Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование технологии и комплексов оборудования для модернизируемых мощных буроугольных разрезов

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологии и комплексов оборудования для модернизируемых мощных буроугольных разрезов"

На правах рукописи

Фёдоров Андрей Витальевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И КОМПЛЕКСОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ МОДЕРНИЗИРУЕМЫХ МОЩНЫХ БУРОУГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

005539958

Иркутск - 2013

005539958

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

Научный руководитель Косолапое Александр Иннокентьевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Овешников Юрий Михайлович,

доктор технических наук, профессор, Заведующий кафедрой «Открытые горные работы» ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет»;

Орлова Зинаида Александровна,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», кафедра «Разработка месторождений полезных ископаемых»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Магнитогорский

государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Защита состоится 5 декабря 2013 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.07 при Иркутском государственном техническом университете по адресу г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, корпус «К», конференцзал.

Факс: 8 (3952) 405-104; e-mail: go_gor@istu.edu

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Автореферат разослан 1 ноября 2013 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета докт. техн. наук, проф.

В.А. Домрачева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в России на открытый способ приходится свыше 70 % всего объема добычи угля. При этом 30 % составляют бурые угли.

Разрезы, разрабатывающие буроугольные месторождения, в пределах лицензионных участков, располагают огромными запасами при сравнительно небольших коэффициентах вскрыши и горизонтальном или пологом залегании пластов большой мощности.

Поэтому такие разрезы действуют продолжительное время (свыше пятидесяти лет) и для них в силу технического прогресса характерна временная динамика технологий разработки, обусловленная внедрением нового и более производительного оборудования. В связи с этим, с определенной периодичностью происходит модернизация и техническое перевооружение предприятий. При этом, резкое изменение горно-геологических условий невозможно учесть перспективными проектными решениями, предопределяя их постоянную корректировку. Все это протекает в условиях ограниченного внутреннего рынка бурых углей, что диктует соответствующим предприятиям обеспечивать рост своей операционной эффективности.

В таких условиях при модернизации предприятий, требующей серьёзных инвестиций, необходимо уметь обосновано выбирать комплексы оборудования и обосновывать технологию горных работ, обеспечивающих резкое увеличение производительности при повышении эффективности разработки месторождения в целом, в кратчайшие сроки. Однако, отсутствие необходимых для этого результатов научных исследований, позволяющих принять соответствующие решения, и определяет актуальность темы настоящей работы.

Степень разработанности. Основные принципы обоснования технологии разработки месторождений открытым способом были заложены в трудах Анистратова Ю.И., Арсентьева А.И., Астахова A.C., Брюховецкого О.С., Васильева М.В., Виницкого К.Е., Воронюка A.C., Егина Б.А., Коваленко B.C., Кузнецова К.К., Мельникова Н.В., Новожилова М.Г., Подэрни Р.Ю., Ржевского В.В., Симкина Б.А., Томакова П.И., Трубецкого К.Н., Хохрякова B.C., Шешко Е.Ф. и др. В них приведены рекомендации для выбора комплексов горного и транспортного оборудования, а также показана целесообразность создания новых типов на основе технологических предпосылок и сформулированы принципы рациональности технологии горных работ.

Признавая значительный вклад основоположников отечественной горной

науки, их учеников и последователей в создании методов формирования структуры комплексной механизации, следует отметить, что применяемые методы позволяют определять структуру парка на так называемый расчетный год и не решают эту задачу в динамике. При этом они не учитывают всего многообразия современной техники, представленной на рынке в настоящее время.

Для дальнейшего развития открытых горных работ на основе интенсификации и повышения производительности труда в современных условиях необходима более современная методология обоснования новых комплексов горного и транспортного оборудования, а также модернизации разрезов при их применении.

Исходя из этого, автором выполнены исследования в направлении обоснования технологии и комплексов оборудования для разработки крупных буроугольных месторождений при модернизации разрезов, и полученные результаты отражены в научных положениях представленной работы.

Цель работы - повышение эффективности разработки крупных буроугольных месторождений при модернизации мощных разрезов.

Идея работы состоит в том, что повышение эффективности разработки крупных угольных месторождений при модернизации мощных разрезов обеспечивает технология, основанная на применении экскаваторно-автомобильных комплексов оборудования, параметры которых учитывают пространственную изменчивость условий разработки и временную динамику показателей работы оборудования.

Основные задачи исследования:

1. Анализ динамики условий и технологии открытой разработки крупных буроугольных месторождений;

2. Исследование изменения эффективности работы мощного горного оборудования в зависимости от времени его эксплуатации;

3. Разработка методики обоснования комплексов горного оборудования при модернизации мощных буроугольных разрезов;

4. Обоснование технологии разработки и организации работ при замене комплексов оборудования на модернизируемых мощных буроугольных разрезах;

5. Оценка экономической эффективности технологии при модернизации мощных буроугольных разрезов.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности влияния модели экскаватора на эффективность разработки природно-технологических зон.

2. Выявлен характер влияния срока службы горного оборудования на затраты по его приобретению и содержанию.

3. Получена зависимость индекса доходности инвестиций в модернизацию от количества блоков, которыми разрабатывают крупное угольное месторождение.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследований:

1. Выполнен анализ динамики условий и технологии открытой разработки крупных буроугольных месторождений.

2. Исследовано изменение эффективности работы мощного горного оборудования в зависимости от времени его эксплуатации.

3. Разработана методика обоснования комплексов горного оборудования при модернизации мощных буроугольных разрезов.

