения месторождений твердых полезных ископаемых в условиях криолитозоны. Основные направления научной деятельности: проблемы комплексного освоения минеральных ресурсов в условиях криолитозоны; теплофизика и геомеханика многолет-немерзлых пород и массивов с учетом антропогенных факторов.
