Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование рациональных параметров структурных элементов интегрированных технологий отработки запасов угольных месторождений

ВАК РФ 25.00.21, Теоретические основы проектирования горно-технических систем

Автореферат диссертации по теме "Обоснование рациональных параметров структурных элементов интегрированных технологий отработки запасов угольных месторождений"

На правах рукописи -

АГАФОНОВА АЛЬБИНА БОРИСОВНА

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.21 - «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

12 ДЕК 2013

Москва 2013 005543434

005543434

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет» Научный руководитель

Кузнецов Юрий Николаевич доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Ломоносов Геральд Георгиевич доктор технических наук, профессор ,

профессор кафедры «Технология подземной разработки рудных месторождений» ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Корчагина Татьяна Викторовна кандидат технических наук, главный

инженер ООО «Прокопгипроуголь» (г.Прокопьевск, Кемеровской обл.)

Ведущая организация Тульский государственный университет,

(г. Тула, Тульской области)

Защита диссертации состоится «30» декабря 2013г. в 16.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.03 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета Автореферат разослан «29» ноября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета /паши/ доктор технических наук Агафонов Валерий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Открытый способ отработки запасов угольных месторождений является наиболее безопасным и эффективным среди традиционных видов угледобывающих технологий. Основным ограничивающим фактором этого способа является неизбежный рост себестоимости угледобычи по мере увеличения глубины разработки и, как следствие, увеличения текущего коэффициента вскрыши, при достижении граничного значения которого дальнейшая эксплуатация месторождения становится экономически нецелесообразной. Следует отметить, что наличие сохранившейся инженерной и транспортной инфраструктуры, определенных объемов неизвлеченных запасов угля (в бортах и в донных частях траншей) создает определенные предпосылки для продолжения эксплуатации месторождения. В такой ситуации имевшийся до последнего времени арсенал угледобывающих технологий не имел должной свободы выбора помимо классического подземного способа угледобычи. Предопределяющим фактором таковой ситуации являлось совмещение работы разреза и строительства шахты, что требовало большого объема проведения проектных работ по увязке основных пространственно-планировочных решений совместной отработки запасов месторождения. Одним из технологических решений, устраняющих этот недостаток в переходный период, является технология угольных пластов с использованием комплексов их глубокой разработки (КГРП). Сдерживающим фактором для ее широкого внедрения являлось отсутствие надежной конструкции, обеспечивающей автоматическое под держание заданных режимов навигации исполнительного органа комплекса в плоскости угольного пласта, что в последующем было технически реализовано на инновационном уровне.

Учеными и специалистами ИПКОН, В НИМИ, ИГД им. A.A. Скочинского, ИФЗ РАН, Института угля и углехимии СО РАН, ИГД СО РАН, ВНИИгидроуголь, КузНИУИ, МГТУ, СПбГУ, КузГТУ, СибГИУ, Сибгипрошахт, Гипроуголь и многих других проектных, научно-исследовательских и вузовских организаций предложены отдельные методические аспекты обоснования параметров интегрированных технологий добычи угля, однако серьезной методической базы системного и комплексного обоснования проектных решений при открыто-подземном способе отработки запасов угольных месторождений в настоящее время отсутствует.

В связи с вышеизложенным тематика диссертации, направленная на разработку методических положений по обоснованию параметров интегрированных технологий освоения запасов угольных месторождений, с должным основанием может квалифицироваться как достаточно актуальная.

Целью диссертации является установление функциональных связей структурных элементов и обоснование параметров интегрированных технологий на базе открыто-подземного способа отработки запасов угольных

месторождений, способных адаптироваться к изменяющимся горногеологическим и горнотехническим условиям, а также к конъюнктуре рынка продукции на угольной основе.

Основная идея работы состоит в реализации объектно-ориентированного подхода к системной интеграции технологических схем открытой, подземной добычи угля и технологии КГРП, позволяющей рационально совмещать и обеспечивать требуемый уровень функционирования их в соответствии со спецификой горно-геологических условий.

Методы исследований: в работе использован комплекс методов, включающий: научное обобщение, анализ результатов ранее выполненных исследований в данной области, методы статистического, структурного и логического анализа, методы оптимизации контуров карьера, метод геомеханических расчетов, методы экономико-математического, технологического, вариативного и компьютерного моделирования, теории игр, корреляционно-регрессионного анализа и др.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем;

1. В основу методической базы синтеза вариантов интегрированной технологии отработки запасов угольных месторождений и обоснования рациональных параметров их должен быть положен принцип нахождения оптимального контура карьера с использованием алгоритма Лерча-Гроссмана с последующей оценкой альтернативных пространственно-планировочных и технологических решений в области вскрытия и отработки запасов подземным способом и технологией КГРП по предлагаемому алгоритму синтеза технологических систем.

2. Должный уровень обоснованности решений при проектировании технологии интегрированной отработки запасов с использованием КГРП обеспечивается корректным определением длины очистных выработок с учетом физико-механических свойств вмещающих пород и необходимой мощности нижнего слоя кровли их.

3. Эффективность функционирования модульных технологических структур «шахта-лава» определяется корректностью кластеризации горногеологических условий ведения горных работ, техническим уровнем производства и рациональностью параметров выемочных единиц

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны методические положения по обоснованию интегрированных технологий добычи угля, реализующие системный подход, декомпозицию технологических схем открытой, подземной добычи, КГРП по элементам, анализ последствий взаимодействий групп элементов и синтез гибких технологических схем, способных к адаптации к изменениям горногеологических и горнотехнических условий;

- разработана иерархическая структура интегрированной технологии угледобычи, реализуемой для любых совместимых сочетаний схем вскрытия, подготовки, систем разработки и технологических схем отработки запасов

угля на базе учета стадийности освоения месторождения с последующей оптимизацией их параметров;

- разработана комплексная методика проектирования интегрированной отработки запасов угольных месторождений, реализация которой позволяет обоснованно увеличить коэффициент извлечения запасов за счет минимизации потерь и вписаться в концепцию рационального природопользования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- анализом значительного объема результатов теоретических исследований в области создания методологии совместной интегрированной отработки запасов угольных месторождений;

- корректным использованием современных методов исследований (методы оптимизации контуров карьера, метод геомеханических расчетов, методы экономико-математического, технологического, вариативного и компьютерного моделирования, теории игр, корреляционно-регрессионного анализа и др.);

- адекватностью результатов исследований интегрированной технологии и ее основных параметров реальным проектным решениям.

