Содержание к диссертации
Введение 7
1. Состояние изученности вопроса 18
1.1. Обзор направлений научных исследований по технологии и организации работ при ведении очистных и проходческих работ с применением самоходного оборудования 18
1.2. Методы исследования технологии ведения очистных и проходческих работ 29
1.3. Цель и задачи исследований
2. Теоретические положения исследования эффективности буровзрывных технологий с применением самоходного оборудования на рудниках 40
2.1. Основные понятия и расчетные формулы в технологии
проходческих и очистных работ на рудниках 40
2.2. Детерминированная модель производственного цикла ведения проходческих и очистных работ 47
2.3. Статистическая имитационная модель производственного цикла ведения проходческих и очистных работ 51
2.3.1. Проведение одиночных горных выработок 51
2.3.2. Ведение проходческих и очистных работ одним комплексом самоходного оборудования в нескольких забоях 54
2.3.3. Ведение очистных работ при неограниченном числе забоев. 60
2.4. Законы распределения продолжительности процессов проходческих и очистных работ в рудниках с применением самоходного оборудования 69
2.4.1-. Некоторые методические положения 69
2.4.2. Анализ законов распределения продолжительности приемов и операций проходческого и добычного циклов и показателей работы самоходного оборудования в
буровзрывных технологиях 71
2.4.3. Критерий относительной стабильности производственных процессов
2.4.4. Анализ распределений продолжительности производственных процессов, цикла и проходки выработки 74
2.5. Выводы по разделу 75
3. Разработка и обоснование многозабойной организации проходческих работ при проведении горных выработок в крепких породах с применением самоходного оборудования 79
3.1. Общие сведения 79
3.2. Исследование и выбор рациональных параметров проходческих работ в крепких породах на основе детерминированных математических моделей 81
3.2.1. Оценка влияния горнотехнических факторов на эффективность многозабойной организации работ 81
3.2.2. Оценка влияния численности проходческого звена рабочих на трудоемкость и стоимость проведения горных выработок 86
3.2.3. Выбор рациональных параметров проходческих работ в крепких горных породах 93
3.3. Применение статистической имитационной модели для определения рациональных параметров проходческих горных работ в крепких породах 98
3.3.1. Оценка влияния горнотехнических, горно-геологических факторов и методов организации работ на продолжительность проходческих процессов при проведении одиночных выработок 98
3.3.2. Оценка влияния горнотехнических, горно-геологических факторов и методов организации работ на продолжительность проходческих процессов при одновременном проведении нескольких выработок 105
3.4. Выводы по разделу 113
4. Разработка и обоснование технологий и параметров технических средств (самоходного оборудования) буровзрывной выемки сильвинитового пласта Красный-П на Верхнекамском месторождении калийных и калийно-магниевых солей (ВКМКС) 115
4.1. Горно-геологические условия залегания сильвинитового пласта Красный-П на ВКМКС и область применения самоходного оборудования 115
4.2. Результаты математического моделирования для оценки влияния
параметров технических средств и принципов организации
очистных работ на технико-экономические показатели добычи
сильвинитовой руды 117
4.3. Основные принципы технологии ведения очистных работ на
сильвинитовом пласте Красный-П буровзрывным способом с
применением самоходного оборудования 131
4.3.1. Общие сведения 131
4.3.2. Слоевая выемка пласта Красный-И с опережением очистных работ по верхнему слою 135
4.3.3. Слоевая технология выемки пласта Красный-И с
опережением очистных работ по нижнему слою 139
4.3.4. Одностадийная выемка пласта Красный-Н с веерным расположением взрывных скважин 139
4.3.5. Одностадийная выемка пласта Красный-П с горизонтальным расположением шпуров (скважин) 140
4.3.6. Оценка влияния взрывных работ в камере на состояние пород в ее кровле геофизическими методами 140
4.3.7. Основные принципы технологии ведения очистных работ на пласте Красный-П с применением самоходного
оборудования 149
4.4. Новая технология отработки сильвинитового пласта Красный-Н на ВКМКС буровзрывным способом с регулярным оставлением столбчатых целиков 149
4.5. Комплекс самоходного отечественного оборудования для буровзрывной выемки сильвинитового пласта Красный-Н на рудниках ВКМКС 153
