Открыто-подземная геотехнология освоения угольных месторождений с применением КГРП

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 622.271.3

Г.Е. Ивершина

ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ ОСВОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ КГРП

Открытый способ разработки месторождений полезных ископаемых является наиболее безопасен и экономичен среди традиционных горнодобывающих технологий, что обусловливает его широкое применение в угольной промышленности. Но открытая добыча ограничивается, в частности, глубиной карьера, определение которой осуществляется из сравнения граничного и текущего коэффициентов вскрыши. Открытые горные работы нормально развиваются во всех направлениях, пока текущий коэффициент не достигнет граничного, после чего разработка становится нерентабельной. Это приводит к росту себестоимости угледобычи, что свидетельствует о неполном использовании возможностей и достоинств открытых горных работ.

Добыча угля на разрезах Кузбасса связана со значительными его потерями в недрах, которые в пределах разработки открытым способом, переходят в разряд забалансовых. Эту проблему до сих пор решали только подземной добычей. Сегодня появилась новая технология -выбуривание пластов с использованием комплексов глубокой разработки пластов (КГРП), известных на Западе как комплексы SHM (Superior Highwall Miners).

Разработки таких комплексов существуют у фирм JOY, Аddсаг, SНМ (СшА), Dieseœ (Нидерланды), Salem Tool Inc., BryDet, CET, CSIRO (Австралия), Mining Technology. Сопоставительный анализ этих комплексов показал, что для усло-

вий российских угольных месторождений, в частности для Кузбасса, наиболее приемлемы комплексы 8НМ (Superior Highwall Miners). Название Highwall переводится как «высокая стена», что соответствует поверхности борта уступа большой высоты со стороны отработанной ранее части карьера. Извлечение угля при системе Highwall осуществляют с уступа карьера с применением машин с одинарным шнеком, сдвоенными (парными) шнеками или машиной Continious Highwall Miner (CHM). Шнекобуровые машины могут применяться для пологопадающих пластов (или горизонтально залегающих) или могут быть переоборудованы для наклона до 20° (с помощью рукояти). Кабина машиниста приспособлена для 2 человек. Непосредственно из кабины можно управлять всеми операциями, включая добавление или удаление шнеков в процессе бурения или шнекобуровой выемки [1].

Технология добычи угля комплексами КГРП, по существу, является разновидностью подземной камерно-столбовой системы разработки. В отличие от традиционных подходов она требует предварительной подготовки фронта работ путем вскрытия пласта траншеей. Фактически открытые горные работы обеспечивают доступ к угольным пластам исполнительного органа выемочной техники, осуществляющего подземную выемку угля. При этом пульт управления, силовые агрегаты, гидравлика и другие механизмы комплекса КГРП

остаются на поверхности. При использовании традиционной камерно-столбовой системы

процесс выемки угля осуществляется в две стадии: проведение камер по пласту от транспортного к вентиляционному штреку и частичное извлечение межка-мерных целиков короткими за-ходками. В этом случае в очистных выработках давление горных пород воспринимается не призабойной крепью, а массивом пласта и оставляемыми целиками угля. В результате исключается необходимость в применении дорогостоящей специальной крепи для управления горным давлением. Кровлю в камерах закрепляют, как правило, анкерами, а в заходках при частичном извлечении целиков ее не крепят. Длина камер составляет 30-50 м, ширина от 4 до 6 м, ширина частично извлекаемых целиков - 4-5 м. Потери угля достигают 35-45 % [2].

Как указывалось выше, камерно-столбовой метод получил наибольшее распространение в США, где с его применением осуществляется до 30 % подземной добычи угля, а также в Канаде и Австралии в основном на пологих пластах малой и средней мощности. При комплексной механизации горных работ длина камер достигает 100 -150 м, ширина - до 5-6 м; ширина междукамерных целиков - до 15-18 м. Выемочные участки разделяют неизвлекае-мыми барьерными целиками. В благоприятных условиях (отсутствие тектонических нарушений, пологое залегание, средняя мощность пластов угля и т.д.) камерно-столбовая сис-

тема разработки обеспечивает интенсивное извлечение запасов при высоких технико-экономических показателях: нагрузка на очистной забой до 1500-2000 т в сутки, производительность труда рабочего по участку до 35-60 т/сут (при среднестатистической - 10 -12т/ сут) [2].

