автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование оптимальных технологических систем селективной выемки пологих пластов сложного строения для условий шахт Карагандинского бассейна

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

На правах рукописи

ВОСТРИКОВ Валерий Николаева

ОБОСНОВАНИЕ ОПШАЛЫШ ТЕдНОЛОГИЧЕСКйА СИСТЕМ

СЕЯжтавдай ваши пологих пластов слошого СТГОШИЯ ДЛЯ УСЛОВИЙ ШАлТ КАРАГАЛИНСКОГО БАССЕЙНА

05.15.02 - Подземная разработка ыесгоровдений полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Алма-Ата - 1992

Работа выполнена о Институте горного дела АН Республики Казах-стан

Научный руководитель докт.техн.наук,профессор РОГОВ Е.И.

Официальные оппоненты докт.техн.наук ДАНЙЛША Г.П. канд.техн.наук АЛДАМБЕРГЕНОВ У.А.

Ведущее предприятие - производственное объединение по добыче угля "Карагандауголь".

Защита диссертации состоится JJJj^M^.____1992г.

в час' на заседании специализированного

совета K-008.I5.0I ИГД АН Республики Казахстан по адресу: 4В0046, г.Алма-Ата, пр.Абая, 191.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института . __

Автореферат разослан '[-С/> " {уШс-tj__1992 г.

УченьЙ секретарь специализированного совета

докт.гехн.наук С. И. ПЕТРОВИЧ

; I

I

■ 4ОЩЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.. ~ Ак^альность^работы^ Отличительной особенностью угледобывающей отрасли промышленности является то, что процесс производства продукции сопровождается ухудпением качества угля по отношению к природному состошип.

В результате роста зольности добываемого угля снижается цена угля и затрудняется его эффективное использование, что отрицательно влияет на основные показатели работы ¡тахты и з первую очередь на прибыль и рентабельность. Одновременно ухудшается качество продуктов обогащения и сокращается их ккод, растут затраты на обогаиение и транспортировку >я№гаоттв тонн дополнительных объемов пустых пород.

Одной из основных причин такого положения является валовая выемка пластов угля сложного строения совместно с породными прослойками. Так а настояиее премя а Карагандинском бассейне при отработке пластов слокного строения происходит рост зольности угля от одного крупного прослойка на 5-17л. Выемка пластов на кондиционную мощность приводит к значительном потерям угля (до 302 по' мощности пласта) в некондиционных по мощности или зольности пачках пласта.

Известны!»!, но недостаточно изученным направлением улучшения качества добываемого угля является снижение его зольности при выемке пластов сложного строения путем перехода из селективную технологию. Данная технология предусматривает раздельную выемку угля и породи в очистном забое и оставление последней в выработанном пространстве лавы.

В настояшзе время кет научно обоснованного метода определения оптимальных параметров селективной внемки пластов сложного строения с учетом предотвращения загрязнения природной среды от вредного воздействия угольного производства. В этой связи обоснование эффективных технологических систем селективной выемки угольных пластов сложного строения является актуальной научной задачей.

Цёй-РВ&Ш-- повышение эффективности подземной добычи угля из пластов слотяюго строения путем обоснования оптимальных параметров технологии селективной выемки.

состоит в комплексной порходе к определению оптимальных параметров селективной выемки пластов слошого строения на базе установленных закономерностей с учетом предотвращения загрязнения природной среда от вредного воздействия угольных шахт.

^Метдйд^исследования - решение поставленных в. диссертации задач осуществлялось методами анализа математического моделирования, математической статистики, теории графоя, теории вероятностей с экспериментами на ЭВМ.

