CC BY
72
--------------------------------- © В.С. Квагинидзе, Е.В. Ворсина,
2007
УДК 622.83
В.С. Квагинидзе, Е.В. Ворсина
ОЦЕНКА И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ НА МАЛЫХ РАЗРЕЗАХ СЕВЕРА
Минерально-сырьевой основой Южно-Якутского ТПК является крупное Нерюнгринское месторождение, отрабатываемое открытым способом ОАО ХК «Якутуголь» с производительностью около 8 млн т/год. Месторождение расположено в наиболее детально изученном Алдано-Чульмаканс-ком угленосном районе (АЧУР) Южно-Якутского каменноугольного бассейна. Район г. Нерюнгри в экономическом плане считается освоенным, но до полной отработки вышеупомянутого месторождения остается не более 20 лет. В связи с проблемой восполнения выбывающих в будущем мощностей на Нерюнгринском разрезе и дальнейшего использования объектов производственной и социальной инфраструктуры, все больший интерес в регионе приобретает добыча углей малыми разрезами.
Отработка небольших месторождений имеет ряд своих преимуществ: небольшие сроки разведки при малых затратах на нее; существенно меньшие капиталовложения на строительство при быстром вводе предприятий в эксплуатацию; применение простых технологических схем разработки; легко демонтируемое геологоразведочное, горное, обогатительное и вспомогательное оборудование с возможностью перемещения и использования на новых месторождениях; небольшой срок отработки месторождений; несложная организация работы вахтовым методом; более благоприятная экологическая обстановка с небольшими затратами на нее; наиболее гибкое реагирование на изменение экономической и рыночной конъюнктуры.
В настоящее время, в восточной части АЧУРа действуют несколько малых разрезов с проектной мощностью 100-400 тыс. т/год. Но, очевидно, что для наиболее полной компенсации выбы-
вающих в будущем мощностей на Нерюнгринском разрезе, объемов угля добываемых этими предприятиями недостаточно.
Для оценки уровня эффективности применяемой технологии добычи угля на малых разрезах Севера используются функциональный критерий, удельные величины базовых, единичных и комплексных показателей.
Оценка эффективности технологии добычи на действующем малом разрезе, за основу которой принята безэкспертная методика оценки качества горных машин, разработанная на кафедре "Технология и комплексная механизация" МГГУ, предусматривает следующую последовательность выполнения работ:
1. Определение функционального критерия малого разреза Севера.
Под термином функциональный критерий понимается количественная мера оценки добычи угля малым разрезом в конкретных условиях эксплуатации месторождения.
В качестве функционального критерия целесообразно использовать показатель, характеризующий основное функциональное назначение объекта. Главным назначением угледобывающего предприятия является добыча угля. Но основное содержание открытых горных работ составляет способ удаления покрывающих пустых пород, представляющий собой часто более сложный и трудоемкий процесс, чем непосредственно извлечение полезного ископаемого. Поэтому при расчете функционального критерия малого разреза необходимо учитывать фактические объемы как добычи угля (Уд, т), так и вскрышных работ (Ув, м3) за какой либо период времени. Для общей технической оценки горной породы как объекта разработки используется показатель трудности разрушения породы по В.В. Ржевскому (Пр), определяющий относительное сопротивление горной породы при воздействии внешних усилий, характерного для всех процессов открытых горных работ. Функциональный критерий малых разрезов можно выразить следующим образом:
л |-Пр = 0,05£Гк [ктр (сж + °сде +°р) +10-3ГЯ],м /т
где квтегк - текущий коэффициент вскрыши, м3/т; ктр - коэффициент, учитывающий трещиноватость горных пород; осж, осдв, ор - пределы прочности породы при одноосном сжатии, сдвиге и одноосном рас-
тяжении, МПа; у - плотность, кг/м ; g - ускорение свободного падения, м/с2.
2. Формирование номенклатуры показателей для оценки технологии добычи угля.
Качество оценки эффективности технологии добычи угля на малых разрезах во многом зависит от номенклатуры используемых показателей. Показатели (Р), принятые для оценки, определяются методом ранговой корреляции, как наиболее значимые из числа пригодных для оценки эффективности технологии добычи. В соответствие с этим методом на основании опросных анкет составляется и преобразовывается матрица рангов единичных показателей, строится гистограмма ранжирования и определяется уровень значимости. Наиболее значимыми показателями выявлены прибыль предприятия и себестоимость добычи 1 т угля
3. Определение удельных величин показателей, принятых для оценки:
Р
*=т
где 1 - порядковый номер параметра из числа (п) принятых для оценки эффективности технологии добычи на малых разрезах Севера; j - порядковый номер малого разреза из числа выбранных для оценки.
