автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров подземных интегрированных модулей при отработке угольных пластов открыто-подземным способом

ОА

На правах рукописи УДК ' (622. 271. 326: 622. 275): 65. 612.224

Сурков Виктор Александрович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНЫХ ИНТЕГРИРОВАННЫХ МОДУЛЕЙ ПРИ ОТРАБОТКЕ ' УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ОТКРЫТО -ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1998

Работа выполнена в Сибирском государственном индустриальном университете (СибГИУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.Н. Фрянов Научный консультант:

доктор технических наук В.А. Атрушкевич ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических, наук С.И. Калинин

кандидат технических наук, с.н.с. В. А. Федорин

Ведущая организация - ВНИИгидроуголь (г. Новокузнецк, Кемеровской обл.)

Защита диссертации состоится 29 июня 1998г. в 15-00 ч. на заседании диссертационного совета Д - 003.57.01 при Институте угля и углехимии СО РАН по адресу: 650025, Кемерово, ГСП, ул. Рукавишникова, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля и углехимии СО РАН.

Автореферат разослан 28 мая 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Б.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Программой ресгруктуризации угольной отрасли намечено сокращение доли нерентабельных угольных предприятий, среди которых закрытию подлежат 80 шахт и 27 разрезов. Существенными причинами сокращения числа угледобывающих предприятий являются ограничение инвестиций на использование вскрытых и подготовленных запасов, благоприятных для применения высокопроизводительного отечественного и зарубежного оборудования, а также несовершенство технологических схем из-за сложности их структуры, низкой надежности и недостаточной адаптивности к изменяющимся горно-геологическим условиям и конъюнктуры рынка.

Перспективным направлением выхода из сложившейся ситуации является создание открыто-подземной технологии добычи угля на основе синтеза существующих и новых элементов традиционных и нетрадиционных способов разработки угольных месторождений. Одной из таких технологий является гидравлическая, которая обеспечивает высокие технико-экономические показатели в традиционном виде, но имеет ряд недостатков, в том числе сложность управления, высокую энергоемкость, большие первоначальные капитальные затраты и др.

Одним из путей устранения этих недостатков является создание интегрированных модулей, включающих элементы системы разработки короткими забоями, гидромеханизированной выемки угля, гидротранспорта, подземного обезвоживания горной массы и осветления технологической воды.

Реализация интегрированных модулей сдерживается из-за отсутствия методов их конструирования и научного обоснования параметров. Поэтому исследования,направленные на решение задачи создания технологических схем подземных модулей и методов расчета их параметров являются актуальными, позволяют увеличить объемы извлечения запасов открыто-подземным способом без существенных дополнительных капитальных затрат, что обеспечивает продолжительность эффективной работы угледобывающих предприятий.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой "Уголь России", проект 0-135 "'Разработка технологий интенсивной и безопасной отработки запасов у гольных месторождений с учетом возможностей многоцелевого использования ресурсов недр" (1993-199бгг.).

Целыо работы является продление срока службы угледобывающего предприятия за счет повышения извлечения запасов угля подземных интегрированных модулей открыто-подземным способом.

Идея работы заключается в использовании разработанных технологических схем и результатов расчета параметров подземных интегрированных модулей для повышения эффективности извлечения запасов угля подземным способом в граничных зонах открытых горных работ.

Задачи исследований:

разработать методику синтеза подземных модулей из элементов открытой, подземной традиционной и гидравлической технологий добычи угля;

сконструировать альтернативные варианты технологических схем подземных модулей отработки пластов открыто-подземным способом;

разработать алгоритмы расчета параметров и математические модели технологических процессов подземных интегрированных модулей в структуре действующих угольных предприятий;

установить зависимости технологических параметров подземных модулей от горно-геологическнх и техногенных факторов;

провести математическое моделирование технологических процессов для обоснования оптимальных параметров коротких забоев при гидромеханизации.

оценить работоспособность элементов подземных интегрированных модулей в производственных условиях;

обосновать область эффективного применения технологических схем интегрированных модулей.

