О технологических комплексах и развитии производственных мощностей угольных разрезов

© В.В. Истомин, Д.В. Пастихин, 2007

УДК 622.271

В.В. Истомин, Д.В. Пастихин

О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ И РАЗВИТИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МОЩНОСТЕЙ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ

Семинар № 16

Технологический комплекс горных работ - это динамическая (в пространстве и времени) совокупность технологических схем в конкретных горно-геологических условиях.

Технологическая схема характеризуется составом объектов производственных процессов - рабочих блоков (блоков активных запасов), а также необходимых блоков пассивных запасов, горного и транспортного оборудования, технических сооружений, их взаимным размещением. Технологическая схема - это пространственновременной срез технологического комплекса. Проще говоря, технологическая схема характеризуется составом горного, транспортного и вспомогательного оборудования, зоной его функционирования и ее параметрами (это параметры системы разработки).

Технологические схемы могут рассматриваться в разном временном и пространственном масштабе. Так, например, анализ известных технологических схем перевалки может осуществляться по элементарным приращениям объема отвала и учитывать при этом разные углы поворота драглайна и изменение его технической (часовой) производительности. А может сразу рассматриваться конечная конфигурация забойной и отвальной сторон схемы, месячная или годовая

производительность экскаваторов -все зависит от решаемой задачи.

Технологические комплексы проще называть по виду используемого комплекса оборудования: добычной экскаваторно-автомобильный, экскаваторно-отвальный и т.д.

Как видно из названия сообщения, наши технологические комплексы и схемы связаны с производственной мощностью разреза, соответствующими масштабами времени (годы, месяцы) и пространства (разрез, его участки). При этом рассматриваются состав горного и транспортного оборудования и его изменение, геометрия горных работ, денежная составляющая - инвестиционные и производственные расходы.

Укрупненно методика решения поставленной проблемы обоснования динамики производственных мощностей на базе моделирования технологических комплексов горных работ показана на рис. 1.

В расчетах при моделировании технологических комплексов широко используются как площади горизонтальных и вертикальных проекций отдельных и общих зон (площади рабочих уступов и их совокупностей, площади вертикальных проекций зон экскаваторов и комплексов и т.д.), так и известные параметры системы разработки (высота уступа, ширина его рабочий площадки, длина фронта работ уступа

1 Формирование геолого-математической модели угольного ---- месторождения

Формирование математической модели развития горных работ

Фактическое (ожидаемое) положение горных работ: координаты, параметры, показатели

4--Исходные данные об эксплуатируемом и вводимом горном --- и транспортном оборудовании

11

5 Начальная расстановка основного оборудования

и определение его производительности

6 Ориентировочное установление этапного положения

горных работ и расчетного срока отработки этапа

Отстройка вариантов рабочего борта разреза на конец рассматриваемого этапа разработки

Формирование вариантов конечной расстановки экскаваторов и определение их производительности

Предварительное определение времени отработки этапа

10 Установление параметров и отстройка промежуточных

--- (годовых) положений горных работ

Определение производственной мощности ГЭУ и разреза по горной массе и углю

Рис. 1. Блок-схема методики моделирования развития технологических комплексов

2

3

7

8

9

и т.д.). При этом выделяются параметры активных и пассивных запасов горной массы, фронта работ.

Процесс моделирования технологических комплексов в задачах обоснования динамики производственных мощностей разрезов в общем случае включает: выделение геоло-го-эксплуатационных участков разреза (ГЭУ); установление и характеристику действующих технологических комплексов на участках (ГЭУ), являющихся базовыми начальными вариантами моделирования (зоны и их параметры, начальная расчетная производительность экскаваторов, начальная мощность комплексов); определение этапного подвигания фронта, конструкций этапного положения зон и рабочего борта, этапной (конечной) производительности комплексов, продолжительности периода моделирования; определение этапной мощности технологических комплексов, промежуточных мощностей, вариантов календарного плана динамики мощностей комплексов; изучение источников инвестиций, их возможностей и формирование вариантов календарного плана инвестиций; определение экономической эффективности результатов моделирования технологических комплексов и обоснование рекомендаций по динамике мощностей.