4. Выбор базовых показателей эффективности добычи угля на малых разрезах.
Для качественной оценки применяемой технологии добычи угля на малом разрезе необходимо иметь эталон - модель малого разреза, принятого за эталон (базу) с таким уровнем эффективности технологии добычи, к которому следует стремиться. Базовые показатели эффективности технологии добычи на малом разрезе определяются по удельным показателям д^, значения которых заносятся в таблицу-матрицу. Из полученных >тых столбцов таблицы-матрицы выбираются наилучшие (наименьшие или наибольшие) значения удельных величин параметров. Совокупность данных величин представляет собой базовую динамическую модель малого разреза, обладающего наиболее высокими показателями, уже достигнутыми различными предприятиями, но не имеющими аналогов в виде одного малого разреза:
( Ч1б )_ | |Ч1б, $26, ..., Ч1б, ...,
5. Определение уровня эффективности технологии добычи по единичным показателям, представляющий собой степень соответствия достижимому уроню по одному из наиболее значимых показателей:
для увеличивающих показателей:
к, = ^ < 1; к, = ^ = 1
Ч, Чб
для уменьшающих показателей:
к, = < 1; к, = 446 = 1
Чб Чб
6. Определение уровня эффективности технологии добычи по комплексному показателю.
Для определения комплексных показателей эффективности технологии добычи угля на малых разрезах по совокупности выбранных единичных показателей необходимо определить коэффициент и долю участия каждого единичного показателя в их общей сумме для рассматриваемого j-го малого угледобывающего предприятия.
Доля участия ау каждого единичного показателя эффективности технологии добычи угля рассматриваемого малого разреза в их общей сумме при п выбранных показателях определяется по формуле:
к,
а.. = —-—
у
Ек,
1=1
Доля участия каждого единичного показателя эффективности применяемой технологии добычи угля базового малого разреза равна:
аб=-!г—=-
Екб П
1=1
С целью исключения влияния количества выбранных для сравнения показателей определяем коэффициент участия уу каждо-
го единичного показателя в значении комплексного показателя эффективности технологии добычи угля на малом разрезе:
Коэффициент участия каждого единичного показателя базового малого разреза в значении комплексного показателя эффективности у1б = 1.
Суммарное значение единичных показателей эффективности технологии добычи _)-того малого разреза с учетом его коэффициентов участия при сложении их по правилу векторов в п-мерном пространстве подсчитывается по формуле:
Суммарное значение единичных показателей эффективности технологии базового малого разреза:
Комплексный показатель эффективности применяемой технологии добычи угля представляет собой степень соответствия уровня эффективности рассматриваемого объекта наиболее достижимому уровню:
7. На основании проведенных исследований были установлены зависимости комплексного показателя эффективности технологии добычи угля на малых разрезах Севера от уровня эффективности по единичным показателям и от величины удельных показателей (табл. 1) вида:
К, = аЛ1] + Ь,
где а, Ь, с и d - коэффициенты, определяемые путем решения системы нормальных уравнений.
Основные результаты расчетов по методике для малых разрезов Севера приведены в табл. 2.
К, = — + ё. Чу
Таблица 1
Расчетные зависимости К=/(П)
№ Показатель, П Уравнение Коэффициент корреляции, я
1 к1 К=0,7628 ^+0,1285 0,92
2 к2 К=0,7543 к2+0,0497 0,51
3 К=-0,2806/ ^+0,7781 0,89
4 К=5,2669/ я2+0,0488 0,51
Анализ влияния погодно-климатических условий Севера на объемы добычных и вскрышных работ (рис. 1) по данным годовых обобщений наглядно показал уменьшение последних на анализируемых малых разрезах в период года с отрицательной температурой окружающей среды (с октября по март). В летний же период года наблюдается значительное повышение объемов добычи и вскрыши, приближающееся к достижимому уровню.
