Оценка структурно-прочностных свойств пород угольных месторождений Прокопьевско Киселевского района по геолого-генетическим признакам

УДК 622.271.4

А.С. Ташкинов, С.И. Протасов

ОЦЕНКА СТРУКТУРНО-ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОРОД УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРОКОПЬЕВСКО - КИСЕЛЕВСКОГО РАЙОНА ПО ГЕОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ.

Взрывная подготовка скальных и полускаль-ных горных пород оказывает определяющее влияние на эффективность всех последующих технологических процессов. В свою очередь, результаты взрывной отбойки пород зависят от целого ряда природных, технических и технологических факторов. Обоснование параметров буровзрывных работ (БВР), базирующееся на объективном учете влияния всех этих факторов на результаты взрыва, позволяет существенно улучшить качество взрывной подготовки пород, повысить эффективность работы горнотранспортного оборудования и предприятия в целом.

Одним из важных направлений в совершенствовании технологических процессов производства вообще и на открытых горных работах, в частности, является разработка и внедрение в практику стандартов на технологические процессы, основывающиеся на типовых технологических схемах.

Так, стандартом на процесс взрывной подготовки пород к выемке предусматривается осуществлять БВР на карьерах на основе типовых проектов, которые должны включать типовые технологические схемы взрывной подготовки пород, разработанные с учетом горно-геологических особенностей месторождения, структурных и физико-механических свойств пород, технологических параметров горных работ и параметров основного горнотранспортного оборудования.

Первыми проектными документами начального периода освоения месторождения являются ТЭО целесообразности строительства или реконструкции предприятия и задание на проектирование. В ТЭО на основе укрупненных расчетов принимаются основные решения по технологии, параметрам развития горных работ и целесообразности проектирования. На основании ТЭО и задания на проектирование осуществляется собственно проектирование, которое, в зависимости от сложности объекта и условий проектирования, осуществляется в одну (технорабочий проект) или две (технорабочий проект, а затем рабочие чертежи) стадии.

Как технорабочий, так и технический проекты заканчиваются детальным обоснованием техникоэкономических показателей проекта и основных параметров и показателей технологических процессов.

Следовательно, проектирование параметров взрывной подготовки пород осуществляется в два этапа: при разработке проектной документации на

строительство (реконструкцию) предприятия, а также при эксплуатации месторождения в рамках типового проекта производства БВР. В соответствии с требованиями Единых правил безопасности при взрывных работах (ПБ 13-407-01) организация, ведущая взрывные работы с применением «массовых взрывов», должна иметь типовой проект производства БВР как базовый документ для разработки паспортов и проектов массовых взрывов, выполняемых в конкретных условиях.

За последние годы номенклатура экскаваторного парка на разрезах Кузбасса сильно изменилась за счет приобретения новой экскавационной техники отечественного и зарубежного производства. Так для выемочно-погрузочных работ при транспортной технологии используются карьерные экскаваторы типа ЭКГ, ЭКГ-у, ЭГО и ЭШ с геометрической емкостью ковша от 5 до 56 м3 (табл. 1). При этом эффективность БВР целесообразно оценивать [1] по совокупным затратам на подготовку (СБВР, р/м3) и экскавацию (Сэ, р/м3) пород. Очевидно, что увеличение затрат на БВР целесообразно до тех пор, пока это компенсируется снижением стоимости выемочно-погрузочных работ, т.е.

С = {СБВр + Сэ min

где С, СБВР, Сэ - затраты соответственно суммарные, на БВР и экскавацию, р/м3.

Анализ элементов стоимостных затрат на буровзрывные и выемочно-погрузочные работы, выполненный на основе выражения (1) при варьировании в широком диапазоне природных, технических и технологических факторов, показал, что, рациональная степень взрывного дробления пород (Zp), оцениваемая отношением диаметра средней естественной отдельности (de) к диаметру среднего куска взорванной породы (dcp) для рассматриваемых типов карьерных экскаваторов может быть представлена в следующем виде:

Z р -1 +

Kdn

ЭВВ + Е"2

где к - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности выемочной техники (форму ковша, удельную массу и т.д.);

ёе - диаметр средней естественной отдельности, м;

