CC BY
9
4. Problems of the technical condition of the support of the skip and cage trunks of the Ust-Yayvinsky mine / N.M. Kachurin, V.V. Melnik, R.A. Solovyov, D.A. Solovyov // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2023. No. 4. pp. 234-238.
5. Assessment of the stress-strain state of vertical trunks support when replacing tubing segments / N.M. Kachurin, V.V. Melnik, R.A. Solovyov, D.A. Solovyov // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2023. No. 4. pp. 238-244.
6. Kachurin N.M., Stas G.V., Esina E.N. Geomechanical provision of combined ge-otechnology at the final stage of development of coal deposits // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2021. No. 3. pp. 277-285.
7. The stress-strain state of the mountain massif and the support during the construction of underground structures / N.M. Kachurin, E.I. Zakharov, D.A. Solovyov, R.A. Solovyov // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2021. No. 4. pp. 582-590.
8. Composite mixture for the manufacture of road surfaces: pat. RU 2712215 C1; application No. 2019124182 dated 25.07.2019.
9. Interactions of vertical trunks with rock massifs during the restoration of support and reinforcement / N.M. Kachurin, I.A. Afanasiev, V.S. Pestrikova, P.P. Stas // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2020. No. 3. pp. 290-303.
10. Efficiency of combining ore extraction technologies within the ore field / V.I. Golik, V.G. Lukyanov, N.M. Kachurin, G.V. Stas // Izvestiya Tomsk Polytechnic University. Georesources engineering. 2020. vol. 331. No. 10. pp. 32-39.
УДК 622.012.3
РАЗВИТИЕ И СОСТОЯНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫХ ВИДОВ
ТЕХНОЛОГИИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ И СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ НА РАЗРЕЗАХ КУЗБАССА
А.С. Ненашев, В.С. Федотенко, Н.А. Федотенко
Выполнен ретроспективный анализ развития, состояния и видов технологии ведения открытых горных работ и систем разработки угольных разрезов Кузбасса. Показано, что в ходе отработки месторождений, оставленные на разрезах после завершения горных работ открытые пространства от выработок и горы внешних отвалов склонны к эрозионным проявлениям и изменяют в худшую сторону, сложившийся в естественно-природных условиях рельеф поверхности земли и состояние воздушной среды территории. В то же время отсутствие на угольных разрезах бассейнов системного подхода к восстановлению нарушенных открытыми горными работами земель, а также системы полной отработки всех пластов угля свиты на нарезанных рабочих горизонтах определяет необходимость снизить площади нарушенных поверхностей поля разреза открытыми горными выработками и уменьшить изъятие площадей земельных угодий под внешние отвалы пород.
Ключевые слова: открытые горные работы, технология, уголь, пласты, разрез, Кузбасс, отвалообразование, рекультивация.
Введение. К началу применения открытых горных работ в Кузбассе в мировой практике не было аналогов открытой отработки сложнозалега-ющих и сложноструктурных месторождений угля. Отсутствовала не толь-
ко теоретическая база, но не было проведено даже предварительных научных исследований с рекомендациями по производству открытых работ в подобных сложных горно-геологических условиях [1].
Для всех месторождений угля в Кузбассе, отрабатываемых открытым способом в настоящее время и пригодных к отработке в перспективе, общим является то, что они представлены свитой пластов, имеют складчатую форму залегания и погружаются на большую глубину. В то же время по районам бассейна, месторождения различаются по углу падения пластов угля и тектонической нарушенности как пликативного, так и дизъюнктивного характера. На конкретном месторождении (в свите) рабочие пласты имеют разную мощность, а уголь отличается по марочному составу и качеству.
Основные складчатые формы, которым подвержены свиты пластов угля, это - крупные моноклинальные и брахисинклинальные складки в основном с пологим и наклонным залеганием, а также синклинальные и антиклинальные складки с острыми замками и крутым (до 60°...90°) падением крыльев. Пласты угля в крыльях складок из-за тектонических подвижек часто разорваны и смещены.
В результате тектонической нарушенности и изменяющейся мощности пластов угля, образуется неравномерная площадная (погоризонтная) угленасыщенность месторождения. Одной из особенностей при открытой отработке любых месторождений угля, а для кузнецких месторождений наиболее характерной (в следствие погружения пластов на большую глубину), является переработка значительных объёмов вскрышных пород, постоянно увеличивающихся с глубиной ведения горных работ и превышающих объёмы добываемого угля в несколько раз.
Для размещения этих многомиллионных объёмов вскрыши на внешних отвалах требуются большие земельные площади, которые безвозвратно теряются для сельскохозяйственного производства. Выработанное пространство при сложившейся на практике продольной отработке крутопадающих и наклонных месторождений угля с опережающим развитием горных работ в глубину по мощным основным рабочим пластам свиты не может быть использовано под внутренние отвалы породы раньше, чем будет достигнута конечная глубина разреза
Методика исследования. Исследование базируется на методологии системного и стратегического анализа. В основу работы положены государственные доклады о состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов РФ, научные труды исследователей, посвященные вопросам развития открытых горных работ в угольном кластере, технологиям ведения открытых горных работ на разрезах, горно-геологических условий залегания угольных пластов. При написании статьи использован научно-практический опыт, полученный в период работы в ведущих угольных компаниях России и научно-исследовательских институтах.
Основная часть. В первых прогнозах по открытой угледобыче предполагалось, что в Кузбассе могут эффективно функционировать только разрезы малой производительности, отрабатывающие на небольшую глубину выходы мощных пластов угля под наносы.
