Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ производственно-технического и социально-экономического состояния шахтного фонда угольных компаний России 11
1.1. Производственно-техническое состояние шахтного фонда России 11
1.2. Добыча угля 12
1.3. Нагрузка на забой и производительность 16
1.4. Себестоимость 18
1.5. Численность персонала 19
1.6. Переработка угля 19
1.7. Поставка угля 21
1.8. Импорт угля 22
1.9. Экспорт угля 23
1.10. Аварийность и производственный травматизм 26
1.11. Социально-Экономические результаты работы 28
Выводы: 33
ГЛАВА 2. Анализ методов и моделей оптимизации качественных и количественных параметров угольных шахт 34
2.1. Методы линейного программирования 34
2.2. Методы и модели нелинейного программирования (условная оптимизация) 43
2.3. Методы безусловной минимизации (оптимизации) функций многих переменных 46
2.4. Анализ методов определения качественных и количественных параметров угольных шахт 53
2.5. Программное обеспечение и средства решения задач условной и безусловной оптимизации 69
Выводы 76
ГЛАВА 3. Оптимизация технологических решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов ... 77
3.1. Воспроизводство запасов на угольных шахтах 77
3.2. Варианты технических решений по вскрытию шахтных полей при новом строительстве 84
3.3. Экономико-математическая модель оценки альтернативных вариантов вскрытия шахтных полей 123
3.4. Анализ результатов оценки способов вскрытия шахтных полей с установлением областей их эффективного применения 137
ГЛАВА 4. Обоснование методики оценки и ранжирования угольных шахт по техническому уровню вскрытия и подготовки шахтных и выемочных полей 143
4.1. Методический подход к оценке 143
4.2. Формализация задачи 149
4.3. Выявление элементов прогрессивности и экономичности схем вскрытия и подготовки шахтных полей 151
4.4. Основные процедуры построения целевой функции интегральных функционалов 157
4.5. Расчетная часть с анализом результатов расчетов 164
4.6. Оценка способов вскрытия шахтных полей по продолжительности строительства 169
4.7. Оценка способов вскрытия шахтных полей по продолжительности вскрытия и подготовки новых горизонтов 177
Заключение 185
Список литературы 187
- Аварийность и производственный травматизм
- Анализ методов определения качественных и количественных параметров угольных шахт
- Экономико-математическая модель оценки альтернативных вариантов вскрытия шахтных полей
- Выявление элементов прогрессивности и экономичности схем вскрытия и подготовки шахтных полей
Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшей целью перспективного развития российской угольной промышленности является повышение устойчивости и безопасности угледобычи на основе реализации современного научно-технического потенциала и технологий, отвечающих современным тенденциям развития научно-технического прогресса.
Энергетической стратегией России в течении ближайших 15-20 лет предусмотрен ввод 150-200 млн. тонн новых производственных мощностей, обеспечивающих динамическое повышение технического и экономического уровня угольного производства.
В проекты строительства новых шахт, реконструкции, технического перевооружения, модернизации и поддержания мощности на достигнутом уровне должны закладываться новейшие технологические решения с учётом передового отечественного и зарубежного опыта, совершенствования принципа планирования и прогнозирования развития горных работ, раскройки шахтных полей, причём горно-капитальную часть этих проектов следует решать на основе широкого применения прогрессивных объёмно-планированных решений, и в первую очередь следует рассматривать вскрытие шахтных полей и новых горизонтов, увеличивающих сроки службы и сокращающих время строительства.
При строительстве и реконструкции угольных шахт наиболее сложными, дорогостоящими и трудоемкими являются работы по вскрытию месторождения либо шахтного поля. Удельный вес этих работ составляет 20-25% сметной стоимости и 30-50% общего времени строительства. Перевод горных работ на все более глубокие горизонты привел к необходимости размещать топологическую сеть горных выработок в российском Донбассе на глубине 1000-1200 м, в Кузбассе - 700м.
В мире и в России в последние годы накоплен огромный объем информации по новым достижениям в вопросах вскрытия шахтных полей и новых горизонтов как при строительстве новых, так и при объединении шахт (технологические структуры «шахта-лава», «шахта-пласт», блоковое вскрытие, вскрытие индивидуальных шахт), поэтому в данной работе поставлена цель -
выбрать из этого объема информации и рассмотреть с единой точки зрения (технологической и экономической) те аспекты достижений в области вскрытия, которые будут являться основой для дальнейшего развития и усовершенствования технологических схем угледобывающих предприятий.
