автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Формирование ресурсосберегающих технологий открытой разработки свит крутых и наклонных угольных пластов

^ # #

На правах рукописи

КОВАЛЕНКО Владимир Сергеевич

ФОРМИРОВАНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ СВИТ КРУТЫХ И НАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 05.15.03 — «Открытая разработка месторождении полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный консультант

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, проф. П. И. ТОМАКОВ.

Официальные оллоненты: докт. техн. наук, проф. Л. Н. КАШПАР, докт. техн. наук, проф. М. А. РЕВАЗОВ, докт. техн. паук В. Г. ШИТАРЕВ.

"Ведущая организация — АО «Кузбассгипрошахт».

{

Защита диссертации состоится « . . . » июля 1997 г. 12ое?

в . . час. на заседании диссертационного совета Д-053.12.01 при Московском государственном горном университете по адресу: 117935, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « РР. » . . . 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. Ю. В. БУБИС.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование открытого спо-зба угледобычи является главным направлением техниче-<ой политики в сложившейся экономической ситуации и в грнод перехода к устойчивому развитию народного хозяйст-э. При этом главная задача состоит в разработке и реализа-ни новых технологических решений, позволяющих снизить есурсоемкость угледобычи и техногенную нагрузку на окру-:ающую среду. Это позволит поднять конкурентоспособность :ля по отношению к другим энергоносителям, прежде всего углеводородному, расширит рынок сбыта угля, вызвав тем эмым подъем уровня его производства, благоприятно ска-:ется на состоянии окружающей среды.

Удовлетворение энергетических нужд России по всем про-газам будет связано с освоением богатых запасов углей в неточных районах страны. Одним из крупнейших угольных ассейпов России является Кузнецкий, где основные запасы э1сококачесгвенных энергетических и коксующихся углей со-эедоточены в свитах пластов крутого и наклонного падения. 1сжду тем угледобывающим предприятиям при использовали традиционных технологий открытой разработки свойст-;нна высокая ресурсоемкость открытой угледобычи, кото-ая проявляется прежде всего в себестоимости товарной проекции. Кроме того, это приводит к увеличению площади отымаемых под горные работы земель, зачастую пахотных, арушению гидрогеологических и гидрологических режимов эдземных и поверхностных вод, загрязнению атмосферы пы-е- и газообразными вредными выбросами. Все это в совокуп-эсти привело к тому, что создалась реальная угроза необра-[мого нарушения экологического равновесия в высокоразви-эм в промышленном отношении регионе. Поэтому дальней-!ее развитие действующих угледобывающих предприятий и грспектива освоения новых месторождений Кузбасса в усло-1ях ухудшающейся экологической обстановки будут зависть от уровня ресурсосбережения применяемых технологий ^ледобычи.

Исходя из сказанного решение проблемы ресурсосбереже-ия и охраны окружающей среды при отработке свит пластов чля наклонного и крутого падения является актуальным и мест большое народнохозяйственное значение.

Целью работы является изыскание новых технологических принципов отработки свит пластов крутого и наклонного падения н разработка на этой основе ресурсосберегающих технологий открытой угледобычи с обоснованием их параметров.

Идея работы состоит в том, что при отработке свит кру-топадающнх и наклонных пластов необходимо и возможно создавать и поддерживать выработанное пространство карьера с параметрами, при которых достигается эффективное его использование для размещения вскрышных пород.

Объект и методы исследований. Научные задачи решены применительно к условиям перспективных месторождений угля восточного района Кузбасса, представленных в основном свитами пластов крутого и наклонного падения. В работе использованы методы технико-экономического анализа, математической статистики, экономико-математического моделирования с использованием современных программных продуктов, теории выбора и принятия решений.

Научные положения, представленные к защите:

1. Решающим фактором повышения эффективности открытой угледобычи является ускоренное вовлечение в производственный процесс техногенного ресурса — выработанного пространства с управляемым его воспроизводством в процессе эксплуатации месторождения. При разработке свит крутых и наклонных пластов выработанное пространство, ранее считавшееся недоступным для размещения вскрышных пород в начальный и основной периоды эксплуатации, может быть эфсктнвно использовано для этой цели путем изменения порядка отработки карьерного поля и целенаправленных действий по управлению, развитием горных работ по глубине карьера и в плане.

2. Возможность более раннего использования выработанного пространства и управления дальнейшим непрерывным воспроизводством этого техногенного ресурса появляется и может реализовываться при новых технологиях, основанных на следующих принципах:

ограничение глубины отработки на одном из флангов карьерного поля с вовлечением в эксплуатацию основных запасов полезного ископаемого у противоположного фланга, в т. ч. на глубоких горизонтах, недоступных традиционным технологиям открытой разработки;

относительно интенсивное нодвигание фрЪнта горных работ по простиранию залежей н сравнительно небольшие темпы углубкн карьера при соотношении их скоростей щ/Уг — = 12-ь30, что позволяет разместить основной объем вскрышных пород во внутреннем отвале;

управление направлением углубления горных работ в процессе эксплуатации месторождения за счет изменения соотношения между скоростью подвнгания фронта горных работ и темпом углубки карьера на этапах отработки.

3. Выбор местоположения карьера первой очереди и направления развития горных работ при углубочно-сплошных системах разработки должен обосновываться с учетом угле-насыщенности карьерного поля, режима горных работ, приемной способности выработанного пространства, расстояния транспортирования горной массы, суммарного объема вовлекаемых в эксплуатацию запасов полезного ископаемого и экологических показателей горного производства.

Рациональному соотношению этих факторов соответствует развитие горных работ с фланга карьерного поля с наименьшей угленасыщенностыо.

4. Установлены закономерности функционирования технологического комплекса при углубочно-сплошных системах разработки, на основе которых доказано, что с увеличением глубины горные работы следует развивать при формировании вогнутого продольного профиля дна карьера. Это позволяет свести к минимуму объем законсервированных запасов полезного ископаемого под внутренним отвалом и максимально вовлечь в разработку запасы па глубоких горизонтах, недоступные для открытой разработки традиционными технологиями по экономическим показателям. Кроме того, повышается уровень экологичное™ разработки.

5. По достижении определенной глубины карьера при смешанной системе разработки дальнейшее ведение горных работ ведется без углубки по сплошной системе разработки. Глубина этого перехода определяется показателем горнотехнических возможностей. Значение показателя должно быть не меньше единицы, что обеспечит функционирование горного предприятия в режиме самофинансирования.

6. Конкретные схемы вскрытия формируют по технологическим зонам с учетом их высоты и положения по глубине карьера. Реформирование схем вскрытия следует производить поэтапно по мере развития горных и отвальных работ. Стационарные трассы не обеспечивают условия для эффективного использования выработанного пространства и карьерного транспорта и не способствуют повышению экологической безопасности производства.

7. Установлены зависимости приемной способности внутреннего отвала, расстояния транспортирования и экологических показателей от высоты ярусов внутреннего отвала. Доказано, что по мере роста глубины карьера высота ярусов должна увеличиваться, составляя на начальных этапах отработки 20—25 м и достигая 30—45 м на последующих этапах эксплуатации. На этапе погашения горных работ она уменьшается до 30—40 м.

8. При углубочно-сплошной системе разработки из-за огрг ниченной приемной способности выработанного пространств от 15 до 33% объема вскрышных пород складируется во вне шние отвалы. Установлено с учетом экологических факторог что при различных объемах отвала существует практическ постоянное рациональное соотношение между параметрам всех его сторон. Это соотношение между высотой отвала ; длиной его основания изменяется в зависимости от стоимост! отчуждения земель от 1 : 18 до 1 : 22 (среднее 1 :20). Рацио нальное соотношение длины отвала к его ширине зависит о схемы развития отвала: при одностороннем развитии — 1:1 при двухстороннем — 2: 1.

Внешний отвал следует располагать в прибортовой зот карьера и он должен в процессе развития горных работ объе диняться с верхними ярусами внутреннего отвала в единьп отвальный массив. Такое объединение позволит уменьшит! затраты на отвально-рекультивационные работы, снизить зем леемкость горного производства и создать благоприятные ус ловия для их рекультивации.

Обоснованность и достоверность научных положений, вы водов и рекомендаций подтверждаются: достаточной сходимо стыо результатов теоретических исследований с фактическим! данными действующих разрезов; корректным использованиеь' экономико-математических моделей, созданных на основе апробированных аналитических зависимостей при составле нии расчетных алгоритмов; применением для оценки экономической эффективности критериев, длительное время используемых в рыночных экономических системах; положительным эффектом от внедрения результатов работы при проектировании и эксплуатации карьеров.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые предложены:

1. Идея, принципы и новые технологические решения по отработке свит пластов крутого и наклонного падения.

2. Новая группа систем разработки в действующей классификации.

3. Разделение систем вскрытия по классификационным признакам при сплошных и утлубочно-сплошных системах разработки.

4. Систематизация технологических схем формирования внутреннего отвала.

5. Критерий оценки потенциальных возможностей развития карьера по горнотехническим условиям.

6. Методические принципы и подходы к выбору направления развития горных работ, систем и схем вскрытия рабочих горизонтов, параметров этапов отработки и технологических зон, конечной глубины отработки, главных параметров внут-

реннего и внешнего отвалов, пропускной н провозной способности транспортных коммуникаций.

7. Технологические параметры углубочио-сплошных систем разработки, осуществлена их комплексная эколого-экоиоми-ческая оценка.

Практическое значение работы заключается в новых технологиях открытых горных работ, методиках по выбору технологических параметров разработки, рациональных параметрах углубочно-силошпых систем разработки и области их эффективного применения в условиях перспективных месторождений угля восточного Кузбасса.

Реализация результатов работы. Рекомендации по развитию горных работ, схемам вскрытия рабочих горизонтов и параметрам внутренних отвалов приняты АО «Кузбассгипро-шахт» к использованию при проектировании угольных разрезов Кузбасса. Предложения по порядку отработки разреза «Новоказанский-1» использованы в экспертном заключении ГК «Росуголь» на проект его строительства.

Основные научные положения диссертационной работы включены в учебную дисциплину «Ресурсосбережение и охрана окружающей среды при открытых горных работах» для студентов специальности 09.05 Московского государственного горного университета.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всесоюзном совещании по рекультивации (Новосибирск, 1973), Всесоюзном семинаре по «Охране окружающей среды в угольной промышленности» (ВДНХ, 1976), Всесоюзной научно-технической конференции «Экологические проблемы угольной промышленности Кузбасса» (Междуреченск, 1989), Симпозиуме и конференциях МГГУ в рамках «Недели горняка» (Москва, 1995, 1996, 1997).

Публикации. По результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 25 научных работ, в том числе одна монография и 4 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных па 3 Л € страницах машинописного текста, списка литературы из 173 наименований, (ОЯрисунков п 39 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Горные производства должны отвечать современным требованиям в потреблении производственных, экономических и природных ресурсов, в комплексном использовании попутно-вовлекаемых в технологический процесс ресурсов недр при условии достижения запланированного объема и определенного

качества товарной продукции и соблюдения .установленных нормативов качества окружающей среды. Это является обязательным условием в создании ресурсосберегающих и экологически безопасных производств на карьерах. Они могут создаваться либо па основе совершенствования традиционных технологии, либо путем перехода к принципиально новым технологическим решениям. Второе направление имеет большие потенциальные возможности и обеспечивает лучшие конечные результаты производства при минимальном отрицательном воздействии па окружающую среду и природные ресурсы. Это направление научно-технического прогресса оформилось в настоящее время под общим названием «ресурсосберегающие. экологически безопасные (чистые) производства».

