CC BY
11
УДК 622.271.32
ПУТИ СОКРАЩЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ УГЛЯ ПРИ ВЫЕМКЕ МАЛОМОЩНЫХ ПЛАСТОВ
Б.Л. Тальгамер, Ю.Г. Рославцева, М.Е. Семенов
Отмечена тенденция к ухудшению горнотехнических параметров залегания месторождений каменного угля с уменьшением мощности продуктивных пластов, что при вовлечении запасов в эксплуатацию ведет к заметному увеличению потерь угля либо к росту его зольности. На примере одного из угольных месторождений с десятью маломощными пластами угля для нескольких вариантов кондиций рассчитаны эксплуатационные потери в кровле и почве пластов с оставлением слоев угля по 0,1 м при экскавации. Обоснована целесообразность уменьшения мощности теряемых слоев угля за счет применения на выемочном оборудовании специальных ковшей или модернизации существующих. Отмечена возможность снижения кондиционного показателя -минимальной мощности пласта до 0,4 м.
Ключевые слова: месторождения угля, маломощные пласты, эксплуатационные потери, селективная выемка.
Введение
Россия занимает одно из ведущих мест в мире по запасам угля [1]. Добыча его за последние двадцать лет почти ежегодно возрастает (в среднем на 3 % в год [2]). Вместе с тем горнотехнические условия залегания качественного угля, отвечающего мировым требованиям, неумолимо ухудшаются. При этом спрос на качественный каменный уголь остается более высоким, особенно зарубежными потребителями [3, 4].
Доля добычи каменного угля в РФ открытым способом составляет около 80 % [2, 3]. Разрабатываемые открытым способом месторождения характеризуются довольно большим коэффициентом вскрыши, небольшой мощностью пластов, высокой крепостью пород междупластьев, в ряде случаев значительной водообильностью горного массива [5, 6]. Поэтому вовлечение в эксплуатацию месторождений каменного угля сопряжено с использованием более сложных технологий и значительными капитальными затратами.
Общая характеристика объекта исследований
В качестве объекта исследования принято месторождение каменного угля, расположенное в юго-западной части Иркутской области.
В геоморфологическом отношении рельеф местности в районе месторождения типично платформенный: с плоскими волнистыми водоразделами и широкими заболоченными долинами водотоков. Месторождение
занимает вершину между двух временных водотоков. Абсолютные отметки водораздельных участков до 600 м, их превышения над днищами долин до 100 м. Крутизна склонов не превышает 8... 10°. Район характеризуется удовлетворительными природными условиями и по совокупности природных факторов относится к площади слабой степени экологической опасно-
Поверхность месторождения представляет сложно-волнистую поверхность с многочисленными разветвленными долинами и логами (ложбинами). Мощность рыхлых отложений от 1,5 до 12 м с учетом дезинтегрированного элювия. Покровные отложения вскрыши представлены рыхлыми грунтами элювиально-делювиального генезиса четвертичного образования. Преобладают супеси, суглинки, щебнисто-мелкоглыбовые образования с суглинистым заполнением.
В коренных породах вскрыши юрского возраста преобладают песчаники, алевролиты на глинистом цементе и аргиллиты нередко разглини-зированные. Эти породы по классификации М.М. Протодьяконова имеют степень крепости от мягких до среднепрочных (Ша-УП).
По результатам предшествующих исследований и аналогии с известными объектами добычи каменных углей категория экскавации пород от I до IV. Коэффициенты крепости 1 - 8.
При проведении буровых работ многолетнемерзлые породы не отмечались.
Продуктивная угленосная толща представлена десятью пластами мощностью 0,38.1,23 м, в среднем 0,64 м. Глубина залегания пластов от 2,35 до 54,75 м, в среднем 22,2 м.
Залегание пластов практически горизонтальное (1.2 °). Угли месторождения являются каменными, марки ДГ, не требующими взрывного рыхления.
По разведочным параметрам все угольные пласты участка для условий открытой отработки относятся к тонким. Простое строение пластов отмечается редко, преобладают пласты с наличием 1-2 породных прослоев.
Мощность налегающих вскрышных пород достигает 25,0 м, максимальная мощность междупластья -16 м.
В плане типизации месторождений твердых полезных ископаемых по сложности инженерно-геологических условий их разработки угольная залежь может быть отнесена к простым.