Полокония,з аигга е ше_ автором^ и новизна:

- разработанный комплексный критерий оценки эффективности технологических систем (ТС) селективной выемки пластов угля учитывает качества угля, затраты на его добычу и ее объемы и экологический ущерб при использовании угля для технологических куяд. Разработанная математическая модель обеспечивает надежное обоснование оптимальных ТС и их параметров при выемке пластов угля с породными прослоями;

- на базе разработанной оптимизационной математической модели с информационным и программным обеспечением и экспериментированием ее на ЕВМ обосновываются эффективные технологические системы и оптимальные их параметры выемки пластов сложного строения. Для Условий вахт Карагандинского бассейна доказывается целесообразность обогащения угля при всех рассматриваемых вариантах с полным набором диапазона мощности породного прослойка;

- для достижения максимального эффекта при селективной выемки угольных пластов сложного строения оптимальная длина лава очистного забоя увеличивается на Г5-25Й в сравнении с валовой выемкой пласта.

£0 стнгд ется;

- применением корректных оптимизационных математических моделей и последукшей проверкой результатов их реализации на сШ с практическими данными;

- представительность!) горно-геологической и экономической информации, <;бесг!еч85а?5це,й еоз^о&ность сравнения и выбора па-

раметров технологии селективной выемки пластов сложного строения, позволяют« повысить прибыль угольного предприятия.

- в разработке "Методики определения оптимальных параметров технологии селективной выемки для пологих пластов сложного строения", для шахт Карагандинского бассейна, позволявшей устанавливать оптимальные значения параметров технологических систем селективной выемки с целью достижения максимальной эффективности;

- в разработке практических рекомендаций по выбору оптимальных параметров технологических систем селективной выемки для шахт Карагандинского бассейна.

Реализация^оабота. Результаты исследований явились научной базой для "Методики обоснования оптимальных параметров пологих пластов сложного строения", утвержденной ПО "Караганда-уголь" для шахт бассейна.

"Методика..." прошла апробацию и предназначена для использования на стадиях проектирования и эксплуатации выемочных участков шах? с целья достижения максимальной эффективности разработки пластов сложного строения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуидались на совещании "Об экологических проблемах добычи, переработки и использования энергетических углей" (г.Алма-Ата, 1969 г.), на Республиканской научно-технической конференции "Использование достижений научно-технического прогресса в области охраны природы Казахстана" (г.Алма-Ата, 1990г. 1 на XII Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (г.Алма-Ата, 1990 г.), на Региональной научно-технической конференции "Разработка новых и совершенствование существующих средств и способов безопасной выемки угля в усложняющихся условиях" (г.Караганда, 1991 г.).

Г&бликауии. По результатам выполненных исследований опубликовано восемь работ и подучено положительное решение на изобретение.

ОйЪ^-Ч^ЧйЧ!Эа Диссертационная работа состоит из введе-

ния, четырех глаз, заключения, приложения и напечатана на 163 страницах машинописного текста, зклечзя список литературы из 104 наименований, 23 рисунка, 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проведен анализ литературных источников в области разработки пластов сложного строения и оптимизации их параметров (работы Дцялопа К.Н., Алтаева O.A., Ваймухаметоза С.iL, Бол-голика Ш.А., Бурчзкова A.C., Бклегжанина В.Н., Данилиной Г.П., Ермекова Т.Е., Квона С.С., Лазуткина A.A., Рогова Е.И., Саги-новаА.С.). При этом установлено, что многие частные решения задач отработай полог»: пластов слоимого строения средней мос-ности выполнена без комплексной увязки всего многообразия технических и природная факторов. Те немногочисленные работы, которые посвяаеш этоцу вопросу, были направлены в основном на создание отдельных схем раздельной выемки пластов без обоснования их оптимальных параметров.

