Обоснование концепции и принципов взаимодействия горно-подготовительной и очистной подсистем малозабойных угольных шахт

© А.Г. Скуров, 2004

УДК 622.272.8 А. Г. Скуров

ОБОСНОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ И ПРИНЦИПОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГОРНО-ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ И ОЧИСТНОЙ ПОДСИСТЕМ МАЛОЗАБОЙНЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Семинар №10

боснованы концепция и принципы синхронного развития и функционирования основных подсистем угольной шахты: очистных работ и подготовки запасов угольных пластов к выемке.

Угольная шахта является сложной производственной системой, включающей полсистемы и элементы. В период плановой экономики, когда нагрузка на очистной забой составляла 300-800 т/сутки, выполнение плановых заданий обеспечивалось одновременной работой 6-11 очистных забоев, часть которых могла быть резервной. В этом случае технологическую схему многозабойной шахты, как сложную систему, можно представить в виде структуры распределенных во времени и пространстве подсистем, элементы которых могли функционировать по последовательно-парал-лельной схеме: очистные забои работали по параллельной схеме, а системы транспорта и подъема - по последовательной. За счет деконцентрации работ обеспечивалась возможность регулирования количества одновременно действующих очистных и подготовительных забоев. Аварийное состояние одного забоя компенсировалось вводом в эксплуатацию нового или резервного забоя.

В рыночных условиях возникла необходимость перехода к малозабойным технологическим схемам, при которых в одновременной работе могут быть 1-2 высокопроизводительных очистных комплексно-механи-зированных забоя (КМЗ). Возможности резервирования очистного фронта при этом ограничены, так как простои одного высокопроизводительного КМЗ в течение суток приводят к потере доходов от реализации продукции в объеме 500-750 тыс. руб. Такие же потери доходов возникают и при «разрыве» очистного фронта в случае несвоевременной подготовки запасов угля к выемке. Следовательно, элементы горно-

подготовительной и очистной подсистем должны функционировать синхронно с пространственно-временным размещением этих элементов с целью достижения эффективной отработки выемочных полей и участков шахт.

С учетом изложенного была обоснована концепция синхронизации процессов воспроизводства и отработки готовых к выемке запасов угля на основе единства принципов пространственно-временного размещения элементов этих подсистем для достижения единой цели: обеспечение рентабельной работы малозабойной шахты, как сложной производственной системы.

Реализация концепции возможна при соблюдении следующих принципов пространственно-временного размещения элементов очистной и горно-подготовительной подсистем:

• параметры подсистемы более высокого уровня - очистные работы - являются приоритетными для подсистем более низких уровней, в том числе горно-подготови-тельной подсистемы;

• максимальная концентрация горных

работ в пределах одной панели;

• альтернативы горнопроходческой

подсистеме на шахте отсутствуют;

• в горнопроходческой подсистеме должно применяться максимальное количество технических средств, которые без дополнительных монтажных работ используются в подсистеме очистных работ;

• минимизация длительности цикла

воспроизводства готовых к выемке запасов угля.

Принцип приоритетности параметров подсистем более высокого уровня для подсистем более низких уровней позволяет построить иерархическую структуру технологический схемы шахты. В условиях рыночных отношений

на шахте подснстемон верхнего уровня являются очистные работы. Эффективность технологических процессов этой подсистемы определяет эффективность работы всей шахты. Несогласованность параметров и функций подсистем нижнего уровня с процессами, выполняемыми элементами верхней подсистемы, приводит к разбалансированности всей сложной производственной системы шахты. В соответствии с принципом приоритетности параметров основной целью горно-

подготовительной системы шахты является воспроизводство вскрытых, подготовленных и готовых к выемке запасов угля в объемах, оптимальных по отношению к объемам добычи угля. Это положение можно выразить в виде уравнения

N т

N т

п £ Оі- £ N Т

д

< <N7“’

д

ы™11 < < Мтах

п — Д — п

где Ыг

ние объемов готовых к выемке, подготовленных и вскрытых запасов угля к объемам добычи по шахте; Ыгтах, Ыптт, Ывта< - максимальное отношение объемов готовых к выемке, подготовленных и вскрытых запасов угля к объемам добычи по шахте.

По результатам анализа работы рентабельных шахт Кузбасса (Полосухинская, Антоновская, Есаульская и др.) было установлено, что минимальные отношения запасов к годовой добыче шахты Ыгтт, Ыптт, Ывтт соответственно равны 0,6; 1,4; 5,5, а максимальные отношения запасов к годовой добыче шахты Ыгтах, Ыптах, Ывтах - 1,0; 2,0; 10,0. При отношениях Ыгтт , Ыпт‘т, Ывт‘п меньше указанных работа шахты становится неустойчивой и возникает «разрыв» очистного фронта. Если Ыгтах, Ыптах, Ывтах больше указанных пределов, то шахта работает устойчиво, однако возрастают затраты на подііриищин вюрайтианьной концентрации горных работ в условиях малозабойных угольных шахт требует, чтобы в пределах одной панели располагались один очистной забой и 2-3 подготовительных. В последние годы для обеспечения непрерывности работы высокопроизводительных КМЗ наметились тенденции подготовки выемочных участков длиной 3-4 км. На действующих шахтах это достигается переходом от подготовки двукрылых панелей к однокрылым с оконтуриванием фланговыми выра-

ботками. В последнем случае проходка вентиляционного и конвейерного штреков может осуществляться прямым ходом или обратным. Направление проходки выработок регламентируется подсистемой очистных работ. При отработке угольного столба его длина должна определяться технологическими возможностями очистных механизированных комплексов.