Таким образом, актуальность темы исследований определяется необходимостью обеспечения реализации прогрессивных пространственно-планировочных решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, прогрессивных поэтапных преобразований технологических схем угольных шахт, обеспечивающих сокращение сроков строительства и увеличение сроков службы, обусловленных тенденциями развития научно-технического прогресса отрасли и требованиями конъюнктуры рынка конечной продукции на угольной основе.
Задачи исследования формулируются следующим образом:
обобщение и анализ производственно-технического состояния шахтного фонда угольных компаний России и обоснование принципов совершенствования схем вскрытия шахтных полей перспективных угольных шахт;
обобщение и анализ вскрытия шахтных полей и новых горизонтов для наиболее характерных горно-геологических и горнотехнических условий шахт Кузнецкого угольного бассейна;
разработка экономико-математической модели оптимизации пространственно-планировочных решений по вскрытию шахтных полей и новых горизонтов с установлением области их эффективного применения;
определение рациональной структуры и установление оптимальных параметров схем вскрытия новых горизонтов угольных шахт и разработка рекомещ^аций по их строительству в минимально короткие сроки;
разработка методических положений оценки и ранжирования схем вскрытия шахтных полей со строгим группированием их по направлениям поэтапного развития в условиях рыночной экономики;
обоснование в качестве перспективных технологических решений по повышению уровней прогрессивности и экономичности подземных горных работ, технических решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, позволяющих увеличивать срок их службы и сокращать сроки строительства.
Целью диссертации является выявление направлений развития пространственно-планировочных решений при вскрытии шахтных полей и новых горизонтов для увеличения сроков службы и сокращения сроков строительства, повышения уровня прогрессивности и экономичности горных работ, обеспечивающих должную конкурентоспособность и инвестиционную привлекательность, повышение устойчивости воспроизводства запасов угля и концентрации горных работ.
Основная идея работы заключается в реализации комплексного подхода к формированию информационно-методической базы обоснования перспективных, экономичных и надежных пространственно-планировочных решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, реализующих концепцию поэтапного развития технологических схем угольных шахт.
Методы исследований: в работе реализован комплекс методов, включающий научное обобщение, анализ результатов ранее выполненных исследований, методы условной оптимизации, экономико-математического моделирования, методы квалиметрии, теории полезности, теории принятия сложных решений, математические методы обработки статистических данных и др.
Основные научные положения, разработанные лично соискателем:
- определяющим условием необходимости и целесообразности
оптимизации пространственно-планировочных решений в области вскрытия
шахтных полей и новых горизонтов является удовлетворение требований
повышения устойчивости воспроизводства запасов угля и концентрации
горных работ с учётом специфики рыночных отношений в отрасли и
конъюнктуры рынка конечной угольной продукции;
устойчивое и длительное функционирование технологических схем угольных шахт обеспечивается за счет реализации прогрессивных, надежных и экономичных схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, основанных на применении центрально-сдвоенных стволов с проходкой до конечной отметки ведения горных работ, отнесенными вентиляционными (воздухоподаюгцими) стволами и погоризонтными квершлагами с отработкой на каждом горизонте бремсбергового и уклонного бесступенчатого полей;
должная конкурентоспособность угольных шахт в рыночной среде реализуется при высоких уровнях концентрации и интенсивности работ, что обеспечивается отработкой на каждом горизонте бремсбергового и
бесступенчатого уклонного полей с длиной по падению до 2 км и доведением срока службы горизонта до 25-30 лет, гибкими технологическими схемами вскрытия шахтных полей, адаптивных к изменениям внешней среды функционирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложены научно-методические принципы формирования механизма выбора и обоснования прогрессивных, надёжных и экономичных пространственно-планировочных решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, основанного на экономико-математическом моделировании и критерии оптимальности NPV (чистый дисконтированный доход);
разработаны методические рекомендации по обоснованию комплекса пространствешю-планировочных решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов при строительстве новых и реконструкции действующих шахт, при реализации которых обеспечивается должный уровень прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ в соответствии со спецификой рыночных отношений в отрасли;
доказана сравнительная эффективность схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, позволяющих увеличить срок их службы и сократить сроки строительства;
- предложена методика комплексной интегральной оценки способов
вскрытия шахтных полей для последующего корректного группирования и
ранжирования по направлениям поэтапного развития в условиях рыночной
экономики и сложившейся конъюнктуры рынка угольной продукции.