В этой связи цельв настоящей диссертации является повы-Еение эффективности подземной добычи угля из пластов слокного строения путем обоснования опткмальшх параметров технологии селективно Я выедай.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следуп-пие задачи:

- обосновать критерий для оценки эффективности выемки пластов сложного строения и разработать оптимизационную катематическую модель по указанному критерию;

- исследовать методами статистической обработки материалов необходимую'входную информацию, установить законы распределения и параметр! случайных величин;

- исследовать закономерности влияния управляемых характеристик и параметров технологии селективной выемки на прибыль для комплекса "шахта- обогатительная фабрика - потребитель";

- определить оптимальные параметры технологических

систем селективной выемки пластов сложного строения, позволяпзие повысить технико-экономические показатели предприятия;

- на базе анализа горно-геологаческих и горно-технических факторов обосновать область применения технологии селективной выемки с различны® средствами механизации;

- разработать методические положения для обоснования оптимальных параметров и характеристик технологических систем селективной выемки пластов сложного строения.

Возможность раздельной выемки обычными исполнительными органами комбайна определяется не только когшостьо, но и положением породного прослойка в пласте. Анализ структурных геологических коленок угольных пластов Карагандинского бассейна показывает, что мощность верхних угольных пачек колеблется от 0,4 до 2,4 м модности пласта. Так, для пластов модностью 1,31,8 м моеность верхней угольной пачки изменяется в пределах 0,4 - 1,1 м, в гом числе в 37% она составляет 0,7 - 1,1 м. Для пластов мощностью 2,8 - 3,6 м мощность верхней угольной пачки изменяется я пределах 0,95 - 2,4 м, в том числе в 63$ она составляет 1,2 - 2,4 м. Мощность разделяющего породного прослойка изменяется в пределах 0,15 - 0,66 м, в том числе в 502 - 0,31 - 0,5 м.

Проведенный анализ расположения породных прослойков показал, что в большинстве случаев он располагается в середине пласта на протяжении всего вахтоплгета, а его мощность а также расположение относительно кровли и почвы изменяется незначительно.

Существенное влияние на зольность добываемого угля оказывает мощность породного прослойка. Однако следует отметить, что определяющую роль в формировании качества добываемого угля все же играет на мощность породного прослойка а принятая технология отработки пласта. Так при валовой выемке увеличение зольности угля за счет одного прослойка породы изменяется от 5 до 177».

Одно из важнейших задач является выбор из всего многообразия имевшихся средств механизации, а также способов выемки пластов таких, которые обеспечивают максимальную прибыль по комплексу "шахта-обогатительная фабрика-потребитель".

Обоснование выбора способа выемки производилось с учетом критериальных оценок, которые более подробно изложены в дис-

сертации. В результате анализа для последующего моделирования нами отобраны следующие способа селективной выемки пластов:

- последовательное извлечение пачек угля и породного прослойка сверху вниз, по порядку их расположения;

- опережающая выемка породного прослойка;

- предварительная выемка верхней угольной пачки и породного прослойка;

- предварительное извлечение верхней и нижней угольной почки с приданием очистному забою почвоуступной формы;

Отобранные для лоследугаего моделирования способы выемки рассматривались как с оставлением лородо в пахте, так и без ее оставления.

Для каждого выбранного способа выемки нами рассчитаны нагрузки на очистной забой. При определении нагрузки учтены ограничения по скорости крепления очистного забоя по газовому фактору и по производительности средств доставки. Формула для расчета нагрузки при валовой выемке принята для односторонней схеш работы комбайна.

В нашей работе производится расчет полезного выхода цены и себестоимости продуктов обогащения в зависимости от качества поступающей на обогатительную фабрику горной массы, как для углей идущих на коксование, так и отдельно для углей использу-' емых в энергетических целях.

По статистическим данным для последушего моделирования принимаем, что зольность верхних угольных пачек равна 32$, а зольность нижних угольных пачек равна 24$. Зольность наиболее крупного прослойка, разделявшего угольные пачки, равна 76$.

Для оценки эффективности при построении и реализации математической модели ТС селективной выемки пластов слоеного строения принят критерий - прибыль.

Разработанная в диссертации оптимизационная математическая модель предназначена для определения оптимальных параметров ТС и характеристик селективной ывемки пологих пластов сложного строения с учетом предотвращения загрязнения природной среды от вредного воздействия угольного производства.

