Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование рациональных проектных решений по отработке запасов геоструктур угольных месторождений

ВАК РФ 25.00.21, Теоретические основы проектирования горно-технических систем

Автореферат диссертации по теме "Обоснование рациональных проектных решений по отработке запасов геоструктур угольных месторождений"

На правах рукописи

ЗАВОЛОКИН Дмитрий Викторович

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ОТРАБОТКЕ ЗАПАСОВ ГЕОСТРУКТУР УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.21 - «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

¡1111111111111111111111111

□□3488227

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет» на кафедре «Подземная разработка пластовых месторождений»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кузнецов Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Постников Владимир Иванович кандидат технических наук Пепелев Роман Георгиевич

Ведущая организация - ФГУП «Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. А.А. Скочинского» (г. Люберцы).

Защита состоится «.?Ь» декабря 2009 г. в «¿2» час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.03 Московского государственного горного университета по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан «3> ноября 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Савич Игорь Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Акпуалыгость работы. На завершающем этапе реструктуризации угольной промышленности активизировалось освоение запасов перспективных месторождений угля в целом ряде горнодобывающих регионов России. В то же время практика проектирования строительства угольных шахт нового технико-экономического уровня свидетельствует о недостаточной обоснованности геометрических параметров участков месторождений, предназначенных для отработки запасов подземным способом. В пределах этих участков имеет место распространение различных геологических структур (геоструктур), отработка запасов которых требует использования адаптивных к условиям их залегания технологий. В этой связи актуализируется необходимость решения вопроса корректного выделения геоструюур при определении параметров участков недр, обосновании календарных планов отработки запасов угольных пластов, формировании программ развития горного производства. Информационная база по каждой выделенной геоструктуре участка месторождения является основой выбора рациональных вариантов и параметров технологий отработки их запасов с учётом требований конъюнктуры рынка конечной продукции угольных шахт.

Вышеизложенное позволяет говорить о достаточной степени актуальности тематики исследований, базирующейся на разработке и реализации методических принципов комплексного обоснования рациональных проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений.

Целью работы является разработка методических принципов обоснования рациональных проектных решений по отработке запасов геострукгур участков угольных месторождений, позволяющих повысить полноту и эффективность освоения георесурсов шахт.

Основная идея работы заключается в объективной дифференциации угленосной формации на определённое множество структурных элементов (геоструктур), рассматриваемых как обособленные объекты освоения запасов

полезного ископаемого, интегрируемые в единую технологическую систему угольной шахты для повышения полноты извлечения балансовых запасов из недр на рациональной экономической основе.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Требуемый уровень адапшвности технологий отработки запасов участков угольных месторождений к их горно-геологическим условиям может быть обеспечен на базе корректной структурно-ориентированной типизации условий.

2. Дифференциацию угленосной формации на определённое множество геострукгур различной масштабности целесообразно осуществлять с использованием методов кластерного анализа и нейронных сетей, позволяющих в удобной форме классифицировать информацию и представлять её в виде однородных образов, объединяющих объекты недр по принципу близости их природных характеристик.

3. Критериями1 объективности выбора рациональных вариантов проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений являются максимально возможная полнота извлечения запасов угля, рациональность освоения ресурсов, соответствие качества товарной продукции на угольной основе требованиям потребителей, а также баланс интересов государства и недропользователя.

Научная новизна результатов исследований:

- предложен методический подход, при реализации которого геоструктура выступает как единый объект применения адаптивной к её условиям технологии отработки запасов;

- обоснованы критерии объективного выделения геоструктур угольного месторождения и оценки технологичности отработки их запасов;

- разработана методика обоснования выбора альтернативных вариантов технологических схем отработки запасов геоструктур участков угольных месторождений;

- установлены зависимости коммерческой и бюджетной составляющих эффективности функционирования угольной шахты от коэффициента извлечения полезного ископаемого.

Научное значение диссертации состоит в разработке методических принципов обоснования рациональных вариантов проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений с учётом возможности повышения эффективности функционирования горного предприятия и полноты извлечения полезного ископаемого из недр.

Практическое значение диссертации заключается в разработке рекомендаций по повышению уровня полноты извлечения запасов угля на стадии проектирования отработки запасов геоструктур, обеспечивающих баланс интересов государства (бюджетная эффективность) и недропользователя (коммерческая эффективность).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

- представительпостыо объектов исследований (20 угольных шахт Южного Кузбасса);

- корректным использованием современных методов исследований (теории вероятностей, кластерного анализа, нейронных сетей, технологического и компьютерного моделирования);

- использованием работоспособных программных продуктов при реализации методики дифференциации угленосной формации на множество геоструктур и расчётах бюджетной и коммерческой составляющих эффективности функционирования шахты.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и были одобрены на ежегодных научных симпозиумах в рамках «Недели горняка» в МГТУ (Москва, 2006-2009) и на научных семинарах кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГТУ (Москва, 20062009).

