Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ развития подземной добычи на угольных место рождениях 12
1.1 Анализ состояния угольной промышленности России 12
1.2 Анализ зарубежного опыта реструктуризации угольной промышленности 17
2 Закономерности развития и обоснование преобразования горнотехнологической структуры шахты на пластах пологого и наклонного падения 20
2.1 Теория эволюции горнотехнологических структур 20
2.2 Обоснование преобразования горнотехнологических струк тур на пластах пологого залегания 26
3 Основные научно-технические положения и факторы экономической эффективности комплексно механизированной добычи угля 28
3.1 Нагрузка и экономическая эффективность работы ком плексно-механизированного очистного забоя..'. 28
3.2 Горнотехнические факторы роста нагрузки на комплексно- механизированные очистные забои 32
3.3 Методика выбора пространственно-планировочных решений обеспечивающих условия роста нагрузки на комплекс но-механизированный очистной забой 38
3.3.1 Пространственное размещение выработок выемочных столбов 38
3.3.2 Технологическая оценка планировочных решении 44
3.3.3 Схема сбора и накопления воды в профилированном выемочном стол 49
3.4 Исследование работы комплексно-механизированного очистного забоя при отработке запасов с геологическими нарушениями 53
4. Исследование и разработка технологических и организационных схем обеспечивающих высокие технико-экономические показатели комплексно-механизированного очистного забоя на пластах пологого залегания 59
4.1. Схемы вскрытия и подготовки угольных пластов пологого залегания 59
4.2. Оценка влияния технических и технологических процессов на нагрузку комплексно-механизированного очистного забоя для шахт Кузбасса 64
4.2.1. Подготовительные работы... 64
4.2.2. Очистные работы 73
4.3. Разработка схем проветривания длинных секционированных панелей при отработке пластов угля пологого залегания 76
4.3.L Анализ состояния проветривания шахт Кузбасса 76
4.3.2. Технологические схемы проветривания шахт обеспечивающие высокую нагрузку на комплексно-механизированный очистной забой 79
4.3.3. Обоснование эффективности проветривания длинного секционированного выемочного столба на примере угледобывающего комплекса "Котинский" 86
5. Технико-экономическое обоснование преобразованиягорнотехнологических структур на примере некоторых шахт Кузбасса 89
5.1. Байдаевский горнопромышленный район (ш. "Абашевская""Зыряновская", ш. "Юбилейная" 89
5.1.1. Существующее положение 89
5.1.2. Проектная производственная мощность 92
5.1.3. Реконструкция вентиляции 92
5.1.4. Подземный транспорт 94
5.1.5. Подготовка выемочных блоков (панелей) 96
5.2. Томь-Усинский горнопромышленный район "Распадская" 100
5.2.1. Существующее положение 100
5.2.2. Анализ существующей горнотехнологической структуры 102
5.2.3. Основные направления преобразования горнотехнологической структуры шахты 105
5.2.4. Производственная мощность шахты 106
5.2.5. Комплекс хранения, ремонта и транспортировки крупнотоннажного оборудования 110
5.3. Томь-Усинский горнопромышленный район ш. им. Ленина.,111
5.3.1. Существующее положение 117
5.3.2. Существующая схема вскрытия шахтного поля 118
5.3.3. Системы разработки, применявшиеся на шахте 119
5.3.4. Ретроспективный анализ факторов, определяющих производительность очистного забоя 120
5.3.5. Цели и основные задачи проекта 123
5.3.6. Вскрытие запасов шахтного поля 128
5.3.7. Системы и технологии разработки 131
5.3.8. Подземный транспорт 134
5.3.9. Производственная мощность шахты 137
5.3.10 Финансовая деятельность 139
Заключение 142
Список использованной литературы 144
- Анализ зарубежного опыта реструктуризации угольной промышленности
- Обоснование преобразования горнотехнологических струк тур на пластах пологого залегания
- Горнотехнические факторы роста нагрузки на комплексно- механизированные очистные забои
- Оценка влияния технических и технологических процессов на нагрузку комплексно-механизированного очистного забоя для шахт Кузбасса
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Стабилизация и увеличение объемов производства в реформируемой экономике России, очевидно, будут сопровождаться ростом энергопотребления.
Устойчивая стратегия ТЭК России, как показывает опыт США, Австралии, Китая в современных условиях основывается на приоритете угля.
Угольная промышленность России находится в периоде структурных преобразований с целью повышения эффективности производства и улучшения технико-экономических показателей угледобывающих предприятий, в первую очередь шахт. Весьма важное значение будет иметь увеличение годовой нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой, которое требует принципиально новых подходов ко многим вопросам техники и технологии добычи угля, проектирования и строительства шахт.
Создание механизированных комплексов с производительностью 1,5-2 млн.т./мес и более, концентрация очистных работ, требуют изменения подходов при вскрытии и подготовке угольных пластов особенно при освоении новых угленосных площадей и реконструкции существующего шахтного фонда Кузбасса.
Наиболее важную роль в горнотехнологической структуре шахты имеет величина первоначальных запасов угля в выемочном столбе и его пространственная ориентация.