Основы данного научного направления были заложены в трудах проф. Е. Ф. Шешко, академиков Н. В. Мельникова, В. В. Ржевского, К. Н. Трубецкого, докторов технических наук Ю. И. Анистратова, А. И. Арсентьева, Ю. Д. Буянова, К- Е. Вшшцкого, В. А. Галкина, В. Д. Горлова, А. М. Демина, Е. П. Дороненко, А. Ю. Дриженко, В. А. Ермолаева, В. В. Истомина, Л. Н. Кашпара, А. И. Корякина, А. П. Красавина,

A. М. Михайлова, Н. Н. Медникова, М. Г. Новожилова, М. Е. Певзнера, А. А. Пешкова, В. И. Прокопенко, М. А. Ре-вазова, И. И. Русского, Б. А. Симкина, П. И. Томакова,

B. С. Хохрякова, А. В. Хохрякова, А. Г. Шапаря, В. Г. Шита-рева, Н. Н. Чаплыгина, А. С. Чиркова, 10. П. Юматова, В. Л. Яковлева, И. М. Ялтанца, М. А. Ястребинского и др.

Одним из направлений решения проблемы ресурсосбережения и экологизации открытой угледобычи является преобразование в структуре потребления ресурсов за счет вовлечения в производственный процесс техногенного ресурса — выработанного пространства взамен земельного (природного) ресурса в целях его использования для размещения вскрышных пород. В результате реализации этого решения формируется новый природно-технологический комплекс, отличающийся от традиционных по многим признакам. Активным элементом этого комплекса становится техногенный ресурс выработанного пространства. При этом данный ресурс приобретает новое качество, из инертного (потенциального) состояния он переходит в активный (реальный), участвуя в технологическом процессе через взаимодействия с основными и вспомогательными процессами горного производства.

Впервые ресурс выработанного пространства был выделен в отдельный вид техногенных ресурсов в трудах ИПКОНа РАН, выполненных под руководством академика РАН К. Н. Трубецкого.

К?к любому ресурсу, ему свойственны признаки экологической, экономической и социальной полезности. Причем полезность тех или иных потребительских свойств определяется

прежде всего состоянием, направленностью и сроком использования.

Научными работами и практикой доказано, что наибольшая эффективность и экологическая безопасность разработки достигается в случае вовлечения ресурса выработанного пространства в производственный процесс на ранних стадиях эксплуатации месторождения. Это одни из главных принципов порядка развития горных работ при отработке горизонтальных месторождений. Применительно к условиям крутопадающих месторождений, еще в период становления открытых горных работ, проф. Е. Ф. Шешко высказал идею о порядке разработки синклинальных складок Кузбасса с расположением фронта горных работ вкрест простирания пластов и размещением вскрышных пород во внутреннем отвале. В последующем, применительно к условиям разработки крутых и наклонных пластов Кузбасса, эта идея была развита в трудах П. И. Томакова, Б. Т. Рутковского, А. С. Ненашева, Е. П. Васильева, П. П. Меньшопка, Л. И. Корякина, В. А. Ермолаева, В. В. Михальчепко, С. А. Прокопенко и др.

В настоящее время па большинстве разрезов Кузбасса целенаправленно создаются технологические условия для использования выработанного пространства под размещение в нем основной массы вскрышных пород. Причем наибольший рост объемов использования пород вскрыши для закладки выработанного пространства наблюдается при отработке пластов наклонного и крутого падения. За период с 1991 по 1995 г. он увеличился по концерну «Кузбассразрезуголь» в 2,5 раза и достиг 85498 тыс. *м3, или 52,0% от общего объема вскрышных пород. К 2000 г. планируется довести объем утилизации пород вскрыши до 70%.

С увеличением доли внутреннего отвалообразовапия расстояние транспортирования пород вскрыши автотранспортом уменьшилось или стабилизировалось, что положительно сказалось па производительности горнотранспортного оборудования.

Следует отметить, что на современном этапе развития открытых горных работ в Кузбассе реализуются в основном блочный и этапный порядок отработки карьерных полей, предложенные еще в пятидесятые — шестидесятые годы, т. е. по истечении порядка тридцати — сорока лет, когда определенные участки разрезов достигли проектных контуров или была пересмотрена конечная глубина отработки в сторону ее уменьшения. За весь период освоения месторождений Кузбасса было создано карьерных выемок общим объемом, по укрупненным расчетам, порядка 4—5 млрд. м3. С их формированием основные объемы вскрышных пород перемещались на относительно большие расстояния, что увеличивало долю транспортных расходов в себестоимости угля. Размещение

вскрышных пород во внешние отвалы требовало отчуждения больших площадей земель и усиливало негативное воздействие на окружающую среду. Поэтому получаемый сегодня экономический эффект от частичного использования выработанного пространства должен соизмеряться с теми потерями, которые были вызваны в прошлом дополнительными затратами на создание и поддержание огромного потенциального ресурса, который, очевидно, останется в таком состоянии в большем своем объеме по окончании горных работ в виде остаточных карьерных выемок.

Такой опыт в технологии разработки крутых и наклонных пластов, по всей видимости, будет иметь ограниченное применение при разработке перспективных угольных месторождений восточного района Кузбасса, представленных в основном свитами крутых и наклонных пластов суммарной мощностью до 180—220 м. Количество пластов в свите достигает 52. Суммарные запасы угля определены в объеме 7,9 млрд. т до глубины освоения 250—300 м, а с учетом перспективной глубины— 13,4 млрд. т. Площади выделенных полей перспективных разрезов достигают 25—33 км2. Соотношение между длиной карьерных полей и глубиной отработки изменяется от 150 до 300.

Освоение этих месторождений при использовании традиционных систем разработки с внешним отвалообразованием потребует для складирования более 70 млрд. м3 вскрышных пород отчуждения порядка 45—55 тыс. га. Кроме прямого нарушения земель, значительно большие площади будут подвержены геохимическому воздействию, засорению и загрязнению продуктами пыле- и газовыделения. Формирование круп-пых внешних отвалов (высотой 100—150 м, длиной до 8— 10 км) и глубоких карьерных выемок приведет к серьезным ландшафтным, гидрогеологическим, гидрологическим и аэрологическим изменениям. Размещение многомиллиардных объемов вскрышных пород будет связано с большими расстояниями транспортирования, что потребует вовлечения в производство значительных ресурсов. Поэтому в сложившейся экономической, социальной и экологической обстановке возможности дальнейшего развития открытой угледобычи в случае использования традиционных технологий при освоении новых месторождений могут оказаться весьма ограниченными. Требуется создание ресурсосберегающих технологий открытой угледобычи, основанных на новых принципах развития горных работ.

ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ

ТЕХНОЛОГИЙ РАЗРАБОТКИ СВИТ КРУТЫХ И НАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ. КЛАССИФИКАЦИОННАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЙ

В результате проведенного анализа состояния развития открытой угледобычи и научного обобщения новых технологических решений по отработке крутопадающих месторождений, проектных и научных работ был сформулирован ряд новых принципов и требований, предъявляемых к формированию ресурсосберегающих технологий открытой разработки свит пластов крутого и наклонного падения. Основными из них являются:

1. Ускоренное вовлечение в производственный процесс техногенного ресурса выработанного пространства за счет перевода его на начальных этапах разработки из пассивного (потенциального) в активное (реальное) состояние и создание необходимых условий для дальнейшего целенаправленного управления воспроизводством этого ресурса в соответствии с потребностями производства.

2. Технологический комплекс должен обладать достаточной гибкостью и адаптивностью к условиям разработки и внешним факторам.

3. Минимальное потребление производственных, экономических, природных и других ресурсов при условии достижения необходимого объема и качества товарной продукции и соблюдения установленных нормативов качества окружающей среды.

Исследованиями установлено, что возможность управления ресурсом выработанного пространства появляется и может реализовываться в соответствии с потребностью производства при поэтапно-углубочных технологиях, основанных на принципах относительно интенсивного развития горных работ в плане по простиранию пластов и сравнительно небольших темпах их углубления с целью формирования дна карьера с параметрами, при которых создаются условия для эффективного и безопасного размещения внутреннего отвала. При этом основным способом управления реальным ресурсом является поэтапное изменение направления углубления горных работ и параметров внутреннего отвала.

Принципиальные отличия от традиционных технологий, эффективно применяемых при отработке пологих, например месторождений КАТЭКа, заключаются в следующем: отработка пластов ведется вкрест их простирания и практически по всей высоте рабочей зоны одновременно на всех уступах; направление углубления горных работ управляется на всех этапах разработки и не зависит от падения пластов; в начальный период внутренним отвалом засыпается часть запа-

сор угля, зачастую пригодных по экономическим критериям для открытой разработки. Последующая отработка этих запасов принципиально возможна подземным или открытым способом (2-я очередь отработки).

Вариант ресурсосберегающей технологии разработки свиты крутопадающих пластов, основанный на принципах управления состоянием и параметрами ресурса выработанного пространства, показан на рис. 1.

Первоначально на одном из флангов карьерного поля создается вскрывающий котлован 1 или карьер первой очереди с размещением вскрышных пород во внешний отвал 2. Причем глубина вскрывающих выработок 'принимается относительно небольшой по отношению к конечной (предельной) глубине разработки па ¡противоположном фланге карьерного поля. Это позволит ускорить вовлечение в ¡производство ресурса выработанного пространства в целях его использования для складирования отрабатываемых вскрышных пород. На последнем этапе фор1.мнрования первоочередного карьера на его торцевом борту создают рабочие площадки 3% а на других бортах — транспортные бермы.

В дальнейшем горные работы развивают по всей высоте рабочей зоны карьера. Уступы отрабатывают тшперечными заходками или широкими панелями. При этом фронт горных работ развивается ло простиранию ¡пластов. В этот основной период эксплуатации 'месторождения горные работы получают относительно интенсивное развитие в плане, которое через определенные промежутки времени чередуется с их углублением в границах выделяемых при этом этапов отработки.

¡При таком развитии горных работ формируется наклонное дно карьера стуленчатой формы. Генеральный угол его наклона зависит от длины /карьерного поля и предельной глубины карьера на участке вскрытия и противоположном фланге или на участке, где достигается максимальная глубина отработки. Так, например, при длине ¡карьерного ¡поля в 6—8 км, глубине ¡первоочередного карьера 100 ¡м и предельной глубине разработки 300 м генеральный угол дна карьера составляет порядка 1,5—2,0° (принятые в расчетах исходные данные соответствуют условиям перспективных угольных 'месторождений Кузбасса, ¡представленных свитами пластов наклонного и крутого падения). В общем случае этот угол не должен превышать значения утла естественного откоса вскрышных ¡пород. Для конкретных условий разработки максимальное значение угла наклона дна карьера следует устанавливать расчетами с учетом устойчивости отвала на наклонном основании и достижения необходимой приемной способности выработанного пространства.

'В ¡процессе развития горных работ вскрышные породы перемещаются по транспортным бермам и съездам 4, раополо-

женным, например на нерабочем борту карьера, и укладываются в соответствующие ярусы внутреннего отвала 5. Съезды служат также для выдачи полезного ископаемого на поверхность.

