Основы метода доступа к георесурсам в задачах оптимизации транспортных характеристик освоения угольных месторождений подземным способом

УДК 622.014.5

В.А. Федорин, О.А. Татаринова

ОСНОВЫ МЕТОДА ДОСТУПА К ГЕОРЕСУРСАМ В ЗАДАЧАХ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАНСПОРТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОСВОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ

Рассмотрен подход, основанный на методе доступа к георесурсам в задачах оптимизации транспортных характеристик освоения угольных месторождений на примере участка «Серафимовского» Ушаковского месторождения Кузбасса. Грузоперевозки в горной науке традиционно рассматриваются как основная часть более широкой проблемы доступа к георесурсам и выбора оптимального вскрытия шахтного поля. Отсюда появилась задача определения местоположения грузоподъемного ствола и транспортных коммуникаций с учетом более широкого круга влияющих факторов. По сравнению с традиционной технологией вскрытия шахтного поля, вскрытие угольного пласта с делением его на модульные шахтоучастки усиливает влияние фактора примыкания участков к наземной инфраструктуре. Таким образом, исследования, направленные на совершенствование методов комплексного обоснования геотехнологических решений доступа к угольным месторождениям для строительства высокопроизводительных шахт являются актуальной научной задачей. Данный подход позволяет минимизировать затраты на строительство, эксплуатацию и обеспечить эффективную работу угледобывающих предприятий мирового технико-экономического уровня.

Ключевые слова: месторождение, промплощадка, шахтное поле, транспорт, грузоперевозки, инфраструктура.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-176-182

В практике проектирования угольных предприятий (вновь строящихся или реконструируемых) независимо от формы собственности, большое значение имеют вопросы минимизации капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с большими объемами перемещения масс.

Отмечается, что одним из основных требований, предъявляемых к функционированию угольных предприятий явля-

ется условие оптимального размещения технологических объектов как в недрах, так и на дневной поверхности [1].

Проблема оптимального размещения технологических объектов угледобывающего комплекса (УДК) возникла с появлением новой структуры вскрытия (модульный шахтоучасток) и отработки угольных месторождений. Необходимость разработки методов оптимального размещения технологических объектов на

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 3. С. 176-18. © В.А. Федорин, О.А. Татаринова. 2018.

поле УДК продиктована отсутствием методов решения данной задачи для новой структуры. Актуальность задач по минимизации затрат возрастает при разработке месторождений Кузбасса в условиях повышенной угленасыщенности.

Предложен подход основанный на научной идеи д.т.н. В.Д. Явлевского по изменению структуры вскрытия и порядка доступа к угольным месторождениям на основе автономного принципа вскрытия и динамического освоения месторождения модульными шахтоучастками с синхронным изменением производственной инфраструктуры угледобывающего предприятия, с единой транспортной инфраструктурой на поверхности месторождения).

Отсюда и появились задачи определения местоположения грузоподъемного ствола и транспортных коммуникаций с учетом более широкого круга влияющих факторов. Вскрытие угольного пласта с делением его на модульные шахто-участки усиливает влияние фактора примыкания участков к наземной инфраструктуре. Таким образом,необходимо создание транспортных связей между очистными забоями и пунктами приема на поверхности, расположение подъездных путей, строительство коммуникационного коридора, выделение первоочередных участков освоения, обоснование схем вскрытия, обеспечивающих минимизацию затрат на грузоперевозки.

Повышение технико-экономической эффективности решений по размещению технологических объектов на поверхности поля УДК в условиях сложного рельефа местности и повышенной угле-насыщенности месторождения может быть достигнуто за счет разработки оптимизационной модели в методе доступа к георесурсам для рационального размещения подъездного пути и коммуникационного коридора линейно-узловой структуры.

Модель и метод

Задачу размещения коммуникационного коридора на поверхности месторождения можно формализовать как задачу математического программирования, в частности, динамического [2]. В результате анализа степени влияния факторов, выделены наиболее существенные и получена оптимизационная модель вида:

F = minj {{ + Fj},i > j, i = 1.....N

' cos(arctgK) ' ' где Cp — удельные затраты на строительство и эксплуатацию коммуникационного коридора, руб/м; Cg — удельные приведенные затраты на земляные работы, руб/м3; L. — длина отрезка коммуникационного коридора, м; V. — объем земляных работ между i-й и j-й точками трассы, м3; K — руководящий уклон для коммуникационного коридора; E — экономический ущерб от консервации запасов в целике под коммуникационный коридор, руб/т; Q.. — объем консервируемых запасов угля, т.

С помощью метода динамического программирования топографическая поверхность W(x, y, H) = 0, отображаемая обычно в изолиниях, преобразуется в сетку электронной таблицы i-х столбцов и j-х строк при условии аддитивности функциональных связей |dH (x, y)| < K.