Научное значение работы заключается в развитии и совершенствовании научно-методической базы обеспечения эффективного функционирования схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, уровня прогрессивности их пространственно-планировочных решений с учётом закономерностей развития научно-технического прогресса в отрасли и эффективности функционирования угледобывающих предприятий в рыночной среде.
Практическое значение работы состоит в разработке рекомендаций по реализации стратегии поэтапного развития схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, направленной на повышений технико-экономической эффективности их функционирования, обеспечивающих прогрессивную,
экономичную и надежную структуру пространственно-планировочных решений и топологическую сеть вскрывающих горных выработок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
достаточным объемом объектов исследований и представленным анализом статистической информации о работе угольных шахт отрасли;
корректностью постановки задач исследований и использованием современных методов при обосновании прогрессивных, надежных и экономичных схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов с учётом их поэтапного развития в условиях рыночной экономики;
результатами экономико-математического моделирования и оценки технического уровня схем вскрытия, обеспечивающих повышение устойчивости воспроизводства запасов угля и высокую концентрацию горных работ.
Реализация работы. Научные и практические результаты работы прошли проверку и использованы при разработке программ и планов перспективного развития горных работ на шахтах филиала ОАО «СУЭК» в г. Ленинск-Кузнецкий.
Апробация работы. Основные положения диссертации были обсуждены и получили одобрение на научных симпозиумах в рамках «Недели горняка», проводимых в МГГУ (Москва, 2006-201 Огг.), и на научных семинарах кафедры ПРПМ МГГУ (Москва, 2006-2010гг.).
Публикации. На тему диссертации опубликовано четыре научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 41 рисунок, 24 таблицы и список литературы из 108 наименований.
Аварийность и производственный травматизм
Одной из главных задач проектирования угольных шахт является определение, их качественных характеристик, соответствующих горногеологическим условиям месторождения и обеспечивающих вместе с тем наилучшие экономические показатели разработки этого месторождения.
Методология играет исключительно важную роль в выборе оптимальных параметров шахт, на которые оказывает влияние многообразия факторов: горно-геологические, технологические, технико-экономические и др. В области определения основных качественных характеристик шахт горная наука располагает значительным числом научных и инженерных методов.
До недавнего времени основными методами определения качественных параметров шахты были математико-аналитический, графоаналитический, сравнение проектных вариантов, статистический и комбинированный методы.
Применение математико-аналитического метода для решения специфических задач горного дела связано с именем выдающегося русского ученого - академика М.В.Ломоносова. Еще в XVIII в. появились первые труды М.В.Ломоносова в области применения аналитических методов для решения отдельных вопросов горного производства.
В опубликованной в 1902 г. статье "Разработка каменноугольных пластов большими выемочными нолями" Б.И. Бокий указал на необходимость применения аналитических методов. В фундаментальных трудах Б.И.Бокия "Выбор системы работ при разработке свиты пластов" и "Аналитический курс горного искусства" зарождалось новое направление в горной науке -аналитическое определение оптимальных значений некоторых основных параметров шахт.