Выделяемые геолого-эксплуата-ционные участки (ГЭУ) чаще всего совпадают с выделяемыми в процессе разведочных и проектных работ, но могут быть и отличия. Так, например, на Тугнуйском разрезе, где выделено 2 эксплуатационных участка, признано целесообразным отдельное рассмотрение ГЭУ № 3, включающего угольные пласты 6-8 и породы меж-дупластья между указанными пластами и пластом 18; данное решение

определяется изменением технологии и организации разработки этого вновь вводимого в эксплуатацию участка.

Технологические комплексы каждого ГЭУ выделяются в соответствии с горно-геологическими условиями и могут быть вскрышными (породными), добычными (угольными) или смешанными (породо-угольными).

Базовые начальные комплексы, как правило, соответствуют действующим. Так, в условиях Сибиргинского участка (разрез «Сибиргинский») выделяются (рис. 2) технологические комплексы: вскрышной № 1 над угольным пластом III; породо-угольный № 2 для отработки угольного пласта III и породной треугольной призмы над ним, вынимаемой для формирования нового нижнего горизонтального породного слоя-уступа; вскрышной № 3 для разработки наклонного породного слоя между пластами III и IV-V с перевалкой вскрыши в выработанное пространство; породо-уголь-ный № 4 для отработки угольных пластов и VI, а также породного междупластья между ними. Для ГЭУ № 1 Тугнуйского разреза выделены три технологических комплекса: два вскрышных (экскаваторно-автомобильный и экскаваторно-отвальный) и один добычной экскаваторно-автомобильный отработки угольного пласта 18.

Состав оборудования других начальных, а также промежуточных технологических схем связан с инвестиционной составляющей технологических комплексов. Разработано 12 сценариев инвестиционных процессов, различающихся используемыми в качестве инвестиций долями амортизационных отчислений, прибыли, средств сторонних инвесторов и господдержки, интенсивностью роста инвестиций во времени.

Рис. 2. Начальное положение горных работ на участке Сибиргинский

Данные о положениях горных работ включают: пространственные координаты рабочих, временнонерабочих и нерабочих уступов; границы зон каждого технологического комплекса; длину фронта работ каждого 1-го уступа Ьф 1, ширину площадок Шрп 1к всех уступов по пикетам к

через 50-100 м по длине уступов, в том числе активного и пассивного фронта.

Данные об эксплуатируемом оборудовании включают модели машин и их параметры, характеристики численности, состояния и возраста, т.е. основные качественно-количественные показатели комплексов горного и транспортного оборудования. Данные о вновь вводимом оборудовании и сроках вводов принимаются в соответствии с данными об инвестиционном процессе и его связях с техникоэкономическими показателями работы разреза.

Расстановка экскаваторов в технологической схеме в исходном и других положениях горных работ осуществляется следующим образом:

• при одинаковой высоте уступов определяется желательная длина фронта (блока) каждого ]-го экскаватора Ьф ^ ж, а при разной высоте уступов - желательная площадь вертикальной проекции зоны работы экскаватора Эв I ж;

• сравниваются суммарная фактическая и «желательная» длина фронта работ (или площадь вертикальной проекции уступов) в зоне

технологического комплекса I Ч>,

и I Ьф I ж (11и Iж). разница этих величин распределяется по экскаваторам пропорционально значениям Е;

• сравнивается длина каждого уступа (площадь его вертикальной проекции) с длиной одного-трех экскаваторных блоков и принимается решение (по допустимой погрешности 20 %) о возможности работы на уступе целого или дробного числа экскаваторов.

В результате указанных расчетов выполняется расстановка экскаваторов и за каждым из них закрепляется определенный фронт уступа Ьф I. В

соответствии с величиной Ьф I устанавливаются средняя ширина рабочей площадки шрп 1 ср на каждом фронте

Ьф I и площадь каждого экскаваторного блока Ээ I = Ьф I • Шрп I ср.

Расчетная производительность каждого ]-го экскаватора (в тыс. м3/год) определяется как произведение его удельной производительности qэ (на 1 м3 вместимости ковша): Рэ = qэ • Е

(тыс. м3/год). Аналогично характеризуется и удельная площадь экскаватора как Ээ.уд = (Шрп • Ьэ.б)/Е (тыс- м2/м3).

