Содержание к диссертации
Введение
1. Систематизация и количественная оценка развития горнотехнологической структуры угольных шахт 17
1.1. Традиционная шахта 19
1.2. Шахты с делением поля на блоки 24
1.3. Шахты-блоки 27
1.4. Шахты и шахтоучастки с одним высокопроизводительным очистным забоем 30
1.5. Угледобывающие комплексы и объединенные шахты 32
Выводы 38
2. Теоретические основы модульной структуры угледобывающего предприятия 41
2.1. Структурно-сетевая теория вскрытия и подготовки месторождения в приложении к структуре угледобывающего комплекса 42
2.2. Балансовые уравнения структуры размещения модульных шахто участков (МШУ) в системе угледобывающего комплекса (УДК) 44
2.2.1 Алгоритм построения системы балансовых уравнений 48
2.2.2. Влияние наземного транспорта на структуру и системы балансовых уравнений размещения вскрывающих выработок . 49
2.3. Экономико-математическое моделирование размещения технологи ческих объектов УДК 52
2.3.1. Проблема размещения 52
2.3.2. Численное моделирование вариантов размещения коммуникационного коридора УДК
2.4. Теоретические вопросы устойчивости горнотехнических расчетов.. 63
2.5. Календарные характеристики порядка ввода-выбытия модульных шахтоучастков в системе УДК 72
2.5.1. Обоснование выбора критерия оптимальности і
2.5.2. Применение алгоритма Прима в задаче определения порядка ввода выбытия модульных шахтоучастков 76
Выводы. 82
3. Горнотехнологическая структура шах? и экономическая эффектив ность добычи угля 85
3.1. Зависимость производительности очистного забоя от типа и параметров горнотехнологической структуры шахты 85
3.2. Производительность очистного механизированного забоя и эффективность добычи угля ; 97
3.3. Модульные горнотехнологические структуры 101
Выводы 128
4. Технологические решения в модульных ГТС и методика выбора геологических участков 132
4.1. Вскрытие, технологические схемы подготовки и отработки модульных шахтоучастков 132
4.2 Сооружения на дневной поверхности 139
4.3 Область строительства модульных шахт и УДК 147
4.4. Электронный справочник геологических участков для модульныхгорнотехнологических струтур вскрытия и подготовки угольных пластов в Кузбассе 151
Выводы , 156
5. Новые методические подходы при освоении угольных месторождений Кузбасса открыто-подземным способом с модульными шахтоучастками 158
5.1. Концепция освоения угольных месторождений комбинированным способом 159
5.2. Технологические схемы комбинированной отработки угольных месторождений 167
5.3. Ресурсная база концепции освоения угольных месторождений комбинированным способом в Кузбассе... 169
5.4. Выбор параметров УДК при открыто-подземным способе добычи угля 173
5.5. Способ комбинированной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых (Патент РФ № 1751333) 181
Выводы 185
6. Анализ ТЭО строительства шахт в Ерунаковском районе Кузбасса (институты Сибгипрошахт, Кузбассгипрошахт, Конверскузбассуголь). 187
6.1. О концепции создания крупных угольных технологических комплексов в Кузбассе 191
6.2. Предложения по освоению Ерунаковского угольного района 193
6.3. Современные горнотехнологические структуры угольных шахт Восточного Кузбасса 1 6.3.1. Модульные шахтоучастки в системе УДК Ерунаковского района 194
6.3.2. Основные технические направления проектирования шахты "Ульяновская-Восточная" 195
6.3.3. Котинский угледобывающий комплекс 204
6.3.4. Горнотехнологическая структура шахты "Камышанская" 218
Выводы 224
Заключение 227
Литература
- Шахты и шахтоучастки с одним высокопроизводительным очистным забоем
- Влияние наземного транспорта на структуру и системы балансовых уравнений размещения вскрывающих выработок
- Производительность очистного механизированного забоя и эффективность добычи угля
- Электронный справочник геологических участков для модульныхгорнотехнологических струтур вскрытия и подготовки угольных пластов в Кузбассе
Шахты и шахтоучастки с одним высокопроизводительным очистным забоем
Вопросам вскрытия и подготовки шахтных полей придается весьма важное значение в теории проектирования освоения недр. Классификация, как метод системного анализа, является одним из фундаментальных процессов в горной науке, позволяющий упорядочить угледобывающие предприятия по их наиболее существенным признакам и структурному единству.
