Создание комбинированных технологий угледобычи на основе гидромеханизации

Л.А. Пучков,

О.В. Михеев,

В.А. Атрушкевич

Московский государственный горный университет СОЗНАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

УГЛЕДОБЫЧИ НА ОСНОВЕ

Необходимость повышения рентабельности угледобывающих предприятий в период перехода к рыночным отношениям соответствует основному направлению Программы реструктуризации угольной отрасли [1]. Основными причинами низкой рентабельности угледобывающих предприятий в настоящее время являются: снижение объемов производства в 1.5 раза; интенсивное выбытие мощностей по добыче угля и сокращение их ввода в эксплуатацию в 2-3 раза; сокращение централизованных инвестиций.

Одним из направлений выхода из сложившейся ситуации является создание интенсивных технологий добычи и переработки угля на основе синтеза существующих и новых элементов традиционных и нетрадиционных способов разработки угольных месторождений. Новые технологии должны соответствовать требованиям гибкости, поточности, высокой адаптивности, обеспечивать форсированный возврат инвестиций и решение экономических, социальных и экологических задач угледобывающих регионов.

Работой в данном направлении заняты ведущие научно-исследовательские коллективы в нашей стране и за рубежом. В процессе совершенствования открытой и подземной технологий добычи угля накоплена база технических, технологических и методологических решений позволяющая с использованием достижений науки и техники синтезировать качественно новые

ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ

технологии. Примером такого синтеза может служить создание комбинированных или открыто-подземных технологий, получивших более широкое развитие в горнорудной промышленности [2-5 и др.]

Среди реализованных способов добычи угля при создании комбинированных технологий перспективным является использование элементов открытого, подземного и особенно гидравлического способов.

Начиная с 1992 года сотрудниками МГТУ и института ВНИИгидроуголь ведется работа, целью которой является повышение эффективности отработки запасов угольных пластов в современных экономических условиях путем создания комбинированных технологий и технических средств гидромеханизированной добычи угля. Одним из направлений этой работы являются разработка и внедрение интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из существующих или формируемых открытых горных выработок. Повышение эффективности отработки запасов обеспечивается дезинтеграцией существующих и поэтапным синтезом новой интенсивной технологии добычи и переработки угля с использованием закономерностей геомеханических и технологических процессов в условиях взаимного влияния открытых и подземных горных работ.

Научной основой синтеза вариантов интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из откры-

тых горных выработок является концепция, предусматривающая системный подход, декомпозицию технологических схем открытой, подземной и гидравлической технологий на элементы, интеграцию элементов в группы, анализ последствий взаимодействия групп, создание новых объединяющих группы элементов и синтез новых гибких технологических схем, способных к адаптации с учетом изменений горногеологических условий и конъюнктуры рынка.

В соответствии с концепцией, разработаны варианты технологических схем. Конструирование вариантов интенсивной технологии осуществляется с использованием результатов анализа достоинств и недостатков существующих технологий.

Сущность технологии заключается в том, что участок месторождения вскрывается разрезными траншеями, пройденными вкрест простирания (рис. 1) или по простиранию свиты пластов [6]. По мере развития работ траншеи поэтапно углубляются. Возможны варианты с односторонней и двусторонней отработкой запасов. Вторым элементом новизны интенсивной технологии является подготовка выемочных блоков диагональными подземными горными выработками. Возможны варианты пластовой и полевой подготовки одиночного и свиты пластов [7].

Третьим отличительным признаком технологии является поточность процессов при ведении горно-подготовительных работ. Поточность проведения горных выработок достигается за счет совмещения основных процессов проходческого цикла во времени путем разделения их в пространстве [8].

Особенностью интенсивной технологии является малооперационность технологических процессов очистных работ, которая обеспечивается использованием раз-

личных вариантов механогидравлическои и гидромониторной выемки угля.

Рис.1. Схемы вскрытия месторождения угля раз-резными траншеями вкрест простирания пластов, штольневои шастовой подготовки и отработки подземным гидравлическим способом: I - траншея; 2 - штольня; 3 -скат; 4 - выемочный штрек

Существенным отличием разработанной технологии является включение в технологическую систему предприятия перерабатывающего комплекса модульного типа, монтируемого в виде набора модулей на дне траншеи.