Это направление в дальнейшем получило развитие также в работке акад. А.М.Терпигорева "Разбор систем разработки каменного угля, применяемых на рудниках юга России, в связи с подготовкой месторождений к очистной добыче", изданной в 1907 г. Дальнейшее глубокое развитие, обобщение и систематизация аналитических методов сделанных акад. Л.Д. Шевяковым. В фундаментальном его труде "Основы теории проектирования угольных шахт", изданном впервые в 1950 г., систематически излагается применение аналитических и вариантных расчетных методов при технико-экономическом количественном и качественном анализе основных проектных решений. Математико-аналитический метод успешно применяется при оптимизации отдельных параметров шахты, когда в аналитической форме увязываются один-три и реже четыре-пять параметров. Метод вариантов состоит в том, что по двум или большему числу качественно отличным технологическим вариантам (схем) производят детальные расчеты затрат, величина которых зависит от варьируемого параметра. Метод вариантов применяется для решения таких задач, как выбор схемы вскрытия и способа подготовки шахтного поля, системы разработки, средств механизации очистных и подготовительных работ, режима работы шахты, способа проведения выработок, типа поверхностного комплекса и т.д. Достоинством метода вариантов является возможность учета большого числа Факторов и довольно точное решение поставленной задачи. Основными недостатками метода вариантов являются его значительная трудоемкость и большие затраты времени на перебор вариантов. В связи со значительным техническим прогрессом в угольной промышленности повысились требования к точности и надежности оптимизации параметров шахт. Применяемые для оптимизации аналитические методы не могли в достаточной мере удовлетворить требованиям к выбору оптимальных параметров шахт. Объективный выбор параметров шахт связан с необходимостью учета большого числа природных, технологических и технико-экономических Факторов. Поэтому современная шахта представляет собой сложную комплексную многовариантную систему. При такой постановке отыскание оптимальных решений традиционными методами затруднено, а в ряде случаев практически неосуществимо из-за высокой трудоемкости и значительной продолжительности выполнения вычислительных работ. Приходится вводить в анализ ряд условных допущений, например, допущение о постоянстве значений некоторых величин, являющихся переменными, ограничивать число рассматриваемых вариантов и т.д.
На базе уже имевшихся традиционных методов решения задач технико-экономического анализа с применением ЭВМ были созданы методы экономико-математического моделирования для проектирования угольных шахт. Еще в начале XX века экономико-математическое моделирование было применено Б.И. Бокием и его последователями. Методы определения отдельных оптимальных параметров шахты, базирующихся на ручной технике счетных работ, нашли широкое применение в практике проектирования шахт. В подавляющем большинстве случаев применялись простейшие формы моделирования в виде алгебраических функций, доступных для исследования методами классического анализа. При этом отдельные производственные процессы и элементы шахты моделировались, и исследовались, как правило, обособленно, а сами модели представляли собой упрощенные и схематизированные отображения- действительности.
Высокая степень упрощения реальных условий в таких моделях была обусловлена в первую очередь отсутствием надежных технических средств численного анализа и. вытекавшим отсюда стремлением к строгому аналитическому решению. По той же причине синтез оптимальных решений в масштабе шахты в наилучшем случае ограничивался последовательной передачей результатов решения задачи с одного уровня на другой. Например, итоги выбора оптимальной системы разработки принимались как исходные данные при определении способа подготовки шахтного поля, а итоги решения второй задачи учитывались как исходные данные при выборе способа вскрытия или других основных параметров шахты. В некоторых случаях количественный анализ совместного влияния двух, трех независимых переменных на уровень критерия оптимальности выполнялся методом вариантных расчетов или путем комбинации аналитического решения системы из двух-трех алгебраических уравнений с методом итераций. Количественный анализ совместного влияния даже трех-пяти переменных был весьма трудоемким.
В горном деле модели, разработанные в период, предшествовавший появлению ЭВМ, статичны и строго детерминированы. Совершенствование традиционных методов проектирования угольных шахт базируется на достижениях в области вычислительной математики и электронно-вычислительной техники. Электронно-вычислительные машины являются мощными техническими средствами расширения умственной деятельности человека, способными реализовать огромное количество инженерно-технических оптимизационных расчетов и синтезировать их в единую систему взаимосвязанных задач.
Анализ методов определения качественных и количественных параметров угольных шахт
Математико-аналитический метод успешно применяется при оптимизации отдельных количественных параметров шахты, когда в аналитической форме увязываются один-три и реже четыре-пять параметров. При математи-ко-аналитическом методе, как правило, учитываются не все, а только основные влияющие факторы.
Методы поиска экстремальных значений функции с помощью классического анализа имеют ограниченное применение, так как при постановке задачи они требуют, чтобы не было ограничений на аргументы или чтобы эти ограничения были представлены лишь в виде равенства. Сами непрерывные функции, определяемые численными коэффициентами, в практике проектирования разрабатывать сложно.
Графоаналитический метод основан на использовании в ходе решения задачи одновременно и аналитических формул и графиков функций и применяется при условии, когда уравнения слишком сложны для решения аналитическим способом. Этот метод применяется также для решения уравнений, в которых искомые величины заданы в неявной форме.