Таким образом, к достоинствам технологических схем комплексных камерно-столбовых систем разработки относят:

- высокую нагрузку на забой;

- возможность полной механизации очистных работ с использованием мощного самоходного оборудования;

- относительно низкую себестоимость добычи угля.

Недостатки связаны с высокими потерями угля в целиках и отсутствием надлежащего проветривания при широком фронте развития очистных работ [2].

В зависимости от модуля применяемой режущей головки комплекс КГРП позволяет отрабатывать угольные пласты

мощностью от 1 до 5 м. Режущая головка комплекса врезается в пласт на глубину до 300м [2]. При разработке пологих пластов (рис.1, 2) рабочая площадка будет представлять собой горизонтальную или наклонную площадку, ориентированную по простиранию пласта (до 15-25°) и развернутую относительно его простирания в зависимости от угла падения. При разработке крутопадающих пластов (рис.3) рабочая площадка представляет собой наклонную берму, расположенную вдоль простирания пласта, ориентированную по нормали к нему (при угле залегания пласта 75° поперечный уклон составляет 15°) [2].

Отбойка угля осуществляется специально адаптированным электроприводным комбайном «JOY» 14СМ10 или 14СМ15 с диаметром режущего барабана 0.76-1.12 м и шириной по фронту 3.20-3.51м, который подается в угольный пласт до максимальной глубины 300м

[2].

Цикл резания электрического комбайна контролируется оператором комплекса и в основном состоит из операций по углублению (врубу) и скалыванию (подъёму и опусканию стрелы комбайна в диапазоне мощности пласта). На протяжении цикла режущая головка комбайна постепенно заглубляется в угольный пласт на длину секции, при этом происходит автоматическое отключение режущей головки, и цилиндры толкателя втягивают головку обратно к комбайну. В это время гидравлически управляемый механический «стол» автоматически вставляет коробчатую транспортно-толкающую сек-

цию в центральной части комплекса между толкателем и комбайном. Внутри секции на всей её длине установлены два шнека, которые при перемещении толкателя вперед соединяются со шнеками предыдущей секции [2].

По мере достижения максимально возможной глубины начинается обратный процесс -цепочка секций и сам комбайн вытягиваются из выработки. В результате проведения заходки образуется выработка четырехугольного сечения. Между каждой выработкой оставляются целики шириной 20-25% от ширины заходки. Производительность комплекса достигает 150 тыс. т. угля в месяц [2].

Таким образом, несмотря на некоторые потери угля в целиках между последовательными заходками, комплекс КГРП позволяет экономически эффективно и с высокой производительностью извлекать до 7580% [2] угля с максимальным сохранением его природного качества. Особенно важное значение имеет перспектива применения этой технологии для доработки запасов угля на разрезах, где горные работы прекращены в связи с ростом текущего коэффициента вскрыши и его приближением к граничному значению [2].

Область применения открытого способа угледобычи, как

правило, ограничена минимальной мощностью разрабатываемых пластов 2-2.5 м и максимальной глубиной их залегания 200-250 м. Угольные пласты, имеющие выход на поверхность и характеризующиеся высоким темпом роста коэффициента вскрыши по мере развития фронта горных работ, а также пласты малой мощности, требующие селективной выемки, наиболее эффективно могут быть отработаны с использованием технологии глубокой разработки пластов [3].

Технология глубокой разработки пластов может также применяться в сочетании с открытым способом добычи для доработки запасов угля, остающихся в бортах разреза после достижения ими граничного контура ведения открытых горных работ [3].

Рост производительности КГРП на 1 % приводит к снижению себестоимости 1 т угля на 2 - 2.5 %. В результате при увеличении длины выработок на 100 м затраты на добычу 1 т угля снижаются на 30-35 % [3].

КГРП по существу являют-

ся шнекобуровыми машинами, которые включают разные модели в зависимости от количества шнеков.

