автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Повышение эффективности использования производственных мощностей шахт со сложными горно-геологическими условиями и некондиционными запасами угля

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ПО ДОБЫЧЕ УГЛЯ "КАРАГАНДАШАХТУГОЛЬ"

Г Б ОЛ На правах рукописи

у п 'Т НЕФЕДОВ Петр Петрович

УДК 622.273.23:622.28:622.831.24

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ

МОЩНОСТЕЙ ШАХТ СО СЛОЖНЫМИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ И НЕКОНДИЦИОННЫМИ ЗАПАСАМИ УГЛЯ

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научного доклада

Москва 1996

Официальные оппоненты: докт.техн.наук, проф. ЕРЕМЕЕВ В.М. докт.техн.наук, проф. КИМ О.В. докт. техн.наук, проф. КОВАЛЬЧУК А.Б.

Ведущее предприятие -ИГД им. A.A. Скочинского (г. Люберцы Московской обл.)

Защита состоится п- -а? 1996 г. в час на заседании диссертационного Совета Д-053.12.02 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация разослана " " ^_ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета докт. техн. наук, проф.

КУЗНЕЦОВ Ю.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Шахты Карагандинского угольного бассейна, представленные 26 техническими единицами, по основным технико-экономическим показателям занимали одно из ведущих мест в угольной отрасли СНГ. В настоящее время шахтный фонд бассейна имеет суммарную проектную мощность около 48,0 млн. т в год. Добыча угля на шахтах ПО "Карагандауголь" достигала ранее 45 млн.т. в год. Однако в последние годы по целому ряду причин наметился резкий спад производственного потенциала шахт. Так, в 1995 г. добыча угля на шахтах бассейна составила всего 14,4 млн.т. Сложившееся положение во многом обусловлено изменением экономической ситуации в отрасли и в целом в экономическом пространстве б.СССР. В связи с резким сокращением внешнеэкономических связей потребность в углях шахт Карагандинского бассейна резко сократилась. По расчетам института "Карагандагипрошахт", для удовлетворения внутренней и внешней потребности достаточно поддержание половины производственных мощностей шахт • Карагандинского бассейна. Но поддержание созданных мощностей шахт требует" огромных капитальных вложений на вскрытие и подготовку запасов новых горизонтов, приобретение технологического оборудования, материалов, запчастей и др. Шахты бассейна не могут нести такие затраты при полном отсутствии государственной дотации. Поэтому сокращение подземной добычи угля на шахтах бассейна до уровня внутренних и традиционных внешних потребностей естественно, но требует серьезного обоснования.

Анализ фактических данных по шахтам Карагандинского бассейна показывает, что каждый процент сокращения добычи угля от уровня проектной мощности уменьшает на такую же величину производительность труда рабочего по добыче и, соответственно, увеличивает себестоимость угля. Поэтому сокращение подземной добычи угля должно быть осуществлено не за счет простого уменьшения ее на действующих шахтах при их сохранении, а за счет повышения эффективности использования производственного потенциала шахт на базе дальнейшего совершенствования технологии подземной добычи угля.

Анализ состояния шахтного фонда Карагандинского бассейна и изменения горно-геологических условий при отработке

запасов действующих горизонтов шахт показываег, что повышение эффективности горного производства при существенном сокращении объема добычи угля потребует вовлечения в разработку пластов со сложными условиями залегания и некондиционными запасами, на подготовку которых требуются минимальные затраты. Для реализации этого направления необходимо совершенствование технологий, обеспечивающих эффективное управление геомеханическими процессами при разработке сближенных пластов, выемке оставленных целиков угля, а также управление газовьщелением при отработке запасов подготовленных участков мощных и средней мощности пластов с одновременной промышленной утилизацией попутного метана.

Как показывает опыт работы угольной отрасли многих зарубежных стран в условиях рыночных отношений, монопроизводство, как правило, не дает должного эффекта. Поэтому диверсификация производства в угольной отрасли позволит не только повысить ее эффективность, полноту использования производственного потенциала, но и, создавая дополнительные рабочие места, избежать социальную напряженность.

Результаты исследовании, выполненных ИГД им. A.A. Скочинского, КазНИИуголь, ИПКОН РАН, ИПКОН HAH PK, МГГУ, КарПТИ, КНИУИ, ИГД СО РАН, ПНИУИ, МакНИИ, ВостНИИ, КузГТУ, "Карагандагипрошахт", во многом способствовали решению указанных задач, но их постановка не отличается комплексностью и не учитывает специфики работы отрасли в новых экономических условиях.

Таким образом, можно объективно утверждать, что научная проблема изыскания путей повышения эффективности использования производственных мощностей шахт Караганди некого угольного бассейна на базе совершенствования технологий разработки угольных пластов в сложных горно-геологических условиях и с некондиционными запасами с учетом специфики рыночных отношений в отрасли отличается должной актуальностью.

Целью работы является установление закономерностей проявлений комплекса определяющих качество функционирования горных предприятий факторов для повышения эффективности использования производственных мощностей их на базе совершенствования технологий разработку! угольных пластов со сложными условиями залегания и некондиционными запасами в соответствии с рыночными требованиями.

Идея диссертации заключается в реализации методического подхода к обоснованию путей перевода шахт на отработку угольных месторождений при минимизации затрат на воспроизводство готовых к выемке запасов, росте технического уровня и полноты использования производственных мощностей шахт-

ного фонда, расширении ассортимента конечной продукции, включаемой в оборот потребительского рынка.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы технико-экономического анализа, тсхнолого-окс-номического моделирования с реализацией моделей на ПЭВМ, производственные эксперименты, методы геомеханики, газовой динамики, математической статистики и теории графов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Уровень недоиспользования определенного проектом производственного потенциала шахтного фонда функционально связан со снижением производительности труда рабочего по добыче из-за сокращения спроса потребительского рынка угля [14, 15]. Для эффективного использования производственных мощностей шахт в условиях резкого сокращения объемов добычи необходима реструктуризация шахтного фонда при направленном совершенствовании технологии подземной разработки угля [16];

2. Совершенствование технологии подземной разработки угля в условиях коренного изменения экономической ситуации в отрасли предусматривает вовлечение в разработку угольных пластов со сложными горно-геологическими условиями и некондиционными запасами, требующих минимальных затрат на воспроизводство подготовленных и готовых к выемке запасов, с одновременным преобразованием шахтного фонда с использованием в качестве критериальных признаков технического уровня и благоприятности условий производства [15-17].

