Содержание к диссертации
Введение
1. Угольные месторождения вьетнама. состояние вопроса, постановка задач 8
1.1. Угольные месторождения Вьетнама 8
1.2. Анализ существующих технологических схем выемки крепких углей в сложных горногеологических условиях зарубежных стран и СРВ 24
1.3.Состояние вопроса выбора и оптимизации тех нологических схем выемки угля 30
1.4.Постановка задач исследования 34
2. Определение оптимальных параметров гидрорыхления угля 37
2.1. Общие принципы гидрорыхления угля 37
2.2. Технология гидрорыхления угля 38
2.3. Теоретические основы гидрорыхления угля . 43
2.4. Постановка задачи планирования эксперимента по определению оптимальных параметров гидрорыхления угля 46
2.5. Исходные данные для планирования эксперимента по определению оптимальных параметров гидрорыхления угля 47
2.6. Планирование эксперимента по определению оптимальных параметров гидровзрывания 52
3. Сбор наиболее эффективных технологических схем выемки крепких углей 62
3.1.Выбор критериев оптимальности параметров техноло гических схем выемки крепких углей 62
3.2. Формирование вариантов технологических схем вы емки крепких углей 66
3.3.Выбор наиболее эффективных технологических схем выемки крепких углей 69
3.4.Характернетика расчетных вариантов технологичес ких схем выемки крепких углей 76
4. Экономико-математическое моделирование и оптимизация технологических схем выемки угля 92
4.1.Обоснование критерия оптимальности технологических схем выемки угля 92
4.2. Разработка экономико-математической модели техно логических схем выемки угля 95
4.3.Методика представления исходной информации и обос нование принятия решения 111
4.4.Определение необходимого и достаточного числа ста тистических испытаний для реализации экономико математической модели технологических схем выемки угля на ЭВМ 124
4.5.Реализация экономико-математической модели на ЭВМ и выбор оптимального варианта технологических схем выемки антрацита месторождения Ванг Зань (СШ). 125 4.6.Определение себестоимости угля при реализации оптимального варианта технологических схем выемки угля. 143
Заключение 159
Литература 163
Приложения 170
- Анализ существующих технологических схем выемки крепких углей в сложных горногеологических условиях зарубежных стран и СРВ
- Технология гидрорыхления угля
- Формирование вариантов технологических схем вы емки крепких углей
- Разработка экономико-математической модели техно логических схем выемки угля
Анализ существующих технологических схем выемки крепких углей в сложных горногеологических условиях зарубежных стран и СРВ
Угольная промышленность в настоящее время занимает ведущее место во всех развитых горнодобывающих странах мира: СССР, США, ФРГ, Польша, Франция и др. В условиях энергетического кризиса в связи с уменьшением запасов нефти и газа, все горнодобывающие державы уделяли и уделяют внимание развитию угледобычи не только в благоприятных условиях, но и в сравнительно сложных горно-геологических условиях. Большие заслуги в разработке технологических схем выемки угля в сложных горно-геологических условиях внесли и вносят ученые США, Франции, Канада, Польши, Румынии, Англии, ФРГ и в первую очередь Советского Союза. Достаточно сказать, что в СССР разрабатываются угольные пласты в очень сложных горно-геологических условиях, что характерно для Кузнецкого, Челябинского угольных бассейнов, Артемовского, Ткварчельского, Ткибульского месторождений. В разработке технологических схем выемки угля в сложных горно-геологических условиях большие заслуги принадлежат бассейновым головным угольным институтам, научно-исследовательским и учебным заведениях, а также специалистам угольных шахт.
Как известно, в настоящее время СССР занимает ведущее место в мире по добыче угля и в будущем, как указывается в документах ХХУІ съезда КПСС, угольная промышленность будет добывать 770... ...800 млн.т угля в год.
Для того, чтобы выполнить намеченные задачи, советские ученые уделяют большое внимание разработке угольных пластов в сложных горно-геологических условиях, которые раньше разрабатывали с низкими технико-экономическими показателями.
