автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Обоснование технологии выемки маломощных нарушенных угольных пластов пологопадающих месторождений

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.5.

1 .АНАЛИЗ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ТЕХНОЛОГИИ

РАЗРАБОТКИ НАРУШЕННЫХ И МАЛОМОЩНЫХ ПЛАСТОВ.

1.1 .Характеристика месторождений по условиям залегания пластов.

1.2.Обзор технологии разработки маломощных угольных пластов.

Выводы.

2.СОВОКУПНОСТЬ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТЕХНОЛОГИЮ ДОБЫЧИ УГЛЯ. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Изучение мест образования потерь и засорения угля на примере Кайерканского угольного разреза.

2.2. Основные элементы и параметры разрывных нарушений.

2.3. Методы определения потерь угля.

2.4.Способы разработки сложноструктурных и пологопадающих месторождений.

2.5.Задачи и методы исследований.

Выводы.

3.ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОТЕРЬ УГЛЯ ПО МЕСТАМ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ НА РАБОЧИХ ПЛОЩАДКАХ.

3.1.Изучение нарушенности угольных пластов Кайерканского месторождения.

3.1.1 .Работы по съемке дизъюнктивных нарушений.;.

3.2.1.Исследование потерь угля при разработке зон геологических нарушений

3.3.Экспериментальное исследование потерь и засорения угля по местам образования.

3.3.1 .Потери угля в кровле и почве пластов.

3.3.2.Потери при зачистке уступов и забоев.

3.3.3 .Потери угля в целиках.

3.4.Обобщающая структура потерь угля.

3.5.Исследование взаимосвязи зольности угля в зонах нарушений с потерями.

Выводы.;.

4.ОПТИМИЗАЦИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ И КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДОБЫЧИ УГЛЯ.

4.1.Методика расчета объемов извлечения угля в зонах геологических нарушений.

4.1.1.Геометрические формы тел теряемого угля и засоряющей породы

4.1.2.Расчет потерь угля у нарушения.

4.2.Методика расчета объемов слоевой выемки при избирательном спросе на уголь.

4.3.Уточнение методики оценки потерь угля в кровле пласта нарушенного БВР.

4.4.Текущее планирование объемов извлечения угля в нарушенных зонах.

Выводы.

5.ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ И НОРМАТИВНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ДОБЫЧИ.

5.1.Количественно-качественные показатели потерь по местам образования (нормативы).

5.2.Рекомендации по применению технологических схем добычи угля 123 5.2.1.Технология слоевого способа выемки угольного пласта.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В современных экономических условиях, в Сибирском регионе заметна тенденция вовлечения в разработку угольных месторождений максимально приближенных к потребителям. Такие разрезы, как правило, имеют мощность 150-500 тыс. т угля в год. В Красноярском крае за последние пять лет доля добычи угля по этим разрезам выросла с 8 до 20%. На сохранение такой тенденции указывает и характеристика угледобывающей промышленности других стран. Например, в США работает около 1700 угольных разрезов, из них около 65 % мощностью 200-600 тыс. т угля в год.

В разработку вовлекаются угольные месторождения с пластами небольшой мощности, зачастую со значительными колебаниями условий залегания, мощности и зольности. Типичным представителем таких разрезов является Кайерканский угольный разрез №2 (КУР-2), обеспечивающий углем города Норильск, Игарка, Дудинка, Хатанга (до 280 тыс. т угля в год). Разрез разрабатывает три угольных пласта мощностью от 1 до 5 м, интенсивно нарушенных дизъюнктивами и интрузиями. При этом потери угля в нарушенных зонах достигают 80-90%.

Анализ разработки таких месторождений показывает, что причинами больших потерь угля являются несоответствие применяемых технологических средств и способов выемки сложным условиям залегания пластов, а также недостаточная методическая проработка вопросов нормирования потерь в нарушенных зонах разрезов. Кроме того, применение на добыче, как правило, одного-двух экскаваторов, значительно сужает возможности управления качеством, ограниченный спрос потребителей на низкокачественные угли «стимулирует» неоправданное списание или консервацию балансовых запасов.