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика обоснования рациональных вариантов проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений использована при раскройке планируемого к отработке участка недр «Ерунаковский-УШ» Ерунаковского каменноугольного месторождения Кузбасса.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 5 научных работах, из них 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов и заключения, содержит 36 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 76 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Значительный вклад в разработку и развитие рациональных принципов отработки запасов геоструктур участков угольных месторождений внесли работы A.C. Бурчакова, В.Н. Вылежагина, А.Н. Домрачева, В.М. Еремеева, П.З. Звягина, Ю.Н. Кузнецова, A.C. Малкина, О.В. Михеева, В.В. Некрасова, АЛ. Омельченко, В.И. Постникова, Е.И. Рогова, А.М. Рыжова, А.П. Судоплатова, A.M. Терпигорева, В .А. Федорина, В.Н. Фрянова, В.А. Харченко, Л.Д. Шевякова, В.Д. Ялевского, и др., а также нормативно-методические материалы Федерального государственного учреждения «Государственная комиссия по запасам» (ФГУ «ГКЗ»), Федерального агентства по недропользованию (Роснедра) и Федеральной службы по технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор).

Выполненный в работе анализ научных разработок и методических материалов показывает, что они в основном посвящены вопросам проектирования, строительства и реконструкции угольных шахт, а также годового планирования развития горных работ на предприятиях высокого технико-экономического уровня. В то же время результаты анализа свидетельствуют о недостаточной проработанности вопросов

квалифицированного обоснования геометрических параметров участков месторождений, отводимых для отработки их запасов подземным способом. В пределах этих участков имеет место распространение различных геоструктур, отработка запасов которых требует использования адаптивных к условиям их залегания технологий. В этой связи актуализируется необходимость решения вопроса корректного выделения геоструктур при определении параметров шахтных полей и отдельных участков их и формировании программ развития горных работ на действующих предприятиях.

В соответствии с целью диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

• анализ существующих методических принципов и практики выделения и отработки запасов геоструктур угольных месторождений;

• систематизация геоструктур угольных месторождений;

• обоснование критериальных признаков выделения геоструктур и оценки технологичности отработки их запасов;

• разработка методических рекомендаций по обоснованию альтернативных вариантов технологических схем отработки запасов геоструктур угольных месторождений;

• разработка методических основ выделения геоструктур по условию обеспечения технологичной отработки их запасов с использованием методов кластерного анализа и нейронных сетей;

• разработка методики технико-экономической оценки альтернативных вариантов технологических схем отработки запасов геоструктур угольных месторождений;

• апробация результатов исследований.

При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий технико-экономический анализ и обобщение

опыта отработки запасов геоструктур, кластерный анализ, метод нейронных сетей, технологическое и компьютерное моделирование.

Опыт отработки запасов шахтных полей свидетельствует о том, что выделение геолошческих структур, запасы которых подлежат отработке, производится с учётом таких критериальных признаков как однородность геологического строения, общность границ с соседними предприятиями и объектами инфраструктуры, наличие участков, расположенных между крупными тектоническими нарушениями; возможность отработки запасов с использованием только одной технологии (монотехнологии) и др.

Анализ результатов работы высокопроизводительных угольных шахт Южного Кузбасса по состоянию на 2008 год показал, что эти предприятия отрабатывают пологие и наклонные (до 35°) пласты мощностью от 0,7 до 11 м с зольностью угля до 40%, при этом применяются такие системы разработки, как длинностолбовая с полным обрушением кровли (ДСО), наклонными слоями (НСО), камерная (КСО) и камерно-столбовая (КСС).

Долевое участие вариантов систем разработки при добыче угля показано на рис. 1.

Рис.1 иллюстрирует то, что преобладающими системами разработки в Кузнецком угольном бассейне являются длинностолбовые с полным обрушением кровли и наклонными слоями с полным обрушением кровли. Это свидетельствует о том, что отработке подлежат запасы практически на одной и той же технологической основе. Отсюда следует то, что отсутствует возможность обеспечения должной полноты извлечения балансовых запасов предприятия. В недрах остаются значительные запасы угля за счёт различных видов эксплуатационных потерь по площади у основных подготовительных выработок (в целиках неправильной формы («клиньях») у монтажных и демонтажных камер, у геологических нарушений) и которые могут быть частично отработаны посредством доворотов очистных механизированных комплексов, использования укороченных очистных забоев при отработке по камерной (КСО) или по камерно-столбовой

и

системам (КСС), если это удовлетворяет требованиям промышленной безопасности, охраны недр и экономичности. В этом контексте предложено рассматривать общешахтные потери угля (временно неактивные запасы) в целиках возле капитальных горных выработок, которые могут подлежать отработке по системам КСО или КСС при ликвидации шахты. При применении технологий с различной адаптивной способностью могут быть существенно сокращены потери полезного ископаемого по мощности пластов в виде пачек угля в кровле и почве их.

Томская Юбилейная Томусикская 5-6 Абашеаская МУК-96 Сибиргинская Осинниковская Кушеяховская Казанковская Ольжерасская-Новая Грамотеинекая Полысаевская имени В.И.Ленина Есаульская Полосухинская Листвяжная «Салек» Ульяновская Алардинская Распадская

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Долевое участие вариантов систем разработки, %

о дсо и ксо ■ нсо □ ксс

Рис. 1 Долевое участие вариантов систем разработки при добыче угля на шахтах Южного Кузбасса (по состоянию на 2008 год)

Обоснование рациональных проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений в работе предложено осуществлять повариантным сравнением эффективности освоения геоструктуры. В качестве рационального принимается технологический вариант, обеспечивающий интегральный экономический эффект от

7

инвестиций за период отработки запасов геоструктуры, учитывающий интересы государства (полнота использования недр, бюджетная эффективность) и недропользователя (чистая прибыль, чистый денежный поток, чистый дисконтированный доход).