Научные положения, защищаемые автором:

синтез подземных интегрированных модулей включает в себя декомпозицию традиционных технологий по базовым элементам с последующей их компоновкой, исключающей параллельные и избыточные технологические звенья;

альтернативные варианты подомных модулей формируются путем последовательной структурно-параметрической и временной увязки элементов в единую систему, обеспечивающую поточность технологических процессов и адаптированную к горно-геологическим и техногенным условиям;

математическое моделирование технологических процессов в подземных интегрированных модулях и обоснование их параметров осуществляется на основе алгоритмов последовательной увязки элементов технологии по качественно-количественным характеристикам и параметрам;

зависимости технологических параметров подземных модулей от горно-геологических и техногенных факторов позволяют оптимизировать поточные технологические схемы эффективной отработки запасов в граничных зонах открытых горных выработок;

критерий максимальной производительности выемочных агрегатов, ограничения по деформациям выемочных выработок и потерям угля в очистных заходках позволяют методами математического моделирования установить оптимальные параметры коротких очистных забоев;

работоспособность отдельных элементов гидравлической и традиционной технологий, установленная в производственных условиях, позволяет синтезировать эффективные технологические схемы отработки угольных пластов открыто-подземным способом;

область эффективного применения подземных интегрированных модулей устанавливается на основе математического моделирования техно-

логических процессов с настройкой параметров моделей по результатам шахтных экспериментов. Методы исследований:

анализ и научное обобщение опыта применения открытой, подземной традиционной и гидравлической технологий при отработке угольных месторождений для формирования вариантов технологических схем,

декомпозиция сложных систем для разработки методики синтеза подземных интегрированных модулей;

адаптация элементов технологических схем для конструирования альтернативных вариантов подземных интегрированных модулей;

математическая и структурно-статистическая обработка данных для моделирования технологических процессов;

математическая статистика и методы геомеханики для установления зависимостей технологических параметров подземных интегрированных модулей от горно-геологических и техногенных факторов;

шахтные наблюдения для оценки работоспособности элементов подземных модулей.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов н рекомендаций подтверждается:

значительным объемом аналитических и длительных экспериментальных исследований при разработке и внедрении вариантов технологии на подземных интегрированных модулях шахты «Нагорная» АОУК «Кузнецк-уголь», разрезов «Листвянский» и «Кедровский» АООТ «Кузбассразрез-уголь»;

удовлетворительной сходимостью (85-90%) прогнозируемых и фактических объемов добычи угля и технико-экономических показателей при эксплуатации 2-х подземных модулей, использующих элементы разработанных вариантов открыто-подземной технологии;

использованием прогрессивных технологических решений традиционных технологий при конструировании схем и эксплуатации подземных интегрированных модулей;

повышением производительности труда на подземных модулях в 1.72.0 раза по сравнению с производительностью на разрезах и в 3-6 раз - на шахтах с традиционной технологией. Научная новизна работы состоит:

в создании методики синтеза подземных интегрированных модулей; в синтезе альтернативных вариантов подземных модулей на основе последовательной и структурно-параметрической увязки элементов в единую систему;

в разработке математической модели, обеспечивающей последовательную увязку элементов и параметров технологических схем подземных интегрированных модулей;

в установлении связи технологических параметров подземных интегрированных модулей с горно-геологическими и техногенными факторами;

в разработке целевой функции, выражающей зависимость производительности выемочного агрегатов от основных горно-геологических и гор-

нотехнических параметров при ограничениях по устойчивости выемочных выработок и потерям угля в коротких очистных забоях;

в развитии методики определения работоспособности технологических схем проектируемых подземных интегрированных модулей по надежности отдельных элементов гидравлической и традиционной технологий;

в обосновании области эффективного применения комбинаций элементов различных технологий.

Личный вклад автора состоит в;

методическом обосновании возможности и целесообразности использования элементов различных технологий добычи угля в едином комплексе;

формировании вариантов и синтезе подземных интегрированных модулей;

разработке алгоритмов и математической модели последовательной качественно-количественной увязки элементов и параметров в единую технологическую схему подземного модуля;

установлении зависимостей технологических параметров подземных интегрированных модулей от структурных и техногенных факторов;

математическом моделировании технологических процессов в коротких очистных забоях;

экспериментальной проверке работоспособности элементов подземных модулей на шахтах и разрезах;

обосновании области эффективного применения подземных интегрированных модулей.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:

синтезировать подземные интегрированные модули с пространственно-временной и структурной увязкой элементов открытой, подземной традиционной и гидравлической технологий;

устанавливать оптимальные параметры технологических звеньев подземных модулей;

обеспечить поточность технологических процессов подземных модулей и их адаптацию к горно-геологических и техногенным условиям разрезов;

увеличить извлечение запасов по эффективным технологиям и продлить срок эксплуатации угледобывающих предприятий.

