Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров технологии разработки пологих угольных пластов столбами по восстанию с размещением транспортного горизонта на поверхности

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров технологии разработки пологих угольных пластов столбами по восстанию с размещением транспортного горизонта на поверхности"

На правахлукописи

КОКАРЕВ Константин Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ СТОЛБАМИ ПО ВОССТАНИЮ С РАЗМЕЩЕНИЕМ ТРАНСПОРТНОГО ГОРИЗОНТА НА ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013 005542928

Екатеринбург - 2013

005542928

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - Валиев Нияз Гадым-оглы,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Корнилков Михаил Викторович, доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой шахтного строительства ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Черев Дмитрий Алексеевич, кандидат технических наук, директор

ООО «Институт промышленной безопасности»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государ-

ственный технический университет им. Г. И. Носова»

Защита состоится «25» декабря 2013 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат диссертации разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Багазеев В. К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Россия во все времена была и остается одной из ведущих угольных держав мира, как по величине запасов, так и по объемам добычи угля. Мировое потребление угля за последние 10 лет выросло почти на 50 процентов. Правительство РФ утвердило разработанную Минэнерго России долгосрочную Программу развития угольной отрасли на период до 2030 года. Согласно программе, к 2030 году добыча угля вырастет до 430 млн т и будет осуществляться на 82 разрезах и 64 шахтах, а уровень производительности труда (добыча угля на одного занятого) в 5 раз превысит показатель 2010 года. Базовыми являются три целевых критерия: энергетическая, экономическая и экологическая эффективность.

Анализ состояния шахтного фонда показал, что с внедрением высокопроизводительной техники выявилось несоответствие схем вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов шахт параметрам современного горношахтного оборудования, особенно для пологих пластов средней мощности.

Существующие схемы вскрытия и подготовки шахтного поля с большой протяженностью подготовительных и вскрывающих выработок рассчитаны на достижение годовой производительности шахты путем достаточного количества одновременно действующих очистных забоев. При проектировании новых шахт необходимо применять более совершенные технологические решения пп вскрытию, подготовке и отработке запасов \тля путем снижения протяжённости выработок за счет размещения транспортного горизонта на поверхности. Решение этой задачи является актуальным и возможным для пологих угольных пластов средней мощности с глубиной залегания до 600 м.

Объект исследования - пологие угольные пласты средней мощности неглубокого залегания.

Предмет исследования — технология вскрытия и подготовки шахтных полей к выемке.

Цель работы — обоснование параметров технологии разработки пологих угольных пластов неглубокого залегания автономными столбами по восстанию.

Основная идея работы состоит в разработке угольных пластов столбами по восстанию на всю глубину шахтного поля и размещении основного транспортного горизонта на поверхности, позволяющей увеличить экономическую эффективность горного производства и безопасность горных работ.

Задачи исследования:

1. Анализ технологии вскрытия, подготовки и очистной выемки при разработке угольных месторождений.

2. Разработка вариантов технологических схем отработки пластов пологого залегания на всю глубину шахтного поля для различных условий.

3. Создание экономико-математической модели по обоснованию параметров технологии разработки пологих уолг.ных пластов средней мощности

столбами по восстанию. Оптимизация параметров выемочного участка по минимуму затрат.

4. Определение эффективности предлагаемых вариантов технологии в различных горно-геологических условиях.

5. Сравнительный технико-экономический анализ применения традиционных способов разработки угольных пластов и предлагаемого способа.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов решения задач в горном деле, включающий:

методы численного моделирования и компьютерного экспериментирования над математическими моделями;

методы экономико-математического моделирования технологических процессов;

оптимизацию параметров технологии отработки пологих угольных пластов столбами по восстанию по минимуму затрат.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

- размещение транспортного горизонта на поверхности при разработке автономными столбами обеспечивает экономическую эффективность и безопасность разработки пологих угольных пластов средней мощности;

- экономико-математическая модель по обоснованию параметров технологии разработки столбами по восстанию построена с учетом глубины заложения выработок, устойчивости вмещающих пород, технологических параметров проходки, условий поддержания, транспорта полезного ископаемого и очистной выемки;

- использование автономных столбов экономически целесообразно при мощности наносов до 45-70 м; с применением дренажного горизонта до 75100 м.

Научная новизна результатов исследований:

- доказана возможность более эффективной отработки угольных месторождений столбами по восстанию на всю глубину шахтного поля по сравнению с традиционными способами;

- разработана экономико-математическая модель определения основных технологических параметров выемочного столба при разработке пологих угольных пластов столбами по восстанию на всю глубину шахтного поля;

- для разработанных технологических схем отработки пологих угольных пластов средней мощности определены оптимальные параметры: длина выемочного столба, очистного забоя и размер шахтного поля по простиранию в зависимости от горно-геологических условий;

- обоснована область эффективного применения автономных столбов для разработки пологих угольных пластов средней мощности в различных горно-геологических условиях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- сопоставимостью результатов, полученных компьютерным экспериментированием над математическими моделями и аналитическим путем;

- представительным объемом данных, полученных компьютерным экспериментированием, на основе которых найдены оптимизированные значения параметров технологии;

-соответствием результатов моделирования показателям работы угольных шахт России.

Практическая значимость работы состоит в разработке технологических схем и рекомендаций для отработки пологих угольных пластов средней мощности столбами по восстанию.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований и их решении, разработке экономико-математических моделей и компьютерных экспериментов над ними, анализе полученных результатов компьютерного экспериментирования и выявлении зависимостей, формулировании научных положений.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и её отдельные результаты докладывались на научных конференциях УГГУ в 2008-2012 гг., доклад в ОАО «Урапгипрошахт».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, 2 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, двух приложений, библиографического списка, включающего 109 наименований. Текст диссертации изложен на 168 страницах и содержит 11 таблиц, 71 рисунок.

Автор выражает благодарность научному руководителю, коллективу кафедры горного дела и Л.А. Важенину за неоценимую помощь в подготовке диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ технологии вскрытия, подготовки и очистной выемки при разработке угольных месторождений

В угольной промышленности России действует 205 угледобывающих предприятий (из них 84 шахты). В 2011 году проведено 479, 5 км горных выработок, в том числе вскрывающих и подготавливающих выработок - 378,6 км. Суточная нагрузка на комплексно-механизированный очистной забой значительно выросла с 90-х годов XX века и в 2012 г оду составила в среднем 3780 т/сут, а на отдельных шахтах - 8-10 тыс. т/сут.