Сравнительная эффективность вариантов решения задач размещения в большинстве постановок определяется сопоставлением приведенных затрат на получение равного результата. Для условий решаемой задачи и рассматриваемых факторов этот критерий может быть принят с учетом экономического ущерба от консервации запасов в охранных целиках, т.е. в качестве критерия предлагается использовать определение экономических последствий потерь полезного ископаемого, которое состоит в соизмерении ценности теряемого полезного

ископаемого и размера возмещения потерь на добытом полезном ископаемом за счет экономии на капитальных и эксплуатационных затратах, связанной с расположением технологических объектов на поверхности. Этот подход предложен авторами в качестве развития работ, опубликованных в монографии [1].

Транспортная задача в классической постановке не дает возможности учитывать многие факторы, от которых зависит в итоге, эффективность организации перевозок. Учет всех факторов отражает тот важный факт, что планирование, организация перевозки должно быть построено на основе того представления, что логистика, является динамической категорией [3].

Как известно, одним из важнейших инструментов решения задач логического управления являются методы математического программирования. В качестве алгоритма поиска построения поверхностной характеристики наиболее эффективным является метод динамического программирования (принцип оптимальности Р. Беллмана [4]), позволяющий достаточно точно найти оптимальный вариант размещения технологического объекта в условиях сложного рельефа поверхности.

Применением методов транспортной логистики при освоении угольных месторождений состоит в том, что ее результаты позволяют:

• решать задачи размещения коммуникационного коридора и технологических объектов на поверхности угольных месторождений;

• определять оптимальную трассу подъездного пути на поверхности угледобывающего комплекса;

• выбирать первоочередные участки освоения новых угольных месторождений;

• находить области расположения главных вскрывающих выработок угледо-

бывающего комплекса с учетом поверхностных и подземных характеристик;

• обосновывать геотехнологические решения при вскрытии угольных пластов с учетом более широкого ряда факторов.

В Институте угля СО РАН продолжены работы по решению задач оптимизации выбора расположения коммуникационного коридора и мест примыкания новых коммуникаций к существующим, при освоении новых угольных месторождений, методом динамического программирования [5].

Порядок счета с использованием данного метода выглядит следующим образом:

• проводится оцифровка поверхности с нанесением «запретных зон» (реки, населенные пункты, здания и т.д.) данные снимаются с топографических карт;

• преобразование значений координатной сетки в длины с учетом руководящего уклона (в нашем случае принимаем 0,01 радиан для железнодорожного транспорта);

• построение поверхности минимальных длин (рис. 1);

• нахождение точки примыкания и оптимальной трассы.

Операцию выбора кратчайшего расстояния производят графически на топографической поверхности, представленной в виде изолиний равных отметок, и при сравнении нескольких вариантов выбирается наиболее оптимальная трасса коммуникационного коридора. Для численной реализации метода разработано алгоритмическое обеспечение, реализующее данный метод в среде EXCEL. Это позволяет существенно снизить объем обработки информации и оперативно получать варианты размещения технологических объектов при введении новых ограничений.

Данный алгоритм позволяет рассчитать оптимальные трассы для различных видов транспорта между двумя или не-

Рис. 1. Численная реализация модели построения поверхностных характеристик с изолиниями равных расстояний

сколькими пунктами в условиях сложного рельефа местности, наличия «запретных зон» (построек, болот, оврагов и т.д.). Кроме построения оптимальных сетей дорог предусматриваются и решение частной задачи — оптимального примыкания новых коммуникаций к существующим магистралям.

Для выбора оптимальной примыкающей трассы использован метод динамического программирования для участка «Серафимовского» Ушаковского месторождения [6].

Участок «Серафимовский» расположен в Промышленновском административном районе Кемеровской области. Ближайшие крупные промышленные центры — города Кемерово и Ленинск-Кузнецкий находятся соответственно в 50 км к северу и в 35 км к юго-востоку. Площадь участка 12,2 км2, размеры 4,5х2,7 км. К первоочередной отработке намечены пласты XXVI, XXIII, XXI и XX. Геологическая изученность участка «Серафимовский» не отвечает современным требованиям к подготовленности угольных месторождений для промышленного освоения.

В результате проведенной работы получена транспортно-технологическая

характеристика на поверхности участка Серафимовский. Найдена оптимальная точка примыкания к существующей железнодорожной магистрали. Также при решении данной задачи можно определить любую точку в пределах просчитанного участка.