Реализация выводов и рекомендаций. Научные результаты и практические рекомендации использованы при проектировании интегрированных модулей разрезов "Листвянский", "Кедровский" АООТ "Кузбассразрезуголь" и шахты "Нагорная" АОУК "Кузнецкуголь"; при эксплуатации 2-х интегрированных модулей АОЗТ "Фэсткол"; в учебных процессах по дисциплинам специальности 090200 в Сибирском государственном индустриальном университете.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на: Научном совете по выполнению государст-

венной научно-техн шсской программы «Прогрессивные технологии комплексного освоения тпливно-энергетических ресурсов недр России» (Москва, 1994 г.); Мея. ivm,¡родной научно-практической конференции «Перспективы развития I ориодобываюшей промышленности» (11овок\чнецк, 1997-1998 гг.); Иауччых семинарах СибГИУ (Новокузнецк, 1994-1997 гг )

Публикации, пеновные положения диссертации опубликованы в 12 печатных трудах, в i >м числе в четырех изобретениях.

Структура и ойьем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содс| жит 181 стр., в том числе 44 рис., 23 табл., список литературы из 99 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы проведен анализ производственного опыта применения открытой, подземной традиционной и гидравлической технологий угледобычи и научных направлений синтеза новых технологических схем на основе элементов этих технологий

В результате анализа установлено, что одним из перспективных направлений повышения эффективности угольной промышленности России является совершенс! вование открыто-подземного способа добычи на базе технических, техно: огических и методологических- решений, позволяющих с использованием достижений науки и техники синтезировать качественно новые альтернативные варианты поземной выемки запасов угля из открытых горных выработок.

Значительный вклад в создание и развитие вариант^- ' гкрыто-подземной разработки месторождений внесли: М.И. Агошкоь, Л.А Ат-рушкевич, В.А. Атрмнксвич, В.К. Вороненко, Д.Т. Горбачев, Д.В. Гордин, Д.М. Казикаев, Д.Р. Каплунов, И.Н. Лось, О.В. Михеев, Т.М. Мухтаров, К.Н. Трубецкой, К.Г. Христоки, М.Ф. Шнайдер, В.И. Шубодерев, В.А. Щелканов и др.

Существующий опыт применения открыто-подземного способа в горнорудной промышленности показал их высокую эффективность, что подтверждает целесообразность дальнейших исследований в этом направлении, в частности, научного обоснования и реализации потенциальных возможностей подземного традиционного и гидравлического способов угледобычи при синтезе вариантов развития горных работ в при граничной зоне разрезов.

Одним из резервов развития открыто-подземного способа является использование элементов гидравлического способа добычи угля, который характеризуется малооперационностью, поточностью, относительно низкими капитальными затратами, высокой производительностью труда и возможностью комплексной переработки горной массы в соответствии с требованиями рынка.

Созданию и совершенствованию гидравлической технологии добычи угля посвятили свои работы В.Ж. Арене, A.A. Атрушкевич, В.А. Атрушке-

вич, A.C. Бурчаков, Э.Б. Голланд, А.Е. Гонтов, Г.И. Грицко, С.И. Калинин,

A.Я. Коленцев, A.C. Кузьмич, И.А. Кузьмич, В.Г. Лурий, М.Н. Маркус, О.В. Михеев, B.C. Мучник, Б.П. Одиноков, М.И. Рутберг, К.Ф. Сапицкий,

B.В. Сенкус, Б.А. Теодорович, Г.Т. Тютиков, В.А. Федорин, С.Г. Фомичев, В.Н. Фрянов, Н.Ф. Цяпко и др.

Современный этап развития гидротехнологии характеризуется разработкой и внедрением технологических схем, включающих гидромеханизированную выемку, самотечный гидротранспорт и обезвоживание горной массы в подземных условиях.

В качестве одного из вариантов синтеза элементов открытых, подземных традиционной и гидравлической технологий в настоящей работе предлагается разработать технологические схемы подземных интегрированных модулей для отработки угольных пластов из открытых горных выработок. Научное обоснование параметров этих модулей и реализация технологических схем позволит достичь в настоящей работе поставленной цели.

Во второй главе разработана методика декомпозиции и синтеза подземных интегрированных модулей и на ее основе сконструированы альтернативные варианты отработки запасов угольных пластов подземным способом из открытых горных выработок.

Под интегрированным модулем следует понимать организационно-технологический комплекс, включающий временную структурно-параметрическую увязку элементов процессов различных технологий, горных выработок и инфраструктуры, обеспечивающих эффективную разработку угольных пластов из открытых горных выработок.

Технологическая схема подземного интегрированного модуля включает очистные и подготовительные работы, процессы транспортирования горной массы, подземный комплекс обезвоживания угля и осветления технологической воды. Пространственно горные работы интегрального модуля примыкают к границам разреза (рис. 1,2).