Возможен вариант, когда на определенном этапе дальнейшее углубление горных работ может оказаться нецелесообразным по экономическим или другим условиям. В этом случае осуществляется переход на сплошную систему разработки без особой на то перестройки технологического комплекса и привлечения дополнительных инвестиций. Присущая ей такая возможность позволяет данную технологию отнести к наиболее адаптированным к изменяющимся внешним воздействиям Допрос на уголь, ценовая и налоговая политика государства и т. п.). Появляется возможность ограничиться на стадии проектирования выбором прпмерпых границ разработки с последующей их корректировкой в процессе эксплуатации месторождения.

Вышеописанный вариант технологии .можно рассматривать как типовой для условий перспективных месторождений восточного района Кузбасса. Поэтому он принят в работе в качестве основного объекта исследований.

Для .конкретных условий разработки возможно потребуются определенные изменения в этом варианте, направленные на улучшение функционирования технологического ¡комплекса. Например, при сложном залегании ¡пластов на отдельных участках целесообразными .могут быть технологии, основанные на смешанных системах разработки. Они ¡позволяют реализовать многие технологические преимущества, свойственные различным группам систем разработки.

Возможен вариант отработки карьерного поля наклонными слоями или их комбинацией с горизонтальными слоями. Основное преимущество отработки наклонными слоями заключается в возможности достижения большой производственной мощности карьера по добыче угля уже в начальные -годы эксплуатации месторождения при минимальных объемах горно-стронтельных работ.

Для обширных карьерных долей может быть эффективно использован блочный 'порядок отработки, основанный на принципах продольной системы разработки при поэтапной углубке и внутреннем огвалообразйвании. Кольцевая периферийная система .при ¡поэтапной углубке должна найти применение при разработке месторождений, представленных крупными свитами брахисинклинален, ¡подобных Таллинскому месторождению угля, в Кузбассе.

'Выделенный в работе типовой вариант технологии может быть дополнен принципом этапности отработки при расположении фронта горных работ ¡по простиранию пластов и формировании временных нерабочих бортов карьера.

В современных экономических условиях освоение крупных месторождении угля возможно системой высокоприбыльных «малых разрезов» с последующим созданием на одном из флангов карьерного поля высокопроизводительного объединенного карьера за счет -прибыли малых предприятий. Для эксплуатации .последних могут быть выделены участки с наиболее благоприятными горно-геологическими условиями. Отработка запасов на основном карьере ведется с поэтапной углубкой при внутреннем отвалообразовании. В процессе развития основного фронта горных работ «малые разрезы» поэтапно погашаются в верхней рабочей зоне. Основные запасы угля вовлекаются в эксплуатацию на более глубоких горизонтах, чем отработанные «малыми разрезами».

В научном аспекте все эти варианты технологий не попадают под признаки какой-либо, группы систем разработки по классификации акад. В. В. Ржевского. Это явилось одной из причин различного толкования системы разработки, заложенной в их основу.

Поэтому предлагается в классификацию внести новую группу систем, классификационные'признаки которой соответствуют особенностям данных технологий. Системы разработки данной группы предусматривают такой .порядок развития горных работ, когда их углубление чередуется в пространстве и во времени с их развитием в -плане при устойчивых параметрах рабочей зоны. Исходя из характера развития торных работ рекомендуется их назвать углубочно-сплошными системами. Группа смешанных систем разработки остается, как и другие (сплошные, углубочные), без изменения.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРЯДКА РАЗВИТИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

При разработке крупных свитовых месторождений угля эффективность функционирования технологического комплекса в значительной степени зависит от выбора направления развития горных работ по глубине н в -плане. Направление развития влияет на режим горных работ, темпы наращивания добычного фронта, а следовательно, на ¡производственную мощность ¡карьера по угледобыче на различных этапах разработки. Кроме того, от него зависят приемная способность выработанного -пространства, распределение грузопотоков вскрышных ¡пород между внутренним и внешним отвалами, условия работы карьерного транспорта и другие технологические параметры, что определяет экономические и экологические показатели разработки..

Согласно существующим принципам и рекомендациям на--правление развития горных работ в -плане считается наиболее эффективным, если на начальных этапах разработки, включая строительство карьера первой очереди, в эксплуатацию

вовлекаются участки карьерного ,поля с наибольшей углеиа-сыщенностыо. Однако такой подход не может быть в полной мере распространен па углубочно-сплошпые системы разработки. Это объясняется прежде всего тем, что в данных условиях коэффициент вскрыши не отражает объема отрабатываемых запасов угля. На одном из флангов карьерного поля, где ведется строительство карьера первой очереди, из-за относительно небольшой глубины отработки, вовлекается в эксплуатацию значительно меньший объем запасов, даже в условиях более высокой углеиасыщеппости, чем па противоположном фланге.

Исследованиями установлено, что наибольший суммарный объем отрабатываемых запасов угля достигается при развитии горных работ в направлении к флангу карьерного поля с наибольшей угленасыщенностыо (рис. 2, а). Причем отличие суммарного объема отрабатываемых запасов угля по отношению к варианту с противоположным направлением развития возрастает практически адекватно увеличению относительного изменения коэффициента углеиасыщеппости. Необходимо отметить, что это соотношение практически не зависит от направления углубления горных работ и конечной глубины отработки.

Вследствие переменного характера углеиасыщеппости по простиранию пластов свиты и глубине отработки изменяется режим горных работ (рис. 2, б). Наиболее благоприятные условия разработки с .позиции традиционного подхода к режиму работ достигаются в случае первоочередной отработки наиболее угленасыщенного фланга ^карьерного поля. По мере развития горных работ текущий коэффициент вскрыши увеличивается, достигая максимального значения на противоположном 'фланге.

При противоположном направлении развития в процессе понижения горных работ текущий .коэффициент вскрыши, как правило, уменьшается. Исключением являются только случаи с относительно небольшой интенсивностью изменения углеиасыщеппости по длине карьерного поля. В этих условиях из-за вовлечения в разработку значительных по объему безугольных зон со стороны нерабочих бортов карьера (или зон с относительно высоким коэффициентом вскрыши) текущий коэффициент вскрыши может стабилизироваться или даже несколько возрастать на протяжении всего периода эксплуатации, несмотря па увеличение углеиасыщеппости участков карьерного поля, вовлекаемых последовательно в разработку. По этой причине можно объяснить неадекватное расхождение текущего коэффициента вскрыши на флангах карьерного поля и относительного изменения коэффициента углеиасыщеппости свиты (/Суот). Так, например, при =1,5, текущие .коэффициенты вскрыши на конец отработки отличаются в 3 раза, а при /Суот = 1,15 — в 1,4 раза.

Аналогично выявленному характеру режима горных работ, в зависимости от направления развития изменяется производственная мощность карьера ,по горнотехническим условиям. Наиболее интенсивное наращивание производственной мощности карьера достигается при развитии торных работ в направлении « наиболее углеиасыщенным участкам. Так, в условиях Уропско-Караканского угольного месторождения она может достигать 20—30 млн. т угля в год. Однако в начальные годы эксплуатации из-за относительно высокого коэффициента вскрыши и небольшой глубины отработки она ограничена 3—5 млн. т угля в год.

Вследствие постоянного объема торной 'массы, заключенной в границах карьерного поля при рассматриваемых вариантах отработки, и переменного характера объема отрабатываемых запасов угля изменяются объемы вскрышных пород. При этом 'приемная способность выработанного карьерного пространства на этапах разработки остается постоянной и не зависит от направления развития горных работ в плане. Поэтому в процессе развития горных работ наблюдается перераспределение вскрышных пород между внутренним и внешним отвалами, что влияет на объемы грузоперевозок, земле-емкость угледобычи, объемы отходов торного производства и выбросов вредных веществ в окружающую среду.

В начальный -период эксплуатации достигается наименьшая землеемкость в случае первоочередной отработки наиболее угленасыщенной зоны. В (последующем наблюдается интенсивный ее рост до момента начала погашения горных работ. При противоположном направлении развития ее значения стабилизируются или в определенных условиях даже снижаются. Несколько иной характер имеют графики текущей зем-леемкости. В процессе эксплуатации месторождения отмечается во всех случаях снижение текущей землеемкости угледобычи. Причем наиболее резкое снижение характерно лри развитии горных работ от менее к более углеиасыщенным участкам. Данный вариант имеет несколько худшие'показатели землеиспользования только в начальный -период.

Интегральная оценка вариантов направления развития горных работ с позиции влияния горного производства на элементы окружающей среды и (природные ресурсы осуществлялась с помощью показателя экологоемкости. Установлено, что в экологическом отношении рассматриваемые варианты также неравнозначны по результирующим показателям (рис. 2, с).

На рис. 2, г представлены графики изменения суммарного чистого дисконтированного дохода без учета первоначальных инвестиций. Максимальный доход достигается при развитии горных работ, при котором в разработку вовлекается наибольший объем запасов угля с наиболее угленасыщенных уча-

;тков карьерного .поля. В начальный период эксплуатации карьера имеет место некоторое снижение эффекта. Однако оно незначительно в сравнении с достигаемым эффектом за весь :рок эксплуатации.

Следовательно, выбор местоположения карьера первой зчереди и соответственно направления развития горных работ з плане при углубочно-сплошных системах разработки следует обосновывать с учетом прежде всего воспроизводства за-гасов полезного ископаемого в процессе углубления горных забот.

Другим, ие менее важным, фактором повышения эффектности функционирования углубочно-сплошных систем раз-)аботки является целенаправленное управление углублением ■орных работ на каждом этапе отработки, что меняет не толь-(о объемы вовлекаемых в разработку запасов угля и режим •орных работ, но н состояние и количественную оценку ре-:урса выработанного пространства. От параметров данного »есурса зависят приемная способность внутреннего отвала и ^ответственно объем внешнего отвала, распределение карь-¡рных грузопотоков, затраты на транспортные и отвально-ре-;ультивацнонные работы и многие другие показатели разработки.

Установлено, что с увеличением угла погружения горных )абот рост объемов вскрышных пород происходит более ин-енсивно, чем приращение запасов угля. Это приводит не олько к увеличению текущего коэффициента вскрыши, но и реднего его значения при отработке определенного объема апасов угля. Так, с вовлечением в разработку запасов угля объеме 400 млн. т текущий коэффициент вскрыши изменятся от 3,8 до 4,45 н от 3,8 до 5,6 м3/т при понижении горных :абот под углом 1 и 5° соответственно (рис. 3, а). При этом редний 'коэффициент вскрыши увеличивается с 4,15 до -,8'М3/т\ Такое увеличение объясняется приращением больше-о объема вскрышных пород со стороны нерабочих бортов ка-|ьера.

При небольших углах погружения (1—2°) -практически остнгается соответствие между приемной способностью вы-аботанного пространства и объемом отрабатываемых вскры-1ных пород. Превышение внутреннего отвала над дневной оверхностью незначительно (5—15 м). При больших углах огружения (4—5°) порядка 20—30% от общего объема скрышных пород размещаются в верхние ярусы внутреннего твала с их .превышением над поверхностью в среднем на 60— 00 м. Причем это превышение изменяется от этапа к этапу. Танменьшее значение соответствует начальным этапам и по :ере углубления горных работ оно увеличивается. В случае граничений ландшафтного характера, что в настоящее время рактикуется в горнодобывающих регионах, потребуется пе-

ремещение огромных вскрышных масс во внешние отвалы Например, для перспективного разреза «Караканский-Восточ ный» он равен 1,3 млрд. м3.