3. В условиях Карагандинского угольного бассейна вовлечение в производство ранее неразрабатываемых пластов в первую очередь сопряжено с развитием горных работ на сближенных пластах, выемкой оставленных целиков угля различного назначения, отработкой запасов высокогазоносных участков мощных и средней мощности пластов [17].

4. Эффективное управление геомеханическими процессами при разработке сближенных пластов, погашении слоев мощных пластов н оставленных целиков угля, использование высокоэффективных способов заблаговременной и текущей дегазации участков подготовленных запасов являют собой технологическую базу повышения эффективности использования производственных мощностей шахт при входе отрасли в рыночную экономику [14,20].

5. Базовые шахты; на основе которых осуществляется реструктуризация шахтного фонда угледобывающего региона, определяются с учетом их технического уровня, оцениваемого индексом "старения технологий", учитывающим влияние природных, технических, экономических и социальных фактороп

на адзптированность технологии к новым экономическим отношениям [17,20].

6. Диверсификация основного производства на шахтах в условиях сокращения объема добычи до 50-75% от проектного уровня обеспечивает в конечном итоге существенный рост производительности труда на горных предприятиях и снижает социальную напряженность в угледобывающем регионе [18].

7. Эффективная реализация задачи комплексного использования производственного потенциала шахтного фонда с учетом совершенствования технологий разработки угольных пластов в сложных горно-геологических условиях, а также с некондиционными запасами, осуществляется с использованием техноло-го-экономической модели шахты, адаптированной к колебаниям потребительского спроса на угольную продукцию и ресурсов горных предприятий [17,20].

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с фактическими наблюдениями на 14 шахтах ПО "Карагандауголь" (расхождение не превышает 17%);

- положительным опытом использования на шахтах технологий разработки сближенных пластов, селективной выемки некондиционных по мощности пластов, погашения околоштрековых и околоствольных целиков на мощных пластах, эффективной дегазации участков мощных и средней мощности пластов с последующим использованием шахтного метана;

- результатами объективной реструктуризации шахтного фонда и диверсификации основного производства на предприятиях ГП "Карагандашахтуголь".

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлены закономерности снижения уровня показателей деятельности шахт со сформировавшимся производственным потенциалом при резком сокращении объема добычи угля, связанном с объективным сокращением потребительского спроса на угольную продукцию [14-16];

- обоснован комплекс технологических решений по эффективной разработке угольных пластов в сложных горно-геологических условиях и с некондиционными пластовыми запасами, обеспечивающий снижение затрат на подготовку запасов выемочных участков и поддержание рационального объема добычи без ввода в эксплуатацию новых горизонтов [17];

- установлены закономерности проявлений геомеханических процессов при разработке сближенных и селективной выемке некондиционных по мощности угольных пластов, а также отработке оставленных целиков мощных пластов [17];

- выявлены закономерности изменения газодинамического состояния разрабатываемых пластов и выработанных пространств на подготовленных участках мощных и средней мощности угольных пластов и обоснованы способы их дегазации с извлечением метана, пригодного для прямой промышленной утилизации [19];

- разработана методика определения технического уровня шахты по индексу "старения технологии", отличающаяся учетом комплексного влияния природных, технических, экономических и других факторов на адаптированность технологии угледобычи, определяемой трудоемкостью работ во всех подсистемах шахты за определенный период времени [17];

- разработана методика определения базовой шахты для эффективного группирования однотипных смежных шахт в целях их комплексного развития и структурного преобразования [17];

- обоснованы направления диверсификации производства в угольной отрасли на базе максимального использования природных, материальных, людских ресурсов и отходов производства [18];

- разработана технолого-экономическая модель шахты и ее подсистем, отличающаяся высокой идентификацией фактического их состояния и чувствительностью к колебаниям потребительского спроса на угольную продукцию и ресурсов в условиях рыночных отношений [17].

Значение работы. Научное значение работы заключается в разработке методических принципов обоснованного изыскания путей повышения эффективности использования производственных мощностей шахт при входе отрасли в рыночные отношения на базе их реструктуризации и диверсификации производства, рационального использования георесурсов на действующих горизонтах, направленного совершенствования технологических схем разработки угольных пластов со сложными условиями залегания и некондиционными запасами.

Практическое значение работы Заключается:

- в разработке и реализации программ реструктуризации шахтного фонда, обеспечивающих эффективное использование созданных производственных мощностей шахт, удовлетворяющих внутренних и внешних потребителей угольной продукции в условиях рыночных отношений [14, 15, 20];

- в разработке и реализации предложений по диверсификации производства в угольной отрасли, повышающей ее эффективность и приводящей к стабилизации социальной напряженности в переходный период [18];

- в разработке и реализации рекомендаций по выбору оптимальной стратегии и тактики развития горного хозяйства

в зависимости от конъюнктуры рынка угольной продукции и ресурсов [17];

- в разработке и внедрении новых технологических схем очистных работ, обеспечивающих эффективную отработку пластов со сложными условиями залегания и некондиционными запасами 117 |;

- в разработке и внедрении эффективных технологий дегазации мощных и средней мощности угольных пластов, обеспечивающих отработку их запасов с высокими технико-экономическими показателями и промышленную утилизацию извлекаемого метана [19].

Реализация работы. Основные научно-технические рекомендации и предложения по реструктуризации шахтного фонда и диверсификации производства отрасли реализованы в региональной программе "Сары-Арка", одобренной Советом Министров Республики Казахстан в 1996 г. Предложения и рекомендации по увеличению георесурсов шахт на действующих горизонтах, технологические схемы очистных работ по эффективной выемке угля на некондиционных и ранее подработанных пластах, а также слоев мощных пластов, реализованы на шахтах ГП "Карагандашахтуголь". Методы определения технического уровня шахт по индексу "старения технологии" и критерии благоприятности условий использованы при определении базовых шахт. Технолого-экономическая модель шахты и ее подсистем реализована на шахтах ГП "Карагандашахтуголь" при реализации компьютерной технологии управления горным производством, что обеспечило выбор оптимальной стратегии развития шахт в условиях рыночных отношений.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-техническом Совете ПО "Ка-рагандауголь" (Караганда, 1986-1994 гг.) и ГП "Карагандашахтуголь" (1995-1996 гг.), на научно-теоретических конференциях и ученых Советах КарПТИ, научно-практических конференциях и Советах, организованных областной администрацией (Караганда, 1993-1995 гг.), на заседаниях кафедры РМПИ КарПТИ, на научном Совете КНИУИ и КазНИИуголь (Караганда, 1986-1996 гг.), на научном семинаре кафедры ТПУ МГГУ (Москва, 1996 г.).