4.6. Комбинированная технология отработки сильвинитовых пластов в условиях рудников ВКМКС 161
4.6.1. Общие сведения 161
4.6.2. выемка пласта Красный-И с отбойкой руды полосами (I вариант «Уральской технологии») 163
4.6.3. Выемка пласта Красный-И с отбойкой руды шпуровыми зарядами, параллельными оси • камеры (II вариант «Уральской технологии») 167
4.6.4. Выемка пласта Красный-П с отбойкой руды полосами одновременно на всю ширину камеры (III вариант «Уральской технологии») 170
4.6.5. Сравнительная оценка эффективности различных вариантов комбинированной выемки пласта Красный-П 170
4.7. Технология отработки законсервированных запасов пласта • Красный-И 177
4.8. Выводы по разделу 182
5. Разработка и обоснование комбинированной («Уральской») технологии выемки сильвинитовых пластов АБ и Вс в сложных горно-геологических условиях рудников ВКМКС 185
5.1. Общие сведения 185
5.2. Основные технические решения по механизированной выемке складчатых сильвинитовых пластов АБ иВс 187
5.3. Разработка мероприятий по нормализации рудничной атмосферы в тупиковых комбайновых забоях 193
5.4. Статистическое имитационное моделирование продолжительности процессов ведения очистных работ на складчатых сильвинитовых пластах 193
5.5. Технико-экономическая оценка технологий очистной выемки сильвинитовых пластов АБ и Вс 196
5.6. Выводы по разделу 200
6. Разработка и обоснование технологии совместной разработки свиты сильвинитовых пластов Красный-П - Вс буровзрывным способом с применением самоходного оборудования и закладкой выработанного пространства 202
6.1. Общие сведения 202
6.2. Основные принципы новой технологии 204
6.3. Результаты экспериментальных и опытно-промышленных работ... 210
6.3.1. Определение параметров буровзрывной технологии обрушения геологического междупластья «Красный-П — Красный-I» и отбойки сильвинитового пласта Красный-1 210
6.3.2. Оценка прочностных показателей закладочного массива при
( его взаимодействии с самоходным погрузочно транспортным оборудованием 215
6.4.. Оценка экономической эффективности новой технологии 225
6.5. Выводы по разделу 227
7. Разработка и обоснование технологии буровзрывной выемки карналлитового пласта Вк на Верхнекамском месторождении калийных и калийно-магниевых солей (ВКМКС) с применением
самоходного оборудования 228
7.1. Горно-геологические условия разработки карналлитового пласта Вк на ВКМКС 228
7.2. Качественный анализ возможных вариантов технологии механизированной выемки карналлитового пласта Вк 234
7.3. Определение рациональных параметров самоходного оборудования для ведения очистных и проходческих работ при выемке карналлитового пласта Вк 237
7.3.1. Буровое оборудование 237
7.3.2. Погрузочно-транспортное оборудование 244
7.4. Результаты экспериментальных работ по созданию безопасных по газовому фактору условий в очистных и проходческих забоях на карналлитовом пласте Вк 247
7.4.1. Общие сведения 247
7.4.2. Оценка количества горючих и ядовитых газов в пустотах отбитой руды 250
7.4.3. Оценка фильтрационных " показателей отбитой карналлитовой руды и опасности скрытых выбросов 257
7.5. Технология механизированной выемки карналлитового пласта Вк и результаты ее промышленных испытаний 262
7.6. Выводы по разделу 273
Заключение 274
Список использованных источников 278
Приложение 1. Проверка достоверности аппроксимации опытных данных по удельному количеству шпуров при проходке горных выработок в крепких породах 299
Приложение 2. Значения параметров бета-распределения f(t) = A(t — а)91 • ф — t)42 продолжительности приемов, операций и показателей работы оборудования при ведении проходческих и очистных работ на рудниках 306
Приложение 3. Краткое описание особенностей импортного оборудования и основные результаты испытаний 313
Приложение 4. Краткое описание конструкции и основные результаты промышленных испытаний отечественного комплекса самоходного оборудования 318
Приложение 5. Акт опытных работ по отработке технологии буровзрывной выемки карналлитового пласта с применением самоходного оборудования от 20.10.1988 г 331
Введение к работе
Актуальность работы. В горнодобывающей промышленности России при строительстве рудников и разработке месторождений полезных ископаемых ежегодно проходят 2-3 тыс. км горных выработок. Более 80% объема подземных сооружений на рудниках составляют горизонтальные горные выработки с площадью поперечного сечения 8 - 25 м .