Влияние величин Шрп и Ьэ б на qэ учитывается через поправочные

коэффициенты Кш и К) к базовой удельной производительности экскаватора qэ.б : qэ = qэ.б • Кш • К1 • 0п-ределение этих показателей основано на результатах наших исследований, а также исследований проф. В.А. Галкина и проф. С.Е. Гавришева.

Сначала были определены базовые значения удельной площади экскава-

т°ра Ээ.уд.б (табл. 1).

Базовым значениям Э , соответ-

э.уд.б

ствуют базовые величины ширины рабочей площадки Шрп =80-100 м и

Таблица 1

Базовые значения удельной площади экскаватора

Емкость ковша экскаватора (Е), м3

5-10 15-20 25-35 40-60

Ээ^б - ™С- м2/м3 7-8 5-6 4-4,5 3-0-3-5

Таблица 2

Значения поправочных коэффициентов К|

Длина экскаваторного блока м

Е, м3 300-400 500-700 800-1000 1200- 1400 1500- 1600 1700- 2000

5-10 0,80-0-85 0,90-0-95 1-0 - - -

15-20 0,70-0-80 0,85-0-90 0-92-0-97 1-0 - -

25-35 0,60-0-70 0,75-0-80 0-85-0-90 0-92-0-97 1-0 -

40-60 0,45-0-55 0-60-0-70 0-75-0-80 0-85-0-90 0-92-0-97 1-0

Таблица 3

Значения коэффициента влияния ширины рабочей площадки на производительность экскаватора

Ширина рабочей площадки (шрп ! )’ М

Менее 20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-100

Кш 0-40-0-50 0-55- 0-62 0-67- 0-72 0-76- 0-82 0-85- 0-90 0-90- 0-95 0-95- 0-97 1-0

длины экскаваторного блока, соответствующей в табл. 2 пересечению строк и столбцов с показателем К! = 1,0 . Как видно из этой таблицы, с уменьшением длины экскаваторного блока интенсивно убывают и значения коэффициента К! .

Соответственно установлены значения коэффициента влияния ширины рабочей площадки на производительность экскаватора Кш(табл. 3).

В верхней строке бульшее значение шрп соответствует бульшей

мощности экскаватора (бульшей величине Е). Приведенные значения Кш соответствуют условию Бэ уд > Бэудб ;

при Б < Б значения К,,, следу-

1 э.уд э.уд.б Ш ^

ет корректировать исходя из данных табл. 2.

Начальная базовая удельная производительность отечественной мех-лопаты (Е = 5 м3) может быть принята равной Чэбн = 250 тыс. м3/м3-год,

а для импортных мехлопат (при Е = 25 м3) величина а' = а , • К

' Мэ.б.н Мэ.б.н у

(Ку = 1,0-1,2, в зависимости от степени освоения экскаватора).

Влияние мощности экскаватора на его удельную базовую производительность укрупненно можно представить в виде:

для отечественных мехлопат

КЕ = 1,0665 - 0,0133Е;

для импортных мехлопат

КЕ = 1,1 - 0,004Е.

Влияние на величину а э.б срока службы экскаватора представляется коэффициентом К4:

К, = 1 -а(Тэ -4), где а - градиент снижения ( а = 0,016-0,018 для отечественных лопат, для импортных лопат величина а примерно в 2 раза меньше); Тэ -срок эксплуатации экскаватора, лет.

Приведенные значения а э.б соответствуют расчетной численности автосамосвалов Иар = Тр/1п . Время

рейса автосамосвала Тр = 2Ьт/уасрэ [ Ьт - расстояние автоперевозок, км; Усрэ - среднеэксплуатационная скорость движения, включающая время погрузочно-разгрузочных операций, ожидания и маневров автосамосвалов (Усрэ = 12-14 км/ч)]. При фактическом числе автомашин N . < N

а ф а р

для определения начальной производительности применяется поправочный коэффициент Ка = N3 ф/^ р .

Суммарная расчетная производительность экскаваторов отдельного технологического комплекса характеризует его производственную мощность по горной массе. По результативным показателям скорости подви-гания фронта горных работ и размещению технологических комплексов относительно друг друга определяется производственная мощность ГЭУ по горной массе и углю.