Публикации.

Основное содержание диссертации изложено в 22 опубликованных работах, в том числе 4 монографиях, 15 научных статьях, 3 авторских свидетельствах на изобретение, в региональной программе развития Карагандинской области "Сары-Арка".

Автор выражает благодарность ученым и специалистам Карагандинского политехнического института, Московского государственного горного университета, ГП "Карагандашахту-голь" за оказанное содействие в проведении исследований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Современное состояние шахтного фонда Карагандинского угольного бассейна и перспективы его развития

Угольные пласты Карагандинского бассейна, представленные мощностью от 0,7 до 8,5 м в Тентекской, Долинской, Карагандинской и Ашлярикской свитах, имеют преимущественно пологое падение, высокую газоносность, малую водо-обильность, низкое содержание серы и фосфора, средний и высокий пластичные слои. Все угли бассейна коксующиеся, имеют технологические марки Ж, КЖ, К и ОС, для использования их в металлургической промышленности требуется обогащение. Труднообогащаемые угли (верхние и нижние пласты Карагандинской свиты) с малым выходом коксового концентрата используются как энергетическое топливо -крупные классы после обогащения для коммунально-бытовых ну лед, а мелкие классы и промпродукты для пылевидного сжигания на теплоэлектростанциях.

Благоприятные условия разработки угольных пластов, высокое технологическое качество углей и географическое положение бассейна определили целесообразность его дальнейшего освоения и развития в новых условиях экономических отношений [14,15].

Шахтный фонд бассейна, имея проектную мощность около 50 млн. т в год, обеспечивал потребность в коксующихся углях юга России и Казахстана в объеме до 35,0 млн.т. в год. Шахтный фонд бассейна, состоящий из 26 шахт, давал до 45,0 млн.т угля в год с лучшими в угольной промышленности СССР технико- экономическими показателями. Однако в последние годы б связи с распадом СССР на самостоятельные государства, нарушением экономических связей, спадом производства во всех странах СНГ, переходом на рыночные отношения, шахты Карагандинскою бассейна переживают сложный период своего развития и находятся в кризисных ситуациях. Так, за последние годы (с 1988 г.) добыча угля на шахтах сократилась с 43,3 млн. т до 14,4 млн. т (1995 г.), а производительность труда рабочего по добыче с 74,6 т. до 34,3 т. в месяц. По этим показателям шахты бассейна находятся на уровне начала 50-х годов [15].

Дальнейшее развитие бассейна в условиях рыночных отношений будет зависить от спроса потребительского рынка и конкурентоспособности производимой угольной продукции.

По данным Института экономики и рыночных отношений Министерства экономики Республики Казахстан, потребность в карагандинских углях подземной добычи составляет: в 1996 году - 26,0 млн.т, в 1997 году - 29,0 млн.т, в 1998 году -29,1 млн.т в 1999 году - 29,4 млн.т, в 2000 году - 29,5 млн.т и в 2005 году - 38,1 млн.т.

Особенностью современного развития шахт Карагандинского бассейна является то, что нынешнее рациональное соотношение спроса и предложения на угольную продукцию требует задействования от 50% до 75% проектных мощностей при полном отсутствии государственных дотаций в отрасли [15]. Снижение добычи угля на созданных мощностях неизбежно привело к ухудшению технико-экономических показателей работы шахт. С другой стороны, наращивание объема добычи от нынешнего уровня до значений, рекомендуемых Министерством экономики Республики Казахстан, требует значительных капитальных вложений, объем которых нереален при традиционных технико-технологических и организационно-экономических решениях.

Решение проблемы рационализации работы угольной отрасли Республики Казахстан видится в глубоком научно-обоснованном структурном преобразовании шахтного фонда на основе совершенствования технологии разработки сложных и некондиционных угольных пластов, обеспечивающих резкое снижение требуемого объема инвестиций, а также эффективной диверсификации основного производства, стабилизирующей социальную обстановку в регионе [15].

2. Методологические аспекты повышения эффективности использования производственного потенциала шахтного фонда

Шахта, как сложная динамическая система, состоит из многочисленных подсистем, подчиненных единой цели - добыче угля в. определенном количестве, т.е. в объеме проектной мощности. Для нормального и надежного функционирования всех подсистем требуется определенное количество обслуживающего персонала, материальных и энергетических затрат. Сокращение добычи угля не приводит к соответствующему сокращению трудовых, материальных и энергетических затрат по всем подсистемам. К изменению добычи угля одни подсистемы "более чувствительны" - например, очистные работы, другие "мало чувствительны" - подготовительные работы, транспорт, подъем, а третьи - практически не реагируют, например, такие вспомогательные подсистемы, как вентиляция, ремонт и поддержание выработок, наземный транспорт, техкомплекс поверхности, энергомеханическая служба и др. [14-16].

Исследования показывают [14, 15, 17, 20], что каждый процент снижения добычи относительно проектной мощности дает снижение производительности труда рабочего по добыче от 0.74 до 1,40%, или в среднем 0,90%. Как известно, трудовые затраты или производительность труда являются главным показателем, характеризующим рентабельность, эффективность производства и конкурентоспособность произведенного продукта. При сохранении действующего шахтного фонда с проектной мощностью около 50,0 млн. т и добыче угля в 1996-2005 годах в объеме от 26,0 до 33,1 млн. т в год, для обеспечения внутренних и внешних потребностей, производительность труда рабочего по добыче будет от 53,9 до 61,7 т в месяц - это уровень 60-х годов.

В работе установлено [15], что сохранение существующих мощностей шахт при объеме добычи угля на уровне их освоения на 50-75% экономически невыгодно.

Рационализация подземной добычи угля в Карагандинском бассейне осуществляется на основе глубокой реструктуризации шахтного фонда, обеспечивающей в конечном итоге эффективную работу горных предприятий и выпуск конкурентоспособной угольной продукции.