Для всех месторождений угля в Кузбассе, отрабатываемых открытым способом [2 - 4], характерно наличие угленасыщенной зоны, представленной чередующимися пластами угля и породными междупластиями, а также безугольной зоны (в бортах - на крутопадающих месторождениях или расположенной выше кровли верхнего угольного пласта свиты - на пологих и наклонных месторождениях) [5, 6].
В общем объёме горной массы доля угленасыщенной зоны составляет порядка 70 % - на месторождениях севера и юга бассейна и 80. 84 % - на месторождениях центрального Кузбасса [7, 8].
На таких месторождениях, как Краснобродское, Бачатское, Проко-пьевское в свитах насчитывается по 11, 17, 13 пластов угля, среди которых есть пласты с мощностью двадцать и более метров. Поэтому первыми открытыми разработками осваивались именно эти месторождения угля в центральном Кузбассе со свитой пластов в форме антиклинальных и синклинальных складок с крутым (ф=46... 90°) падением крыльев.
На ранней стадии эксплуатации этих месторождений было площадное развитие открытых горных работ, потому что в первую очередь отрабатывались, близко залегающие к поверхности, пласты угля в форме бра-хисинклинальных складок и узких замков антиклинальных складок, а также локальные скопления угольной массы, образовавшиеся в результате дислокации отдельных частей пласта, разрушенного тектоническими подвижками дизъюнктивного характера (сбросами, взбросами, надвигами).
При точечном порядке отработки угля экскаваторные забои располагались по площади месторождения на значительном расстоянии друг от друга и взрывная подготовка горной массы у одного из экскаваторов не оказывала влияния на работу других. Однако, несмотря на рациональную (с точки зрения буровзрывных работ) расстановку экскаваторов по площади в границах поля разреза, для такого порядка отработки месторождения характерна деконцентрация горных работ.
Затем началась разработка выходов мощных пластов угля под наносы по простиранию месторождения и порядок отработки изменился от площадного точечного к продольному.
В первые годы эксплуатации, названых выше месторождений угля, вскрышные породы разрабатывались экскаваторами-драглайнами и укладывались на бортах выработки, т.е. оставлялись в границах поля разреза. Так, в 1960-1961 годах по такой технологии перерабатывалось почти половина (45.47 %) всех объёмов вскрыши. Однако в результате складчатости залегания и тектонической нарушенности свиты пластов в Бачатском, Прокопьевско-Киселёвском, Бунгуро-Чумышском геолого-экономических
районах, а также за счёт пересечённого (гористого) рельефа поверхности в Томь-Усинском, Мрасском и Кондомском районах бассейна в границах месторождений угля наблюдается неравномерность в распределении по площади объёмов вскрыши и угля, что приводит к разным величинам коэффициента вскрыши на отдельных участках.
Поэтому, несмотря на общий продольный порядок, отработка месторождения угля ведётся участками, размеры и форма которых различны. Обычно длина участков изменяется от 0,9 до 2,5 - 2,8 км.
Такой порядок развития горных работ наиболее характерен для месторождений с крутым и наклонным залеганием пластов и обусловлен не только стремлением к первоочередной отработке наиболее благоприятных (по коэффициенту вскрыши) участков, но и созданием необходимых готовых к выемке запасов угля.
На разрезах центрального Кузбасса достаточно широко применяется отработка участками месторождений со свитой крутопадающих (ф=46... 90°) пластов угля. В связи с тем, что на этих месторождениях горизонтальная мощность пластов значительно меньше минимальной ширины рабочих площадок, создаются определённые трудности в управлении текущими запасами угля. Здесь готовые к выемке запасы угля создаются на очередном по глубине горизонте после проведения вскрывающих и подготовительных выработок. Отсюда, период подготовки запасов угля при отработке месторождений с пластами крутого и наклонного падения складывается из продолжительности работ по вскрыше (по отгону рабочего борта разреза), а также работ по сооружению скользящего съезда и проведению разрезной траншеи, на ниже расположенном горизонте.
С ростом глубины отработки месторождений угля увеличиваются объёмы вскрышных работ, что обусловило необходимость перехода на транспортную технологию ведения горных работ с использованием автомобильного и железнодорожного транспорта. Этот переход был осуществлен без требуемой подготовки и реконструкции горного хозяйства разрезов, поэтому уборку, оставленных на бортах выработки вскрышных навалов породы, обустройство транспортных коммуникаций и другие работы, связанные с вводом транспорта в рабочую зону разреза, производились без остановки предприятия и без снижения его производственной мощности по добыче угля.
Для транспортной (с использованием железнодорожного транспорта) технологии ведения горных работ были определены верхние горизонты месторождений, где вскрышные породы отрабатываются при разносе рабочего борта разреза. Одновременно с вскрышными работами на этих горизонтах разрабатываются маломощные пласты угля, попадающие в разбортовку.
Транспортная (с использованием автотранспорта) технология ведения горных работ, благодаря своей мобильности, применяется при отра-
ботке вскрышных пород на более глубоких горизонтах месторождения, где ведётся подготовка и выемка основных запасов угля. С появлением транспорта для вывозки вскрышных пород на отвалы увеличилась ширина рабочих площадок. В результате этого, на ряде разрезов углы откоса рабочих бортов излишне выположились, что привело к увеличению объёмов вскрышных и вспомогательных работ.