В связи с этим вовлечение в разработку маломощных, сложнозалегающих угольных пластов и некондиционных углей требует обоснованной оценки применения возможных технологических схем выемки угля, обеспечивающих полноту использования недр. Для этого необходимы разработка методических основ учета потерь в нарушенных зонах и оптимизации потерь по технологическим схемам с учетом способов выемки в конкретных выемочных блоках разрезов.

Изложенные выше обстоятельства предопределяют актуальность и своевременность предлагаемой темы исследования.

Диссертационная работа выполнена на базе КУР-2, т. к. его условия разработки охватывают весь спектр направления исследований. Работа выполнена в соответствии с комплексным планом объединения "Союзникель" в рамках важнейших научно-исследовательских работ Красноярской Академии цветных металлов и золота (ГР-823-40, ГО-863-43), включенных в координационный план НИР (Приказ директора НГМК №1 от 02.01.86 г).

Цель исследования: повышение эффективности использования недр при добыче угля из маломощных, интенсивно нарушенных, с изменяющимся по мощности распределением зольности пластов.

Объектом исследования являются зоны у геологических нарушений и некондиционные зоны маломощных угольных пластов, а факторы, воздействующие на технологические схемы по способам разработки таких зон, составляют предмет изучения и оптимизации.

Идея работы состоит в использовании закономерностей изменения зольности угля по интенсивно нарушенному пласту, дифференцированного расчета структуры потерь угля у нарушений и по разрезу в целом при обосновании технологии разработки нарушенных пластов малой мощности и некондиционных участков пологопадающих месторождений.

Задачи исследования.

1. Исследование и установление закономерностей изменения зольности угля в вертикальной и горизонтальной плоскостях интенсивно нарушенных пластов.

2. Изучить факторы и места образования потерь угля при его извлечении из интенсивно нарушенного пласта.

3. Разработать методические основы расчета объемов потерь угля у геологических нарушений, а также в кровле и почве пласта для условий избирательного по качеству спроса на уголь.

4. Обосновать по уровням потерь, с учетом избирательности спроса на уголь по качеству, технологические схемы разработки интенсивно нарушенных пластов.

5. Разработать нормативы количественных показателей потерь по местам их образования.

6. Разработать методику учета нарушенности пластов при текущем планировании объемов добычи.

7. Провести апробацию и внедрение разработанных рекомендаций в условиях действующего Кайерканского разреза.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Объем потерь угля у геологического нарушения, при любом способе выемки, определяется типом, амплитудой, углом пересечения с фронтом уступа нарушения и не зависит от зольности угля, которая практически не изменяется от нарушения по пласту.

2. Параметры слоевой выемки угля, обеспечивающие потребительские свойства, определяются закономерностями изменения зольности в вертикальной плоскости пологопадающих маломощных пластов, которые, в большей степени, имеют гиперболический или логарифмический характер.

3. Повышение надежности текущего планирования в нарушенной рабочей зоне разреза достигается экстраполяцией обобщающего показателя нарушенности, устанавливаемого по отработанным блокам.

Научная новизна.

Установлено, что объем потерь угля у геологического нарушения, при любом способе выемки, определяется типом, амплитудой, углом пересечения с уступом нарушения и не зависит от зольности угля.

Доказано существование изменений зольности в кровле и почве маломощных угольных пластов, которые носят гиперболический, логарифмический и линейный характер.

Определены основные характеристики слоевого способа выемки угля на базе экскаваторно-бульдозерного комплекса.

Предложена новая методика расчета нормативов потерь и засорения угля при разработке интенсивно нарушенных угольных пластов.

Произведена систематизация геологических нарушений по основным параметрам и структуре.

Установлено, что параметры нарушенное™ блоков оцениваются распределением Грама-Шарлье.

