Оценка производственных мощностей разрезов при разработке перспективных угольных месторождений Кузбасса Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 622.271.48

Е.В.Курехин

ОЦЕНКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МОЩНОСТЕЙ РАЗРЕЗОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

КУЗБАССА

В последние десятилетия (1998-2008 г.г.) в Кузбассе осваиваются новые угольные месторождения в различных геолого-экономических районах бассейна.

В этом плане перспективными для дальнейшего освоения, в т.ч. открытым способом, являются семь геолого-экономических районов, в которых сосредоточено около 80 % разведанных запасов бассейна: Ленинский (27 %), Ерунаковский (15 %), Томь-Усинский (11 %), Прокопьевско-

Киселевский (10 %), Кондомский (6 %), Кемеровский (5%) и Терсинский (5 %). Значительные промышленные запасы имеются в Мрасском, Бунгу-ро-Чумышском и др. [1].

В ближайшей перспективе предстоит развитие новых угольных месторождений в Ерунаковском, Кондомском, Ленинском, Терсинском и Томь-Усинском районах, на территории которых имеется энергетическая и транспортная сеть.

В работе [1] отмечается, что на перечисленных месторождениях основные запасы углей сосредоточены в пластах небольшой мощности - от 1 м до 3-5 м, при небольшом наличии пластов мощностью 9-12 м.

Для целей перспективного планирования развития открытого способа добычи угля на этих месторождениях, прогнозирования направлений развития техники и технологии в этой области и проектирования новых разрезов необходим анализ пригодности перспективных месторождений для добычи угля таким способом.

Это, прежде всего, относится к определению глубины разработки участков на месторождениях, запасов на них и ожидаемой производственной мощности.

Для решения этих вопросов на участках перспективных месторождений сделан анализ залегания свит угольных пластов, включающий отбор пластов имеющих выход под наносы на крыльях складок и исключение нерабочих пластов (мощность менее 1 м, согласно обоснованию работы [2]).

Все эти варианты просчитаны, а алгоритм расчёта послужил основой для разработки математической модели определения производственной мощности и глубины карьера.

Для анализа использованы стратиграфические колонки [1], часть из которых показаны на рис. 1 (квадратными скобками показаны варианты отработки одиночных пластов или свит рабочих пластов). На этом рисунке: а - Казанково-Маркинская

(Ленинский район; Ленинское, Никитенско-Мусохрановское и Тамбовское месторождения); б -Ленинская (Ерунаковский район; Новоказанское и Жер-новское месторождения); в - Ишановская (Терсинский раойн; Макарьевское месторождение); г - Грамотеин-ская (Терсинский район; Терсинское месторождение); д

- Грамотеинская и Ленинская.(Томьусинский район; Распадское и Чексинское месторождения); е - Ишановская (Томь-Усинский район; Ольжерасское и Томское месторождения); ж - Грамотеинская (Терсинский район; Кушеяковское месторождение); з - Ленинская (Ленинский район; Егозово-Красноярское месторождение).

В табл. 1 приведены результаты наблюдений по условию залегания и параметрами залегания пластов на перспективных месторождениях.

Сведённые в систему наблюдения позволят поставить на научную основу обоснование порядка отработки свит и комплектацию механизации по основным технологическим процессам, а при проектировании целенаправленно произвести расчёт главных параметров карьерного поля и показателей работы разреза.

Решение поставленных задач: определение конечной глубины разработки залежи, запасы угля в карьерном поле и проектной производственной мощности осуществляется на основе горногеометрического анализа залежей, в пределах структур свит и параметров залегания пластов, установленных анализом. Разработка залежей предполагается по продольной углубочной одно-и двухбортовой системе разработки.

Разработана аналитическая модель горногеометрических залежей, для однобортовой (рис. 2 а) и двухбортовой (рис. 2 б) системы разработки.

В этих схемах дно карьерного поля принято горизонтальным по всей ширине свиты, что соответствует выполненным проектам разрезов («Ба-чатский», «Краснобродский» и др.) для свиты пластов.

Граничные значения параметров залегания свит пластов принятые при моделировании, основаны на результате анализа (см. табл. 1) .

а)

б)

Меремковский

Дягилевский

Надбреевский

Бреевский

Толмачевский

Емельяновский

Снятковский

Семейный Серебренми-ковский Майеровский олдыревский в.п Промежуточный Поленовский Максимовский А Б

Веретенов-

СКИЙ-К12)

13

,72

0.72

л

1.01 I <.56 1 *,В04

0.12

3)

Красноорловсхнй Несложный Тонкин Инский ПТ-П,1

Полысаевский II Спутник Надбакаимский Банканмский

Слоеный в.п. Слоеный н.п. Дягилевский

Бреевский

Толмачевский

Емельяновский

Снятковский

0.82

1.01“

0,97

0.77

ш

ш

ш

ж

о

/>;■/

100

□

=1-1 60

1 59

л

-1-1 | ЬЙ-57

56

54

53

□ 52*

52

Ы

51*

У)