Анализ шахтного фонда на основных угольных бассейнах страны за по-

следние 20 лет показал, что большинство шахт разрабатываются по традиционной технологии: вскрытие вертикальными или наклонными стволами, этажными/капитальными квершлагами и деление шахтного поля на выемочные ступени (табл. 1,2).

Таблица 1

Способы вскрытия при способах подготовки_

Способ подготовки Число шахт

общее вскрытых вертикальными стволами вскрытых наклонными стволами

Панельный 86 64 (38,1)* 22 (10,9)

Этажный 97 32(19,0) 65 (65,2)

Погоризонтный 37 22(13,1) 15(10,9)

Комбинированный 62 50 (29,8) 12(13,0)

*В скобках приведено число шахт (% от общего числа шахт), вскрытых вертикальными и наклонными стволами.

Таблица 2

Способы подготовки шахтных полей

Бассейн

Группы шахт, разрабатывающие пласты с углом падения, град Донецкий Кузнецкий Карагандинский Печорский

Способ подготовки ь- X л Э о ^ О § 3 З I X ж 3- О ь 3 о <=: о Н _ 3 £ 3 с 2 о. 5 и 3 « У о § Э о о н „ 1 а «° 5 Е- к >х 1 § ь 3 3 ю с; о И 11 У о

3* 5 І X ° і 3- ё і £ ч т ё 1 £

Панельный 78 32,1 17 56,6 - - 7 46,6

Менее 10 Этажный 55 23,8 7 23,4 8 34,8 3 20,0

Погоризонтный 37 15,2 - - 1 4,3 1 6,7

Комбинированный 60 28,6 6 20,0 14 60,9 4 26,7

Панельный 8 12 2 16,7 - - 1 25,0

10-35 Этажный 42 84,0 10 83,3 2 100 3 75,0

Комбинированный 2 4,0 - - - - - -

Более 35 Этажный 49 95,6 25 100,0 1 100,0 1 100

Комбинированный 2 4,4

Таблица 3

Удельные значения протяжённости поддерживаемых _н проводимых выработок_

Бассейн Удельная протяженность проводимых выработок (м на 1000 т) на шахтах со способом подготовки Удельная протяженность поддерживаемых выработок (м на 1000 т) на шахтах со способом подготовки

| панель нель-ный Й '5 сб л п Г) погори ризонт зонт-ный ком-бини-рован-ный панель цельный этажный погори ризонт зонт-ный ком-бини-рован-ный

Донецкий 12,5 14,8 12,3 13,2 73,5 84,5 63,3 76,9

Кузнецкий 8,0 12,7 - 9,2 40,0 50,5 - 45,4

Карагандинский - 9,6 6,8 8,4 - 54,7 31,6 47,9

Печорский 9,1 6,3 5,4 5,9 62,1 38,9 18,8 44,1

Совершенствование способов подготовки шахтных полей привело к серьезному увеличению протяженности проводимых и поддерживаемых выработок (табл. 3), многоступенчатости транспорта, усложнению проветривания горных выработок.

Анализ выявил, что традиционным способам вскрытия и подготовки пологих угольных пластов средней мощности присущи следующие недостатки:

- длительный срок строительства шахты;

- недостаточная надежность системы транспортирования полезного ископаемого из очистного забоя - значительный перепробег грузов под землей;

- большая протяженность поддерживаемых горных выработок, достигающая на отдельных шахтах 300 км;

- большая длина пути воздуха, значительные утечки и высокая депрессия шахты;

- низкая эффективность инвестиций в строительство шахт и большие сроки окупаемости вложений.

Для устранения приведенных выше недостатков необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать варианты технологических схем отработки пластов пологого залегания на всю глубину шахтного поля в различных условиях.

2. Создать экономико-математическую модель по обоснованию параметров технологии разработки пологих угольных пластов средней мощности столбами по восстанию. Оптимизировать ¡птлметры выемочного участка по минимуму затрат.

4. Определить горно-геологические условия эффективного применения автономных столбов.

5. Провести сравнительный технико-экономический анализ применения традиционных способов разработки угольных пластов с предлагаемым.

Разработка технологических схем отработки пластов пологого залегания на всю глубину шахтного поля

В последние годы новые подходы к проектированию горного производства развиваются в ИУУ СО РАН, КузГТУ, в проектных институтах. Для условий Кузнецкого бассейна в работах В. Д. Ялевского и В. А. Федорина разработаны схемы шахт с упрощенной инфраструктурой, названные «модульными шахтоучастками», позволяющие достичь высокой эффективности.

Способ разработки является продолжением идеи Л. А. Важенина, предложившего разработку угольных пластов автономными блоками и подразумевает вскрытие каждого выемочного столба наклонными выработками с поверхности и сооружение транспортного горизонта на поверхности.

Реализация способа выполняется следующим образом: с дневной поверхности сначала по наносам (под максимальным углом наклона конвейера) и далее по пласту проводятся две наклонные выработки 1, °, 3, <1 (рис. I). Нп

проектной глубине наклонные выработки соединяются монтажной камерой 5, в которой устанавливают все необходимое для ведения очистных работ оборудование и отрабатывают выемочный столб по восстанию. Для облегчения проветривания выработок при проходке их соединяют диагональной сбойкой 6. Отбитый в очистном забое уголь по главной наклонной выработке транспортируют конвейером на дневную поверхность.

а - поперечный разрез по наклонной выработке; б - совмещенный план поверхности и работ по пласту

Вспомогательные материалы и оборудование из складских помещений перевозят по поверхности до устья вспомогательной выработки 3, далее по этой выработке транспортируют до очистного забоя 7 без маневров и перегрузки монорельсовым транспортом 8. Транспортирование угля по поверхно-

сти производится конвейерными галереями 9. Людей перевозят в людских вагонетках непосредственно от административно-бытового комбината до очистного забоя также без маневров и пересадок.