Научное значение диссертации заключается в разработке на основе структурно-сетевой теории комплексной методики обоснования параметров технологии КГРП и технологических структур «шахта-лава» в системе интегрированной отработки запасов угольных месторождений.

Практическое значение диссертации состоит в разработке методических рекомендаций по реализации технологических и организационных принципов проектирования интегрированной отработки запасов угольных месторождений для ускоренного ввода в действие производственных мощностей, снижения потерь угля в недрах и продления срока эксплуатации угледобывающих предприятий.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика синтеза проектных решений с пространственно-временной и структурной увязкой конструктивных элементов открытой и подземной технологии ведения горных работ рекомендована к использованию при формировании программ развития горного производства ОАО "СУЭК-Кузбасс" в г. Ленинск-Кузнецкий.

Результаты исследований автора используются в учебном процессе «Московского государственного горного университета» при подготовке специалистов по направлению 130404 «Горное дело».

Апробация работы. Основное содержание диссертации и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на международных научных симпозиумах в рамках «Недели горняка», проводимых в Московском государственном горном университете (Москва, 2007-2013) и научных семинарах кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГТУ (Москва 2008-2013).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы из 76 наименований, включает 20 таблиц и 34 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ результатов теоретических исследований в области создания методологической базы совместной (открыто-подземной) отработки запасов горнодобывающих предприятий свидетельствует о том, что наибольший вклад в это направление внесли К.Н.Трубецкой, Д.Р.Каплунов, М.В.Рыльникова, Д.М.Казикаев, В.А.Атрушкевич, В.Д.Ялевский, В.А.Федорин, А.И.Нифонтов, Б.Г.Никишичев, В.Н.Фрянов, А.В.Соколовский, Ю.И.Анистратов, Б.А.Анферов и др.

Практическое применение открыто-подземной технологии имело место: - Моховском, Сибиргинском, Кедровском, Коркинском, Листвянском и Распадском разрезах Кузбасса. Отдельные элементы интегрированной отработки угольных запасов с использованием КГРП зафиксированы в планах развития и проектирования горных работ на Денисовском, Сейдинском, Караканском, Элегетском, Урегольском, Гусиноозерском месторождениях угля (разрезы Распадский, Глуховский, Караканский-Западный, Баин-Зурхе, Инаглинский, Кийзасский, Холбольджинский и др.). Имеется и зарубежный опыт реализации открыто-подземного способа добычи угля. Так, в Австралии на угледобывающем предприятии «Улан» добыча угля осуществляется открытым, подземным и комбинированным способами. Предприятие «Джермен Крик» (штат Квинсленд) разрабатывает месторождение угля для коксования открытым и подземным способами. Совместная отработка запасов угля отмечена и на шахте Pocahontas в США.

В связи с этим становится очевидным переход от сложных малоэффективных и трудоемких производственных инфраструктур угледобывающих предприятий к гибким геотехнологическим и организационным структурам, позволяющим вести совместную разработку мощных и средней мощности угольных пластов открытым и подземным способами. При этом возникает важная задача создания принципиально новых интегрированных технологий угледобычи за счет использования инновационного потенциала традиционных и нетрадиционных способов отработки запасов угольных месторождений. Системно-упорядоченный синтез преимуществ открытого и подземного способов является основой для создания интегрированной геотехнологии, что обеспечит переход угольной промышленности на новый научно-технический уровень.

В связи с вышеизложенным задачи, решаемые для достижения поставленной цели в работе, формулируются следующим образом:

- обобщение и анализ опыта проектирования технологических систем горных предприятий, использующих интегрированные технологии;

- декомпозиция, системное представление и моделирование иерархической структуры технологических схем открытых и подземных горных работ, технологии КГРП, формируемых на базе элементов, адаптивных и соответствующих основным процессам технологического цикла добычи угля

- разработка методических принципов использования методов экономико-математического, технологического, вариативного и компьютерного моделирования для выделения высокопроизводительных и эффективных элементов при обосновании проектных вариантов и параметров интегрированной технологии отработки запасов угольных месторождений;

- формирование критериальной базы конструирования вариантов гибких технологических схем на основе синтеза групп и структурных элементов производственного цикла добычи угля с последующей оптимизацией параметров;

- оценка результатов синтеза интегрированной технологической системы, разработка модели и алгоритма ее реализации применительно к объектам исследований;

- разработка рекомендаций по практическому использованию результатов исследований при обосновании вариантов проектных решений и параметров открыто-подземного способа отработки запасов угольных месторождений с учетом достижения высоких технико-экономических показателей и обеспечения минимального антропогенного воздействия на окружающую среду.

Согласно сложившейся практике, одним из основных критериев для установления границ открытых горных работ является граничный коэффициент вскрыши. Вопросам определения границ карьеров и рациональной величины граничного коэффициента вскрыши в разное время были посвящены работы многих известных ученных в области открытых горных работ, включая В.В.Ржевского, Н.В.Мельникова, Ю. И. Анистратова, А. И. Арсентьева, К. Е. Винницкого, К. Н. Трубецкого, П. И. Городецкого, П. Э.Зуркова., Б.П. Юматова, В. Л. Яковлева, В. С Коваленко, Б. П. Боголюбова, М.Г.Саканцева и др. Применяемые аналитические методы определения граничного коэффициента вскрыши отличаются простотой и могут быть разделены на два основных подхода: первый из них базируется на сопоставлении себестоимости открытых и подземных горных работ; второй реализует оценку по условию покрытия себестоимости вскрышных и добычных работ выручкой от реализации товарной продукции (или в некоторых случаях по замыкающим затратам).