Установлено, что повышение надежности текущего планирования в нарушенной рабочей зоне разреза достигается экстраполяцией обобщающего показателя нарушенности, определяемого по интенсивности и параметрам нарушений отработанных блоков.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждаются: -использованием методов статистического анализа, математического моделирования, натурных наблюдений и замеров, экспериментальных работ; -соответствием рекомендаций по технологии слоевого способа выемки угольного пласта практическим данным;

-внедреннием на Кайерканском угольном разрезе № 2 (КУР-2) Норильского ГМК методик расчета объемов потерь в зонах тектонических нарушений, показателей потерь по местам образования, учета нарушенности пластов при текущем планировании объемов добычи;

-результатами статистической обработки отчетных данных КУР-2 о параметрах нарушенности выемочных блоков, структуры потерь при добыче. Личный вклад автора заключается в:

-в исследовании формирования потерь угля на рабочих площадках, по местам их образования, при отработке зон геологических нарушений;

-в исследовании зольности угля по мощности пластов, в зонах нарушений, потерь и засорения угля в кровле пласта нарушенного БВР;

-в разработке методик расчетов объемов потерь в зонах тектонических нарушений, объемов слоевой выемки при избирательном по качеству спросе на уголь;

-в разработке и внедрении нормативов потерь угля по местам образования в условиях действующего разреза;

-в обосновании технологических схем, апробации слоевого способа выемки угольного пласта с применением бульдозера;

-в разработке методики учета нарушенности пластов для текущего планирования объемов добычи.

Практическое значение работы, -обоснованы варианты применения технологии выемки угля в нарушенных зонах маломощных угольных пластов;

-разработаны нормативы потерь й1 засорения угля для условий эксплуатации Кайерканского месторождения;

-обоснованы рациональные мощности выемочных слоев при слоевой отработке угольного пласта;

-установлена целесообразность разделения объемов добычи угля по блокам на потоки отгрузки по уровням зольности;

-разработаны математические модели взаимосвязи параметров применяемых технологических средств и горно-геологических условий разработки угольных пластов, которые реализованы на ЭВМ.

Реализация результатов работы^ Основные положения диссертации положены в основу "Руководства по нормированию и планированию показателей извлечения и засорения угля при разработке Кайерканского месторождения каменного угля и флюсового песчаника" ("Руководства ."), утвержденного и внедренного при планировании и ведении добычных работ на КУР-2 Норильского ГМК. Полученные зависимости реализованы на ЭВМ и применяются при оценке возможностей выемочного блока по условиям удовлетворения требований потребителей и расчете потерь угля. Ожидаемый годовой эффект от внедрения полученных результатов и рекомендаций на КУР-2 составит 208,5 тыс. руб.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались: на Всесоюзной конференции "Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения НТП" (Красноярск, 1985), на республиканской конференции "САПР горнодобывающих предприятий" (Ташкент, 1984), Краевых конференциях "Управление качеством сырья, продуктов горного, горно-обогатительного и металлургического переделов" (Красноярск, 1985), "Разработка и внедрение новейших технических решений по охране природы и рациональному использованию природных ресурсов Красноярского края" (Красноярск, 1984), IV конферейции молодых ученых "Новые данные по геологии и полезным ископаемым Красноярского края и Тувинской АССР" (Красноярск, 1987), на совещаниях горно-геологической секции НГМК (Норильск, 1986-90 гг).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре статьи.

Объем работы. Диссертационная работа общим объемом 165 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 32 рисунка, 34 таблицы, список литературы из 52 наименований и приложения. Автор выражает

Основные выводы и рекомендации по работе: l.Ha многих угольных месторождениях Восточной Сибири выявлены зоны со свитами нарушенных маломощных и тонких пластов. Опыт раздельной разработки таких угольных пластов с помощью традиционных средств выемки, до сих пор не привел к значительным, эффективным результатам. Существующая технология характеризуется большими потерями угля по маломощным нарушенным пластам. Основной альтернативой традиционным способам выемки пологопадающих пластов является переход к тонкослоевой разработке с применением новых типов оборудования.