Общая структура алгоритма реализации методики технико-экономического обоснования рациональных вариантов технологических решений по отработке запасов геоструктур представлена на рис.2.

При решении вопроса выделения гео структур угольных месторождений возникает необходимость в реализации методического подхода, при котором она рассматривается как автономный объект применения адаптивной к его условиям технологии отработки запасов. В качестве геоструктуры может выступать складка в виде синклинали, антиклинали, моноклинали или брахискладки, размеры которой превышают размеры шахтного поля или соответствуют им, а также части последнего вне границ нарушенных участков. При наличии на месторождении крупноамплитудных нарушений в качестве геострукгур следует рассматривать участки месторождения (шахтного поля) до и после нарушений, а также между нарушениями.

На рис. 3 представлены формы и геометрические элементы геоструктур, имеющие наибольшее распространение в условиях Кузнецкого бассейна.

Распространённые в условиях Кузнецкого угольного бассейна различные геоструктуры предлагается систематизировать по геологическим, техническим и горно-геометрическим признакам. Основная часть запасов угля в пределах бассейна сосредоточена в пологих пластах средней мощности. Угли представлены всеми стадиями метаморфизма от бурого до антрацита. В бассейне в основном преобладают каменные угли коксующихся и энергетических марок.

Рис.2 Структура алгоритма реализации методики технико-экономического обоснования рациональных вариантов технологических решений по отработке запасов геоструктур

В разрезе

Рис.3 Формы геоструктур угольных месторождений: а — асимметричная складка, 6 — симметричная, в — веерообразная (пережатая, сжатая), г — гребневидная, д — сундучная, или коробчатая, е — изоклинальная, ж - острая (угловатая, гармониеобразная), з — простая (нормальная, элементарная), и — тупая, к — стулообразная, л — флексура или моноклинальная, м - цилиндрическая (линейная) с осью, расположенной горизонтально; н — линейная, о - брахискладка, п — куполовидная складка или купол

Геоструктуру и её участки (субструктуры) целесообразно выделять по следующим критериям:

• однородность геологического строения;

• незначительное изменение мощности, угла падения и внутреннего строения пласта;

• постоянство основных показателей качества и технологических свойств угля;

• выдержанность залегания пластов, приуроченность к единому структурному (крылу, замковой части складки, тектоническому блоку);

• выдержанность горно-геологаческих условий ведения горных работ;

• отсутствие участков, расположенных между тектоническими нарушениями, переход через которые сопряжён с проведением в значительном объёме горных выработок по вмещающим породам;

• отсутствие участков, где в результате нарушенносш вмещающие породы неустойчивы (в том числе у крупных тектонических нарушений);

• общность горнотехнических условий разработки;

• наличие сильно обводнённых участков (в случаях, когда осушение такого участка затруднено или экономически нецелесообразно);

• возможность отработки запасов с использованием только одной технологии (монотехнологии);

• наличие «остаточных» участков различных форм и размеров, образовавшихся после выделения эксплуатационных участков с характерными признаками.

На данном этапе развития отрасли базовым условием оптимального проектирования строительства высокопроизводительных угледобывающих предприятий нового технико-экономического уровня, отвечающего мировым стандартам промышленной безопасности, является обеспечение максимума концентрации горных работ на благоприятных для технологичной отработки запасах полезного ископаемого.

К характеристикам условий ведения горных работ, определяющим уровень технологичности отработки запасов, можно отнести:

- глубину залегания пластов;

- угол падения пластов;

- мощность пластов;

- водоприток в горные выработки.

Под технологичностью отработки запасов следует понимать пригодность и подготовленность запасов полезного ископаемого к их отработке с использованием очистных механизированных комплексов

современного поколения, обеспечивающих высокие нагрузки на очистной забой при минимуме потерь полезного ископаемого.

Таким образом, технологичной обоснованно считается отработка запасов, залегающих в относительно благоприятных горно-геологических условиях, при использовании очистных механизированных комплексов, обеспечивающих нагрузку на забой не менее 1-2 млн.т в год (в зависимости от мощности пласта). Этим условиям соответствуют запасы участков на пологих и наклонных пластах (угол падения менее 35°), ненарушенных или слабонарушенных мощностью от 1,2 до 4,5 м.

Процесс корректного выделения геоструктур участков угольных месторождений по условиям технологичности отработки запасов может быть разделён на три итерации:

первая - выделение из геоструктуры геологических «автономий» (субструктур);

вторая - определение основных элементов геологической субструктуры и обоснование рациональных вариантов параметров технологической схемы отработки запасов (рациональных технологических и пространственно-планировочных решений);

третья - обоснование и синтез рациональной структуры гибкой технологической системы освоения геологической структуры в целом.