4. Обоснована технология разработки и организации работ при замене комплексов оборудования на модернизируемых мощных буроугольных разрезах.

5. Выполнена оценка экономической эффективности технологии при модернизации мощных буроугольных разрезов.

Результаты исследований использованы при оценке инвестиций для модернизации Бородинского разреза. Установлено, что использование разработанных рекомендаций при модернизации Бородинского разреза позволит снизить эксплуатационные затраты и увеличить объемы добычи при минимальном объеме инвестиций. Экономический эффект от внедрения в ценах 2013 г. составит свыше 315,0 млн. руб./год.

Методология и методы исследований. В работе использованы методы и методология системного, структурно-функционального и факторного анализа, научного обобщения, математической статистики и горно-графического моделирования с применением программного обеспечения ЭВМ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При модернизации мощного разреза выбор комплекса горнотранспортного оборудования для разработки крупного месторождения следует осуществлять с учетом пространственной изменчивости условий разработки и временной динамики показателей работы оборудования, используя в качестве экономического критерия индекс доходности инвестиций за нормативный срок службы комплекса оборудования, обеспечивающего заданную производственную мощность разреза.

2. Повышение эффективности разработки крупных угольных месторождений при модернизации мощных разрезов обеспечивает применение экскаваторно-автомобильных комплексов большой единичной мощности при

делении фронта работ на блоки, имеющих примерно одинаковое строение продуктивной толщи при их оптимальном количестве, соответствующем максимуму индекса доходности инвестиций в модернизацию разреза.

3. При блочной разработке крупных угольных месторождений рабочую зону разреза с внутренними отвалами целесообразно связывать скользящими съездами, выходящими на кровлю отвала и нарезаемыми, для вскрытия вскрышных и добычных уступов, в торце блока с наибольшей мощностью угленосной толщи, а для вскрытия добычных уступов - по фронту отвала.

Степень достоверности научных выводов и рекомендаций подтверждается их соответствием данным практики и положительными результатами внедрения разработанного комплекса решений; достаточным объемом экспериментальных исследований и оценкой результатов по критериям математической статистики; широкой промышленной апробацией результатов исследований.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Открытые горные работы» ИГДГиГ Сибирского федерального университета (г.Красноярск, 20102013гг.); на Неделе горняка в Московском государственном горном университете (г.Москва, 2009-2013 гг.); на научно-практической конференции «Открытые горные работы в XXI веке» (г. Красноярск, 2011).

По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ в изданиях, рекомендованных ВАК.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 2 приложений, изложена на 149 страницах машинописного текста, включает 17 таблиц, 59 рисунков, и список использованной литературы из 94 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю докт. техн. наук, проф. Косолапову А.И., постоянное внимание, идеи и помощь которого способствовали успешному выполнению работы, а также генеральному директору НТЦ «Горное дело», канд. техн. наук Анистратову К.Ю. за практические советы при написании работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ современного состояния технологии и исследований, связанных с разработкой крупных угольных месторождений мощными разрезами, дана характеристика подобных месторождений Енисейского региона и обоснован объект исследований.

Во второй главе проанализированы факторы, определяющие необходимость и целесообразность модернизации угольных разрезов, изложены ее принципы и ее особенности.

В третьей главе описаны варианты комплексов горного оборудования и дан анализ факторов, влияющих на их выбор, обоснован экономический критерий для выбора комплекса горного оборудования, разработана методика обоснования комплексов горного оборудования для мощных угольных разрезов, выполнено обоснование рационального комплекса оборудования для разработки Бородинского угольного месторождения.

В четвертой главе проанализированы факторы, определяющие технологию открытой разработки мощных угольных месторождений, дано обоснование вскрытия и параметров системы разработки при модернизации Бородинского разреза.

Диссертационная работа базируется на трудах отечественных и зарубежных ученых и практиков в области открытой разработки угольных месторождений.

Опыт работы горнодобывающих предприятий и анализ многочисленных литературных источников свидетельствуют о том, что, несмотря на большой объем исследований, связанных с обоснованием технологии разработки месторождений различных типов, не в полной мере учитываются горногеологические особенности обширных мощных слабонаклонных пластовых месторождений. И практически отсутствуют исследования, связанные с модернизацией мощных буроугольных разрезов, разрабатывающих крупные месторождения продолжительное время.

Анализ условий разработки таких месторождений показывает, что, несмотря на общность их показателей, они отличаются друг от друга изменчивостью строения продуктивной толщи, как по падению, так и по простиранию. В любом случае результаты исследований, полученные в условиях наиболее сложного месторождения можно всегда интерпретировать для условий более простых. Поэтому основным объектом при проведении настоящего исследования принято Бородинское месторождение, строение продуктивной толщи и качественные показатели которого характеризуется чрезвычайной пространственной изменчивостью. Вследствие этого варьирует и технология. Разработка его ведется уже более 60 лет, а имеющихся запасов хватит еще более чем на 100 лет.

Однако применение технологий, заложенных в прошлые периоды, в настоящее время не обеспечивает необходимой производительности и

эффективности. Для этого необходимо кардинально изменить (модернизировать) технологию при техническом перевооружении предприятия.

Основные результаты проведенных исследований отражены в следующих ниже приведенных защищаемых положениях.

Предшествующими исследованиями было доказано, что в качестве экономического критерия для выбора рационального варианта комплекса горного оборудования целесообразно использовать величину индекса доходности инвестиций.