Вскрытие и подготовка шахтного поля, параметры и тип горнотехнологической структуры шахты определяют объемы, сроки строительства и эффективность работы предприятия, что в настоящее время является наиболее актуальной проблемой, решение которой обеспечивает достижение на шахтах экономических показателей нового уровня.
Поэтому исследование и разработка планировочных решений и параметров горнотехнологических структур угольных шахт на пластах пологого залегания с дизъюнктивными геологическими нарушениями являются актуальными задачами, решение которых обеспечивает повышение нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой. Исследования выполнялись на шахтах ОАО УК "Кузнецкуголь", ОАО УК "Кузбассуголь", ЗАО ш."Распадская", ОАО ш. им. Ленина.
Диссертация выполнена в соответствии с тематическими планами и программами НИР Института угля и углехимии СО РАН по теории и методологии комплексного эффективного освоения недр (1996-2000 гг.), "Уголь Сибири" СО РАН (1996-2002 гг.), "Научное обоснование процессов реструктуризации и развития угольной промышленности" (1998-2003 гг.)
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является повышение уровня устойчивой нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой на основе совершенствования параметров горнотехнологической структуры с учетом внедрения современного горно-шахтного оборудования и технологических производственных процессов.
ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в установлении связи роста нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой с технологическими параметрами и конфигурацией горнотехнологической структуры при отработке угольных пластов пологого залегания.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:
- изучить влияние среднемесячной нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой при отработке угольных пластов пологого залегания на технико-экономические показатели шахты;
- установить зависимость роста среднемесячной нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой от величины первоначальных запасов выемочного столба;
- определить технологические параметры и тип горнотехнологической структуры угольной шахты, обеспечивающие наиболее эффективные и безопасные условия работы комплексно-механизированного очистного забоя;
- установить степень влияния пространственного размещения подготовительных выработок выемочного столба на технико-экономические показатели работы комплексно механизированного очистного забоя;
- обосновать критерий выбора рациональных технологических схем и параметров отработки запасов выемочного столба, обеспечивающих эффективную работу комплексно-механизированного очистного забоя в сложных горно-геологических условиях с дизъюнктивными нарушениями.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.
Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов решения задач в горном деле, включающий:
- анализ производственного и научно-технического опыта комплексно-механизированной отработки пологих угольных пластов;
- технико-экономический анализ горно-геологических и горнотехнических условий применения высокопроизводительных механизированных комплексов при отработке пологих угольных пластов Кузбасса;
- системный анализ декомпозиции и агрегирования горнотехнологических структур вскрытия и подготовки угольных пластов шахт различного типа;
- графическое моделирование на компьютере объемно-планировочных решений размещения выемочного столба угольной шахты.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, защищаемые автором:
• Производительность труда рабочих и затраты на добычу угля при отработке пластов пологого залегания определяются в основном нагрузкой на комплексно-механизированный очистной забой.
• Величина первоначальных запасов выемочного столба, определяет трудоемкость работ по подготовке очистного фронта, объемы горно-подготовительных и монтажных работ, продолжительность производительного использования очистного оборудования, а еле 8
довательно и среднемесячную нагрузку на комплексно-механизированный очистной забой.
• Горнотехнологическая структура шахты с односторонней выемочной панелью обеспечивает наиболее эффективные и безопасные условия работы комплексно-механизированного очистного забоя в отличие от горнотехнологической структуры имеющей двустороннюю выемочную панель.
• При отработке угольных пластов пологого залегания выбор пространственного размещения подготовительных выработок выемочных столбов устанавливает необходимые и достаточные условия работы комплексно-механизированного очистного забоя.
• Оценка альтернативных вариантов технологических схем отработки запасов угля с дизъюнктивными геологическими нарушениями на пластах пологого залегания, позволяет обосновать экономическую эффективность работы комплексно-механизированного очистного забоя.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ДИССЕРТАЦИИ заключается в следующем:
- установлена устойчивая корреляционная связь себестоимости добычи с производительностью труда и нагрузкой на комплексно-механизированный очистной забой;
- установлено влияние величины первоначальных запасов выемочного столба на технико-экономические показатели комплексно-механизированного очистного забоя;
- обоснована горнотехнологическая структура с односторонней выемочной панелью, обеспечивающая рост первоначальных запасов выемочного столба и наиболее эффективные и безопасные условия работы комплексно-механизированного очистного забоя;
- разработаны параметры пространственного размещения подготовительных выработок выемочных столбов в системе горнотехнологической структуры предприятия для пластов пологого залегания; - разработаны альтернативные технологические схемы отработки запасов выемочного столба с дизъюнктивными нарушениями, обеспечивающие эффективную работу комплексно механизированного очистного забоя.
ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений выводов и рекомендаций подтверждается:
- значительным объемом статистических наблюдений (более 5000) работы комплексно-механизированных очистных забоев на шахтах объединений ОАО "УК" "Кузбассуголь", ОАО "УК" "Куз-нецкуголь", ЗАО ш. Распадская", ОАО ш. им. Ленина.