2.В настоящее время отсутствуют методические положения, исследования, позволяющие объективно оценить условия применения технологических схем отработки геологически нарушенных участков и зон маломощных пластов с высокой зольностью. В работе доказано, что установление потерь и засорения угля на таких участках по источникам и местам их образования необходимо проводить прямым методом на основе экспериментальных данных.

3.На основании полученных данных (площадь изученных блоков л составила 256560 м , общая протяженность дизъюнктивов-1277 м, интрузивных тел-235 м.) установлено, что с точки зрения технологии основными нарушениями поля объекта исследований являются сбросы и взбросы пластов угля, секущие интрузии. Количество теряемого угля и примешиваемых пород существенным образом зависит от степени нарушенности поля и параметров самих нарушений: вертикального смещения пластов, угла наклона плоскости сместителя (при дизъюнктивном нарушении); мощности тела (при интрузивном).

Полученные аналитические зависимости позволяют определить количество теряемого угля и примешиваемой породы в процессе отработки блока, и рассчитать доли потерь и засорения угля, обусловленные типом нарушения. Величина полосы потерь вдоль нарушения для экскаватора ЭКГ-5 может приниматься до 1 м, при высоте забоя более 1,5 м

4.Установлено, что существующая практика выделения значительной полосы потерь в зонах, прилегающих к дизъюнктивным нарушениям, по фактору высокой зольности угля, является неверной; дизъюнктивы и интрузии практически не влияют на зольность угля.

Разработанная методика определения зольности по мощности позволяют определить параметры слоевой выемки пласта, т. к. в некондиционных по зольности зонах пластов могут быть выделены участки, где средняя часть пласта по мощности будет пригодна для реализации отдельным потребителям. Это позволит применением технологии слоевой выемки угля и раздельной его реализации уменьшить запасы в пластах, относящиеся к некондиционным.

6.Установлено, что поверхность кровли пласта нарушенного БВР с достаточной степенью точности описывается полиномом. Надежность математической модели поверхности оценивается по критерию Фишера при уровне значимости 0,05.

7.Реализация методики расчета геологической нарушенности пласта позволяет повысить надежность текущего планирования по отдельным участкам рабочей зоны разреза.

8.Нормативы потерь угля у нарушений и по мощности угольных пластов могут определяться по разработанным зависимостям и номограммам суммированием составляющих потерь по местам образования в соответствии с разработанной структурой потерь. При расчете нормативов потерь в кровле пластов, для северных районов, в работе рекомендуется учитывать фактор сезонности (условно летний и зимний периоды), обусловленный явлением "снегозаносимости" уступов зимой.

9.Опытно-промышленные эксперименты по слоевой выемке показали, что технологическая схема, включающая бульдозер и мехлопату наиболее полно отвечает требованиям отработки пластов слоями для всего диапазона условий залегания маломощных пластов. Оптимальное расстояние перемещение угля бульдозером, при котором не происходит переизмельчение угля, находится в пределах 18-25 м.

150

10.В соответствие с выполненными в работе исследованиями, основные схемы выемки маломощных угольных пластов, в условиях нарушенности, должны группироваться последовательно по следующим факторам: виду, типу, амплитуде нарушения.

Решение по выбору варианта технологической схемы принимается в зависимости от требований к качеству угля. При вариантах отработки пластов, допускающих разубоживание угля, способ отработки пласта оценивается с учетом себестоимости добычных работ.

Разработанные номограммы, программы расчетов на ЭВМ показателей извлечения угля используются на действующем угольном разрезе и в учебном процессе при подготовке инженеров горного профиля.

11 .Результаты диссертационной работы внедрены на Кайерканском угольном разрезе Норильского ГМК с ожидаемым экономическим эффектом 208,5 тыс. руб. (в ценах 1990 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научно-обоснованные закономерности изменения качественных и количественных величин потерь, полученные в работе, позволили обеспечить решение важной прикладной задачи обоснования технологических способов отработки маломощных угольных пластов в условиях геологической нарушенности, обеспечивающих полноту использования недр на разрезах.