Методологические основы реструктуризации шахтного фонда заключаются в следующем [20]:

- анализ горно-геологических условий, георесурсов, трудовых ресурсов и состояния шахтного фонда для установления стратегии развития производства на горных предприятиях региона;

- определение системы базовых шахт по комплексному критерию, отражающему их технический уровень для осуществления концентрации основного производства и централизации вспомогательных служб за счет технологического и административного объединения смежных предприятий;

- совершенствование и создание' новых технологий разработки сложных и некондиционных угольных пластов, обеспечивающих эффективное функционирование новых административно-технологических структур в условиях рыночных отношений в экономике;

- рационализация системы управления горными предприятиями угледобывающего региона с учетом развития вспомогательных производств на базе шахтного фонда.

На основе анализа горно-геологических условий, reo- и трудовых ресурсов и состояния шахтного фонда [14, 15] установлена целесообразность развития подземной добычи угля в Карагандинском угольном бассейне с уровнем добычи 50-75% от существующей проектной мощности шахт.

Учитывая влияние фактора снижения производительности труда при снижении уровня добычи от проектной мощности,

рекомендуемые технологические и технические решения должны базироваться на существенно более низких объемах инвестиций в основное производство при создании комплекса вспомогательных производств, дающих быстродействующий экономический эффект и снижающих социальную напряженность в регионе [16].

При объединении нескольких шахт в единую технологическую или административную систему важное значение имеет определение технического уровня каждой шахты. Шахта, имеющая высокий технический уровень, может служить базовой, на которой осуществляется объединение. Определению технического уровня шахт посвящено большое количество работ. В частности, работы ИГД им. A.A. Скочинского, Лелеко А.И. и др.

Под руководством и с непосредственным участием автора предложена новая методика определения технического уровня шахты или ее подсистем по динамическому индексу интенсификации производства, называемому в дальнейшем индексом "старения технологии производства" [17]:

* т т

Я»,= 2 2 (1)

1=1 i = 1 io

где - трудоемкость i - го процесса в течение г лет; Tie - трудоемкость i-ro процесса в начале лаг, принятый за базовый год; г- лаг, интервал времени между реконструкциями или модернизацией отдельных подсистем шахты. За начало лаг или базовый год принимается год достижения наименьшей трудоемкости после реконструкции, модернизации или сдачи шахты в эксплуатацию, предполагая, что в этом году рассматриваемая подсистема наиболее адаптирована к условиям разработки в результате достижения наибольшего совершенства технологии. В процессе работы технология со временем по разным причинам "стареет" и эффективное функционирование подсистем шахты достигается ростом трудоемкости и, очевидно, наступает момент, когда дальнейшее увеличение трудовых затрат становится неэффективным или невозможным. Тогда возникает необходимость реконструкции или модернизации подсистем.

В качестве i-ro процесса рассматриваются следующие подсистемы: очистные и подготовительные работы, подземный транспорт, ремонт и содержание горных выработок, прочие подземные работы и работы на поверхности.

Очевидно, если И^ з 1,0, то происходит "омолаживание" технологии производства, а при И^ & 1,0 - "старение" технологии производства.

Располагая величину Ии| в вариационный ряд, можно определить, какие подсистемы подлежат реконструкции или модернизации для "омолаживания" технологии производства.

Предложена следующая классификация технического уровня шахт:

И = 1,0...1.25 - низкий уровень "старения технологии";

И'= 1,26...1.50 - средний уровень "старения технологии;

И = 1,51...2.00 - высокий уровень "старения технологии".

Исследование технического уровня отдельных подсистем смежных шахт позволило определить их "узкие места", подлежащие реконструкции или совершенствованию, а также наметить базовую шахту, на которой целесообразно осуществить технологическое или административное объединение.

Рассмотрен и определен технический уровень отдельных подсистем по. индексу "старения технологии" по 15 группам смежных шахт и на их основе определены базовые шахты (табл.1).

Разработанные методические положения по реструктуризации шахтного фонда на базе технологического и административного объединения смежных шахт отличаются учетом их технического уровня по индексу "старения технологии", наличием достаточных запасов или резервных полей, совпадением отметок вскрытых горизонтов, возможностью выдачи всей добычи через базовую шахту, возможностью доставки людей до рабочего места в течение регламентированного времени, возможностью осуществления секционного проветривания, экономической эффективностью объединения шахт со сроком окупаемости инвестиций не более 5-6 лет. Рекомендуются следующие основные направления реструктуризации шахтного фонда Карагандинского бассейна [20]:

- технологическое и административное объединение шахт "Северная", "Майкудукская" и "Карагандинская" да базе последней;

- технологическое объединение шахт "Стахановская" и им. Костенко на базе последней;

- технологическое объединение шахт "Кировская" и им. Горбачева на базе последней, для повторной разработки пластов К12 и Кю на ранее отработанных шахтных полях;

- технологическое объединение шахт им. Байжанова, им. Кузембаева и "50 лет СССР" на базе последней;

Таблица 1

Технический уровень подсистем смежных шахт по индексу "старения технологии производства"

Технический уровень подсистем и шахт

№№ пп Смежные шахты Условия смежности Очистные тс работы Подго-витель ные работы Ремонт и содержание выраб. Подземный транспорт Прочие подземные работы итого подземные ш работы Работы на по-рхност и Шахты Базовая шахта

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1. "Майкудукская" "Карагандинская" по простиранию и палению пластов 1.74 1.71 1.01 1.60 1.58 1.52 1.59 1.56

0.99 1.47 1.43 1.33 1.28 1.30 1.28 1.29 +

2. "Стахановская" им. Косте нко по падению пластов 1.15 1.63 1.93 1.63 1.66 1.59 1.60 1.59 -

0.96 1.51 0.90 1.04 1.13 1.10 1.32 1.21 +

3. им. Горбачева вскрест 1.19 1.94 1.46 1.14 1.51 1.44 1.41 1.42 +

"50 лет Октябрьской простирания пластов 1.37 1.55 1.24 1.24 1.42 1.94 1.36 1.65 -

революции"

4. им. Кузембаева вскрест 1.34 1.82 1.01 1.56 1.55 1.45 1.73 1.59 -

им. Байжанова простирания пластов 1.17 1.44 1.61 1.28 1.26 1.34 1.14 1.24 +

5. им. Байжанова по 1.17 1.44 1.61 1.28 1.26 1.34 1.14 1.24 +

им. Горбачева простиранию пластов . 1:19 1.94 1.46 1.14 1.51 1.44 1.41 1.42 -

6. "50 лет СССР" по 2.11 2.26 2.73 2.45 2.21 2.35 2.21 2.28 -

им. Кузембаева простиранию пластов 1.34 1.82 1.01 1.56 1.55 1.45 1.73 1.59 +

7. "50 лет СССР" по 2.11 2.26 2.73 2.45 2.21 2.35 2.21 2.28 -

"Актасская" простиранию пластов 0.96 2.09 1.41 1.44 1.47 1.66 2.31 1.98 +

9.