В настоящей работе предложено период оценки принимать по минимуму удельных накопленных затрат, вычисляемых по формуле:

где Ц - стоимость приобретаемой единицы оборудования, руб.;

Р1 - затраты на обслуживание единицы оборудования в ¡-ый год, руб./год;

I - время оценки, годы;

VI - производительность единицы оборудования в ¡-ый год, м3/год (т.км/год).

УгОгТрл;, (2)

где - техническая производительность единицы оборудования в ¡-ый год, м3/час (т.км/час);

ТрЛ; - время работы машины на линии в ¡-ый год, час.

На основе графиков технического обслуживания горного оборудования и его стоимости в течение всего срока службы установлена динамика времени работы на линии, производительности, удельных затрат на приобретение и обслуживание в зависимости от срока службы горного оборудования. В результате доказано, что оптимальное время эксплуатации зависит от типа оборудования и составляет:

- для карьерных мехлопат 20 лет;

- для гидравлических экскаваторов 8 лет;

- для автосамосвалов 14 лет.

Исходя из этого, при выборе комплекса горного оборудования по критерию индекса доходности инвестиций, период оценки принимали равным максимальному оптимальному значению времени эксплуатации машины, входящей в него. Поэтому, по истечению срока использования машины с меньшим временем эксплуатации необходимы дополнительные инвестиции для их приобретения. Это учитывалось в расчетах индекса доходности при оценке комплексов горного оборудования. При этом основной машиной комплекса является выемочно-погрузочная машина, производительность которой и

определяет производительность всего комплекса. Основные положения методики обоснования комплексов горного оборудования приведены ниже.

1. Выполняют анализ природно-технических условий разработки месторождения и интерпретируют данные о природных и технологических условиях развития горных работ, как последовательности отработки природно-технологических зон (ПТЗ). Впервые термин ПТЗ был предложен И.Б. Табакманом в 1986 г. и под ней следует понимать часть карьерного пространства с одинаковыми или мало отличающимися природными условиями, в пределах которой применяется одинаковая технология ведения горных работ.

ПТЗ различают по виду используемого горно-транспортного оборудования: экскаваторно-автомобильные, экскаваторно-железнодорожные, экскаваторно-конвейерные, экскаваторно-отвальные (при бестранспортной системе). Они могут быть добычными (угольными), вскрышными (породными), смешанными (породно-угольными).

В данном случае, исходя из сделанного допущения в условиях Бородинского разреза, будут иметь место экскаваторно-автомобильные добычные, вскрышные и смешанные ПТЗ, а также экскаваторно-отвальные. Их границы по фронту определены характером изменения угленосной толщи по простиранию пластов (рисунок 1).

2. Осуществляют анализ состояния карьерной техники на действующем предприятии, уровень организации технического обслуживания и материально-технического снабжения, а также квалификации персонала, разрабатывают график выбытия техники.

3. Выполняют анализ предложений и тенденций развития типов и моделей карьерой техники, формируют базу данных экономических показателей работы различного типа оборудования и строят статистические модели изменения показателей работы карьерной техники в течение срока ее эксплуатации.

4. Выбирают варианты комплексов горного оборудования.

Данная методика использована для обоснования экскаваторно-автомобильных комплексов для условий ПТЗ Бородинского разреза (таблица 1).

Лучшим вариантом комплекса будет тот, который полностью соответствует природным условиям, требованиям эффективной и безопасной технологии горных работ, обеспечивающей необходимую производительность.

Рисунок 1 - Усредненный продольный разрез Бородинского месторождения Таблица 1 - ПТЗ Бородинского разреза

Наименование Вертикальная

ПТЗ Область распространения Обозначение Технологический мощность Объемы**',

ПТЗ блок технологического млн.мЗ/год./млн.т/год

слоя, м

1. Первая Породы над пластами: Рыбинский 2 - В-1 А 33,0 9,06

вскрышная Блок А; Рыбинский 1 - Блок Б; Б 24,0 8,57

Бородинский 1 - Блок В. В 12,5 3,62

2. Вторая Междупластье Бородинский 1 и В-2 Б 9,0 2,84

вскрышная Бородинский 2 В 14,0 3,68

3.Первая Пласт Рыбинский 1 и породы между ним С-1 Б 3,95/3,3*' 0,22/1,29*"'

смешанная и пластом Рыбинский 2

4.Вторая Пласт Рыбинский 2 и породы между ним С-2 А 17,5/9,0 2,19/2,64

смешанная и пластом Бородинский 1 Б 13,2/4,2 3,07/1,62

5. Первая Пласт Бородинский 1 Д-1 А 42,0 12,31

добычная Б 28,0 10,94

В 23,0 7,49

6. Вторая Пласт Бородинский 2 Д-2 Б 7,0 2,74

добычная В 3,0 0,98

Примечание: *'- в числителе общая мощность, в знаменателе - угля;

*' - объемы при производственной мощности разреза равной 40 млн.т/год.; "*'-в числителе объем пород, в знаменателе - угля.

Расчеты индекса доходности при использовании различных вариантов комплексов горнотранспортного оборудования для отработки выделенных ПТЗ (таблица 1) выполняли по специально-разработанной программе в программной среде Excel с учетом вышеизложенных особенностей, принимая в расчет мощности технологических слоев и объемы работ (рисунок 1 и таблица 1).

Максимальное значение индекса доходности инвестиций указывает на оптимальный вариант экскаваторно-автомобильного комплекса оборудования (таблица 2).

Результаты расчетов представлены в виде диаграмм (рисунок 2).