1.AroniKOB М.И. Научные основы оценки экономических последствий потерь при разработке месторождений. - М.: СФТГП ИФЗ АН СССР, 1972. - 149 с.

2. Агошков М.И., Никаноров В.И., Е.И.Панфилов и др. Технико-экономическая оценка извлечения полезных ископаемых из недр.-М.: Недра, 1974. 312 с,

3. Адлина Л.Л. Обоснование применения валовой и раздельной выемки угольных пластов сложного строения. //Сб.Соверш. технологии подз. разраб. угольн. пластов, ИГД им. Скочинского, 1980, -с.133.

4. Адигамов Я.М., Оводенко Б.К. Основы экономической оценки потерь руды при открытом способе разработки. Л.: Наука. 1971.

5. Аленин Б.Г., Анпилогов А.Е. и др. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах.-М.: Недра, 1982. -с.8-12, 159-166.

6. Алехина В.В. Некоторые вопросы совершенствования методов текущего и перспективного планирования на предпр.уг.пром.//Соверш. методов планир. в уг. пром. Всесоюзн. сем.-М., 1972. -с.42.

7. Анализ качества угольной продукции производственного объединения "Кемеровоуголь".-Кемерово: ПО "Кемеровоуголь", 1986. -121 с.

8. Анализ качества угольной продукции производственного объединения "Кемеровоуголь",- Кемерово: ПО "Кемеровоуголь", 1986.-26 с.

9. Арсентьев А.И. Вскрытие и системы разработки карьерных полей.-М.: Недра, 1981. 278 с.

10. Ю.Арсентьев А.И. Определение производительности и границ карьеров.-М.: 1970. 319 с.

11. П.Арсентьев А.И. Принятие решений о параметрах карьера.-ЛГИ, 1982. 57 с.

12. Арсентьев А.И., Падуков В.А. Беседы о горной науке.-Л., Наука, 1981.-159 с.

13. Арсеньев С.Я. К вопросу влияния высоты уступа на величину потерь и разубоживания руды//Сб. "Проектирование предприятий горнорудной промышленности". Вып. 3. -М.: Недра, -1976.

14. Баранов Е.Г. Тангаев И.А. Опыт селективной разработки оплошных месторождений. Фрунзе: Илим, 1969.-с.102-105.

15. Беляков Ю.И. Совершенствование технологии выемочно-погрузочных работ на карьерах. М.: Недра, 1977,- с.218-222.

16. Березняк М.М., Калинин А.В. и др. Снижение потерь угля при выемке пластов на разрезах Кузбасса.//Сб. "Добыча угля открытым способом", №11,-М., -1971.

17. Богданюк В.Е. и др. Обоснование минимальной мощности селективно вынимаемых пачек угля на Иртышском разрезе №2.//Сб. Добыча угля откр. способом: Научн.-техн. реф. сб. ЦНИЭИуголь 7-НЗ. 1969.-е. 17 „

18. Боголюбов В.П., Грачев Ф.Г. Раздельная разработка месторождений сложного состава.-М.: Недра, 1964. 167 с.

19. Букринский А.А. Геометрия недр.- М.: Недра, 1985. -526 с.

20. Верещагин Г.В., Воложанин И.Ф., Гарбер И.С. и др. Основы экономической оценки потерь и учета запасов угля в недрах. -М.: Недра, 1979,- с. 98-224.

21. Глейзер М.И. Экономическая оценка систем разработки руд и месторождений//Горный журнал, 1969,- № 6.

22. Горный терминологический словарь. -М.: Недра, 1982.-345 с.

23. Данников С.А., Крючков В.В., Борщев Н.П. Испытание шнековой выемки угля на Байдаевском карьере: Технология и экономика угледобычи.-М., 1969.