Синтез прогрессивных технологических схем интегрированных модулей на основе элементов традиционных и гидравлической технологий осуществляется на основе следующих методических положений:

исключение параллельности функционирования элементов подземных и открытых работ;

применение системного подхода при проектировании единой технологической схемы угледобывающего предприятия;

поточность технологических процессов открытых и подземных горных работ с резервированием, обеспечивающим учет изменяющейся конъюнктуры рынка сбыта;

высокий уровень адаптивности новых элементов технологий в действующую инфраструктуру предприятия;

обеспечение максимальной прибыли угледобывающего предприятия. В соответствии с этими положениями разработана методика декомпозиции традиционных технологических схем, в которой выделено шесть

Рис. 1. Комбинированная отработка свиты пологих н наклонных пластов: 1 - вскрышные забои; 2 -добычные забои; 3 - запасы угля ниже дна траншеи, отрабатываемые подземным способом; 4 -подземный нулыюперерабатьшающий комплекс; 5 - запасы угля выше дна траншеи, офабатыкаечыс подземным способом; 6 - наклонные «полы; 7 - наклонные штольни (бремсберги), 8 - скаты, 9 -дизъюнктивное нарушение; 10 - траншея (котлован)

Рис. 2. Комбинирокаиная отработка крутых пластов: 1 - вскрышные :тОон; 2 - добычные забои; 3 - запасы шоке дна траншем, обрабатываемые подземным способом; 4 - запасы, отрабатываемые открытым способом; 5 - запасы иышс дна траншеи, отрабатываемые подземным способом; 6 - ствол; 7 - штольни; 8 - к с. ер-шлаги; 9, 10 - штреки; 11 - закладка выработанного пространства

групп элементов в технологиях открытой, подземной традиционной и гидравлической добычи угля.

На основе анализа альтернативных элементов в каждой группе синтезированы альтернативные варианты технологических схем подземных интегральных модулей.

Всего в диссертации разработано 12 базовых вариантов технологических схем подземных интегральных модулей, которые позволяют отрабатывать угольные пласты в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий: угол падения пластов 0-90 градусов; мощность пластов 1.5-15 м; высота подэтажа (ширина столба) 4.0-12 0 м; глубина подземных горных работ относительно дна траншеи до 200 м и др.

Общим признаком для всех вариантов является применение коротких очистных забоев, так как комплексно-механизированные забои с длиной лавы 180-300 м и дорогостоящим очистным оборудованием (до 90-130 млн. руб на выемочный участок) при отработке запасов в приграничной зоне разрезов оказались нерентабельными.

На рис 1, 2 приведены варианты комбинированной отработки крутых и пологих пластов, иллюстрирующие потенциальные возможности технологии одновременной разработки месторождений полезных ископаемых открытым и подземным способами.

В третьей главе разработаны алгоритм расчета параметров систем разработки угольных пластов короткими очистными забоями и математическая модель технологических процессов интегрированных модулей.

Основу алгоритма расчета параметров систем разработки угольных пластов составляют зависимости объемов добычи и производительности труда от глубины разработки и угла падения пласта при механогидравли-ческой выемке угля в очистных заходках.

Для моделирования технологических процессов по вскрытию, подготовке, отработке угольных пластов, переработке горной массы и реализации продукции с учетом конъюнктуры рынка была разработана экономико-математическая модель (ЭММ).

При создании ЭММ выполнены следующие этапы исследований: разработка структуры модели и моделирующего алгоритма, построение компьютерной модели, создание базы данных, проведение численного эксперимента на ЭВМ, обработка результатов исследований, разработка рекомендаций для проектирования подземных интегрированных модулей и установления области рационального применения открыто-подземной технологии.

При разработке структуры ЭММ в качестве объекта исследований принят действующий угольный разрез, имеющий развитую инфраструктуру и запасы угля в приграничной зоне, неблагоприятные для открытых горных разработок. В качестве альтернативного рассматривается вариант отработки этих запасов подземным способом.

Размерность решаемой задачи расширена не только за счет суммирования аналитических зависимостей, описывающих процессы открытой и подземной технологий угледобычи, но и математического описания новых

процессов: утилизация скальных вскрышных пород в подземные горные выработки, переработка горной массы открытых забоев на технологическом комплексе интегрированного модуля и др.

В качестве критерия оптимизации при разработке ЭММ принята прибыль угледобывающего предприятия.

В качестве исходных данных использовались геологические отчеты, планы горных работ, результаты хозяйственной деятельности шахт и разрезов, проекты угледобывающих предприятий.

Экономико-математическое моделирование проводилось численно путем перебора альтернативных вариантов. На первом этапе моделирования проводилась оценка целесообразности развития подземных горных работ из открытых горных выработок. Для этого изучалось влияние доли добычи угля подземным способом в обшей добыче разреза и шахты, цены продукции шахты и постоянных затрат на прибыль предприятия.