В течение календарного года изменения объемов добычи и вскрыши описываются соответственно следующими зависимостями:
Одоб = -0,0063М6 - 0,0023М5 - 10,341М4 + 260,52М3 - -2420,6М2 + 11466М + 1052,8, (Я = 0,63),
Овскр = 0,0002М6 - 0,006М5 + 0,0759М4 -0,3156М3 - 4,1859М2 + 51,758М + 7,424, (Я = 0,71),
где Одоб - месячный объем добычи, т; Овскр - месячный объем вскрыши, тыс. м3; М - порядковый номер месяца в году; Я - коэффициент корреляции
График зависимости объемов добычи от угла падения угольного пласта для малых разрезов Севера (рис. 2) показывает, что больший угол падения снижает эффективность работы разреза, согласно экспоненциальной зависимости вида:
Одоб = 348,2е-0,033а, (Я = 0,94),
где а - угол падения пласта, град.
Следовательно, при современном уровне развития техники и технологии горнодобывающей промышленности, разработка наклонных и крутых угольных пластов в условиях Севера является неэффективной и дорогостоящей. Поэтому в северных регионах, при равных экономико-географических факторах, предпочтение следует отдавать, прежде всего, разработке
Я 120-
■М
•§ 80
40
0-1
Месяцы
■ -уголь; С"- вскрышные породы;
1, 2 - линия тренда добычных и вскрышных работ, соответственно.
Рис. 1. Характер изменения объемов вскрыши и добычи угля в течение года на малых разрезах Севера
Рис. 2. Зависимость объемов добычи угля от угла падения пласта на малых разрезах Севера
0 12 3 4 5 6 7
Мощное! ь угольных пластов, м
Рис. 3. Зависимость объемов добычи угля от мощности разрабатываемых угольных пластов на малых разрезах Севера
угольных месторождений или их участков с горизонтальным и пологим залеганием пластов.
На малых разрезах добыча угля, как правило, осуществляется из маломощных пластов. При увеличении мощности угольного пласта и количества одновременно отрабатываемых пластов, эффективность работы малых разрезов повышается, согласно установленной степенной зависимости (рис. 3):
Одоб = 8,2092т2,1286, (Я = 0,73)
где т - мощность разрабатываемого на участке угольного пласта; при нескольких пластах - суммарная мощность одновременно разрабатываемых угольных пластов, м.
Наибольшая эффективность работы малых разрезов Севера (рис. 4) достигается при использовании экскаваторов с вместимостью ковша 1,5-2,5 м3. Зависимость годовых объемов добычи на малых разрезах Севера от емкости применяемого экскаватора имеет вид:
Одоб = 565,48е-0,44418Е, (Я = 0,79),
где Е - вместимость ковша экскаватора, м
Используя результаты анализа влияния внешних факторов возможно выдвинуть ряд рекомендаций, направленных на повышение эффективности работы малых разрезов Севера.
Основной рекомендацией на ближайшую перспективу по используемому на добычных работах малых разрезах Севера выемочно-погрузочному оборудованию является эксплуатация экска-
ваторов с вместимостью ковша до 2,5 м3 и оборудованием обратная лопата. Такие экскаваторы требуют небольших
Вместимость ковша, м3
Рис. 4. Зависимость объемов добычи угля от вместимости ковша выемочнопогрузочного оборудования на малых разрезах Севера
капитальных вложений, могут вести селективную разработку сложноструктурных и сложнозалегающих угольных пластов, мобильны. Они обладают более широким диапазоном возможностей по образованию различных форм выработок и откосов забоев, что позволяет им работать без оставления в почве пласта различных призм недобора. Нижнее черпание позволяет осуществлять опережающую выемку пласта. Все это способствует сокращению эксплуатационных потерь угля при разработке маломощных пластов.
При использовании на добыче экскаваторов типа "обратная лопата" с вместимостью ковша до 2.5 м3 эффективность работы малых разрезов в среднем на 25 % выше, чем при применении механических лопат ЭКГ-5 А.
Учитывая сложные условия эксплуатации оборудования в условиях Севера, наряду с ограничением режима работы в зимний период, рекомендуется переработка годовых графиков ремонта экскаваторов на малых разрезах с учетом периода года с наиболее низкими температурами окружающей среды. Плановые ремонты экскаваторов необходимо выставлять по графикам или осуществлять в неплановом порядке в календарный период с декабря по февраль, включительно, даже при недостижении необходимой наработки машины. Данное предложение позволяет повысить эффективность работы малых разрезов на 12 %.