Результаты изысканий способов и параметров выемки угля
Исходя из геологических и горнотехнических условий залегания каменного угля, а также параметров продуктивных пластов, для разработки месторождения может быть использован только открытый способ.
Проектом принята транспортная система разработки с перемещением вскрышных пород во внешние и внутренние отвалы автомобильным
транспортом, уголь транспортируется из карьера до железнодорожного тупика также автотранспортом.
Вскрышные породы междупластий частично сложены из песчаников полевошпат-кварцевых (10 %), которые относятся III-IV категории горных пород по трудности экскавации и требуют предварительного рыхления буровзрывным способом. Разрыхленные породы междупластий также отрабатываются комплексом экскаватор DOOSAN DX800LC и автосамосвал BELL B50E.
Высота добычного уступа определяется эксплуатационной мощностью полезного ископаемого и составляет в среднем 0,5 м.
С учетом горнотехнических параметров месторождения, в первую очередь незначительной мощности пластов, и быстрого подвигания фронта работ для разработки месторождения принято небольшое мобильное горнотранспортное оборудование.
Выемка и погрузка угля из забоя с мощностью пласта более 0,6 м производится экскаватором обратная лопата DOOSAN DX520LCA (вместимость ковша 3,3 м3), а также DOOSAN DX300LCA (вместимость ковша 1,5 м3) с погрузкой в автосамосвалы FAW 6x4 (CA 3250 P66K2T1E5) (грузоподъёмностью 25 т).
Выемка и погрузка угля из забоя с мощностью пласта менее 0,6 м (31-35% запасов угля) производится экскаваторами типа обратная лопата DOOSAN DX300LCA (вместимость ковша 1,5 м3) с погрузкой в автосамосвалы FAW 6x4 (CA 3250 P66K2T1E5) (грузоподъёмностью 25 т).
В процессе выполнения ТЭО кондиций для данного месторождения были рассмотрены варианты с предельными линейными коэффициентами вскрыши 10, 12, 14, 16 м/м. При этом потери угля предусматривались в охранном целике (под дорогой), в кровле и почве пласта, в бортах по контуру запасов и при транспортировке. Наиболее значительными оказались потери в кровле и почве пластов.
Обоснование потерь и засорения угля в кровле и почве пластов выполнялось в соответствии с методикой, изложенной в «Инструкции...» [7], на основе технико-экономического анализа трех вариантов разработки: без засорения угля (с потерями в кровле и почве по 0,1 м); без потерь угля (с прихватом пород в кровле и почве по 0,1 м) и с потерями угля и примешиванием пород (по 0,1 м). В результате технико-экономических расчетов более эффективным оказался вариант при выемке пласта с потерями угля в почве и кровле по 0,1 м, что обеспечивает минимальную зольность и более высокую потребительскую цену.
Мощность теряемого слоя угля в почве и кровле (0,1 м) принята исходя из опыта работы горных предприятий и имеющихся рекомендаций [8]. В Указаниях по нормированию, планированию и экономической оценке потерь угля в недрах по Кузнецкому бассейну, разработанных ВНИМИ в 1991 г., отмечается, что потери угля в кровле пласта, представляющие
собой пачку угля, срезаемую при зачистке мехлопатой и бульдозером, составляют 0,13 м, а при зачистке драглайном - 0,4 м. Потери в почве пласта для предохранения добываемого угля от засорения при использовании мехлопаты и бульдозеров составляют 0,1 м, а при работе шагающего экскаватора - 0,4 м.
Для рассматриваемого месторождения по результатам расчетов потери угля в почве и кровле для принятых вариантов составили 23,6.32,8 %, то есть до четверти и трети балансовых запасов. Общие потери достигали 30,0.40,5 %. В итоге экономическая целесообразность вовлечения запасов в разработку была под вопросом.
Эксплуатационные потери угля в первую очередь зависят от горнотехнических условий залегания запасов, а также используемого выемочного оборудования. Для условий Кузбасса средняя фактическая величина потерь угля при добыче составляет около 10 %, для условий Восточной Сибири она заметно выше и составляет 15.20 % [8]. Потери угля, составляющие 30 % и более, не только ухудшают технико-экономические показатели горнодобывающего предприятия, но и не отвечают требованиям рационального недропользования.
Обоснование потерь угля и технологии селективной выемки
Таким образом, при разработке месторождений каменного угля с большим количеством маломощных пластов выемка полезного ископаемого с потерями в почве и кровле по 0,1 м является экономически не оправданной.