Установлено, что при повышении качества продукции, а соответственно и цены, за счет переработки горной массы, добытой на подземном интегрированном модуле, прибыль предприятия возрастает по линейному закону. Прибыль предприятия можно существенно увеличить за счет использования подземным участком инфраструктуры разреза, т. к. при этом снижается условно постоянные затраты на подземные работы.

В четвертой главе проведено математическое моделирование и шахтные Исследования технологических параметров подземных интегрированных модулей. Установлены зависимости технологических параметров подземных интегрированных модулей, на основании которых определены оптимальные параметры, использованные в проектах строительства 3-х подземных интегрированных модулей.

Для обоснования рациональных параметров и области эффективного применения открыто-подземной технологии угледобычи было проведено математическое моделирование на ПЭВМ. Для этого разработаны эскизные технологические варианты развития горных работ.

На каждом эскизе указываются расположение и способы охраны горных выработок, способ выемки и транспорта угля, схема и место установки пульпоперерабатывающего комплекса, проверяется возможность подработки или надработки пластов при принятом расположении во времени и пространстве открытых и подземных горных работ, составляются календарные планы развития горных работ, разрабатываются схемы транспорта и реализации продукции.

На рис. 3 приведен эскизный вариант технологической схемы отработки запасов пологого пласта средней мощности выше дна траншеи меха-ногидравлическим способом с гидротранспортом и подземным обезвоживанием угля, а на рис. 4 эскизы вариантов вскрытия и подготовки запасов угля крутых и крутонаклонных пластов, расположенных ниже дна траншеи.

Моделирование осуществлялось численно с пошаговым варьированием 19 параметров, перебором вариантов, сравнением результатов счета и формированием банка данных, р'анжированием альтернативных вариантов

ю оптимальным параметрам. Выбор окончательного варианта осуществля-гтся в диалоговом режиме с участием пользователя.

Для моделирования разработаны локальные модели: шести техноло-ических схем проведения подготовительных выработок, шести течнологи-(еских схем очистной выемки и транспорта угля, трех вариантов обезво-кивания угля, четырех комплексов по переработке и обогащению горной дассы. На рис. 5 приведен один из вариантов технологической схемы подомного интегрированного модуля.

В процессе моделирования были получены решения по 84 вариантам, ! том числе 28 - при механогидравлической выемке угля, 56 - при отработ-се пластов гидравлическим способом. Для каждого варианта конечная информация получена по 46 параметрам.

По результатам численного моделирования построены графики и по-тучены по методу наименьших квадратов следующие эмпирические зави-;имости для механогидравлической выемки угля:

С = т--г ; 77=0.929; (])

¿> = 12230-^-; п= 0.831; (2)

30.7 + в ' ' '

П = 0,178(25.74 + в)(0.24 + т) ; ц = 0.582, (3)

где С - себестоимость угля по модулю, тыс. руб/т; в - ширина выемоч-яого столба, м; т - вынимаемая мощность пласта, м; О - добыча угля по модулю, т/сутки; Я - производительность труда по модулю, т/выход.

При механогидравлической выемке угольных пластов основными факторами, влияющими на себестоимость горной массы, являются объемы добычи и производительность труда по выемочному участку, ширина отрабатываемого угольного столба и мощность пласта. Себестоимость и объем добычи при увеличении ширины столба уменьшаются по гиперболическому закону, а производительность труда растет по параболической зависимости. С увеличением мощности пласта производительность труда и объем добычи растут по линейной зависимости, себестоимость продукции снижается по гиперболическому закону с интенсивностью в среднем 15 тыс. руб/т на один метр мощности пласта.

Наиболее значимыми факторами, влияющими на эффективность гидравлической выемки угля, являются мощность пласта, ширина выемочного столба (высота подэтажа), прочность угля и диаметр насадка гидромонитора. Себестоимость продукции при отработке угольных пластов с углами падения 10-90 градусов уменьшается по гиперболическому закону при увеличении мощности пласта, ширины выемочного столба и диаметра насадка и резко возрастает при коэффициенте крепости угля более 1.1. При гидравлической отработке крутых и крутонаклонных пластов себестои-

Рнс.З. Технологическая схема отработки запасов пологого пласта средней мощности выше дна траншеи мсханогидравлическим способом с гидротранспортом и обезвоживанием угля: 1 - выемочный столб; 2 -ходок; 3 - аккумулирующий штрек; 4 - параллельный штрек; 5 -выемочная печь; 6 - вентиляционный иггрск; 7 - вентиляционный шурф (скат); 8 - пулълоперерабатывающнй комплекс; 9 - выемочный комбайн (гидромонитор); 10 - конвейер; 11 - угольный склад; 12 - нижняя бровка уступа