- анализом данных по переходу ПО дизъюнктивных нарушений в различных горно-геологических условиях шахт Кузбасса;
- корректным и комплексным использованием алгоритмов и программ системного анализа, методов технологического и параметрического прогнозирования структуры высокопроизводительного угледобывающего предприятия;
- высокой степенью достоверности аппроксимации (R2=0,8-0,98);
- положительной практикой разработки и внедрения современных горнотехнологических структур вскрытия и подготовки угольных пластов при технико-экономическом обосновании строительства и горнотехнологического преобразования шахт ОАО "УК" "Кузбассуголь", ОАО "УК" "Кузнецкуголь", ЗАО ш. Распадская", ОАО ш. им. Ленина и др. шахт Кузбасса.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА состоит в: - определении корреляционной связи производительности труда рабочих с среднемесячной нагрузкой на комплексно-механизированный очистной забой для различных типов горнотехнологических структур;
- установлении зависимости нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой от величины первоначальных запасов угля выемочного столба; - проведении анализа различных типов горнотехнологических
структур, при котором определено, что горнотехнологическая структура с односторонней выемочной панелью, обеспечивают наиболее эффективную и безопасную работу комплексно-механизированного очистного забоя;
- разработке технологических схем пространственного размещения подготовительных выработок выемочного столба для эффективной и безопасной работы комплексно-механизированных очистных забоев;
- в научном обосновании рациональных технологических схем работы комплексно-механизированного очистного забоя при отработке запасов с дизъюнктивными геологическими нарушениями на пластах пологого залегания.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.
Результаты работы позволяют;
- повысить эффективность подземной добычи угля на основе преобразования типа и параметров традиционной горнотехнологической структуры действующей шахты;
- обосновать технологические схемы пространственной ориентации подготовительных выработок выемочных столбов позволяющие повысить нагрузку на комплексно-механизированный очистной забой, при отработке пластов пологого залегания;
- создавать проекты новых высокопроизводительных угледобывающих предприятий, учитывающих направления технического перевооружения очистных и подготовительных работ при увеличении длины выемочного столба до 2-6 км и запасов до 2-8 млн. тонн угля, с нагрузкой на комплексно-механизированный очистной забой 3-5 млн.т/год;
- выбирать рациональные условия и технологические схемы, обеспечивающие высокие технико-экономические показатели комплексно-механизированного очистного забоя при отработке запасов с дизъюнктивными геологическими нарушениями. РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Разработанные научные результаты и выводы диссертационной работы использованы в следующих научно- технических документах;
- технико-экономическое обоснование отработки запасов угля ниже горизонта -300 м Абашево-Байдаевской брахисинклинали ("Кон-верскузбассуголь") 1999г;
- проект преобразования производственной структуры шахты "Рас-падская"("Конверскузбассуголь") 2000г;
- технико-экономическое обоснование инвестиций в строительство блока шахты им. Ленина на пластах средней мощно-сти("Конверскузбассуголь") 2001г.
- проект строительства объединенного блока №3 пласта Румянцев-ского Анжерского угольного месторождения ("Конверскузбасс-уголь") 2002г;
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные научные положения и практические выводы диссертации доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических советах угольных компаний "Кузнецкуголь" 1999г, "Кузбасс-уголь" 1999-2001, ш. "Распадская" 2000г, ш. им. Ленина 2001г, на международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 1999г), международной конференции "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых". (Новокузнецк: СибГИУ, 1999).
ПУБЛИКАЦИИ. Основные научные результаты диссертации опубликованы в пяти работах
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения списка литературы. Общий объем работы 146 страниц.
Анализ зарубежного опыта реструктуризации угольной промышленности
Уровень угледобычи в 60-70 гг. в бывшем СССР был сопоставим с соответствующим уровнем развитых угледобывающих стран (ФРГ, Великобритания, США, Испания и др.). В этот же период были разработаны национальные программы реструктуризации угольной промышленности зарубежных стран [6, 22, 23, 24]. В качестве основных критериев оптимизации при разработке и реализации этих программ приняты повышение рентабельности угледобывающих предприятий и обеспечение рационального уровня энергетической безопасности [25]. Последний критерий следует рассматривать как ограничение при снижении объемов угледобычи. По прогнозу ведущих ученых для обеспечения энергетической безопасности доля угля в энергетическом балансе должна быть выше 25-30%.
Реализация национальных программ реструктуризации угольной отрасли привела к изменению общей концепции размещения угледобывающих предприятий не по национальному признаку, а по технологичности и адаптивности угольных месторождений ксуществующим технологиям. Согласно этой концепции страны, имеющие угольные месторождения, неблагоприятные для разработки по существующим технологиям, резко снизили объемы добычи угля (Бельгия, Великобритания, Германия, Франция и др.). На угольных месторождениях стран с благоприятными для существующих технологий угледобычи горно-геологическими условиями, наоборот, произошел рост добычи угля (КНР, США, ЮАР, Колумбия, Индия, Австралия, Индонезия и др.). Несмотря на сокращение объемов добычи на нерентабельных шахтах и разрезах, в целом по всем странам мира осуществлен рост объемов производства угольной продукций 1,77 раза в 1997 г. по сравнению с уровнем добычи в 1970 г.