С изменением распределения грузопотоков вскрышных ¡по род и параметров технологического пространства карьера I зависимости от направления углубления горных работ суще ственно меняются многие техпнко-экопомичсскне и эколоти ческие показатели разработки. Например, при отработке за пасов в объеме 400 ¡млн. т среднее расстояние транспортире ваиия вскрышных пород не превышает 2,1 км при пониженш горных работ под утлом 1° п достигают 3,8 км при 5' (рис. 3, б).

Аналогичный характер изменения установлен для себесто имостн утля, которая функционально связана с затратами н; транспортные работы. Наименьшее среднее значение себесто пмости достигается при отработке одинакового объема запа сов угля в случае ¡понижения горных работ под небольшие углом. Так, с ростом утла с 1 до 5° среднее значение себесто пмости при отработке запасов в 400 млн. т увеличивается при мерно в 2 раза. Такая динамика роста себестоимости объясня ется общим увеличением расстояния транспортирования I объемов вскрышных пород, ¡перемещаемых во внешние отва лы. Соответственно с увеличением площади 'последних возра стает землеемкость отвальных работ. Землеемкость горны: работ ¡при этом снижается, т. ¡к. уменьшается площадь карь ерной выемки при -более крутом наклоне ее дна. В целом зем леемкость угледобычи снижается с увеличением угла 'погружения торных работ. С позиции рекультивации нарушенные земель, лучшие 'показатели достигаются при небольших угла: понижения горных работ.

Направление углубки оказывает влияние па объем выбро сов вредных веществ в атмосферу и их состав. С его увеличе нием более интенсивно растут параметры технологической пространства карьера и, следовательно, площадь обнажений являющаяся одним из источников пылевыделений. По это! причине, а также в связи с более интенсивным увеличение1» коэффициента вскрыши, расстояния транспортирования I длины подъемных участков трассы удельная приведенна5 масса вредных веществ заметно увеличивается по мере увели чения угла погружения горных работ. Например, с увеличе нием его с 1,4° "(Як=200 м) до 4,3° (Як =600 -м) удельна5 приведенная масса изменяется от 6400 до '16000 т иа 1 ¡млн. ' добычи угля. При этом структура платы за выбросы остаетс; практически постоянной на протяжении всего периода углу б лечит горных работ и не зависит от направления углубки Наибольший размер платы понходится за выбросы автомо больного транспорта (82—89%) п буровзрывных работ (9— 16%), а на выемочио-погрузочные, отвальные работы и дру

ие постоянные источники пылевыделений (поверхности ка-ьера и отвалов) не более 2,5%. Поэтому основным направле-исм дальнейшей экологизации производства является сниже-пе вредных выбросов автомобильного транспорта и буро-зрывных работ, например, за счет использования дпзель-роллейвозов и экскаваторов с активными ковшами.

Исследованиями установлено, что с позиции охраны вод-ых ресурсов предпочтительны те варианты, которые имеют еньшнй угол направления понижения горных работ. При от-аботке одинакового объема запасов угля коэффициент водо-бильностн может отличаться в 2,5—3 раза в зависимости от аправлення углубки. С изменением глубины карьера он из-еняется от 0,2 до 4,0 Л13/т. Прогноз притоков подземных вод горные выработки в динамике развития горных работ вы-олнялся с использованием методов гидрогеологических апа-огий.

От ¡параметров карьера зависят объем образуемых карьер-ых вод и соответственно масса загрязняющих веществ, сбра-зшаемых в водные объекты пли на поверхность. При расче-зх приведенной массы загрязняющих веществ использова-чсь отчетные данные разрезов Кузбасса о концентрации ос-эвиых загрязнителей карьерных вод и эффективности очнст-э1х сооружений. Установлено, что с увеличением угла пони-ения горных работ в 3 раза, с 1,4° (#к = 200 м) до 4,3° ^к=600 м), приведенная масса загрязняющих веществ увешивается с 50 тыс. т до 300 тыс.. т, т. е., в 6 раз.

В целом, с увеличением интенсивности погружения горных тбот и глубины карьера возрастает удельный ущерб от за-1язнения природной среды (рис. 3, в). При этом меняется руктура ущерба. При строительства карьера первой очере-I и в начальный период эксплуатации порядка 40—45% от >щего ущерба приходится на земельные ресурсы. Ущерб, шчиняемый атмосфере и водным ресурсам, составляет 35— I и 18—20% соответственно. В основной период эксплуата-ш наибольший ущерб (56—75%) наносится газо-пылевыми 1бросами. Ущерб от отчуждения земельных ресурсов снижа-ся до 7—20%. Ущерб водным ресурсам от сброса загрязпя-цих веществ в удельном отношении практически не изменя-ся на этапах разработки. Пределы его изменения — от 17 ¡24%.

Более сложный характер зависимостей имеют показатели иродоемкости и экологоемкости (экологической цены), ши-ко используемые в экономических исследованиях природо-льзования за рубежом. Под природоемкостью или ресурсо-костью понимают стоимостную оценку природных ресурсов единицу продукции. Экологическая цена есть средневзве-;нное значение экологических издержек от воздействия на продную среду на всех стадиях производства и потребления :урса, приходящееся на единицу ¡продукции.

Установленные закономерности функционирования технологического комплекса при углубочно-сплошных системах разработки позволили установить, что эффективность разработки повышается ,при вогнутом продольном профиле дна выработанного пространства. Такой профиль создается в результате целенаправленных действий по управлению интенсивности развития горных работ по глубине и в плане. Он позволяет свести ¡к минимуму объем законсервированных под внутренним отвалом запасов угля и вовлечь в разработку глубокие горизонты у противоположного фланга, недоступные для открытой разработки традиционными технологиями при внешнем отвалообразовании. Причем достигается существенный прирост запасов при углубочно-сплошных системах разработки до сравнению с другими системами, например углубочны-ми или сплошными.

Характер изменения суммарного чистого дисконтированного дохода при различных направлениях углубления горных работ для характерных условий перспективных месторождений восточного района Кузбасса (при длине карьерного поля— 5,5—8,6 км, ширине 2,0—3,5 км) показан на графиках рис. 3, г. Существуют определенные значения угла понижения горных работ, при котором достигается максимальная величина суммарного дохода. С его увеличением или уменьшением по отношению к этому значению имеет место снижение дохода. В первом случае это объясняется вовлечением меньшего объема запасов угля, несмотря на более низкую его себестоимость. Более интенсивная утлубка приводит к росту воспроизводства запасов при значительном увеличении себестоимости. Причем на определенных этапах отработки себестоимость достигает такой величины, когда финансовый результат при дальнейшем углублении горных работ не обеспечивает необходимых условий дальнейшего функционирования предприятия в режиме самофинансирования. На этом этапе возможен переход на сплошную систему разработки.

Для определения этого перехода предлагается следующий критерий:

1, (1)

^НЛ I

где Кцр{ — предельное (граничное) значение текущего коэффициента вскрыши на расчетный период —1, м3/т;

КПл1— текущий коэффициент вскрыши, достигнутый или запланированный на период — t, м3/т.

Данный критерий предлагается назвать показателем горнотехнических возможностей развития предприятия. Если его значение -меньше единицы, то это означает, что предприятие

неспособно функционировать при запланированном коэффициенте вскрыши без привлечения дополнительных заемных средств: требуется или сокращение расходной части финансового баланса или увеличение доходов, например, за счет улучшения качества продукции, перевооружения производства и т. п.

При значении коэффициента больше единицы, возможна деятельность предприятия в расчетный период за счет самофинансирования. Чем больше его 'значение, тем выше резерв потенциальных возможностей на перспективу по горнотехническим условиям.

Предельное значение текущего коэффициента вскрыши соответствует объему вскрышных .пород на единицу полезного ископаемого, который допустимо вовлекать в разработку по условию достижения допустимого уровня финансового итога. Этот минимальный уровень зависит от той цели, которая поставлена перед анализом, длительности периода оценки и от других признаков.

Предельное значение текущего коэффициента вскрыши определяется:

Кпр,={[<3,Шп„-Сд ,-С0()+Д,,-Яак -//дс (-Д,,] +

100-Я,

100

■Q,cat\ М3/т; (2)

где Qt — объем реализуемой продукции в t-м году, т;

Цпи —цена реализации единицы продукции, руб.;

Сд< — себестоимость добычи угля !без учета вскрышных работ в /-'М году, руб.;

Сot—.производственные расходы на обогащение 1 т товарного угля в 1-м ¡году, руб.;

Св/ — удельные затраты па вскрышные работы в /-м году, руб/м3;.

Дв t — прочие внереализационные доходы в расчетный период (коммерческая деятельность; подсобное хозяйство; услуги; поступления от продажи акций, 'контрактов, сертификатов; залоговые и закладные операции и т. п.), руб.;

НШ1 — акцизы, руб.;

Ядс( —налог на добавленную стоимость в ¿-¡м году, руб.;

3t — величина текущих затрат, включаемых в себестоимость продукции в t-м году, руб.;,

П„ t — величина годовых затрат, не подлежащих налогообложению (часть средств, направляемых на техническое переоснащение, природоохранные мероприятия и др.) в /-м году, руб.;

2»

19

Н( — величина налогов и платежей в бюджет и внебюджетные фонды, изымаемые с предприятия за счет финансовых результатов деятельности (включая налог на прибыль) в /-м году, %;

А(—величина амортизационных отчислений в году, руб.;

3{ —величина заемных средств (кредиты государственного и коммерческих банков, частный и акционерный капитал и т. ¡п.) в ¿-м.году, руб.;

Б,—величина бюджетных поступлений (дотаций) в /-м году, руб.;

Вд(—поступления в /-м году на долевое участие в строительстве, например, жилья, руб.;

С, — расходы в t-лl году из прибыли на социальные льготы трудящихся (оздоровление трудящихся, оплата проезда к месту отдыха, обеспечение топливом, оказание материальной помощи, обучение персонала и т. п.), руб.;

Р{ — платежи в м году за кредиты государственного и коммерческих банков, руб.;

Т„1 — капитальные затраты на техническое переоснащение производства в ¿-м году, руб.;

— капитальные затраты в /-'м году на непроизводственное строительство (жилищное, строительство объектов социальной сферы и т.. п.), руб.;

—капитальные затраты в ¿-м году на производственное строительство за счет собственных средств, руб.;

Лд,—затраты в ¿-м году па подготовку и переподготовку кадров, руб.;

V(— объем выплат дивидендов акционерам в ¿-м году, руб.;

М1 —прочие расходы в /-м году (например, разовые выплаты за выдачу лицензий, арендные взносы (бонус) за право добычи, ,плата за изъятие земельного отвода и т. п.), руб.

Расчетами установлено, что .предельное значение текущего коэффициента вскрыши ¡при углубочно-сплошиых системах на 20—35% выше аналогичного при традиционных технологиях, основанных на углубочных системах разработки при внешнем отвалообразовании. Это позволит увеличить объем отрабатываемых запасов угля на глубоких горизонтах, недоступных разработке традиционными технологиями.