Рис.4. Эскизы вариантов вскрытия и подготовки запасов угля крутых и крутонаклонных пластов, расположенных ниже дна фапшеи: I - траншея; 2 -вертикальные стволы; 3 - наклонные стволы; 4 -квершлаги; 5 - межблоковые целики; б пульпоперерабатывающие комплексы

Рис. 5. Технологическая схема гнппоучасткз разреза " Кедровскнй" (1- комбайн, 2 - гидромонитор, 3 - желоб, 1 - высоконапорный трубопровод, 5 - низкона -порнын трубопровод, б- низконапорный насос , 7-высоконапорный насос, 8 - агрегат обезвоживания угля, 9- водосборник, 10 - конвейер. 11- дробилка избирательного действия, 12-эстакадный сортировочный конвейер. 13-склад угля кл.0-50, 14-склад сортового угля кл.50- 150 J.

мость угля в 1.2-1.6 раза выше по сравнению с аналогичным показателем на участках с пологими и наклонными пластами.

Эффективность отработки угольных пластов, расположенных ниже дна траншеи, снижается по сравнению с технико-экономическими показателями выемочных участков, расположенных выше дна траншеи, за счет дополнительных работ и затрат при вскрытии запасов, подъеме горной массы и проведения мероприятий по обеспечению безопасных условий труда.

Оптимальная длина блока или выемочного поля при отработке пластов ниже дна траншеи гидравлическим способом на крутых и крутонаклонных пластах составляет 450 м, а на пологих и наклонных - 650 м.

Вертикальная высота подземного горизонта относительно дна траншеи при отработке крутых пластов влияет на эффективность угледобычи по параболическому закону с экстремумом при глубине Н=120 м, на пологих пластах эффективность добычи угля снижается с увеличением глубины разработки также по параболическому закону при отсутствии экстремума в диапазоне глубин Н=20-280 м.

Технологическая схема подземного интегрированного модуля для отработки угольных пластов из открытых горных выработок апробирована на разрезе "Кедровский" в Кузбассе. Шахтные исследования подтвердили результаты аналитического прогноза и проектных разработок по следующим параметрам: производительность технологической схемы 100-120 т/ч, себестоимость угля 54 тыс. руб/т, зольность обезвоженного угля 11.5%, влажность горной массы 7-12.5%.

Подтверждены результаты аналитических исследований изменения производительности труда по выемочному участку с показателями, полученными в производственных условиях на действующих гидрошахтах, и установлено, что производительность труда при гидродобыче снижается при увеличении угла падения пласта и имеет максимум при глубине разработки 140 м (120 м получено по результатам математического моделирования).

По полученным структурным связям и статистическим зависимостям, надежность которых подтверждена результатами натурных экспериментов, была обоснована область эффективного применения технологических схем подземных интегрированных модулей с элементами гидромеханизации и рекомендуется поэтапная разработка месторождения. На начальном этапе осуществляется вскрытие и отработка месторождения открытым способом. На втором этапе месторождение отрабатывается подземным способом из открытых выработок по технологической схеме интегрированного модуля. При этом эффективность горных работ повышается, в основном, за счет улучшения качества горной массы. На этом этапе подземные горные работы ведутся, как правило, из пластов, расположенных выше дна траншеи. На заключительном, третьем, этапе освоения месторождения добыча угля ведется подземным способом. Критерием перехода от одного этапа разработки к другому является прибыль.

В пятой главе по разработанной методике проведено численное моделирование и установлены оптимальные параметры подземного интегрированного модуля для условий разреза «Кедровский» АООТ «Кузбассраз-резуголь».

Разработанные технологические и технические решения, аналитические зависимости и результаты шахшых исследований были систематизированы в виде научно обоснованных рекомендаций. Реализация этих рекомендаций проведена при проектировании и отработке пластов Кемеровского и Волковского на разрезе "Кедровский" АООТ "Кузбассразрезуголь" (табл.).

По результатам математического моделирования были получены оптимальные параметры экспериментального участка, которые включены в задание на проектирование и переданы проектной части института ВНИИ-гидроуголь для разработки проекта подземного интегрированного модуля. Технологическая схема интегрированного модуля включает (рис. 5): механогидравлическую отбойку угля, которая осуществляется комбайнами ГПКГ с гидросмывом;

самотечный гидротранспорт пульпы по почве выемочных выработок и по желобам, проложенным в аккумулирующем штреке;

комплекс обезвоживания угля и осветления воды, смонтированный в камере обезвоживания, который обезвоживает и выдает уголь на аккумулирующий" конвейер, аккумулирует и осветляет технологическую воду перепуском через очищаемые шпальтовые сита в емкость, откуда вода подается насосами ЦНСГ-300х120 или углесосами У450х120 в забои.

