Разработка технологических решений эффективного освоения угольных месторождений малыми угледобывающими предприятиями

Актуальность работы. Реструктуризация угольной промышленности России привела к сокращению производственных мощностей угольных шахт за последние 10 лет в 1,7 раза. Это связано с отставанием темпов ввода новых мощностей от намеченных программой реструктуризации из-за необеспеченности финансовыми ресурсами. Надежды на привлечение отечественных и иностранных инвестиций в новое строительство инфраструктуры крупных угледобывающих предприятий при освоении новых угольных месторождений не оправдались из-за длительного периода (до 20 лет) окупаемости затрат.

Одним из путей расширения шахтного фонда является строительство малых шахт при минимальных удельных капитальных затратах и окупаемости их в течение 3−5 лет. По опыту зарубежных стран (США, ЮАР, КНР) эффективность работы небольших угледобывающих предприятий достигается за счет применения малозатратных технологий угледобычи, адаптированных к условиям шахтных полей с ограниченными запасами, неправильной геометрической формой, переменной гипсометрией угольных пластов и др.

Расширение шахтного фонда за счет строительства малых шахт сдерживается отсутствием научно обоснованных технологических и технических решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов угольных пластов в пределах шахтных полей. Известные в угольной промышленности зарубежных стран технологические решения для отработки запасов угля на малых шахтах не могут быть механически применены на шахтах России, где отсутствуют отечественные машины и оборудование, обеспечивающие эффективную реализацию зарубежных технологий.

В связи с изложенным, актуальной научно-практической задачей является обоснование технологических решений и требований для создания новой горной техники и оборудования эффективной разработки угольных месторождений по малозатратным технологиям в структуре малых шахт.

Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Сибирского государственного индустриального университета в 1996;2002гт., в том числе по региональной программе Кемеровского научно-образовательного комплекса (тема № 27−6, гос.рег. № 1 970 004 330), Федеральной целевой программе «Интеграция» (контракт № 564, гос.рег. № 1 990 000 622), гранту № 78 Министерства образования РФ.

Целью работы является научное обоснование технологических решений и требований к горной технике для эффективной разработки локальных участков угольных месторождений по малозатратным технологиям в структуре малых шахт, обеспечивающих частичное воспроизводство производственных мощностей угледобывающих предприятий России.

Идея работы заключается в дифференцированном использовании адаптированных к горно-геологическим и горнотехническим условиям малых шахт малозатратных технологий угледобычи, разработанных на основе синтеза элементов традиционных и нетрадиционных технологий.

Основные задачи исследований: разработать методику обоснования структуры и параметров малых угледобывающих предприятий для отработки участков угольных месторождений по малозатратным технологиямразработать варианты технологических схем малых угольных шахт для отработки участков угольных месторождений по малозатратным технологиямустановить зависимости геомеханических параметров камерно-столбовой системы разработки локальных участков угольных месторождений от основных горно-геологических и горнотехнических факторовобосновать технологические и геомеханические параметры систем разработки локальных участков угольных месторождений длинными столбами по простиранию по малозатратным технологиямобосновать технологические решения и требования для создания новой горной техники эффективной разработки угольных месторождений по малозатратным технологиям.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий: анализ показателей работы угледобывающих предприятий Кузбасса для разработки методики синтеза оптимальной структуры малой шахтысистемный анализ опыта работы угледобывающих предприятий для разработки технологических схем малых шахтматематическое моделирование и шахтные исследования для установления зависимости смещений пород кровли от основных горногеологических и горнотехнических факторов и обоснования параметров камерно-столбовых систем разработкинаучное обобщение производственного опыта и результатов исследований для обоснования выводов и рекомендаций работы.