Для оценки запасов геоструктур или их частей в пределах горногеологических нарушений с точки зрения технологичности отработки приходится классифицировать и структурировать большие объёмы горногеологической и горнотехнической информации. Для этих целей наиболее рационально использовать метод кластерного анализа, который позволяет в удобной форме классифицировать информацию и представлять её в виде неких однородных образов, объединяющих объекты по принципу близости характеристик.

Кластерный анализ - это способ группировки многомерных объектов, основанный на представлении результатов отдельных наблюдений точками

подходящего геометрического пространства с последующим выделением групп как «сгустков» этих точек (кластеров, таксонов). Данный метод исследования получил развитие в последние годы в связи с возможностью компьютерной обработки больших баз данных.

При количественном определении мер сходства, подобия и различия объектов исследования применяется функция расстояния, которая определяется не только для объектов, имеющих естественные количественные характеристики, но и для тех объектов, параметры которых носят качественный характер.

Наиболее распространённой функцией расстояния между объектами (х, у) по признаку I является расстояние в метрике Евклида

Метрика Евклида позволяет не учитывать знаковые различия, пропорционально увеличивает расстояние между объектами в случае разных абсолютных значений показателей. В результате увеличивается размерность кластерного поля, объекты искусственно отдаляются друг от друга, в итоге границы между кластерами становятся более точными и чёткими.

Реализация методики кластерного анализа при использовании функции расстояний в метрике Евклида в компьютерной программе 81айзиса 7.0 к условно сформированной матрице данных, включающей основную информацию по разведочным скважинам (мощность и угол падения пласта, водообильность, метанообильность), позволила подтвердить работоспособность методики при обосновании варианта технологии отработки по той или иной системе (рис. 4).

10 15

Расстояние между кластерами

Рис. 4 Древовидное расположение результатов кластерного анализа в компьютерной программе 7.0

Интерпретируя проиллюстрированный на рис.4 результат реализации методики кластерного анализа с использованием «Временных норм технологического проектирования угольных и сланцевых шахт», (ВНТП-1-92), можно констатировать, что большая часть исследуемых запасов должна подлежать отработке по системе ДСО. Причём к запасам в районе скважин 1 - 6 применима система ДСО по падению, а в районе скважин 7-12 можно использовать систему ДСО по восстанию в связи со значительной водообильностью и небольшой мощностью пласта. Запасы (скважины 13 -16) подлежат отработке по слоевой системе разработки (НСО), так как в этой облаете пласт становится мощным. После завершения отработки запасов по длинностолбовым системам «остаточные» запасы могут бьггь отработаны по системам КСО или КСС.

Проверку объективности выбора технологических решений, полученных при кластерном анализе, в работе предложено реализовать с помощью метода нейронных сетей. При этом задача классификации решается с использованием программы Statistica 7.0 в пакете ST Neural Network. В связи с ограниченным объёмом исходных данных, принятых при кластерном анализе, наиболее целесообразным оказалось использование многослойного персептрона или линейной сети.

Проверка работоспособности сети многослойного персептрона на исходных данных, используемых при кластерном анализе, показала, что исследуемые участки угольных месторождений подлежат отработке по четырём системам разработки, причём преобладающими являются длинностолбовая по простиранию и с разделением пласта на наклонные слои, что соответствует результатам, полученным при кластерном анализе (рис. 4).

В работе предложен методический подход к оценке эффективности освоения запасов геоструктур по критериям бюджетной эффективности и чистого дисконтированного дохода, сущность которого проиллюстрирована на рис.5.

Рис.5 Эффективность освоения запасов геоструктуры в зависимости от полноты извлечения полезного ископаемого: БЭ — бюджетная эффективность; ЧДЦ— чистый дисконтированный доход

Представленные на рис.5 графики свидетельствуют о том, что варианты, предусматривающие извлечение запасов геоструктуры на уровне 30 - 40% -бесперспективны, так как ведут к их выборочной отработке. Извлечение на уровне 55% будет выгодно недропользователю в связи с тем, что этот вариант принесёт ему максимальную прибыль. Однако его приемлемость не отвечает экономическим интересам государства, так как максимум прибыли для него будет достигнут при извлечении запасов на уровне 75%, но при таком уровне недропользователь будет нести убытки, связанные с большими затратами.

Таким образом, рациональными вариантами освоения геоструктуры будут те, которые позволят обеспечить извлечение на уровне 60 - 70%. При данном уровне извлечения удастся достичь баланса интересов между государством и недропользователем.

В работе реализация методических положений обоснования рациональных проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений осуществлена применительно к участку недр «Ерунаковский-УШ» Ерунаковского каменноугольного месторождения с использованием разработанного алгоритма и компьютерной программы БшйгЛюа 7.0.

По итогам реализации были получены четыре альтернативных варианта отработки запасов месторождения. После проведения экономико-математической оценки окончательно был выбран вариант раскройки запасов шахтного поля, предусматривающий отработку части балансовых запасов за геологическим нарушением и максимально обеспечивающий баланс интересов государства и недропользователя, что не получило отражения в ТЭО кондиций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования рациональных

проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений, имеющей существенное значение для угольной промышленности.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором в процессе выполнения работы, заключаются в следующем:

1. Произведена систематизация геологических структур участков угольных месторождений по морфологическим, горно-геометрическим и технологическим признакам.