Дефицит воды ликвидируется за счет шахтного притока и, если ее не хватает, то закачивается с поверхности насосом, который подпитывает пожарный став. Избыток воды выдается насосами на поверхность по водоводу и сбрасывается в разрыхленные породы разреза, где вода фильтруется и дренирует в водосборник.

В очистном блоке организуется подземный замкнутый цикл технологического водоснабжения забоев

Обезвоженная горная масса выдается конвейером по эстакаде на поверхность, где производится ее переработка на дробильно-сортировочном комплексе: сортировка рядового угля по крупности, дробление угля крупных классов и породовыборка.

Экономический эффект после реализации проекта экспериментального подземного интегрированного модуля на разрезе "Кедровский" составляет 475 тыс. рублей, производительность труда рабочего по модулю -360 т/мес.

Таблица

Технико-экономические показатели интегрированного модуля

Наименование показателей Ед изм. Показатели

пл. Кемеровский пл. Волковский

Средняя мощность пласта м 2,5 6.5

Угол падения град. 10-22 | 10-22

Способ проведения нарезных выработок Механогидравлическим комбайном

Способ выемки угля в очистном забое Механогидравли-ческий Гидравлический

Количество нарезных забоев в одновременной работе шт. 2 2

1 Количество очистных забоев в одновременной работе шт. Л 3

Производительность очистного забоя т/ч 22 32

Суточная добыча по участку т/сут 950 1100

в том числе :

- из очистного забоя т/сут 750 900

- из нарезного забоя т/сут 200 200

Подвигание очистного забоя м/сут 24 12

Количество выходов рабочих в сутки чел. 80 80

в том числе:

по очистному забою чел. 51 51

Производительность труда рабочего по участку т/вых. 11 14,5

Эксплуатационные потери % 10-15 20-25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой дано решение задачи синтеза структуры и обоснования параметров интегрированных модулей для под земной отработки запасов угля открыто-подземным способом, имеющей существенное значение при продлении срока эксплуатации разрезов и расширения области применения подземной гидротехнологии.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Разработана методика синтеза подземных интегрированных модулей, которая включает ряд последовательных операций: поэлементную декомпозицию технологических схем, выявление параллельных и избыточных звеньев, формирование альтернативных вариантов с их внутренней увязкой по структурным и параметрическим признакам.

2. В соответствии с положениями методики выделено 6 групп элементов в технологиях открытой, подземной традиционной и гидравлической добычи угля: горные работы; способ разработки; способ разрушения угля и пород; транспорт, подъем и переработка горной массы. На основе принципа функциональной необходимости и достаточности звеньев разработано 84 альтернативных варианта технологических схем подземных интегрированных модулей, элементы которых структурно и функционально увязаны во времени и пространстве ведения горных работ из открытых горных выработок.

3. Разработаны и реализованы в математической модели технологических процессов алгоритмы последовательной увязки элементов подземных интегрированных модулей по качественно-количественным характеристиками параметрам.

4. Установлены эмпирические зависимости технолого-эконо-мических параметров подземных интегрированных модулей от основных горно-геологических и горнотехнических факторов. Объем и себестоимость добычи при увеличении ширины отрабатываемого столба уменьшаются по гиперболическому закону, а производительность труда изменяется по параболической кривой. С увеличением мощности пласта производительность труда и объем добычи растут по линейной зависимости, а себестоимость снижается по гиперболическому закону с интенсивностью в среднем 15 тыс. руб. на один метр мощности пласта.

5. Математическое моделирование 84 вариантов технологических схем позволяют обосновать параметры отработки угольных пластов в широком диапазоне горно-геологических условий: угол падения пластов 5-90 градусов; мощность пластов 1.5-15 м; высота подэтажа (ширина столба) 412 м. Оптимальная ширина выемочного столба короткого очистного забоя при отработке пологих пластов средней мощности составляет 6, 8 и 11 м соответственно в диапазонах глубин разработки 50-200, 201-280 и 281-350 м. Длина блоков по простиранию при отработке короткими забоями крутых пластов рекомендуется 450 м, а пологих - 650 м.

6. Варианты подземных модулей и их оптимальные параметры проверены в натурных условиях на разрезе "Листвянский" в Кузбассе, подтверждена их работоспособность и установлено, что производительность подземного интегрированного модуля составляет 100-120 т/ч, себестоимость угля - 54 тыс. руб/т, зольность обезвоженного угля - 11.5%, влажность горной массы 7.0-12.5%. Эти показатели удовлетворительно совпадают с проектными, что подтверждает высокую надежность алгоритмов методики синтеза технологических схем и результатов аналитических исследований.