В последние годы всё чаще в разработку вовлекаются месторождения полезных ископаемых с маломощными пластами (жилами), выемка которых обуславливает высокие потери и разубоживание добываемого сырья [9, 10]. Снижение потерь угля обеспечивается различными техническими решениями, зависящими от используемого оборудования, характеристики и условий залегания угольных пластов [9, 11, 12]. Чаще всего для снижения потерь полезного ископаемого при разработке пластовых месторождений экскаваторами для зачистки кровли и полноты выемки продуктивных отложений в почве используются небольшие бульдозеры. Однако при разработке маломощных пластов использование на добыче двух видов горного оборудования весьма затратно. Поэтому необходимо изыскивать добычное оборудование, обеспечивающее селективную выемку продуктивных отложений.
В настоящее время для послойной выемки пород экскаваторами используются планировочные ковши вместимостью 0,7.1,5 м3. Планировочный ковш относится к сменному оборудованию, устанавливается на разные виды техники и может быть прямым и поворотным. Режущая кромка планировочного ковша имеет вместо зубьев ровное основание. Для защиты кромки используют не коронки, а ножи. Планировочный ковш может обеспечить послойную селективную выемку полезного ископаемо-
го. Однако при его использовании следует отметить меньшую силу копания, что имеет важное значение при повышении крепости вмещающих пород и угля.
Для селективной выемки более крепких пород осуществляют модернизацию ковшей, заключающуюся в наварке стальной пластины на зубья с внутренней стороны ковша с созданием единой рабочей плоскости, типа скребка (рис. 1), что дает возможность выемки тонких пластов угля без разрушения и прихвата вмещающих пород кровли и почвы.
Рис. 1. Ковш экскаватора Hitachi ZX 330 с приваренной к зубьям
стальной пластиной
Использование модернизированного ковша на участке «Раздолье-2» Арансахойской угленосной площади позволило при разработке трех пластов средней мощности 0,53 м, 0,73 м и 0,93 м уменьшить эксплуатационные потери угля до 26,5 %.
Для уменьшения слоя потерь угля в кровле и почве пласта может быть использован опыт Иретского угольного разреза, где применялись ковши завода «Профессионал» со специализированными сменными ножами для более качественной селективной выемки (рис. 2), а также опыт разработки на соседнем участке «Раздолье-1», где теряемый слой угля (мощность потерь) в кровле и почве уменьшили до 0,05 м.
В результате расчетов было установлено, что на рассматриваемом месторождении за счет снижения теряемого слоя угля с 0,1 м до 0,05 м потери в кровле и почве сокращаются с 23,6...32,8 до 14,1...16,4 %, суммарные потери угля уменьшаются с 30,0.40,5 до 17,7.24,0 %, промышленные запасы увеличиваются на 17.21 % .
Выводы
1. По мере усложнения горнотехнических условий залегания запасов угля его эксплуатационные потери постоянно увеличиваются и при разработке маломощных пластов могут достигать 30. 40 %.
2. Применение специальных или модернизированных ковшов экскаваторов с использованием на режущей кромке ножей позволяет существенно (почти в 2 раза) снизить потери угля в кровле и почве пласта и уменьшить кондиционную (минимальную) мощность пласта до 0,4 м.
Список литературы
1. Statistical Review of World Energy 2020 | 69th edition.
2. Киселев Е.А. Государственный доклад о состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2019 году // МПРиЭРФ, 2020. 309 с.
3. Таразанов И.Г., Губанов Д. А. Итоги работы угольной промышленности России за январь-декабрь 2020 года // Уголь, 2020. №3. С.54-59.
4. Басов М.Д. Российский уголь ещё долго будет нужен людям и в нашей стране, и за её пределами // Уголь, 2022. №8. С. 16-22.
5. Азев В. А., Попов Д.В. Обоснование технологических параметров разработки пластовых месторождений с невыдержанными характеристиками залегания и качества угля. // Уголь. 2022. №2. С.14-22.
6. Тальгамер Б.Л., Коробкова Е.А. Угольная промышленность Иркутской области: история и перспективы развития. Иркутск: 2009. 112 с.
7. Инструкция по расчету промышленных запасов, определению и учету потерь угля (сланца) в недрах при добыче (утв. Минтопэнерго России 11.03.1996).
