CC BY
42
© В.А. Фелорин, В.Л. Ялевский, 2003
УЛК 622.333.272.
В.А. Фелорин, В.Л. Ялевский
СОЗЛАНИЕ МОЛУЛЬНЫХ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР УГОЛЬНЫХ ШАХТ МИРОВОГО ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО УРОВНЯ
На основании выполненных исследований [1] установлено что повышение экономической эффективности, рентабельности подземного способа добычи угля, в особенности на комплексно-механизированных шахтах, требует решения проблем совершенствования каждого технологического процесса и их комплексного решения, при котором достигается наиболее высокая производительность комплексно-механизированного очистного забоя.
Определена необходимая и достаточная геотехнологическая структура подземной угледобычи как система технологически связанных горных процессов, определяющих эффективность работы комплексно-механизированной шахты, ее технико-экономические показатели.
Геотехнологических структура шахты должна соответствовать горно-геологическим условиям отработки высокотехнологичных запасов угля. При одном среднедействующем комплексно-механизированном очистном забое - такая геотехнологическая структура получила название модульной (рис. 1).
В настоящее время наибольшие трудности вызывают проблемы воспроизводства очистного фронта. При анализе причин отмечают не только низкие темпы проходки, но и присущие большинству комплексно-механизированных шахт Кузбасса недостатки, несовершенство схем вскрытия и подготовки угольных пластов определяющие их гео-технологическую структуру.
Методами системного анализа определена тенденция развития
Рис. 1. Схема основных процессов геотехнологической структуры.
схем вскрытия и подготовки пологих угольных пластов на шахтах Кузбасса. В развитие теории проектирования угольных шахт разработаны методы решения задач деструктуризации технологических объектов по добыче угля. Получены транспортно-технологические характеристики размещения основных вскрывающих выработок и коммуникаций, определяющих облик современной угольной шахты.
Численным экспериментом обоснован переход от традиционной шахты к геотехнологической структуре угледобывающего комплекса (УДК) модульного типа., который представляет собой совокупность модульных шахто-участков (МШУ), самостоятельно выдающим уголь на дневную поверхность (коммуникационный коридор) Разработан комплекс объемно-планировочных решений отличающийся от традиционной шахты значительным сокращением капитальных и эксплуатационных затрат на добычу угля.
Исследованиями установлено, что наибольшую эффективность обеспечивает модульный вариант - шахта с одним среднедейст-
вующим комплексно-механизированным очистным забоем.
Другим принципиальным отличием технологической структуры МШУ является односторонняя выемочная панель, она наиболее приспособлена к горно-геологическим условиям (в отличии от двусторонней), что решает ряд вопросов по безопасности горных работ, водоотведению и пожароопасности угольных пластов, позволяет увеличить длину выемочного столба до 4 - 6 км при благоприятных горно-геологических условиях. Длинные секционированные панели создают возможность пространственного разделения очистных и подготовительных работ с обособленным проветриванием (рис. 2).
В качестве характеристики оценки эффективности технологических схем использована производительность комплексномеханизированного забоя. Проведен кластерный анализ по классификации факторов, определяющих комплексные исследования геотехнологических структур вскрытия и подготовки угольных месторождений Восточного Кузбасса. Выбраны параметры модульных шахтоучаст-ков в системе угледобывающих комплексов для работы на высокорентабельной основе. Получены объемно-планировочные решения задач по деструктуризации шахтного фонда угледобывающих предприятий с высокими технико-экономическими показателями. Разработано научнотехническое обоснование высоко-
-180...
Глубина
Рис. 4 Схема вскрытия и подготовки пл. 52 ш. “Котинская ”
Глубина 250м
рентабельных угледобывающих предприятий на основе модульных геотехнологических структур.
Проведен анализ размеров и запасов выемочных столбов на угольных шахтах Кузбасса, ИБШ (Австралия), а также проекты угольных шахт на месторождениях Ерунаковского района Кузбасса, подготовленные институтами Кон-верскузбассуголь (г. Кемерово) и Гипроуголь (г. Новосибирск) по модульным геотехнологическим структурам (рис. 3).
Установлено, что при длине комплексно-механизированного забоя 150 м и выемочного столба 1200 м запасы составляют 820 тыс. тонн на угольных шахтах Кузбасса. Австралийские шахты (NSW) имеют соответственно размеры 200 х 2000 с запасами в среднем на 1000 тыс.тонн больше. Проекты, основанные на технологических решениях в модульных структурах (ш. " Котин -ская"), увеличивают размеры и запасы выемочных столбов в 3 -6 раз (рис. 4).
Рис. 2. Модульные шахтоучастки с длинными секционированными панелями в системе УДК (новое геотехно-логическое решение).