24. Единые правила охраны недр при разработке месторождений твердых полезных ископаемых.-М.: Недра, 1987. 63 с.

25. Иванов В.Д., Финадеев П.А., Макеев Е.У. Разработка свиты сближенных угольных пластов на Липовецком угольном карьере о применением рыхлителей//Сб. Совершенствование технологии открытых горных работ. Челябинск, 1970,- с. 93-98.

26. Ломомоносов Г.Г. Формирование качества руды при открытой добыче -М.: Недра, 1975. -224 с.

27. Макеев Е.М. О раздельной выемке угля на разрезе "СевероВосточный" комбината Дальвостокуголь: Технология открытых горных работ о применением техники цикличного действия//Сб. научн. трудов.-Киев, 1978.-е. 68-70.

28. Малышева И.А., Томаков П.И., Дранников С.А. Разработка маломощных и сложных угольных пластов открытым способом. Недра, 1975.- с. 63, 158-174.

29. Мельников Н.В. Рациональное использование минеральных ресурсов//Горн. журнал, 1973, -№1.- с. 3-7.

30. Мельников Н.В. Теория и практика открытых разработок.-М.: Недра, 1979.- с. 218-220, 331.

31. Миронов К.В. Справочник геолога угольщика. М., Недра, 1982. - 308 с.

32. Правила технической эксплуатации при разработке угольных и сланцевых месторождений открытым способом.-М.: Недра, 1972.-144 с.

33. Русанов Д.К. Экономическая оценка минеральных ресурсов.-М.: Недра, 1987, 195 с.

34. Таскаев А.А. Теоретические аспекты селективной выемки руд на карьерах//Сб. Методы и средства открытой добычи попутных ископаемых. -Фрунзе: Илим, 1984.-с.28-34.

35. Такранов Р.А. Геологические работы на угольных карьерах.-М.: Недра, 1975.-с.295

36. Терентьев Е.В. Элементарные тектонические структуры угольных бассейнов и их типизация.- М., Недра, 1976. 21 с.

37. Технологические схемы применения автосамосвалов грузоподъемностью 75т и выше при циклично-поточной технологии: Отчет о НИР (заключительный)/ Кузнецкий филиал НИИОГР,- Кемерово, 1979. -с.29.

38. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах,- М.: Недра, 1982.-406 с.

39. Томаков П.И.Федоров С.С. Метод оконтуривания заходок при валовой разработке крутых пластов на карьерах Кузбасса//ДУ-ОС:Научнотехн. реф. сб. ЦНИЭИуголь.-М.,1969, -с.33-37.

40. Трофимов А.А. Основы маркшейдерского дела и геометризации недр.- М.: Недра, 1985. 335 с.

41. Трубецкой К.Н. Технология применения и параметры карьерных погрузчиков.-М.: Недра, 1985. 263 с.

42. ТЭО обогащения разубоженных кузнецких углей, теряемых в недрах и отвалах ПО"Кемеровоуголь" для последующего их использования Книга II. -Новосибирск: "Сибгипрошахт", 1988,430 с.

43. Малышева Н.А., Томаков П. И., Драников С. А. Разработка маломощных и сложных пластов открытым способом. -М., «Недра» -1975.

44. Федорянин Н.И. Валово-раздельная выемка полезных ископаемых. Алма-Ата: Наука Казахской СОР, 1978,- с.4-7.

45. Цепилов Н.И. Влияние элементов залегания пластов на уровень потерь при выемке свиты наклонных и крутых пластов//Сб. научн. тр. КузПИ.,-№43, Кемерово, 1971, с.28-32.

46. Юматов Б.И., Байков Б.И., Смирнов В.П. Открытая разработка сложноструктурных месторождений цветных металлов.-М.: Недра, 1973.- с.98.

47. Стандарт предприятия на полезное ископаемое СТП-уголь

48. По размеру кусков угли разделяются на классы в соответствии с ГОСТ 19242-73.

49. Показатели качества угля должны соответствовать нормам (табл. 1).1.3.