Основные научные положения, выносимые на защиту: критериями формирования оптимальной структуры и обоснования параметров малого угледобывающего предприятия, адаптивного к рыночным условиям, являются: минимизация численности трудящихся, стоимости одного рабочего места, удельной стоимости технических средств при максимальной производственной мощности предприятиятехнологические схемы малых угольных шахт по сравнению с технологическими схемами традиционных шахт отличаются следующими признаками и элементами: максимальное использование инфраструктуры действующих и ликвидированных шахт и разрезовотработка геометрически неправильных участков угольных месторождений в предохранительных целиках, в зонах геологических нарушенийприменение камерно-столбовой системы разработкисмещения пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки возрастают при увеличении ширины камеры, угла падения пласта, мощности пласта, шага обрушения пород основной кровли, глубины разработки и уменьшаются при увеличении предела прочности угля на сжатие, ширины угольного целика и шага обрушения пород непосредственной кровлитехнологические и геомеханические параметры камерно-столбовых систем разработки взаимозависимы: увеличение ширины камер и площади очистных заходок при прочих равных условиях требует увеличения количества или ширины угольных целиков при одновременном росте непроизводительных затрат на крепление пород кровли в зоне расположения оборудования и людейтехнологические требования для создания новой горной техники отработки локальных участков угольных месторождений классифицируются по условиям применения механического, самотечного гидравлического и гравитационного транспорта и включают создание дистанционно управляемого выемочного агрегата, средств поточного транспорта и управления кровлей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: представительным объемом показателей работы 107 угледобывающих предприятий Кузбасса в течение 1999;2002гг., использованных для обоснования критериев создания оптимальной структуры и параметров малых шахтположительным опытом применения разработанных технологических схем малых шахт ЗАО «Юбилейное» в пределах горных отводов действующих (шахты «Есаульская», «Новокузнецкая», «Абашевская») и ликвидированной шахты «Нагорная» в Кузбассе с объемом годовой добычи 160−200тыс.т/годудовлетворительной сходимостью результатов моделирования геомеханических процессов с фактическими параметрами короткозабойных систем разработки: отклонение ширины камеры не превышает 12%, а ширины угольных целиков -17%.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем: методика синтеза оптимальной структуры малой шахты с использованием критериев минимума численности трудящихся, стоимости одного рабочего места, удельной стоимости технических средств и максимальной производственной мощности и прибыли предприятиямаксимальное использование инфраструктуры действующих горных предприятий при разработке вариантов малозатратных технологических схем малых шахтв уравнение баланса веса подработанных пород кровли и несущей способности угольных целиков включена дополнительная функция, учитывающая снижение веса подработанных пород кровли за счет их зависания на краевых участках отрабатываемого пластапредельное отношение между шириной угольных целиков и камер выражается через максимальный коэффициент извлечения угля, увеличение которого при заданном комплексе горно-геологических условий недопустимо по условиям безопасности горных работтехнологические требования к новой горной технике классифицированы по условиям применения механического, самотечного гидравлического и гравитационного транспорта горной массы. Личный вклад автора выражается в: систематизации и анализе передового опыта работы шахт и разрезов для разработки алгоритма обоснования структуры и параметров малых шахтразработке и реализации технологических схем малых шахт для отработки локальных участков угольных месторождений по малозатратным технологиям с использованием инфраструктуры действующих и ликвидированных шахтустановлении по результатам моделирования геомеханических процессов зависимости смещений пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки от основных горно-геологических и технологических параметровобосновании технологических требований для создания трех комплектов горной техники для отработки локальных участков угольных месторождений.

Практическая ценность работы заключается в том, что: методика обоснования структуры и параметров угледобывающих предприятий позволяет на этапе разработки бизнес-планов выделять участки угольных месторождений, благоприятные для рентабельной отработки по малозатратным технологиям малыми шахтамитехнологические схемы малых шахт обеспечивают повышение коэффициента извлечения запасов угля за счет рентабельной отработки нетехнологичных для длинных комплексно-механизированных забоев участков угольных пластовзависимость смещений пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки позволяет выбирать при разработке проектной документации оптимальные параметры камер и угольных целиков с ограничениями по предельным смещениям для обеспечения безопасных условий горных работ.