Рис. 3. Размеры и запасы (тыс. т) выемочных столбов угольных шахт.
Высокая рейтинговая оценка [1] расчетных показателей производственно-хозяйственной деятельности шахты «Котинская» в Восточном Кузбассе ставит ее в один ряд с лучшими угледобывающими шахтами мира и характеризует ее как шахту мирового технико-экономического уровня.
При создании геотехнологических структур вскрытия и подготовки угольных пластов пологого залегания разработаны теоретические положения декомпозиции структуры угольных шахт до уровня модульных шахтоуча-стков с агрегированием их в состав системы угледобывающего комплекса - высокопроизводительного предприятия новой формации, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии теории освоения угольных месторождений [1].
1. Установлено, что эволюция геотехнологической структуры (ГТС) угледобывающего предприятия идет в направлении снижения энтропии структурообразующих элементов схемы вскрытия и подготовки шахтного поля, приводит к понятию "модульный шахтоучасток", обеспечивающего необходимые и достаточные условия оптимального воспроизводства фронта очистных работ. Каждый этап эволюции ГТС шахт характеризуется уменьшением числа элементов структуры и ее упрощением. Так в модульном шахтоучастке с одним очистным забоем, по сравнению с традиционной шахтой, число элементов подземной структуры снижает энтропию с 2,61 до 1,46 за счет концентрации горных работ.
2. Для исследования и структурного преобразования технологических схем разработаны методы декомпозиции и синтеза "модульных" структур, обеспечивающих необходимые и достаточные условия высокопроизво-
дительного функционирования очистных механизированных забоев (до 12000 т в сутки на 1 забой) в модульном шахтоучастке.
3. Агрегирование модульных
шахтоучастков в состав системы угледобывающего комплекса
(УДК) определяет структуру современного высокопроизводительного угледобывающего предприятия новой формации. Практически обеспечивается наивысшая концентрация горных работ УДК путем введения в работу любого числа модульных шахтоучастков (в зависимости от коньюнктуры угольного рынка), автономно ведущих подготовку и отработку своего выемочного участка на угольном пласте. В проекте УДК "Котинский" (вторая очередь) планируется введение 3-х модульных шахтоучастков с общей производительностью 10800 тыс.т/год.
4. Установлена количественная связь транспортно-технологических характеристик размещения основных вскрывающих выработок модульного шахтоуча-стка с инфраструктурой поверхности угледобывающего комплекса для решения объемнопланировочных задач и балансовых уравнений вскрытия и подготовки угольных месторождений, снижающие в модульном шахтоучастке транспортные затраты в 2 раза. Обеспечивается мобильность и независимость размещения вскрывающих выработок модульного шахтоучастка, так как их можно располагать в наиболее выгодных местах по условиям
геологического строения поля угледобывающего комплекса.
5. Оптимизация модели по размещению транспортного горизонта на поверхности шахтного поля с формированием коммуникационного коридора угледобывающего комплекса снижает энтропию топологии сети горных выработок и минимизирует транспортную характеристику заложения наклонных стволов на флангах модульных шахтоучаст-ков. Сокращается срок строительства до 2-х лет модульного шахтоучастка за счет ликвидации трудоемких работ в околостволь-ных дворах и протяженных горных выработках.
6. Установлено, что рациональной основой модульной структуры шахтоучастка является автономная односторонняя панель (соизмеримая по простиранию с длиной выемочного столба) с одним действующим высокопроизводительным очистным механизированным забоем , воспроизводимом в этой же панели. Полная ликвидация сети подземных горных выработок после отработки модульного шахтоучастка позволяет в целом по угледобывающему комплексу (при равном количестве работающих шахтоучастков) поддерживать постоянную протяженность горных выработок до 5 м/1000 т добычи.
7. Увеличение длины выемочного столба по простиранию до 6 км с запасами до 10 млн т при благоприятных горно-геологических условиях обеспечивает
Рис. 5. Инновационные решения по пласту 6-6А при преобразовании гео-технологической структуры шахты "Распадская" (модульная секционированная панель).
секционная схема подготовки и проветривания модульного шахтоучастка. Ориентация выемочного столба совпадает с ориентацией выемочной панели и учитывает факторы геомеханики и водоотведения. Восходящий порядок отработки позволяет сокращать количество поддерживаемых выработок на 20-30 %, а также создать благоприятные условия для фильтрации шахтной воды через обрушенные породы выработанного пространства и ее очистки до нормативных требований. Повышение безопасности и комфортности ведения горных работ обеспечивается за счет сокращения пути подвода свежей струи к горным работам.
8. Разработана алгоритмическая модель оптимизации размещения коммуникационных сетей угледобывающего комплекса на основе синтеза топологии и трассировки линейно-узловой структуры подъездных путей методами динамического программирования и теории графов. Реализация модели подтверждает фланговое размещение коммуникационного коридора при учете факторов консервации запасов в охранных целиках с экономическим эффектом до 20% по вариантам размещением коммуникационного коридора.