Увеличение объемов добычи сопровождалось улучшением технико-экономических показателей. Например, в США за последние 10 лет производительность труда увеличилась в два раза и составила в сутки на шахтах 28,04 т/чел., на разрезах 74,72 т/чел. При добыче в 1999 г. 1,026 млрд. т в США численность занятых людей в угольной промышленности составила 95000 чел. Высокие показатели достигнуты также на шахтах Австралии, ЮАР.
Рост эффективности процессов реструктуризации угольной отрасли в зарубежных странах стал возможным не только за счет обновления шахтного фонда и повышения уровня механизации и автоматизации горных работ, но и использования достижений науки и техники.
На этапе научного обоснования параметров программ реструктуризации угольной промышленности зарубежных стран применен системный подход, на основе которого разработаны варианты интенсивных технологических схем шахт, базирующиеся на использовании политехнологий угледобычи: длинных, коротких или комбинированных очистных забоев. Например, объем добычи из длинных комплексно-механизированных забоев составляет в США - 45%, КНР -20%, ЮАР - 9%, Австралии - 72%, Канаде - 43%.
Существенным достижением зарубежной науки и практики являетсяпереход к интенсивным технологиям с многоштрековой подготовкой выемочных панелей и столбов. На шахтах Австралии и США применяются, как правило, технологические схемы шахта-пласт, шахта-лава. Эксплуатация на шахте одного высокопроизводительного забоя с нагрузкой 6-13 тыс.т в смену и наличие одного резервного забоя обеспечивают на шахтах Австралии и США высокие показатели [26]. Например, на шахте "Южная Булга" в Австралии (Новый Южный Уэльс) в 1996 году добыто 4,1 млн.т при общей численности работников 166 человек (без обогатительной фабрики). Разрабатывался пласт мощностью 2,4 м на глубине 60-170 м. Производительность очистного комплекса 3500 т/час.
Рекордные показатели достигнуты на шахте "Твентимайл" в штате Колорадо, США [27] при отработке выемочного столба длиной 5500 м, шириной 260 м (длина забоя) на пласте мощностью 2,6 м.
Механизированный комплекс фирмы DBT включал;- механизированную двухстоечную щитовую крепь с несущей способностью секций крепи 8400 кН и шириной 1,75 м;- забойный конвейер PF4 шириной 1332 мм с приводом 3x740 кВт, цепями 42x146 мм и скоростью движения цепей 1,81 м/с;- выемочный комбайн SL фирмы "Айкхофф", скорость движения которого достигает 14 м/мин.
В июле 1997 г. месячная добыча из КМЗ на шахте "Твентимайл" составила 820575 т, а максимальная суточная 20262 т. Таким образом, положительный опыт реструктуризации угольных отраслей зарубежных стран показал, что при системном подходе разработки технологических и технических решений, создании мощной машиностроительной базы и реорганизации организационно-технической структуры угледобывающих предприятий возможен плавный переход от устаревших технологий к новым. Очевидно, зарубежный опыт и результаты научных исследований можно использовать при осуществлении преобразовании в угольной отрасли. Изменения в технике, развитие производства горных работ - это основа из которой складываются горнотехнологические структуры (ГТС) предприятий по добыче полезных ископаемых. С появлением новых средств механизации возникают новые элементы,которые в свою очередь складывают новую структуру предприятия. Так с появлением вертикального механического подъема возникла абсолютно новая ГТС, получившая название "шахта", характеризующуюся наличием откаточных горизонтов и вертикальных стволов. В настоящее время сложное экономическое положение не позволяющее равомерно развивать и технически обновлять угольные шахты Кузбасса, привело к тому, что в бассейне работают шахты с различными типами ГТС, Теория эволюции горнотехнологических структур шахт, описанная ниже, предложена Ялевским В.Д. и развивается Федориным В.А. В ней рассматриваются такие типы ГТС как: традиционная шахта; шахты с делением поля на блоки; шахты блоки; шахты и шахтоучастки с одним высокопроизводительным очистным забоем; угледобывающие комплексы и объединенные шахты. В связи с разнообразием ГТС в горной науке возникла необходимость получить количественную оценку различных вариантов топологии (структуры) сетей вскрывающих и подготовительных горных выработок [12]. Методы теории графов дают простой, доступный и
мощный инструмент построения моделей и решения задач упорядочения объектов [13]. Исходя из представления о горной науке как о науке по "перемещению масс" [14] (уголь, порода, вода, материалы и оборудование, воздух, сдвижение массива горных пород и т.д.) представим сеть горных выработок в виде ориентированного графа-дерева кратчайшей длины (в нашем случае расстояние доставки угля от очистного забоя до поверхности) G (А,В), где А - количество вершин сети; В - количество дуг кратчайшей длины. Авторы [12] вводят понятие "технологического графа G (A,B) \ Этот граф отличается от обычного геометрического представления тем, что он имеет в некоторых вершинах "угловые пометки", которые в соответствии с реальной сетью горных выработок фиксируют ортогональные примыкания смежных выработок (стволов, квершлагов, штреков). Таким образом обычная геометрическая схема горных выработок будет интерпретирована ориентированным графом кратчайшей длины G (ASB) с ортогональными примыканиями в углах сопряжения горных выработок. Структурно-сетевая теория вскрытия угольных месторождений имеет в своем арсенале метод количественной оценки структурной сложности сети вскрывающих и подготовительных горных выработок, основанный на показателе энтропии информации [13]: Применительно к рассматриваемым нами графам, здесь обозначены: Н - характеристика (безразмерное число) структурной сложности графа; .. К; - коэффициент сложности 1; -х путей на графе: n - общее число различных путей на графе; і - число, показывающее меру 1 ; -го пути (количество дуг на этом пути);
Обоснование преобразования горнотехнологических струк тур на пластах пологого залегания
В сложившихся рыночных отношениях общий уровень добычи угля определяется возможностями его реализации. На протяжении многих лет Кузбасс является самым крупным угледобывающим бассейном в России, но расположение бассейна в центре Евро-Азиатского континента значительно повышает ж. д. тарифы, что соответственно увеличивает стоимость угля. Однако значительное снижение себестоимости добычи угля может привести к дополнительному расширению рынка и существенному увеличению объёмов продаж кузнецких углей [5].