Наиболее приемлемым местом заложения промышленной площадки является область, где показатели являются наименьшими. Из рис. 2 видно, что точка (8) является в этом случае этой областью, следовательно и промышленную площадку следует закладывать в этой точке. В этом случае все затраты по работе наземного транспорта будут минимальными. Практическая ценность заключается в эффективном решении задачи размещения технологических объектов на поверхности поля угледобывающего комплекса, нахождение оптимального пути примыкания к существующим магистралям, размещение подъездных путей шахты на основе разработанного методического, алгоритмического и программного обеспечения. Снижается трудоемкость, время поиска и обоснования наилучшего проектного решения [6].

Общей горно-геологической, технической и топографической основой транс-

Условные обозначения:

оптимальная точка примыкания к существующей железнодорожной магистрали,

- оптимальная трасса подъездного пути,

- контуры участка «Серафимовский»

- изолинии равных расстояний;

Рис. 2. Транспотрно-технологическая характеристика участка «Серафимовского» Ушаковского месторождения

портно-технологической характеристики являются форма распределения полезного ископаемого в недрах, объем консервируемого полезного ископаемого, линейные и взвешенные длины транспортирования, параметры вскрываемого шахтного поля и рельеф поверхности. В дальнейшем по характеру распределения полезного ископаемого в пластах будет получена подземная характеристика грузоперевозок на участке «Серафимовский» Ушаковского месторождения. Наложение поверхностной и подземной характеристики на участке даст нам комплексный подход для формирования транспортной инфраструктуры месторождения и местонахождения основный вскрывающих выработок угольной шахты [7, 8].

Горно-геологические условия позволяют применить модульный шахтоуча-сток с использованием высокопроизводительной техники. Экскизная проработка транспортной логистики, технологий и способов разработки на участке Сера-фимовском показала, что используемая

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ялевский В.Д., Федорин В.А. Модульные горнотехнологические структуры вскрытия и подготовки шахтных полей Кузбасса (Теория. Опыт. Проекты). — Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. — 224 с.

в работе геотехнологическая структура модульного шахтоучастка соответствует основным научно-техническим факторам экономической эффективности.

Эффективная схема вскрытия и подготовки шахтных полей, достигается за счет подземных и наземных характеристик размещения технологических объектов. Данный метод можно применять в условиях любого рельефа поверхности и произвольного распределения «запретных» зон, что дает возможность использовать его не только при компоновке комплекса поверхности шахты, но и при составлении технико-экономического обоснования строительства железных дорог, связывающих новые месторождения полезных ископаемых с центрами переработки сырья [9].

Данный подход позволяет минимизировать затраты на строительство и эксплуатацию сети автомобильных, железных дорог и линий электропередачи и обеспечить эффективную работу угледобывающих предприятий мирового технико-экономического уровня [10—12].

2. Стрекачинский Г. А., Ордин А. А., Федорин В. А. Совершенствование метода динамического программирования при проектировании подъездных путей горнодобывающего предприятия // ФТПРПИ. - 1981. - № 2. - С. 87-91.

3. Доенин В.В. Динамическая логистика транспортных процессов. — М.: Изд-во «Спут-ник+», 2010. - 246 с.

4. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. - М.: Наука, 1965.

5. Клишин В.И., Ордин А.А., Ческидов В.И., Федорин В.А. Основы концепции оценки предельных объемов добычи угля открытым и подземным способами в Кузбассе // Горный информационно-аналитический бюллетень. ОВ7. - 2009. - С. 47-52.

6. Татаринова О.А. Транспортно-технологические характеристики освоения Ушаковского месторождения (Участок Серафимовский) // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - № 9. - С. 94-98.

7. Татаринова О.А. Методическая оценка доступа к распределенным запасам угля на участке «Серафимовский» Ушаковского месторождения // Вестник КузГТУ. - 2011. - № 6. - С. 26-27.

8. Татаринова О.А. Характеристика подземных грузоперевозок участка «Серафимовско-го» Ушаковского месторождения // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. Сборник научных статей Сибирского государственного индустриального университета / Под общ. ред. В. Н. Фрянова - Новокузнецк, 2017. - С. 259-262.

9. Стрекачинский Г.А., Ордин А.А., Федорин В.А. Оптимальное размещение транспортных сетей на поверхности шахт. - Новосибирск: Наука, 1981. - 90 с.

10. Lollino G. et al. Engineering geology for society and territory. Vol. 2: Landslide processes. - Springer, 2014.

11. Khalil A. et al. Assessment of soil contamination around an abandoned mine in a semi-arid environment using geochemistry and geostatistics: pre-work of geochemical process modeling with numerical models // Journal of Geochemical Exploration. - 2013. - vol. 125. - pp. 117-129.