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ И СХЕМ ВСКРЫТИЯ РАБОЧИХ ГОРИЗОНТОВ

¡В работе выявлены следующие основные отличительные особенности углубочно-сплошных поперечных систем разработки, оказывающие влияние на выбор способа вскрытия рабочих горизонтов, схем и систем вскрывающих трасс:

высокая концентрация горных работ, вовлечение в одно-ременную отработку всех уступов рабочего борта, необходи-ость распределения вскрышных грузопотоков между внут-енпнм и внешним отвалами, все это требует формирования ольшого количества грузопотоков; на всех этапах разработ-и формируются в основном сложные разнородные грузопо-эки, простые элементарные грузопотоки имеют ограниченное аспространение; динамичное развитие ра'бочей и отвальной зон по высоте и плане, поэтапное погашение вскрывающих выработок и ведение в разработку новых выемочньи слоев, изменение ме-гоположения выходов трасс на поверхность обусловливают еобходимость и целесообразность достаточно частого формн-эвания новых и перераспределение существующих грузопо-эков в процессе развития горных работ;

наиболее загруженными участками трассы являются сое-инительные и траншейные пути на верхних горизонтах карь-а, .пропускающие часто весь грузооборот полезного ископае-ого и наибольшие погоризонтные объемы вскрыши. Наяря-енность движения транспортных средств увеличивается на гих участках из-за пересечения грузопотоков, что снижает ропускную способность трассы;

на всех этапах разработки между каждым ярусом внут-гннего отвала устанавливается относительно устойчивая тех-элогнческая связь через сходящийся вскрышной грузопоток определенным количеством рабочих уступов. Такое техиоло-шеское объединение, функционирующее как единая само-юятельная система и во взаимосвязи с другими аналогич-ами системами, следует рассматривать как технологическую )ну карьера. По глубине карьера выделяется несколько тех-элогических зон, количество которых динамично изменяется процессе развития рабочей и отвальных зон. Изучение характера формирования уступных грузопотоков их перераспределения в процессе развития горных работ ри углубочно-сплошных системах разработки позволило вы-злить достаточно большое количество возможных вариантов тособов и схем вскрытия для различных этапов разработки рабочих горизонтов. Между тем все это множество вариап-)в -можно объединить классификационными признаками в зм'ках единой системы вскрытия (системы- вскрывающих эасс). В данном случае под системой вскрытия следует по-имать совокупность промежуточных схем вскрывающих эасс, обеспечивающую грузотранспортную связь рабочих го-тзоптов с пунктами ¡приема и перегрузки горной массы в камере и на поверхности на всех этапах разработки месторож-зпия.

В работе были выделены наиболее характерные признаки азделения систем вскрытия, от которых в наибольшей степе-

ни зависит эффективность ¡функционирования технологического комплекса в целом. При этом использовался системный подход к выявлению многообразны« типов связей и сведения их в единую системную модель.

Первым основным признаком разделения является характер изменения промежуточных схем вскрытия, согласно которому выделены следующие системы вскрывающих трасс (системы вскрытия):

Индекс I-A. Система, адекватная схемам вскрывающих трасс, когда промежуточные схемы не претерпевают изменения в ¡процессе развития горных работ. Это случай логоризон-тной (-бебтраншейной) связи между рабочими уступами и отвальными ярусами лри сплошных системах разработки.

1-Б. Система представлена совокупностью .промежуточных схем вскрывающих трасс, отличающихся друг от друга отдельными элементами. Это примеры вскрытия с помощью стационарных заездов на внутренний отвал и .при поэтапном углублении горных работ, когда схемы вскрытия получают развитие лишь на нижних горизонтах. Поэтому она выделена как система с частично изменяемыми .промежуточными схемами вскрывающих трасс.

I-B. Система представлена совокупностью промежуточных схем вскрывающих трасс, отличающихся друг от друга по многим характерным признакам (видом, числом и пространственным положением трасс). Она предусматривает кардинальное изменение действующей схемы с каждым переходом на новый этап вскрытия по ¡всем технологическим зонам или большей их частью. Поэтому при классификационном разделении она выделена как система с кардинально изменяемыми промежуточными схемами вскрывающих трасс.

'Вторым основным ¡признаком разделения систем является • порядок изменения промежуточных схем вскрывающих трасс. Согласно этому признаку выделены:

II-A. Система при поуступном реформировании промежуточных схем вскрывающих трасс, когда лри погашении любой вскрывающей выработки создается на том же уступе аналогичная.

П-Б. Система при реформировании промежуточных схем .по отдельным технологическим зонам. Изменению подлежит вся система вскрывающих выработок, обслуживающая конкретную технологическую зону, например, при ¡погашении любой вскрывающей выработки, входящей в эту систему. При этом взамен старой системы создается новая, на другом участке технологической ¡зоны.

II-B. При одновременном реформировании промежуточных схем, когда периодически создаются новые системы вскрывающих выработок, обслуживающие несколько или все технологические зоны карьера.

Кроме указанных признаков, на формирование и распределение грузопотоков большое влияние оказывает расположение систем вскрывающих выработок. В диссертации установлено, что в случае их расположения на нерабочем борту карьера, максимальная эффективность технологического комплекса достигается за счет перемещения основных объемов вскрышных пород во внутренний отвал. При этом большая часть грузопотоков представлена внутрикарьерными. При расположении вскрывающих трасс на рабочем борту достаточно большой объем вскрышных пород перемещается на внешние отвалы. В этом случае при формировании схем и системы вскрывающих выработок роль внутрикарьерных грузопотоков уменьшается. В случае расположения трасс на дне карьера приемная способность выработанного пространства из-за необходимости-оставления свободного пространства между нерабочим бортом карьера и внутренним отвалом в несколько раз меньше по сравнению с вышеуказанными вариантами. Так как при этом основные объемы вскрышных пород перемещаются на внешние отвалы, то на формирование вскрытия рабочих горизонтов большее влияние оказывают, условно назовем, внешние грузопотоки. Внутрикарьерным грузопотокам отводится незначительная роль. Возможны и другие варианты расположения трасс (вне контура карьера, на насыпных сооружениях-перемычках и т. п.).

К основным признакам следует отнести также назначение системы вскрывающих трасс и характер связи между смежными действующими трассами.

В табл. 1 представлено предлагаемое разделение систем вскрывающих трасс для сплошных и углубочно-сплошных систем разработки.

Теория вскрытия рабочих горизонтов карьера основывается на ряде известных принципов формирования схем вскрытия, среди которых по важности выделяют такие принципы, как стационарность транспортных коммуникаций и рассредоточение карьерных грузопотоков. Их проявление имеет место во многих технологических решениях и прежде всего в порядке развития горных работ, что указывает па тесную связь между вскрытием и системой разработки. Среди них известны технология отработки карьерного поля этапами, создание временных нерабочих бортов, ранняя постановка борта карьера в конечное его положение, рассредоточение карьерных грузов и т. п.

Выполнению указанных принципов во многом способствуют условия разработки, среди которых следует выделить сравнительно низкий уровень концентрации горных работ при углубочных продольных системах разработки. В условиях углубочно-сплошных систем разработки реализация принципа стационарности в конкретные проекты угольных разрезов

Таблица 1

Разделение систем вскрывающих трасс по характерным признакам при сплошных и углубочно-сплошных системах разработки

Признаки разделения систем вскрывающих трасс

Характер изменения промежуточных схем вскрывающих трасс Порядок изменения промежуточных схем вскрывающих трасс Расположение системы вскрывающих трасс Назначение системы вскрывающих трасс Характер связи между действующими трассами

I-A. Система, адекватная схемам вскрывающих трасс 1-Б. Система с частично изменяемыми промежуточными схемами вскрывающих трасс ]-В. Система, с кардинально изменяемыми промежуточными схемами вскрывающих трасс П-А. При поуступном реформировании схем вскрывающих трасс П-Б. При реформировании схем вскрывающих трасс по отдельным технологическим зонам П-В. При одновременном реформировании схем вскрывающих трасс более чем в одной технологической зоне Ш-'А. При расположении на. рабочем борту карьера Ш-Б. При расположении ;на нерабочем боргу ■карьера' Ш-В. При расположении на дне карьера Ш-Г. При расположении на насыпных сооружениях (отвале, перемычке 'И т. п.) Ш-Д. При расположении вне контура карьерного поля (во внешних траншеях) 1У-А. Для вскрытия одной технологической ЗОНЫ 1У-Б. Для вскрытия группы технологических зон ]У-В. Для вскрытия всех технологических зон карьера 1\'-Г. Для однородных грузов 1У-Д. Для разнородных грузов У-А. Независимые У-Б. Частично зависимые. (когда отдельные участки трассы являются едиными для другой или других трасс) У-В. Зависимые (когда большая часть одной трассы является составной частью другой или других трасс)

привела к резкому росту - расстояния транспортирования вскрышных пород во внутренний отвал. Изменение показателей разработки в процессе развития горных работ при различных схемах вскрытия рабочих горизонтов показано на рис. 4.

Использование стационарных заездов на отвал потребовало преодоления значительно большего расстояния, чем при традиционно применяемых системах. При данной схеме вскрытия первоначально преодолевается расстояние по всей длине нерабочего борта, созданного за весь предыдущий период эксплуатации карьера, а затем в обратном направлении движения транспорта вскрышные породы перемещаются по всей длине отвального яруса на соответствующем горизонте. Присутствуют также наклонные участки трассы, проложенные по дну карьера. Относительное увеличение расстояния транспортирования характеризуется коэффициентом удлинения трассы, значение которого на отдельных горизонтах может достигать на соединительных коммуникациях 2,2—2,8 (рис. 4, в).

Аналогичный характер изменения логоризонтных расстояний транспортирования с углублением горных работ установлен и для схемы вскрытия.с погоризонтной связью междуг рабочими уступами и ярусами внутреннего отвала. При данной схеме трасса движения автосамосвалов представлена горизонтальными участка-ми, а направление движения по нерабочему борту карьера совпадает с общим направлением перемещения вскрышных пород. Данные преимущества позволили существенно уменьшить погоризонтные расстояния по сравнению с предыдущей схемой вскрытия, несмотря на существенное удлинение трасс в отвальной зоне карьера из-за выпола-жнвання откоса внутреннего отвала с переходом на невысокие отвальные ярусы, соответствующие высоте рабочих уступов.

Для системы вскрытия при поуступном реформировании промежуточных схем вскрывающих трасс (П-А) перенос любого транспортного съезда приводит к достаточно резкому изменению логоризонтпого расстояния транспортирования (до 50%). Это объясняется появлением участков трассы, соединяющих вновь отстроенный съезд у рабочей зоны -карьера и действующий съезд на нижележащем горизонте у отвальной зоны. Причем направление движения транспорта по этому участку, противоположное генеральному направлению перемещения пород вскрыши (от рабочей к отвальной зоне), что существенно, особенно на верхних горизонтах, удлиняет трассу. Установлено, что влияние переноса распространяется только на нижележащие уступы, которые входят в технологическую зону. -При перераспределении грузопотоков между ярусами отвала перенос сказывается также и на других технологиче-

ских зонах. В общем случае удлинение трассы соответствует двукратному значению шага переноса съезда.

При системе вскрытия с одновременным реформированием схем (II-B) увеличиваются во времени периоды эксплуатации с относительно стабильным погоризонгиым расстоянием транспортирования вскрышных пород. Это относится прежде всего к верхним горизонтам карьера. Перенос участков трассы в основном влияет на расстояние перемещения пород вскрыши, перераспределяемых между технологическими зонами из-за несоответствия приемной способности отвальных ярусов и объема разрабатываемых вскрышных пород.

Заметное снижение погоризонтного расстояния транспортирования наблюдается при системе вскрытия с дополнительными грузотранспортными связями (V-Б). Объединение смежных систем вскрывающих выработок в единую транспортную схему с помощью дополнительно отстроенных отдельных съездов между этими системами позволяет уменьшить, а в ряде случаев полностью исключить участки трассы, по которым движение транспорта не совладает с генеральным направлением перемещения грузов от рабочей к отвальной зоне. При данной системе вскрытия подъем грузов по транспортным съездам сопровождается одновременным преодолением расстояния от рабочего уступа до внутреннего отвала.