Реализация практических выводов и результатов работы. Полученные научные результаты, выводы и практические рекомендации использованы при: обосновании рентабельности отработки участков шахтных полей шахт «Есаульская», «Нагорная» и «Абашевская» по малозатратным технологиям малыми шахтами ЗАО «Юбилейное» в Кузбассеотработке нетехнологичных для длинных комплексно-механизированных забоев участков шахтных полей действующих и ликвидированных четырех шахт Кузбасса с дополнительной добычей на этих шахтах более 500тыс. т угляразработке проектов строительства трех малых шахт ЗАО «Юбилейное» с общими промышленными запасами 2,6млн.ткурсовом и дипломном проектировании студентами Сибирского государственного индустриального университета.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертации докладывались на II и VII Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1997 и 2002гг.), технических советах УК «Южкузбассуголь» (1996;2002гг.), технических советах шахт «Юбилейная», «Есаульская», «Новокузнецкая», ЗАО «Юбилейное» УК «Южкузбассуголь» (199б-2002гг.), кафедре разработки месторождений полезных ископаемых СибГИУ (1996;2003гг.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 7 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 190 страницах машинописного текста, включает 11 таблиц, 46 рисунков и список литературы из 99 наименований.

Выводы и рекомендации.

1. Обоснованы и рекомендуются для условий малых шахт следую-&diamsщие параметры систем разработки угольных пластов длинными комплексно-механизированными забоями: длина выемочного столба 300−1000м, длина лавы 60−150м, вынимаемая мощность пласта-слоя 1,3−4.2м, ширина угольных целиков между выемочными столбами 6−20м, нагрузка на КМЗ 1200−3ОООт/сут.

2. Установлено, что при отработке угольных пластов короткими забоями увеличение ширины камер и площади выемочных заходок при про.

•(¦ чих равных условиях не приводит к повышению коэффициента извлечения угля и эффективности производства из-за необходимости увеличения количества и ширины угольных целиков при одновременном росте непроизводительных затрат на крепление пород кровли в зоне расположения машин и людей для обеспечения их безопасности.

3. Для каждого комплекса горно-геологических и горнотехнических условий существует максимальный коэффициент извлечения угля, увеличение которого при любом количестве, форме и размерах угольных целиков недопустимо по условию безопасности ведения горных работ.

4. Уравнение баланса веса подработанных пород кровли и несущей способности угольных целиков не соответствует реальной геомеханической ситуации, так как часть веса подработанных пород передается на краевые участки отрабатываемого угольного столба, при этом расчет ширины угольных целиков следует проводить по алгоритму соответствия допускаемых деформаций и допускаемой жесткости целиков.

5. Критерием качества вариантов камерно-столбовой системы разработки является максимальный коэффициент извлечения угля при ограничениях по предельным напряжениям в угольных целиках и допускаемым деформациям угольных целиков и пород кровли в зоне расположения машин и людей.

6. Алгоритм расчета геомеханических параметров систем разработки с короткими забоями базируется на решении пространственной задачи геомеханики численным методом с учетом пространственно-временного движения системы очистных коротких забоев, накопления повреждений в угле целиков и породах кровли и корректировке расчетных параметров по результатам геомониторинга.

7. Особенности проявления горного давления при отработке угольного пласта длинными и короткими забоями, при прочих равных условиях, заключаются в следующем: вертикальные смещения пород кровли в 9−10 раз меньше над угольными целиками при коэффициенте извлечения 0,5- над каждым угольным целиком в кровле возникает зона сжимающих напряженийкоэффициент концентрации вертикальных напряжений в краевой части пласта при управлении кровлей полным обрушением выше коэффициента концентрации при управлении кровлей угольными целиками.

8. Установлена эмпирическая зависимость смещений пород кровли от основных горно-геологических факторов, согласно которой смещения пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки возрастают при увеличении ширины камеры, угла падения пласта, мощности пласта, шага обрушения пород основной кровли, глубины разработки и уменьшаются при увеличении предела прочности угля на сжатие, ширины угольного целика, шага обрушения пород непосредственной кровли.

9. Технологические требования для создания новой горной техники отработки локальных участков угольных пластов классифицируются по условиям применения механического транспорта (угол падения пластов до 12°), самотечного гидротранспорта (угол падения пластов от 13 до 35°) и гравитационного транспорта (угол падения пластов более 35°) горной массы. Соответственно разработаны требования к трем комплектам оборудования, включающим дистанционно управляемый выемочный агрегат, средства транспорта и управления геомеханическими процессами.