2. В результате структурно-морфологического анализа геологического фонда Кузнецкого угольного бассейна выявлено повышенное распространение различных геоструктур участков угольных месторождений, большая часть запасов которых приходится на запасы в пологих пластах средней мощности.

3. Предложены критериальные признаки выделения геоструктур участков угольных месторождений и обоснованы условия оценки технологичности отработки их запасов на различных стадиях проектирования угольных шахт.

4. Разработаны методические основы выделения геоструктур при обеспечении технологичной отработки их запасов с использованием методов кластерного анализа и нейронных сетей.

Процесс корректного выделения геоструктур угольных месторождений по условиям технолопачности отработки запасов реализует три итерации: выделение из геологических участков геоструктур и субструктур; определение основных элементов субструктуры и обоснование рациональных параметров технологической схемы отработки её запасов; синтез технологической системы освоения геологической структуры в целом и обоснование её параметров.

5. Разработана методика технико-экономической оценки альтернативных вариантов технологических схем отработки запасов геоструктур участков угольных месторождений по критериям максимально возможной полноты

извлечения угля из недр на рациональной экономической основе при соответствии качества товарной продукции угледобывающего предприятия требованиям потребителя.

В качестве рационального варианта технологического решения рекомендовано принимать вариант, обеспечивающий оптимальный интегральный эффект от инвестиций за период отработки запасов геоструктуры с учётом интересов государства (полнота использования недр, бюджетная эффективность) и недропользователя (чистая прибыль, чистый денежный доход, чистый дисконтированный доход).

б. Разработанные методические рекомендации по обоснованию рациональных вариантов проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений использованы при раскройке планируемого к отработке участка недр «Ерунаковский-УШ» Ерунаковского каменноугольного месторождения Кузбасса.

Основное содержание днсссртацни опубликовано в следующих работах автора:

1. Заволокин Д.В. Методические принципы выделения геоструктур участков угольных месторождений по критериям технологичности отработки запасов// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008 - №9. -С. 201-204.

2. Заволокин Д.В. К вопросу обоснования технологичности отработки запасов угленосных геологических структур подземным способом// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009 - №2. - С. 16-19.

3. Заволокин Д.В. Реализация методических принципов по выбору рационального варианта отработки запасов геоструктур участков угольных месторождений// Деп. рук. №709/08-09 от 05.06.2009 (4 с.) - Горный информационно-аналитический бюллетень 2009 - № 8.

4. Заволокин Д.В. Методические принципы расчёта анкерной крепи горных выработок высокой пропускной способности// Сб. науч. трудов студентов магистратуры МГТУ. Вып. 6-М.: Изд-во МГГУ - 2006. - С. 14-17.

5. Заволокин Д.В. Исследование технологий крепления широкопролётных выработок высокопроизводительных угольных шахт// Сб. науч. трудов студентов магистратуры МГГУ. Вып. 7. - М.: Изд-во МГГУ. -2007.-С. 13 -16.

Подписано в печать 2&03*. Формат 60x90/16

_Объём 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № -ЗОб_

Отдел печати Московского государственного горного университета. Москва,

Ленинский проспект, 6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Заволокин, Дмитрий Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ 8 ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Анализ методических принципов и практики выделения геологических 8 структур угольных месторождений.

1.2. Оценка уровня изученности вопроса обоснования технологических 13 решений по эффективной отработке запасов геоструктур угольных месторождений.

1.3. Цель, задачи и методическая база исследований.

ВЫВОДЫ.

2. Разработка методики обоснования технологических схем отработки геологических структур участков угольных месторождений.

2.1. Систематизация геологических структур угольных месторождений.

2.2. Структурно-морфологический анализ угольных месторождений 28 Кузнецкого бассейна.

2.3. Критериальные признаки выделения геоструктур и оценки 50 технологичности отработки их запасов.

2.4. Обоснование альтернативных вариантов технологических схем отработки 54 запасов геоструктур участков угольных месторождений.

2.5. Методические положения выделения геоструктур участков угольных 61 месторождений при технологичной отработке их запасов.

2.5.1. Основные принципы реализации методики кластерного анализа.

2.5.2. Основные положения использования нейронных сетей при выделении геоструктур участков угольных месторождений.

ВЫВОДЫ.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО 81 ОБОСНОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ

ГЕОСТРУКТУР УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

3.1. Теоретические положения технико-экономического обоснования 81 эффективности технологий отработки запасов геоструктур.

3.2. Алгоритм реализации методики технико-экономического обоснования 87 эффективности технологий отработки запасов геоструктур.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Выбор и характеристика объекта реализации результатов 92 исследований.

4.2. Рекомендации по использованию результатов исследований в практике 95 проектирования и перспективного планирования отработки запасов участков угольных месторождений.

4.3. Оценка эффективности практической реализации результатов 105 исследований.