Разработке методов классификации при анализе способов вскрытия и подготовки шахтных полей уделяли внимание ученые-горняки Бокий Б.И. [1], Селецкий Р.А. [2], Шевяков Л.Д. [3,4], Соболевский П.К. [5], Звягин П.З. [6], Татомир К.И. [7], Борисов Д.Ф. [8], Оглоблин Д.Н. [9], Цой СВ., Данилина Г.П. [10], Килячков А.П. [11] (традиционные шахты), Найдыш A.M. [12], Липкович СМ. [13], Квон С.С. [14], Капустин Н.Г. [15], Кузмич А.С [16], Курносов A.M., Устинов М.И. [17,18], Горбачев Д.Т.[19], Стрекачинский ГА. [20] (шахты блокового типа), Бурчаков А.С, Малкин А.С, Харченко В.А., Горбачев Д.Т. [21-24] (технологические схемы шахт-блоков), Ялевский В.Д., Федорин В.А., [25-27] Ильин В.И. [28], Брагин В.Е. [29] (модульные шахтоучастки и угледобывающие комплексы), Атрушкевич А.А. [30], Фрянов В.Н. [31], Сурков В.А. [32] (интегрированные модульные гидроучастки). Горнотехнологические структуры (ГТС) предприятий по добыче полезных ископаемых складывались и развивались под воздействием изменений в технике производства горных работ. С появлением механического подъема возникла горнотехнологическая структура, получившая название "шахта", характеризующаяся наличием откаточных горизонтов и вертикальных стволов. При проектировании шахт [33] выделяют горнотехнологическую структуру и функцию угледобывающего предприятия. Под структурой понимается вещественная организация системы: элементы, их число и характер связей между ними. Основой структуры шахты является способ вскрытия и подготовки шахтного поля. Функция же системы подвижна и отражает динамику ее развития.
В горной науке возникла необходимость получить количественную оценку различных вариантов топологии (структуры) сетей вскрывающих и подготовительных горных выработок [34]. Методы теории графов дают простой, доступный и мощный инструмент построения моделей и решения задач упорядочения объектов [35].
Исходя из представления о горной науке как о науке по "перемещению масс" (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 [34] 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 (A,B) 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 [34]:
Применительно к рассматриваемым нами графам, здесь обозначены Н - характеристика (безразмерное число) структурной сложности графа; Kj - коэффициент сложности lj -х путей на графе: Р, = г; / Е г; , і = 1, ..., п n - общее число различных путей на графе; і - число показывающее меру I, -го пути (количество дуг на этом пути); г - количество 1 І -х путей на графе; S г; - суммарное количество путей на і be. Величина г; определяется с помощью построения квадратной матрицы II А II, позволяющей установить количество 1, -х путей на графе. В простейшем случае КІ может определяться количеством ортогональных примыканий на технологическом графе. При К; = I авторы [34] вводят понятие "эталонного" графа и его количественную оценку Нс (табл 1.1). Таблица 1.1 Численные характеристики Н0(А) структурной сложности эталонных графов G0(A,B) А 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Ыо(А) 0,916 1,46 1,85 2,145 2,397 2,61 2,79 2,96 3,10 Использование основных понятий теории графов при анализе эволюции горнотехнологической структуры угольной шахты облегчает исследование структурной сложности сети горных выработок. Ниже рассматриваются основные этапы и типы ГТС угольной шахты [36-39].
К этому типу относятся шахты, имеющие единую транспортную и вентиляционную систему, не имеющие деления шахтного поля на блоки (рис. 1.1). На таких шахтах, как правило, применяются одногоризонтные схемы вскрытия с центральными углеподъемным и воздухоподающим стволами, главными квершлагами, полевыми штреками и панельный способ подготовки участков.
Горнотехнологическая структура традиционной шахты при разработке свиты пластов может быть представлена в виде ориентированного графа кратчайшей длины (рис.1.1а), где цифрами обозначены узлы сопряжения горных выработок. 031 кш ПБ - панельный бремсберг (2-3); ПУ - панельный уклон (2-3); ПК - промежуточный квершлаг (3-4); ОШ - откаточный штрек (4-5); ГК - главный квершлаг (5-6); РД - околоствольный двор (6-7); УС - углеподъемный ствол (7-8). Количественная оценка структурной сложности эталонного графа при КІ= 1 (по формуле 1, см. табл. 1.1) равна Но= 2,61. (100%)
Горнотехнологическая структура традиционной шахты, разрабатыващей пласты пологого и наклонного падения, базируется в основном на представлениях о технике в периоде, предшествующем комплексной механизации, которая в сочетании с новыми видами транспорта обеспечила резкое повышение нагрузки на очистной забой. В шахтах этого типа достижение максимальной нагрузки на очистной забой не является приоритетной задачей. Вследствие этого достижение расчетного объема добычи угля предполагается за счет наличия достаточного количества действующих очистных забоев. Подземная угледобыча в Кузбассе в основном представлена традиционным типом горнотехнологической структуры угольных шахт.