В рабочей зоне разреза на многочисленных уступах сформировался достаточно протяженный фронт вскрышных работ, который в технологическом отношении используется лишь наполовину, т.е. неинтенсивно. Несмотря на всё вышеизложенное, переход на транспортную технологию ведения горных работ с ростом глубины отработки месторождений угля был неизбежен.
Отработка крутопадающих (ф=46...90°) и наклонных (ф=16...45°) месторождений была полностью переведена на транспортную технологию с внешними отвалами породы. При отработке месторождений с пологим (ф=5...15°) залеганием свиты пластов угля на разрезе одновременно применяется несколько видов технологий ведения горных работ. Так, например, на отработке месторождения представленного свитой из трёх (пл. III, ^-У,У1), расположенных друг над другом, пластов угля пологого (ф=6...12°) залегания в границах геологического участка Кийзакский 3-4 (южный Кузбасс, Томусинский разрез) применяется три вида технологии ведения вскрышных работ (рис. 1).
Рис. 1. Одновременное применение трёх видов технологии ведения горных работ при отработке свиты пологих (ф=6-12°) пластов угля (участок Кийзакский 3 - 4, разрез Томусинский, Южный Кузбасс)
Для удаления вскрышных пород из нижнего междупластия применяется бестранспортная технология. После проведения взрывных работ на уступе экскаватор-драглайн производит выемку вскрышных пород и укладывает их сразу в выработанное пространство, т.е. во внутренний отвал. Отработка породы и угля ведется с наклонным подвиганием уступов [9].
Верхнее междупластие породы отрабатывается по транспортной технологии с наклонным подвиганием уступов и вывозкой вскрыши на внешние отвалы. Вскрышные породы, расположенные выше кровли Ш-го
пласта угля также отрабатываются с применением транспортной технологии. Разрыхлённая буровзрывным способом порода загружается в транспортные сосуды экскаватором типа прямая мехлопата и вывозится на внешние отвалы. Подвигание вскрышных уступов - горизонтальное.
В 1982 году были изданы, разработанные НИИОГРом, «Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах» [10]. Это был, по существу, первый основополагающий, достаточно полно составленный, технологический документ по открытым горным работам в угольной отрасли. Типовые технологические схемы разработаны на основе рассмотрения и изучения всего многообразия горно-геологических условий месторождений угля.
При этом учитывалось, что угольно-породный массив неоднороден и состоит из полускальных пород осадочного происхождения (песчаников, алевролитов, аргиллитов) различной крепости и пластов угля разных по мощности и условиям залегания.
С поверхности полускальные породы и пласты угля перекрыты чехлом рыхлых отложений - наносов (в основном это суглинки и глины) мощностью от 2-5 до 25 м. Многообразие горно-геологических условий месторождений угля и разнообразие используемых технических средств обуславливают применение различных технологических схем. В связи с этим возникает необходимость в систематизации схем по характерным признакам и по видам технологии ведения горных работ. Признаки систематизации исходят из самого определения технологическая схема.
Технологическая схема ведения горных работ - это набор сведений о характере производимых работ, комплексе оборудования, параметрах процессов, порядке и последовательности выполняемых работ, о предполагаемых результатах. Отсюда, основными признаками систематизации схем являются: вид работ, способ подготовки горной массы, способ разработки угля и породы, тип применяемого оборудования [11].
К дополнительным признакам относятся: способ погрузки, направление отработки заходки, число проходов экскаватора при отработке за-ходки, схемы подачи транспорта под погрузку и др. Систематизация схем проведена по четырём видам технологии ведения горных работ. Это - бестранспортная технология, транспортная (с использованием железнодорожного и автомобильного транспорта) технология и способ гидромеханизации. К 1990 году эти виды технологии получили достаточно полное развитие на разрезах концерна «Кузбассразрезуголь» («КРУ»).
В таблице указаные виды технологии ведения горных работ в зависимости от горно-геологических условий, а именно от залегания пластов угля и строения угленосной толщи (месторождения) в целом, а также представлены по разрезам концерна в различных сочетаниях.
Применяемые виды технологии ведения горных работ на разрезах
концерна «Кузб эассразрезауголь» («КРУ»)
Наименование разрезов Бестранспортная технология Транспортная технология с применением колесного вида транспорта Способ гидромеханизации
железнодорожного автомобильного
Кедровский + + +
Черниговский + + +
Моховский + + +
Колмогоровский + + + +
Колмогоровский-2 + +
им.50-летия Октября + + +
Краснобродский + +
Новосергеевский + +
Киселёвский + +
им. Вахрушева + +
Талдинский + +
Байдаевский + + +
Листвянский +
Красногорский + +
Томусинский + + +
Междуреченский + + +
Сибиргинский + +
Ольжерасский + +
Калтанский +
Осинниковский + +
Бестранспортная технология ведения горных работ. Бестранспортная технология ведения горных работ в классическом её понимании (когда при отработке месторождений угля с пологим залеганием пластов вскрышные породы экскаватором укладываются непосредственно в выработанное пространство, т.е. во внутренние отвалы) применяется на одиннадцати разрезах концерна «КРУ». Отрабатываемые по этой технологии пласты угля различаются по мощности и складчатости залегания.
Бестранспортная технология на разрезах бассейна представлена в своём усложнённом варианте (с переэкскавацией вскрыши). Коэффициент переэкскавации вскрыши достигает 2,6. 2,8 м3 /м3.
В качестве основного оборудования на вскрышных и перевалочных работах используется экскаваторы-драглайны марок ЭШ-10/70, ЭШ-11/70, ЭШ-15/90, ЭШ-20/90, ЭШ-40/85.