ВЫВОДЫ

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование рациональных проектных решений по отработке запасов геоструктур угольных месторождений"

Актуальность работы. На завершающем этапе реструктуризации угольной промышленности активизировалось освоение запасов перспективных месторождений угля в целом ряде горнодобывающих регионов России. В то же время практика проектирования строительства угольных шахт нового технико-экономического уровня свидетельствует о недостаточной обоснованности геометрических параметров участков месторождений, предназначенных для отработки запасов подземным способом. В пределах этих участков имеет место распространение различных геологических структур (геоструктур), отработка запасов которых требует использования адаптивных к условиям их залегания технологий. В этой связи актуализируется необходимость решения вопроса корректного выделения геоструктур при определении параметров участков недр, обосновании календарных планов отработки запасов угольных пластов, формировании программ развития горного производства. Информационная база по каждой выделенной геоструктуре участка месторождения является основой выбора рациональных вариантов и параметров технологий отработки их запасов с учётом требований конъюнктуры рынка конечной продукции угольных шахт.

Вышеизложенное позволяет утверждать о достаточной степени актуальности тематики исследований, базирующейся на разработке и реализации методических принципов комплексного обоснования рациональных проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений.

Целью работы является разработка методических принципов обоснования рациональных проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений, позволяющих повысить полноту и эффективность освоения георесурсов шахт.

Основная идея работы заключается в объективной дифференциации угленосной формации на определённое множество структурных элементов геоструктур), рассматриваемых как обособленные объекты освоения запасов полезного ископаемого, интегрируемые в единую технологическую систему угольной шахты для повышения полноты извлечения балансовых запасов из недр на рациональной экономической основе.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Требуемый уровень адаптивности технологий отработки запасов участков угольных месторождений к их горно-геологическим условиям может быть обеспечен на базе корректной структурно-ориентированной типизации условий.

2. Дифференциацию угленосной формации на определённое множество геоструктур различной масштабности целесообразно осуществлять с использованием методов кластерного анализа и нейронных сетей, позволяющих в удобной форме классифицировать информацию и представлять её в виде однородных образов, объединяющих объекты недр по принципу близости их природных характеристик.

3. Критериями объективности выбора рациональных вариантов проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений являются максимально возможная полнота извлечения запасов угля, рациональность освоения ресурсов, соответствие качества товарной продукции на угольной основе требованиям потребителей, а также баланс интересов государства и недропользователя.

Научная новизна результатов исследований: предложен методический подход, при реализации которого геоструктура выступает как единый объект применения адаптивной к её условиям технологии отработки запасов;

- обоснованы критерии объективного выделения геоструктур угольного месторождения и оценки технологичности отработки их запасов;

- разработана методика обоснования выбора альтернативных вариантов технологических схем отработки запасов геоструктур участков угольных месторождений;

- установлены зависимости коммерческой и бюджетной составляющих эффективности функционирования угольной шахты от коэффициента извлечения полезного ископаемого.

Научное значение диссертации состоит в разработке методических принципов обоснования рациональных вариантов проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений с учётом возможности повышения эффективности функционирования горного предприятия и полноты извлечения полезного ископаемого из недр.

Практическое значение диссертации заключается в разработке рекомендаций по повышению уровня полноты извлечения запасов угля на стадии проектирования отработки запасов геоструктур, обеспечивающих баланс интересов государства (бюджетная эффективность) и недропользователя (коммерческая эффективность).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается:

- представительностью объектов исследований (20 угольных шахт Южного Кузбасса);

- корректным использованием современных методов исследований (теории вероятностей, кластерного анализа, нейронных сетей, технологического и компьютерного моделирования);

- использованием работоспособных программных продуктов при реализации методики дифференциации угленосной формации на множество геоструктур и расчётах бюджетной и коммерческой составляющих эффективности функционирования шахты.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и были одобрены на ежегодных научных симпозиумах в рамках «Недели горняка» в МГГУ (Москва, 2006-2009) и на научных семинарах кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (Москва, 20062009).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 научных работ, из них 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и списка использованной литературы из 76 наименований, включает 10 таблиц и 36 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Теоретические основы проектирования горно-технических систем", Заволокин, Дмитрий Викторович

выводы

1. Предложено в качестве объекта практической реализации результатов исследований принять геологический участок «Ерунаковский-VIII» Ерунаковского каменноугольного месторождения, характеризующийся высокой угленосностью, сложным строением и значительной перспективой освоения.

2. Применительно к выбранному объекту исследований разработаны рекомендации по проектированию раскройки и перспективному планированию развития горных работ в границах шахтного поля.

3. В результате реализации методики кластерного анализа геологических данных выделено три кластера запасов участка, на основе которых рекомендовано все запасы последнего отрабатывать по системе в варианте «длинные столбы по простиранию с полным обрушением кровли».

4. Реализация третьего варианта отработки запасов участка «Ерунаковский-VIII» позволит вовлечь в эффективную отработку дополнительные запасы угля геологическим нарушением, что приведёт не только к повышению полноты отработки, но и к продлению срока службы предприятия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования рациональных проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений, имеющей существенное значение для угольной промышленности.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором в процессе выполнения работы, заключаются в следующем:

1. Произведена систематизация геологических структур участков угольных месторождений по морфологическим, горно-геометрическим и технологическим признакам.

2. В результате структурно-морфологического анализа геологического фонда Кузнецкого угольного бассейна выявлено повышенное распространение различных геоструктур участков угольных месторождений, большая часть запасов которых приходится на запасы в пологих пластах средней мощности.