Комплекс обеспечивает обезвоживание угля, осветление воды и подачу ее в забой. Кроме того, возможны варианты технологической системы предприятия с классификацией и обогащением горной массы. Для этого в перерабатывающий комплекс включаются соответствующие модульные элементы.

Разработанные варианты технологических схем могут быть разделены на 4 группы:

• К первой группе отнесены варианты технологических схем отработки запа-

сов выше горизонта открытых горных работ действующего разреза.

• Во вторую группу включены технологические схемы с отработкой запасов выше дна разрезной траншеи.

• К третьей группе отнесены технологические схемы отработки запасов ниже горизонта открытых горных работ действующего разреза.

• Четвертую группу составляют варианты технологических схем отработки запасов ниже дна разрезной траншеи.

Возможен порядок отработки запасов с последовательным или параллельным применением технологических схем указанных групп.

Для реализации сконструированных вариантов технологии разработана техническая база. Основными требованиями к элементам технической базы, обеспечивающим интенсификацию процессов проведения горных выработок, выемки, транспорта и переработки угля являются низкие затраты на производство и эксплуатацию, модульность и взаимозаменяемость, высокая адаптивность к изменяющимся в широком диапазоне природным технологическим и экономическим условиям.

В соответствии с указанными требованиями разработаны и защищены патентами РФ многофункциональные элементы технической базы технологии :

• проходческие комбайны и комплексы опорно-шагающего типа для проведения выработок с углом наклона до 25°, отличающиеся от аналогов повышенной устойчивостью и возможностью совмещения операций разрушения, гидросмыва горных пород и возведения крепи;

• гидромониторный, механогидрав-лический и фронтальный агрегаты для ведения очистных работ на пластах средней мощности, обес-

печивающие увеличение размеров заходки в 1.5-2 раза и интенсивность выемки угля;

• перерабатывающие комплексы модульного типа производительностью до 600 т/час, включающие: гидравлические виброобез-воживатели, дробильные и классификационные установки, параметры которых оптимизируются по разработанным аналитическим зависимостям и регулируются в соответствии с характеристиками исходного материала.

Для обоснования геомеханических параметров сконструированных технологических схем разработана математическая модель расчета напряжений и смещений пород в зоне взаимного влияния открытых и подземных горных работ. Математическая модель включает алгоритмы и программное компьютерное обеспечение решения двумерной и пространственной задач механики горных пород.

Решение двумерной задачи осуществляется с использованием метода конечных элементов для вертикального сечения, включающего систему анизотропных породных слоев и угольных пластов, а также подземных и открытых горных выработок По результатам моделирования определяется напряжение и смещение в любой точке вертикального сечения и устанавливаются предельные размеры угольных целиков, углы откоса бортов траншеи, оценивается устойчивость открытых и подземных горных выработок при отработке одиночного или свиты пластов. На рис.2 приведены графики распределений напряжений в подэтаже, полученные МКЭ.

Решение пространственной задачи осуществлено на основе метода теории плит, деформирующихся на податливом основании. При разработке алгоритма использованы научные исследования A.A.

рующего пространства в виде ранее отработанных участков пласта между охраняемой выработкой и эпицентром взрыва

Для разработки методики расчета геомеханических параметров технологических схем было проведено моделирование 15 вариантов модели при изменении мощности пласта от 3,5 до 10 метров, угла падения от 10 до 80 градусов, наклонной высоты подэтажа от 5 до 16 метров.

По результатам счета на ПВМ для каждого варианта модели определялись коэффициенты концентрации напряжений в угольном пласте, параллельных и нормальных к напластованию. Для анализа использовались среднее и максимальное значения коэффициентов концентрации, а также у нижней и верхней границ подэтажа.

Анализ графиков изменения коэффициентов концентрации от основных горно-геологических и горнотехнических факторов позволил, с использованием метода наименьших квадратов, выявить эмпирические зависимости. Установлено, что наиболее значимым фактором, влияющим на коэффициенты концентрации напряжения, является отношение наклонной высоты подэтажа к мощности пласта. На рис.З приведены графики, иллюстрирующие эти зависимости при корреляционном отношении 0,79 - 0,87.