Кузбасс является одним из крупных угольных бассейнов СССР и мира. Угленосные откложения занимают площадь 26,7 тыс.кв.км и содержат до 260 угольных пластов различной мощности. Большинство пластов относится к средней мощности (1,3...3,5); имеются также пласты мощностью 9...15 м и даже 20 м. Угли энергетические и коксующиеся. Максимальная глубина разработки не превышает 500 м. Кроме благоприятно залегающих угольных пластов (Кемеровский, Ленинский,, Беловский, Томь-Усинский районы) встречаются нарушенные угольные пласты (Анжеро-Судаенский, Прокопьевско-Киселевский, Осиниковский районы). По данным / 2 / в некоторых районах бассейна в нарушенных зонах находятся до 30$ промышленных запасов.
Особый интерес представляет Анкеро-Судженский угольный район, характеризующийся сложностью условий и подобием условиям месторождения Ванг Зань (СРВ). Многие ученые Кузбасского политехнического института / 7 / считают необходимостью создание новых средств механизации для разработки этих пластов на основе имеющихся механизированных комплексов ОКП-70, KM-I30 с повышенным сопротивлением крепей. Применяемые технологические схемы в Кузбассе имеют большие преимущества:- высокие нагрузки на очистной забой;- высокая производительность труда;- полная механизация основных производственных процессов: выемка, погрузка угля на забойный конвейер и транспорт поочистному забою.
Но наряду с этими преимуществами имеются и недостатки:- как правило, для мощных пластов применяется слоевая системаразработки, что приводит к высокой трудоемкости работ по выкладкеметаллических сеток, что именно приводит к потерям металла. случаях, когда оставляется угольная (или породная, если условия позволяют) пачка мощностью 0,5...1,0 м, большие потери подго товленных запасов 40...50%;- трудно одновременно разрабатывать несколько слоев, так как работа на нижележащих слоях зависит от работы верхнележащего слоя;- оставленные пачки угля являются причиной пожаров в шахтах из-за самовозгорания угля. По данным Сагинова А.С. и Жетесова С.С. / 8 / на тушение одного пожара в шахте расходуется в среднем до 100 тыс.рублей за счет специальных средств;- трудность поддержания слоевых выемочных выработок.
На наш взгляд, для мощных угольных пластов Кузбасса можно применять технологическую схему, разработанную и рекомендованную к внедрению С.С.Жетесовым / 9 /, суть которой состоит в том, что угольный пласт разрабатывается на полную мощность с применением комплекса KAM-I.
Применение технологических схем выемки мощных пологих пластов с использованием комплекса KAM-I имеет ряд преимуществ:- механизированное погашение междуслоевой толщи, что позволяет снизить потери угля и опасность возникновения подземного пожара;- возможное применение на пластах, опасных по газу и пыли, что для других схем является сдерживающим фактором.
Но несмотря на преимущества, технологические схемы выемки с применением комплекса KAM-I, имеют недостаток в ограниченной области (только для пологих мощных пластов).
Для выемки наклонных и наклонно-крутых пластов в Кузбассе применяются технологические схемы, которые характеризуются низкой степенью механизации основных производственных процессов, в основном это комплекс индивидуальной крепи с комбайном и выемка угля под щитом.
В Челябинском угольном бассейне накоплен большой опыт разра ботки мощных пластов сложного и изменчивого строения. По данным / 2 / более 60% запасов относятся к сложным. Пласты включают до 30...40% породных прослойков, изменяющихся как по мощности и по площади, аналогично месторождению Вант Зань (СРВ).
В основном бассейне применяются технологические схемы выемки наклонными слоями с обрущением потолочины, которые дают возможность в 2,5 раза / 2 / снизить объем подготовительных работ и увеличить производительность очистного забоя, что приведет к снижению себестоимости добываемого угля. Но здесь имеется главный недостаток: высокие эксплуатационные потери угля. Часто встречаются технологические схемы отработки подэтажными штреками. Отбойка угля в подэтажах производится буровзрывным спосооом полосами шириной I м.Отбитый уголь доставляется на штрек под действием сооственного веса, так как угол падения пластов 45...70.Наклонная высота подэтажей примерно 8,5 м.