Для целей проветривания выработок, оконтуривающих выемочный столб, около устья вспомогательной выработки устанавливают два вентилятора (один рабочий, другой - резервный) и калорифер. Воздух в выработку подают по вентиляционному каналу 10. Для предотвращения утечек воздуха устье вентиляционной выработки оборудуют шлюзом (рис. 2).

Разработка угольных пластов может быть реализована в нескольких вариантах для различных горно-геологических условий. В данной работе исследования проводились для схем с охраной подготовительных выработок целиками, с проведением парных выработок и бесцеликовых схем - с оставлением выработок для повторного использования и схемы с отработкой шахтного поля в шахматном порядке с проведением выработок вприсечку к выработанному пространству.

Предлагаемый способ требует минимального объема проходки выработок, позволяет повысить эффективность и безопасность горных работ путем размещения транспортного горизонта на поверхности и возможности автономного функционирования выемочного столба.

При большой обводненности угольных пластов в центре шахтного поля по пласту угля проводятся два наклонных ствола, а на нижней границе шахтного поля — монтажный и дренажный штреки. В остальном способ реализуется таким же образом.

При экономически нецелесообразном использовании автономных выемочных столбов, связанном с большой мощностью наносов, предлагается применять варианты технологических схем с проведением наклонных транспортного 11 и вентиляционного 12 стволов со сбойками 13 и вентиляционного 14 и откаточного 15 штреков под наносами, соединяемых сбоечной печью 16 (рис. 3).

- Свежая струя воздуха:---- Отработанная струя воздуха.

•—— Направление движения транспорта:

Рис. 2. Схема выемочного столба

Рис. 3. Схема разработки пласта при вскрытии наклонными стволами, с оставлением непрорезаемых целиков

Данная схема в настоящий момент не полностью соответствует действующим Правилам безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03, 2004 г.), в части направления движения свежей струи воздуха. Однако необходимо отметить, что она предлагается для применения на небольших глубинах в зоне газового выветривания (угол падения пластов до 12°), поскольку в данных условиях не будет увеличиваться опасность горных работ по фактору проветривания.

В случае, когда угольные пласты сильно обводнены и большая мощность наносов не позволяет использовать автономные столбы, предлагается использовать технологические схемы со вскрытием шахтного поля наклонными стволами, проведением откаточного и вентиляционного штреков под наносами и монтажного и дренажного штреков на нижней границе шахтного поля. Эти штреки также могут использоваться для подачи свежей струи воздуха в целях обеспечения подачи воздуха из нижней точки.

Предлагаемые технологические схемы выемочного столба обладают такими достоинствами, как:

- высокая пропускная способность всех последовательных элементов технологической схемы;

- минимальная удельная протяженность проводимых, подготовительных и выемочных выработок;

- непрерывность транспортирования горной массы из очистного забоя до поверхности;

- возможность погрузки угля сразу в транспортные средства для доставки потребителю или на обогатительную фабрику;

- отсутствие перегрузочных операций на вспомогательном транспорте;

- обеспечение минимальных, экономически обоснованных потерь угля;

- исключение взаимного влияния очистных и подготовительных забоев;

- обеспечение автономности работы очистного забоя по условиям транспорта;

- применение эффективных способов охраны выработок с безремонтным их поддержанием;

- возможность неограниченного наращивания производственной мощности шахты;

- высокая безопасность и надежность;

- высокие технико-экономические показатели.

Создание экономико-математической модели по обоснованию параметров технологии разработки пологих угольных пластов средней мощности столбами по восстанию

Теорию и практику математического моделирования горных предприятий начали создавать в начале XX века Б. Н. Бокий и Л. Д. Шевяков. В дальнейшем работу в этом направлении продолжали А. С. Попов [59], П. 3. Звягин, А. П. Судоплатов, В. И. Голомзин, Н. Г. Капустин, А. П. Килячков, А. М. Курносов, С. М. Липкович, С. С. Квон, Е. И. Рогов, К. И. Татомир и др.

В каждом конкретном случае экономико-математические модели разрабатываются с определенной целью, следовательно, модель должна в наибольшей мере обеспечивать достижение поставленной цели. В нашем случае ставится цель создания исследовательской модели, которая позволит определить параметры технологических схем отработки пологих пластов средней мощности столбами по восстанию.

В качестве критерия оптимальности параметров принимаем величину удельных эксплуатационных расходов на вскрытие, подготовку и отработку запасов выемочного столба.

В общем случае математическая модель расходов в выемочном поле может быть сформулирована так:

С = /ОозЛт.З) гшп, (1)

где 103 - длина очистного забоя, м;

/ст - длина выемочного столба, м;

5 - размер шахтного поля по простиранию, м.

Значение критерия формируется путем суммирования отдельных расходов:

С = £ С"? + £ Спод + £ Стр + £ С03 + £ См~д, (2)

где £ Спр - удельные расходы на проведение всех протяженных горных выработок в пределах выемочного поля руб/т;

£ Спод - расходы на поддержание горных выработок, руб/т;

£ Стр - расходы на транспорт грузов по выработкам, руб/т;

£ С03 - расходы на добычные работы в очистном забое, руб/т;

£ См~д - расходы на монтаж-демонтаж оборудования, руб/т.

К рассмотрению принимается 16 технологических схем разработки пологих угольных пластов на всю глубину шахтного поля: схемы с оставлением непрорезаемых целиков, с проведением парных выработок, с оставлением выработок для повторного использования и с проведением выработок впри-сечку к выработанному пространству.

В экономико-математической модели технологии разработки столбами по восстанию учитываются следующие факторы:

- горно-геологические (мощность пласта, мощность наносов, угол падения пласта, устойчивость вмещающих пород, обводненность угольных пластов)

- горнотехнические (длина выемочного столба, длина очистного забоя, размер шахтного поля по простиранию, производственная мощность очистного забоя, способ охраны выработки, размеры целиков, глубина заложения выработок, поперечное сечение горных выработок)

- социально-экономические (стоимость материалов, машин и оборудования, электроэнергии, заработная плата рабочих, количество рабочих дней в году)

Таким образом, математическая модель по обоснованию параметров построена с учетом технологических параметров проходки, поддержания, транспорта и очистной выемки.