7. Установлена область эффективного применения подземных интегрированных модулей в приграничной зоне разреза является коэффициент вскрыши более 9, мощность угольных пластов 1.3-3.5 м, угол падения - 1030 градусов, глубина подземных горных работ относительно дна траншеи -до 120 м.

8. Разработан и реализован проект экспериментального подземного интегрированного модуля на разрезе "Кедровский" с параметрами, полученными в результате математического моделирования, Проектные показатели подтверждают эффективность применения технологии подземной добычи угля из открытых горных выработок за счет интеграции традиционных и гидравлического способов добычи: суточная добыча по участку составляет 950-1100 т, производительность труда рабочего по участку 11.014.5 т/выход, а месячная по подземному модулю - 360 т/мес.

9. Внедрение научно обоснованных вариантов и параметров технологических схем подземных интегрированных модулей позволит.на первом этапе реструктуризации угольной промышленности России включить в производственный процесс вскрытые запасы угольных пластов, в том числе неблагоприятные для традиционных технологий, в приграничной зоне угольных разрезов и продлить срок службы действующих угледобывающих предприятий.

10. Фактический годовой эффект от реализации технологической схемы подземного интегрированного модуля при разработке угольных пластов из открытых горных выработок разреза "Кедровский" в 1998г. составил 475 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сурков В.А. Основные принципы создания открыто-подземной технологии добычи угля. // Перспективы развития горнодобывающей промышленности. : Матер, докл. V Междунар. научно-практ. конф. -Новокузнецк, 1998.

2. Сурков В.А., Атрушкевич В.А., Сенкус В.В. Строительство и эксплуатация гидроучастка на разрезе «Кедровский». // Перспективы развития горнодобывающей промышленности. : Матер, докл. V Междунар. научно-практ. конф. -Новокузнецк, 1998.

3. Сурков В.А., Атрушкевич В.А., Сенкус В.В. Область применения комбинированной технологии добычи угля. // Перспективы развития горнодобывающей промышленности. : Матер, докл. V Междунар. научно-практ. конф. -Новокузнецк, 1998.

4. Повышение устойчивости бортов разрезов при открыто-подземной разработке месторождений. /И. И. Кайдо, В.А. Сурков, В.Н. Данильченко и др. //Перспективы развития горнодобывающей промышленности. : Матер, докл. V Междунар. научно-практ. конф. -Новокузнецк, 1998.

5. Сурков В.А., Сенкус В.В., Стефашок Б.М. Совершенствование методов регулирования тепловых режимов открыто-подземных гидроучастков. // Нетрадиционные и интенсивные технологии

разработки месторождений полезных ископаемых. : Матер, докл II Междунар. конф./СибГГМА - Новокузнецк, 1997.

6. Сурков В.А., Сенкус В.В., Лукин К.Д. Теплоотдача горных пород при анкерном креплении горных выработок.// Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых. : Матер, докл И Междунар. конф./СибГГМА - Новокузнецк, 1997.

7. Атрушкевич A.A. Сурков В.А. Физические основы геотермального подогрева воздуха, подаваемого в шахту в зимнее время. //Перспективы развития горнодобывающей промышленности. : Матер, докл. V Междунар. научно-практ. конф. -Новокузнецк, 1998.

8. Сурков В.А. Влияние металлической анкерной крепи на эффективную теплопроводность горных пород. //Перспективы развития горнодобывающей промышленности. : Матер, докл. V Междунар. научно-лракт. конф. -Новокузнецк, 1998.

9. Полож. реш. ВНИИГПЭ №96118182 от 03.04.97. //Способ тушения пожаров на складах самовозгорающегося угля. / A.A. Атрушкевич, А.И. Гук, В.А. Сурков и др.

10.Полож. реш. ВНИИГПЭ № 97110247 от 27.08.97. // Инвентарная стойка. / A.A. Атрушкевич, А.И. Субботин, В.А. Сурков и др.

П.Полож. реш. ВНИИГПЭ № 97110335 от 27.08.97. // Способ проветривания шахтных выработок. / A.A. Атрушкевич, А.И. Субботин, В.А. Сурков и др.

12. Полож. реш. ВНИИГПЭ № 97110252 от 27.08 96. // Крепь сопряжения. / A.A. Атрушкевич, В.В. Сенкус, В.А. Сурков и др.

Подписано в печать 19.05.98 г. Формат 60x84/16. Бумага белая писчая. Объем 1.0 п.л. Тираж 100 эк: Заказ 2071. ВНИИгидроуголь.