Международная практика показывает, что наиболее объективная оценка экономической эффективности горного проекта основана на доходном методе. При этом главным показателем эффективности проекта является чистый дисконтированный доход (ЧДЦ). Данный подход позволяет учитывать производительность горного предприятия, срок выхода его на

проектную мощность, срок службы предприятия, капитальные затраты и (при необходимости) динамичность показателей себестоимости. Поэтому определение границ открытых горных работ с учетом чистого дисконтированного дохода следует признать наиболее обоснованным подходом. Современные информационные технологии, основанные на стандартных программах горно-геологического моделирования, позволяют увязать технологические решения и геологические условия с моделированием в полуавтоматическом режиме расчета денежных потоков. Это значительно упрощает детальную экономическую оценку проекта строительства горного предприятия и поиск оптимальных технологических решений. Процесс определения оптимальных границ карьера с использованием современных компьютерных методов можно разделить на следующие основные стадии:

• построение каркасной модели месторождения;

• построение блочной модели месторождения;

• оптимизация карьера на основании алгоритма Лерча-Гроссмана, с поиском оптимальных границ в первом приближении;

• дальнейшая оптимизация в программах, моделирующих КРУ проекта, на основании предварительно определенных сроков освоения производственной мощности, производительности карьера, капитальных затрат;

• «сглаживание» календарного графика по вскрышным работам, с учетом соблюдения рационального режима горных работ;

• повторное моделирование границ отработки карьера на основе уточненного календарного графика освоения производственной мощности и капитальных затрат (рис.1).

В нижеприведенной таблице 1 приведены некоторые параметры различных методов определения предельного коэффициента вскрыши. Оценка приведена для идентичных горно-геологических условий. Как видно, граничный коэффициент вскрыши, определенный с учетом оптимизации по ЧДД, ниже определенного по условию погашения себестоимости вскрышных и добычных работ выручкой от реализации товарной продукции, но выше, чем при методе простого сопоставления с подземными горными работами. Также изменяется динамика прироста запасов по сравнению с граничным коэффициентом вскрыши.

Снижение коэффициента по сравнению с методом расчета по замыкающим затратам обусловлено капитальными затратами, приходящимися на первый период строительства карьера и имеющими наибольший удельный вес для экономики проекта. В свою очередь большая величина граничного коэффициента вскрыши по сравнению с методом сопоставления себестоимости подземных и открытых горных работ связана с учетом дополнительных технико-экономических факторов.

Таблица 1. - Сравнение методов оценки граничного коэффициента вскрыши

Метод Грашпаый коэффициент вскрыши« % Обыж взвлек&емых зав»иа,% Краткий коммептэрнй

Сопоставление себестоимости открытых и подземных работ 100% 100% Не учитываются капитальные затраты, производительность, сроки освоения проектной мощности и т.д.

По условию погашения себестоимости вскрышных и добычных работ выручкой от реализации товарной продукции 155% 145% Дополшггельно учтены налоговые платежи и рентабельность

На основе горнотеологического моделирования с оптимизацией по ЧДД 120% 130% Максимально-полный учет всех технико-экономических факторов

б)

Рисунок 1. - Варианты отображения оптимального карьера: а) в виде блочной

структуры; б) в виде блочной структуры и контуров

7

Технология с применением комплекса глубокой разработки пластов (КГРП) обладает высокой степенью общей и экологической безопасности работ и обеспечивает конкурентную стоимость добываемого угля. С ее применением предельно снижаются сроки ввода блока месторождения в эксплуатацию и окупаемости вложений. Безлюдная подземная технология является разновидностью подземной камерно-столбовой системы разработки. Система разработки с применением комплекса КГРП представлена на рис.2. К основным элементам системы разработки при отработке угольных пластов КГРП относятся параметры оставляемых целиков и параметры добычных выработок (рис.3).

£ЧБЦ

^Камера Щ Межкамерный целик ЩЩ Барьерный целик Порода

Рисунок 3. - Схема к расчету эксплуатационных потерь в целиках

Ширина межкамерных целиков может приниматься на уровне 1/3 вынимаемой мощности пласта. При этом необходимо учитывать следующее ограничение: минимальная ширина межкамерного целика (по опыту эксплуатации комплексов КГРП в США) должна составлять 1.0м.

Максимальная ширина межкамерного целика зависит от прочностных характеристик пород, глубины отработки пласта, его мощности и определяется из условия обеспечения устойчивости при отсутствии межблочных целиков в соответствии с методическими рекомендациями НТЦ - НИИОГР:

(у ' НСР - 0,4 ■ 5ПЛ + [(г ■ НСР - 0,4 • ¿>пл) ■ 2 + 0,4 ■ 6 • у ■ НСР ■ 1К -^й]) ■ 0,5

2-0,6-^М

т

, м

где у - прочность пород, т/м3;

5гг7 - прочность пласта угля в массиве, МПа;

т?1 - вынимаемая мощность пласта, м;

I г- - ширина камеры, м, принимается равной ширине рабочего органа комплекса;

ИСр - глубина залегания пласта, м.

Расстояние между блочными целиками определяется в зависимости от глубины разработки и выбранной ширины межкамерных целиков с учетом общего баланса сил разгрузки у камер и пригрузки на целики на основе угла давления. Эти условия позволили получить общее уравнение для определения Ьмб„:

где <р - угол давления, град., определяется в зависимости от угла падения пласта и прочности вмещающих пород. Для пологопадающих пластов ВНИМИ рекомендуется принимать угол 60 градусов.

Преобразование уравнения позволяет получить формулу для расчета расстояния между блочными целиками:

. _ \ га / 'К-+'МКЦ

0,25 ■ у ■ Ьдср ,М

Ширина блочных целиков определяется исходя из общего уравнения:

/ 0,6 '/Вц\

у ■ Нс? ■ LMBц + у ■ НСР ■ /Бц - 0,25 ■ у ■ ¿мбц 1 tgcp = 5Пл ' ^0,4 + ——— J ■ /Бц

В итоге преобразования получена формула для расчета ширины блочных целиков

-0,4 • S + у ■ ЯСР + J( 0,4 -8-у ЯСР)2 - 4 • Ц^ ■ (0,25 ■ у ■ ¿2МБЦ - у ■ НСР ■ ¿МБЦ)

'бц--ÖJ7S

m

В силу различных горно-геологических и горнотехнических условий применения технологии глубокого выбуривания в России одним из наиболее неопределенных параметров является глубина выбуривания. Проектами, выполненными в последнее время, обычно глубина выбуривания принимается до 270-300м., исходя из технических возможностей комплекса и конфигурации выемочного блока. Установлено, что снижение производительности КГРП предопределяет значительное ухудшение экономических показателей предприятия, поскольку использование данной технологии требует осуществления регулярных платежей за используемое оборудование. Доля постоянных затрат в структуре себестоимости при использовании КГРП составляет 50% и более, что вызывает увеличение себестоимости добычи угля на 1,5-2,5% при снижении производительности труда на 1%.