Выбор большинства соответствующих конфигураций для шнеков с малым диаметром зависит от пласта и пород кровли. Где породы кровли слабые, лучше использовать машины с одним шнеком, а конструкции с двумя- тремя шнеками больше подходят к более крепким кровлям [4].

Машины созданы для более эффективного извлечения полезного ископаемого. Так, одношнековая машина, используемая угледобывающей компанией в Британии, бурит 20-22 дюймовые (508-558 мм) скважины, достигая извлечения ~ 50 % местных запасов, которые иначе были бы потерями полезного ископаемого, извлекаемого из отдельных пластов при открытой разработке. Машина применяется при бурении скважин на глубину 92 м. Вес машины ~ 22т [4].

Одна из модификаций таких комбайнов включает лазерный кольцевой гироскоп, вмонтиро-

Рис. 3. Схема работы КГРП на крутых пластах.

ванный в режущую головку, отвечающую за механизм гидравлического управления со стороны задней части головки. Эта система включает естест-

1-я очередь

Рис.4. Схема очередности отработки карьерного поля с выделением технологических частей

венный гамма-детектор, который уточняет размещение режущей головки в пласте, а также информацию, выводимую на монитор в кабину машиниста. Эффективное внедрение в пласт может быть достигнуто механически посредством применения подрезающих буровых коронок на задней части режущей головки, которая через противодействие силе тяги на режущий край помогает размещать её в пределах пласта оптимально [4].

Универсальность шнекобуровой выемки проявляется также в бурении ряда скважин под и над породным прослойком в пласте.

Анализ ряда источников показал, что применение КГРП наиболее эффективно для технологии, предложенной П.П.

Меньшонком [5] для открытой разработки пологопадающих и наклонных угольных месторождений. Система разработки -

комбинированная: продольно-

поперечная с перевалкой и транспортированием вскрыши как при цикличной, так и при поточной технологии; производственная мощность карьера в зависимости от угленасыщен-ности свит пластов - 3.5-10

млн. т [5].

Месторождение отрабатывается в две очереди (рис.4): первоначально до определенных промежуточного и конечного контуров - части «А» и «В» карьерного поля - по продольной системе разработки с приконтурными постоянными и временными отвалами, а затем в конечных контурах - часть С -по поперечной системе при выделении подэтапов по длине карьера (наклонные) или по диагональной системе (пологопадающие) с внутренним отва-лообразованием.

Граница между очередями разработки оптимизируется по критерию паритета текущих (годовых) затрат для направлений подвигания фронта горных

работ вкрест простирания и по простиранию пластов.

При данной технологии обеспечивается работа карьеров с возрастающее - усредненным коэффициентом вскрыши; сокращается дальность транспортирования в среднем в 2.5-3 раза [5]; увеличиваются объемы внутреннего отвалообразования в 1.5 раза и более; в целом обеспечивается наибольшее соответствие оборудования горногеологическим условиям месторождения. Эколого-экономиче-скими преимуществами являются:

- уменьшение землеемкости разрезов в 1.6-1.8 раза [5];

- сокращение числа подвижных источников загрязнений в среднем в 2.5-3 раза;

- улучшение показателей недросбережения и раздельной выемки сложнозалегающих углей;

- применение научно-обоснованных схем комплексной рекультивации территорий с восстановлением хозяйственных и рекреационных функций.

Открытые горные работы с применением комплекса КГРП, выполняемые на дневной поверхности, исключают необходимость проветривания очистных выработок, так как система предусматривает безлюдную технологию выемки угля, способствуют значительному снижению горного давления (глубина от поверхности 10-60 м), сокращению потерь угля (ширина барьерного целика в среднем 1-2 м).

Комплексы КГРП произ-

1 Л II 11

— 7 я@чеСредь

— 1-я очередь

Разрез по А-А

Рис. 5. Технология отработки карьерного поля с применением

КГРП

водства фирмы 8НМ являются полностью автономной, высокопроизводительной, безо-

пасной и экономичной системой угледобычи, позволяющей осуществлять полностью механизированную безлюдную подземную разработку угольных пластов, исключающей присутствие людей в очистном забое. Комплекс КГРП устанавливается на рабочей площадке, которая формируется в процессе извлечения вскрышных пород и угля по контуру блока, подготавливаемого к разработке с использованием данной системы (рис.5).