■ 3

2,3В

1,82

1,42

1,32

0,76

4,82

1,76

1,81

2.34 1,08 0,В7

1.34

1.36

2,04

2,26

2,09

1.37

200 м

ш

ЯТЯ

тш

ГГ111

2,72 1,17

3,41

1,03

У'Л'/'Л

ж)

Л

]

0 50 100 м

2011

_|_

г)

18

•••

3.6

]

0 50 100 м

1__________I___________I

200 м

—I

12,3

Рис.1. Стратиграфические колонки перспективных месторождений

Таблица 1.Наблюдаемые в группах параметры залегания пластов

Число отрабатываемых пластов, п Угол падения залежи, р, град Суммарная нормальная мощность в группе пластов, шп, м Нормальная мощность в группе пластов, М, м

Наблюдаемы в группах значения параметров

1 20; 21; 28; 29; 33; 37; 38; 45; 46; 50 1,01; 1,02; 1,04; 1,14; 1,19; 1,5; 1,53; 1,59; 1,64; 1,75; 1,96; 2,05; 2,08; 2,23; 3,6; 4,65; 5; 5,6; 8,3; 12,13; 12,8 М=тп

2 21; 22; 28; 29; 37; 46; 58; 61 2,03; 2,34; 3,52; 3,7; 4,01; 4,06; 6,09; 6,25; 12,75 8; 10; 16; 14; 20; 21; 39; 48; 51

3 20; 21; 22; 25; 29; 30; 35; 37 4,12; 4,7; 4,78; 6; 6,7; 8,92; 9,8; 14,3 37; 41; 45; 57; 60; 64; 66

4 20; 29; 40; 46; 56 5,21; 6,94 7,76; 11,55; 12,9 77; 81; 84; 91; 105

5 20; 21; 22; 29; 46; 55; 56 7,33; 10,05; 10,54; 12,22; 12,96; 16,92 110; 117; 118; 125; 176; 186

6 20; 21; 56 8,71; 9,76; 10,1; 14,02 125; 142; 159; 218

7 21; 60 11,73; 16,25 241;256

Рис. 2. Расчетные схемы горно-геометрического анализа для углубочной продольной однобортовой

(а) и двухбортовой (б) системы разработки

Глубина разработки залежи оценивалась по известному условию для продольной системы разработки [3]

ктах < кгр, (1)

где к!рах - максимальный текущий коэффициент

вскрыши, м3/т; Кгр - граничный коэффициент

вскрыши, м3/т.

Конечная глубина карьерного поля (Ик) определяется методом итераций, для чего принимается первоначальное её значение (Ик) и которое увеличивается с каждым циклом на шаг АИк. То-

Таблица 2. Показатели разработки залежей

Кгр=4 м3/т Кгр=8 м3/т

Показатели Ld=1 км Ld= 1,5 км Ld= 1 км Ld=1,5 км

Наклонное залегание пластов (p град)

20 30 20 30 20 30 20 30

Глубина карьера, Ик, м 73 З4 73 З4 140 107 140 107

Запасы угля, Q, млн.т 3,0 1,4 4,3 2,1 б,4 3,0 9,0 4,4

Производственная мощность (ПГ) млн.т/год 7=5,5 лет 0,З3 0,2б 0,78 0,38 1,1б 0,ЗЗ 1,бЗ 0,80

7=11 лет 0,27 0,13 0,39 0,19 0,З8 0,28 0,83 0,40

7=15,5 лет 0,19 0,09 0,28 0,14 0,41 0,20 0,З9 0,28

Крутое залегание пластов (p, град)

40 б0 40 б0 40 б0 40 б0

Глубина карьера, Ик, м 37 30 37 30 74 42 74 42

Запасы угля, Q, млн.т 0,7З 0,4З 1,12 0,б7 1,б 0,б4 2,3 0,94

Производственная мощность (ПГ), млн.т/год 7=5,5 лет 0,14 0,08 0,20 0,12 0,29 0,12 0,42 0,17

7=11 лет 0,07 - 0,10 0,0б 0,14 0,0б 0,21 0,09

7=15,5 лет - - 0,07 - 0,10 - 0,1З 0,0б

гда текущее значение глубины Иk=Иki+AИk (где 1 - номер цикла расчёта 0=1, 2, 3, ..., п)).

При моделировании определяются следующие параметры:

Горизонтальная мощность свиты МГ, м,

Mг = М ■ sinф-1, (2)

где ф - угол падения пластов свиты, град; М -нормальная мощность свиты, м;

- суммарная нормальная мощность пластов свиты , м,

mn

= ^ш , (3)

1

где ш — мощность отдельного пласта, м; п - число разрабатываемых пластов;

- суммарная горизонтальная мощность пла-

стов свиты, м

-1

тп.г = тп ' smP где р- угол залегания пластов, град.;

- угленосность свиты, ед.

Ky = mn • M

(4)

(З)

Текущее значение коэффициента вскрыши К71 при любом значении Нк, м3/т,

Kj =

1В +1Л + МГ - mnx • (1 - кП )

(б)

тп.г ■ ТУ ■ (1 - кп ) где /в, /Л - наклонная средняя текущая длина рабочего борта, соответственно, с висячей и лежачей стороны залежи, м; уУ - плотность угля, т/м3; КП -потери угля при добыче, доли.