В результате при снижении средней глубины выбуривания до 100 м затраты на добычу 1 т угля увеличиваются на 30-60%, а при снижении глубины выбуривания до 50 м - в 1,8-2,2 раза (по данным НТЦ - НИИОГР) (рис.4).

Рисунок 4. -

Зависимость производительности КГРП и затрат на добычу угля от средней глубины выбуривания пласта

В этой связи процесс определения длины добычных выработок КГРП включает в себя выполнение следующих итераций:

- выбор геологических разрезов, определение конечного (проектного) положения контуров открытых горных работ,

- анализ морфологических особенностей кровли разрабатываемого угольного пласта, оценка физико-механических свойств пород нижнего слоя кровли в соответствии с типом пород, характером трещиноватости, гидрогеологическими условиями и глубиной залегания относительно дневной поверхности,

- расчет необходимой толщины нижнего слоя кровли проектных выработок КГРП,

- определение вероятной длины выработок путем сравнения расчетного значения Ь с фактической толщиной нижнего слоя кровли подземных выработок по детальным геологическим разрезам,

- нанесение параметров прогнозируемой зоны добычных работ от конечных контуров выемочного поля по рассматриваемым геологическим разрезам.

На современном этапе развития технологий угледобычи и горнодобывающей техники в целях обеспечения должной конкурентоспособности угольных предприятий - шахт в целом в мировой практике, практически во всех угледобывающих странах принята концепция постепенного перехода к технологическим структурам «шахта-лава», «шахта-пласт». В этом направлении наиболее последовательно продвигаются угольные индустрии Австралии, США, России, Китая и Великобритании. В России технологические структуры «»шахта-лава реализованы на шахтах «Котинская», «Соколовская», «Таллинская - Западная», «Южная» и в целом ряде других.

Принципиальная пространственно-планировочная структура «мини-шахты» на базе одноштрековой подготовки и бесцеликовой отработки выемочных полей представлена на рис.5.

Рисунок 5. - Общий вид «мини-шахты» в системе технологических структур «лава-шахта» применительно к одноштрековой технологии подготовки и бесцеликовой отработки запасов выемочных панелей с охраной выработок активной анкерпой крепью глубокого заложения

Математическая форма целевой функции (минимизируемой алгебраической суммы затрат - экономического эффекта) в форме принятого критерия оптимальности на реализацию принятых к сравнению основных параметров технологических структур «шахта-лава» за период оптимизации (длительность отработки запасов выемочного столба) определяется математическими формами исходной информации, принятого критерия оптимальности, зависимостей учитываемых статей затрат от горногеологических условий эксплуатации, а также оптимизируемых и

неоптимизируемых технологических решений. В соответствии с принятыми концепциями и процедурами процесса решения задачи комплексной оптимизации основных параметров технологических систем угольных шахт одной из первых итераций является установление области исходных условий оптимизационной задачи (горно-геологические характеристики, производственно-технические условия и стоимостные показатели), которая задается следующим вектором: у,=(г,иг2иг}и),

где У)1/ - вектор исходных природных условий эксплуатации (горногеологические характеристики);

У2и - вектор исходных производственно-технических условий эксплуатации; У3и- вектор исходной стоимостной информации.

Отбор основных горно-геологических факторов и характеристик, оказывающих наибольшее влияние на выбор основных элементов технологических структур «шахта-лава» и формирование их вариантных значений произведен на базе структурного и логического анализа результатов исследований в данной области и исходя из этого вектор исходной горно-геологической информации при решении поставленной оптимизационной задачи выглядит следующим образом (табл.2). Г, =(/я,от,<?„,,#„)

Таблица 2. - Варианты значений исходных горно-геологических параметров

Горно-геологичесгае характеристики Еярпгацы Символическое : обозначение Условное обозначение Дпяпятли Варианты, принятые к оптимизации

измерения изменения

Мощность угольных пластов м т 1.8-5.0 2.0,3.0,4.0

Уголпадения угольных пластов ; град. 8-15 8, 15

Природная газоносность м3/т •/згг. Чпл 5-20 5, 10, 20

Глубина ведения горных работ ■¡-'.г"**'--"-"; Н ,; . 150-450 150,350

Остальные горно-геологические характеристики приняты к учету безвариантными (нарушенность отсутствует, средневзвешенная плотность угля равна 1.35 м3/т, сопротивляемость угля резанию Ар = 200 кгс/см2 и т.д.).

Исходные горнотехнические характеристики, номенклатура оптимизируемых параметров и их альтернативы для разрабатываемой экономико-математической модели были сформированы с учетом

12

действующих в отрасли основных нормативных документов, регламентирующих ведение горных работ на угольных шахтах, а также с учетом структурного и логического анализа теоретических и практических исследовании в данной области (табл.3).

Таблица 3. - Варианты исходных горнотехнических параметров и оптимизируемых

характеристик

Варианты исходных горнотехнических параметров

П/П : Горнотехнические характеристике (параметры) измерения Символическое обозначение Условное обозначение Диапазон изменения .

I Расположение главных стволов - Jlmy Ди. На флангах выемочного поля

2 Способ подготовки шахтного поля - • J3m.y.' пш Многоштрековая подготовка

3 Система разработки - Jimy. cP Длинными столбами по простиранию

4 Транспорт горной массы T„ Полная конвейеризация

5 Способ проветривания - Wiu Комбинированный

Варианты оптимизируемых параметров

п/п Параметры технологической структуры «шахта-лава» Единицы измерения Символическое обозначение Условное обозначение Диапазон изменения

1 Нагрузка на очистной забой (производительность) т/сут Ji° А 3000-20000

2 Длина лавы Jt l 200-300

3 Длина выемочного столба м Ji° L 1500 - 6000

4 Сечение выработок v -Л-.М?;"; V. С-JtP:'/.г.' s. S, (min, тах)

С учетом этого вектор исходных при решении поставленной оптимизационной задачи выглядит следующим образом:

г, = (*«,, и., ад, и-«)

Нагрузка на очистной забой в зависимости от каждого расчетного варианта и соответствующих горно-геологических условий рассчитывается по методике ИГД им. А. А. Скочинского.