Статистический метод состоит в том, что целевая функция находится путем надлежащей обработки статистических данных. Обработка собранных статистических данных производится методами математической статистики. Наиболее известными из этих методов являются корреляционный и регрессивный анализы.
Методы корреляционного и регрессивного анализа широкое применение находят при решении ряда теоретических задач оптимального проектирования и, в первую очередь, при проведении экспериментальных исследований, ставящих своей целью практическую проверку полученных теорией рекомендаций и подготовку исходной базы для выдвижения новых гипотез. Метод корреляционного анализа при оптимизации параметров шахт используется также для построения формул расчета отдельных единичных стоимостных параметров и показателей.
Существенным недостатком известных корреляционных моделей является их ориентация на уже достигнутые показатели, статичность, пассивность.
Метод сравнения вариантов применяется для решения таких задач, как выбор производственной мощности шахты, размеров шахтного поля, блоков, панелей, горизонтов и т.д. Достоинством метода сравнения вариантов являются возможность учета большого числа факторов и довольно точное решение поставленной задачи.
Основными недостатками метода сравнения вариантов являются значительная трудоемкость и большие затраты времени на перебор вариантов.
В пятидесятые и шестидесятые годы широко внедрилось в практику оптимизации параметров шахт большое число математических методов: методы линейного, нелинейного, динамического, целочисленного программирования, методы сетевого моделирования, методы теории массового обслуживания и др.
Метод линейного программирования является наиболее разработанным разделом математического программирования для решения горноэкономических задач, в которых целевая функция является линейной функцией многих переменных, а ограничивающие условия задачи системой линейных равенств и неравенств.
Метод линейного программирования нашел применение при оптимизации площадей поперечного сечения горных выработок, при распределении нагрузки на очистные забои в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях шахты, при решении задачи оптимального комплексного проектирования, при решении различного рода транспортных и других задач.
Недостаток методов линейного программирования заключается в ограниченной области их применения, так как формулировка задачи должна быть представлена лишь в виде линейных зависимостей.
Методы нелинейного программирования представляют наибольший интерес при оптимизации параметров шахт. Большинство оптимизационных горно-экономических задач является задачами нелинейного программирования. Характерной для нелинейного программирования является задача выбора оптимальных сечений сети (цепи) горных выработок шахты, которая впервые поставлена и решена чл. кор. АН УССР К.И. Татомиром. Эта задача допускает ряд методов, из которых при конкретном проектировании и нашла применение методика Центрогипрошахта, основанная на использовании градиентного метода.
Для оптимизации задач нелинейного программирования могут быть применены методы типа, направленного перебора вариантов, а также градиентные методы и Монте-Карло. Однако задачи нелинейного программирования не имеют общих алгоритмов оптимизации. Наиболее полно разработаны методы решения задач выпуклого и. особенно квадратичного программирования.
Методы динамического программирования широко применяются при решении задач, допускающих разбиение на этапы. Одна из первых попыток применения динамического программирования в теоретической постановке для решения задачи поэтапного проектирования шахт сделана проф. П.В. АБДУЛОВЫМ, А.С. Бурчаковым, Б.М. Воробьевым, В.Г.Шориным. Развитие шахты представляется как последовательная смена состояний, начиная с пуска шахты в эксплуатацию и кончая полной отработкой всех запасов шахтного поля и закрытием шахты. Однако метод динамического программирования не дает общего алгоритма, пригодного для всех задач.
Методами целочисленного программирования решаются задачи, в которых переменные выражаются целыми числами. Один из интересных методов решения целочисленных задач в горном деле предложен Л.Д. Шевя-ковым.
Бурное развитие кибернетики и электронно-вычислительной техники дало возможность по-новому подойти к решению сложных многовариантных задач оптимальных параметров угольных шахт, отказаться от многих допущений и упрощений, присущих ранее применявшимся методам, составить более полное и точное математическое описание оптимизируемых параметров, резко увеличить количество рассматриваемых решений, применить новейшие методы вычислительной математики, выполнить все расчеты на современных электронно-вычислительных машинах с многократным их повторением и учетом взаимодействия результирующих параметров.
Экономико-математическая модель оценки альтернативных вариантов вскрытия шахтных полей
В схемах второй группы новый горизонт вскрывается путем проходки нового вертикального вспомогательного ствола на существующей либо отнесенной промышленных площадках и проведением слепого наклонного конвейерного ствола между новым и действующим горизонтами, предназначенного для выдачи угля в загрузочное устройство действующего главного ствола.