Оптимизация параметров выемочного участка по мииимуму затрат

Для автономных столбов основными параметрами являются длина очистного забоя (/03) и длина выемочного столба (/„).

Для экономико-математических моделей указанных схем целевая функция в обобщенных коэффициентах имеет вид:

С = СХ +с2103 + с31Ст+г + г + гг- <3>

Частные производные по 103, примут вид:

дС _ Э(оз ~ с2 с4 ¡о2з С6 1 I2 1СГГ103

дС д1„ ~ С3 с5 & с6 1 I2 ' 1оз чл

Приравнивая к нулю частные производные и проведя некоторые преобразования, получим систему уравнений:

1° =

1° 1-Г-Г

I

С5+

(5)

где ¿оз, - оптимальная длина соответственно очистного забоя и выемочного столба, м.

В результате проведенных компьютерных экспериментов построены графики зависимостей для широкого диапазона условий: нагрузки на очистной забой от 1 до 10 тыс. т, длины очистного забоя от 10 до 500 м и длины столба от 100 до 5000 м. При изучении изменения одного параметра использовались оптимальные значения остальных.

На рис. 4 показана зависимость длины лавы от мощности пласта при различных значениях суточной нагрузки. а б

200 300 400 500 Длина очистного забоя, м

100 200 300 400 Длина очистного забоя, м

Рис. 4. Изменение длины очистного забоя, при различных значениях мощности пласта, со значениями суточной нагрузки: а - 4000 т/сут; б - 10000 т/сут

Многочисленные эксперименты показали, что значение длины лавы при любых значениях мощности пласта и с суточной нагрузкой свыше 4000 т следует принимать 120 м и более. При меньших значениях длины очистного

забоя наблюдается резкий рост учтенных эксплуатационных расходов, что справедливо для всех вариантов технологических схем разработки угольных пластов автономными столбами по восстанию. При этом, длина лавы, возможной к применению в определенных условиях - это не точка с конкретным значением, а диапазон в рамках погрешности вычислений.

На рис. 5 показана зависимость длины выемочного столба при отработке пласта автономными столбами с оставлением прорезаемых целиков. Изменение длины выемочного столба имеет похожую динамику. При суточной нагрузке 3000 т диапазон возможной длины столба находится в пределах 1500 - 3000 м при т = 1 м и 1400-2600 м - для остальных значений мощности пласта (рис. 5, а).

а 350

з ззо |

О 1000 2000 3000 4000 Длина выемочного столба, м

5000

1000 2000 3000 4000 5000 Длина выемочного столба, м

1000 2000 3000 4000 Длина выемочного столба, м

5000

Рис. 5. Изменение длины выемочного столба при значениях суточной нагрузки: а - 3000 т/сут; б - 7000 т/сут; е- 10000 т/сут

При увеличении суточной нагрузки до 7 - 10 тыс. т в сутки (см. рис. 5, б, в) для пластов мощностью 2-5 м оптимальные значения длины выемочного столба примерно одинаковы, диапазон длины выемочного столба увеличивается, кривая зависимостей выполаживается и составляет от 1500 до 5000 м при любой мощности пласта, и лишь при значениях менее 1200 м наблюдается резкое увеличение учтенных эксплуатационных затрат.

Для схем с непрорезаемыми целиками, оставлением выработок для повторного использова-

ния и с проведением выработок вприсечку к выработанному пространству получены подобные результаты.

Увеличение длины выемочного столба сопровождается ростом стоимости транспортирования полезного ископаемого, увеличением затрат на проведение и поддержание выработок, при этом увеличивается количество вынимаемых запасов.

Рост длины очистного забоя ведет к увеличению затрат на монтажно-демонтажные работы, увеличиваются количество рабочих, затраты, пропорциональные длине забоя на материалы, оборудование, электроэнергию, также при этом увеличивается количество вынимаемых запасов.

Рост суточной нагрузки на очистной забой ведет к увеличению оптимальных значений длины выемочного столба и очистного забоя (рис. 6).

Суточная нагрузка на очистной забой, т/сут

Рис. 6. Изменение оптимальных длин очистного забоя (1) и выемочного столба (2) при изменении суточной нагрузки на очистной забой при мощности пласта 3 м

Увеличение мощности пласта снижает значения оптимальных параметров при заданной нагрузке. Это объясняется тем, что с увеличением вынимаемой мощности пласта значительно увеличивается стоимость оборудования, применяемого в очистном забое, и его амортизация.

Определение области эффективного применения предлагаемых

схем

В настоящее время область применения способа разработки столбами по восстанию ограничена технической возможностью использования механизированных комплексов. Так как для работы по падению и восстанию используется оборудование, разработанное для выемки угля столбами по простиранию, то максимальный угол падения пласта составляет 12°. При совершенствовании оборудования для работы в заданных условиях область применения увеличится. Также для расширения области применения предлагаемых технологических схем могут использоваться струговые установки, с

возможностью эффективной работы при углах свыше 12°. В нашей работе моделирование проводилось только для комбайновой выемки угля.

При определении области эффективного применения автономных выемочных столбов возникает необходимость определения горно-геологических условий, при которой применение автономных столбов становится экономически неэффективным и предпочтителен переход на технологические схемы отработки с проведением наклонных стволов и расположением транспортного горизонта под наносами.

Эксперименты над экономико-математической моделью показали, что эффективная область применения автономных столбов без дренажного горизонта находится в диапазоне мощности наносов 45-70 м, в зависимости от применяемого способа отработки (с оставлением целиков или бесцеликовым) в сравнении со способом с размещением транспортного горизонта под наносами (рис. 7, а).

Мощность наносов, лл

Мощность наносов, м

Рис. 7. Графики для выбора технологических схем: а - без дренажного горизонта: 1,3- соответственно, автономными столбами с оставлением целиков и сохранением выработок; 2, 4 - то же с транспортным горизонтом;

б - с дренажным горизонтом: 5, 6 - соответственно, автономными столбами с оставлением целиков и сохранением выработок; 7, 8 - то же с транспортным горизонтом

При сравнении способов с использованием дренажного горизонта область применения автономных столбов находится при мощности наносов до 75 м при отработке с оставлением непрорезаемых целиков и до 100 м при

сравнении схем с сохранением выработок для повторного использования (рис. 7, б).