Размер шахтного поля по простиранию - производная горногеологических характеристик - ограничен 1500 - 6000 м, а по падению - 150 -350 м. Оптимизируются сечения горных выработок Sv, которые практически могут принимать любые значения, но в действительности ограничиваются «снизу» максимально допустимыми значениями по скорости движения воздуха или депрессии (300 мм.вод.ст.), а «сверху» - максимально возможными значениями по условиям их проведения. В результате, исходя из общей постановки задачи, комплекса исходных данных и номенклатуры оптимизируемых параметров, целевая функция экономико-математической модели может представляться как К„ = Z(X,J{,J2J,),exir , где Z - целевая функция;

Ji - вектор исходной горно-геологической информации; J2 - вектор исходных технических условий; Х - вектор основных оптимизируемых решений; J} - вектор исходных стоимостных данных.

В угольной промышленности критерий оптимальности рекомендуется принимать в соответствии с рекомендациями «Отраслевой инструкции экономической оценки инвестиций в горной промышленности».

На основе логического и структурного анализа различных критериев оптимальности, выявления их достоинств и недостатков, а также учитывая то обстоятельство, что в поставленной задаче объемы добычи угля и эксплуатационные затраты по годам для одного и того же расчетного варианта сравнительно стабильны, в качестве критерия оптимальности при оптимизации основных параметров технологических структур «шахта-лава» принят показатель «Чистый дисконтированный доход» (ЧДД), или NPV (Net Present Value), который представляет собой интегральную сумму погодовых чистых доходов за принятый к расчету оптимизационный инвестиционный период, приведенную к текущему моменту времени, что обусловливает поэтапную оптимизацию с логической увязкой промежуточных решений.

После назначения альтернативных аспектов и вариантов реализации экономико-математической модели, выбора критерия оптимальности и набора ограничений определялись необходимые данные экономического характера для последующей оптимизации. Решение задачи в рассматриваемой постановке ввиду возникающих сложностей при большой размерности (числе варьируемых значений параметров) создает определенные трудности в ее реализации, поэтому организация работ в соответствии с логическим порядком (алгоритмом) осуществлялась с применением программного продукта стратегического планирования «Альт-Инвест», предназначенного для проведения оценки привлекательности инвестиционных проектов. "Альт-Инвест" представляет собой комплект

взаимосвязанных электронных таблиц в среде пакета Microsoft Excel. Все необходимые элементы автоматизации находятся внутри этого файла и не требуют специальной инсталляции. Методика расчетов, реализованная в «Альт-Инвест», соответствует рекомендациям ЮНИДО и других международных организаций. Оставаясь корректной с точки зрения международных стандартов, программа «Альт-Инвест» адаптирована к принятой в России системе налогообложения, учета и формирования финансовых результатов.

В результате реализации программного обеспечения в операционной среде WINDOWS ХР с использованием электронной таблицы Excel (листы «MAIN, SENSITIVITY) были получены численные значения ЧДД(МРУ), что дало возможность оценить основные параметры технологических структур «шахта-лава» в различных горно-геологических и горнотехнических условиях эксплуатации и установить области эффективного применения. Анализ результатов оптимизационных расчетов и комплексная оценка основных параметров позволил получить следующую обобщенную информацию:

- для эффективного функционирования технологических структур «шахта-лава» требуется наличие высокотехнологичных горно-геологических условий эксплуатации: - минимальная нарушенность запасов, выдержанная гипсометрия угольных пластов, из условий полной конвейеризации транспорта угол падения не должен превышать 18°, мощность разрабатываемых угольных пластов при выемке в один слой не должна превышать 5.0 м. и использование импортного горнодобывающего оборудования с высокой производительностью, ресурсом, соответствующей надежностью и наработкой на отказ;

безубыточная производственно-хозяйственная деятельность и минимальный уровень рентабельности технологических структур «шахта-лава» обеспечивается при нагрузке на очистной забой не менее 3500 т/сут., причем основными факторами, влияющими на величину этого параметра являются мощность и угол падения угольного пласта, газообильность и глубина ведения горных работ;

- рациональная длина выемочного столба (панели) находится в пределах 3.06.0 км., - основными факторами, влияющими на величину этого параметра являются нагрузка на очистной забой, мощность и угол падения угольного пласта;

- рациональная длина лавы находится в пределах 200-300м., - основными факторами, влияющими на величину этого параметра являются также «заданная» нагрузка на очистной забой, газообильность, мощность и угол падения угольного пласта.

В целях апробации разработанной методики в диссертации выполнено обоснование проектных технологических решений по совместной (открыто-подземной) отработке угольных пластов Чертандинского каменноугольного месторождения. Обоснование основных технологических решений

произведено на базе норм технологического проектирования с использованием основных руководящих, инструктивно-методических и справочно-нормативных материалов, а также данных проектов-аналогов.

Различная степень сложности разработки и существенное отличие горногеологических условий участков Южный и Северный Чертандинского каменноугольного месторождения, объединенных в одно шахтное поле, предполагает наличие и применение принципиально различных технологий угледобычи, в связи с чем реализуется концепция совместного (открыто-подземного) способа отработки запасов.

Отработка запасов месторождения открытым и подземным способами обеспечивает полноту использования недр на экономически рациональной основе при соблюдении правил безопасности ведения горных работ и с экономической точки зрения при заданных условиях, а также ценах является эффективной и целесообразной.

С целью обеспечения максимальной полноты извлечения угля рекомендуется локальная отработка запасов Чертандинского месторождения по технологии КГРП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи обоснования рациональных параметров структурных элементов интегрированных технологий отработки запасов угольных месторождений на базе реализации методики синтеза проектных решений с пространственно-временной и структурной увязкой конструктивных элементов открытой и подземной технологий, имеющей важное значение для теории и практики проектирования горнодобывающих предприятий на современном этапе развития научно-технического прогресса в отрасли.

Основные научные и практические результаты работы:

1. Установлено, что использование организационных и технологических принципов проектирования интегрированной отработки запасов угольных месторождений способствует ускоренному вводу в действие производственных мощностей с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами, увеличению коэффициента извлечения угля. Технологические схемы открыто-подземных разработок требуют изменения сложившихся методических подходов к проектированию угледобывающих предприятий по основным параметрам вскрытия, подготовки и ведению очистных работ.