Следует отметить, что для условий действующих шахт Восточного Донбасса и Кузбасса практически невозможным является вскрытие нового горизонта путем углубки двух действующих стволов (главного и вспомогательного), поскольку они фактически не имеют углубочных отделений. Весь комплекс работ по вскрытию нового горизонта таким образом может быть произведен только через углубочный горизонт с использованием существующих подъемов, у которых, как правило, отсутствует необходимый для указанных целей резерв пропускной способности.
На шахтах Кузбасса при относительно небольших глубинах разработки свит пологих пластов с одномарочными углями, вскрытие нового горизонта целесообразно осуществлять главным наклонным (конвейерным) стволом, вертикальными вспомогательным и блоковыми стволами (воздухоподающим для подачи свежей и вентиляционным для выдачи исходящем струи воздуха). На транспортном и вентиляционном горизонтах проводятся блоковые квершлаги, соединяемые магистральными полевыми штреками. При значительной (более 400 м) глубине ведения горных работ и разномарочном составе ископаемых углей разрабатываемых пластов вскрытие горизонтов производится путем проходки нового главного и флангового вентиляционного стволов, углубкой вспомогательного ствола до уровня подъемного горизонта, а воздухоподающего - до нижней границы уклонной панели. На уровне подъемного горизонта проводится целый комплекс полевых выработок - главный квершлаг, полевой штрек, промежуточные (блоковые) квершлаги. При разработке пластов с высокой газоносностью вскрытие и подготовка запасов уклонной ступени ниже действующего подъемного горизонта производится путем проходки вертикального воздухоподающего ствола, квершлагов и панельных уклонов. При ограниченных запасах угля в пределах шахтного поля ниже отработанной уклонной ступени вскрытие и подготовку нового горизонта целесообразно производить путем проходки вспомогательного и вентиляционного стволов, погоризонтных квершлагов и капитального уклона для выдачи угля со вскрываемого горизонта на действующий подъемный горизонт, - при этом на уровне вскрываемого горизонта проводятся транспортные и вентиляционные полевые штреки и квершлаги.
При большой длине шахтного поля по простиранию возможно деление его на блоки с проведением вспомогательного ствола в каждом блоке, причем вскрытие нового горизонта предусматривается путем проведения вспомогательного и вентиляционного стволов, погоризонтных квершлагов, углубки существующего вспомогательного ствола с переоборудованием его в главный. Один из вариантов схем для шахт Кузнецкого бассейна предусматривает, наряду с проходкой вертикальных вспомогательного и вентиляционного стволов углубку существующих вспомогательного и главного стволов. Для шахт значительной мощности при большом удалении горных работ от существующей промышленной площадки целесообразна схема, при которой вскрытие нового горизонта осуществляется путем проходки вспомогательного, главного и вентиляционного стволов, погоризонтных квершлагов и углубки существующего вспомогательного ствола.
Для шахт, разрабатывающих крутые пласты, характерным является соизмеримость сроков эксплуатации горизонтов, ограниченность запасов угля и небольших сроков их строительства, поэтому для шахт Восточного района Донбасса мощностью до 950 тыс. тонн, вскрытых тремя вертикальными стволами различного функционального назначения, один из которых оборудован клетьевыми подъемами, способными работать до отметки в 1700 м, а подъемы главного ствола могут обеспечить достигнутую производственную мощность при работе до глубины не менее 1100 м, рациональной является схема вскрытия нового горизонта путем углубки всех стволов, проходки вертикального слепого ствола и этажных квершлагов. Поскольку подъемные машины, выпускаемые отечественной промышленностью, ограничивают работу вертикального слепого ствола глубиной не более 250 м, в дальнейшем для вскрытия нижележащего горизонта намечается строительство нового вертикального ствола, проходимого с поверхности. При этом применение слепых стволов предусматривается при глубине горных работ не более 800-900м в случаях, если существующие на шахте стволы в состоянии обеспечить работу до глубины 1450 м. В этом случае вскрытие новых горизонтов осуществляется путем углубки стволов, пока не будут исчерпаны возможности существующих подъемов. Вскрытие горизонтов ниже отметки 1450 м осуществляется слепыми вертикальными стволами — главным (скиповым) и двумя вспомогательными (клетевыми), а также этажными квершлагами. Стволы проходят на глубину 200 - 250 м, равную высоте двух горизонтов, соответствующей нижней технической границе шахтного поля, - на последнем горизонте слепые стволы сбиваются, - здесь сооружаются комплексы главного водоотлива и чистки зумпфов. Эта схема позволяет избежать значительных капитальных затрат при доработке запасов на двух самых нижних горизонтах шахтного поля.