Е - геометрическая емкость ковша, м3; пI, п2, п3 - коэффициенты, характеризующие соответственно диаметр средней естественной отдельности, тип экскаватора, относительную эф-

Таблица 1. Типы карьерных экскаваторов цикличного действия, применяемых в Кузбассе для разработки пород по транспортной технологии

Тип экскаватора Отличительные признаки

ЭКГ Электрические, на гусеничном ходу, прямая лопата, с нормальным рабочим оборудованием

ЭКГ-у

ЭГО Гидравлические, на гусеничном ходу, обратная лопата

ЭШ Электрические, шагающий ход, гибкая связь ковша со стрелой

Таблица 2 . Типизация условий выемочно-погрузочных работ при разработке взорванных пород карьерными экскаваторами по транспортной технологии

Параметры Тип экскаватора

Прямая мехлопата обратная гидравлическая лопата, ЭГО шагающий драглайн, ЭШ

с нормальным рабочим оборудованием, ЭКГ с удлиненным рабочим оборудованием, ЭКГ-у

Е, м3 5-23 25-35 56 5-15 5,2-28 11-20

к 1 1,05 1,15 1 1 1,05

П1 2 2 2 2 2 2

П2 0,2 0,2 0,2 0,17 0,13 0,13

Пз 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25

фективность ВВ;

ЭВВ - относительная эффективность ВВ, определяется на основе выражения

ЭВВ = КВВ • ЦВВ • ЦЭТ.

Здесь КВВ - переводной коэффициент эквивалентных зарядов;

ЦВВ, ЦЭТ - цена 1 кг соответственно рассматриваемого и эталонного ВВ, р.

Значения параметров к, пг, п2, п3 для различных типоразмеров экскаваторов принимаются по данным табл. 2.

При анализе установлено, что отклонение значений суммарных затрат, определяемых в соответствии с условием (1), от затрат, которые требуются для достижения рациональной степени взрывного дробления пород в соответствии с выражением (2), не превышает 5%.

Геологическое строение Кузнецкого угольного бассейна изучено довольно подробно и разработана схема стратиграфического расчленения пород. Выде-

лено семь геолого-генетических комплексов пород, начиная от покровных четвертичных отложений и кончая магматическими породами.

Группа скальных и полускальных пород, разрабатываемых открытым способом, представлена, главным образом, породами кольчугинской и бала-хонской серий.

По геотектоническим условиям угленосные районы бассейна разделены [2] на четыре зоны: Прико-лывань-Томскую линейной складчатости и разрывов (на севере); Центральную пологих складок и куполовидных поднятий (в центральной части); Присалаир-скую линейной складчатости (на юго-западе); При-горношорскую моноклиналей (на юге).

Присалаирская зона в свою очередь делится на две подзоны: интенсивной и пологой линейной складчатости.

Расположение угольных месторождений по геотектоническим зонам приведено в табл. 3.

Углевмещающие породы месторождений, расположенных в Пригорношорской, Приколывань-

Таблица 3. Расположение угольных месторождений Кузбасса по геотектоническим зонам [2]

Г еотектоническая зона Месторождения

Приколывань-Томская Кедровско-Крохалевское

Центральная Талдинское

Присалаирская Подзона пологой линейной складчатости: Егозово-Красноярское, Уропское. Подзона интенсивной линейной складчатости: Бачатское, Киселевское, Проко-пьевское, Ананьинское

Пригорношорская Томское, Сибиргинское, Куреинское, Урегольское

Таблица 4. Марки угля (ГОСТ 25543-88)и стадии эпигенеза вмещающих пород [3, 4]

Марка угля Д ДГ, Г, ГЖ, ГЖО Ж Ж, К, КО, КСІ КС, ОС, ТС, СС Т

Стадия эпигенеза I II III IV V VI

Томской зонах и в подзоне интенсивной линейной складчатости Присалаирской зоны, представлены в основном балахонской серией.

В Центральной зоне и в подзоне пологой линейной складчатости Присалаирской зоны преобладают породы кольчугинской серии. Соответственно распределены и стадии эпигенеза пород. Балахонская серия характеризуется высокими, а кольчугинская -низкими стадиями эпигенеза пород.