В экономической практике известно много различных показателей, применяемых в качестве критериев оценки тех или иных вариантов разработки угольных пластов и определения эффективности производства.

В данной работе было произведено сравнение предлагаемого способа с традиционными способами отработки угольных пластов по нескольким экономическим критериям: сроку строительства шахты, прямым нормируемым затратам на горные работы, чистому дисконтированному доходу (ЧДЦ).

На рис. 8 показан график сравнения сроков окупаемости капитальных вложений для разных способов отработки угольных пластов.

Рис. 8. Срок окупаемости капитальных затрат при использовании 100 % собственных средств (цена угля 1015 руб./г): 1 - лава-этаж; 2 - деление на подэтажи; 3 - погоризонтный; 4 - панельный; 5 - автономные столбы

ЧДД рассчитывается при оценке экономической эффективности инвестиций для потоков будущих платежей (рис. 9). Дисконтирование выполняется по заданной ставке:

- для собственных средств норма дисконтирования принимается равной годовой процентной ставке по депозитным вкладам банков первой категории надежности - 7,25 % (на 4-й квартал 2013 г.);

- для заемных средств ставка равна среднерыночной годовой процентной ставке по промышленным кредитам - 19,5 % (на 4-й квартал 2013 г.).

В случае использования и собственных, и заемных средств норма дисконтирования рассчитывается как средневзвешенная стоимость капитала Р ■

^срв •

£срв = (СС хПД + ЗСх ПК)/(СС + 3С), (8)

где СС, 3С - соответственно сумма собственных и заемных средств, руб.; ПД, ПК - соответственно ставка процентов по кредиту и депозитным вкладам, доли.

Рис. 9. Чистый дисконтированный доход без учета налоговых обязательств: а - при использовании 100 % собственных средств; 6 - при использовании 50 % собственных средств и 50% заемных; 1 - лава-этаж; 2 — деление на подэтажи; 3 - панельный; 4 - погоризонтный; 5 -автономные столбы

Графики показывают, что чистый дисконтированный доход (горизонт расчета 5 лет и отпускная цена 1 т угля 1015 руб.) при использовании предлагаемого способа при 100 % собственных средств в 3 раза выше традиционных. ЧДД от автономных столбов по восстанию при использовании 50 % заемных средств в 6 раз превышает традиционные способы разработки пологих угольных пластов средней мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

г 4 000

3 500

3 000

ю

о. 2 500

и

£ 2 000

1500

X 1 000

500

6 3 000

2 500

>- 2 000 о.

•Ь 1500

5 1 000 т

500 0

При достижении поставленной цели и решении задач диссертационного исследования автором получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработаны технологические схемы отработки пологих угольных пластов средней мощности автономными столбами по восстанию на всю глубину шахтного поля с расположением транспортного горизонта на поверхности и с возможностью сооружения дренажного горизонта на нижней границе шахтного поля. При экономически нецелесообразном использовании автономных столбов предлагается использовать схемы с расположением транспортного горизонта под наносами.

2. Создана экономико-математическая модель для определения параметров технологии разработки пластов столбами по восстанию на всю глубину шахтного поля, позволяющая устанавливать оптимальные параметры технологических схем отработки пологих угольных пластов средней мощности, а именно: длину очистного забоя, длину выемочного столба и размер шахтного поля по простиранию в различных горно-геологических условиях при разных значениях производительности очистного забоя и мощности угольного пласта, с учетом глубины, устойчивости вмещающих пород, технологических параметров проходки, условий поддержания и транспорта полезного ископаемого.

3. Разработана экономико-математическая модель для определения области эффективного применения технологии отработки пологих угольных пластов столбами по восстанию на всю глубину шахтного поля позволяющая установить горно-геологические условия, при которых следует переходить от технологии с размещением транспортного горизонта на поверхности к расположению его под наносами. Схемы с размещением транспортного горизонта под наносами следует применять при мощности наносов свыше 45-70 м, в зависимости от способа отработки. При сравнении схем с дренажным горизонтом граничное значение мощности наносов - 75-100 м.

4. Результаты исследований показывают, что оптимальная длина лавы в рассматриваемых условиях варьируется от 50 до 500 м. Для значений суточной нагрузки свыше 4000 т/сут установлено, что значение длины лавы при мощности пласта 1 -2 м следует принимать не менее 300 м. На пластах мощностью 3-5 м с увеличением нагрузки оптимальные значения длины очистного забоя снижаются, тем не менее диапазон длин расширяется - 150-200 м при нагрузке 4000 т/сут и 200-400 м - при 10 тыс. т в сутки. Доказано, что длину лавы при любых значениях мощности пласта и с суточной нагрузкой свыше 4000 т следует принимать 120 м и более. При меньших значениях длины очистного забоя наблюдается резкий рост учтенных эксплуатационных расходов.

5. Оптимальная длина выемочного столба при суточной нагрузке 10003000 т изменяется в пределах 1500-3000 м при т = 1 м и 1400-2600 м - для остальных значений мощности пласта. При увеличении суточной нагрузки до 7-10 тыс. т для пластов мощностью 2-5 м оптимальные значения длины столба примерно одинаковы и в диапазоне от 1500 до 5000 м может приниматься подходящее по горно-геологическим условиям значение. При длине менее 1200 м наблюдается резкое увеличение учтенных эксплуатационных затрат.

5. Рост суточной нагрузки на очистной забой ведет к увеличению оптимальных значений длины выемочного столба, очистного забоя и размера шахтного поля по простиранию. Увеличение мощности пласта снижает значения оптимальных параметров при заданной нагрузке. Это объясняется тем, что с увеличением вынимаемой мощности пласта значительно увеличивается стоимость оборудования, применяемого в очистном забое, и его амортизация.

6. Увеличение мощности пласта ведет к сокращению области эффективного применения автономных столбов; рост суточной нагрузки увеличивает возможности применения схем разработки автономными столбами; доказано также, что большое влияние имеет снижение устойчивости вмещающих пород, при неустойчивых породах увеличиваются граничные значения мощности наносов для применения автономных столбов.