Влияние наземного транспорта на структуру и системы балансовых уравнений размещения вскрывающих выработок
Таким образом, задача (2.21) сводится к определению времени начала отработки i-x модульных шахтоучастков Тги при максимальном значении дифференциальной ренты (прибыли) и выполнении условий (2.22).
Календарная последовательность ввода-выбытия модульных шахтоучастков в системе УДК. 2.5.2. Применение алгоритма Прима в задаче определения порядка ввода-выбытия модульных шахтоучастков.
Для решения поставленной задачи можно использовать алгоритм Прима [79]. Этот алгоритм предназначен для построения кратчайшей транспортной сети на заданных вершинах. Достоинство этого алгоритма в том, что при оптимизации сети образуется четкая последовательность соединения вершин в кратчайшее дерево [79]. На этапе построения кратчайшего остова SST добавляется ребро минимальной длины, поэтому последовательность соединения ребер является оптимальным по некоторому критершо. Этот принцип оптимальности является доказанным.
Применительно к постановке (2.21) алгоритм Прима можно использовать для построения сети по критерию максимальной дифференциальной ренты в ортогональной метрике с получением оптимальной календарной последовательности ввода и выбытия модульных шахтоучастков. Описание алгоритма.
В качестве вершин сети используются вскрывающие выработки, местопо - ложение которых фиксировано на шахтном поле (хпуп і = \,п). Каждое местоположение ствола ориентировано относительно границ участка (5Д) с соответствующими запасами 01 и формирует транспортно-технологическую характеристику местоположения с соответствующим объемом подземных грузоперевозок W{xj,yj,Bi,aj,Qi) . К і-ой вершине в заданной системе отсчета xl.yi относятся: - ценность полезного ископаемого (Д-Ц-); - себестоимость добычи с участка (С,,.); - годовая нагрузка на ствол (Д.,); - объем вскрывающих и подготавливающих выработок (Sl).
Таким образом, предварительно необходимо произвести раскройку поля угледобывающего комплекса на N модульных шахтоучастков, задаться координатами местоположения вскрывающих выработок, а при отсутствии координат воспользоваться оптимумом местоположения стволов по балансу транспортно-технологических характеристик (описанных в разделе 2.2.2) и задать необходимые исходные данные.
Время окончания работ по вскрытию и подготовке модульного шахтоуча-стка к очистной выемке равно времени начала работы первого очистного забоя на і-ом шахтоучастке.
Планирование работы шахтопроходческих и подготовительных бригад осуществляется в соответствии с планом ввода модульных шахтоучастков в эксплуатацию.
Построение оптимального календарного плана ввода модульных шахтоучастков в эксплуатацию осуществляется в следующей последовательности :
Главная промплощадка угледобывающего комплекса(пункт сбора грузов на поверхности) задается координатами х0у0. Время начала и окончания экс 78 плуатации модульных шахтоучастков равно нулю - Т" = Xх = О, i = \,N. Множество вершин, входящих в оптимальный календарный план, пусто - Р=0. 2. Определяется индекс участка, максимизирующего функцию: (4) RtJ = max {ц,0, - (С„ 4 + Съ Д,/,0 + С3 Д + С4/у)}, 2.23 i = l,N где /,0 - расстояние транспортирования полезного ископаемого с і-го участка до основной промплощадки с координатами х0у0. Расстояние задается или определяется по формуле: (5) /,0 = VkT \+\У,-Уо\ 2.24 где /? - показатель метрики сети подъездных дорог (1 р 2). Длина примыкающего пути Ц, связывающего i-ый модульный шахтоуча сток с j-ой вершиной в оптимальном графе сети. И, например, в ортогональной метрике (р=\) может определяться как
При таком упорядочении предполагается, что трассировка будет осуществляться методом последовательного наращивания подъездного пути отдельных модульных шахтоучастков с применением дополнительных вершин.
Найденный индекс і заносится в множество вершин Р, формирующее оптимальную последовательность примыкания шахто-участков к растущему дереву и вычеркивается из исходного множества вершин.