10.

XI.

12.

13.

"Актасская" "Саранская"

"Саранская" "Дубо некая"

"Топарская" "Ш-Нуринская"

"Абайская" . "Ш-Нуринская"

"Абайская"

им. Калинина "Молодежная" "Шахтинская"

14. им. Ленина

"Казахстанская"

15.

"Тентекская" "Казахстанская"

по

простиранию пластов

вкрест

простирания

пластов

по

простиранию пластов

по

простиранию пластов

по

простиранию пластов

по

простиранию пластов

по

простиранию пластов

по

простиранию пластов

0.96 0.98

0.98 1.24

1.24 1.07

1.98 1.07

1.98

1.16 1.82 1.35

1.54 1.32

1.19 1.32

2.09 1.06

1.06 2.08

1.95 1.41

2.01 1.41

2.01

1.95 1.81 1.29

2.91 1.62

1.03 1.62

6 7 8 9 10 И 12

1.41 1.44 1.47 1.66 2.31 1.98 -

1.01 0.96 1.00 0.99 1.06 1.03 +

1.01 0.96 1.00 0.99 1.06 1.03 +

2.17 2.01 " 1.65 1.83 2.13 1.98 -

2.00 1.93 1.65 1.75 1.77 1.76 -

1.44 1.95 1.39 1.45 1.89 1.66 +

1.61 2.03 2.15 1.95 2.07 2.01 -

1.44 1.95 1.39 1.45 1.89 1.66 +

1.61 2.03 2.15 1.95 .2.07 2.01 -

1.65 1.62 1.54 1.58 1.42 1.50 +

1.98 2.11 1.82 1.90 1.87 1.88 -

2.08 1.46 1.41 1.52 1.52 1.52 +

1.60 2.99 2.07 2.22 2.18 2.20 +

2.07 1.94 1.72 1.73 2.77 2.25 -

0.65 0.98 1.02 0.97 0.95 0.96 +

2.07 1.94 1.72 1.73 2.77 2.25 -

- технологическое и административное объединение шахт "Дубовская", "Актасская", "Сокурская" и "Саранская" на базе последней;

- технологическое объединение шахт "Топарская", "Абай-ская" и "Шерубай-Нуринская" на базе последней;

- технологическое и административное объединение шахт "Степная", "Молодежная", "Долинская" и "Шахтинская" на базе последней;

- технологическое объединение шахт "Казахстанская" и им. Ленина на базе последней;

- самостоятельное развитие шахт им. 50-летия Октябрьской революции, им. Калинина и "Тентекская".

После реструктуризации шахтного фонда по этой схеме общее количество шахт сократится с 26 до 11 с проектной мощностью до 35-40 млн.т, что полностью обеспечивает потребность в карагандинских углях. Основные направления реструктуризации шахтного фонда вошли в региональную программу "Сары-Арка" и к настоящему времени осуществлены на разных уровнях и этапах:

- объединены шахты "Северная" и "Майкудукская" на базе шахты "Карагандинская";

- шахта "Дубовская" объединена с шахтой "Саранская" на базе последней;

- шахта "Топарская" объединена с шахтой "Шерубай-Нуринская" на базе последней;

- шахта "Степная" объединена с шахтой "Молодежная" на базе последней.

Эти объединения шахт, осуществленные по общему научно-техническому направлению реструктуризации шахтного фонда бассейна, создали основу для рационализации подземной добычи угля в Республике Казахстан. Карагандинский угольный бассейн стал перспективным для расширения инвестиций, особенно зарубежных [20].

Реструктуризация шахтного фонда позволила также предложить и реализовать новый подход в структуре управления ГП "Карагандашахтуголь", преобразовав его в акционерное общество. При этом формы управления могут быть самые различные, и следует учитывать передовой мировой опыт [17].

В условиях рыночных отношений "выживание" любого производства зависит от его эффективности и конкурентоспособности товарной продукции. Поэтому во всех странах СНГ в целях повышения эффективности производства стре-

мятся в первую очередь преобразовать его структуру и управление в соответствии с условиями рынка.

В целях выбора наиболее оптимального варианта преобразования ГП "Карагандашахтуголь" нами детально проанализированы структурные преобразования и управление компанией "Росуголь", АО "Росникель" (Россия), АО "Рурколе АГ" (Германия) и др.

В настоящее время в угольной промышленности применяются следующие варианты организации структуры и управления:

- самостоятельными и все вопросы - развитие, планирование, ценообразование, реализация продукции и другие проблемы решают самостоятельно;

- самостоятельными, но отдельные функции передают центральному управляющему органу (АО, компания, концерн, ГХК и др.);

- самостоятельными, однако все их решения координируются единым центральным органом управления (АО, компанией, ГХК и др.);

- самостоятельными и входят в состав акционерного общества (компании, ГХК и др.). Ответственность за эффективную работу каждого предприятия, наряду с его непосредственным руководством, несет и центральный орган, который осуществляет весь комплекс функции по управлению.

Существующие структуры и системы управления горными предприятиями Карагандинского бассейна не укладываются в рамки рассмотренных вариантов.

Так, например, все угольные предприятия ГП "Карагандашахтуголь" являются юридически самостоятельными и должны решать все свои проблемы самостоятельно (первый вариант), но фактически такие .важнейшие вопросы, как планирование, ценообразование, реализация продукции, комплектация, инвестиционная политика и многие другие вопросы либо переданы ГП (второй и третий варианты), либо полностью решает ГП (четвертый вариант). Таким образом, ответственность за эффективное функционирование каждого предприятия несет руководство предприятия, поскольку они самостоятельны, и руководство ГП "Карагандашахтуголь", поскольку оно координирует и решает важнейшие вопросы планирования, финансовой политики, реализации и др.

Для нас наибольший интерес представляет структура и организация управления АО "Рурколе АГ", поскольку оно более 25 лет весьма эффективно функционирует и имеет высокие технико-экономические показатели.