Процессы транспорта и проветривания горноподготовительной системы не должны сдерживать интенсивность очистных работ, диагональные печи в выемочном столбе должны отсутствовать.

Указанные требования подсистемы очистных работ ограничивают возможности концентрации очистных и подготовительных работ. В этой связи концентрация горных работ в пределах панели должна осуществляться таким образом, чтобы процессы очистных и подготовительных работ были разделены во времени и пространстве панели. Для обеспечения этих условий предлагаются для отработки газоносных пластов два варианта: проведение четвертого уклона (бремсберга) при прямом порядке подготовки выемочных столбов (эта схема применяется на шахте «Полосухинская» в Кузбассе); проведение двух фланговых выработок для организации обособленного проветривания и транспорта при проходке вентиляционного и конвейерного штреков от фланговых выработок.

Одной из причин, сдерживающих реализацию концепции синхронизации процессов воспроизводства и отработки готовых к выемке запасов угля, является несоответствие темпов подвигания очистного КМЗ и подготовительных забоев. Это несоответствие проявляется в том, что при скорости движения до 200 м/мес высокопроизводительного очистного КМЗ, работающего с нагрузкой более 150 тыс.т в месяц, средняя скорость подвигания подготовительного забоя составляет 140-150 м.

На основе имитационного моделирования было установлено, что скорость подвигания подготовительного забоя должна на 20-30% превышать скорость движения очистного КМЗ.

Принцип отсутствия альтернативы горнопроходческой подсистемы на угольных шахтах является очевидным для традиционной технологии угледобычи. Попытки применить скважины для вскрытия и отработки угольных месторождений пока не привели к положительным результатам.

б)

о

з

10 12 14 Время, мес

----- - готовые к выемке запасы

----- - подготовленные запасы

16 18 20 22 24

- разрыв очистного фронта

- перемонтаж оборудования

Принцип максимального использования одних технических средств при ведении подготовительных и очистных работ без дополнительных монтажных работ оборудования позволяет резко сократить затраты на приобретение, транспорт и монтаж горнопроходческого оборудования. Среди такого оборудования следует выделить конвейеры, напочвенные дороги, трубопроводы, систему электроснабжения и др. Сущность принципа минимизации продолжительности цикла воспроизводства готовых к выемке запасов состоит в том, что процесс вскрытия и подготовки промышленных запасов угля можно считать законченным только тогда, когда будут проведены все горно-подготовительные работы по проведению выработок и их оснащению в соответствии с проектом. При воспроизводстве готовых к выемке запасов необходимо провести все оконту-

Схема циклического воспроизводства и отработки готовых к выемке запасов угля при: а) вероятном разрыве очистного фронта; б) - синхронном воспроизводстве и отработке готовых к выемке запасов

ривающие выемочный столб выработки и установить все оборудование и средства обеспечения безопасности, необходимые для ведения горных работ. При несоблюдении даже одного из этих условий запасы не считаются готовыми к выемке. Графически сущность принципа при воспроизводстве запасов угля в пределах одной панели представлена на рисунке.

Традиционная схема воспроизводства и отработки запасов выемочного поля характеризуется наличием периодов «разрыва» очистного фронта, связанных с несвоевременным оконтуриванием выработками выемочного столба. Длительность демонтажно-монтажных работ очистного оборудования влияет на резерв подготовительных запасов следующего выемочного столба. В целом схема, приведенная на верхнем рисунке, является не сбалансированной.

Схема синхронного воспроизводства и отработки готовых к выемке запасов исключает «разрывы» очистного фронта, так как к моменту окончания очистных работ в выемочном участке запасы следующего выемочного столба уже оконтурены выработками и подготовлены к демонтажно-монтажным работам. Сокращение длительности цикла воспроизводства готовых к выемке запасов позволит снизить затраты на поддержание горных выработок.

Реализация разработанной концепции и принципов осуществлена в условиях шахт «Полосухинская» и «Антоновская» в Кузбассе. При этом достигнуты в 2001 г. следующие показатели соответственно на шахтах «Полосухинская» и «Антоновская»: добыча 1300,1 и 3168,3 тыс. т в год; производительность труда на одного рабочего 200,3 и 198,2 т/мес; заработная плата 9692 и 9716 руб./мес.

— Коротко об авторах

Скуров Анатолий Георгиевич — кандидат технических наук, ЗАО «Сибуглемет», г. Москва.