На основе моделирования, из анализа графиков и эмпирических зависимостей установлены закономерности изменения геомеханических параметров в коротких очистных забоях при отработке от основных горно-геологических и горнотехнических факторов.

По результатам анализа экспериментальных и аналитических исследований была разработана методика расчета параметров технологических схем Согласно методике, расчет проводится в следующей последовательности. По формуле 1 определяются смещения пород кровли в заданной

осуществляется с помощью экономикоматематической модели с использованием критерия максимальной прибыли и ограничения по срокам возврата инвестиций

Многообразие вариантов синтеза элементов (вскрытие, подготовка и отработка) открытого и подземного способов в единую технологическую систему позволяет сформировать 27 вариантов комбинированных технологий, из которых 2 - традиционные с нулевым комбинированием (рис.4). Согласно разработанной системе кодирования каждый из вариантов имеет свой шифр. Например, вариант с шифром В1П2Р2 включает: вскрытие запасов открытыми горными выработками, подготовку - подземными горными выработками и ведение очистных работ по подземной технологии.

Предлагаемая схема может рассматриваться как дополнение к существующим классификациям комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых, учитывающих степень технологической взаимосвязи между открытыми и подземными горными работами [2-5]. Очевидно, что при синтезе элементов открытого и подземного способов в единую технологическую систему (технологию), степень их взаимосвязи будет максимально возможной.

Для обоснования параметров, экономической эффективности и области рационального использования разработанной интенсивной технологии было проведено численное моделирование на ПЭВМ для следующих угледобывающих предприятий: гидрошахта, отрабатывающая запасы угля из открытых горных выработок действующего разреза, гидрошахта с двухступенчатым гидроподъемом и дальним гидротранспортом, шахта с традиционной “ сухой” технологией, угольный разрез, гидрошахта с одноступенчатым гидроподьемом и дальним гидротранспортом, гидрошахта с

траншейным вскрытием и отработкой запасов ниже дна траншеи; гидрошахта с траншейным вскрытием и отработкой запасов выше дна траншеи.

По результатам моделирования установлено: действующие разрезы с коэффициентом вскрыши более 9 являются нерентабельными, угледобывающие предприятия, использующие разработанную технологию, обеспечивают прибыль 12-257 тыс. руб. на тонну добычи за счет снижения фондоемкости и повышения качества продукции при переработке угля в технологическом цикле, для гидроучастков с промышленными запасами от 2 до 8 млн. т оптимальной является проектная мощность 0.2-0.6 млн. т/год; разработанная технология конкурентноспособна с открытым способом добычи в следующих условиях:

Элементы

гехммгин Вскрытие СВ)

Пмгшш

0тр»иткя

мощность пласта до 9 м, отношение глубины разработки к суммарной мощности пластов до 20; в рыночных условиях форсированный возврат инвестиций обеспечивается: сокращением сроков строительства и освоения проектной мощности, снижением капитальных затрат, поэтапным наращиванием производственной мощности угледобывающего предприятия путем последовательного ввода гидроучастков мощностью 100-200 тыс. т/год;

Опытно-промышленная апробация интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок проведена на гидроучастке разреза “Листвянский”, АООТ “Кузбассразрезуголь” и гидроучастке шахты “Нагорная”, АОУК “Кузнецкуголь”.

Вяриянты

ДООЫЧИ ¥ГЯЯ

УстнмЕ отнячЕиия

1 [Т~]~ ЭЛЕМЕНТ ТЕХ НІЯІГИИ 1ТКРЫТЫХ ГОРЯМХ РЯЮТ

2 [Т]~ ЭЛЕМЕНТ ТЕХНОЛОГИИ ПОДНМНЫХ ГОРНЫХ МИТ

3 [ЯГ]- КОМІНИКРІІЯИИИЙ ЭЛЕМЕНТ

Шифр принят я

В1П1 РВ кшгытис и яодготояхи 1Л1ЯС00 ПР0И110ДЯТ0Я ОТКРЫТЫМ СП01000М.Л отря-МТКО-АОИСМНЫМ 1Л1ВК0М