Корректировка графиков ТО и Р должна производится индивидуально для каждого отдельного экскаватора, эксплуатируемого на малом разрезе Севера. При этом должны учитываться следующие факторы:
- техническое состояние машины и ее фактическая наработка (тыс.м ) сначала эксплуатации (или после капитального ремонта) и от последнего текущего ремонта; машины, суммарная наработка которых от последнего аварийного ремонта является наибольшей, необходимо ремонтировать в первую очередь;
- вид и продолжительность ремонта, который при переработке графика ТО и Р должен попасть на зимний период;
- использование экскаватора на вскрыше или добыче, общее их количество, а также нахождение остальных вскрышных или добычных экскаваторов на данный период времени в ремонте;
- установленный проектом режим горных работ на разрезе и планируемый объем работ для данной машины на год;
- мощность ремонтной базы малого разреза, ее организация, наличие необходимого числа ремонтных рабочих, количества вспомогательного оборудования и запасных частей и т. п.
Условия разработки угольных пластов на всех рассматриваемых малых разрезах, за исключением разреза "Олонгринский", предполагают применение технологии с перевалкой вскрыши в выработанное пространство. Но весь объем вскрышных пород вывозится средствами автотранспорта. Переход на бестранспортную технологию вскрышных работ при использовании драглайнов с номинальной вместимостью ковша 10-20 м3, требует больших капитальных затрат, но позволяет более чем в 2 раза снизить эксплуатационные расходы и повысить производительность труда на малых разрезах, повышая тем самым общую эффективность производства в среднем на 15 %.
При взрывании породы в зонах контакта с маломощными пластами параметры буровзрывных работ и способы их производства должны исключать или значительно снижать разубоживание угля и способствовать максимально возможному его извлечению. Этим условиям в наибольшей степени отвечает взрывание в наклонных скважинах небольшого диаметра. Эта рекомендация не требует значительных затрат по ее внедрению, т. к. все буровые станки, эксплуатируемые на малых разрезах Нерюнгринского района по технической характеристике предназначены для бурения скважин с
направлением к вертикали 0; 15 и 30°. Снизить затраты на взрывные работы возможно также частичным применением (до 70-80 % от общего расхода) ВВ местного приготовления (си-бирит 1000 (1200), гранулит УП-1, гранулит РП-1).
Некоторое повышение эффективности действия взрыва в мерзлом породном массиве, достигается путем рассредоточения скважинных зарядов воздушными промежутками или с помощью инертного материала. Применение рассредоточенных зарядов повышает сложность процесса заряжания и снижает производительность труда взрывников. Но заряды ВВ с воздушными промежутками повышают равномерность дробления, до 10 раз снижают выход негабаритного материала, в 2 раза уменьшают размер среднего куска и до 10 % расход ВВ.
Применение на малых разрезах Севера наклонных взрывных скважин с рассредоточенным воздушным промежутком зарядом ВВ местного приготовления позволяет повысить эффективность основного производства в среднем на 10 %.
Внедрение предложенных рекомендаций влечет за собой увеличение удельного показателя прибыли в среднем на 14 %, комплексного показателя на 2,7 % и уменьшение удельного показателя себестоимости добычи 1 т угля на 11%. Зависимость годового экономического эффекта от величины комплексного показателя имеет вид: ЭГ=21724К, (R=0,96). Величина удельного годового эффекта в среднем по предприятиям составила 65,8 руб. на 1 т добываемого угля.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Квагинидзе В.С. - доктор технических наук, профессор, ОАО ХК «Якутуголь»,
Ворсина Е.В. - ТИ (Ф)ГОУ ВПО ЯГУ.
А
Таблица 2
Основные результаты расчетов при оценке эффективности технологии добычи угля на малых разрезах Севера
Предприятие Функцио- нальный критерий, X Удельные показатели Уровень эффективности по единичным показателям Доля и коэффициент участия единичного показателя в значении комплексного Ком- плекс ный показа за- тель, Кц
Я2 кі к2 аі Уі а2 У2
ООО СП "Эрэл" - участок "Угольный" - участок "Инаглинский" 60,1 55,4 4,271 7,896 6,972 7,313 0,541 0,999 1,000 0,953 0,351 0,512 1,298 0,976 0,649 0,488 0,702 1,024 0,702 0,976
АОЗТ разрез "Олон-гринский" 57,1 0,399 10,849 0,051 0,643 0,073 1,854 0,927 0,146 0,094
ЗАО "Малые разрезы Не-рюнгри" 38,3 7,900 12,189 1,000 0,572 0,636 0,728 0,364 1,272 0,728
ОАО УДП "Денисовское", участок ОГР 44,7 4,305 13,247 0,545 0,526 0,509 0,983 0,491 1,017 0,535