В настоящее время отсутствие необходимых инвестиций для нового строительства, реконструкции и технического перевооружения шахтного фонда привело к износу оборудования и необходимости отработки запасов угля на действующих горизонтах или в уклонных полях, неблагоприятных для высокопроизводительной работы комплексно-механизированных забоев. В результате чего шахты Кузбасса, за редким исключением, не в состоянии обеспечить рентабельную, бездотационную добычу угля. По этой причине уже прекратили существование ряд шахт и в ближайшие годы, выбытие устаревших мощностей по добыче угля возможно будет продолжаться. На смену закрывающимся шахтам должны прийти новые предприятия с усовершенствованной горнотехнологической структурой, характеризующиеся высоким уровнем концентрации производства, многократным ростом нагрузки на очистной забой и производительности труда.
Для повышения эффективности добычи угля на действующих шахтах в Кузбассе необходимо значительное обновление парка горной техники на угольных шахтах, коренные изменения сложившихся стереотипов в планировании горных работ и практике управления угольными предприятиями. Только при этом будут созданы высокорентабельные угледобывающие предприятия с себестоимостью добычи, сравнимой с лучшими зарубежными предприятиями.
Как следствие повышение производительности комплексно механизированных забоев (КМЗ) на прямую связано с упрощением горнотехнологической структуры, которую необходимо производить еще на стадии проектирования. Ранее когда существовало свыше 1400 нормативных документов плюс жесткие требования и ограничения по проектированию сковывали творческую инициативу проектировщиков, вследствие чего проекты не имели значительный экономический эффект. Многие разделы проектов разрабатывались без необходимой степени проработки и принимались или по устаревшим аналогам, или в директивном порядке, что вело к грубым просчетам. Так появилось множество типовых шахт плохо приспособленных к различным горным и геологическим условиям. Только в единичных случаях строились уникальные шахты мирового уровня, например шахта "Рспадская" в проекте которой внедрялись десятки новинок позволяющие достигнуть огромной проектной мощности для того времени в 7,5 млн. тонн. Однако по прошествии четверти века при активом развитии комплексной механизации, усовершенствовании схем вентиляции и развитии шахтного транспорта только в 1988г был достигнут наивысший результат добычи в 7,64 млн. тонн. Кроме того, в Кузбассе существует (существовало) ряд шахт, производственная мощность которых ни разу не достигла проектной, не смотря на то, что, на этих шахтах применялось оборудование позволяющее это сделать.
Таким образом, одой из проблем не позволяющей достигнуть высокой нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой это отсутствие или низкое качество вариантных проработок планировочных решений и пространственного расположения выемочных столбов при проектировании.
Среди проблем подземной добычи угля, на пластах пологого залегания, одной из важнейших является повышение эффективности работы комплексно-механизированного очистного забоя.
Решение проблемы увеличения годовой нагрузки комплексно-механизированного очистного забоя требует принципиально новых подходов ко многим вопросам техники и технологии добычи угля, проектирования и строительства шахт, основывающегося на интенсивном функционировании всей горнотехнологической структуры.
Горнотехнологическая структура - система технологически связанных горных процессов, определяющих эффективность работы комплексно-механизированной шахты, ее технико-экономические показатели.
Горнотехнологическая структура шахты должна соответствовать вышеизложенным условиям. При одном среднедействующем комплексно-механизированным очистном забое такая горнотехнологическая структура получила название модульной (рис. З.1.).