3. Предложены критериальные признаки выделения геоструктур участков угольных месторождений и обоснованы условия оценки технологичности отработки их запасов на различных стадиях проектирования угольных шахт.

4. Разработаны методические основы выделения геоструктур при обеспечении технологичной отработки их запасов с использованием методов кластерного анализа и нейронных сетей.

Процесс корректного выделения геоструктур угольных месторождений по условиям технологичности отработки запасов реализует три итерации: выделение из геологических участков геоструктур и субструктур; определение основных элементов субструктуры и обоснование рациональных параметров технологической схемы отработки её запасов; синтез технологической системы освоения геологической структуры в целом и обоснованию её параметров.

5. Разработана методика технико-экономической оценки альтернативных вариантов технологических схем отработки запасов геоструктур участков угольных месторождений по критериям максимально возможной полноты извлечения угля из недр на рациональной экономической основе при соответствии качества товарной продукции угледобывающего предприятия требованиям потребителя.

В качестве рационального варианта технологического решения рекомендовано принимать вариант, обеспечивающий оптимальный интегральный эффект от инвестиций за период отработки запасов геоструктуры с учётом интересов государства (полнота использования недр, бюджетная эффективность) и недропользователя (чистая прибыль, чистый денежный доход, чистый дисконтированный доход).

6. Разработанные методические рекомендации по обоснованию рациональных вариантов проектных решений по отработке запасов геоструктур участков угольных месторождений использованы при раскройке планируемого к отработке участка недр «Ерунаковский-VIII» Ерунаковского каменноугольного месторождения Кузбасса.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Заволокин, Дмитрий Викторович, Москва

1. Абрамов В.М., Западинский Л.Р. О повышении уровня извлечения запасов угля в Кузбассе.// Уголь - №7, с. 12-15.

2. Арене К.Б. Горное дело объект науки. М.: изд. ВНИМИ 1990.

3. Архипов Г.И. Основы недропользования. — Хабаровск: изд-во «Риотил. — 2008. -396 с.

4. Бабокин И.А. Технико-экономическая оценка потерь угля в недрах М.: Недра, 1964.

5. Братченко Б.Ф., Устинов М.И., Гапанович А.Н. Способы вскрытия, подготовки и системы разработки шахтных полей./ Под ред. Братченко Б.Ф. М.: Недра 1985 -494 с.

6. Брагин В.Е., Егоров П.В. Шахты Кузбасса: Справочник М.: Недра, 1994 - 352 с.

7. Бурчаков А.С., Харченко В.А., Кафорин Л.А. Выбор технологических схем угольных шахт. М.: «Недра», 1975.

8. Бурчаков А.С., Жежелевский Ю.А., Ярунин С.А. Технология и механизация подземной разработки пластовых месторождений. Учебник для вузов — М.: Недра, 1989-431 с.

9. Бурчаков А.С., Малкин А.С., Еремеев В.М. Проектирование предприятий с подземным способом добычи полезных ископаемых. Справочник М.: Недра, 1991 -399 с.10. «Временные нормы технологического проектирования угольных и сланцевых шахт», 1992 (ВНТП-1-92).

10. Вылежагин В.Н. Новые представления о проектном обеспечении шахт на весь период их развития и санации.// Вестник ГМС РАЕН М.1996, с. 159-165.

11. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР, Том 7 — М.: Недра, 1969.

12. Гитис Л.Х. Статистическая классификация и кластерный анализ М.: Изд-во, МГТУ, 2003- 156 с.

13. Государственный баланс запасов полезных ископаемых РФ, уголь, том VII,

14. Сибирский Федеральный округ, часть 1, М.: 2008.

15. Грошенкова О.В., Решетов С.Е., Осыка Я.С. Изучение технологической шахты как объекта проектирования. М. - изд-во МГГУ, 2006.

16. Гурьянов В.В. Научные основы технологического моделирования как метода оптимизации горного производства. М.: ИПКОН, 1996.

17. Гурьянов В.В. Основные направления научно-технического прогресса в топливных отраслях промышленности .// Теплоэнергетика 1994 №11 с. 11-16.

18. Домрачев А.Н. Разработка гибких геотехнологических систем эффективного освоения угленосных складчатых структур — Дисс. докт. технич. наук — Новокузнецк.: СибГИУ, 2002 295 с.

19. Еремеев В.М., Краснянский Г.Л., Эталоны ТЭО строительства предприятий по добыче и обогащению угля. Изд. акад. наук 1998 439 с.

20. Еремеев В.М., Диколенко Е.Я. Автоматизированное проектирование угольных шахт/ Под ред.проф., д-ра техн. Наук Кузнецова Ю.Н. Липецк: Липецкое издательство, 1997 - 192 с.

21. Жежелевский Ю.А., Федаш А.В., Фёдорова М.А. Методология выбора технологических схем угольных шахт М. - Изд-во МГГУ, 2006.

22. Заволокин Д.В. Методические принципы выделения геоструктур участков угольных месторождений по критериям технологичности отработки запасов// Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2008, №9, с. 201-204.