8. Произведенный сравнительный анализ традиционных технологий и предлагаемого способа показал, что:

- удельная протяженность поддерживаемых выработок при разработке предлагаемым способом в 4-5 раз ниже традиционных способов в аналогичных условиях.

- срок строительства шахты при разработке угольных пластов автономными столбами в 3-5 раз меньше;

- дисконтированный срок окупаемости капитальных вложений в 6-9 раз меньше;

- прямые нормируемые затраты на горные работы в 2,5 раза ниже, чем наиболее простой этажный способ подготовки шахтного поля и в 6 раз ниже панельного способа;

9. Чистый дисконтированный доход в пределах горизонта расчета (5 лет) от применения схемы с использованием автономных столбов по восстанию выше традиционных:

- в 3 раза, при использовании собственных средств;

- в 6 раз, при 50 % собственных средств и 50 % заемных;

- при использовании 100 % заемных средств имеет положительный ЧДД, в отличие от традиционны способов.

Дисконтированный индекс доходности в 2-3 раза выше, чем при традиционных способах.

10. Повышение безопасности от применения предлагаемого способа обеспечивается размещением транспортного горизонта на поверхности, что сокращает количество людей, работающих под землей.

11. Разработка пологих угольных пластов автономными столбами по восстанию позволяет варьировать значения годовой производительности шахты в зависимости от потребностей рынка, неограниченно наращивать или снижать объемы добычи вследствие автономности работы выемочных столбов.

12. Дальнейшие исследования по применению технологии разработки пологих угольных пластов средней мощности возможно вести в нескольких направлениях:

- расширение области применения способа за счет применения струговых установок и совершенствования добычного оборудования;

- открыто-подземная разработка пологих угольных пластов: совместное использование производственной инфраструктуры разреза; использование техники угольного разреза при вскрытии пластов, для подземной добычи; дренаж, осушение поля разреза в подземных условиях.

- безлюдная выемка бурошнековым оборудованием.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

Работы, опубликованные в ведущих реиензируемых научных журналах, определенных ВАК России:

1. Кокарев К. В. Влияние горно-геологических условий на работу комбайна в лаве по челноковой схеме / К. В. Кокарев, Н. Г. Валиев, А. Д. Голот-вин // Известия вузов. Горный журнал. - 2012. - № 4. - С. 17-19.

2. Кокарев К. В. Определение глубины области разрушения пород почвы пласта при выемке его лавой / К. В. Кокарев, А. Д. Голотвин. - М., 2011.— Деп. в Горном информационно-аналитическом бюллетене 18.07.11, №844/10-11.

Работы, опубликованные в других гаданиях:

1. Кокарев К. В. К подземной разработке угля / К. В. Кокарев, Д. А. Пьянков, Е. А. Иванчин // Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа - регионам»: сборник докладов. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011.-С. 270-271.

2. Кокарев К. В. Возможность работы комбайна по челноковой схеме / К. В. Кокарев, А. Д. Голотвин, Е. А. Иванчин // Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа — регионам»: сборник докладов. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011. - С. 252.

3. Тюлькин В. П. Геомеханическое обоснование технологии отработки угольных пластов с сохранением подготовительных горных выработок для повторного использования на шахтах Черногорского месторождения / В. П. Тюлькин, К. В. Кокарев // Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа - регионам»: сборник докладов. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. - С. 105-106.

4. Тюлькин В. П. Влияние технологических параметров выемочных участков на расположение и ширину пожароопасной зоны в выработанном пространстве / В. П. Тюлькин, К. В. Кокарев // Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа - регионам»: сборник докладов. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2010. - С. 106-107.

Подписано в печать 19.11.13 Формат 60><84 1/16 Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0._Тираж 115 экз._Заказ № 65._

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГТУ

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кокарев, Константин Владимирович, Екатеринбург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

04201455849

КОКАРЕВ КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ СТОЛБАМИ ПО ВОССТАНИЮ С РАЗМЕЩЕНИЕМ ТРАНСПОРТНОГО ГОРИЗОНТА НА ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 25.00.22 — «Геотехнология (подземная, открытая

и строительная)»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор Валиев Нияз Гадым-оглы

Екатеринбург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................. 5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ.......................... 9

1.1. Анализ схем вскрытия и подготовки пологих угольных пластов средней мощности на шахтах России........................................................ 10

1.2. Анализ зарубежного опыта вскрытия и подготовки пологих угольных пластов....................................................................................... 23

1.3. Выводы по главе и задачи исследований...................................... 29

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВ ПОЛОГОГО ЗАЛЕГАНИЯ СТОЛБАМИ ПО ВОССТАНИЮ НА ВСЮ ГЛУБИНУ ШАХТНОГО ПОЛЯ...................................................................... 31

2.1. Технологические схемы разработки необводненных пластов автономными выемочными столбами по восстанию при небольшой мощности наносов........................................................................................ 35

2.2. Технологические схемы разработки обводненных пластов автономными выемочными столбами по восстанию при небольшой мощности наносов с проведением дренажного и монтажного штреков.................... 41

2.3. Технологические схемы разработки необводненных пластов столбами

по восстанию с размещением откаточного горизонта под наносами......... 45

2.4. Технологические схемы разработки обводненных пластов столбами по восстанию с размещением откаточного горизонта под наносами и с проведением дренажного и монтажного штреков...................................... 49

2.5. Выводы по главе................................................................... 54

3. РАЗРАБОТКА ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ СТОЛБАМИ ПО ВОССТАНИЮ................................... 55

3.1. Обоснование метода исследований. Выбор критерия оптимальности............................................................................................................................................................55

3.2. Экономико-математическая модель технологии отработки пологих угольных пластов средней мощности столбами по восстанию.................. 59

3.2.1. Моделирование затрат в очистном забое и на монтажно-демонтажные работы...................................................................... 62

3.2.2. Моделирование вариантов отработки необводненного угольного пласта автономными столбами по восстанию....................................... 64

3.2.3. Моделирование вариантов отработки обводненных угольных пластов автономными столбами по восстанию..................................... 69

3.2.4. Моделирование вариантов отработки необводненного угольного пласта столбами с транспортным горизонтом под наносами..................... 73