Вскрытие рабочих горизонтов с шомощью временных съездов, расположенных в рабочей зоне карьера (IIIJA), стабилизирует динамику погоризонтных расстояний. 'Вместе с тем с увеличением глубины карьера возрастает длина трассы на нерабочем борту карьера вследствие удаления отвального яруса от соответствующего рабочего уступа. Кроме того, подъем грузов в рабочей зоне на уровень соответствующих отвальных ярусов не сопровождается преодолением расстояния от рабочего уступа до внутреннего отвала, что удлиняет трассу. Поэтому суммарный положительный эффект по сравнению с предыдущей системой вскрытия достигается лишь при небольшой глубине разработки и на нижних горизонтах.

Вышеприведенный анализ вариантов схем вскрытия лишь отчасти характеризует их эффективность и отражает стабильность транспортных работ на горизонтах. Достаточно сложный характер изменения этих показателей не позволяет однозначно оценить относительную их эффективность на различных этапах разработки. Так, на начальном этапе (до глубины 150 м) наименьшее средневзвешенное расстояние транспортирования достигается при погоризонтной связи рабочих уступов и отвальных ярусов. При большей глубине горных работ предпочтителен вариант с одновременным переносом групп съездов, обслуживающих конкретную технологическую зону, с дополнительными грузотранспортными связями между смежными системами съездов. Наихудшие показатели характерны для схемы вскрытия со стационарными трассами.

Дальнейшая рационализация системы вскрытия может 5ыть достигнута за счет выбора наиболее эффективных схем ¡скрытия для конкретных технологических зон, выделяемых ю глубине разреза и по каждому этапу разработки в отдель-юсти.

Для условий разреза «Караканскин-Восточный» наиболее эффективной является комбинированная система вскрываю-цих трасс.

На начальных этапах разработки в период понижения •орных работ до глубины 100 м следует применять схему (скрытия, включающую совокупность временных съездов, неположенных па рабочем борту карьера (III-A).

При понижении горных работ до глубины 170 м на верх-1их горизонтах в пределах 5—6 уступов необходимо исполь-ювать схему вскрытия, предусматривающую реформирование ¡сей группы съездов технологической зоны (IV-A) и допол-ттельные грузотранспортные связи. На нижних двух-трех гступах эффективна система временных съездов на рабочем юрту карьера (III-A). На остальных уступах в центральной [асти рабочей зоны карьера рекомендуется схема вскрытия с (сформированием всей группы съездов в пределах отдельных ехнологических зон (IV-A).

При дальнейшем понижении горных работ (до глубины 00 м) сохраняется вышеуказанная комбинация схем вскры-ия с определенным изменением области их эффективного :римепения по глубине разреза. Так, схема вскрытия с вре-1енными съездами эффективна на 5—6 нижних уступах. Расширяется область применения схемы с дополнительными-гру-отранспортнымн связями на верхних горизонтах (до 12— 4 уступов).

Одним из основных требований проектирования систем скрытия является обеспечение условий для безопасного движения автосамосвалов по транспортным коммуникациям ка-ьера.

Для поперечных систем разработки характерным является астое пересечение маршрутов движения самосвалов, следую-1их по съездам и горизонтальным участкам трассы, соединя-пцих рабочую и отвальную зоны. Эти пересечения не только нижают скорость движения при разминовке автомашин и величнвают расчетный интервал следования машин, но и со-дают опасные ситуации, приводящие к дорожно-транспорт-ым происшествиям (ДТП).

Все это в целом снижает пропускную и провозную способ-ость транспортных коммуникаций, что может являться оканчивающим фактором в развитии горных работ.

Для их оценки по критерию опасности ДТП в работе бы-а использована методика, учитывающая степень безопасно-ти движения на пересечениях дорог на одном уровне в зави-

симости от направления перекрещивающихся потоков движ< ння, интенсивности движения, числа точек пересечений. В к; ждой точке пересечения возможны ошибки водителя, привс дящие к ДТП. Расчет опасности ДТП для одного пересечени заключается в определении возможного (вероятного) количс ства ДТП за год во всех конфликтных точках г-го перекрест ка (обычно в четырех точках).

На основе этой методики в работе было получено следук щес выражение, позволяющее определить максимальную с^ точную интенсивность (Ма) движения транспорта в предела технологической зоны по условию достижения нормативно степени опасности пересечения дорог:

К = М, + Ы,= ^ ; ав1/суТ)

где М1 , Л/1 — интенсивность движения транспортных чтотоког пересекающихся в г-й конфликтной точке, авт/сут.;

/Са — коэффициент относительной аварийности, характерп зующий степень опасности пересечения дороги (для неопас ных пересечений Ка<3, .малоопасных 'Ка = 3—8; опасны: К3 =8—12, очень опасных К > 12);

Л^ —количество конфликтных точек на пересечении (Агки <4);

К] — коэффициент относительной аварийности конфликт ной г-й точки;

Л'Г — коэффициент, учитывающий неравномерность движе ни я 'машин;

А — показатель, характеризующий соотношение М{ и Л^ При применении однотипного транспортного оборудования : технологической зоне и отсутствии транзитных грузоперево зок (например, угольных грузопотоков) значение А оиределе но равным 0,25; 0,22; 0,19 и 0,16 при количестве уступов, вхо дящих в технологическую зону, равном соответственно 2, 3, • и 5. При наличии транзитных грузов оно уменьшается Д| 0,12—0,009.

При проектировании систем и схем вскрывающих трас оценке могут подлежать все возможные пересечения транс портных потоков или только на участке трассы с наибольше: грузонапряженностью. Если в последнем случае выполняете: условие, при котором .пересечение относится к неопасному, т< остальные пересечения могут не оцениваться.

В результате реализации .предлагаемой методики были ус тановлены следующие 'закономерности, характерные для по перечных систем разработки при внутреннем отвалообразова нии:

наименьшая провозная способность достигается при ра венстве мощности пересекающихся грузопотоков, когда созда

ется максимальное количество опасных ситуаций на участке пересечения транспортных потоков (например, при двух уступах, входящих в технологическую зону);

провозная способность транспортных коммуникаций на участке пересечения грузопотоков возрастает с увеличением количества рабочих уступов в технологической зоне при ее постоянной, высоте. Это объясняется ростом .мощности сходящегося грузопотока, формируемого на нижних горизонтах, что приводит к уменьшению возможного количества создаваемых опасных ситуаций, приводящих к ДТП;

,прн соотношении мощностей пересекающихся грузопотоков менее 3 : 1 пропускная и провозная способность транспортных коммуникаций должны определяться по критерию опасности дорожно-транспортных происшествий в конфликтных точках пересечения потоков груза. В других случаях они устанавливаются по условию соблюдения необходимого интервала времени между автомашинами при встречном их движении.

Среди систем и схем вскрывающих трасс наибольшей пропускной способностью обладают те, которые основаны на ло-горизонтной связи рабочих уступов с ярусами внутреннего отвала и когда отсутствуют пересечения с угольными грузопотоками. Она изменяется от 45,0 до 300,0 млн. т в год для вскрышных грузопотоков в зависимости от грузоподъемности автосамосвалов.

Расчетами установлено, что при погоризоптной транспортной связи пропускная способность автомобильных дорог не является ограничивающим фактором, от которого зависели бы производительность карьера по вскрышным работам и интенсивность развития рабочей зоны. При данной схеме вскрытия используется лишь от 7 до 20% максимальной пропускной способности автомобильных дорог.

Максимальная провозная способность вскрывающих трасс систем и схем вскрытия, для которых характерно пересечение грузопотоков, уменьшается в 4—4,2 раза по сравнению со схемами при погоризонтной связи. Она изменяется от 7,7 до 51,3 млн. т в год в зависимости от грузоподъемности применяемых автосамосвалов. Допустимая по условию безопасного движения транспорта провозная способность снижается до 2,3—3,8 млн. т в год или 0,9—1,5 млн. м3 при использовании автосамосвалов БелАЗ-540А и до 15,4—25,6 млн. т или до 6,2—10 млн. м3 в год при большегрузных автосамосвалах БелАЗ-7521. При этом максимальное количество экскаваторов, обслуживающих технологическую 1-ю зону, не должно превышать:

Л/э < ДАТб/Яэг, (4)

где А/ — максимальная (расчетная) провозная способность вскрывающих трасс 1-й технологической зоны, 'млн. т в год;

Ко—¡коэффициент снижения интенсивности движения К6 =0,3—0,5;

Пэг—средняя годовая производительность экскаватора г г-й зоне, т3.

Установлено следующее 'максимальное количество экскаваторов в технологической зоне: ЭКГ-5А—1—2 единицы; ЭКГ-8И — 1—2 ед.; ЭКГ-12 — 2—3 ад.; ЭКГ-20А —2—3 ед. 'Причем меньшее значение соответствует условиям, при ¡которых. в ¡комплексе оборудования используются автосамосвалы с наименьшей грузоподъемностью среди рациональных вариантов.

Полученные результаты позволяют сделать ряд выводов:

ограничением скорости развития горных работ и соответственно производственной мощности карьера по горнотехническим условиям является пропускная и провозная способность вскрывающих трасс в нижней технологической зоне карьера, где возможности применения различных схем вскрытия рабочих горизонтов лимитированы из-за стесненности карьерного пространства;

при выборе высоты технологических зон и соответственно высоты ярусов внутреннего отвала необходимо учитывать возможности транспортных коммуникаций, обслуживающих данную технологическую зону, с позиции их пропускной и провозной способности;

в целях увеличения провозной способности требуется рассредоточение карьерных грузопотоков, строительство дополнительных вскрывающих выработок или использование автосамосвалов с большей грузоподъемностью.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ОТВАЛОВ

В результате научного обобщения и анализа практического опыта использования выработанного пространства под внутренние отвалы и научных работ проведена систематизация схем формирования внутреннего отвала, в основу которой положены характер развития отвальной зоны и расположение отвального фронта относительно сторон сформированного выработанного пространства карьера. Впервые их систематизация была проведена в диссертации канд. техн. наук Абдибекова Н. К., выполненной под руководством автора настоящей работы. Переработанный и дополненный вариант систематизации схем формирования внутреннего отвала представлен в табл. 2. Каждая из выделенных групп технологических схем имеет свои особенности и может быть рекомендована к применению для конкретных условий и систем разработки. Основными требованиями при выборе схемы формирования внутреннего отвала являются обеспечение минимально-

го расстояния транспортирования вскрышных пород, максимальное использование выработанного пространства и обеспечение необходимой устойчивости откосов отвала.

В работе установлена достаточно тесная связь между системой разработки и внутренним отвалообразованием. При блочном и этапном порядке отработки карьерного поля применяется в основном поярусная схема, когда засыпка выработанного пространства ведется горизонтальными слоями (ярусами) последовательно со дна карьера при общем развитии отвала снизу вверх. При углубочных системах разработки применяют в большинстве случаев одноярусную отсыпку отвала с поверхности карьера. Многоярусная схема формирования наиболее эффективна при сплошных и углубочно-спло-шных системах разработки.

Продольные схемы формирования могут быть рекомендованы для блочного или этапного порядка отработки. В целях увеличения коэффициента запаса устойчивости отвала целесообразно двухфланговое развитие отвального фронта, при котором появляется возможность вести отвалообразование с упором нижней бровки отвала в откос второго отвального массива, отсыпаемого с противоположного борта карьера. При поперечном расположении отвального фронта на дне карьера создают специальные призмы упора из привозных скальных пород.