Кроме этих схем встречаются схемы отработки диагональными столбами с обрушением вмещающих пород. Здесь наиболее благоприятные для разработки диагональными столбами пласты мощностью 3... 6,0 м с углом падения 60...90.
Артемовское месторождение представлено синклинальной складкой с пологими крыльями и включает 7 рабочих пластов. Мощность пластов меняется в широких пределах и на них приходится около 30% балансовых запасов месторождения / 2 /. Для разработки мощных пластов месторождения рекомендованы схемы с выемкой угля в слоях лавами или камерно-столбовой системой нисходящим порядком. Работы необходимо вести с опережением вышележащих слоев относительно нижележащих на 50 м / 10 /. Достоинство этих схем - уменьшение потерь угля.Известно, что Ткибульское месторождение сложено из трех изолированных друг от друга участков: западного, восточного и юго
Технология гидрорыхления угля
Сущность технологии гидрорыхления заключается в бурении, заряжении и герметизации шпуров и в последующем одиночном или групповом взрывании зарядов ВВ. Для повышения эффективности действия взрыва и пылеподавления, через шпуры, предназначенные для гидровзрывания, в массив угля предварительно нагнетают воду / 45 /.
Гидровзрывание может быть осуществлено как в подготовительных выработках, так и в очистных забоях. В очистных забоях при отбойке угля применяют короткие шпуры, а при ослаблении массива - длинные. Можно так же применять длинные скважины, пробуренные вдоль линии очистного забоя. По данным МакНИИ глубина шпура не должна быть меньше 1,5 м / 45 /.
Минимальная глубина шпура обусловлена длиной гидрозатвора, минимальной величиной водяного столба над зарядом и длиной самого заряда ЕВ, каждая из которых примерно по 0,5 м. Расстояние от первого шпура до второй обнаженной поверхности забоя принимается не менее 0,8 м из условий прочности массива при нагнетании в него воды. А расстояние между шпурами и количество зарядов в каждом шпуре определяются опытным путем.
В подготовительных выработках, кроме того, применяют взрывание в скважине, пробуренной по оси выработки. В длинных шпурах и скважинах заряды рассредотачиваюг.
Средства для осуществления гидровзрывания в разных странах различны. Оборудование для гидровзрывания для шахт СЕВ приведено ниже:
Заполнение шпуров водой при гидровзрывании должно значительно повышать степень полезного использования энергии взрыва ВВ. Это объясняется прежде всего увеличением плотности заряжения и перераспределения энергии ВВ в разрушаемом массиве.
Плотность заряжения, как известно / 46, 47 / равна отношению массы ЕВ к объему зарядной камеры. Поскольку при гидровзры-вании объем зарядной камеры равен объему ВВ, то и плотность заряжения равна плотности ВВ, а последняя, как правило, больше единицы. Следовательно, концентрация энергии ВВ в единице объема зарядной камеры при гидровзрывании будет выше, чем при обычном взрывании. Перераспределение энергии обуславливается наличием воды в трещинах и порах массива, сообщающихся со шпуром и также подвергающихся воздействию взрывного импульса.
Если при обычном взрывании большая доля энергии взрыва тратится на переизмельчение горной массы вблизи шпура / 48, 49, 50/, то при гидровзрыванид эти потери будут значительно ниже, потому что энергия взрывного импульса будет прикладываться не только к поверхности шпура, но и к поверхности трещин и пор, расположенных в глубине массива. При этом трещины могут оконтуривать отдельные блоки массива и за счет действия воды (действующей по-добно клину, расщепляющему массив), будут нарушать связи между блоками, деформировать их и ослаблять (разрушать) массив.