Математическая модель включает квазиулорлдочный граф &~(Х,Г) состояния качественных управляемых характеристик системы X ~ ('X/. ,.. Ху) где . X; - схема подготовки выемочного участка; Х;.1 - по простиранию; - по падению;

X х - способ выемки угля в очистном забое; Хг-1 ~ валовая выемка; Хц.х - последовательное извлечение пачек угля и породного прослойка сверху вниз, по порядку их располонения;

Хг ^ - опережающая виеука породного прослойка; X ; - предварительная выемка верхней угольной почки и породного прослойка; X 2 6' ~ предварительное извлечение верхней и нижней угольных пачек с приданием очистному забою почзоуступной формы; Хз - тип комбайка; 1 - серийный; - специальный; X«,» - способ отработки выемочного участка; Хь.! -с поддержанием выработки за лазой; - с погашением выработки за лавой; /ъ- .- способ утилизации порода; Хул -оставление п шахте для закладки; Хь л ~ складирование в породше отвалы но поверхности; Х^з - направление на рекультивация земель подработанных шахтами; - 'кп закладочного материала; Хс./ - порода,внцутая из прослойка;

Хг.Ц - порога- выделяемая при обогащении; Хд з - отсутствие материала; X/ - направление угля потребителю;

Х/.; - с обогащением; Xу..г — без обогащения; Х^ " использование угля; - для энергетики; Х/12 ~

коксования; Х$ - схема проветривания выемочного участка;

X?.; - прямоточная; Хул - везвратоточная.

На графе (гСХ,Г) определено конкретное для моделируемых условий множество допустимых путей Мд(С') от т~ норант Х> До мажорант Ху . Каиром допустимому пути £ отображающему принятое технологи-

ческое решение по комплексу."гаахта - обогатительная фабрика -потребитель", поставлена в соответствие функция цели по критерию прибыль;

при ограничениях:

Я; е М3(в) с: м У£ {<?} (2)

гс, и >

где I (/К\]) - сумма эксплуатационных затрат, зависящая

от пути на графе, руб; Ц ^^ - цена I т продукции, зависящая от пути на графе, руб; ^, , - объем продукции, зависящий от пути на графе, т; J У = (У, вектор управляемых непрерывных параметров технологической системы, где У| - мощность верхней вынимаемой угольной пачки пласта; Хг - мопкосгь породного прослойка в пласте; У^ -длина лавы; у, - длина столба; {^ф} ~ .°^ласть за~ дания непрерывных параметров у отображается в виде неравенств:

(3)

которая формально описана в диссертации.

При построении оптимизационной модели мы ограничились количеством наиболее характерных составляющих эксплуатационных затрат, которые позволили на соответствующем уровне точности построить модель и выдать рекомендации.

Выделение существенных переменных производилось при помощи критерия неопределенности модели предложенной профессором Роговым Е.Й.:

. . . \ГаоТ ' -> МТГГ '

где D f ]) дисперсия случайной функции цели крите-

рия оптимальности;

М (■?) ~ магематическое ожидание случайной функции цели критерия оптимальности.

Немк установлено, что критерий неопределенности модели равен: •

1 - А - 0,086 .

Реализация оптимизационной математической модели осуществлялась целенаправленным перебором по умножества М)(6") путей на графе для комплекса "пахта - обогатительная

фабрика - потребитель" с установленным шагом вариаций параметров У

3 результате моделирования различных способов выемки пологах пластов слог.шого строения установлено, что с экономической точки зрения наиболее целесообразной является селективная технология с предварительной выемкой верхней и нижней угольных пачек с приданием очистког.у забою почвоуступной формы и с поддержанием выработки вслед за лазой. При этом достигается большая прибыль в сравнении с другими технологиям!! селективной и валовой выемки угольных пластов.

Данная технологическая схема выемки возможна только при использовании комбайна типа КС-2 или разработанного в КНКУИ комбайна с двумя дополнительны?« уменьшенными пнеками.