В Кузбассе на шахтах, разрабатывающих крутые пласты, для вскрытия запасов горизонта, примыкающих к нижней технической границе шахтного поля целесообразно применение наклонных слепых стволов (уклонов). Наиболее перспективной для шахт Прокопьевске - Киселевского района является схема, реализующая принцип автономного развития шахт, имеющих смежные границы с другими шахтами по простиранию или вкрест простирания месторождения. Ниже действующих горизонтов двух смежных шахт производится объединение их горных отводов и новый этаж в объединенных границах вскрывается, подготавливается и отрабатывается через стволы одной из шахт (шахта А), а следующий этаж в тех же объединенных границах вскрывается, подготавливается и отрабатывается через стволы другой, соседней шахты (шахта Б). Вскрытие и подготовка этажа на шахте А осуществляется путем углубки главного и вспомогательного стволов, проведения воздухоподающего и вентиляционного стволов, строительства околоствольных дворов, проведения этажных и блоковых квершлагов, полевых штреков на транспортном и вентиляционном горизонтах. На смежной шахте Б вскрытие и подготовка нового этажа производится путем углубки на двойную высоту этажа главного и вспомогательного стволов, проходкой воздухоподающего и вентиляционного стволов, проведением главных и блоковых квершлагов и полевых штреков.
Обобщая зарубежный опыт вскрытия новых горизонтов с крутым падением, необходимо отметить, что высота горизонтов колеблется в пределах 40-220м, причем в качестве средства увеличения высоты этажа и повышения концентрации работ вскрытие новых горизонтов производится слепыми стволами и промежуточными квершлагами, что снижает объем поддерживаемых горных выработок, - при этом срок службы горизонтов составляет около 15 лет.
Выявление элементов прогрессивности и экономичности схем вскрытия и подготовки шахтных полей
В условиях месторождений с неограниченными размерами, а также на участках с размерами, не позволяющими заложить более одной шахты, во всех случаях экономически более выгодным является одновременный порядок отработки блоков. С увеличением количества пластов в работе выгодность одновременной отработки блоков возрастает.
По проектам срок службы блоков составляет от 15 до 75 лет. При сроке службы блоков от 15 до 30 лет их отработка принимается последовательной, а со сроком службы 40-75 лет - одновременной. Последовательная отработка-блоков может приниматься в связи с небольшой угленасыщенностью месторождений.
При реконструкции шахт блочное вскрытие реализуется путём объединения горными выработками нескольких шахт в одну крупную. Такая тенденция объединения шахт существует как в России, так и в ряде стран Европы при реконструкции шахтного фонда и базируется на использовании существующих стволов, поверхностных комплексов. Угольные месторождения большинства европейских стран характеризуются большой угленосностью и значительной метаноносностью пластов. В этих условиях необходимость создания крупных предприятий предопределил тип шахт. Предпочтение было отдано "объединенным" шахтам (с блоковой схемой вскрытия). В ряде стран (Польша, ФРГ, Венгрия, Чехословакия) разработаны методы установления оптимальных параметров современных шахт; в основу этих методов положена структура "объединенной" шахты.х)
В работах Крупинского (ПНР), Р.Ржимана (ЧССР), Г.Кеппена (ФРГ), Ф.Бейнтауса (ФРГ) определяются размеры "элементарного шахтного поля" (блока) и проверяются по техническим возможностям. Но эти разработки и рекомендации по параметрам блоковых шахт носят специфический характер для определенных бассейнов, привязаны к конкретным горногеологическим условиям и не могут быть использованы для наших условий. Ф.Марис, В.Роуэл (Англия) представляют шахту как комплексное предприятие, которое объединяет несколько шахт, связанных между собой единой системой подземного транспорта. Шахта должна иметь производственную мощность 30 тыс.т рядового угля в сутки. Отдельные шахты являются независимыми в административные и технических вопросах, за исключением выдачи угля.