В акционерном обществе 25 предприятий (горнодобывающих, коксохимических и др.), объединенных в две производственные компании - "Рурколе-Нидеррейн АГ' и "Рурколе-Вестфален АГ", которые в свою очередь также представляют из себя а ционерные общества, имеющие соответствующие органы управления. Структура производственных компаний полностью соответствует (за исключением сектора сбыта) структуре "Рурколе АГ".

Непосредственно в управлении акционерного общества "Рурколе АГ' работает 1200 человек управленческого персонала.

Объемы добычи планируются на перспективу и регулируются на основе договоров с металлургической и электроэнергетической промышленностью. Определение объема производства угля является прерогативой акционерного общества "Рурколе АГ'.

Акционерное общество "Рурколе АГ" согласует важнейшие направления своей деятельности, в частности по инвестициям, с правительством. Для проведения определенных мероприятий правление должно получить одобрение акционерного общества. Материалы по всем важнейшим вопросам, которые правление представляет три раза в год на решение наблюдательному совету акционерного общества, направляются в правительство.

Нами также детально проанализирована структура управления ГП "Карагандашахтуголь", предложенная фирмой "Мон-тан-Консалтинг, ЛТД" (Германия), разработанная по заданию правительства Республики Казахстан в 1995 году.

На основе анализа опыта деятельности АО "Рурколе АГ' и предложений фирмы "Монтан-Консалтинг, ЛТД" предлагается структура о4 .анизации и управления шахтным фондом Карагандинского бассейна, представленная на рис. 1

ГП "Карагандашахтуголь" преобразуется в государственную акционерную компанию, а затем в частную акционерную компанию. Она состоит из следующих подразделений: собрание акционеров, наблюдательный совет, управляющий совет, управления для производственных звеньев.

На начальном этапе собрание акционеров представлено членами Правительства, независимыми учеными, представителями профсоюзов и другими социальными группами. С течением постепенной приватизации места в собрании будут приобретать новые акционеры пропорционально их акциям в компании.

Для управления производственным объединением "Кара-гандашахтуголь" предлагается классическое деление на 4 сектора:

- председатель Совета с включением отдела центрального планирования и контроля;

- исполнительный директор по производству, отвечающий за производство, обогащение, а также за вспомогательные технические учреждения;

- исполнительный директор по бизнесу и сбыту;

- исполнительный директор по кадрам и социальным вопросам.

Этому уровню подчинены отдельные производственные звенья и вспомогательные учреждения. Оставшаяся часть учреждений должна в будущем управляться на основе "центров прибыли". Это, в частности, относится к вспомогательным учреждениям, которые в будущем также должны распространить свою деятельность на аналогичные сектора за пределами производственных ассоциаций.

Сами компании управляются Генеральным управляющим, у которого свой главный управляющий в производственном, коммерческом и кадровом секторах. Кроме этого, предлагается создать центральный отдел, который будет прямо подчиняться Генеральному управляющему и будет заниматься контролем и планированием. Персонал этого отдела не будет вовлечен собственно в производство. Там также должен быть отдел по технике безопасности.

Эффективная реализация разработанных решений по реструктуризации шахтного фонда Карагандинского угольного бассейна с одновременной рационализацией системы управления горными предприятиями на всех уровнях в условиях изменения экономической ситуации в угольной отрасли и в целом в Республике Казахстан возможна на основе исполь-• зования нетрадиционных решений по совершенствованию и созданию новых малозатратных технологий и диверсификации основного производства на шахтах [16,17].

3. Совершенствование технологии разработки

угольных пластов со сложными горно-геологическими условиями и некондиционными запасами

Освоение Карагандинского угольного бассейна началось с разработки наиболее продуктивных мощных и малозольных пластов с коксующимися углями. При разработке мощных пластов, особенно пластов К13, К12, Кю, К7, (1б, из-за отсутствия соответствующей технологии и техники были оставлены большие запасы угля по их мощности. Многие из

этих запасов, оставленные на ранее отработанных и ныне действующих шахтных полях, оказались пригодными для повторной разработки. Кроме того, большие запасы были оставлены по площади для охраны горных выработок, наземных зданий и сооружений. На сегодня на каждую тонну вынутого угля оставлено около 0,7 балансовых запасов. Эти огромные запасы могут быть вынуты повторно без больших дополнительных затрат [17].

К некондиционным и сложным пластам отнесены те пласты, для эффективной разработки которых требуется специальная технология и техника, например: пласты, мощностью менее 0,7 м; тонкие угольные пачки, разделенные породными прослойками, требующими селективной выемки; ранее подработанные пласты или слои; локальные участки, ограниченные небольшими размерами и др. Специальной инвентаризацией определено, что общие запасы, оставленные на ранее отработанных и ныне действующих шахтных полях, но пригодные для вовлечения к эффективной разработке, составляют более 1,7 млрд. т (табл. 2) [17].

Таблица 2

Запасы угля, оставленные на отработанных и действующих шахтных полях

Характеристика аапасов

Количество, млн. т.

1. Забалансовые запасы по мощности пластов или их зольности, пригодные при селективной выемке

2. Згмасы, оставленные на полях отработанных и действующих шахт в виде различных охранных целиков

3. Запасы, оставленные по мощности пластов

4. Запасы, оставленные из-за подработки пластов

Всего:

342,3

894,8

200,0 300,0 1737, 1

Отличительной особенностью Карагандинского угольного бассейна является его высокая метанообильность. Даже локальные участки мощных и средней мощности угольных пластов, практически подготовленных к отработке, требуют применения интенсивных методов дегазации. Ресурсы метана на этих участках допускают его добычу для промышленного использования. В связи с этим вопросы создания и освоения надежных и интенсивных методов дегазации действующих горизонтов и полей шахт имеют важное значение в повышении эффективности отработки оставленных запасов угля 119].

Опыт угольной отрасли б. СССР, а также других угледобывающих стран мира показывает, что отработка запасов угля в условиях, представленных в табл. 2, технически возможна с хорошими технико-экономическими показателями и требует значительно меньших затрат на их подготовку. Под руководством и при непосредственном участии автора обобщен опыт ведения горных работ на пластах, отнесенных к забалансовым, ранее подработанным пластам, локальных участках пластов рабочей мощности, при выемке целиков угля различного назначения [12-13, П). Установлено, что эффективное управление геомеханическими процессами обеспечивает отработку сложных и некондиционных угольных пластов с показателями, уровень которых обеспечивает конкурентоспособность шахт. На основе установленных автором закономерностей протекания геомеханических процессов при отработке запасов в сложных условиях созданы и освоены шахтами усовершенствованные и новые технологические схемы очистных и подготовительных работ [17].