При использовании серийного комбайна наиболее эффективным является способ выемки с последовательным извлечением пачек угля и породного прослойка сверху вниз по порядку их расположения. Причем в этом.случае диаметр снека очистного комбайна долкен соответствовать мощности верхней угольной пачки.

Граница целесообразности перехода с валовой выемки на селективную оценивается в пределах 0,25-0,4- м моености породного прослойка и зависит от наличия обо гашения и способа утилизации породы.

Так, при применении валовой и селективной технологии выемки без последующего обогащения последняя становится более эффективной при гп.7>'^0,3 м для всех вариантов отработки пласта. Сто объясняется тем, что при селективной выемки качестзо угля выше чем при валовой отработке пласта. В этом случае увеличивается цена добываемого угля и снижается отрицательное воздействие угольного производства на охнару окруетпяей природной преды при использовании его в народном хозяйстве.

Применение валовой и селективной выемки с последующим обогащением селективная выемка становится эффективной при /П.•/> -У5-С,25-0,4 м. Увеличение мопкости породного прослойка, при котором селективная выемка для всех вариантов отработки становится

эффективнее, объясняется чуть большими затратами на проведение селективной выемки, а качество обогащения принято для всех вариантов отработки одинаковым.

Следует также отметить, что в этом случае селективная выемка с оставлением породы из прослойка в околоштрекояой полосе поддерживаемой выработки становится более эффективнее, чем валовая при 0,25 м, а без поддержания выработки

с транспортированием породы на поверхность при /И,уз О,3-е,4 м.

Применение валовой выемки с последующим обогаиением в сравнении с селективно!! без него всегда эффективнее для всего рассматриваемого диапазона мощности породного прослойка в Карагандинском угольном бассейне. Это объясняется тем, что качество угля после обогащения превышает качество угля при селективной выемке без обогащения, вследствие чего значение прибыли Судет разным.

Поэтому для условий шахт Карагандинского бассейна необходимо направлять уголь на обогащение при всех вариантах выемки пласта и для всего рассматриваемого диапазона мощности породного прослойка.

В результате исследований со всей определенностью можно сказать, что для условий иахт Карагандинского бассейна наиболее целесообразны: валовая (при Г>1лг 0,25 м) либо селективная (при > 0,4 м) выемка пологих пластов сложного строения с обязательным обогащением.

По данным результатам реализации математической модели сделан вывод, что для достижения максимума критерия оптимальности ( I ) длину лавы при селективной отработке пласта необходимо увеличивать на 15-25/5 по сравнению с валовой выемкой угля при столбовой системе разработки.

При валовом способа выемки для пологих пластов мощностью 1,3-3,5 ы оптимальная длина лавы изменяется в пределах 150190 м. При способах выемки по селективной технологии оптимальная длина лавы "изменяется в пределах 200-245 и. Самое большое значение оптимальной длины лавы достигается при способе выемки с предварительным извлечением верхней и нижней угольных пачек

с приданием очистному забою почвоуступноЯ форма. В этом случае длина очистного забоя изменяется п пределах 205-245 м.

- ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе осуществлено теоретическое обобщение и дано решение крупной актуальной научной и практической задачи обоснования оптимальных технологических систем и их параметров технологии при селективной выемке пологах пластов сложного строения с учетом предотвращения загрязнения природной среды от вредного воздействия угольного производства, имевшей важное народнохозяйственное и социальное значение.

Основные научные результаты, выводи и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Обоснованы технологические систеш и способы выемки пологих пластов сложного строения с учетом геологических и технических факторов, базирующиеся на использовании сушест-вутаей и специально создаваемой выемочной техники. Решена задача комплексной оптимизации параметров ТС селективной выемки с целью достижения максимальной эффективности и отработки пластов угля.