И П2 Р2 Вскрытис мпяеоя яроиз- ооднтея ОТКРЫТЫМИ ГОРНЫМИ ОЫРЯИТКЯМИ, ми- готоил  ггммткя- яиим-мм степом

1) П2 РЗ ВЗ П* РЗ Вскрытие ппясо» проиэ-10ДИТСЯ открытыми и МДЗЕМИЫМИ ГОРНЫМИ 1ЫРЖ1ТКЯМИ, Я ОШМТКЯ 1 00ДГ0Т0НЛ - Я1ДЗЕМКЫМ ОЯОООООМ

Вскрытяе и подгото»- КЯ ЗЯПЯС01 ПР0И310ДИТСЯ ОТКРЫТЫМИ И ПОДЗЕМНЫМИ ГОРНЫМИ ОЫРМОТКЯ-ми, Я ОТРЯИТКЯ - Я0Д1ЕМ- лмм сяосоюм.

Рис.4. Схема формирования вариантов комбинированных технологий добычи угля

Исследования на первом этапе проводились в условиях разреза “Листвянский”

при отработке свиты крутонаклонных пластов мощностью более 3 метров. Угольные

пласты вскрывались штольнями, подготовка блоков проводилась диагональными горными выработками, очистные работы велись механогидравлическим способом комбайнами КПА и ГПКГ из подэтажных штреков. В процессе испытаний доказана работоспособность и эффективность данного варианта технологии.

На гидроучастке шахты “Нагорная” АОУК “Кузнецкуголь” (рис. 5 ) эксперимент проводился с целью изучения закономерностей поточных процессов в технологической системе: выемка угля - самотечный гидротранспорт - транспорт с переработкой горной массы - подъем. В результате шахтных экспериментов скорректированы основные параметры системы, подтверждена ее работоспособность

Рис.5. Технологическая схема гидроучастка ш.

«Нагорная» АОУК «Кузнецкуголь»

I - комбайн, 2 - гидромонитор, 3 - желоб, 4 - высоконапорный трубопровод. 5 - низконапорный трубопровод. 6 - низконапорный насос, 7 - высоконапорный насос, 8 -агрегат обезвоживания угля, 9 - водосборник. 10 - конвейер, 11 - дробилка избирательного действия. 12 -стакадный сортировочный конвейер. 13 - склад угля кл. 0-50, 14 - склад сортово.ю угля кл. 50-150

По результатам исследований, направлениями рационального использования разработанной технологии являются: доработка запасов разрезов, отработка запасов в переходный период от открытого способа к подземному; разработка участков месторождений, отработка которых традиционными открытым и подземным способами обеспечивает меньшую эффективность

Перспективным направлением развития интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок является комплексная переработка горной массы в технологическом цикле угледобывающего предприятия с обеспечением качества продукции, соответствующего требованиям рынка.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Реструктуризация угольной промышленности. : Теория, опыт, прогноз. / Ю Н. Малышев, В.Е. Заиденварг, В.М. Зыков и др. -М. :ГУК “Росуголь”, 1996. -536с.

2. Открыто-подземный способ освоения месторождений крепких руд. /М.И. Агошков, Д Р. Каплунов, В.И. Шубодеров, Д.В. Горин / Отв. Ред. Д.М. Бронников. - М., : ИПКОН РАН. 1992, -188с.

3. Каплунов Д Р. О принципах проектирования комбинированной разработки месторождений при комплексном освоении недр // В сб. Акту альные проблемы освоения месторождений и использования минерального сырья - М. : Издательство Московского государственного горного университета, 1993. - С. 133-146.

4. Щелканов В.А. Особенности проектирования подземных рудников при комбинированной разработке месторождений. // Теория и практика проектирования строительства и эксплуатации высокопроизводительных рудников. / Матер. Всесоюзн. Научн.-техн. конф. - М., : МГИ, 1990. С. 203-204.

5. Мухтаров Т.М. Комбинированный способ разработки месторождений полезных ископаемых. -М.: Наука, 1988. - 231 с.

6. Атрушкевич В.А. Научные основы, конструирование и прогноз геомеханических параметров интенсивной технологии подземной гидромеханизированной разработки крутых угольных пластов с