Техническая возможность и экономическая целесообразность разработки подработанных пластов в основном зависят от характера обрушения пород кровли и состояния подработанного пласта. Изучением проблемы геомеханического процесса обрушения пород кровли занимались многие отечественные и зарубежные ученые.

Вместе с тем имеющийся в Карагандинском бассейне опыт повторной отработки обрушенных угольных пачек мощгых пластов, а также отработка ранее подработанного весьма сближенного пласта с величиной пород междупластья, равной 1-1,5 -кратной вынимаемой мощности нижнего пласта, ставят необходимость пересмотра вопросов характера обрушения пород кровли, непосредственно примыкающих к отработанному пространству.

Все авторы проведенных ранее' исследований сходятся во. мнении, что подработка не вызывает особых осложнений при 1 выемке вышележащих пластов, если они не лежат в зоне беспорядочного обрушения. Таким образом, важнейшим фактором, влияющим на допустимость или недопустимость первоочередной выемки нижележащих пластов, является мощность междупластья.

Исходя из вышеописанного механизма деформации подработанных пород с учетом условий обеспечения возможности последующей выемки подработанного пласта, различными авторами были предложены формулы для определения мощности пород междупластья, принятой в качестве критерия безопасной подработки [17].

Однако практический опыт разработки ранее подработанных пластов дает основание утверждать, что существующие рас-

четные формулы, определяющие критерии безопасной подработки пласта, не могут быть рекомендованы в условиях пологого падения пластов Карагандинского бассейна.

Оставленные после отработки пласта различные угольные целики, а также локальные участки имеют, как правило, ограниченные размеры. Поэтому для их отработки необходимо проводить подготовительные выработки в максимальном приближении к отработанному пространству. Опыт проведения и эксплуатации горных выработок как в Карагандинском, так и в других бассейнах страны показывает, что при расположении их вблизи ранее отработанных участков шахтного поля не всегда создаются благоприятные условия для поддержания этих выработок. Это обуславливается различными физико-техническими свойствами угольных пластов и вмещающих пород, а отсюда и различными параметрами их места заложения.

На основании выполненных на шахтах бассейна исследований напряженность состояния угольного пласта на границе с выработанным пространством (рис. 2) установлено, что интенсивное формирование зоны предельных напряжений происходит в период обрушения основной кровли, находящейся рядом с угольным массивом лавы, и в основном заканчивается со стабилизацией процесса обрушения основной кровли в 65-70 м за лавой. При этом максимум напряжений находится в 7-8 м от краевой части угольного пласта, а зона для благоприятною расположения подготовительных выработок составляет 4-5 м.

При исследовании устойчивости подготовительных выработок, располагаемых вприсечку к выработанному пространству, кровли угольных пластов отнесены к трем типам:

I тип. Толща представлена преимущественно мощными слоями монолитных крепких песчаников (hai *» 10-15 м, <?<■, -500 кгс/см2).

II тип. Покрывающая толща сложена перемежающими слоями. песчаников, аргиллитов и алевролитов. Песчаники по мощности и прочностным свойствам мало отличаются от других пород (а„ = 300-500 кгс/см2, hcn ™ 5-10 м).

III тип. Покрывающая толща сложена породами слабыми и средней крепости (а„ = 200-300 кгс/см2) и представляет собой сильно расслоенную среду (Ьсл™1-3 м).

С целью изучения состояния выработок, пройденных вприсечку к выработанному пространству или вблизи него в зависимости от типа покрывающей толщи пород, были проведены инструментальные наблюдения за смещением кровли-почвы в подготовительных выработках шахт "Шахтинская", "Степная" и им. Ленина.

В результате анализа шахтных наблюдений установлено, что 117]:

- при покрывающей толще пород I и II типа выемочные выработки следует проводить вприсечку к выработанному пространству или с оставлением целика угля не более 2-3 м при условии его предварительной обработки антинирогенами (на пластах, склонных к самовозгоранию);

- в случае покрывающей толщи III типа выемочные выработки целесообразно проводить с оставлением межстолбового целика угля шириной 3-5 м.

Исследования геомеханического состояния подработанных пород кровли и пластов проводились при повторной разработке угольных пачек пласта Кю на шахте "Дубовская" (Саранский участок) и пласта Кг на шахте им. К. Горбачева (Промышленный участок).

Проведенные исследования показали, что применение серийного комплекса 1МКМ для извлечения обрушенных угольных пачек мощных пластов возможно, однако гидравлическая схема крепи должна быть изменена так, чтобы сделать активно управляемым ее козырек. Переход комплексом оставленного угольного целика не является осложняющим фактором.

На шахте им. К. Горбачева при отработке выемочного столба изучался характер взаимодействия механизированной крепи с вмещающими породами при работе механизированного комплекса одновременно в различных геомеханических условиях (ранге отработанное пространство - угольный массив).

В таких условиях для отработки целесообразно использовать крепи оградительного и оградительно-поддерживающего типа. Необходимым конструктивным элементом здесь должно бнть наличие выдвижного козырька с обязательным условием активного управления всей этой системой.

Особенностью отработки подработанных пластов являются изменяющиеся геомеханические условия горного массива даже в пределах одного выемочного столба. Отработка мощных пластов осуществлялась, как правило, 15 и более лет назад в период существования широкозахватной выемочной техники и буро-взрывного способа. Длина лав составляла 250-350 м, длина выемочных столбов, за редким исключением, не превышала 500-600 м. Ограничивающими длину выемочного столба были и такие геологические нарушения, которые при современных средствах механизации являются переходными. Кроме того, для охраны откаточных и вентиляционных штреков оставлялись целики угля шириной 25-40 м. Главные выработки (штреки) проводились, как правило, по гипсометрии пласта.

Извлечение оставленных угольных пачек мощных пластов и подработанных пластов стало возможным только при применении механизированных комплексов с высоким коэффициентом затяжки кровли. Однако по технической характеристике длина лав, оборудованных механизированными комплексами типа МК, ОКП, не превышает 120 м, КМ81, КМ 130 -150. Рациональная длина выемочного столба находится п

пределах 900-1208 м. Следовательно, для эффективного использования угольных пачек и подработанных пластов длина выемочного столба должна быть не менее 900 м, иметь строго прямолинейную форму.