Буровзрывной способ проходки горных выработок является доминирующим и составляет 87-90 % на горнорудных предприятиях. Он характеризуется сложностью цикла работ и значительными затратами труда и времени.
В последние десятилетия на подземных очистных и проходческих работах в рудниках стали успешно применять высокопроизводительное самоходное проходческое и добычное оборудование с дизельным, электрическим и пневматическим приводом. Однако при традиционной технологии ведения горных работ в одном забое применение самоходного оборудования, как правило, не оправдывает материальных затрат на его приобретение, так как высокопроизводительное оборудование большую часть времени простаивает в ожидании фронта работ. Чем большую производительность имеет самоходное оборудование, тем ниже коэффициент его использования. Это обстоятельство связано с многооперационностью взаимосвязанных систем параметров и операций, составляющих производственный процесс, а также вероятностной природой продолжительности их выполнения. Многозабойный способ ведения горных работ, хотя и доказал свою эффективность, применяется на горном производстве, как правило, на основе практического опыта и интуиции инженерно-технических работников.
Таким образом, до настоящего времени не определены рациональные условия применения самоходного оборудования и не разработаны основные принципы и приемы организации проходческих и очистных работ в рудниках с применением самоходных бурильных установок, погрузочно-транспортных машин и оборудования вспомогательного назначения.
При разработке сильвинитовых пластов на рудниках Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей (ВКМКС), в условиях их
интенсивной складчатости, применение комбайнового способа выемки полезного ископаемого ведет к значительным потерям руды в недрах и ее разубоживанию.
Карналлитовый пласт Вк, характеризуемый интенсивной складчатостью и газоносностью, разрабатывается по устаревшей технологии основанной на использовании ручных пневматических сверл и скреперных лебедок. Не вызывает сомнения необходимость замены ручного труда на механизированный. Применение самоходного оборудования при очистных работах открывает широкие возможности для повышения производительности труда, а сочетание его с комбайновыми комплексами позволяет эффективно разрабатывать пласты при их интенсивной складчатости.
Таким образом, проблема разработки научно обоснованных эффективных буровзрывных технологий проходческих и очистных работ на рудниках с применением высокопроизводительного самоходного оборудования актуальна для горнодобывающей промышленности и ее решение имеет важное народнохозяйственное значение.
Диссертационная работа обобщает результаты плановых научно-исследовательских работ, выполненных автором в качестве ответственного исполнителя в Пермском политехническом институте (№ гос. регистрации 70060523, 76068241, 01900026796) и научного руководителя в б. Уральском филиале Всесоюзного научно-исследовательского и проектного института галургии (№ гос. регистрации 76043852, 81086606, 81086682, 81086679, 01830019991, 01850030664, 01880067723, 01880067719, 01880067719).
Объект исследований - буровзрывные технологии проходческих и очистных работ на рудниках с применением самоходного оборудования.
Предмет исследований - производственные процессы проходческих и очистных работ на рудниках при буровзрывных технологиях с применением самоходного оборудования.
Цель работы состоит в разработке методов эффективного применения самоходного оборудования на подземных горных работах и создании на их основе
2 высокопроизводительных буровзрывных технологий ведения проходческих и очистных работ на рудниках.
Идея работы состоит в использовании методов теории вероятностей и принципов многозабойной организации работ для повышения эффективности применения самоходного оборудования и снижения трудоемкости проходческих и очистных работ в рудниках при буровзрывных технологиях.