Производительность очистного механизированного забоя и эффективность добычи угля
В общем виде шахта представлена односторонней выемочной панелью длинной 6 км по простиранию и 1,8 км по падению пласта (рис. 3.14 ). Все вскрывающие и подготовительные выработки пройдены по углю. Порядок отработки запасов в панели - восходящий. Отличительной особенностью проекта является: выемочный столб длиной 6 км по простиранию и запасами угля в нем 9 млн. т, что соответствует современным возможностям основного оборудования - его техническому ресурсу и уменьшает его простои, связанные с монтажно-демонтажными работами, обеспечивая требуемую на него нагрузку; высокий уровень концентрации горных работ, характеризующийся минимальной протяженностью поддерживаемых выработок на 1000 м2 площади выемочного столба; разделение выемочной панели диагональными промежуточными уклонами на секции, длиною 2 км по простиранию каждая, что создает возможность пространственного разделения очистных и подготовительных работ и их секционированного проветривания; проведение на всю длину выемочной панели магистральных транспортных штреков, предназначенных для транспортировки отбитого угля и организации бесступенчатой схемы доставки материалов и людей с поверхности к месту выполнения работ; выделение первоочередных для выемки и реализации запасов угля, достаточных для финансирования подготовки основного горизонта работ.
Вскрытие запасов основного поля осуществляется проведением вдоль южной границы поля 3 главных наклонных стволов (SCB = 20 м2), обеспечивающих проветривание горных работ, доставку материалов и оборудования, передвижение людей и выдачу на поверхность добытой горной массы, Стволы закладываются в районе Соколовской р.л. и проводятся до отметки гор. -20 м.
В верхней части основной выемочной панели проводятся магистральные транспортные штреки (SCB = 18 м2), которые закладываются у главных наклонных стволов на отметке + 175 м и проводятся под углом - 2 - 3 к горизонту, обеспечивая их понижение к северной границе поля на 170-180 м.
На севере поля шахты запасы дополнительно вскрыты фланговыми наклонными стволами (SCB = 16 м2), проводимыми с горизонта магистральных транспортных штреков (отм. гор. +20 м) до отметки -170 - 180 м.
Связь фланговых стволов с поверхностью осуществляется по наклонному вентиляционному стволу "Север" (SCB =15 м2), пройденному по породе и служащему для выпуска исходящей струи воздуха из шахты и запасным выходом в аварийных ситуациях.
По простиранию выемочная панель делится двумя парами промежуточных уклонов на три равные по длине секции, Принятый способ разделения выемочной панели на секции обеспечивает: максимально возможную - до 15000 т в сутки, прежде всего по фактору проветривания, производительность очистного механизированного забоя - основу достижения высокой экономической эффективности предприятия.
Учитывая значительную протяженность панели основного выемочного поля в ее средней части проводятся вспомогательных наклонные стволы с поверхности, обеспечивающий дополнительную подачу воздуха для проветривания горных работ и выход людей на поверхность в аварийных ситуациях. Вспомогательные стволы проводятся до горизонта магистральных транспортных штреков.
Проект отличается высокой степенью механизации работ. В структуре сметы 55% затрат предусмотрено на закупку горношахтного оборудования, в основном импортного производства, обеспечивающего производительность забойного оборудования не менее 30 т/мин; надежную работу самоходной техники; эффективное проведение выработок и анкерование кровли. Восполнение очистного фронта обеспечивается проведением спаренных конвейерных и вентиляционных выработок. Направление их проведения обес 126 печивается на восстание под углом 2-3 и совпадает с направлением отработки выемочных столбов. Тем самым создаются благоприятные, по фактору водоот-ведения, условия и для проведения выработок. Крепление выработок предусматривается, преимущественно, анкерной крепью. Транспорт отбитой горной массы из забоя осуществляется самоходными вагонами с последующим перегрузом ее на ленточный конвейер. Доставка материалов и перевозка людей осуществляется с помощью подвесной подвесной монорельсовой дороги или самоходными транспртными платформами.
Стратегия производственно-финансовой деятельности предприятия заключается в том, чтобы в первую очередь отработать относительно простые для выемки запасы угля, объем реализации которых достаточен для погашения кредита, полученного на строительство основного горизонта работ (рис.3.15 ).
При этом время их отработки должно соответствовать времени подготовки запасов основной выемочной панели. В проекте такими первоочередными запасами являются запасы, объемом около 11 млн.т, ограниченные магистральными транспортными штреками, главными и вспомогательными стволами. Расчеты показывают, что отработка и реализация их в первые 6 лет позволяет вернуть кредит на капитальные затраты и подготовить основной горизонт работ. Дальнейшая работа шахты в течение последующих 10 лет обеспечивает накопление свободных средств предприятия (рис. 3.16 ).