О повышении степени полезного использования энергии ВВ при гидровзрывании можно судить по величине давления в ударной волне, распространяющейся по массиву. Исследованиями института геотехяи ческой механики АН УССР / 51 /, выполненными методом физичес чкого моделирования с оценкой результатов по относительному приращению внутреннего объема полости шпура после взрыва заряда, показано, что наиболее благоприятными условиями передачи энергии ЕВ в материал при гидровзрывании является соотношение диаметра шпура и заряда, равное 1,82, а рациональным местом расположения заряда по длине шпура - забой шпура (скважины).
При соотношениях -- 1,82 передача энергии ВВ в масль сив ухудшается, что объясняется увеличением слоя воды в зазоремежду стенками шпура и заряда. При увеличении слоя воды в зазоре происходит постепенное падение давления на фронте ударной волны и возрастают затраты энергии на деформации жидкости, которые характеризуются массой жидкости и коэффициентом ее объемного сжатия.
Поскольку в настоящее время в угольной промышленности при-нягы диаметры шпура и заряда равные 43.10 м и 36.КГм и поэтому соотношение r --=J,20, следовательно для улучшения условий передачи энергии ВВ в массив необходимо увеличить это соотношение. Такое увеличение, целесообразно произвести за счет уменьшения диаметра заряда, так как увеличение диаметра шпура повлечет за собой существенное увеличение затрат на бурение.
Для качественной оценки влияния диаметра шпура на степень использования энергии взрывогидравлического удара в шпуре необходимо учитывать обстоятельство / 52 /, высказанное Н.В.Шустовым: "При расчете давления на фронте ударной волны в воде обычно пользуются формулой:Где W. _ масСа заряда, Ru» - радиус шпура; из которой видно, что при малых размерах шпуров этот фактор не имеет сколько-нибудь решающего значения, а это значит, что стремление к увеличению диаметра шпуров при использовании взры-вогидравлического удара не всегда целесообразно".
Сказанное подтверждается экспериментальными исследованиями, выполненными различными авторами при применении гидровзрывного способа дробления негабаритов на многих шахтах и рудниках СССР /53, 54 /. При этом установлено, что меньшая величина заряда обеспечивает лучшую степень дробления.
Существенное влияние на результаты взрывогидравлического удара в шпуре оказывает количество воды над зарядом до допустимых величин, что способствует лучшему использованию энергии удара. Это объясняется следующим (по мнению Н.В.Шустова):1. С увеличением глубины заложения заряда возрастает масса воды и ее соприкосновение со отенками шпура, что повышает общий импульс взрыва.2. Большая глубина заложения заряда позволяет увеличить время воздействия удара на стенку шпура, поскольку с ростом глубины заложения увеличивается масса жидкости, и, следовательно, время вылета ее из шпура при взрыве.
Однако увеличение глубины заложения заряда свыше допустимых пределов может привести к тому, что твердая среда у устья шпура не разрушится, хотя общий импульс взрыва будет большим. Следовательно для каждых конкретных условий и пелей применения гидровзрывания должна существовать своя оптимальная глубина заложения заряда. Для разупрочнения антрацита в массиве, в шахтах СІВ, по нашему мнению, оптимальная глубина заложения заряда колеблется в пределах 1,5...3,5 м, что, однако, необходимо доказать и что будет осуществлено в работе.
Формирование вариантов технологических схем вы емки крепких углей
Под качественными параметрами технологических схем выемки угля понимаются такие параметры, которые не имеют натуральной размерности, т.е. их вообще нельзя измерить численно. По своей сущности качественные параметры определяют конструктивные, технические и организационные стороны технологии разработки угольных месторождений. Поэтому можно отметить, что совокупность качественных параметров определяет технологическую схему выемки угля.
Исходя из сущности технологических схем выемки крепких углей, можно выделить 5 качественных параметров, взаимообусловленных или взаимосвязанных друг с другом по отношению. К таким группам параметров относятся:- системы разработки угольных пластов;- порядок отработки выемочных столбов;- управление состоянием угольного массива;- механизация выемки крепких углей;- управление горным давлением (кровлей).