Конечное (этапное) положение горных работ по нижнему угольному пласту определяется в зависимости от рассматриваемых технологических нововведений. Минимальное подви-гание фронта соответствует нарезке одного нового уступа, максимальное связано со сроком окупаемости вновь

применяемого оборудования (до 10 лет).

Этапное положение всех вышележащих уступов формируется в соответствии с вводами нового оборудования (если они предусматриваются) и вариантами конструкции рабочего борта в пределах технологических комплексов (рис. 3). Выполняется расстановка на этапном рабочем борту экскаваторов, определяется их производительность (блоки 7, 8).

Далее решается задача «перехода» горных работ из начального в конечное положение (блоки 9-10). Для этого: определяются, с использованием компьютерных пакетов программ, объемы горной массы, угля (в том числе по маркам) и вскрышных пород в контурах рассматриваемого этапа;

последовательно устанавливается время отработки этапа исходя из: начального оборудования и его производительности Т1 , средней производительности за этап отработки Т2 , как среднее Т3 между величинами

Т1 и Т2;

устанавливаются промежуточные годовые контуры положений горных работ, с учетом вводов нового горного и транспортного оборудования и изменения горно-геологических условий.

На основании выполненных расчетов определяются (блок 11) производственные мощности разреза по горной массе. Это суммарные производительности экскаваторов в момент , (на начало года , + 1). На первый год это IО э . в начальный момент,

на второй год I Оэ. (+1 и т.д.

На основании формирования и расчетов технологических комплексов разработки Сибиргинского ГЭУ выделены 4 варианта развития производственной мощности участка по

Рис. 3. Модель положения горных работ на участке Сибиргинский на конец рассматриваемого периода

горной массе и углю. «Безинвестици-онный» вариант 1 предполагает использование крайне ограниченных собственных средств (прибыль в 2004 и 2005 гг. 90,5 и 97,1 млн руб., амортизация 20,5 и 93,6 млн руб.) только на текущую замену автосамосвалов, буровых станков и вспомогательной техники. Вариант 2 характеризуется инвестициями на приобретение экскаватора РС-1800 (РС-1400) в породо-угольном комплексе № 2, а также приобретение экскаватора ЭКГ-10 в качестве компенсации при включении в породный комплекс № 1 третьего экскаватора РН-2300.

В варианте 3 дополнительные инвестиции связаны с введением нового экскаваторно-автомобильноотвального технологического комплекса № 5 при сокращении высоты основного вскрышного уступа с 45 до 30 м. Экскаваторная часть оборудования комплекса № 5 представлена эксплуатируемым экскаватором ЭКГ-8, переводимым из технологического комплекса № 2. Инвестиции нужны для приобретения второго гидравлического экскаватора РС-1800 в технологическом комплексе № 4 и расширения автомобильно-бульдозерного парка. В варианте 4 новые инвестиции связаны с приобретением экскаватора ЭКГ-10 и обслуживающих его автосамосвалов; при этом ликвидируется технологический комплекс № 3 перевалки пород.

В целом дополнительные инвестиции составляют, млн руб.: вари-

ант 1-0; вариант 2-200; вариант 3-400;вариант 4-600.

На основании выполненных технико-экономических расчетов рекомендован вариант развития производственных мощностей Сибиргинского участка по горной массе и углю, характеризуемый модернизацией всех выделенных и исследованных технологических комплексов при выделении 400 млн руб. стратегическим инвестором. Ожидаемое расширение объемов добычи угля на участке может составить до 50 % по сравнению с проектным значением.

Моделирование технологических комплексов вскрышных работ на ГЭУ № 1 Тугнуйского разреза свидетельствует о возможности добычи угля на этом участке до 2500 тыс. т в течение 7 лет. Решение о модификации вскрышных технологических комплексов здесь целесообразно принять после получения и анализа результатов добычи и переработки угля пластов 6-8.

Введение представлений о технологических комплексах горных работ, исследование этих комплексов и разработка методики их моделирования позволяют расширить теоретические представления о технологии открытой разработки месторождений, получить новые практически значимые результаты при проектировании и планировании горных работ, ггш

— Коротко об авторах------------------------------

Истомин В.В. - профессор,

Пастихин Д.В. - доцент,

Московский государственный горный университет.