3.2.5. Моделирование вариантов отработки обводненного угольного пласта столбами с транспортным горизонтом под наносами..................... 75

3.3. Выводы по главе.................................................................... 76

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА ПО МИНИМУМУ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАТРАТ..................................... 77

4.1. Общие положения.................................................................. 77

4.2. Реализация модели......................................................................... 78

4.2.1. Определение оптимальных параметров автономных столбов...... 78

4.2.2. Определение оптимальных параметров автономных столбов для обводненных пластов..................................................................... 85

4.2.3. Определение оптимальных параметров технологии разработки необводненных пластов с транспортным горизонтом под наносами........... 92

4.2.4. Определение оптимальных параметров технологии обводненных пластов с транспортным горизонтом под наносами................................ 96

4.3. Выводы по главе.................................................................... 102

5. ОБОСНОВАНИЕ ОБЛАСТИ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ СХЕМ............................................................. 103

5.1. Методика определения предельной величины мощности наносов для эффективного применения автономных столбов по восстанию.................. 104

5.2. Сравнительный технико-экономический анализ предлагаемой технологии и традиционных способов разработки угольных пластов................. 111

5.3. Выводы по главе.................................................................... 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................. 122

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................. 126

Приложение 1. Математическая модель вариантов технологических схем

разработки столбами по восстанию на всю глубину шахтного поля............ 136

Приложение 2. Месторождения и геологические участки, подходящие для применения предлагаемой технологии................................................ 167

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Россия во все времена была и остается одной из ведущих угольных держав мира, как по величине запасов, так и по объемам добычи угля. Мировое потребление угля за последние 10 лет выросло почти на 50 процентов. Правительство РФ утвердило разработанную Минэнерго России долгосрочную Программу развития угольной отрасли на период до 2030 года. Согласно программе, к 2030 году добыча угля вырастет до 430 млн т и будет осуществляться на 82 разрезах и 64 шахтах, а уровень производительности труда (добыча угля на одного занятого) в 5 раз превысит показатель 2010 года. Базовыми являются три целевых критерия: энергетическая, экономическая и экологическая эффективность.

Анализ состояния шахтного фонда показал, что с внедрением высокопроизводительной техники выявилось несоответствие схем вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов шахт параметрам современного горношахтного оборудования, особенно для пологих пластов средней мощности.

Существующие схемы вскрытия и подготовки шахтного поля с большой протяженностью подготовительных и вскрывающих выработок рассчитаны на достижение годовой производительности шахты путем достаточного количества одновременно действующих очистных забоев. При проектировании новых шахт необходимо применять более совершенные технологические решения по вскрытию, подготовке и отработке запасов угля путем снижения протяжённости выработок за счет размещения транспортного горизонта на поверхности. Решение этой задачи является актуальным и возможным для пологих угольных пластов средней мощности с глубиной залегания до 600 м.

Объект исследования - пологие угольные пласты средней мощности неглубокого залегания.

Предмет исследования - технология вскрытия и подготовки шахтных полей к выемке.

Цель работы - обоснование параметров технологии разработки пологих угольных пластов неглубокого залегания автономными столбами по восстанию.

Основная идея работы состоит в разработке угольных пластов столбами по восстанию на всю глубину шахтного поля и размещении основного транспортного горизонта на поверхности, позволяющей увеличить экономическую эффективность горного производства и безопасность горных работ.

Задачи исследования:

1. Анализ технологии вскрытия, подготовки и очистной выемки при разработке угольных месторождений.

2. Разработка технологических схем отработки пластов пологого залегания на всю глубину шахтного поля.

3. Создание экономико-математической модели по обоснованию параметров технологии разработки пологих угольных пластов средней мощности столбами по восстанию. Оптимизация параметров выемочного участка по минимуму затрат.

4. Исследование горно-геологических условий эффективного применения автономных столбов.

5. Сравнительный технико-экономический анализ применения традиционных способов разработки угольных пластов и предлагаемого способа.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов решения задач в горном деле, включающий:

- методы численного моделирования и компьютерного экспериментирования над математическими моделями;

- методы экономико-математического моделирования технологических процессов;

- оптимизацию параметров технологии отработки пологих угольных пластов столбами по восстанию по минимуму затрат.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

- размещение транспортного горизонта на поверхности при разработке автономными столбами обеспечивает экономическую эффективность и безопасность разработки пологих угольных пластов средней мощности;

экономико-математическая модель по обоснованию параметров технологии разработки столбами по восстанию построена с учетом глубины заложения выработок, устойчивости вмещающих пород, технологических параметров проходки, условий поддержания, транспорта полезного ископаемого и очистной выемки;

- использование автономных столбов экономически целесообразно при мощности наносов до 45-70 м; с применением дренажного горизонта до 75-100 м.

Научная новизна результатов исследований:

-доказана возможность более эффективной отработки угольных месторождений столбами по восстанию на всю глубину шахтного поля по сравнению с традиционными способами;

-разработана экономико-математическая модель определения основных технологических параметров выемочного столба при разработке пологих угольных пластов столбами по восстанию на всю глубину шахтного поля;

-для разработанных технологических схем отработки пологих угольных пластов средней мощности определены оптимальные параметры: длина выемочного столба, очистного забоя и размер шахтного поля по простиранию в зависимости от горно-геологических условий;

- определены горно-геологические условия эффективного применения автономных столбов для разработки пологих угольных пластов средней мощности.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- сопоставимостью результатов, полученных компьютерным экспериментированием над математическими моделями и аналитическим путем;

- представительным объемом данных, полученных компьютерным экспериментированием, на основе которых найдены оптимизированные значения параметров технологии;

- соответствием результатов моделирования показателям работы угольных шахт России.

Практическая значимость работы состоит в разработке технологических схем и рекомендаций для отработки пологих угольных пластов средней мощности столбами по восстанию.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований и их решении, разработке экономико-математических моделей и компьютерных экспериментов над ними, анализе полученных результатов компьютерного экспериментирования и выявлении зависимостей, формулировании научных положений.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и её отдельные результаты докладывались на научных конференциях УГГУ в 20082012 гг., доклад результатов исследования в ОАО «Уралгипрошахт».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, 2 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, двух приложений, списка литературы, включающего 109 наименований. Текст диссертации изложен на 168 страницах и содержит 11 таблиц, 71 рисунок.