ЭКГ 10 ЭКГ 15 ЭКГ32Р 495HD

Наименование оборудования

Ы ПТЗ В 1 В ПТЗ Д 1 U ПТЗ С 2

5 в

3 Я

2 1.5 1

о И

§ S 0-5

(j со

a S о

к £

4 -в

5

Г7

RH40E RH90C RH 120Е RH 170

Наименование оборудования

У ПТЗ Д 2 В ПТЗ С 1

aL4

5 1.3

S

Ь 1.2

<и

£ 1.1

¿шшя |=

1- шш

ЭШ 10/70 ЭШ 20/90

Наименование оборудования

У ПТЗ В2

Рисунок 2 - Влияние комплексов горнотранспортного оборудования на эффективность отработки ПТЗ

Таблица 2 - Экскаваторно-автомобильные комплексы для разработки ПТЗ Бородинского месторождения__

ПТЗ Горнотранспортное оборудование

экскаватор автосамосвал

1.В-1 и Д-1 ЭКГ-32Р МТ-5500

2.В-2 ЭШ-20.90 -

З.С-1 и Д-2 ЯН-90С тя-юо

4.С-2 ЭКГ-10 ТЯ-100

Вышеизложенное является доказательством первого научного положения, выносимого на защиту, а именно, при модернизации мощного разреза выбор комплекса горнотранспортного оборудования для разработки крупного месторождения следует осуществлять с учетом пространственной изменчивости условий разработки и временной динамики показателей работы оборудования, используя в качестве экономического критерия индекс доходности инвестиций за нормативный срок службы комплекса оборудования, обеспечивающего заданную производственную мощность разреза.

Переход на экскаваторно-автомобильные комплексы предопределяет и иную технологическую схему производства горных работ, а, следовательно, и вскрытия. Причем, при прямолинейном фронте работ расстояние транспортирования не обеспечивает оптимальные условия применения автосамосвалов. Для устранения этого фронт работ предложено делить на блоки, разрабатываемые в шахматном порядке, обеспечивая связь вскрышного и отвального фронтов скользящими съездами, которые позволяют в несколько раз сократить расстояние транспортирования за счет размещения транспортных коммуникаций не в двух, а нескольких торцах. Блоки вводят в эксплуатацию по очереди и разрабатывают в шахматном порядке за счет одновременного ввода в работу только тех блоков, которые не граничат друг с другом, а через блок. Затем, вводят блоки, когда их выработанное пространство со стороны торцов будет полностью перекрыто внутренними отвалами первой очереди, а в их торцевых частях нарезают скользящие съезды, по которым организуют грузотранспортные связи между уступами блока и ярусами отвала.

При обосновании количества блоков и их параметров следует иметь ввиду, что с увеличением числа блоков расстояние транспортирования вскрыши уменьшается, но не пропорционально из-за смещения смежных блоков по линии фронта работ.

Для обоснования параметров технологии разработки после модернизации Бородинского разреза рассмотрены варианты разработки деления фронта работ

на один, два, три, четыре и шесть блоков с учетом характера пространственной изменчивости ПТЗ.

Численные исследования, выполненные по специально-разработанной программе в среде Excel, показали, что увеличение количества блоков при раскрое карьерного поля приводит с одной стороны к уменьшению расстояния транспортирования, а с другой - к снижению производительности применяемых комплексов. С учетом этого оценены варианты раскроя по критерию индекса доходности инвестиций (рисунок 3).

1 2 3 4 5 6

Оцениваемый вариант

Рисунок 3 - Влияние технологии разработки Бородинского месторождения на индекс доходности инвестиций в модернизацию разреза:

1- существующая; 2,3,4,5,6 - блочная разработка, соответственно одним, двумя, тремя, четырьмя и шестью блоками

Реализуемость предложенной технологической схемы в условиях Бородинского разреза подтверждена расчетами параметров системы разработки и рабочей зоны разреза. Для обеспечения заданной производственной мощности разреза по углю во время его модернизации целесообразно фронт работ первоначально развивать за счет ускоренной отработки фланговых блоков и только после создания требуемого опережения можно будет вовлекать в отработку центральный блок.

Применение автосамосвалов большой грузоподъемности при добыче угля предопределяет необходимость его перегрузки для доставки внешним потребителям железнодорожным транспортом. При этом работа перегрузочного пункта должна быть синхронизирована с работой разреза по добыче. Учитывая протяженность фронта работ для сокращения расстояния

транспортирования угля перегрузочный пункт целесообразно размещать на внутреннем отвале вблизи границы блоков А и Б в зоне максимально-консолидированных отвальных пород. Анализ мирового опыта эксплуатации перегрузочных пунктов и выполненные расчеты показали, что он должен быть стационарным.

Вышеизложенное является доказательством второго научного положения, выносимого на защиту, а именно, повышение эффективности разработки крупных угольных месторождений при модернизации мощных разрезов обеспечивает применение экскаваторно-автомобильных комплексов большой единичной мощности при делении фронта работ на блоки, располагаемые в шахматном порядке и имеющие примерно одинаковое строение продуктивной толщи, а их оптимальное количество соответствует максимуму индекса доходности инвестиций в модернизацию разреза.