8. Указания по нормированию, планированию и экономической оценке потерь угля в недрах по Кузнецкому бассейну. Открытые горные работы. Ленинград. 1991.
9. Качурин Н.М., Курехин Е.В., Мельник В.В. Технология селективной выемки маломощных угольных пластов сложного строения гидравлическими экскаваторами // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2023. Вып.1. С. 224-239.
10. Голик В.И. Оптимизация технологии разработки маломощных пологих рудных тел на геомеханической основе // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 4. С. 139-152.
11. Methodology of coal losses calculation at open pit mining for complex geological conditions - review / O. Litvin, M. Tyulenev, S. Zhironkin, S. Prokopenko // Acta Montanistica Slovaca. 2017. Vol. 22. P. 146-152.
12. Selyukov A., Byrdin K. Passive Experiments for Monitoring Mining Operations by Dragline at Kuzbass Open Pits Estimation of Coal Losses // E3S Web of Conferences 174, Vth International Innovative Mining Symposium. 01030. 2020.
Тальгамер Борис Леонидович, д-р техн. наук, проф., go [email protected], Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Рославцева Юлия Геннадьевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Семенов Максим Евгеньевич, науч. сотр. killclown@,yandex.ru, Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет
WAYS TO REDUCE OPERATIONAL LOSSES OF COAL WHEN EXCAVATING
LOW-POWER LAYERS
B.L. Talgamer, Y.G. Roslavtseva, M.E. Semenov
There is a tendency to deterioration of the mining parameters of the occurrence of coal deposits with a decrease in the capacity of productive layers, which, when reserves are involved in operation, leads to a noticeable increase in coal losses or to an increase in its ash content. Using the example of one of the coal deposits with ten low-power coal seams for several variants of conditions, the operational losses in the roof and soil of the layers with the abandonment of coal layers of 0.1 m during excavation are calculated. The expediency of reducing the power of the lost coal layers due to the use of special buckets on the dredging equipment or the modernization of existing ones is substantiated. The possibility of reducing the conditioned indicator - the minimum reservoir capacity to 0.4 m was noted.
Key words: coal deposits, low-power formations, operational losses, selective excavation.
Talgamer Boris Leonidovich, doctor of technical sciences, professor of the department, [email protected] , Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Roslavtseva Julia Gennadievna, candidate of technical sciences, assoc., [email protected] , Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Semenov Maxim Evgenievich, scientific. sotr. [email protected] , Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University
Reference
1. Statistical Review of World Energy for 2020 | 69th edition.
2. Kiselev E.A. State report on the state and use of mineral resources of the Russian Federation in 2019 // MPRiERF, 2020. 309 p.
3. Tarazanov I.G., Gubanov D.A. The results of the work of the Russian coal industry in January-December 2020 // Coal, 2020. No.3. pp.54-59.
4. Basov M.D. Russian coal will be needed by people in our country and beyond for a long time // Coal, 2022. No.8. pp. 16-22.
5. Azev V.A., Popov D.V. Substantiation of technological parameters for the development of reservoir deposits with unstressed characteristics of occurrence and quality of coal. // Coal. 2022. No.2. pp.14-22.
6. Talgamer B.L., Korobkova E.A. The coal industry of the Irkutsk region: history and prospects of development. Irkutsk: 2009. 112 p.
7. Instructions for calculating industrial reserves, determining and accounting for losses of coal (shale) in the subsurface during extraction (approved by the Ministry of Fuel and Energy of Russia 11.03.1996).
8. Guidelines on rationing, planning and economic assessment of coal losses in the depths of the Kuznetsk basin. Open-pit mining. Leningrad. 1991.
9. Kachurin N.M., Kuryokhin E.V., Melnik V.V. Technology of selective excavation of low-power coal seams of complex structure by hydraulic excavators // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2023. Issue 1. pp. 224-239.
10. Golik V.I. Optimization of technology for the development of low-volume shallow ore bodies on a geomechanical basis // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2016. Issue 4. pp. 139-152.
11. Methodology for calculating coal losses during open-pit mining in difficult geological conditions - review / O. Litvin, M. Tyulenev, S. Zhironkin, S. Prokopenko // Acta Montanistica Slovaca. 2017. Volume 22. pp. 146-152.
12. Selyukov A., Byrdin K. Passive experiments on monitoring mining operations by dragline at Kuzbass quarries to assess coal losses // E3S Web of Conferences 174, V International Innovative Mining Symposium. 01030. 2020.