Методы исследований. В работе применен комплекс методов исследований, включающий: анализ и обобщение результатов исследований по вопросам организации проходческих и очистных работ на рудниках по литературным источникам; обработку результатов массовых хрономегражных наблюдений с применением теории вероятности и математической статистики; математическое моделирование процессов проведения подготовительных выработок и ведения очистных работ с использованием детерминированных, статистических имитационных моделей, в том числе, и применением основных положений теории массового обслуживания; шахтные эксперименты на стендовых установках с использованием методов тензометрии; локальные и крупномасштабные натурные эксперименты по отработке новых вариантов буровзрывных технологий с применением электрометрии и сейсмометрии; технико-экономический анализ применяемых на рудниках и вновь создаваемых технологий; промышленные испытания новых видов самоходного оборудования и модернизированных с участием автора машин; опытные, опытно-промышленные и промышленные работы по испытанию новых технологий проходческих и очистных работ.
Научные положения, представляемые к защите:
1. При ведении проходческих и очистных работ в различных горногеологических условиях распределения времени выполнения приемов и операций, составляющих производственный цикл, и показателей работы горных машин и оборудования обладают статистической устойчивостью. Все многообразие статистических рядов распределений с достаточной для вероятностных Ю
исследований производственных процессов достоверностью может быть описано бета-распределением с различными параметрами.
2. Вероятностная природа производственных процессов оказывает существенное отрицательное влияние на эффективность проходческих и очистных работ. Уменьшить влияние этого фактора следует за счет стабилизации производственных процессов путем применения более совершенных технических средств, увеличения объемов работ за производственный цикл, в том числе с использованием элементов поточности в технологии или многозабойного использования самоходного оборудования.
3. Наиболее высокие показатели проходческих и очистных работ с применением самоходного оборудования достигаются при числе забоев, находящихся в одновременной проходке, равном 1,5-2,0 кратному числу машин в комплексе и равенстве Производительности групп машин, выполняющих отдельные технологические работы в забоях.
4. Объединение в единый технологический процесс добычи полезного ископаемого буровзрывного и комбайнового способов разработки калийных пластов с применением камерной системы позволяет в 1,5-2,0 раза повысить эффективность производства за счет эффекта синергизма. Наиболее высокие технико-экономические показатели достигаются при организации в одной очистной камере двух - трех забоев.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:
- применением корректных методов теории вероятностей и математической статистики и основных положений теории массового обслуживания;
- использованием результатов массовых хронометражных наблюдений (около 13 тыс. наблюдений) за работой 8 типов бурового и 8 типов погрузочно-транспортного оборудования в породах, коэффициент крепости которых по шкале М.М. Протодъяконова изменяется отЗ до 18, при сечении проходимых выработок от 8 до 130 м2 на рудниках черной металлургии (Урал, Казахстан, Кривой Рог) и Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВКМКС);
- высоким уровнем значимости установленных статистических законов распределения с использованием критерия согласия Пирсона (х])\
- положительными результатами опытно-промышленной проверки новых технологий и созданного самоходного оборудования;
- практикой применения в течение многолетнего периода времени нормативно-методических документов и технологических схем, в которых использованы результаты работы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана детерминированная математическая модель процессов ведения проходческих и очистных работ одним, двумя, тремя и четырьмя забоями и создана расчетная схема определения стоимостных показателей для вариантов буровзрывной технологии с применением самоходного оборудования;
- установлены статистические законы распределения времени выполнения всей совокупности приемов, операций и производственных процессов при проходке выработки и отработке камеры (блока) и определены условия при которых достигается минимум потерь времени в производственных циклах;
- разработана статистическая имитационная математическая модель, отражающая вероятностную природу процессов ведения проходческих и очистных работ при одном и неограниченном числе проходческих и очистных забоев;
- предложен новый критерий относительной стабильности производственных процессов и циклов и технологий ведения проходческих и очистных работ;
- установлено, что относительная стабилизация времени выполнения производственных процессов происходит при увеличении объема работ, выполняемых в забое, поперечного сечения проводимой выработки, глубины комплекта шпуров, численности звена рабочих и при применении более совершенных технических средств;
- установлены основные параметры многозабойной организации проходческих и очистных работ с применением самоходного оборудования при буровзрывных технологиях;
- научно обоснованы параметры пяти новых высокоэффективных буровзрывных технологий ведения очистных работ с применением самоходного оборудования на калийных рудниках Верхнекамского месторождения.