При подготовке к работе комплекс КГРП, передвигающийся на четырех гидравличе-

ски управляемых гусеничных тележках, устанавливается относительно линии забоя, вскрытого с помощью траншей или полутраншей, в диапазоне от -28 до +28° к нормали.

Таким образом, одним из ключевых факторов целесообразности применения рассматриваемой технологии угледобычи является уровень потерь полезного ископаемого. При применении способа выбуривания пластов объем потерь во многом определяется параметрами опорных целиков, зависящих, в свою очередь, от горногеологических условий залегания пластов, а также от прочностных параметров угля и вмещающих пород. Варьируя параСПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

метрами целиков в пределах установленных границ можно оптимизировать уровень потерь с позиций обеспечения эффективного применения комплексов КГРП [6].

Комплексы КГРП отрабатывают забалансовые запасы угля, которые не могут быть извлечены из недр традиционными способами. Таким образом, само значение термина

«потери полезного ископаемого» теряет свое значение, поскольку весь извлекаемый уголь приходится на ранее «потерянные» запасы, и любой объем его извлечения из недр представляет собой сокращение уже имеющихся потерь.

1. Применение системы Highwall для выемки угля с уступа разреза (краткий обзор состояния работ в США и Австралии) //Открытые горные работы. №2. 2000. С.54-56.

2.Нецветаев А.Г., Репин Л.Н., Соколовский А.В. Технология добычи угля с применением комплексов глубокой разработки пластов. //Уголь. Ноябрь 2004. С.41-43.

3. Нецветаев А.Г., Репин Л.Н., Соколовский А.В., Юткин А.В. Технология глубокой разработки угольных пластов: анализ опыта внедрения на разрезе «Распадский». //Уголь. Февраль 2005. С.9-10.

4. Walker S. Highwall miners keep the coal flowing. //World coal. December 2001 volume 10. № 12. P. 20-26.

5. Кузнецов В.И., Меньшонок П.П. Технология разработки месторождений с изменением направления подвигания фронта горных работ. // Уголь. 1997. №12. С.31-36.

6. Нецветаев А.Г., Репин Л.Н., Соколовский А.В., Юткин А.В. Первый российский опыт применения технологии глубокой разработки угольных пластов: устойчивость массива и потери угля в недрах. // Уголь. Декабрь 2004. С.10-12.

УДК 622.271.3

Г.Е. Ивершина

ЭКОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОТКРЫТОЙ УГЛЕДОБЫЧИ

Загрязнение окружающей среды угольными разрезами происходит по следующим главным направлениям: загрязнение воздушного бассейна (выброс пыли, газа), нарушение земной поверхности (изменение рельефа и ландшафта в результате ведения открытых горных работ), сброс и сбор карьерных и дренажных вод.

Одной из основных задач, стоящих перед горнодобывающей промышленностью, является комплексное и рациональное использование месторождений, предусматривающее наиболее полное извлечение полезных ископаемых из недр. Благоприятных к открытой угледобыче месторождений с простыми горно-геологическими условиями постепенно становится все меньше, что обусловливает вовлечение в отработку бедных, с более сложными условиями залегания залежей. На пла-

сты мощностью менее 1 м приходится более 50% площадей и 30 % запасов полезного ископаемого. В ряде случаев ведется отработка свит тонких и сверхтонких сложноструктурных угольных пластов при достаточно большой мощности покрывающих пород. Экономичность отработки достигается за счет внутреннего отвалообразования с использованием автотранспорта и экскавационно-го оборудования нового поколения, которое позволяет полностью исключить затраты на буровзрывные работы.

Современное состояние технологии открытой угледобычи на месторождениях с пологим и наклонным залеганием пластов (типа Южного Кузбасса) характеризуется применением систем разработки продольными заходками с подвиганием фронта работ вкрест простирания пластов при