Модернизация вскрытия месторождения всегда связана с решением множества технологических и организационных задач. В случае Бородинского разреза это усугубляется переходом на блочную разработку. Причем, в настоящее время на востоке и в центре разреза имеется отставание вскрышных и добычных работ. Поэтому, в первую очередь необходимо ликвидировать это отставание с использованием вновь вводимого горного оборудования. Для этого, на отвале сооружают вагонозагрузочный пункт при тупиковой схеме путевого развития и нарезают скользящий съезд с отвала на почву пласта Бородинский 2. Одновременно нарезают скользящие съезды на рабочем борту блока А и ликвидируют отставание горных работ в блоках Б и В. Затем, убирают железнодорожные пути из рабочей зоны разреза. Это позволяет использовать автосамосвалы на вскрышных и добычных работах в блоке А, а в блоке В - на добычных работах. После полной ликвидации отставания горных работ торцы разреза пересыпают и начинают формировать схему вскрытия, используемую при блочной технологии разработки месторождения (рисунок 4).

К моменту завершения выравнивания фронта работ на отвале прокладывают железнодорожные пути для сквозной схемы движения поездов. Далее, горные работы ведут параллельно в блоках А и В, создавая условия для начала работ в блоке Б. Поскольку рабочая зона в блоках имеет разную высоту, то невозможно обеспечить поуступную схему вскрытия, связывая вскрышной и отвальный уступ на одной высотной отметке. Поэтому вскрышные и добычные уступы на участках, где мощность угленосной толщи максимальна, необходимо связывать с верхней площадкой отвала скользящими съездами.

Расчеты показали, что для минимизации расстояния транспортирования скользящие съезды следует нарезать в торце блока Айв торце на границе блоков А и Б (рисунок 4).

Для определения времени, необходимого для модернизации вскрытия Бородинского месторождения разработана специальная программа в Excel. В результате установлено, что отставание горных работ можно ликвидировать в течении 4 лет, а время необходимое для модернизации вскрытия и перехода на блочную технологию разработки Бородинского месторождения составит 5 лет.

Вышеизложенное является доказательством третьего научного положения, выносимого на защиту, а именно, при блочной разработке крупных угольных месторождений рабочую зону разреза с внутренними отвалами целесообразно связывать скользящими съездами, выходящими на кровлю отвала и нарезаемыми, для вскрытия вскрышных и добычных уступов, в торце блока с наибольшей мощностью угленосной толщи, а для вскрытия добычных уступов - по фронту отвала.

Рисунок 4 - Схема вскрытия верхних уступов блоков А и Б Бородинского месторождения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе проведённых исследований изложены научно-обоснованные решения, позволяющие определять рациональные параметры технологии горных работ при использовании экскаваторно-автомобильных комплексов на мощных разрезах, обеспечивающей повышение эффективности разработки крупных буроугольных месторождений.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации состоят в следующем.

1. Модернизация разрезов предопределена возрастанием объемов вскрышных работ, физическим и моральным износом оборудования, необходимостью уменьшения ручного и маломеханизированного труда, сокращением трудоспособного населения, потребностью в повышении престижности горных профессий, ростом затрат на производство, увеличением типоразмеров горнотранспортного оборудования и обострением конкуренции за высококвалифицированных специалистов при одновременном росте затрат на их подготовку.

2. При модернизации разрезов необходимо учитывать особенности горногеологических условий разработки и тенденции развития горной техники. Рост объемов горных работ и усложнение их условий должно сопровождаться соответствующим увеличением мощности, надежности и производительности оборудования, а совершенствование технологий ведения горных работ — расширением функциональных возможностей машин.

3. Обоснование комплексов горного оборудования необходимо выполнять с учетом динамики их развития, условий разработки месторождений и технико-экономических показателей работы в соответствии с жизненными циклами карьерной техники в течение срока службы по максимуму индекса доходности инвестиций. При этом основной машиной комплекса является выемочно-погрузочная, определяющая его производительность в целом.

4. Рост грузоподъемности автосамосвалов и вместимости ковшей экскаваторов предопределяет расширение области применения экскаваторно-автомобильных комплексов при разработке крупных буроугольных месторождений мощными разрезами.

5. Существующая рабочая зона Бородинского разреза не обеспечивает оптимальные условия работы автотранспорта и приводит к резкому возрастанию себестоимости при его использовании. Поэтому для уменьшения

расстояния транспортирования в несколько раз целесообразно использовать блочную разработку месторождения, связывая рабочую зону разреза с отвалом скользящими съездами, нарезаемыми в торцах блоков.

6. Увеличение количества блоков при разработке месторождения позволяет уменьшить расстояние транспортирования вскрьпци, но вместе с тем, приводит к росту времени на перегоны экскаваторов, на выполнение работ по нарезке скользящих съездов и к усложнению организацию работ. При оценке щести вариантов деления Бородинского месторождения на блоки установлено, что его отработку экономически целесообразно осуществлять тремя блоками при их средней длине 2100 м и вскрытии скользящими съездами, нарезаемыми в торцах блоков с наибольшей высотой рабочей зоны.

7. Применение автосамосвалов большой грузоподъемности при добыче предопределяет необходимость перегрузки угля для доставки внешним потребителям железнодорожным транспортом. При этом работа стационарного перегрузочного пункта должна быть синхронизирована с работой разреза на добыче, обеспечивать бесперебойную отгрузку угля, усреднять его качество, а также исключать взаимозависимость добычи и отгрузки.

8. Модернизация вскрытия Бородинского месторождения требует решения как технологических, так и организационных задач, связанных с обоснованием рациональной динамики производственной мощности разреза и графика ввода горного оборудования с учетом объемов горных работ по ликвидации их отставания.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Фёдоров, A.B. Методика формирования парка карьерной техники на действующем предприятии / A.B. Фёдоров, М.И. Щадов, К.Ю. Анистратов // Горная промышленность. - 2009. - № 5. - С. 2-5.