Диагональные схемы позволяют повысить устойчивость отвала за счет упора его нижней бровки в противоположный борт карьера. Кроме того, увеличивается длина одного из нерабочих бортов карьера, что позволяет создать более простые схемы вскрывающих трасс и увеличить срок эксплуатации транспортных съездов и коммуникаций.

Широкое применение при засыпке глубоких карьерных выемок имеют одноярусные отвалы. Поэтому они были выделены в отдельную группу. Практически отсутствует опыт одновременной отсыпки более двух ярусов отвала. Они приняты лишь в некоторых проектах новых карьеров. В этой связи они выделены как перспективные в группу многоярусных отвалов.

По характеру развития отвальной зоны при поперечных схемах выделены группы со сплошным и сосредоточенным фронтом развития внутреннего отвала. Последняя широко применяется в проектной практике. К недостатку этой схемы следует отнести снижение приемной способности выработанного пространства. Положительным фактором является возможность создания стационарных вскрывающих трасс. Максимальное использование ресурса выработанного пространства и 'минимальные транспортные расходы достигаются при развитии отвала сплошным фронтом по всей ширине карьерной выемки.

Управление приемной способностью внутреннего отвал; достигается в основном за счет изменения ширины отвальны: площадок и высоты отвальных ярусов. Другие параметрь определены размерами выработанного пространства карьера Ограничениями в управлении указанных параметров являют ся условия устойчивости откосов отвала и минимальное зиа чение ширины отвальных площадок.

Ранее выполненными работами было установлено, что на иболее высокие технико-экономические показатели разработки достигаются при минимальных значениях ширины отвальных площадок, устанавливаемых исходя из радиуса разворота автосамосвалов и их габаритов, дальности разлета кусков и ширины предохранительного вала. При таком подходе устанавливается жесткая зависимость между развитием всех отвальных ярусов, что усложняет организацию транспортных и отвальных работ и требует достаточно частого перераспределения грузопотоков вскрышных пород между отвальными ярусами. В целях устранения этого недостатка предлагается предусмотреть в методике расчета ширины отвальной площадки полосу для создания необходимого резерва приемной способности вышележащего яруса. Некоторое уменьшение приемной способности внутреннего отвала и рост расстояния транспортирования вскрышных пород должны компенсироваться в экономическом отношении за счет повышения эффективности функционирования технологического комплекса в целом.

Интенсивное подвигание отвального фронта работ, большая конечная глубина отработки, формирование внутреннего отвала на наклонное основание и другие особенности, свойственные углубочно-сплошным системам разработки, потребовали оценки устойчивости отвала. Из анализа и обобщения научных работ следует, что в диапазоне возможных глубин отработки перспективных месторождений Кузбасса при применении сплошных систем разработки допустимый результирующий угол от-коса внутреннего отвала не должен превышать 30—31° и 28—29° при коэффициенте запаса устойчивости откосов, равном 1,2 и 1,3 соответственно (без учета эффекта защемления). В действительности он для многоярусного отвала не превышает 20—25°, что позволяет при проектировании границ карьера и выборе главных параметров отвала не рассматривать в качестве ограничивающих факторов условия устойчивости откосов. Они могут выступать в качестве ограничений лишь в случае размещения отвалов на участках со слабым основанием и в сложных гидрогеологических условиях, что несвойственно объекту исследований.

При отсыпке внутреннего отвала на наклонное или ступенчатой формы дно выработанного пространства по условию устойчивости могут быть ограничены лишь параметры одно-

русных отвалов. Например, при угле наклона дна в 12° до-устимая его высота равна 50 м, а при 6°— 100 м. Для мно-эярусиых отвалов при результирующем угле откоса в 25° аксимальная его высота изменяется от 250 до 100 м с увелн-ением наклона дна карьера с 12 до 15°. Исходя из коиструк-ивных параметров высоких многоярусных отвалов установ-епо, что их отсыпка в условиях перспективных разрезов Куз-асса возможна в выработанном пространстве с углом накло-а дна до 18—20°.

Основным параметром внутреннего отвала, с помощью ко-эрого можно целенаправленно влиять на эффективность ис-ользования выработанного пространства, является высота гвальных ярусов. Рациональное ее значение устанавливаюсь, в отличие от существующих методик, с учетом расши-епного характера воспроизводства ресурса выработанного ространства, системы и схем вскрытия рабочих горизонтов, кемы формирования внутреннего отвала и во взаимосвязи с эрядком развития горных работ. При формировании эконо-ико-математпческой модели карьера рабочая зона, внутрен-ий и внешний отвалы были выделены в единую систему, Зъедпненную технологическими грузопотоками, в которой зменение параметров любой составляющей влияет на функ-онироваиие других составляющих и системы в целом.

ркопомнко-математнческое моделирование с использова-ием современных программных продуктов позволило устано-тть закономерности функционирования системы в.зависимо-ги от управляемых ее параметров и определить рациональ-ые значения высоты отвальных ярусов для различных эта-эв разработки. Расчеты производились для перспективных азрезов восточных районов Кузбасса.

Установлено, что с ростом высоты ярусов происходит уве-ичение приемной способности выработанного пространства рис. 5) и, следовательно, перераспределение грузопотоков ежду внутренним и внешними отвалами. Эти зависимости эсят нелинейный характер. Причем интенсивность их изме-гния уменьшается с увеличением высоты ярусов внутреннего гвала. Примерно такой же закономерности подчиняются ос-эвные показатели землепользования, т. к. существует их зязь с объемами отвалов. Графики изменения средневзве-енного и приведенного расстояния транспортирования :крышных пород имеют параболический характер с явно вы-аженным минимумом. Такой же характер зависимостей от-счается и для объема выбросов загрязняющих веществ в ат-осферу. С ростом высоты ярусов увеличивается длина на-понных "участков трассы, уменьшаются средняя' скорость зижения транспорта и объем грузоперевозок вскрыши во чешние отвалы.

3

33

Все это в целом повлияло на технико-экономические и экологические показатели разработки и соответственно выбор рациональных значений высоты ярусов внутреннего отвала. Изменение суммарных затрат на вскрышные работы представлено на рис., 5, г.

На начальном этапе эксплуатации карьера при лоярусной схеме формирования внутреннего отвала в целях ускорения перехода с внешнего на внутреннее отвалообразование следует "формировать высокие ярусы (до 50—60 м). С развитием всех ярусов по высоте необходим переход на многоярусную схему формирования. Причем высота ярусов должна быть равной двух-трехкратной высоте рабочего уступа. Переход должен быть достаточно краткосрочным без остановки развития отвального фронта. Для этого следует -применять специальную технологию формирования отвала при переходе на новую высоту ярусов, -которая разработана в МРГУ с участием автора. В последующем высота ярусов должна поэтапно увеличиваться -по -мере углубления горных ра'бот. Так, в условиях перспективного разреза «Караканскнй-Восточный» рациональные ее значения изменяются от 20—25 м при глубине этапа карьера 100 'м и до 30—45 м при глубине 200—300 м. На момент погашения горных работ, ¡когда приемная способность выработанного пространства превышает объем разрабатываемых пород, она уменьшается до высоты рабочего уступа. Такой достаточно сложный характер изменения рациональной высоты отвальных ярусов объясняется наложением большого количества связей и взаимовлияний между составляющими элементами технологического комплекса. Между тем практически во всех случаях сохраняется тенденция увеличения рациональных значений ло мере развития горных работ.

Ввиду ограниченной приемной способности выработанного пространства и достаточно большого расстояния транспортирования на верхних горизонтах (до 4—5 к-м), рациональным является комбинированное отвалообразование практически на всех этапах разработки. Исключением являются начальные этапы при небольшом угле погружения горных работ (не более 1,5—2°), когда создаются условия для размещения практически всего объема разрабатываемых вскрышных пород (до 95—98%) во внутреннем отвале лри минимальном расстоянии перевозок. Согласно установленному рациональному распределению вскрышных трузопотоков во внешние отвалы, в случае углубления горных работ под углом в 3°, следует размещать порядка 15—18% от общего объема вскрыши на всех этапах разработки. При более интенсивном погружении, например под углом в 5°, этот объем увеличивается до 30—33%, что составляет в условиях перспективных разрезов Кузбасса сотни миллионов кубических метров.

При исследовании параметров внешних отвалов было ус-ановлено, что при различных объемах отвала существует рактически постоянное рациональное соотношение между па-аметра'ми всех его сторон. Это соотношение ¡между высотой твала и длиной его основания изменяется в зависимости от гонмости отчуждаемых земель от 1 : 18 до 1:22 (средняя :20). Соотношение длины отвала к его ширине зависит от хемы развития отвала — при одностороннем развитии— 1:1, ри двустороннем — 2:1.

Условия разработки при углубочно-сплошных системах пределнли целесообразность формирования отвальных ¡мае-пвов из отдельных отвалов или объединения внешнего при-ортового отвала с внутренним. В последнем случае прибор-овон отвал предлагается отсыпать с некоторым опережением

0 отношению к внутреннему при максимальном .приближении гвальной зоны к рабочей. Это позволяет в несколько раз меньшить расстояние транспортирования вскрышных пород, [араметры отвального массива устанавливались по разрабо-анной методике с учетом подвигания фронта горных работ, ээтапного реформирования схем вскрытия и распределения эузопошков в динамике развития горных и отвальных работ.' еализацпя ¡методики проводилась для объединенного отваль-это массива, обслуживающего несколько близлежащих раз-гзов Уропоко-Караканского месторождения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение научной проблемы ресурсо-5ережения и охраны окружающей среды при отработке сви-шых месторождений, представленных пластами крутого и зклонного падения, что вносит значительный вклад в уско-мше научно-технического прогресса в угольной промышлеп-зсти.

Основные научные выводы, технологические принципы, ме-|дические положения и практические рекомендации заклю-потся в следующем:

1. Дальнейшее развитие и расширение открытой угледобы-

1 в Кузбассе с переходом к рыночному механизму хозяйст-шания сдерживается высокой ресурсоемкостыо горных ра-)т, большой удаленностью от основных потребителей и слоившейся неблагоприятной экологической обстановкой в ре-юпе.

2. Повышение конкурентоспособности кузнецких углей, 1сширение рынка их сбыта и снижение техногенной нагруз-[ па окружающую среду возможно за счет преобразования в руктуре потребления при замене более дорогих и ценных '.сурсов менее дорогими и воспроизводимыми. Установлено, о переход с внешних отвалов на внутренние, размещаемые

в выработанном пространстве карьера, позволяет значительно снизить нагрузку на окружающую среду и улучшить технико-экономические показатели разработки.

3. Повышение эффективности угледобычи при отработке крутых и наклонных угольных пластов в рамках традиционных технологий ограничивается длительным неиспользованием выработанного карьерного пространства для размещения вскрышных пород. Локальное его использование на некоторых разрезах Кузбасса подтверждает высокую эффективность вовлечения этого ресурса в производственный процесс.

4. Решением проблемы ресурсосбережения при отработке свит пластов крутого и наклонного падения является переход на предлагаемые новые технологии ведения открытых горных работ, отличающиеся от традиционных тем, что в процессе разработки месторождения перевод части потенциального ресурса выработанного пространства в реальный осуществляется в результате целенаправленных действий по управлению развитием горных работ по глубине карьера и в плане.