Рассмотрим принцип формирования вариантов технологических схем выемки крепких угольных пластов по каждому качественному параметру отдельно и в совокупности.
Применительно к системам разработки для наших угольных пластов можно выделить два качественных параметра:- системы разработки без разделения пласта на слои, т.е.системы с выемкой угля на полную мощность; - системы разработки с разделением пласта на слои, т.е. каждый слой отрабатывается как одиночный угольный пласт.
Каждому из этих параметров присущи несколько характеристик и уровень во взаимосвязи параметров (рис.3.1). Нетрудно убедиться в том, что по системам разработки угольных пластов может быть сформировано 8 технологических схем выемки.
Порядок отработки выемочных столбов, в данном случае,в условиях разработки угольных месторождений в СРВ в подавляющем большинстве применяется обратный ход выемки с погашением выемочных выработок из-за большой трудности их поддержания для повторного использования.
Управление состоянием угольного массива характеризуется двумя качественными параметрами, к которым относятся:- управление состоянием угольного массива без разупрочнения, т.е. уголь в массиве находится в нетронутом состоянии;- управление состоянием угольного массива с разупрочнением с помощью гидровзрывания, т.е. уголь в массиве будет иметь меньший коэффициент крепости по сравнению с нетронутым массивом.
В совокупности эти два параметра позволяют сформировать два варианта технологических схем выемки, а с учетом предыдущих - 16 вариантовМеханизация выемки характеризуется четырьмя качественными параметрами:- комбайны с индивидуальными крепями;- механизированные очистные комплексы;- комбайны без крепления;- гидравлическая выемка.Здесь можно сформировать 4 варианта, а с учетом предыдущих будет 64 варианта технологических схем.
Управление горным давлением (кровлей) характеризуется тремя Блок-схема формирования возможных вариантов технологических схем выемки крепких углей (антрацитов) при углах падениякачественными параметрами:- управление кровлей полным обрушением;- управление кровлей полной закладкой выработанного пространства;- управление кровлей путем удержания на целиках.
В совокупности эти параметры позволяют сформировать 3 варианта, а всего будет І92 возможных варианта технологических схем выемки крепких углей.
Но из 192 возможных вариантов технологических схем выемки угля есть такие варианты, которые теоретически могут существовать, а на практике не имеют место. Например, система разработки без разделения пласта на слои, короткими очистными забоями с выемкой угля в столбе по падению обратным ходом с помощью механизированного очистного комплекса, с полным обрушением кровли без разупрочнения угольного массива. В данном примере теоретически возможно из-за принципа формирования, а практически невозможно из-за следующего противоречия: - короткие очистные забои вообще не оснащены механизированными комплексами;
Исходя из этого, для дальнейшего экономико-математического моделирования технологических схем выемки крепких углей с последующей реализацией на ЭВМ, необходимо, чтобы из 192 вариантов выбрать как можно меньше число вариантов, которые будут лучшими по сравнению с остальными.3.3. Выбор наиболее эффективных технологических схем выемки крепких углей (антрацитов)
В связи с тем, что все качественные параметры не имеют нату ральной размерности, численного значения они не имеют. Для оценки и отбора наилучших вариантов, технологических схем выемки угля удобно и целесообразно использовать метод выделения предпочти
Разработка экономико-математической модели техно логических схем выемки угля
При составлении экономикочкатематической модели технологических схем выемки угля учитывались следующие особенности возможных вариантов: отработка запасов угля в шахтном поле осуществляется только на одном пласте нисходящим порядком; отработка выемочных участков ведется только обратным порядком с погашением обеих выемочных выработок; отработка пласта длинными столбами по простиранию и в сочетании с выемкой по восстанию ; механизадия выемки в первом и втором вариантах механизированными очистными комплексами типа ЗОКП на пластах мощностью до 4,0 м и KM-I20 на пластах с 4,0 до 6,0 м; в третьем и четвертом вариантах с помощью механогидравлического комбайна типа К-5ШГ; в пятом и шестом кроме выемки угля механизированными очистными комплексами, предусмотрено ослабление угольного массива путем гидровзрывания, а в седьмом и восьмом тоже, как и в третьем и четвертом, различие состоит в том, что здесь будет применено гидровзрывание угля.