2. Фёдоров, A.B. СУЭК-Красноярск: итоги, проблемы, перспективы /

A.B. Фёдоров // Уголь. - 2009. - № 5. - С. 48-51.

3. Фёдоров, A.B. Варианты технологии горных работ в филиале ОАО «СУЭК-Красноярск» «Разрез Березовский-1» / A.B. Фёдоров, В.П. Шорохов,

B.Е. Кисляков, С.А. Бобров // Уголь. - 2009. - № 12. - С. 7-10.

4. Фёдоров, A.B. ОАО «СУЭК-Красноярск». Результаты 2010 года и задачи на 2011 / A.B. Фёдоров, В.Ю. Иншаков // Уголь. - 2011. - № 3. -

C.16-18.

5. Фёдоров, A.B. Формирование комплектов горно-транспортного оборудования на разрезе «Бородинский». Анализ преимуществ и недостатков / A.B. Фёдоров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва: МГГУ, 2012. - Вып. 5. - С. 74-84.

6. Фёдоров, A.B. Обоснование комплексов горного оборудования для модернизируемых буроугольных разрезов / A.B. Федоров // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельный выпуск № 2. — 2013.— С. 143—165.

7. Фёдоров, A.B. Технология разработки Бородинского буроугольного месторождения при модернизации разреза / A.B. Федоров // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельный выпуск № 2. — 2013. — С. 166—179.

Отпечатано в полиграфическом центре «Печатный двор» 660041, г. Красноярск, ул. Марковского, д. 19. Тел. +7 (391)294-91-04 Подписано в печать 29.10.2013. Формат 60x90/16. Печать цифровая. 1,0 усл. печ. л. Зак. № 2354. Тираж 100 экз.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Федоров, Андрей Витальевич, Красноярск

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

На правах рукописи

04201451 173

Фёдоров Андрей Витальевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И КОМПЛЕКСОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ МОДЕРНИЗИРУЕМЫХ МОЩНЫХ БУРОУГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая

и строительная)»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор

Косолапое А.И.

Красноярск - 2013

Оглавление

Введение..................................................................................................................................................3

1 Современное состояние вопроса, цель и задачи работы.....................................................7

1.1 Анализ современного состояния технологии разработки и комплексной механизации при разработке мощных угольных месторождений...........................................................7

1.2 Динамика технологии и комплексной механизации горных работ на угольных разрезах ОАО «СУЭК-Красноярск»...................................................................................17

1.3 Современное состояние исследований и проектной практики обоснования комплексов горного оборудования для разработки угольных месторождений..................................33

1.4 Характеристика мощных угольных месторождений и обоснование объекта исследования.........................................................................................................................46

1.5 Цель и задачи исследования................................................................................................50

2 Модернизация предприятий на современном этане развития промышленности.......52

2.1 Предпосылки, стратегия и цели модернизации промышленных предприятий.............52

2.2 Реструктуризация и модернизация угольной промышленности.....................................60

2.3 Выводы..................................................................................................................................70

3 Обоснование комплексов горного оборудования для модернизируемых угольных разрезов........................................................................................................................................72

3.1 Существенные факторы, влияющие на выбор комплексов горного оборудования при модернизации угольных разрезов.......................................................................................72

3.2 Основные тенденции развития карьерной техники мира.................................................74

3.3 Выбор экономического критерия для обоснования комплекса горного оборудования 79

3.4 Методика обоснования комплексов горного оборудования для угольных разрезов ...82

3.5 Обоснование рационального комплекса горного оборудования для модернизации Бородинского разреза...........................................................................................................86

3.6 Выводы................................................................................................................................103

4 Технология разработки Бородинского месторождения прн модернизации разреза. 109

4.1 Особенности технологии разработки месторождений экскаваторно-автомобильными комплексами.......................................................................................................................109

4.2 Технология разработки Бородинского месторождения экскаваторно-автомобильными комплексами.......................................................................................................................111

4.3 Технология отвалообразования и перегрузки угля на внешний транспорт.................121

4.4 Модернизация вскрытия Бородинского месторождения..............................................129

4.5 Выводы................................................................................................................................136

Заключение........................................................................................................................................139

Синеок литературы..........................................................................................................................141

Приложение А. Определение рационального срока службы оборудования.........................150

Приложение Б. Акт внедрения.......................................................................................................163

Введение

Актуальность работы. В настоящее время в России па открытый способ приходится свыше 70 % всего объема добычи угля. При этом 30 % составляют бурые угли.

Разрезы, разрабатывающие буроугольные месторождения, в пределах лицензионных участков, располагают огромными запасами при сравнительно небольших коэффициентах вскрыши и горизонтальном или пологом залегании пластов большой мощности.

Поэтому такие разрезы действуют продолжительное время (свыше пятидесяти лег) и для них в силу технического прогресса характерна временная динамика технологий разработки, обусловленная внедрением нового и более производительного оборудования. В связи с этим, с определенной периодичностью происходит модернизация и техническое перевооружение предприятий. При этом, резкое изменение горно-геологических условий невозможно учесть перспективными проектными решениями, предопределяя их постоянную корректировку. Все это протекает в условиях ограниченного внутреннего рынка бурых углей, что диктует соответствующим предприятиям обеспечивать рост своей операционной эффективности.