В настоящее время наибольшие трудности вызывают проблемы воспроизводства очистного фронта. При анализе причин отмечаются не только низкие темпы проходки, но и присущие большинству комплексно-механизированных шахт Кузбасса недостатки, несовершенство схем вскрытия и подготовки определяющие их горнотехнологическую структуру.
Повышение экономической эффективности подземного способа добычи угля требует принципиально новых подходов к оценке роли производительности очистного забоя, которая является изначальным решающим показателем, определяющим производительность труда и затраты на добычу угля (рис. 3.2.).
Научными исследованиями [6] установлено, что факторы, совместно определяющие производительность комплексно-механизированного очистного забоя (КМЗ), можно объединить в четыре основные группы (рис.3.3.).оказывают такие группы факторов, как уровень техники и технологии, профессиональная подготовка персонала, а также природные горно-геологические условия.
Рост нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой является изначальным решающим показателем, определяющим производительность труда и затраты на добычу угля. Многочисленными исследованиями установлено, что увеличение нагрузки в два раза обеспечивает прирост производительности труда рабочих комплексно-механизированных шахт на 40-50% (рис.3.4.).
Производительность труда в свою очередь, является одним из основных факторов, определяющих себестоимость добычи угля, так достижение производительности труда рабочих 150-180 т/мес, позволяет снизить себестоимость до 160-190 руб/т (рис.3.5.), обеспечивая рентабельность угледобывающего предприятия для большинства марок углей.
Горнотехнические факторы роста нагрузки на комплексно- механизированные очистные забои
Факторы, совместно определяющие среднемесячную нагрузку комплексно-механизированного очистного забоя (КМЗ), можно объединить в четыре основные группы: - уровень техники и технологии, производительность горношахтного оборудования, надежности; - параметры и тип горнотехнологической структуры; - профессиональная подготовка персонала и уровень организации работ; - природные горно-геологические условия. Важным фактором роста нагрузки очистного забоя оказывают параметры выемочного столба, которые определяют его первоначальные запасы. Величина первоначальных запасов выемочного столба, определяет трудоемкость работ по подготовке очистного фронта, объемы горноподготовительных и монтажных работ, продолжительность производительного использования очистного оборудования. Исследование влияния запасов выемочного столба на нагрузку комплексно-механизированных очистных забоев шахт Кузбасса указывают на наличие между ними тесной связи. Наличие первоначальных запасов выемочного столба в 1500-2000 тыс. т, создают условия для достижения стабильной нагрузки 80-120 и более тыс.т/мес, в интервале 4,0-5,0 млн.т. нагрузка на забой может возрасти до 250-300 тыс.т./мес.(рис.3.6.). Рост первоначальных запасов угля в подготовленных к выемке столбах поднимает среднюю производительность очистного забоя за счёт увеличения стабильного периода работы и относительного уменьшения в вы емочном столбе запасов со сложными горнотехническими условиями отработки ("дефектных" запасов). Величина первоначальных запасов в выемочном столбе может быть увеличена, главным образом, за счёт роста его параметров - длины очистного забоя и протяжённости по простиранию. Производительность очистного забоя, также, имеет тесную связь с протяжённостью поддерживаемых выработок, рост которой снижает надёжность функционирования всех систем шахты и, в ряде случаев, характеризует степень разбросанности горных работ, которая является следствием целого ряда причин, в том числе организационного характера. Планировочные решения большинства шахт Кузбасса имеют в своей основе двухсторонние панели, которые затрудняют реализовать меры по росту первоначальных запасов выемочного столба из-за ограниченных размеров по простиранию и сложностей с организацией подготовительных работ. Кроме того, в панелях этого типа не всегда есть возможность обеспечить благоприятное направление отработки очистных забоев по факторам геомеханики, газоотведения и водоотведения в обеих частях панели. На некоторых шахтах Кузбасса уже осуществлён переход к выемочным панелям с увеличенными размерами по простиранию, имеющими, в основном, фланговое вскрытие. Такая конструкция панели позволяет увеличить первоначальные запасы выемочного столба в 1,5-2,0 раза, сократить объём поддерживаемых выработок и увеличить надёжность технологических систем шахты за счёт разделения во времени и пространстве очистных, подготовительных и монтажных работ. Кроме того, в этом случае есть возможность выбрать благоприятное направление движения очистного забоя, спрофилировать горные работы с целью создания нормальных условий для подготовительных работ и исключения образования водо-угольной пульпы и подтопляемых мульд в горных выработках. Дальнейшее развитие этих идей институтом "Конверскузбассуголь" привело к появлению секционированных панелей длиной до 6,0 км, основные технологические решения которых защищены патентом РФ. Длинные секционированные панели сочетают в себе все достоинства одностороннихпанелей, для них характерен значительный рост первоначальных запасов выемочного столба, величина которых соответствует техническому ресурсу современного горно-шахтного оборудования и ещё большее снижение удельного объёма поддерживаемых выработок. Сравнение средних расчётных нагрузок на очистные забои при прочих равных условиях показано на рис. 3.7. и в таблице 3.1. (за базу для сравнения принята двусторонняя панель). Из анализа данных следует, что переход к использованию длинных секционированных панелей позволит увеличить среднюю нагрузку на забой при всех равных остальных условиях более чем в два раза.