При бестранспортной технологии вскрышные породы отрабатываются драглайнами отдельными блоками, длина которых изменяется в широких пределах от 300 - 400 м до 1100 - 1200 м. Мощность отрабатываемой вскрыши колеблется от 25 - 35 м до 60 - 65 м.
Относительная простота работы по выемке и перевалке породы, отсутствие сложных взаимосвязей и взаимозависимостей технологических процессов создают условия для высокопроизводительного использования мощных экскаваторов-драглайнов. При бестранспортной технологии угол откоса и высота уступа имеют максимально возможные (по техническим параметрам рабочего оборудования экскаватора) значения, которые близки к предельным значениям по устойчивости пород. Благодаря этому обеспечиваются минимальный объём вскрыши и минимально необходимое опережение вскрышными работами добычи угля. За счёт использования выработанного пространства под внутренние отвалы вскрышных пород при бестранспортной технологии представляется реальная возможность для проведения горнотехнической рекультивации поверхности.
Бестранспортная технология ведения горных работ по сравнению с транспортной технологией имеет более высокие показатели по экономической эффективности и производительности труда. Однако условия применения бестранспортной технологии в бассейне ограничены.
Транспортная (с использование железнодорожного транспорта) технология ведения горных работ. Транспортная (с использованием железнодорожного транспорта) технология применяется на десяти разрезах концерна «КРУ» (см. таблицу 1).
На разрезах бассейна до 1970 года в технологии с использованием железнодорожного транспорта применялись паровозы. В первой половине 70-х годов прошлого столетия весь объём вскрыши, переработанный по транспортной (с использованием железнодорожного транспорта) технологии, был поровну вывезен на отвалы электровозами и тепловозами. С 1977 года структура парка локомотивов изменилась и состоит из тяговых агрегатов ОПЭ-1 (70 %) и тепловозов ТЭ-3 (30 %).
На погрузке породы в забое работают экскаваторы типа прямая мехлопата с рабочим оборудованием в обычном исполнении ЭКГ-8, ЭКГ-10, ЭКГ-12,5 и драглайны ЭШ-10/70. Экскаваторы с удлинённым рабочим оборудованием ЭКГ-4у, ЭКГ-5у, ЭКГ-6,3у применяются в основном на нарезке новых горизонтов и там, где необходима верхняя погрузка породы в думпкары.
Вскрышные породы на разрезах транспортируются из забоя на внешние экскаваторные отвалы через станцию Породная, где производится обмен гружёных и порожних локомотивосоставов. Дальность транспортирования пород вскрыши составляет в среднем около 7 км. Схемы путевого развития на вскрышных уступах и отвалах характеризуются наличием прямых (реже обратных) тупиковых заездов со станции (блок-поста), промежуточные пункты отсутствуют. Среднее расстояние до обменного пункта составляет 1,5 - 2 км.
На отвальных работах также применяются как мехлопаты, так и драглайны марок ЭШ-10/70, ЭШ-11/70, ЭШ-13/50. Использование при от-
валообразовании шагающих экскаваторов-драглайнов обеспечило заметное увеличение ёмкости отвальных тупиков и позволило сократить частоту переукладки железнодорожных путей.
Транспортная (с использованием автомобильного транспорта) технология ведения горных работ. Транспортная технология с использованием автомобильного транспорта применяется при производстве вскрышных работ на всех разрезах концерна «КРУ» (см. таблицу 1).
До 1970 года в технологии с автотранспортом для перевозки горной массы основу парка (70 %) автомобилей составляли автосамосвалы МАЗ-205 и КрАЗ-256 с грузоподъёмностью соответственно Р=5 т и Р=12 т. К 1972 году эти автомашины, а также МАЗ-525 (Р=25 т), который не получил широкого применения на разрезах бассейна, были заменены автосамосвалами БелАЗ-540 (Р=27 т).
Автосамосвалы БелАЗ-548 грузоподъёмностью 40 т начали поступать на разрезы в 70-х годах и уже к 1980 году составили почти половину всего парка технологических автомашин. Характерным для 80-х годов является появление на разрезах бассейна автосамосвалов-породовозов значительно большей грузоподъёмности БелАЗ-549 (Р=75 т), БелАЗ-75191 (Р=110 т), НО-1200 (Р=120 т), БелАЗ-75211 (Р=170 т), а также автосамосвалов-углевозов БелАЗ-7510 (Р=27 т) и БелАЗ-7525 (Р=40 т).
На проходке разрезных траншей и нарезке новых уступов, разработке вскрышных и смешанных угольно-породных блоков, при погрузке горной массы на уровне установки экскаватора в комплексе с автосамосвалами используются прямые мехлопаты с рабочим оборудованием в обычном исполнении ЭКГ-4,6, ЭКГ-5А, ЭКГ-6,3ус, ЭКГ-8и, ЭКГ-10, ЭКГ-15, РН-2300, 201М-СС.
Схемы подъезда и разворота автосамосвалов у экскаватора в забое в основном тупиковые, а установка автомашин под погрузку - односторонняя. Схемы развития автомобильных дорог на разрезах характеризуются наличием большого количества подъёмов и криволинейных участков. Средневзвешенное расстояние транспортирования горной массы автосамосвалами (угля - до склада, а породы - до бульдозерных отвалов) составило в 1991 году по разрезам концерна «КРУ» 3,11 км.
Способ гидромеханизации. Способ гидромеханизации применяется при разработке рыхлых четвертичных отложений - наносов, которые повсеместно перекрывают угленосную толщу.