В таких условиях при модернизации предприятий, требующей серьёзных инвестиций, необходимо уметь обосновано выбирать комплексы оборудования и обосновывать технологию горных работ, обеспечивающих резкое увеличение производительности при повышении эффективности разработки месторождения в целом, в кратчайшие сроки. Однако, отсутствие необходимых для этого результатов научных исследований, позволяющих принять соответствующие решения, и определяет актуальность чемы настоящей работы.

Степень разработанности. Основные принципы обоснования технологии разработки месторождений открытым способом были заложены в трудах Анистратова Ю.И., Арсентьева А.И., Астахова A.C., Брюховецкого О.С., Васильева М.В., Виницкого К.Е., Воронюка A.C., Егина Б.А., Коваленко B.C., Кузнецова К.К., Мельникова II.В., Новожилова М.Г., Подэрни Р.Ю., Ржевского В.В., Симкина Б.А., Томакова П.И., Трубецкого К.Н., Хохрякова B.C., Шешко Е.Ф. и др. В них приведены рекомендации для выбора комплексов горного и транспортного оборудования, а также показана целесообразность создания новых типов на основе технологических предпосылок и сформулированы принципы рациональности технологии горных рабог.

Признавая значительный вклад основоположников отечественной горной науки, их учеников и последователей в создании методов формирования структуры комплексной механизации, следует отметить, что применяемые методы позволяют определять структуру парка на так называемый расчетный год и не решают эту задачу в динамике. При этом они не учитывают всего многообразия современной техники, представленной на рынке в настоящее

время.

Для дальнейшего развития открытых горных работ на основе интенсификации и повышения производительности труда в современных условиях необходима более современная методология обоснования новых комплексов горного и транспортного оборудования, а также модернизации разрезов при их применении.

Исходя из этого, автором выполнены исследования в направлении обоснования технологии и комплексов оборудования для разработки крупных буроугольных месторождений при модернизации разрезов, и полученные результаты отражены в научных положениях представленной работы.

Цель работы - повышение эффективности разработки крупных буроугольных месторождений при модернизации мощных разрезов.

Идея работы состоит в том, что повышение эффективности разработки крупных угольных месторождений при модернизации мощных разрезов обеспечивает технология, основанная на применении экскаваторно-автомобильных комплексов оборудования, параметры которых учитывают пространственную изменчивость условий разработки и временную динамику показателей работы оборудования.

Основные задачи исследования:

1. Анализ динамики условий и технологии открытой разработки крупных буроугольных месторождений;

2. Исследование изменения эффективности работы мощного горного оборудования в зависимости от времени его эксплуатации;

3. Разработка методики обоснования комплексов горного оборудования при модернизации мощных угольных разрезов;

4. Обоснование технологии разработки и организации работ при замене комплексов оборудования на модернизируемых мощных угольных разрезах;

5. Оценка экономической эффективности технологии при модернизации мощных буроугольных разрезов.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности влияния модели экскаватора на эффективность разработки природно-технологических зон.

2. Выявлен характер влияния срока службы горного оборудования на затраты по его приобретению и содержанию.

3. Получена зависимость индекса доходности инвестиций в модернизацию от количества

блоков, которыми разрабатывают крупное угольное месторождение.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследовании:

1. Выполнен анализ динамики условий и технологии открытой разработки крупных буроугольных месторождений.

2. Исследовано изменение эффективности работы мощного горного оборудования в зависимости от времени его эксплуатации.

3. Разработана методика обоснования комплексов горного оборудования при модернизации мощных буроугольных разрезов.

4. Обоснована технология разработай и организации работ при замене комплексов оборудования на модернизируемых мощных буроугольных разрезах.

5. Выполнена оценка экономической эффективности технологии при модернизации мощных буроугольных разрезов.

Результаты исследований использованы при оценке инвестиций для модернизации Бородинского разреза. Установлено, что использование разработанных рекомендаций при модернизации Бородинского разреза позволит снизить эксплуатационные затраты и увеличить объемы добычи при минимальном объеме инвестиций. Экономический эффект от внедрения в ценах 2013 г. составит свыше 315,0 млн. руб./год.

Методология и методы исследований. В работе использованы методы и методология системного, структурно-функционального и факторного анализа, научного обобщения, математической статистики и горно-графического моделирования с применением программного обеспечения ЭВМ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При модернизации мощного разреза выбор комплекса горно-транспортного оборудования для разработки крупного месторождения следует осуществлять с учетом пространственной изменчивости условий разработки и временной динамики показателей работы оборудования, используя в качестве экономического критерия индекс доходности инвестиций за нормативный срок службы комплекса оборудования, обеспечивающего заданную производственную мощность разреза.

2. Повышение эффективности разработки крупных угольных месторождений при модернизации мощных разрезов обеспечивает применение экскаваторно-автомобильных комплексов большой единичной мощности при делении фронта работ на блоки, имеющих примерно одинаковое строение продуктивной толщи при их оптимальном количестве, соответствующем максимуму индекса доходности инвестиций в модернизацию разреза.

3. При блочной разработке крупных угольных месторождений рабочую зону разреза с внутренними отвалами целесообразно связывать скользящими съездами, выходящими на кровлю отвала и нарезаемыми, для вскрытия вскрышных и добычных уступов, в торце блока с наибольшей мощностью угленосной толщи, а для вскрытия добычных уступов - по фронту отвала.