Электронный справочник геологических участков для модульныхгорнотехнологических струтур вскрытия и подготовки угольных пластов в Кузбассе
В сравнении с традиционными шахтами в модульных горнотехнологических структурах имеются определенные преимущества с точки зрения защиты окружающей природной среды. Наибольшие из них проявляются во всем комплексе проблем подработки дневной поверхности и уменьшения изъятия земель, сохранение плодородия почв, недопущение изменений ландшафта, имеющих экологические последствия, охрана малых рек, их притоков и т.д. Расчеты показывают, что в угледобывающих комплексах изъятие земель под разработки, размещение объектов производственной инфраструктуры и общерайонного назначения уменьшается в 3-4 раза и более, в то же время добыча угля отнесенная к площади подработки соответственно растет. Несомненно, что значительное уменьшение землеемкости добычи в УДК не снимает всех проблем подработки. Централизованное обеспечение очистки, система трубопроводов в составе коммуникационных коридоров, в сочетании с предварительной очисткой шахтных вод путем пропуска их через выработанное прространство, позволяют полностью исключить выпуск неочищенных вод, обеспечить производственно-технические и бытовые нужды УДК водой соответствующего качества.
Уменьшение вредных выбросов в атмосферу может быть успешно решено за счет централизованного (ТЭЦ) обеспечения теплом модульных шахт и возможности решить проблемы углеподготовки, совершенствования сжигания углей и газоочистки.
При проектировании и строительстве УДК должны быть решены вопросы предварительной и эксплуатационной дегазации пластов с целью промышленного использования метана и недопущение выпуска его в атмосферу.
Область эффективной добычи угля модульными шахтоучастками распространяется на месторождения с пологими и наклонно (до 30 град.) за ающи-ми пластами, имеющие благоприятные горно-геологические условия, позволяющие высокопроизводительно использовать очистные механизированные комплексы.
В Кузнецком бассейне большинство месторождений, кроме Прокопьевско-Киселевского и Анжеро-Судженского, позволяют реализовать технические решения по отработке их модульными шахтоучастками и созданию угледобывающих комплексов. Однако, наиболее эффективным принцип модульных ГТС окажется на новых месторождениях Восточного Кузбасса - Ерунаковском, Соколовском, Караканском, Восточно-Беловском, Плотниковском и др.
Ограничивающими условиями являются наличие в пластах минерализованных включений и геологических нарушений, препятствующих высокопроизводительной работе очистных забоев.
Развитие техники геолого-разведочных работ, ведущихся с поверхности и в подземных условиях, обеспечивающей высокую степень достоверности данных и прогноз горно-геологических условий, позволяют расширить область применения и повысит эффективность модульных ГТС.
Для шахтоучастков на пластах с углами падения свыше предельных для обычных ленточных конвейеров нужны совершенные серийно выпускаемые конвейеры, способные транспортировать уголь вверх при углах залегания свыше 20 град. В соответствующих условиях на практике применяется проведение диагональных и профилированных уклонов.
Существенно расширить применение модульных технологических структур может создание новых технологий и технических средств очистной выемки, в большей степени адаптированных к условиям залегания пластов, чем традиционные механизированные комплексы, например, длинно-камерные механизированные забои.
Некоторые новые технологии должны основываться на управлении горным давлением с разгрузкой краевой части угольного массива и рабочего пространства непосредственно у забоя с применением крепей нового технического уровня с самодвижт чимся комплексом индивидуальных крепей, воспринимающим опорное давление массива на 8-10 метров за очистным забоем [90].
Длительное время и до настоящего времени на многих шахтах Кузбасса производственные графики строились исходя из необходимости обеспечения работы во все дни недели в 4 смены по 6 часов продолжительностью каждая. Недостатки такой организации работ очевидны и сейчас на шахтах идет поиск оптимальных решений.
Имеющийся в Кузбассе и мировой опыт указывают, что наиболее эффективными и физиологически приемлемыми для работы являются трехсменные графики "понедельник-пятница" с продолжительностью смены 7 часов. Весьма эффективным может оказаться представление рабочим в летнее время месячного отпуска одновременно и полная остановка работы по добыче (табл.4.1).
Можно предположить, что при таком подходе рабочие и профсоюзы дадут согласие на переработку с оплатой сверхурочного времени в соответствии с действующим законодательством. Рабочее время при этом может составить ориентировочно 1500-1550 часов в год, что заметно ниже , чем на шахтах основных угледобывающих стран (Австралия - 1900 часов в 1998 г.) Штаты работающих, использование нормативного времени, производительность труда рабочих МШУ и на 2 шахтах Кузбасса представлены соответственно в табл. 4.1 - 4.5. Сроки и стоимость строительства, расчеты себестоимости и рентабельности МШУ см. раздел 6 настоящей диссертации.