10. Результаты исследований внедрены в виде проектов строящихся и технологических схем действующих малых шахт с экономическим эффектом 17,2 млн руб./год, долевое участие автора составляет 83%, т. е. 14,28мл н.руб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены обоснованные технологические решения и требования для создания новой горной техники эффективной разработки угольных месторождений по малозатратным технологиям в структуре малых шахт, имеющие существенное значение для угольной промышленности страны.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Разработана методика синтеза оптимальной структуры малой шахты с использованием критериев минимума численности трудящихся, стоимости одного рабочего места, удельной стоимости технических средств и максимальной производственной мощности и прибыли предприятия;

2. Рентабельная работа малой шахты с традиционными технологиями угледобычи при численности трудящихся менее 300 человек возможна в условиях Кузбасса при отработке пластов с ценными коксующимися углями, а при применении малозатратных технологий эффективность добычи коксующихся и энергетических углей обеспечивается при следующих соотношениях добычи D (тыс.т/г.) и цены угля Ц (руб./т): D>250, Ц>300- D>500, Ц>265- D>1000, Ц>215 (цены 2000;2001гг.).

3. Технологические требования к технологическим схемам рентабельных угольных шахт включают: максимальное использование инфраструктуры действующих и ликвидированных шахтвскрытие шахтного поля наклонными стволами с поэтапной углуб-кой их до горизонта очередного подготавливаемого выемочного участкасоздание и поэтапное развитие временных мобильных схем поверхностного комплекса, транспорта, вентиляции и водоотлива.

4. Участки угольных месторождений, адаптивные к технологическим схемам малых шахт, по отношению к действующим и ликвидированным угледобывающим предприятиям, классифицируются следующим образом: нетехнологичные для высокопроизводительных длинных комплексно-механизированных забоев на действующих и ликвидированных предприятияхв приконтурной зоне угольных разрезов, на границе с горными отводами действующих и ликвидированных шахтобособленные или нарушенные дизъюнктивами геологические блоки угольных месторождений.

5. Для каждого комплекса горно-геологических и горнотехнических условий существует максимальный коэффициент извлечения угля, увеличение которого при любом количестве, форме и размерах угольных целиков недопустимо по условию безопасности ведения горных работ.

6. Уравнение баланса веса подработанных пород кровли и несущей способности угольных целиков не соответствует реальной геомеханической ситуации, так как часть веса подработанных пород передается на краевые участки отрабатываемого угольного столба, при этом расчет ширины угольных целиков следует проводить по алгоритму соответствия допускаемых деформаций и допускаемой жесткости целиков.

7. Особенности проявления горного давления при отработке угольного пласта длинными и короткими забоями, при прочих равных условиях, заключаются в следующем: вертикальные смещения пород кровли в 9−10 раз меньше над угольными целиками по сравнению со смещениями в выемочной камере при коэффициенте извлечения соответственно 0,3−0,8- над каждым угольным целиком в кровле возникает зона сжимающих напряжений.

8. Установлена эмпирическая зависимость смещений пород кровли от основных горно-геологических факторов, согласно которой смещения пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки возрастают при увеличении ширины камеры, угла падения пласта, мощности пласта, шага обрушения пород основной кровли, глубины разработки и уменьшаются при увеличении предела прочности угля на сжатие, ширины угольного целика, шага обрушения пород непосредственной кровли.

9. Технологические требования для создания новой горной техники отработки локальных участков угольных пластов классифицируются по условиям применения механического транспорта (угол падения пластов до 12°), самотечного гидротранспорта (угол падения пластов до 13−35°) и гравитационного транспорта (угол падения пластов более 35°) горной массы. Соответственно разработаны требования к трем комплектам оборудования, включающим дистанционно управляемый выемочный агрегат, средства транспорта и крепления выработок.

10. Результаты исследований внедрены в виде проектов строящихся и технологических схем действующих малых шахт с экономическим эффектом 17,2 млн руб./год, долевое участие автора составляет 83%.