Степень достоверности научных выводов и рекомендаций подтверждается их соответствием данным практики и положительными результатами внедрения разработанного комплекса решений; достаточным объемом экспериментальных исследований и оценкой результатов по критериям математической статистики; широкой промышленной апробацией результатов исследований.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Открытые горные работы» ИГДГиГ Сибирского федерального университета (г. Красноярск, 2010-2013гг.); на Неделе горняка в Московском государственном горном университете (г. Москва, 2009-2013 гг.); на научно-практической конференции «Открытые горные работы в XXI веке» (г. Красноярск, 2011).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 2 приложений, изложена на 149 страницах машинописного текста, включает 17 таблиц, 59 рисунков, и список использованной литературы из 94 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю докг. техн. наук, проф. Косолапову А.И., постоянное внимание, идеи и помощь которого способствовали успешному выполнению работы, а также генеральному директору НТЦ «Горное дело», канд. техн. наук Анистратову К.Ю. за практические советы при написании работы.

1 Современное состояние вопроса, цель и задачи работы

1.1 Анализ современного состояния технологии разработки и комплексной механизации при разработке мощных угольных месторождении

В настоящее время во многих странах мира ведется отработка крупных угольных месторождений открытым способом. Особенно яркими представителями в этой области являются предприятия США, ФРГ, Китая и России.

Одними из самых мощных разрезов США являются предприятия "North Antelope Rochelle Mine" и "Caballo Mine", входящие в компанию «Powder River Coal Company", относящуюся к корпорации "Peabody Enerqy". Оба разреза находятся в штате Вайоминг (США), "Caballo" в 20-ти, «North Antelope" в 80-ти километрах от города Джиллетт.

Город Джиллегг расположен в самом крупном каменноугольном бассейне США (Западно-америкапский бассейн), в радиусе 100 км от города работает 13 разрезов с общим объёмом добычи 425 млн. тонн в год (40% от годовой добычи США).

Разрез «North Antelope Rochelle Mine» является самым крупным в США и в мире. Годовой объём добычи составляет около 90 млн. тонн. По горно-геологическим условиям данный разрез близок к разрезам ОАО «СУЭК-Красноярск». Разрабатываемый угольный пласт имеет пологое залегание, мощность угольного пласта составляет 22-24 метра, коэффициент вскрыши составляет 3 м3/т. Запасы в пределах горного отвода (в соответствии с лицензией) составляют 1,5 млрд. тонн. Угли, по «американской» классификации относятся к «суббитуминозным», по нашей классификации к каменным марки «Д».

Весь объём добываемого угля и вскрышных пород разрабатывается с использованием взрывных работ.

Добыча осуществляется на трёх участках, что позволяет создать достаточный фронт горных работ для обеспечения плановых объёмов. Добычные работы ведутся одним уступом, уголь отгружается мехлопагами в автосамосвалы. Всего на добыче применяют 5 экскаваторов фирмы Р&Н (Harnishpfeqer)-4100 с ёмкостью ковша 60 м3 и удлинёнными стрелами (рисунок 1.1). Годовая производительность экскаватора 18-20 млн. тонн. На вывозке угля работает 25 автосамосвалов, в том числе 4 ед. - САТ-797 грузоподъёмностью 400 тонн, и 21 ед. - САТ-793 грузоподъёмностью 260 тонн.

Весь уголь вывозят к приемным бункерам (перегрузочным пунктам), расположенным на нерабочем борту разреза (расстояние транспортировки угля автотранспортом 1,5-4,5 км), откуда после дробления по конвейерам различной длины подают в бункера силосного типа ёмкостью по 15 тыс.т.

Вскрышные работы ведут тремя уступами. Первый и второй уступ высотой по 16-18 м

отрабатывают на автомобильный транспорт. Ежегодно автотранспортом вывозят около 100 млн. м3. Экскавацию и погрузку вскрышных пород осуществляют мехлопатами Р&Н-4100 с ёмкостью ковша 30-45 м3. Годовая производительность экскаваторов составляет 15-18 млн. м\ Вывозку вскрыши осуществляют 40 автосамосвалов САТ-793 грузоподъёмностью 260 тонн. Расстояние перевозки вскрыши составляет 1-2 км и поддерживается за счёт создания временных породных перемычек через выработанное пространство от вскрышного борта до отвала.

Рисунок 1.1 - Вид добычного забоя в разрезе «North Antelope Rochelle Mine».

Экскаватор P&H-4100

Третий вскрышной уступ высотой 55 м разрабатывают с использованием взрывных работ на сброс в выработанное пространство после выемки (ширина выработанного пространства составляет 65-70 м). Взрывом сбрасывают около 30% породы и ещё около 30 % перемещают тяжёлыми бульдозерами, которыми формируют предотвал для размещения драглайнов. Остальной объём драглайнами перемещают в конечное положение в выработанном пространстве. Коэффициент переэкскавации при данной схеме работы составляет 0,235.

Для производства вскрышных работ по бестранспортной схеме используется три драглайна. На южном участке ЭШ-100/100 фирмы «Бьюсайрус Ири» с годовой производительностью до 38 млн. м3 (рисунок 1.2), на северном участке ЭШ-75/85 фирмы «Бьюсайрус Ири» с годовой производительностью 27 млн. м3, на западном участке ЭШ 50/105 фирмы «Марион» с годовой производительностью 20 млн. м3.

На разрезе используют 4 перегрузочных комплекса для разгрузки автосамосвалов с углём, каждый из которых оборудован дробилкой производительностью от 4200 до 6000 т/час. После дробления уголь по конвейеру поступает в силосные башни, откуда производится

погрузка в железнодорожные вагоны.

Рисунок 1.2 - Вид вскрышного забоя в разрезе «North Antelope Rochelle Mine».

Экскаватор «Бьюсайрус Ири» 1