Стадию эпигенеза вмещающих пород можно определять по степени метаморфизма угля. Хорошим индикатором степени метаморфизма угля является его марочный состав (табл. 4).

В соответствии с рекомендациями геологической службы бассейна и результатами исследований вскрышные породы угольных месторождений по размеру обломочного материала и составу цемента разделены на четыре группы литотипов - конгломе-

раты (К) и гравелиты (Г), песчаники (П), алевролиты (А), аргиллиты (АР). К особой группе отнесены конкреционные породы (КОН).

По гранулометрическому составу песчаники подразделяются на три (ПК, ПС, ПМ - соответственно крупно-, средне-, мелкозернистые), а алевролиты на два (АК, АМ - соответственно крупно-, мелкозернистые) литотипа. В отдельные литотипы выделены песчаники на карбонатном (П) и глинистом (ПГ) цементе, алевролиты на карбонатном цементе (А), переслаивание песчаника и алевролита (ПА).

Для обеспечения возможности использования информации, полученной на основе многофакторного статистического анализа, осуществлена ее систематизация, разработана таблица взаимосвязи геоло-го-генетических признаков и осуществлена их ранжировка (табл. 5). Обоснование ранга геологогенетических признаков пород рекомендуется [5]

Таблица 5. Взаимосвязь геолого-генетических признаков [4]

Г еологическая серия Г еотектони-ческая зона Стадия эпигенеза Ранги геолого-генетических признаков

1 2 3 4 5

Балахонская Приколывань- Томская III П ПМ ПС, ПК, ПГ, К, Г, Д ПА, АК АМ

IV П А ПМ, ПС, ПК, К, Г ПГ, ПА АК, АМ

Присалаирская IV П А ПМ, ПС, ПК, ПГ ПА, АК АМ, АР

V П А ПМ, ПС, ПК, ПГ ПА, АК АМ, АР

VI П А ПС, ПМ, ПК, К, Г ПГ, ПА, АК АМ, АР

Пригорно- шорская IV П ПМ, ПС, А ПК, ПГ, ПА, К, Г АК АМ

V П А ПМ, ПС, ПК, ПГ ПА, К, Г, АК АМ

VI П А ПМ, ПС, ПК ПГ, ПА, Г, К, АК АМ

Кольчугинская Присалаирская I П ПМ, ПС, ПК, А ПГ ПА, АК АМ, АР

II П ПМ, ПС, ПК, А ПГ ПА, АК АМ, АР

Центральная II П А ПМ, ПС, ПК ПГ, ПА, АК АМ, АР

Таблица 6. Значения коэффициентов а1 и с

Коэффициенты Г еологическая серия

Балахонская Кольчугинская

Г еотектоническая зона

Приколывань- Томская Присалаирская Пригорношорская Присалаирская Центральная

Стадия эпигенеза

ПЫУ IV V VI IV V VI I II II

а1 180 160 180 200 180 200 220 95 125 100

с 2,55 2,36 2,53 2,58 2,5 2,76 2,93 1,57 2,12 1,79

осуществлять при соблюдении следующих условий:

• области признакового пространства, объединяющие литотипы пород и имеющие одноименные стадию эпигенеза, геотектоническую зону, геологическую серию, по размаху значений структурно- прочностных свойств пород разбивают на одинаковое число рангов;

• размах значений структурно - прочностных свойств пород внутри ранга не должен превосходить величины доверительного интервала изучаемого свойства.

свойств пород, залегающих на глубине 60-100 м, устанавливаются на основе выражений

= а ехР (- Ь1  Р )МПа;

л

ае = с - к  р, м

где °СЖ - временное сопротивление пород сжатию, МПа; (1е - диаметр средней естественной отдельности, м; р - ранг геолого-генетических признаков; а , Ь , С, к - эмпирические коэффициенты, значения которых принимаются в соответствии с рекомендаци-