Новизна научных и практических решений подтверждена 11 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Научная значимость результатов работы состоит в том, что установлены статистически значимые законы распределения продолжительности выполнения всего комплекса приемов, операций, производственных процессов и цикла, а также времени проходки выработки и отработки очистной камеры для разных горногеологических условий и при применении разнообразного горного оборудования, которые послужили научным основанием для разработки эффективных буровзрывных технологий с применением высокопроизводительного самоходного оборудования.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
- установлены и внедрены в горное производство на рудниках Урала, Казахстана и Криворожского бассейна рациональные параметры технологии и организации проведения подготовительных выработок в крепких породах;
- разработана методика определения рациональных параметров технических средств при одно- и многозабойном способах организации проходческих и очистных работ и проведена оценка рациональной области применения этих способов на рудниках ВКМКС;
- разработаны пять высокоэффективных буровзрывных технологий ведения очистных работ с использованием самоходного оборудования на рудниках ВКМКС, из которых, по одной разработан проект опытно-промышленного горного участка, одна принята к промышленному применению и три внедрены в горное производство;
- создан высокопроизводительный комплекс самоходного оборудования для буровзрывной выемки сильвинитовых пластов, который решением Междуведомственной комиссии рекомендован для постановки на промышленное производство; опытный комплекс оборудования передан Первому Березниковскому руднику для промышленного применения.
Практическое использование результатов работы, наряду с социальным эффектом, обусловленным созданием безопасных условий труда при ведении проходческих и очистных работ, позволило получить экономический эффект за счет повышения производительности труда и качества добываемой руды, а также увеличения извлечения полезного ископаемого из недр в сумме 1813 тыс. руб. (в ценах 1986 г.).
Личный вклад автора заключается в:
установлении законов распределения времени выполнения приемов, операций, процессов, циклов, проведения выработок, очистных камер и выемочных блоков с применением самоходного оборудования;
- применении методов статистического имитационного моделирования и теории массового обслуживания для разработки технологии и организации ведения очистных и проходческих работ . с применением самоходного оборудования;
- разработке исходных данных для создания комплекса самоходного оборудования для буровзрывной выемки сильвинитовых пластов ВКМКС;
- разработке основных технических решений по технологиям ведения очистных работ при выемке сильвинитового пласта Красный-И с применением самоходного оборудования на Верхнекамском месторождении калийных солей;
- разработке технологии выемки сильвинитовых пластов АБ и В с применением самоходного оборудования в условиях интенсивной складчатости и применении самоходного оборудования на рудниках ПО «Сильвинит»;
- разработке основных технических решений по способу выемки свиты сильвинитовых пластов Красный-П - В с закладкой выработанного пространства;
- разработке механизированной технологии ведения очистных работ по отработке выбросоопасного и интенсивной складчатости карналлитового пласта В на основе использования самоходного оборудования в ОАО «Уралкалий».
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы нашли отражение в следующих нормативно-методических документах:
1. Технологические схемы механизации и организации проведения горизонтальных и наклонных выработок на строящихся рудных шахтах Урала и Казахстана (Утверждено и введено в производственную практику работы
7 / шахтопроходческих управлений треста «Востокшахтопроходка» / Пермь, 1967. -103 с.
2. Технологические схемы механизации очистной выемки калийных пластов Верхнекамского месторождения / Под руководством и редакцией В.А. Соловьева, Пермь, 1979. - 145 с.
3. Руководство по ведению взрывных работ на калийных рудниках Верхнекамского месторождения (Утверждено Всесоюзным объединением Союзкалий и рекомендовано Управлением Пермского Округа Госгортехнадзора СССР для использования на рудниках ПО «Уралкалий» и «Сильвинит» и БШСУ) / Под руководством и редакцией В.А. Соловьева, Пермь, 1984. - 195 с.
4. Соловьев В.А. Бурение шпуров: Учебное пособие для рабочих профессий. - М. НИИТЭХИМ, 1986. - 48 с. .
5. Справочник по разработке соляных месторождений. - М.: Недра, 1986. -С. 99-115.
6. Методическое руководство по ведению горных работ на рудниках Верхнекамского калийного месторождения. (Утверждено Государственной агрохимической ассоциацией) / Под методическим руководством и редакцией В.А. Соловьева, М: Недра, 1992.-468 с.