9. Технологические решения, формирующие структуру модульного шахтоучастка адаптированы к комбинированным (открыто-подземным) способам разработки угольных месторождений [2], что позволяет минимизировать транспортную характеристику разреза за счет внутреннего отвалообразования и рационального использования недр (Патенты РФ). Модульные шахтоучастки в системе открытых горных работ имеют высокие технико-экономические показатели с производительностью труда рабочих до 900 т/месяц и соизмеримую эффективность угледобычи за счет совместного использования производственной инфраструктуры разреза.
10. Установлена рациональная область геологических ресурсов для размещения модульных шахтоучастков на угольных месторождениях Кузбасса. Разработана база данных по 150 геологическим участкам за пределами горных отводов существующих шахт и разрезов с общими запасами коксующихся и энергетических углей около 4 млрд т [3]. Создан электронный справочник технологических решений для модульных структур вскрытия и подготовки шахтоучастков, обеспечивающих высокие темпы технического перевооружения очистных и подготовительных работ в связи со сравнительно небольшим сроком отработки модульного шахтоучастка (10-15 лет), что позволяет при подготовке очередного модульного шахтоучастка учесть самые новые технические решения.
11. Оценка экономической эффективности модульной ГТС вскрытия и подготовки шахтного поля производится по производительности труда рабочих, занятых в горном производстве, величиной себестоимости добываемого угля, необходимыми инвестициями и сроком их окупаемости. Проекты ТЭО инвестиций УДК "Котинский", новых шахт "Ульяновская-Восточная", "Ка-мышанская" в Ерунаковском районе Кузбасса подтверждают рейтинг модульных ГТС на уровне мировых технико-экономических показателей работы шахт США и Австралии в аналогичных горно-геологических условиях.
12. Внедрение технологических
решений в практику проектирования модульных шахтоучастков позволяет провести реконструкцию гео-технологических структур существующих шахт для максимального использования возможностей горношахтного оборудования (ш. "Распадская", ш. "Кольчугинская", ш. "Инская", ш. "Абашевская", ш. «им. В.И. Ленина» и др.), поднять производительность труда рабочих шахт до 300-800 т в месяц, снизить расчетный срок окупаемости капиталовложений до 3-5 лет для новых предприятий и 1-3 лет - для реконструируемых, что делает модульные геотехнологические
структуры угольных шахт Кузбас-
са весьма привлекательными для инвестиций.
В качестве примера рассмотрим предложения к проекту преобразования геотехнологической структуры угольной шахты ЗАО «Распадская», выполненного совместно с Проектным и технологическим институтом конверсии угольной промышленности Кузбасса «Конверскузбассуголь» в 1998-2001 гг.
Шахта "Распадская" на современном этапе является одним из наиболее эффективных угледобывающих предприятий России с подземным способом добычи угля. В то же время, в условиях рыночной экономики, несмотря на относительно высокие технико-экономические показатели шахты "Распадская", последние являются недостаточными для эффективной конкуренции.
В свою очередь, как известно, производительность комплексномеханизированного очистного забоя во многом определяется геотехнологической структурой (ГТС) шахты. Сложившаяся ГТС шахты по уровню технологических решений и параметрам сдерживает дальнейшее повышение технико-экономических показателей. Высокопроизводительная работа очистных забоев зависит от размеров и запасов выемочных столбов, протяженности поддерживаемых выработок, определяющей трудоемкость содержания инфраструктуры. Практическая реализация разработанных технологических, технических, организационных и экономических решений на шахте "Распадская" позволит повысить показатели ее эффективности, обеспечить рост конкурентоспособности предприятия и сохранить социальную стабильность при сокращении численности трудящихся.
Одной из важнейших задач при преобразовании ГТС шахты является достижение шахтой "Распадская" производственных и финансовых показателей, позволяющих осуществлять нормальную инвестиционную деятельность.
Преобразование производственной структуры шахты "Распадская" в значительной мере
ориентировано на решение проблем, определяющих эффективность геотехнологической структуры и всей производственной и экономической деятельности с использованием анализа основных факторов. Основными направлениями преобразования ГТС шахты "Распадская" являются (рис. 5):
> технологическая структуризация запасов угля шахтного поля;
> концентрация горных работ на высокотехнологичных запасах угля;
> раскройке шахтного поля по односторонним модульно-секциониро-ванным схемам;
> увеличение параметров панелей и выемочных столбов;
> применение высокопроизводительной импортной и отечественной техники.