Автор выражает благодарность научному руководителю Н. Г. Валиеву, коллективу кафедры горного дела и, особенно, Л. А. Важенину за неоценимую помощь в подготовке диссертации.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ

Россия является одним из мировых лидеров по производству угля, занимает второе место по запасам и пятое место по объему добычи угля (более 320 млн т в год). Современная Россия обладает самой большой в мире ресурсной базой ископаемых углей; на долю России приходится треть мировых ресурсов угля и пятая часть разведанных запасов, из которых 80 % - энергетические угли [1, 2]. При существующем уровне добычи угля его запасов хватит более чем на 550 лет.

В угольной промышленности действует 205 угледобывающих предприятий (из них 84 шахты). Подземным способом в 2011 году добыто 100,9 млн т угля, статистика добычи угля подземным способом за последние 30 лет показана на рис. 1.1 [2].

Годы

Рис. 1.1. Статистика добычи угля подземным способом

В 2011 году проведено 479, 5 км горных выработок, в том числе вскрывающих и подготавливающих выработок - 378,6 км, что на 1,4 % меньше чем годом ранее [1].

Нагрузка на очистной забой является важным фактором, имеющим решающее влияние на технико-экономические показатели работы добычного участка и в целом шахты. Реструктуризация, проведенная с 1993 по 2003 г. вызвала закры-

тие 59 % шахт и связанные с эти отрицательные последствия, однако это привело и к положительным изменениям: реконструкции действующих предприятий, увеличению нагрузки на очистной забой за счет внедрения высокопроизводительной техники [3]. Динамика роста среднесуточной нагрузки на комплексно-механизированный забой показана на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Динамика среднесуточной нагрузки на комплексно-механизированный забой

Суточная нагрузка на комплексно-механизированный очистной забой имеет тенденцию к росту с 90-х годов двадцатого века и в 2012 году составила 3780 т/сут, а на отдельных шахтах 10-15 тыс. т/сут [1].

1.1. Анализ схем вскрытия и подготовки пологих угольных пластов средней мощности на шахтах России

Разнообразие залегания угольных пластов обуславливает применение различных способов вскрытия шахтных полей. На территории бывшего СССР преимущественно вскрытие осуществлено вертикальными стволами и капитальными (или этажными) квершлагами (56 %), наклонными стволами (43 %) и штольнями (1%) [2, 7].

Одним из важнейших направлений совершенствования технологии и повышения эффективности работы промышленных предприятий являлось внедрение

типовых технических решений [3,12]. Индивидуальные горно-геологические условия залегания угольных пластов для различных бассейнов России создают многообразие комбинаций схем вскрытия и подготовки шахтных полей (табл. 1.1, 1.2) [2,5,6,8,9,10,11].

Таблица 1.1

Способы подготовки шахтных полей

Бассейн

Донецкий Кузнецкий Карагандинский Печорский

Группы шахт, разрабатывающие пласты с углом падения, град Способ подготовки число шахт % от числа шахт данной группы число шахт % от числа шахт данной группы число шахт % от числа шахт данной группы число шахт % от числа шахт данной группы

Панельный 78 32,1 17 56,6 - - 7 46,6

Менее 10 Этажный 55 23,8 7 23,4 8 34,8 3 20,0

Погоризонтный 37 15,2 - - 1 4,3 1 6,7

Комбинированный 60 28,6 6 20,0 14 60,9 4 26,7

Панельный 8 12 2 16,7 - - 1 25,0

10-35 Этажный 42 84,0 10 83,3 2 100 3 75,0

Комбинированный 2 4,0 - - - - ~ -

Более 35 Этажный 49 95,6 25 100,0 1 100,0 1 100

Комбинированный 2 4,4

Таблица 1.2

Способы вскрытия при способах подготовки

Способ подготовки Число шахт

общее вскрытых вертикальными стволами вскрытых наклонными стволами

Панельный 86 64 (38,1)* 22(10,9)

Этажный 97 32 (19,0) 65 (65,2)

Погоризонтный 37 22(13,1) 15 (10,9)

Комбинированный 62 50 (29,8) 12(13,0)

*В скобках приведено число шахт (% от общего числа шахт), вскрытых вертикальными и наклонными стволами.

Данные в табл. 1.2 указаны для Донецкого бассейна, но на остальных бассейнах соотношение сохраняется [5].

Вскрытие наклонными стволами. В последнее время интерес к вскрытию наклонными стволами вновь возрос, чему способствовали увеличение произвол-

ственных мощностей шахт, концентрация и интенсификация горных работ, потребовавшие внедрения непрерывного вида транспорта угля - конвейерного, от очистного забоя до поверхности [7, 12]. С ростом глубины горных работ наблюдается тенденция уменьшения доли такого вскрытия.

В последнее время делаются попытки увеличить угол наклона конвейерных стволов за счет применения специальных типов конвейеров [7, 8, 9, 10, 11].

Наклонные стволы проводят с поверхности по наносам до встречи с пластом и далее по пласту до уровня транспортного штрека 1-го этажа, на котором сооружается околоствольный двор (рис. 1.3, а) или полевым параллельно пластам (рис. 1.3, б).

а

б

Рис. 1.3. Вскрытие шахтного поля наклонными стволами: а - ствол, пройденный по пласту; б - ствол, пройденный по пустым породам; 1 - наклонный ствол; 2 - этажный квершлаг

Распространенным способом подготовки шахтных полей при вскрытии их наклонными стволами является этажный. В России нет практически ни одного крупного бассейна или месторождения, на шахтах которых не применялась бы этажная схема подготовки шахтных полей в той или иной модификации. При этом она в основном используется при разработке пластов с углами падения бо-

лее 25°. В некоторых случаях она находит применение на пологих пластах. На практике встречаются различные варианты конструктивного оформления этого способа подготовки шахтного поля в зависимости от угла падения пласта и размеров шахтного поля [4, 5, 7, 9, 10, 13, 14, 15].

Этажный способ подгото