2. Обоснован комплексный критерий для оценки эффективности, на базе которого разработана математическая модель оптимизации параметров и характеристик технологии селективной выемки пластов сложного строения. Численные значения критерия, полученные в результате математического моделирования, позволяют прогнозировать величину прибыли и обосновывать выбор оптимальной технологической систеш отработки пласта.

3. Для условий гаахт Карагандинского бассейна установлена необходимость и целесообразность обогащения угля при всех рассматриваемых вариантах выемки пласта и для всего рассматриваемого диапазона мощности породного прослойка.

4. Установлено, что для достижения максимальной эффективности длину лавы при селективной отработке пласта целесообразно увеличивать на 15-25& по сравнении с валовой вкемкой угля.

5. Определен уровень влияния и экологический ущерб, причиненный окружавшей среде при сжигании угля добытого валовым и селективным способами.

6. Разработана .и угзсрвдена "Методика обоснования оптимальных параметров селективной выемки пологих пластов елок- ' ного строения", включающая оптимизационную математическую модель с информационным и программным обеспечением, позволяющая определить оптимальные технологические системы и их параметры селективной выемки пластов.

С применением "Методики..." путем реализации математической модели произведена оценка принятых в практике технологических систем по комплексу "шахта - обогатительная фабрика - потребитель" и установлены оптимальные их параметры.

Применение разработанных практических рекомендаций обеспечивает эффективность разработки пластов сложного строения с максимальной нагрузкой на забой и достижение социального и экономического еффекта.

1. Селективная выемка пластов сложного строения на шахтах Карагандинского бассейна. - Научн.тр./ШУИ, 1989. Вопроси повышения технического уровня на шахтах Карагандинского бассейна. С.65-68.

2. Экономическая целесообразность селективной технологии выемки угля и ее влияние на эффективность использования горной техники. - Научн.тр./КПГИ, 1989. Повышение экономической эффективности предприятия горной промышленности в условиях полного хозрасчета и самофинансирования. С. 40-46 (со-автор Шонбаев Т.Ш.).

3. Влияние добычи и переработки угля на охрану окружавшей среды. / Использование достижений научно-технического прогресса а области охраны природы Казахстана: Тез.докл. Рсапубл.научно-тех.кокф. - Алма-Ате, 1990. - С.45.

4. Экологические аспекты селективной выемки угля. -Неучн.тр./ КНИУИ, 1990. Вопросы экологии и утилизации отходов горного производства в Карагандинском бассейне. С.45-49 (соавтор Антоненко C.B.).

5. Обоснование возможности применения селективной выемки на пластах сложного строения. Научи.тр. /КШУИ, 1990. Вопросы разработки угольных пластов в Карагандинском бассейне. С. 32-37.

6. Заявка 4771751/03. Комбайн для селективной выемки полезного ископаемого. Положительное решение от 22.10.90г. (соавторы Воронин Б.К,, Мукушев М.М., Гиварц M.JI. и др.).

7. Совершенствование технологии и средств механизации селективной выемки пластов сложного строения. / Разработка новых и совершенствование существующих средств и способов безопасной выемки угля в уелояснятихся условиях: Тез.докл. Рег.научно-тех.конф. - Караганда, 1991. - С. 40 (соавторы Воронин Б.И., Актоненко C.B.).

8. Оптимизация параметров селективной выемки пластов сложного строения. / Разработка новых и совершенствование еупествутоших средств и способов безопасной выемки угля в усложняющихся условиях: Тез.докл.Per. научно-тех.конф. -Караганда, 1991. - С.45.

9. Методика обоснования оптимальных параметров технологии селективной выемки пологих пластов сложного строения: Утв.ПС "Карагандауголь" 16.12.91. - Алма-Ата, ИГД АН КвзССР, 1991. - 30 с. (соавторы Рогов Е.И., Байцухамйтоэ С.К., Шере--декин В.Д. ).

ЗАКАЗ , 98-

Orito4«TMio.iia .ppnoffftuw НГЯ^ЛИ-ЛРВспубпккк- КЬзахст;

ОН -