23. Заволокин Д.В. К вопросу обоснования технологичности отработки запасов угленосных геологических структур подземным способом// Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009, №2, - с. 16-19.

24. Заволокин Д.В. Реализация методических принципов по выбору рационального варианта отработки запасов геоструктур участков угольных месторождений. — М.: Рукоп.деп. №709/08-09 от 05 июня 2009 г. Опубл. в ГИАБ. 2009. - № 8.

25. Заволокин Д.В. Методические принципы расчёта анкерной крепи горных выработок высокой пропускной способности. — Сб. науч. трудов студентов магистратуры МГГУ. Вып. 6 М.: изд-во МГГУ, 2006, - с. 14-17.

26. Заволокин Д.В. Исследование технологий крепления широкопролётныхвыработок высокопроизводительных угольных шахт — Сб. науч. трудов студентов магистратуры МГГУ. Вып. 7. М.: изд-во МГГУ, 2007, - с. 13 - 16.27. Закон РФ «О недрах».

27. Инструкция по расчёту промышленных запасов, определению и учёту потерь угля (сланца) в недрах при добыче — М.: 1996 — 46 с.

28. Инструкция по нормированию и планированию потерь угля в недрах на шахтах ОАО «Компания «Кузбассуголь» Санкт-Петербург, 2001 - 31 с.

29. Кариман С.А. Оценка сложности горно-геологических условий разработки пластов/ С.А. Кариман// Уголь 1986, №12 - с. 38-39.

30. Килячков А.П. Технология горного производства М.: Недра, 1985 - 400 с.

31. Киржнер Ф.М. Систематизация способов отработки нарушенных пластов./ Ф.М. Киржнер// Добыча угля подземным способом. 1983. - №6. - С. 15.

32. Козовой Г.И., Кузнецов Ю.Н., Рыжов A.M. Гибкие технологические системы высокопроизводительных угольных шахт М.: 2003 — 501 с.

33. Козовой Г.И., Рыжов A.M., Волков И.И. Интенсивные технологии монтажа-демонтожа высокопроизводительных комплексов очистного оборудования. М.: 2005- 164 с.

34. Коровкин Ю.А., Савченко П.Ф., Саламатин А.Г., Постников В.И. Теория и практика длиннолавных систем. М.: ООО «Техгормаш». - 2004. - 600 с.

35. Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети М.: Горячая линия — Телеком, 2002-382 с.

36. Кузнецов К.К., Еремеев В.М. Эффективность освоения проектных показателей угольных шахт. М.: Недра, 1985 - 247 с.

37. Кузьмич А.С., Бетапели К.П., Бутылов М.Н. Создание шахт нового экономического уровня. М.: Недра 1976.

38. Лаврик В.Г., Домрачеев А.Н. Моделирование развития сложной производственной системы. «Угольная компания «Кузнецкоуголь» Новокузнецк СибГИУ, 2000 - 49 с.

39. Лаврик В.Г., Ногих С.Р., Домрачеев А.Н. Моделирование развития сложной производственной системы. «Угольная компания «Кузнецкоуголь». —

40. Новокузнецк, СибГМУ, 2000.

41. Лазукнн В.Н. Разработка комплексного прогноза развития техники и технологии горных работ в условиях шахт Подмосковного бассейна. Автореф. к дисс. канд. техн. наук-М.: 1979.

42. Мазикин В.П., Решетов С.Е. Развитие вспомогательных производств в условиях реструктуризации угольной промышленности на предприятиях АООТ «Ленинскуголь». М.: ГИАБ. Вып. 4, МГГГУ, 1995.

43. Мазикин В.П., Решетов С.Е., Красюк Н.Н. Оптимизация хозяйственной деятельности системы предприятий угледобывающего региона». М.: изд. МГГУ, 1995.

44. Малкин А.С., Пучков Л.А., Саламатин А.Г. Проектирование шахт — М.: изд. Академии горных наук, 2000 — 375 с.

45. Малышев Ю.Н. Угольная промышленность России, её состояние и перспективы // Уголь, 1995, №1.-33 с.

46. Методические рекомендации по технико-экономическому обоснованию кондиций для подсчёта запасов месторождений твёрдых полезных ископаемых — М.: НП НАЭН, 2007 40 с.

47. Методология проектирования горных предприятий: Справочник./ Ред. кол.: И.К. Станченко М.: Недра - 429 с.

48. Нейронные сети statistica neural network М.: Горячая линия - Телеком 2008 — 392 с.

49. Нормативы нагрузки на очистные забои действующих при различных горногеологических условиях и средствах механизации. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1982.

50. Ногих С.Р. Воспроизводство шахтного фонда действующих, строящихся и восстанавливающихся шахт. — Томск; изд-во томского университета, 2002 240с.

51. Отраслевая инструкция по учёту балансовых и расчёту промышленных запасов, определению, нормированию, учёту и экономической оценке потерь угля (сланца) при добыче Приложение к приказу Минуглепрома СССР от 30 сентября 1974- 132 с.

52. Потапенко В.А. Новая техника для очистных забоев — Уголь, 1995, №7 — С. 1018.

53. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ от — 618 — 03). Серия 05. Выпуск 11/ колл. авт. — Научно — технический центр по безопасности в промышленности, 2008-296 с.