5. Установлено, что основным способом управления развитием горных работ, при котором достигается более раннее использование выработанного пространства для размещения пород вскрыши и дальнейшее непрерывное воспроизводство этого техногенного ресурса, является поэтапное изменение направления углубления работ при их развитии по простиранию угольных пластов.

6. Принцип поэтапного изменения направления углубления горных работ заложен в новые технологии, основанные на уг-лубочно-сплошных системах разработки при внутреннем огва-лообразоваиии. Они позволяют за счет управления развитием горных работ и параметрами рабочей и отвальной зон эффективно использовать создаваемое выработанное пространство для размещения основных объемов пород вскрыши (порядка 70—85%). Перемещение вскрышных пород на более короткое расстояние (на 2—3,5 км), по сравнению с традиционными технологиями, позволяет существенно уменьшить ресурсоем-кость горных работ, которая проявляется прежде всего в снижении в 1,3—1,7 раза себестоимости угля, сокращении в 1,5— 2,0 раза объема выплат за выбросы вредных веществ в окружающую среду, а также за размещение отходов производства и отчуждение земельных ресурсов. Появляются более широкие возможности в поддержании экологического состояния окружающей среды на нормативном уровне.

7. Установлено, что эффективность углубочно-сплошных систем разработки повышается при развитии горных работ в направлении участков карьерного поля с наибольшей углена-сыщенностью, что увеличивает объем отрабатываемых запасов угля в 1,3—3,0 раза, снижает средний коэффициент вскрыши в 1,3—3,3 раза, а интегральный дисконтированный эффект

возрастает в 1,1 —1,8 раза. Меньшие значения характерны для условий с относительно небольшой изменчивостью угленасы-шенпостн по длине карьерного поля (Ку от = 1,25).

8. Свойственные поперечным системам разработки высокая концентрация горных работ и динамичное развитие рабочей и отвальной зон по всей их высоте требуют формирования и перераспределения большого количества сложных разнородных грузопотоков карьера в процессе отработки запасов. Эти особенности оказывают решающее влияние на выбор способа вскрытия рабочих горизонтов, схем и систем вскрывающих трасс, а также на эффективность использования выработанного пространства.

9. Произведено разделение систем вскрывающих трасс по классификационным признакам для углубочно-сплошных поперечных систем разработки и дана оценка их эффективности. Доказана целесообразность выделения по глубине карьера технологических зон, каждая из которых представляет собой совокупность рабочих уступов, технологически объединенных сходящимся вскрышным грузопотоком с конкретным ярусом внутреннего отвала через систему вскрывающих выработок.

10. Выделение технологических зон с решением вопросов вскрытия для каждой из них и во взаимосвязи с вскрытием рабочих горизонтов других технологических зон позволило рекомендовать наиболее эффективную систему вскрывающих трасс.

Реализация предложенных систем и схем вскрытия позволит в 1,5—2,6 раза уменьшить средневзвешенное расстояние транспортирования карьерных грузов и в 1,5—1,8 раза увеличить приемную способность выработанного пространства, по сравнению с существующими способами вскрытия, заложенными в проекты строительства некоторых разрезов Кузбасса.

11. Установленные закономерности изменения технико-экономических и экологических показателей от высоты ярусов внутреннего отвала позволили определить рациональные ее значения, которые изменяются от 20—25 м на начальных этапах разработки до 30—45 м на завершающих. Ограничениями высоты могут являться пропускная способность транспортных коммуникаций на участках пересечения грузопотоков.

12. Выбор параметров последовательно отрабатываемых этапов следует осуществлять по предлагаемой методике с учетом воспроизводства реального ресурса выработанного пространства. Установлено, что наибольшая эффективность разработки разреза «Караканский-Восточный» достигается при длине этапа (расстояние по простиранию пластов между очередными углубками), равной 100—250 м на начальных периодах эксплуатации месторождения с последующим поэтапным увеличением до 400—500 м. Управление длиной этапов достигается за счет изменения угла погружения горных работ (на-

правления углубки) от 5—10° с последующим его поэтапньш выполаживанием.

Высота этапов возрастает в процессе развитая горных ра бот на величину углубления (на 10—15 м). Предельное ее значение, при котором дальнейшее углубление горных рабой нецелесообразно, должно устанавливаться по показателю горнотехнических возможностей при функционировании предприятия в режиме самофинансирования и расширенного воспроизводства.

13. Установлены области эффективного применения ресурсосберегающих технологий отработки первоочередных и перспективных месторождений Кузбасса, представленных в основном свитами пластов крутого и наклонного падения. Наибольшая их эффективность, по сравнению с традиционно применяемыми в бассейне технологиями, достигается при отработке месторождений с большими промышленными запасами угля. Техническим ограничением конечной глубины карьера могут явиться условия достижения предельно допустимого коэффициента запаса устойчивости откоса внутреннего отвала.

14. Результаты диссертационных исследований внедрены в производственную и проектную практику, а также в учебный процесс. Анализ технико-экономических показателей, полученных в проектах, показывает, что применение новой ресурсосберегающей технологии обеспечит условия для самофинансирования производственной деятельности предприятия, высокую производительность труда рабочего по добыче и низкие эксплуатационные издержки. Оценка инвестиций на строительство разреза «Новоказанскнй-1» показала несомненную эффективность использования вложенного капитала, его высокую доходность и быструю возвратность. Финансовая деятельность предприятия прогнозируется бездотационной, устойчивой, обеспечивающей платежеспособность и наличие ежегодной свободной прибыли, используемой на собственные нужды предприятия. Полученный уровень себестоимости позволит при необходимости снизить отпускную цену на утоль и таким образом повысить конкурентоспособность товарной продукции разреза.

Основные положения диссертации опубликованы б следующих работах:

<1(. Томаков П. И., Коваленко В. С. Эффективность внутреннего ютва-лообразования при разработке Чумышского угольного месторожде.ния. М.: Добыча угля открытым способом. ЦНИИЭИуголь, 1972, № 3, с. 8—10.

¡2. Томаков П. И., Коваленко В. С., Тюлькин А. П. Влияние основных природных и горнотехнических факторов на удельную землеемкость открытой добычи угля. В сб.: Программа и методика изучения техногенных биоиюцешозов. М.: Наука, '1978, с. 208—217.

3. Коваленко В. С., Белоусов С. Ф. Повышение эффективности исполь-ованпя земель при разработке месторождений Канско-Ачинского буро-голыюго бассейна. — В сб.: Совершенствование техники и технологии отрытых горных работ. М.: МГИ, 107,9. — С. 24—31.

4. :Томаков П. И., Коваленко В. С. О рациональном землепользовании ри производстве открытых горных работ. Научные труды. Сборник стаей. М.: МГИ, 1979.— С. 14—21.

5. Тоиаков П. И., Коваленко В. С. Охрана земельных ресурсов при ткрытой добыче угля. Тез. докл. Всес. науч. конф. М.: МГИ, 1980,— :. 82—84.

6. Томаков П. И., Коваленко В. С. Рекультивация земель, нарушенных ткрытыми горными работами. Учебное пособие. М.: МГИ, 1981.—60 с.

7. Томаков П. И., Коваленко В. С. Рациональное землепользование ри открытых горных ра'ботах. М.: Недра-, ,1984. — 213 с.

8. Томаков П. И., Коваленко В. С. Основные ¡направления повышения ффсктивности ¡использования земельных ресурсов при открытой разработ-г полезных ископаемых. — В кн.: Проблемы комплексного освоения ме-горождений твердых полезных ископаемых. М.: Недра, 1989, с. 92—103.

9. Томаков П. И., Коваленко В. С. Рациональное использование зе-ель на, карьерах. Учебное пособие. М.: МГИ, 1990. — 65 с.

10. Коваленко В. С. Методологические основы обоснования местоло-ожения отвалов вскрышных пород с учетом оценки природной среды и риродных ресурсов. — В кн.: Комплексное освоение 'месторождений твер-ых полезных ископаемых. М.: Недра, 1991.— Вып. 1. С. 147—159.

11. Коваленко В. С. Охрана водных ресурсов при открытых разработ-ах. Учебное пособие. М.: МГИ, 1091, —88 с.

12. Томаков П. И., Коваленко В. С. Ресурсосберегающая прнродо-хранная технология открытой разработки крутых и наклонных пластов.—

сб.: Развитие теории, открытых горных работ. М/. МГИ, 1991.

13. Томаков П. И., Коваленко В. С. Природоохранные технологии отрытой разработки крутых ,н наклонных месторождений. Уголь, 1992, э 1. — С. 16—20.

14. Томаков П. И., Коваленко В. С., Михайлов А. AV, Калашни-

эв А. Т. Экология и охрана природы при открытых горных ¡работах чебное пособие. М.: Изд-во МГГУ, 1992.— 418 с.

15. Коваленко В. С., Абдибеков Н. К. Обоснование параметров внут-}ннего отвала при разработке крутопадающих залежей большой протя-енности./Тез. докл. на региональной научно-методологической конферен-¡ш. — Каратау, 1992.

16. Томаков П. И., Макшеев В. П., Анзимиров J1. В., Коваленко В. С. ациональное формирование ачпро'погенного рельефа при открытой добы-; угля — важнейшая природоохранная проблема. — Сб. ¡науч. трутов.— 1.: МГГУ, 1993, —С. 3—'Iii.

17. Коваленко В. С. Технологические аспекты экологизации открытых >рных работ при освоении перспективных угольных месторождений Куз-Jcca/Bonpocbi теории открытых горных ра>бог//Сб. пал'ч трудов М : зд-во'МГГУ, 1994. — С. 106—П21.

18. Томакоп П. И., Коваленко В. С. Экологизация технологий откры-н°1 добычи угля для перспективных месторождений Кузбасса/Неделя гор-тка (Тезисы докладов). М.: Изд-во ¡МГГУ, 1994. — С. 29—30.

19. Ильин С. А., Коваленко В. С., Манкевич В. В. Ресурсосбережение тн открытых горных работах. Учебное пособие. М.: МГГУ, 1,995. — 149 с.

20. Коваленко В. С. Оценка антропогенной нагрузки на окружающую >еду и природные ресурсы в восточных угледобывающих регионах РФ. эрный ■информационно-аналитический бюллетень. ¡М.: ¡1996, N° 3 — С 37—

21. Томаков П. И., Коваленко В. С. А. с. 1(735585 AI СССР Е21С41/26. Способ открытой разработки крутопадающих и наклонных месторождений. Опубл. в Б. И., 1992, № Ш.

22. Томаков П. И., Коваленко В. С., Репин Л. Н. А. с. 1735586 AI СССР Е21С41/26. Способ открытой ¡разработки крутопадающих и наклонных месторождений. Опубл. в Б. И., .1992, № 1'9.

23. Коваленко В. С., Репин Л. Н. А. с. 1735587 AI СССР E21.C4I /26. Способ разработки мульдообразных залежей. Опубл. в Б. И., 1.992, № 19.

24. Коваленко В. С. А. с. ,1735588 AI СССР Е21С41/26. Способ открытой разработки крутопадающих и наклонных месторождений. Опубл. в Б. И., 1992, № 10.

25. Kovalenko V. S. Developement de l'industrie minière en URSS. Recueil de rapports, Université de Aanaba, Algérie, 1984-2 p.

Объем 2 ,печ. л.+6 вкл. Тираж 100 экз. Заказ № 1190.

Типография Московского государственного горного университета, Ленинский проспект, 6