Объединение шахт не требует больших капитальных затрат, необходимых при строительстве новых шахт с блоковой схемой вскрытия. При реконструкции и объединении действующих шахт применение блоковой схемы вскрытия и секционного проветривания не вызывает возражений.
Характерными примерами разбивки шахтных полей на блоки является ш. "Зофьюфка" (Аг = 2,4 млн. т/год, шахтное поле площадью 18,7 км" разбивается на 4 блока, средняя площадь каждого блока 4 км", что соответствует двум добычным участкам шахты) и объединенное горное предприятие "Рейнланд".
Расширению области применения блочного вскрытия способствует применение прогрессивного и эффективного способа реактивно-турбинного бурения скважин (блочных стволов) диаметром до 2 м. Блочное вскрытие применяется: - при высокой газообильности шахт (15 м3 на 1 т суточной добычи и более); - при размерах шахтных полей по простиранию 8000 м и более; - при большой производственной мощности шахт. - количество вскрывающих стволов, их место заложения, функция и схемы расположения в шахтном поле. Количество вскрывающих стволов определяется газоносностью пластов и пород к внезапным выбросам угля, газа и пород: для глубоких шахт и шахт блокового типа. Шахта блокового типа, разбиваются от 3 до 8 блоков в зависимости от длины шахтного поля по простиранию и длины блоков и вскрываются как центральными стволами в центре шахтного поля, так и в самостоятельными вентиляционными в пределах каждого блока. Количество-блоковых стволов от 6 до 18 в зависимости от размеров шахтного поля по простиранию и падению и количества блоков в шахтном поле. Выбору местоположения основных вскрывающих выработок было посвящено большое число работ: К.Н. Адилова, Б.Й. Бокия, Д.Т. Горбачева, Г.П. Данилиной, В.И. Ильина, Н.Г. Капустина, С. Квона, A.M. Курносова, СМ. Липковича, А.И. Митейко, А.И. Найдыша, М.И. Устинова, С. Цоя и др. В настоящее время различают пять различных методов расчета оптимально о местоположения основных вскрывающих выработок: метод вариантов , метод теорий графов, метод изолиний, численный метод и метод динамического программирования. Основными факторами, влияющими на местоположение стволов шахт являются: - транспортирование полезного ископаемого под землей и на поверхности (минимальные затраты); - расходы на проведение основных вскрывающих выработок; - консервация полезного ископаемого в охранных целиках под промпло-щадку шахты; - основные вскрывающие выработки и подъездной путь; - расходы на строительство и эксплуатацию подъездного пути к основной промплощадке шахты; - "запретные зоны" для размещения стволов, промплощадки шахты (геологические нарушения, реки, строения и т.д.);. Выбор местоположения промплощадки шахты и стволов производится на стадии ТЭО с учетом: - наиболее рационального вскрытия и подготовки месторождения; - оставления минимума запасов угля в охранных целиках под промпло-щадку шахты; - заложения стволов в наиболее благоприятных горногеологических условиях; - размещения нарезных путей к шахте, обеспечения топливом, электроэнергией, водой и т.д. (при выборе размещения промплощадки). Блочные стволы служат для обособленного проветривания блоков и подачи угля и породы на откаточные горизонты, вспомогательные блочные стволы -для вспомогательных операций между промежуточными и основными горизонтами. Различают схемы расположения блоковых стволов в шахтном поле: - воздухоподающих стволов - центральное, фланговое, центрально отнесенное, центрально-сдвоенное; - вентиляционных - отнесенное, фланговое, центрально-отнесенное. Блочное вскрытие сочетается со всеми известными способами подготов ки, т.е. в пределах блока может быть панельная, этажная и погоризонтная схема подготовки. При разработке по простиранию с углом падения пластов до 18 преимущественное распространение получила панельная подготовка. При этом в пределах блока могут размещаться 1 или 2 панели (одно - или двухнедельная конструкция блока). При углах падения до 12 блок рекомендуется делить на выемочные столбы, отрабатываемые по падению или восстанию (до 6), а при крутом падении - на односторонние или двухсторонние выемочные поля.
Похожие диссертации на Обоснование пространственно-планировочных решений при вскрытии запасов перспективных угольных шахт