Как отмечено выше, одной из главных задач роста нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой является преобразование типа и параметров горнотехнологической структуры шахты. В этой связи на шахте предусматривается, с учетом ожидаемых горно-геологических условий залегания пластов, их гипсометрии, создание длинных секционированных панелей с профилированными выемочными столбами. Технологическая схема при нисходящем порядке отработки предусматривает бесцеликовую выемку запасов угля. На основе длинных секционированных панелей Институтом "Кон-верскузбассуголь" совместно с автором выполнен ряд проектов строительства и реконструкции шахт Кузбасса. Концентрация производства, как известно, является одним из главных факторов повышения его эффективности. На шахтах, использующих очистные механизированные комплексы и другую современную технику, концентрация производства осуществляется через рост производительности очистного забоя. Технические возможности основного добычного и транспортного оборудования (комбайнов, забойных и ленточных конвейеров, электронных систем управления комплексами) позволяют добывать из очистного забоя 10-30 т угля в минуту (15-20 тыс.т в сутки). Мировой и отечественный опыт, в том числе Кузбасса (шахты "Рас-падская", им. Кирова, "Есаульская", "Заречная" и др.), указывают на реальную возможность постоянной работы очистных забоев на уровне 5-7 тыс.т в сутки (125-175 тыс.т /мес). На шахте им. Кирова (угольная компания "Кузбассуголь") в августе 1999 года из выемочного столба №2445 добыто 252,8 тыс.т угля (среднесуточная нагрузка - 10,1 тыс.т, максимально достигнутая нагрузка -11,7 тыс.т/сут.). Учитывая наличие значительных резервов производительности добычного и транспортного оборудования, в целях достижения максимального экономического эффекта, шахты основных угледобывающих стран мира с рыночной экономикой имеют, как правило, один среднедействую-щий очистной забой. При этом инфраструктура шахт максимально уменьшается, что способствует их высокопроизводительной работе. Значительная концентрация горных работ обуславливает необходимость изменения подходов в управлении и организации производства. Организационный фактор занимает одно из основных мест вследствие того, что в условиях концентрированного горного производства простои очистного забоя негативно влияют на технико-экономические показатели, снижая уровень рентабельности предприятия. Выбору пространственной ориентации и размеров выемочных столбов шахты должны предшествовать тщательное изучение геолого-технологических факторов, определяющих производительность функционирования очистного механизированного забоя. При этом, пространственная ориентация выемочных столбов должна, по возможности, исключать их перегибы в плоскости пласта, экстремальные углы, как вдоль выемочного столба, так и по очистному забою. Недостаточный учет этих факторов на практике приводит к резкому снижению добычи угля. Подтопление шахтной водой участков выемочных штреков вынуждает содержать дополнительные водоотливные установки, что приводит к дополнительным затратам и снижению надежности работы транспортных средств. В настоящее время на комплексно-механизированных шахтах Кузбасса вскрытие панелей осуществляется проведением центральных (головных) уклонов, с которых ведется подготовка выемочных столбов. Конвейерные и вентиляционные штреки, при этом, проводятся, как правило, с подъёмом 2-3 для обеспечения оттока воды от забоев (рис. 3.8). Очистной забой, добытый уголь и водоприток в таких схемах организации подготовительных работ движутся в сторону центральных уклонов. При этом нередко уголь и вода, смешиваясь, образуют угольную пульпу, значительно осложняющую работу конвейеров, особенно ленточных. В весьма сложной ситуации оказываются подготовительные забои центральных уклонов куда, в конечном счёте, стекает вся угольная пульпа. Темпы проведения уклонов и воссоздания очистного фронта при этом значительно снижаются, что весьма существенно уменьшает добычу угля. Приведенные выше факторы создают аварийные ситуации на ленточных конвейерах, установленных на центральном уклоне. Конвейерные лен
Оценка влияния технических и технологических процессов на нагрузку комплексно-механизированного очистного забоя для шахт Кузбасса
Одним из основных признаков высоких технологических схем шахт является высокая суточная нагрузка на КМЗ в пределах 5-12 тыс.т., что соответствует скорости подвигания очистного забоя 8-20 м в сутки. Наибольший объем подготовительных выработок приходится на выемочные штреки, непосредственно примыкающие к очистным забоям.
Комплекс работ и мероприятий по подготовке запасов к выемке,1 их воспроизводство, как известно, весьма сложная часть всего производственного процесса на шахтах.
Анализ работы шахт Кузбасса показывает, что одной из причин низких технико-экономических показателей является хроническое отставание подготовки новых очистных забоев, что связано с горнотехнологической структурой шахты, недостаточным материально-техническим обеспечением, сравнительно низким уровнем оплаты занятых на подготовительных работах и др.