2. Результаты исследований свидетельствуют, что оптимизация карьера на основе алгоритма Лерча-Гроссманна в целом аналогична оценке граничного коэффициента вскрыши по замыкающим затратам, однако позволяет в автоматическом режиме с большей точностью установить границы карьера, отвечающие выбранным ограничивающим параметрам:

себестоимость вскрыши и добычи, стоимость товарной продукции, предельные по устойчивости углы наклона бортов и уступов карьера и др., а в конечном итоге - определение порядка отработки запасов того контура, который принесет наибольшую материальную выгоду.

3. К основным элементам конструкции системы разработки угольных пластов по технологии КГРП следует относить параметры оставляемых целиков и параметры добычных выработок, которые рассчитываются в соответствии с рекомендациями по условиям обеспечения геомеханической безопасности.

4. Наивысшей степенью неопределенности характеризуется процесс обоснования протяженности выемочных выработок, поскольку значение этого параметра, достижимое технически (270-300м), на практике зачастую ограничивается структурно-тектоническим строением углевмещающего массива и прочностью горных пород в массиве. В таких условиях геомеханические расчеты должны осуществляться в соответствии с поэлементной декомпозицией углевмещающего массива.

5. Для эффективного функционирования технологических структур «шахта-лава» требуется наличие благоприятных горно-геологических условий эксплуатации (минимальная нарушенность запасов, выдержанная гипсометрия угольных пластов, угол падения не должен превышать 18°, мощность однослойно разрабатываемых угольных пластов не должна превышать 5.0 м.) и использование горнодобывающего оборудования с высокими уровнями производительности, ресурсом работоспособности.

6. Безубыточная производственно-хозяйственная деятельность и минимальный уровень рентабельности технологических структур «шахта-лава» обеспечивается при нагрузке на очистной забой не менее 3500 т/сут., рациональной длине выемочного столба (панели) в пределах 3.06.0 км., рациональной длине лавы в пределах 200-300м.

7. Анализ результатов моделирования технологической системы отработки запасов Чертандинского каменноугольного месторождения, выполненного в диссертации, с использованием вышеизложенных методических подходов показывает, что отработка запасов месторождения открытым и подземным способами с использованием технологии КГРП обеспечивает полноту использования недр на экономически рациональной основе при соблюдении законодательных положений в области охраны окружающей среды, правил безопасности ведения горных работ. За период отработки запасов достигаются положительные показатели эффективности вложения инвестиций, что указывает на правомерное извлечение пластов с мощностью от 1,0 м и зольностью до 40%. Чистый дисконтированный доход при ставке дисконтирования 10% составит 1759.9 млн.руб.

Основные положения диссертации отражены в следующих опубликованных работах:

1.Агафонов В.В., Михеева А.Б. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДГОТОВКИ И ОТРАБОТКИ ВЫЕМОЧНЫХ ПОЛЕЙ, АДАПТИВНЫХ К УСЛОВИЯМ ГЛУБОКИХ ШАХТ. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2010. № 5. C. 278-281.

2.Агафонов B.B., Михеева А.Б. ОБОСНОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ К УСЛОВИЯМ ГЛУБОКИХ ШАХТ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ УГЛЯ ДЛИННЫМИ СТОЛБАМИ С ВЫЕМКОЙ УГЛЯ КОРОТКИМИ КОМПЛЕКСНО-МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ ЗАБОЯМИ (ЛАВАМИ). Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2010. № 9. C. 172-174.

3.Агафонов B.B., Михеева А.Б. АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ И РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО АДАПТАЦИИ ТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УГЛЕДОБЫЧИ К УСЛОВИЯМ ГЛУБОКИХ ШАХТ. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2010. № 11. C. 229-231.

4.Михеева А.Б., Тихонов A.B., Агафонов B.B. ВЫБОР СПОСОБА И СРЕДСТВ ЗАКЛАДКИ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ ЦЕЛИКОВ РАЗЛИЧНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2011. № 12. C. 25-29.

5.Оганесян H.K., Михеева А.Б., Агафонов B.B. АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЙ УСТОЙЧИВОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ШАХТНОГО ФОНДА. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2012. № 1. C. 390-393.

б.Агейкин А.В., Агафонова А.Б., Аверчева H.A., Агафонов B.B. АНАЛИЗ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ МЕТОДОВ И КРИТЕРИЕВ ОПТИМАЛЬНОСТИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В ОПТИМИЗАЦИОННЫХ МОДЕЛЯХ ПРИ ОЦЕНКЕ И ВЫБОРЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ УГОЛЬНЫХ ШАХТ. Горный информационно-аналитический бюллетень

(научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2012. № 12. C. 172-176.

7.Михеев B.O., Агафонова А.Б. ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ УГОЛЬНЫХ ШАХТ. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2013. № 6. C. 38-43.

Подписано в печать 27.11.2013. Формат 60x90/16. Бумага офсетная 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2751

га™>М0С'К0ВСК01 О ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 062809 Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД№ 53-305

119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (499) 230-27-80; факс (495) 737-32-65

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Агафонова, Альбина Борисовна, Москва

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОТРАБОТКИ

ЗАПАСОВ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.21 - «Теоретические основы проектирования

горнотехнических систем»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201451619

АГАФОНОВА АЛЬБИНА БОРИСОВНА

Научный руководитель проф., докт.техн.наук КУЗНЕЦОВ Ю.Н.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................4-7

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ МЕТОДОЛОГИИ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УГЛЕДОБЫЧИ________

1.1. Анализ практики проектирования угледобывающих предприятий на базе совместной (открыто-подземной) отработки запасов угольных месторождений.........................................................7-14

1.2. Новые комбинированные технологии угледобычи за счет использования инновационного потенциала традиционных и нетрадиционных способов разработки угольных месторождений.........................................................14-17

1.3. Цель, идея и задачи исследований...............................17-18

ВЫВОДЫ........................................................................18-19

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ОТРАБОТКЕУГОЛЬНЫХ ЗАПАСОВ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ

2.1. Определение рациональных границ открытых горных работ.. 19-25

2.2. Оптимизация карьера на основе алгоритма Лерча-Гроссмана25-31

2.3. Методы горно-геометрического анализа..............................31-40

ВЫВОДЫ...............................................................................40-41

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ЗАПАСОВ КОМПЛЕКСОМ ГЛУБОКОЙ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВ (КГРП)