12. ZhangX. G. et al. Gas transportation and enhanced coalbed methane recovery processes in deep coal seams: A review // Energy & Fuels. - 2016. - vol. 30. - no 11. - pp. 8832-8849. ri^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Федорин Валерий Александрович1 — доктор технических наук, зав. лабораторией, e-mail: fva@icc.kemsc.ru, Татаринова Оксана Андреевна1 — младший научный сотрудник, e-mail: TatarinovaOA@yandex.ru,

1 Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 3, pp. 176-182.

V.A. Fedorin, O.A. Tatarinova

PRINCIPLES OF THE METHOD OF GETTING ACCESS TO GEORESOURCES IN TRANSPORTATION OPTIMIZATION PROBLEMS IN UNDERGROUND COAL MINING

The author considers the method of getting access to georesources by solving transportation optimization problems in underground coal mining in terms of Serafimov site of Ushakov deposit in Kuzbass. Transport is a considerable component of expenditures in the cost of a product, and its reduction offers an essential potential for more efficient and sustained development in the coal mining industry. In new mines in Kuzbass, traditional approaches to construction are being changed, advanced process solutions are used to expose, prepare and extract coal on the ground of modification of coal mining technology structure. The mining science considers transportation as the main part of the problem connected with getting access to georesources and selecting optimal scheme of exposing mine fields. This problem involves location of lift shafts and transportation routes with regard to a wide range of influential factors.

There yet remain difficulties in this problem solving. As compared with the conventional technology of opening a mine field, exposure of a coal bed by sections strengthens the influence exerted by the factor of adjacency of the sections and the surface infrastructure. Thus, the research aimed at improvement of integrated validation of process solutions on getting access to coal with a view to constructing highly productive mines is of the current concern. This approach allows minimizing mine construction and operation cost and ensures efficient operation of coal mines at the international level of technology and economy.

Key words: deposit, mine infrastructure, mine field, transport, transportation.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-176-182

AUTHORS

Fedorin V.A1, Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory, e-mail: fva@icc.kemsc.ru, Tatarinova O.A1, Junior Researcher, e-mail: TatarinovaOA@yandex.ru, 1 Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 650065, Kemerovo, Russia.

REFERENCES

1. Yalevskiy V. D., Fedorin V. A. Modul'nye gornotekhnologicheskie struktury vskrytiya i podgotovki shakhtnykh poley Kuzbassa (Teoriya. Opyt. Proekty) (Modular mining structure of opening and preparation of mine fields in Kuzbass (Theory. Experience. Projects)), Kemerovo, Kuzbassvuzizdat, 2000, 224 p.

2. Strekachinskiy G. A., Ordin A.A., Fedorin V.A. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 1981, no 2, pp. 87—91.

3. Doenin V. V. Dinamicheskaya logistika transportnykh protsessov (Dynamic transportation and logistics), Moscow, Izd-vo «Sputnik+», 2010, 246 p.

4. Bellman R., Dreyfus S. Prikladnye zadachi dinamicheskogo programmirovaniya (Applied problems of dynamic programming), Moscow, Nauka, 1965.

5. Klishin V. I., Ordin A. A., Cheskidov V. I., Fedorin V. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byul-leten'. Special edition 7. 2009, pp. 47—52.

6. Tatarinova O. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2014, no 9, pp. 94—98.

7. Tatarinova O. A. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2011, no 6, pp. 26—27.

8. Tatarinova O. A. Naukoemkie tekhnologii razrabotki i ispol'zovaniya mineral'nykh resursov. Sbornik nauchnykh statey Sibirskogogosudarstvennogo industrial'nogo universiteta. Pod obshch. red. V. N. Fryanova (Science-based technologies of mineral mining and use. Siberian State Industrial University, Collection of scientific articles. Fryanov V. N. (Ed.)), Novokuznetsk, 2017, pp. 259—262.

9. Strekachinskiy G. A., Ordin A. A., Fedorin V. A. Optimal'noe razmeshchenie transportnykh setey na poverkhnosti shakht (Optimal arrangement of transportation networks on mine surface), Novosibirsk, Nauka, 1981, 90 p.

10. Lollino G. et al. Engineering geology for society and territory. Vol. 2: Landslide processes. Springer, 2014.

11. Khalil A. et al. Assessment of soil contamination around an abandoned mine in a semi-arid environment using geochemistry and geostatistics: pre-work of geochemical process modeling with numerical models. Journal of Geochemical Exploration. 2013. vol. 125. pp. 117—129.

12. Zhang X. G. et al. Gas Transportation and Enhanced Coalbed Methane Recovery Processes in Deep Coal Seams: A Review. Energy & Fuels. 2016. vol. 30. no 11. pp. 8832—8849.

FIGURES

Fig. 1. Numerical implementation of modeling surface characteristics with contours of equal hauls.

Fig. 2. Characteristics of Serafimov site of Ushakov deposit from the viewpoint of transportation system.