Для эффективной работы предприятия в поле шахты выделяются высокотехнологичные запасы угля в блоках №1 и №2 в количестве 168,6 млн.т, сконцентрированные в трех пластах 10, 7-7а и 6-6а. Для них предложены технологические схемы добычи и определены технологические параметры: длина выемочных столбов до 3500 м, длина лавы 250 м, запасы выемочного столба до 3-4 млн т (рис. 5). Суточная добыча из одного очистного забоя 9-11 тыс. т.
Результат: добыча в июне
2002 г. составила 330 тыс. т/мес. из одного очистного забоя (11 тыс. т в сутки), в июле 350,8 тыс. т/мес. (11,3 тыс.т в сутки). 25 августа 2002 г. (День шахтера) из одного забоя добыто 2 млн т с начала года, до конца 2002 г. добыто еще 1 млн т, т.е. годовая добыча из одного комплексно-механизированного забоя составила 3 млн т коксующегося угля.
Показатели месячной и годовой добычи из одного забоя являются рекордными для России и соответствуют лучшим мировым достижениям.
По сути модульные участки сформировали новую геотехно-логическую структуру угледобывающего комплекса шахты «Распадская» для наиболее эффективного использования высокопроизводительной угледобывающей техники.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ялевский В.Д. Модульные горнотехнологические структуры вскрытия и подготовки шахтных полей Кузбасса (Теория. Опыт. Проекты) /В.Д. Ялевский, В.А. Федорин. -Кемерово: Кузбассвузиздат, -2000.
- 224 с., ил.
2. Грицко Г.И. Освоение угольных месторождений модульными шахтоучастками комбинированным открытоподземным способом /Г.И. Грицко, В.А. Федорин// Открытые горные работы. -1999. - Пилотный номер. -С. 29-33.
3. Федорин В.А. Электронный справочник геологи-
ческих участков для высокоэффективной добычи запасов угля модульными системами разработки в Кузбассе/В .А. Федорин, В.П. Потапов// Труды УІ международной научнопрактической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности».-Новокузнецк: СибГИУ,
1999. -С. 31-36.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Федорин В.А, Ялевский В.Д. - Институт угля и углехимии СО РАН, г. Кемерово.
© В.И. Бонларенко, Г.А. Симанович, И.А. Ковалевская, А.Г. Лунаев, 2003
УЛК 622.232
В.И. Бонларенко, Г.А. Симанович,
И.А. Ковалевская, А.Г. Лунаев
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО СПОСОБА ОХРАНЫ ПОЛГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ БУРОШНЕКОВОЙ ВЫЕМКЕ ТОНКИХ И ВЕСЬМА ТОНКИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Позитивные тенденции повышения добычи угля, наметившиеся в последнее время в ряде геолого-промыш-ленных регионов Донбасса, необходимо всесторонне развивать и закреплять по различным направлениям интенсификации производственных процессов. В этой связи одной из важнейших проблем является отработка тонких и весьма тонких угольных пластов, в которых сосредоточены значительные запасы высококачественного угля. Многие из таких пластов уже вскрыты и частично или полностью подготовлены к выемке, так что капитальные затраты на эти процессы могут быть значительно снижены. Для маломощных угольных пластов весьма перспективна бурошнековая технология. Она может быть распространена также
на отработку оставленных ранее угольных целиков различного назначения. Развитие этого направления позволит повысить полноту выемки угля за счет частичного извлечения забалансовых запасов и охранных целиков.
Повышение эффективности бурошнековой выемки в рамках данной проблемы в значительной мере связано с устойчивостью повторно используемых выработок, часть которых необходимо поддерживать длительный период в зоне влияния очистных работ.
На наш взгляд, поднятая проблема должна решаться комплексно на основе увязки вопросов крепления и охраны выемочного штрека как единой и взаи-мовлияющей системы, которую предлагаем назвать “крепь -охранные элементы”. Поддержа-
ние выемочных выработок достигается малозатратными методами, основанными на управлении опорным давлением охранными искусственными целиками переменной жесткости.
Т радиционно выемочные штреки крепятся податливой крепью, допускающей значительные смещения боковых пород без ее разрушения. При этом в кровле выработки образуется разгруженная зона определенных размеров и часть нагрузки передается на охранные целики. При ведении очистных работ породы кровли лавы обрушаются под некоторым углом / (рис. 1),
который по данным исследований составляет 65-70° для пологих пластов Донбасса. Нагрузка от веса пород кровли ф(/Н ) пласта перераспределяется на охранные целики, что приводит к высокой концентрации горного давления в районе выемочного штрека.
Если к выработке примыкает достаточно жесткий охранный целик, то наблюдается следующая картина. В силу своей жесткости целик воспринимает подавляющую часть нагрузки, величина которой, как правило, во много раз превышать гидростатическое давление уИ . При движении от краев целиков (грани-