3.1. Безлюдная подземная технология с применением комплекса глубокой разработки пластов

(КГРП)...................................................................................41-48

3.2. Порядок определения и учета проектных потерь при добыче угля КГРП.................................................................................48-60

3.3. Обоснование геомеханических параметров выемки угля с

применением комплексов глубокой разработки пластов

(КГРП)..............................................................................61-65

ВЫВОДЫ........................................................................65-66

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИИ МОДУЛЬНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ «ШАХТА-ЛАВА»

4.1. Технологическая структура угледобычи «шахта-лава»...66-72

4.2. Экономико-математическая модель оптимизации основных параметров технологической структуры «шахта-лава».........72-77

4.3. Анализ результатов оптимизации основных параметров технологических структур «шахта-лава» с установлением области

эффективного применения................................................77-81

ВЫВОДЫ.......................................................................81-82

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СОВМЕСТНОЙ (ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНОЙ) ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ЗАПАСОВ ЧЕРТАНДИНСКОГО КАМЕННОУГОЛЬНОГО

МЕСТОРОЖДЕНИЯ

5.1. Исходные параметры и характеристики технологичности отработки запасов Чертандинского каменноугольного месторождения......82-84

5.2. Обоснование основных проектных решений технологической системы

отработки запасов Чертандинского каменноугольного

месторождения..................................................................84-161

5.3. Технико-экономическая часть.......................................161-162

ВЫВОДЫ.........................................................................162-164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................164-166

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА.................................167-173

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................173-176

ВВЕДЕНИЕ

Открытый способ отработки запасов угольных месторождений является наиболее безопасным и эффективным среди традиционных видов угледобывающих технологий. Основным ограничивающим фактором этого способа является неизбежный рост себестоимости угледобычи по мере увеличения глубины разработки и, как следствие, увеличения текущего коэффициента вскрыши, при достижении граничного значения которого дальнейшая эксплуатация месторождения становится экономически нецелесообразной. Следует отметить, что наличие сохранившейся инженерной и транспортной инфраструктуры, определенных объемов неизвлеченных запасов угля (в бортах и в донных частях траншей) создает определенные предпосылки для продолжения эксплуатации месторождения. В такой ситуации имевшийся до последнего времени арсенал угледобывающих технологий не имел должной свободы выбора помимо классического подземного способа угледобычи. Предопределяющим фактором таковой ситуации являлось совмещение работы разреза и строительства шахты, что требовало большого объема проведения проектных работ по увязке основных пространственно-планировочных решений совместной отработки запасов месторождения. Одним из технологических решений, устраняющих этот недостаток в переходный период, является технология угольных пластов с использованием комплексов их глубокой разработки (КГРП). Сдерживающим фактором для ее широкого внедрения являлось отсутствие надежной конструкции, обеспечивающей автоматическое поддержание заданных режимов навигации исполнительного органа комплекса в плоскости угольного пласта, что в последующем было технически реализовано на инновационном уровне.

Учеными и специалистами ИПКОН, ВНИМИ, ИГД им. A.A. Скочинского, ИФЗ РАН, Института угля и углехимии СО РАН, ИГД СО РАН, ВНИИгидроуголь, КузНИУИ, МГГУ, СПбГУ, КузГТУ, СибГИУ, Сибгипрошахт, Гипроуголь и многих других проектных, научно-исследовательских и вузовских организаций предложены отдельные методические аспекты обоснования параметров интегрированных технологий добычи угля, однако серъезной методической базы системного и комплексного обоснования проектных решений при открыто-подземном

способе отработки запасов угольных месторождений в настоящее время отсутствует.

В связи с вышеизложенным тематика диссертации, направленная на разработку методических положений по обоснованию параметров интегрированных технологий освоения запасов угольных месторождений, с должным основанием может квалифицироваться как достаточно актуальная.

Методы исследований: в работе использован комплекс методов, включающий: научное обобщение, анализ результатов ранее выполненных исследований в данной области, методы статистического, структурного и логического анализа, методы оптимизации контуров карьера, метод геомеханических расчетов, методы экономико-математического, технологического, вариативного и компьютерного моделирования, теории игр, корреляционно-регрессионного анализа и др.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем:

1. В основу методической базы синтеза вариантов интегрированной технологии отработки запасов угольных месторождений и обоснования рациональных параметров их должен быть положен принцип нахождения оптимального контура карьера с использованием алгоритма Лерча-Гроссмана с последующей оценкой альтернативных пространственно-планировочных и технологических решений в области вскрытия и отработки запасов подземным способом и технологией КГРП по предлагаемому алгоритму синтеза технологических систем.

2. Должный уровень обоснованности решений при проектировании технологии интегрированной отработки запасов с использованием КГРП обеспечивается корректным определением длины очистных выработок с учетом физико-механических свойств вмещающих пород и необходимой мощности нижнего слоя кровли их.

3. Эффективность функционирования модульных технологических структур «шахта-лава» определяется корректностью кластеризации горно-геологических условий ведения горных работ, техническим уровнем производства и рациональностью параметров выемочных единиц

Научная новизна работы состоит в следующем: - разработаны методические положения по обоснованию интегрированных технологий добычи угля, реализующие системный подход, декомпозицию технологических схем открытой, подземной добычи, КГРП по элементам, анализ последствий взаимодействий групп элементов и синтез гибких

5

технологических схем, способных к адаптации к изменениям горногеологических и горнотехнических условий;

разработана иерархическая структура интегрированной технологии угледобычи, реализуемой для любых совместимых сочетаний схем вскрытия, подготовки, систем разработки и технологических схем отработки запасов угля на базе учета стадийности освоения месторождения с последующей оптимизацией их параметров;

- разработана комплексная методика проектирования интегрированной отработки запасов угольных месторождений, реализация которой позволяет обоснованно увеличить коэффициент извлечения запасов за счет минимизации потерь и вписаться в концепцию рационального природопользования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- анализом значительного объема результатов теоретических исследований в области создания методологии совместной интегрированной отработки запасов угольных месторождений;

- корректным использованием современных методов исследований (методы оптимизации контуров карьера, метод геомеханических расчетов, методы экономико-математического, технологического, вариативного и компьютерного моделирования, теории игр, корреляционно-регрессионного анализа и др.);

- адекватностью результатов исследований интегрированной технологии и ее основных параметров реальным проектным решениям.