Гидровзрывание предусмотрено для повышения производительности выемочного оборудования в связи со снижением крепости угля.
Основой для экономико-математического моделирования процессов сооружений выработок и монтажа, демонтажа оборудования очистного забоя служат затраты на сооружение І м выработки и затраты монтажа и демонтажа одного очистного забоя. Исходя из этого, модель затрат на сооружение горных выработок, монтаж и демонтаж оборудования очистного забоя представляет собой сумму произведения стоимости проведения единицы длины выработки на ее соответствующую длину и стоимости монтажа и демонтажа одного очистного забоя на число очистных забоев. Поэтому с учетом перечисленных особенностей, модель затрат на сооружение горных выработок, монтаж и демонтаж оборудования очистного забоя применительно ко всем рассматриваемым вариантам технологических схем выемки угля будет иметь вид:
где Cij - стоимость проведения горных выработок, монтажа идемонтажа оборудования очистного забоя по j-ому варианту технологических схем выемки, руб.;KeMT ClS; суммарная стоимость проведения І м капитальных штолен, руб/м;идтЧ о51/_ душна штолен ,м;ккв (СІК) - суммарная стоимость проведения І м наклонных квершлагов, руб/м;WS2)- длина наклонных квершлагов,м;ки,ц(С1М) - стоимость проведения I м магистрального штрека,руб/м; \MuiiJ\b5ij)- суммарная длина магистральных штреков по j-ому варианту технологических схем выемки угля на 1-ом пласте, м;Кн.в(СІМ)- стоимость проведения I м главной наклонной выработки, руб/м;V (S4i) - суммарная длина наклонных выработок,м;KwvCiV) - стоимость проведения I м выемочного штрека, руб/м;wij(Sbij)-. средняя длина выемочного штрека по j-ому варианту технологических, схем выемки на і-ом пласте, м;1(luMj(Nlij)- число выемочных штреков по j-ому варианту технологических схем выемки на 1-ом пласте;K».m(CiPj)- стоимость проведения І разрезной (монтажной) печи лавы на 1-ом пласте, руб/м; (N&j)"-число очистных забоеь (лав) по j-ому варианту технологических схем выемки на 1-ом пласте при выемке угля механизированными комплексами; - длина очистного забоя на пластах, $6=100м; стоимость проведения I м бортовой выработки при работе лавы по восстанию, руб/м; .у(М5а/лисло бортовых выработок по j-ому варианту технологических схем выемки угля на 1-ом пласте;4 (5 средняя длина бортовой выработки по j-ому варианту технологических схем выемни угля на 1-ом пласте ,м;KH.rj(&%)- стоимость проведения I м нарезной горизонтальной выработки при выемкеугля гидромониторами, руб/м;ЯлЪо)- расстояние между двумя нарезными горизонтальными выработками, м; М CSS)— длина очистного забоя при выемке угля гидравлическим способом, м; S6S а 200 м;число очистных забоев (выемочных столбов) при выемке угля гидравлическим способом;1Ц"п) _ количество рабочих угольных пластов;kMjlCiflj)- стоимость проведения I м наклонной нарезной выработки при выемке угля гидравлическим способом, руб/м;Ъ\рУ) „ расстояние между двумя наклонными нарезными выработками, м;
K jj(CiUj).cTOHMOCTb проведения I м участкового бремсберга по j -ому варианту технологических схем при выемке угля гидравлическим способом, руб/м; 1(510/. расстояние между двумя участковыми бремсбергамиКм 1)(С1Ц)стоимость монтажа и демонтажа одной лавы по j-ому варианту технологических схем выемки угля на і-ом пласте, руб.;
Модель затрат на проведение горных выработок, монтажа и демонтажа всех расчетных вариантов технологических схем выемки угля в принятых для программирования символах будет принимать следующий вид: