автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование эффективной технологии разработки угольных пластов с оставлением породы в шахте

Министерство образования и профессионального обучения РФ Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ОСТАВЛЕНИЕМ ПОРОДЫ В ШАХТЕ

Специал ьность 05.15.02 "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Белодедов Андрей Алексеевич

УДК 622.33.013

НОВОЧЕРКАССК 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ С ОСТАВЛЕНИЕМ ПОРОДЫ В ШАХТЕ.

1.1. Проблемы повышения качества добываемых углей при разработке угольных месторождений. 9

1.2. Технологические схемы разработки угольных пластов с оставлением породы в шахте. 11

1.3. Опыт применения камерных систем разработки

в России и за рубежом. 19

1.4. Общие и эксплуатационные потери при добыче угля. 34

1.5. Запасы в целиках под охраняемыми объектами - сырьевой резерв угольной промышленности. 36

1.6. Обоснование и выбор способов охраны земной поверхности при разработке угольных пластов. 40

1.7. Основные выводы и задачи исследования. 43

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ДОБЫЧИ УГЛЯ С ОСТАВЛЕНИЕМ ПОРОДЫ В ШАХТЕ

2.1. Оценка качества коксовых углей на стадиях добычи, обогащения, получения чугуна. 46

2.2. Существующие методы экономической оценки эффективность вовлечения в эксплуатацию дополнительных запасов. 56

2.3. Методика оценки эффективности камерно-столбовой системы разработки на угольных месторождениях. 63

2.4. Методика оценки эффективности технологии добычи коксующихся углей с оставлением породы в шахте. 67

3. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДОБЫЧИ С ОСТАВЛЕНИЕМ ПОРОДЫ В ШАХТЕ.

3.1. Определение геометрических параметров элементов камерно-столбовых систем разработки. 72

3.2. Расчет параметров анкерной крепи. 75

3.3. Разработка методики имитационного моделирования камерно-столбовой системы разработки для оценки устойчивости коовли камее. 86

X А

3.4. Механизация очистных и подготовительных работ при камерно-столбовой системе разработки. 89

3.5. Расчет производительности комплекса короткозабойного оборудования. 95

3.6. Разработка новых технологий добычи угля с оставлением породы в шахте. 97

4. ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ НА ШАХТЕ "ЗАПАДНАЯ".

4.1. Общие сведения по шахте "Западная". 103

4.2. Оценка устойчивости закрепленной кровли камеры. 106

4.3. Определение себестоимости на участке, оборудованном короткозабойным комплексом. ПО

4.4. Основные технико-экономические показатели по шахте "Западная" с учетом применения комплекса короткозабойного оборудования. 116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127

ПРИЛОЖЕНИЯ 135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Важным условием улучшения технико-экономических показателей горнодобывающих предприятий является повышение качества добываемых углей за счет снижения зольности, потому что на шахтах Восточного Донбасса эти значения достигают 35-40 %, при зольности угольных пластов 10 - 20 %. Это происходит в результате разубоживания угля породой при добыче из очистных забоев и из подготовительных выработок. Особенно это явление очевидно на горнодобывающих предприятиях, разрабатывающих пласты небольшой мощности, где отношение объемов добытой породы к углю значительно выше, чем на шахтах с большей мощностью пластов.

Оставление породы в шахте позволяет уменьшить масштабы загрязнения окружающей среды продуктами горения терриконов, снизить площади, отчуждаемые под складирование твердых отходов, получаемых при обогащении.

В последние годы имела место тенденция снижения объемов добычи за счет разработки пластов меньшей мощности, это привело не только к уменьшению ценности угля за счет увеличения зольности, но и к росту доли условно-постоянных затрат, а значит и к увеличению себестоимости добычи.

Разработка запасов угля законсервированных в различного рода охранных целиках, в целиках под жилыми массивами, промышленными зданиями и отдельными сооружениями, под коммуникациями и охранными объектами, а также списанных из-за неправильного ведения горных работ, запасов в зонах геологических нарушений позволит повысить полноту извлечения. На шахтах Восточного Донбасса эта величина запасов составляет около 200 млн.т высококачественных углей, в том числе коксующихся. Общее количество угля законсервированного в целиках под различными объектами соизмеримо с промышленными запасами действующих шахт, а эти запасы уже вскрыты и не требуют значительных вложений на подготовительно-нарезные работы.

В связи с этим обоснование комплексной технологии разработки угольных пластов с оставлением породы в шахте, а также целесообразности вовлечения в эксплуатацию законсервированных запасов является актуальной научно-технической задачей.

Целью работы, является обоснование эффективной технологии разработки маломощных и средней мощности угольных пластов с оставлением породы в шахте на основе применения комплексов короткозабойного оборудования.

Идея работы, заключается в использовании камерно-столбовой системы для отработки законсервированных запасов и обоснования эффективной технологии добычи угля с оставлением породы в шахте на основе взаимоувязки проходческих и очистных работ.

Методы исследования.. Применен комплексный метод, включающий:

- анализ теории и практики применения камерно-столбовой системы разработки и технологии добычи угля с оставлением пустой породы в очистных забоях;

- имитационное моделирование на ЭВМ для оценки состояния вмещающих пород:

- статистическую обработку данных по изменению напряжений в массиве, смещению (прогибу) непосредственной кровли и смятию междукамерных целиков;

- технико-экономические расчеты вариантов при применении различных технологий;

- апробация результатов исследований в производственных условиях.

Научные положения, выносимые на защиту:

- схема раздельной выемки угля для подготовительно-нарезных работ с применением короткозабойного оборудования при оставлении породы в камерах, отрабатываемых параллельно штреку;

- обоснована технология отработки законсервированных запасов камерно-столбовой системой разработки и установлены ее параметры;

- разработана имитационная модель камерно-столбовой системы и с помощью метода конечных элементов изучены смещения и напряжения, возникающие в массиве;

- разработана методика оценки технологии добычи угля с учетом его качества;

- установлены зависимости изменения качества добываемых углей на выход концентрата при обогащении, на расход кокса для получения чугуна, на производительность доменных печей и подсчитан полный эффект от возможного снижения зольности и серы с учетом всех стадий.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

- разработаны варианты технологии выемки угольных пластов с оставлением породы в камерах на основе применения комплекса короткоза бойного оборудования:

- разработана методика оценки эффективности технологии добычи угля с оставлением пустой породы в шахте, учитывающая требования рыночной экономики;

- изучены зависимости изменения технико-экономических показателей нового варианта по сравнению с базовым: производственной мощности шахты; себестоимости добычи с учетом снижения доли условно-постоянных затрат, извлекаемой ценности добываемого угля с учетом изменения выхода концентрата;

- впервые изучено влияние зольности и содержания серы на выход концентрата при обогащении, на расход кокса для производства чугуна и подсчитан полный экономический эффект от повышения качества добываемых коксующихся углей.

Практическое значение работы:

- предлагаемая технологическая схема добычи угля на основе корогкозабойного оборудования, которую можно применять как при выемке длинными столбами для проходки выработок с проведением параллельно камеры, отрабатываемой

на всю мощность пласта, в которую затем складируется отбитая порода от под-

рывки кровли штрека, так и для очистных работ при камерно-столбовой системе разработки;

- применение камерно-столбовой системы для разработки законсервированных запасов, находящихся в зонах охранных целиков, списанных из-за геологических нарушений, неправильного ведения горных работ позволит значительно повысить полноту извлечения угля из недр без значительного увеличения расходов на добычу, так как многие участки не требуют больших затрат на вскрытие и подготовку, потому что они расположены в пределах уже вскрытых и подготовленных шахтных полей;

- комплекс предлагаемых мероприятий позволит значительно улучшить технико-экономические показатели по шахте, а также снизить затраты на обогащение, транспорт, отвалообразование;

- оставление породы в шахте уменьшит загрязнение атмосферы продуктами горения терриконов, под складирование породы будут отчуждаться гораздо меньшие площади земельных угодий.

Достоверность научных исследований, выводов и рекомендаций подтверждается:

- анализом представительного объема статистических данных угольных шахт и обогатительных фабрик;

- большим объемом расчетов на основе экономико-математических моделей;

- применением теории вероятности и математической статистики;

- результатами опытной проверки отдельных решений.

Реализация работы. Исследования проводились в соответствии с плановой тематикой в рамках комплексной межвузовской программы "Экологически чистое горное производство", а также по двум грантам Минобразования РФ. На основе предложенных методик применительно к условиям разработки угольных месторождений шахт Восточного Донбасса на примере шахты "Западная" АО Туковутоль" решены задачи по повышению качества

добываемых углей на основе применения камерно-столбовой системы разработки.

Материалы исследований используются также в учебном процессе горных вузов (учебное пособие с грифом УМО)5 а также при дипломном и курсовом проектировании в Южно-Российском государственном техническом университете (НИИ).

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и одобрены на II и III международных научно-технических конференциях по проблеме "Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых''. г. Новочеркасск, 1995, 1997 гг.; на региональной научно-технической конференции "Научно-технические проблемы разработки твердых полезных ископаемых Юга России", г. Шахты. 1998 г.; на научно-технических конференциях Новочеркасского государственного технического университета, Новочеркасск, 1996, 1997, 1998, 1999 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в двух разделах учебного пособия "Оптимизация вскрытия и подготовки при подземной добыче руд" (с грифом УМО по горному образованию Минобразования РФ), Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 1999г. а также в 10 статьях.

Объем работы. Диссертация объемом 149 с. состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, содержит 27 рисунков, 14 таблиц и 2 приложения.

1. АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ С ОСТАВЛЕНИЕМ

ПОРОДЫ В ШАХТЕ.

1.1. Проблемы повышения качества добываемых углей мри разработке угольных месторождений.

Качество продукции и особенно его повышение на любом производстве, в любой сфере и отрасли народного хозяйства имеет огромное экономическое и социальное значение. Особую важность проблема повышения качества продукции и эффективности капиталовложений имеет в горнодобывающих отраслях промышленности. При повышении качества добываемых полезных ископаемых соответственно растут производственные мощности, увеличивается производительность труда, повышается эффективность капиталовложений и производственных фондов не только на горных предприятий, но и на транспорте, на обогащении и переработке, а также при использовании полезных ископаемых и концентратов.

Если учесть, что в горнодобывающей отрасли используют 40 % всех капиталовложений, треть всех производственных ресурсов и 20 % всех трудовых ресурсов страны [100], то ясно, какие огромные резервы могут быть использованы даже при самом незначительном повышении качества полезных ископаемых. Следует отметить также, что затраты на добычу, транспорт и обогащение, качество добываемых углей, в частности коксовых и коксовых концентратов значительной степени определяют эффективность производственных фондов и затраты на обогатительных фабриках и заводах металлургической и химической промышленности. Уменьшение текущих затрат и капиталовложений на производство чугуна и сталей в свою очередь снизит затраты на продукцию

машиностроения и других перерабатывающих отраслей, а это удешевит машинное обслуживание всех видов работ во всех отраслях народного хозяйства страны.

Особенно важно обеспечивать повышение качества добываемого угля и увеличения объемов его обогащения. В последние годы угольная промышленность добывала более 750 млн.т/год, но из них 300 млн .т/год ниже установленных кондиций (40 % зольности), а порядка 40 - 50 млн.т/год вообще не засчитывали в план из-за высокой зольности.

Надо иметь ввиду, что уже в настоящее время отходы обогащения составляют до 30 % от объема добычи или более 100 млн.т/год. Затраты на складирование этих отходов составляют несколько руб/т. Для добычи 1 млн.т угля при подземном способе разработке отчуждается 7,5 га земли, а при открытом способе 20 га и более. При добыче 1 т угля расходуется 3,8 м воды. Все это требует дополнительных затрат [41].

Снижение качества добываемых углей происходит не столько от разработки угольных пластов более низкого качества, а в большей степени в результате разубоживания угля породой при добыче из очистных забоев и подготовительных выработок. Так на шахтах Восточного Донбасса зольность добытой горной массы составляет 35 -40 %, при зольности угольных пластов 10-20 %. Особенно это явление очевидно на горнодобывающих предприятиях, разрабатывающих пласты небольшой мощности, где отношение объемов добытой породы к углю значительно выше, чем на шахтах с большей производительностью.

Оставление породы в шахте позволяет не только улучшить качество добываемых углей, но и уменьшить масштабы загрязнения окружающей среды продуктами горения терриконов, снизить площади, отчуждаемые под складирование твердых отходов, получаемых при обогащении.

В последние годы имела место тенденция снижения объемов добычи, за счет разработки пластов меньшей мощности, это привело не только к уменьще-

нию ценности угля за счет увеличения зольности, но и к росту доли условно-постоянных затрат, а значит и к увеличению себестоимости добычи.

Разработка запасов угля законсервированных в различного рода охранных целиках, в целиках под жилыми массивами, промышленными зданиями и отдельными сооружениями, под коммуникациями и охранными объектами, а также списанных из-за неправильного ведения горных работ, запасов в зонах геологических нарушений позволит повысить полноту извлечения. На шахтах Восточного Донбасса эта величина запасов составляет около 200 млн.т. высококачественных углей, в том числе и коксующихся. Общее количество угля, законсервированного в целиках под различными объектами, соизмеримо с промышленными запасами действующих шахт, а эти запасы уже вскрыты и не требуют значительных вложений на подготовительно-нарезные работы.

Поэтому перед горнодобывающей промышленностью во весь рост встают проблемы повышения качества работы, более полного и комплексного использования всех полезных ископаемых, а также уменьшение землеемкости добычи, рекультивации земель, улучшение использования и восстановления все^, природных ресурсов, решить их можно благодаря применения технологии, позволяющей оставлять пустую породу в шахте и вести разработку законсервированных запасов.

1.2. Технологические схемы разработки угольных пластов с оставлением породы в шахте.

Объем породы, выдаваемой на поверхность, из года в год растет и на отдельных шахтах достигает 800 т на 1000 т добытого угля [41]. Основными источниками поступления являются горные выработки, проводимые полевыми или по пластам угля с подрывкой вмещающих пород, ремонт выработок и очистные забои (при разработке пластов сложного строения, вывалы и обрушения кровли).

Основными факторами, определяющими абсолютные объемы поступающей породы, являются: производственная мощность шахты, мощность и строения разрабатываемых пластов, устойчивость вмещающих пород, суммарная длина и площадь поперечного сечения проводимых выработок, в том числе долевое участие полевых, материал крепи, суммарная протяженность поддерживаемых выработок, применяемые системы разработки, способ поддержания выработок и др.

Места складирования породы, оставляемой в шахте, - выработанное пространство после выемки пол