Разработка наносов производится следующим способом. Порода в забое размывается напорной струёй воды из гидромонитора и в виде пульпы самотёком направляется к зумпфу, откуда напором, созданным землесосом, по трубопроводу транспортируется до гидроотвала.
Разработка уступа рыхлых отложений осуществляется в два приёма. Сначала уступ у подошвы подрезается струёй воды с целью его обрушения. При этом нижняя подрезанная плоскость должна соответствовать ру-
ководящему уклону для стока пульпы. Затем обрушенная и разрыхлённая порода смывается.
В 1990 году способ гидромеханизации применялся на семи разрезах концерна «КРУ» (см. таблицу 1). Основное оборудование при применении способа гидромеханизации - это гидромониторы ГМД-250 и ГМД-350, грунтовые насосы ЗГМ-2М, Гр4000/71 и центробежные насосы Д4000-95 и ЦН3000-195. При разработке плотных глин для предварительного их рыхления применялись экскаваторы-драглайны ЭШ-10/60, ЭШ-10/70 [12, 13].
Практика показала, что способ гидромеханизации, несмотря на ряд факторов, ограничивающих область его применения (сезонность работы, большая энергоёмкость, потребность в больших площадях под гидроотвалы), является одним из наиболее эффективных и экологически чистых способов разработки вскрышных пород. При этом способе:
- обеспечивается поточность всего технологического процесса;
- сокращаются объёмы горно-капитальных работ, сроки строительства новых разрезов, меньше требуется капиталовложений на приобретение оборудования;
- обеспечивается эффективное ведение горных работ на обводненных месторождениях без их предварительного осушения.
Развитие открытых горных работ в глубину и применение транспортной (с использованием железнодорожного и автомобильного транспорта) технологии способствовали разрезам концерна «Кузбассраз-резуголь» в 1990 году переработать 385,8 млн м3 вскрышных пород и добыть 60796,1 тыс. тонн угля. При этом 78 % из общих объёмов вскрыши приходится на транспортную технологию с использованием колесных видов транспорта (рис. 2, 3).
В целом по концерну «КРУ» за тридцатилетний (1960 - 1990 гг.) период отмечается существенное перераспределение объёмов вскрыши по видам технологии. Из рис. 1 видно, что, если в 1960 году по бестранспортной технологии было переработано почти 45 % общих объёмов вскрыши, то уже в 1967 году одинаковые объёмы (порядка 40 млн м3) вскрыши были отработаны по бестранспортной и транспортной (с использованием железнодорожного и автомобильного транспорта) технологии.
Годы
Рис. 2. Изменение объёмов вскрыши (V) по видам технологии ведения горных работ по концерну «Кузбассразрезуголь» (в целом): 1 - бестранспортная технология; 2, 3 - транспортная технология с использованием соответственно железнодорожного и автомобильного транспорта; 4 - способ гидромеханизации
С середины 70-х годов прошлого столетия начала интенсивно развиваться транспортная (с использованием автотранспорта) технология ведения горных работ (рис. 2, 3), которая по отношению к транспортной (с использованием железнодорожного транспорта) технологии отличается большей маневренностью и стабильностью работы особенно при увеличении глубины отработки месторождения.
Однако темпы прироста объёмов вскрыши, переработанной по транспортной (с использованием автотранспорта) технологии по годам, в рассматриваемый период времени, неравномерны, а в конце 70-х годов наблюдается даже некоторое снижение вскрышных объёмов по этому виду технологии (рис. 2, 3). Причиной такой неравномерности и снижения объёмов вскрыши являются длительные сроки обновления транспортных средств, т.е. замена работающих технологических автомашин на автосамо-свалы-породовозы большей грузоподъёмности.
Рис. 3. Долевое участие объёмов вскрыши (%) по видам технологии ведения горных работ по концерну "Кузбассразрезуголь " (в целом)
В первой половине 90-х годов, после проведённой в угольной отрасли Кузбасса реструктуризации и организационных преобразований, из состава концерна «КРУ» вышли разрезы: Черниговский, Киселёвский, Листвянский, Красногорский, Томусинский, Междуреченский, Сибиргин-ский и Ольжерасский. В концерне «КРУ» осталось 12 разрезов, которыми в 1995 году было добыто угля в количестве 25432 тыс. тонн, а общие объёмы вскрыши составили 160,2 млн м3 (рис. 4).
Рис. 4. Изменения общих объёмов вскрыши (V), количества добываемого угля и текущего (усреднённого) коэффициента вскрыши (Кут) по концерну «КРУ» и АО «УК «Кузбассразрезуголь»
Из этих объёмов вскрыши приходится: на транспортную технологию с колесными видами транспорта 121,7 млн м3 (76 %), в том числе с использованием железнодорожного транспорта 26,9 млн м3 (16,8 %) и автотранспорта 94,8 млн м3 (59,2 %); на бестранспортную технологию 30,7 млн м3 (19,2 %); на способ гидромеханизации 7,8 млн м3 (4,8 %) - рис. 5, 6. В последующие годы (1996-2020г.г.) открытыми разработками угля занимаются шесть предприятий (филиалов): АО «УК «Кузбассразрезуголь». Эти филиалы - «Кедровский угольный разрез», «Моховский угольный разрез», «Бачатский угольный разрез», «Краснобродский угольный разрез», «Талдинский угольный разрез» и «Калтанский угольный разрез» добывают уголь на 13 месторождениях бассейна.