Основные положения диссертационной работы реализованы в: технологии механизированной выемки пласта Красный-П с регулярным оставлением столбчатых целиков и применением самоходного оборудования, получившей промышленное применение на руднике БПКРУ-1 ПО «Уралкалий»;
комбинированной технологии выемки сильвинитового пласта Красный-П с применением комбайнов и комплексов самоходного оборудования, получившей промышленное применение на рудниках БПКРУ-1 ПО «Уралкалий» и СКПРУ-2 ПО «Сильвинит»;
комбинированной технологии выемки складчатых сильвинитовых пластов АБ и В, получившей широкое промышленное применение на руднике СКПРУ-2 ПО «Сильвинит»; технологии разработки карналлитового пласта Вк интенсивной складчатости, прошедшей промышленные испытания и принятой к промышленному применению на руднике БПКРУ-1 ПО «Уралкалий»;
техно-рабочем проекте СКПРУ-2 «Опытный горный участок по одновременной отработке свиты пластов с закладкой» (501/15 - 46-ТРП);
конструкторской документации институтов СКБ СГО и НИПИГОРМАШ на создание бурильных установок 2БК-5ДЭВ (УБШ-505ЭВ), 1БКА-ДЭВ (УБШ-506ЭВ), зарядно-доставочной ЗМКД-1К, и погрузочно-транспортной ПД-8РВ машин для буровзрывной выемки сильвинитовых пластов на рудниках ВКМКС.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 1«-й Всесоюзной конференции «Проблемы создания и внедрения самоходных бурильных установок» (г. Фрунзе, 1974 г.); на Всесоюзной конференции по подземным горным работам (г. Киев, 1982 г.); на Всесоюзных конференциях по проблемам разработки калийных месторождений (г. Минск, г. Калуш, г. Пермь, 1980 - 87 г.г.); на 9-ой Международной конференции по взрывному делу (г. Гера, Германия, 1988 г.); на международном научно-техническом симпозиуме, посвященном разработке калийных месторождений Канады и СССР (г. Ленинград, 1989 г.); на научном симпозиуме «Неделя горняка -2004» (г. Москва, 2004 г.); на международных научно-технических конференциях: «Проектирование и строительство комплексов подземных сооружений» (г. Екатеринбург, 2004г.), «Проблемы и перспективы развития горных наук» (г. Новосибирск, 2004г.), «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерского дела и геодезии» (г. С.-Петербург, 2004г.); на научно-технических конференциях Пермского политехнического института (г. Пермь, 1971-85 г.г.); на Ученом Совете ВНИИГалургии (г. Ленинград, 1979 г., 1982 г.); на технических советах ПО «Уралкалий», ПО «Сильвинит», ВО «Союзкалий» и Коллегии Министерства по производству минеральных удобрений (г. Березники, г. Соликамск, г. Минск, г. Москва, 1980 - 87 г.г.).
В решении 9-ой Международной конференции по взрывному делу (г. Гера, Германия, 1988 г.) Комбинированная технология буровзрывной добычи калийных солей на рудниках «Урала» («Уральская технология») была отмечена как принципиально новое и перспективное направление в горном деле.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 96 печатных работ и получены 16 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Основные положения диссертации отражены в 48 печатных работах, в том числе 4 нормативно-методических руководствах, 1 учебном пособии, 15 статьях в центральных рецензируемых изданиях и 11 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов и заключения, изложенных на 298 страницах машинописного текста и включает 118 рисунков, 25 таблиц и список использованных источников из 236 наименований и 5 приложений.
Автор выражает искреннюю благодарность своему Учителю проф. П.А. Лыхину, генеральному директору ОАО «Галургия» А.Я. Гринбергу, заместителям генерального директора Ю.П. Ольховикову и В.Е. Маракову, заведующим лабораториями Б.А. Борзаковскому и М.М. Бею и инженеру В.К. Комиссаровой за помощь и содействие при проведении работ и оформлении диссертации. Особую признательность автор выражает проф., докт. техн. наук С.А. Константиновой за доброжелательную настойчивость, убедившую автора в необходимости завершения диссертационной работы.