Таблица 7. Типизация условий оценки производительности карьерных экскаваторов

Параметры экскавации Тип экскаватора

ЭКГ ЭКГ-у ЭГО ЭШтр

9 . 67' йср Е . _ Хи — 1 , с; (6) Е 0,11' Е + 0,6 +

90' ёСг, е іч — ср + Е , с; (7) ч Е 0,1Е + 0,6 + +

155d.iL е Іч — СР + Е , с; (8) ч Е 0,09Е + 0,6 +

Іп — Ч 9У,67 2 ^ (35' Е + 0,42' Е ) 'Р2 Е V 0,33 , с; (9) + +

II (490 + 4Е1,66 )1,66 'Д2 Е V У 0,33 , с; (10) +

1п ( 5 (103Е - 300)1,66 'Р2 ' 1+ Е1 Е у 0,33 , с; (11) +

Кэ — 0,83' ехр Л1 - 2 Е0,2 V У ; (12) + + +

Кэ — 0,9 ехр ( ^ Л d 5 иср - 2 Е 0.2 V У ; (13) +

Ктв ехр 0 45Г Лср 0,45 770,25 V и л2 Л ; (14) + +

Ктв — ехр г V V ё ^9 Л ёср 770,33 Е У У ; (15) + +

- угол поворота ковша экскаватора, рад. Численные значения структурно-прочностных

Таблица 8. Значения коэффициентов а и b

Поправочные коэффициенты

Г еологическая Литотипы породы Kd Kj

серия Значения эмпирических коэффициентов

а b а b

П, А, 1,05 12,5 1,1 7,5

Балахонская ПК, ПС, ПМ, 1,1 12,5 1,2 15

ПГ, ПА 1,15 12,5 1,25 17,5

П, А 1,1 1,25 12.5 22.5 1,15 1,3 12.5 22.5

Кольчугинская ПК, ПС, ПМ, ПГ, ПА АК, АМ, АР

ями: для пород балахонской серии - Ьі=0.3 ; к=0.33; для кольчугинской - 6і=0.2 ; к=0.32 ; значения ко-

эффициентов а1 и с принимаются в соответствии с данными табл. 6.

Влияние глубины залегания на изучаемые свойства осуществляется поправочными коэффициентами Ка и Ка

Ка, ё — а - Ь ' Н-1,

где а, Ь - эмпирические коэффициенты (для условий Кузбасса приведены в табл. 8); Н - глубина залегания от поверхности, м.

Формулы, приведенные в табл. 7, рекомендованы [5, 6] для определения основных параметров экскавации (Ч 4, КЭ, Ктв) по типам карьерных экскаваторов при разработке взорванных пород.

Таким образом, количественная оценка технологических возможностей экскаваторов с геометрической емкостью ковша Е=5-56 м3 произведена с учетом природных условий достигнутого уровня освоения выемочной техники и является надежной основой для планирования параметров и показателей производственных процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ташкинов, А.С. Оценка структуры затрат на буровзрывные и выемочно-погрузочные работы для карьерных экскаваторов / А.С. Ташкинов, А.А. Сысоев, И.А. Ташкинов // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды XI Международной науч.-прак. конф. - Кемерово, 2009. - С. 100-103.

2. Ольховатенко, В. Е. Инженерно-геологические условия строительства крупных карьеров в Кузнецком угольном бассейне / Томск: Изд-во Томского ун-та, 1976. - 211 с.

3. Арцер, А. С. Угли Кузбасса: происхождение, качество, использование. Книга 1 / А. С. Арцер, С. И. Протасов // Кемерово: Кузбас. гос. техн. ун-т, 1999. - 177 с.

4. Арцер, А. С. Угли Кузбасса: происхождение, качество, использование. Книга 2 / А. С. Арцер, С. И. Протасов // Кемерово: Кузбас. гос. техн. ун-т, 1999. - 168 с.

5. Бирюков, А. В. Статистические модели в процессах горного производства / А. В. Бирюков, В. И. Кузнецов, А. С. Ташкинов. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 1996. - 228 с.

6. Комплексная оценка эффективности буровзрывных работ при выемке взорванных пород экскаваторами типа ЭКГ / А.С. Ташкинов [и др.] // Вестник КузГТУ - Кемерово, 2010. - № 2. - С.59-65.

Авторы статьи

Ташкинов Александр Сергеевич докт. техн. наук, проф. каф. открытых горных работ КузГТУ Тел. 8-3843-58-30-59

Протасов Сергей Иванович канд. техн. наук, зав. каф. открытых горных работ КузГТУ Тел. 8-3843-58-30-59

102 A.C Ташкинов, С.И. Протасов