В 2020 году добыча угля по АО «КРУ» составила 42,9 млн тонн, а объём вскрышных работ - 333,9 млн м3 породы. При производстве вскрышных работ доминирует транспортная (с использованием авто мобильного транспорта) технология ведения горных работ, на долю которой приходится 95,9 % (319,5 млн м3) всей вскрыши (рис. 5, 6).
По бестранспортной технологии экскаваторами-драглайнами перемещено непосредственно во внутренний отвал 8,62 млн м3 породы, что составляет от всего объёма вскрыши 2,6 %.
Рис. 5. Изменение объёмов вскрыши (V) по видам технологии ведения
горных работ по АО «УК «Кузбассразрезуголь» (в целом): 1 - бестранспортная технология; 2, 3 - транспортная технология с использованием соответственно железнодорожного и автомобильного транспорта; 4 - способ гидромеханизации
Рис. 6. Долевое участие объёмов вскрыши (%) по видам технологии ведения горных работ по АО «УК «Кузбассразрезуголь» (в целом)
На долю технологии с использованием железнодорожного транспорта совместно со способом гидромеханизации приходится - 1,5 % годо-
вого объёма вскрыши. Из рис. 4 видно, что за достаточно длительный период времени (1960-2010 гг.) количество добываемого угля открытым способом в Кузбассе постоянно увеличивалось [9]. В период развития открытых работ добыча угля увеличивалась за счёт ввода в эксплуатацию новых месторождений (новых мощностей).
В 1985 году, когда в ПО «Кемеровоуголь» вступили в строй все 20 разрезов, добыча угля (по отношению к 1975 году) увеличилась в 1,4 раза. Даже после того, как из концерна «КРУ» вышли восемь разрезов добыча угля возросла (по отношению к 1995 году) в 2005 году почти в 1,7 раза (42838 тыс. т.), а в 2010 году - 1,95 раза (49708 тыс. т.).
Наращивание количества добываемого угля в начале двухтысячных годов стало возможным благодаря перевооружению разрезов на высокопроизводительную горную и транспортную технику, а также за счёт продолжающейся опережающей отработки мощных пластов угля при развитии горных работ в глубину, как например для условий Краснобродскго угольного разреза (рис. 7).
Таким образом, сложившийся на практике в первые годы эксплуатации крутопадающих и наклонных месторождений угля в Кузбассе продольная отработка с опережающим развитием горных работ в глубину по мощным пластам свиты и внешними отвалами вскрышных пород, применяется до настоящего времени. Такая отработка месторождений позволяет ускоренными темпами увеличивать количество добываемого угля и длительное время работать с малой величиной текущего коэффициента вскрыши (Кт=6,1...6,3 м3/т), примерно, равного половине граничного коэффициента вскрыши (Кгр), что чревато последствиями резкого роста текущего Кт.
Рис. 7. Продольная отработка крутопадающего месторождения угля с опережающим развитием горных работ в глубину по мощным пластам свиты. Филиал «Краснобродский угольный разрез». Вахрушевское поле. Сечение по профильной линии Б14
Поэтому указанная отработка месторождений угля не может характеризоваться как система разработки. Рассмотренная продольная отработка крутопадающих (ф=46...90°) и наклонных (ф=26...45°) месторождений угля с опережающим развитием горных работ в глубину по мощным (основным) рабочим пластам свиты имеет ряд существенных недостатков:
- почти весь объём вскрышных пород вывозится на внешние отвалы;
- из-за развития горных работ как в глубину, так и по простиранию месторождения, а также в связи с наращиванием породы на внешних отвалах постоянно увеличивается расстояние транспортирования вскрыши, а это дополнительные затраты в себестоимости добычи угля;
- с глубиной отработки месторождения увеличивается общая длина фронта горных работ и протяженность транспортных коммуникаций, что требует больших затрат на их поддержание;
- под горные выработки и особенно под внешние отвалы породы требуется изъятие из сельскохозяйственного и лесохозяйственного использования больших земельных площадей;
- при таком порядке отработки отсутствует возможность восстановления, нарушенной открытыми горными работами, поверхности земли в процессе эксплуатации месторождения угля.
В целом на разрезах Кузбасса, эксплуатирующих крутопадающие и наклонные месторождения при применении продольной отработки с опережающим развитием горных работ в глубину по основным мощным пластам свиты, в период производства вскрышных и добычных работ могут быть рекультивированы только внешние отвалы, на которых процесс по приёму породы полностью завершён, а также мелкие горные выработки (в краевых частях поля разреза) после отработки на полную глубину всех рабочих пластов угля свиты (рис. 8, а, б, в).
На разрезах, отрабатывающих пологие месторождения угля, где применяется комбинация из двух продольных систем разработки углубоч-ной и сплошной, вопросы рекультивации, нарушенной горными работами земли, решаются только в зоне сплошной системы разработки и бестранспортной технологии ведения работ с внутренним отвалообразованием вскрышных пород. Эта рекультивация тоже является частичной и не отвечает требованиям полному восстановлению нарушенных земель.
Оставленные на разрезах после завершения горных работ открытые пространства от выработок и горы внешних отвалов склонны к эрозионным проявлениям и изменяют в худшую сторону, сложившийся в естественно-природных условиях рельеф поверхности земли и состояние воздушной среды территории.