Проведенный анализ работы подготовительных забоев показывает необходимость принятия следующих решений и рекомендаций по технике и организации подготовительных работ:предусматривать парную проходку выработок, соединяемых сбойками через определенные проектом проходки расстояния; анкерное крепление выработок с облегченным верхня ком и металлической решетчатой затяжкой; транспортировку угля из подготовительных забоев осуществляетьленточными конвейерами, оставляемыми после ревизии и ремонта для очистного забоя. Транспортировку угля от забоя до ленточного конвейера (150-200 м) предусматриваеть самоходными вагонами типа 10SC32B-5, ВС-15; - доставку материалов в подготовительные забои -осуществляеть дизельным взрывобезопасным самоходным вагоном для воздухораспределительных целей предусматривать применение металлических сборно-разборных облегченных перемычек, распираемых по контору выработок специальными пневматическими рукавами с помощью ножных воздушных насосов и др; Применение самоходных вагонов на пневмоходу является одним из важнейших факторов повышения скорости проведения выработок. В сравнении с проведением на конвейеры отпадает необходимость непрерывного монтажа оборудования, его комплектации, появляется возможность нормальной транспортировки материалов, доставки людей с соблюдением требований безопасности.
Использование техники на пневмоходу в подземных условиях - кранов, тележек для транспортировки тяжелого оборудования и др. - весьма перспективное направление в развитии механизации подземных работ.
Обоснование параметров всасывающего способа проветривания подготовительных забоев Применение всасывающего способа проветривания обосновано проведенными исследованиями в условиях шахты "Зыряновская" ОАО "УК "Кузнецкуголь", Проведены сравнительные исследования двух способов проветривания тупиковых подготовительных забоев: нагнетательного и всасывающего, принятых в технологических схемах проведения выемочных выработок.
При нагнетательном способе метанопылевоздушная смесь отводится по всему сечению и всей длине подготовительной выработки, поэтому в случае интенсивной отбойки угля метанопылевоздушная смесь с высоким содержанием пыли омывает электрооборудование в призабойном пространстве, в результате чего ограничивается видимость и при низкой эффективности подавления пыли она оседает на оборудовании и стенках выработки. Кроме того, газообильные выработки во многих случаях не обеспечиваются необходимым расходом воздуха по газовому фактору из-за высокой воздухопроницаемости гибких вентиляционных труб, особенно при большой протяженности выработки.
При эксплуатации проходческих комбайнов запыленность воздуха в рабочей зоне машиниста может достигать 2000-3000 мг/м3, а в месте разрушения угольного массива - взрывоопасных концентраций. В момент разрушения массива и падения отбитой массы у забоя образуются вихревые потоки, угольная пыль переходит во взвешенное состояние, и пыле-воздушные потоки приобретают большие начальные скорости, что затрудняет пылеулавливание. При работе комбайнов с орошением и предварительным увлажнением угольного массива также не достигается эффективное пылеподавление и в этих условиях остаточная запыленность на рабочем месте машиниста находится в пределах 400-600 мг/м3.
Как показывает анализ зарубежного опыта, на шахтах Австралии, Великобритании, Канады, США, Польши, Чехии и Словакии проблема борьбы с пылью решается путем применения всасывающего способа проветривания, преимущества которого: отсутствие в выработке громоздкой пылеулавливающей установки, устойчивая работа пылеулавливающей системы, предотвращение запыленности рабочего места машиниста и возможность доставки в призабойное пространство больших расходов воздуха.
На шахтах России нормативными документами разрешается применять всасывающий способ проветривания при проведении комбайнами подготовительных выработок только по негазоносным угольным пластам,а при проведении выработок по газоносным пластам с интенсивным пыле-образованием возникает проблема поиска и разработки принципиально новых безопасных технических решений по предупреждению проявлений потенциальной газовой пылевой опасности.
Одно из технических решений, обеспечивающих безопасность по газовому и пылевому фактору при проведении газообильных подготовительных выработок комбайнами, - применение всасывающего способа с использованием высокопроизводительных вентиляторов.
Эффективность всасывающего способа проветривания газообильных выработок для борьбы с метаном и пылью исследовалась при проведении проходческим комбайном вентиляционного уклона по газоносному пласту 16 на шахте "Зыряновская" ОАО "УК "Кузнецкуголь".
Результаты экспериментов показывают, что структура воздушнокго потока в призабойном пространстве трансформируется и зависит от расхода воздуха, поступающего в забой, а также расстояния от забоя до вентиляционного трубопровода. Скорость воздушного потока в призабойном пространстве в 5 м от забоя со стороны расположения трубопровода составляет 0,8-1,0 м/с, а с противоположной стороны от него 0,6-0,8 м/с. При всасывающем проветривании с оптимальными скоростями движения воздуха в призабойном пространстве на рабочем месте машиниста максимальная запыленность воздуха при отбойке по углю достигала 15-23 мг/м3, по породе - 45-66 мг/м3.
Данная схема проветривания позволяет предотвратить образование местных скоплений метана, снизить запыленность воздуха до предельно допустимого содержания и обеспечить эффективное проветривание приза-бойного пространства.Исследования показали, что с помощью всасывающего способа можно эффективно проветривать выработки газообильностью до 5 м3/мин.