Научное значение диссертации заключается в разработке на основе структурно-сетевой теории комплексной методики обоснования параметров технологии КГРП и технологических структур «шахта-лава» в системе интегрированной отработки запасов угольных месторождений.

Практическое значение диссертации состоит в разработке методических рекомендаций по реализации технологических и организационных принципов проектирования интегрированной отработки запасов угольных месторождений для ускоренного ввода в действие производственных мощностей, снижения потерь угля в недрах и продления срока эксплуатации угледобывающих предприятий.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика синтеза проектных решений с пространственно-временной и структурной увязкой конструктивных элементов открытой и подземной технологии ведения горных

работ рекомендована к использованию при формировании программ развития горного производства ОАО "СУЭК-Кузбасс" в г. Ленинск-Кузнецкий.

Результаты исследований автора используются в учебном процессе «Московского государственного горного университета» при подготовке специалистов по направлению 130404 «Горное дело».

Апробация работы. Основное содержание диссертации и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на международных научных симпозиумах в рамках «Недели горняка», проводимых в Московском государственном горном университете (Москва, 2007-2013) и научных семинарах кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (Москва 2008-2013).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы из 76 наименований, включает 20 таблиц и 34 рисунка.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ МЕТОДОЛОГИИ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УГЛЕДОБЫЧИ

1.1. Анализ практики проектирования угледобывающих предприятий на базе совместной (открыто-подземной) отработки запасов угольных месторождений

В настоящее время на действующих разрезах отмечается сокращение запасов угля, пригодных для выемки традиционными технологиями, поэтому перспективным направлением является отработка запасов, находящихся в приконтурной зоне разреза подземным способом [1,2]. Особое внимание следует обратить на пласты мощностью до двух метров, находящихся в бортах и дне траншеи, разработка которых открытым способом нецелесообразна с экономической точки зрения, но эффективную отработку этих запасов возможно обеспечить подземным способом.

Анализ теоретических исследований в области создания методологии совместной (открыто-подземной) отработки запасов горнодобывающих предприятий показывает, что по пути ее становления и совершенствования пошли К.Н.Трубецкой, Д.Р.Каплунов, М.В.Рыльникова, Д.М.Казикаев, В.А.Атрушкевич, В.Д.Ялевский, В.А.Федорин, А.И.Нифонтов, Б.Г.Никишичев,

В.Н.Фрянов, А.В.Соколовский, Ю.И.Анистратов, Б.А.Анферов и др.[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15].

Актуальность отработки данных запасов подтверждается практическим применением открыто-подземной технологии на разрезах Кузбасса -Моховском, Сибиргинском, Кедровском, Коркинском, Листвянском и Распадском. Отдельные элементы совместной отработки угольных запасов с использованием КГРП зафиксированы в планах развития и проектирования горных работ на Денисовском, Сейдинском, Караканском, Элегетском, Урегольском, Гусиноозерском месторождениях угля (разрезы Распадский, Глуховский, Караканский-Западный, Баин-Зурхе, Инаглинский, Рападский, Кийзасский, Холбольджинский и др.). Имеется и зарубежный опыт открыто-подземного способа добычи угля. Так, в Австралии на угледобывающем предприятии «Улан» добыча угля осуществляется открытым, подземным и комбинированным способами. Предприятие «Джермен Крик» (штат Квинсленд) разрабатывает месторождение угля для коксования открытым и подземным способами. Совместная отработка запасов угля отмечена и на шахте Pocahontas в США.

Учеными и специалистами ИПКОН, ВНИМИ, ИГД им. А.А. Скочинского, ИФЗ РАН, Института угля и углехимии СО РАН, ИГД СО РАН, ВНИИгидроуголь, КузНИУИ, МГГУ, СПбГУ, КузГТУ, СибГИУ, Сибгипрошахт, Гипроуголь и многих других научно-исследовательских организаций предложены отдельные аспекты обоснования комбинированных технологий добычи угля, которые позволяют разрабатывать варианты технологических схем открыто-подземного способа. Они предусматривают системный подход, декомпозицию технологических схем открытой, подземной добычи угля по элементам, анализ последствий взаимодействия групп элементов и синтез новых гибких технологических схем, способных к адаптации с учетом изменений горно-геологических условий и конъюнктуры рынка. Эффективность разрабатываемых технологических схем по сравнению с существующими обеспечивается совместимостью и интенсификацией технологических процессов, внедрением инноваций и форсированным возвратом инвестиций.

Анализ показывает, что комбинированная технология добычи угля получила развитие и в рамках расширения области применения технологии выемки угля короткими забоями.

Методология обоснования интегрированной, гибкой, высоко адаптивной технологии и технических средств, обеспечивающих быстрый возврат инвестиций, решение экологических и социальных задач угледобывающих регионов, включает конструирование и научное обоснование вариантов интегрированной технологии подземной добычи угля из открытых горных выработок, и заключается [1,2]:

- в анализе традиционных технологий;

- декомпозиции технологических схем открытых и подземных работ на элементы, соответствующим основным процессам технологического цикла;

выделении высокопроизводительных, адаптивных и эффективных элементов, объединяемых в группы на основе расположения и совместимости;

- разработке связующих элементов, параметры и характеристики которых обеспечивают стыковку предыдущей и последующих групп в технологическом цикле в соответствии с заданными критериями эффективности и ограничениями;

- конструировании вариантов гибких технологических схем на основе синтеза групп и связующих элементов в единую систему с последующей оптимизацией параметров. При анализе методологии следует отметить, что в ее основе лежит выделение элементов и места их в технологических схемах, из которых ведется конструирование вариантов технологических схем горнодобывающих предприятий, что целесообразно использовать при сложившейся собственности предприятий на горные и земельные отводы. С позиции комплексной разработки месторождений в основу методологии комбинированной разработки месторождений должен быть положен принцип оптимальной планировки месторождения, для выполнения которого на первом этапе необходимо разработать и оценить многовариантные проектно-пространственные решения вскрытия месторождения, отвечающие заданным требованиям, а на втором - проводить конструирование технологических схем.

Для реализации этапов используется весь набор систем разработки, технологических схем подготовки и вскрытия месторождений для эффективной отработки пластов различными способами добычи угля. Преимущество вскрытия месторождения отдается открытому способу глубокими траншеями, обеспечивающему минимальные капи