юз
в
Рис. 8. Размещение вскрышных пород в выработанном пространстве разреза: а - Бульдозерный отвал №1. Филиал «Краснобродский угольный разрез», Вахрушевское поле; б - Бульдозерный отвал №2. Филиал «Краснобродский угольный разрез», Вахрушевское поле; в - Филиал «Краснобродский угольный разрез»,
Новосергеевское поле
Выводы. Изложенное выше свидетельствует о том, что на разрезах бассейна пока нет системного подхода к восстановлению нарушенных открытыми горными работами земель, к полной отработке всех пластов угля свиты на нарезанных рабочих горизонтах. Поэтому, чтобы меньше нару-
шать поверхность поля разреза открытыми горными выработками и уменьшить изъятие площадей земельных угодий под внешние отвалы пород, в текущий момент времени необходимо переходить на интенсивный порядок ведения работ, который в противоположность экстенсивному предполагает качественные изменения в отработке месторождения, а не только количественные с наращиванием объёмов производства за счёт привлечения дополнительных ресурсов. К таким качественным изменениям относится порядок отработки протяжённых месторождений угля со свитой пластов очередями и этапами с применением поперечных систем разработки. При этом следует отметить, что применение поперечных систем разработки имеет смысл и высокую эффективность только с внутренним отвалообразованием вскрышных пород.
Список литературы
1. Шаклеин С.В., Писаренко М.В. Оценка минерально-сырьевой базы действующих угледобывающих предприятий Кузнецкого угольного бассейна // Маркшейдерия и недропользование. 2019. № 6. С. 31-34.
2. Кокин С.В., Пархоменко Д.М., Бервин А.В. Опыт ООО «КУЗ-БАССРАЗРЕЗУГОЛЬВЗРЫВПРОМ» по снижению воздействия массовых взрывов в Кузбассе на охраняемые объекты и окружающую среду // Горная промышленность. 2019. №5 (147). С. 72-75. 001 10.30686/1609-9192-20195-72-75.
3. Нахкур А.Е., Шипеев В.В., Усков А.С. Развитие открытых горных работ в Междуреченском угольном кластере // Сб. науч. тр. VIII меж-дунар. науч.-практич. конф. «Современные тенденции и инновации в науке и производстве». 3-4 апреля 2019. С. 128.1 - 128.5.
4. Ефимов В.И., Никулин И.Б., Рябов Г.Г. Перспективы развития добычи угля в Кузнецком бассейне // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2015. Вып. 1. С. 101-108.
5. Ненашев А.С., Проноза В.Г., Федотенко В.С. Технологии ведения горных работ на разрезах при разработке сложноструктурных месторождений. Кемерово: Кухбассвузиздат, 2010. 248 с.
6. Особенности горно-геологических условий залегания угольных пластов основных бассейнов России / А.Б. Жабин, Ю.Н. Линник, В.Ю. Линник, А. Цих // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2022. Вып. 1. С. 250-260.
7. Литвин О.И. Обоснование рациональных технологических параметров производства вскрышных работ обратными гидравлическими лопатами на разрезах Кузбасса: автореф. ... дис. канд. техн. наук. 2012.
8. Государственный доклад "О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2018". М. 2019. 426 с.
9. Ненашев А.С., Федотенко В.С., Журавлев А.А. О единообразии в терминологии по открытой отработке месторождений угля в Кузбассе // Маркшейдерия и недропользование. 2020. №3. С. 17-20.
10. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. М.: Недра (Министерство угольной промышленности СССР), 1982. 405 с.
11. Научно-технические вопросы изменения организации управления открытыми горными работами с применением роботизированной карьерной техникой / К.Н. Трубецкой, М.В. Рыльникова, Д.А. Клебанов, М.А. Макеев // Горная промышленность. 2017. №5. С. 27-31.
12. Кириченко Ю.В., Саркисян А.Х. Экскаваторные отвалы на намывных основаниях // Сб. науч. тр. I Междунар. конф. «Ресурсовоспро-изводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». РУДН, 2002. С. 269-270.
13. Опыт и перспективы применения гидравлических экскаваторов при отработке угленасыщенных зон на разрезах Кузбасса / Л.И. Кантович, О.И. Литвин, А.А. Хорешок, Е.А. Тюленева // ГИАБ. 2019. №4. С. 152-160. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-152-160.
Ненашев Анатолий Сергеевич, канд. техн. наук, науч. консультант, geo-science@mail.ru, Россия, Москва, ООО «Издательский дом недропользование и горные науки»,
Федотенко Виктор Сергеевич, д-р техн. наук, вед. науч. сотр., victorfedotenko@,gmail.com, Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В.Мельникова Российской академии наук
Федотенко Наталия Александровна, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., geo-science@,mail. ru, Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В.Мельникова Российской академии наук
DEVELOPMENT AND CONDITION OF THE APPLIED TYPES OF MINING TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT SYSTEMS IN THE KUZBASS SECTIONS
A. S. Nenashev, V. S. Fedotenko, N. A. Fedotenko
A retrospective analysis of the development, state and types of open-pit mining technology and systems for the development of coal mines in Kuzbass has been carried out. It is shown that during the mining of deposits, the open spaces left on the sections after the completion of mining operations from the workings and the mountains of external dumps are prone to erosive manifestations and change for the worse the relief of the earth's surface and the state of the air environment of the territory that has developed in natural conditions. At the same time, the absence of a systematic approach to the restoration of the lands disturbed by open mining operations at the coal mines of the basins, as well as a system for the complete development of all layers of the coal formation on the cut working horizons determines the need to reduce the areas of the disturbed surfaces of the cut field by open mining and reduce the withdrawal of land areas for external rock dumps.
Key words: open-pit mining, technology, coal, formations, section, Kuzbass, dumping, reclamation.