Наклонная длина рабочего борта с висячей стороны залежи определяется из выражения вшф ■ (А^в + ^ф)

1В = Hk

(7)

81п(ар.Б + ф)

При однобортовой продольной (ул=ф), с лежачей стороны залежи борт не разносится (/Л=0) (рис. 2 а), следовательно

®1п(ф — УЛ)

1Л = H Н

(8)

єіпр- 8Іп(ул - ар.Б)

где Нк - глубина карьерного поля, м; уВ - угол погашения борта карьера с висячей стороны залежи, град.; аР.Б - угол откоса рабочего борта, град.

а Т=5,5 лет

Т=5,5 лет

тп, м

Ф- град

б Т=11 лет

7=11 лет

Рис. 3. Зависимость годовой производственной мощности участка (ПГ) от угла падения пластов (ф) и мощности пласта (ш„) при граничном коэффициенте вскрыши (Кгр): а, б 4 м3/т; в, г 8 м

Кр=К

Высота верхней зоны карьерного поля при

Т, м

Нв = Ик

(Л^в + ^р) • єіпр • єіпар.Б 8Іп(ар.Б + р)

9)

в

г

Высота нижней зоны карьерного поля, м,

Нн = н к — Нв. (10)

При условии когда у л < ф интервал ЬВ и ЬК

определяется из выражений

ьв = нк ■ №ул — ^ф), (11)

ЬК = НВ ■ (^р.б — ctgф). (12)

В случае когда параметр ЬК>ЬВ, то наклонная длина рабочего борта с висячей и лежачей стороны залежи равны (/В=/Л).

Далее определяется годовая производственная мощность разреза, млн.т/год,

Q

(13)

7 + 7РЗ

где Q - объём запасов в карьерном поле, млн.т; 7

- время работы разреза с постоянной мощностью, лет; 7РЗ - время на развитие и затухание горных работ, лет.

Объём запасов в карьерном поле при продольной системе разработки, т

Q = шг ■(1 — КП ) ■ Ик ■ ТУ ■ (Ьа + Ик ■ &ёУ7 ), (14) где Ьа - длина карьера по дну, км; у7 - угол откоса в торцах карьерного поля, град.

Моделированием разработки залежей установлены значения показателей разработки залежей: глубина карьерного поля (Ик, м), промышленные запасы ^, млн.т) и годовая производственная мощность (ПГ, млн.т/год).

Расчеты произведены в пределах принятых границ (табл. 3) при значении длины карьерных полей Ь=1^1,5 км и срока службы карьеров 7=5,5^15,5 лет, граничном коэффициенте вскрыши 4^8 м3/т.

Рассмотрено преимущественно залегание пластов в пределах от 20 до 60°. Суммарная мощность пластов принята равной 10 м.

Результаты расчётов по граничным значениям параметров приведены в табл. 2.

Как видно из приведенных показателей, более благоприятны для разработки наклонные залежи, глубина разработки которых может достигать 140 м при Кгр=8 м3/т. Запасы могут достигать 9 млн.т, а производственная мощность 1,1 млн.т угля в год.

Менее благоприятны для разработки крутые залежи, на которых при тех же значениях Кгр и Ьа глубина разработки будет достигать 74 м, а запасы составят 1,6-2,3 млн.т и производственная мощность 0,06^0,30 млн.т угля в год.

Обобщая результаты расчётов, можно сделать следующее заключение.

Большинство перспективных участков будут разрабатываться карьерами малой и средней мощности. Глубина карьерных полей будет составлять 30^140 м, запасы угля от 1 до 9 млн.т, производственная мощность от 0,1 до 1,5 млн.т угля в год.

На графиках рис. 3 а, б, в, г, как пример, показаны зависимости годовой производственной мощности участка от мощности одиночного угольного пласта при различных углах залегания. По графикам можно оперативно определить возможную производительность участка в зависимости от его горно-геологических условий (как показано на рис. 3 а).

Для проектных работ и предварительной оценки пригодности залежи к открытой разработки построены зависимости производственной мощности участка ПГ от угла падения пластов ф и их нормальной мощности шп (рис. 3 а, б, в, г).

Предложенная методика и полученные результаты могут использоваться в научноисследовательской работе и проектной практике.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Угольная база России. Том II. Угольные бассейны месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский, бассейны; месторождения Алтайского края и Республики Алтай). - М.: ООО «Геоинформцентр», 2003. - 604 с.

2. Курехин Е.В. Выемка маломощных пластов гидравлическими экскаваторами зарубежного произ-водства/Курехин Е.В.// Вестн. Кузбасского гос. тех. ун-та., 2008. № 3. С. 3-5.

3. 7рубецкой, К.Н. Проектирования карьеров/К.Н. Трубецкой, Г.Л.Краснянский, В.В.Хронин//Учеб. для вузов: в 2 т. - М.: Издательство Академия горных наук, 2001. - т.1. - 519 с.

□ Автор статьи:

Курехин Евгений Владимирович

- канд. техн. наук, доц. каф. открытых горных работ КузГТУ е-шай: [email protected] Тел. 8-(384-2)-58-30-59.