Nenashev Anatoly Sergeevich, candidate of technical sciences, sci. consultant, geo-science@mail.ru, Russia, Moscow, LLC "Publishing House of subsoil use and mining sciences",
Fedotenko Viktor Sergeevich, doctor of technical sciences, leading sci. officer, vic-torfedotenko@,gmail.com , Russia, Moscow, Academician N. V.Melnikov Institute of Problems of Integrated Development of Mineral Resources of the Russian Academy of Sciences,
Fedotenko Natalia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, art. sci. officer, geo-science@mail.ru , Russia, Moscow, Academician N. V.Melnikov Institute of Problems of Integrated Development of Mineral Resources of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Shaklein S.V., Pisarenko M.V. Assessment of the mineral resource base of operating coal mining enterprises of the Kuznetsk coal basin // Surveying and subsoil use. 2019. No. 6. pp. 31-34.
2. Kokin S.V., Parkhomenko D.M., Berwin A.V. Experience of LLC "KUZBASSRAZREZUGOLVZRYVPROM" on reducing the impact of mass explosions in Kuzbass on protected objects and the environment // Mining Industry. 2019. No. 5 (147). pp. 72-75. DOI 10.30686/1609-9192-2019-5-72-75.
3. Nakhkur A.E., Shipeev V.V., Uskov A.S. Development of open-pit mining in the Mezhdurechensk coal cluster // Sb. nauch. tr. VIII International scientific-practical conference. "Modern trends and innovations in science and production". 03-04 April 2019. pp. 128.1 - 128.5.
4. Efimov V.I., Nikulin I.B., Ryabov G.G. Prospects for the development of coal mining in the Kuznetsk basin // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2015. Issue 1. pp. 101-108.
5. Nenashev A.S., Pronoza V.G., Fedotenko V.S. Technologies of mining operations in sections during the development of complex-structured deposits. Kemerovo: Kuhbasvuzizdat, 2010. 248 p.
6. Features of mining and geological conditions of occurrence of coal seams of the main basins of Russia / A.B. Zhabin, Yu.N. Linnik, V.Yu. Linnik, A. Tsikh // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2022. Issue 1. pp. 250-260.
7. Litvin O.I. Substantiation of rational technological parameters of the production of stripping operations with reverse hydraulic shovels at the Kuzbass sections: autoref. ... dis. candidate of technical sciences. 2012.
8. State report "On the state and use of mineral resources of the Russian Federation in 2018". M. 2019. 426 p.
9. Nenashev A.S., Fedotenko V.S., Zhuravlev A.A. On uniformity in terminology on open mining of coal deposits in the Kuz-basse // Surveying and subsoil use. 2020. No. 3. pp. 17-20.
10. Typical technological schemes of mining operations at coal mines. Moscow: Nedra (Ministry of Coal Industry of the USSR), 1982. 405 p.
11. Scientific and technical issues of changing the organization of management of open-pit mining operations using robotic quarry equipment / K.N. Trubetskoy, M.V. Rylniko-va, D A. Klebanov, M.A. Makeev // Mining industry. 2017. No. 5. pp. 27-31.
12. Kirichenko Yu.V., Sarkisyan A.H. Excavator dumps on alluvial bases // Collection of scientific tr. I international conf. "Resource-producing, low-waste and environmental technologies of subsurface development". RUDN, 2002. pp. 269-270.
13. Experience and prospects of using hydraulic excavators for working out coal-saturated zones in Kuzbass sections / L.I. Kantovich, O.I. Litvin, A.A. Horeshok, E.A. Tyu-leneva // GIAB. 2019. No. 4. pp. 152-160. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-152-160.
УДК 622.2
ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ
РАЗНОЙ ПРОЧНОСТИ
М.В. Рыльникова, Е.М. Сахаров, Е.Н. Есина
Обеспечение работоспособности крепи горных выработок, поддерживаемых в различных условиях освоения недр, является одной из наиболее важных и сложно решаемых проблем в горнодобывающей отрасли. Причиной низкой устойчивости подземных выработок является недостаточная несущая способность анкеров, особенно при длительном сроке их эксплуатации. Снижение во времени несущей способности анкерной крепи происходит в результате естественных процессов деформирования горных пород, снижения прочности и коррозии элементов крепи в агрессивных средах. При ослаблении несущей способности анкеров растут смещения породного контура выработок, возрастает количество и ширина раскрытия трещин в породах кровли, появляются локальные вывалы пород и местные завалы горных выработок. Показано, что выбор вида, конструкции и параметров анкерной крепи, обеспечивающей устойчивость глубокозалегающих подземных горных выработок в сложноструктурном, разно-прочном, разномодульном массиве слоистых вмещающих горных пород при сложной морфологии и наличии флексурных нарушений пласта сильвинита калийного месторождения, должен производиться дифференцированно с учетом геологического строения массива за контуром выработки, определяющего специфику нагружения элементов комплектующих по длине анкера.
Ключевые слова: глубокозалегающее месторождение, калийно-магниевые соли, сложноструктурное строение, подземная геотехнология, крепление горных выработок, устойчивость.
Введение
Усложнение горно-геологических условий в связи с вовлечением в отработку участков со сложной морфологией, флексурными изменениями и проявлением опасных геодинамических проявлений горного давления ведет к необходимости постоянного совершенствования методов и способов поддержания горных выработок, а также улучшения качества материалов и роста эксплуатационной надежности конструкций применяемых крепей [1 - 4]. Для предотвращения аварийных ситуаций необходима гибкая система геомеханического контроля несущей способности с оценкой