При этом раскройка шахтного поля и нарезка выемочных столбов уже не могут быть увязаны с прежними горными работами, а это ведет к тому, что даже в пределах одного выемочного столба необходимо проведение и поддержание подготовительных выработок в различных геомеханических условиях горного массива.

Исследование устойчивости подготовительных выработок производилось при отработке оставленных угольных пластов Кю на шахте "Дубовская" (Саранский участок) и пласта Кг на шахте им. К. Горбачева (Промышленный участок).

Проведенными наблюдениями за устойчивостью подготовительных выработок, пройденных в изменяющихся геомеханических условиях горного массива при извлечении оставленных угольных пачек мощных пластов, установлено [17]:

- в условиях длительного разрыва во времени (15-30 лет) между первичной отработкой мощного пласта и отработкой оставленных угольных пачек изменяющиеся геомеханические условия (зоны перехода из угольного массива в отработанное пространство и наоборот, оставленные целики) не оказывают существенного влияния на устойчивость подготовительных выработок, закрепленных арочной металлической крепью плотностью 1,33 рамы на 1 п.м., обеспечивается безремонтное их поддержание в течение всего периода эксплуатации,'

- при креплении таких участков выработки деревянной крепью плотностью 2 рамы на 1 п.м. сближение кровли-почвы, как правило, превышает ее предельную несущую способность. Плотность деревянной крепи здесь должна быть не менее 4 рам на 1 п.м. с установкой одного или двух рядов продольных прогонов. В этом случае обеспечивается безремонтное поддержание выработки на весь период эксплуатации.

Для определения рационального места заложения подготовительных выработок в подработанных пластах разработана методика, основанная на определении наклона прослойков или пропластков в зоне изгиба над границей угольного целика по ранее отработанному слою или пласту. Наклон прослойков или пропластков может определяться в специальной разведочной выработке или другой выработке, пройденной по подработанной угольной пачке или пласту. При этом наклон прослойков или пропластков в зоне изгиба, как показали замеры, существенно отличается от наклона на целике и на участке полных сдвижений горных пород, где он определяется первоначальным углом залегания.

Рациональным для заложения подготовительных выработок следует считать участок подработанного пласта, непосредствен-

но примыкающий к зоне изгиба со стороны выработанного пространства [171.

На основе результатов аналитических и шахтных исследований разработаны варианты технологических схем очистных работ для выемки подработанных пластов в широком диапазоне горно-геологических условий, рис. 3. [17].

При этом технологическая схема очистных работ рассматривается как упорядоченная локальная система, предназначенная для выполнения определенных технологических функций и состоящая из отдельных конструктивных элементов. Нами выделены следующие конструктивные элементы:

Очистные забои - Ш

По направлению движения очистного забоя относительно линии падения пласта можно выделите следующие варианты:

Н1 - по падению;

На - по восстанию;

Нз - по простиранию;

Н4 - диагонально.

Очистной комплекс - К1

Для разработки подработанных пластов предполагается применение существующих очистных комплексов с механизированными крепями. Для весьма ограниченного по размерам поля могут быть применены и индивидуальные крепи. При этом могут быть следующие варианты:

К1 - комплекс с крепями оградительного типа;

Кг - комплекс с крепями оградительно-поддерживающего типа;

Кз- комплекс с крепями поддерживающе-оградителыгого типа;

К4 - комплекс с крепями поддерживающего типа;

К5 - комплекс с индивидуальными крепями.

Существующие горные выработки - П

Возможность использования существующих горных выработок для разработки подработанных ранее пластов и оставленных как потери, имеет весьма важное значение с точки зрения существенного сокращения расходов на их проведение. Здесь в основном имеются в виду выработки, обслуживающие выемочное поле или горизонты. Можно выделить следующие варианты использования существующих горных выработок в качестве транспортно-вентиляционных коммуникаций:

Г1 - существующие выработки используются полностью и, соответственно, выработки со стоимостью 2 К| не проводятся;

Гг- существующие выработки используются частично и , соответственно, выработки со стоимостью 2! Кг не проводятся;

Гз - существующие выработки не могут быть использованы и, ответственно, потребуются дополнительные расходы на проведение этих выработок со стоимостью 2Кз.

Проведение и поддержание транспортно-вентиляционных выработок, примыкающих непосредственно к очистному забою - Iii

Необходимость проведения этих выработок возникает во всех случаях разработки подработанных пластов, так как существующие выработки не могут быть использованы для этих целей.

В связи с этим в данном случае возникает вопрос рационального расположения этих выработок в условиях подработанного массива и пласта в целях обеспечения минимальных затрат на проведение р поддержание транспор-тно-вентиляционных функций. При этом могут быть следующие варианты места расположения нарезных выработок;

Ш - в зоне обрушенного массива вне зоны концентрации напряжений;

Пг - в зонах с изменяющимися геомеханическими условиями;

Пз - на границе зон концентрации напряжений;

Щ - в зоне концентрации напряжений.

Выбор места расположения нарезных выработок может быть осуществлен на базе опыта разработки подработанных пластов и тех специальных исследований, которые приведены в разделе 3 настоящей работы. Принятый нами метод локальной оптимизации конструктивных элементов и синтез из них технологических схем обеспечивает суммарный локальный оптимум, но не глобальный. Поэтому технологическая схема, синтезированная из отдельных элементов, должна обеспечивать минимум суммарных затрат при соответствующих ограничениях, т.е.

п m г

Q - 2 Z L<aij + bjj S„) ß44 ± 2 К, + цт^ • (2) i» 1 j= 1

>- (4nj + q2ii • ^) P.jUjHij + + 20J Xt/ „ min

Ограничения:

Добыча угля

-I Си

-|Карагандинская|

-г Киро|см*

Горбачева

ахановская

-I Майская

им.50-л«тия

Октябрьской

р«»9ПЮЦИИ

-|«м.Т.Куэембееа^ \ Сокурская |

^ Саранская -| Актасскаа

-{ им.50-лет СССР] им.Байжаяова ]

Шерубай-Нуримская

им. К а/ж ми на

Казахстанская

им. В. И. Л« мина

Шахтинская

Молодежный

Шубаркольский

Хозрасчетный участок открытых работ

Обо га щенка угля

ЦОФ Карагандинская

-(ГОФ Саранска«

ЦОФ

-| Сабур

|ОФ Байтамская

4 ЦОФ Воствчяа»

Куу-Чакичсжи* |

технически обслуживание добычи

Обогатительные фабрики

Эшрготвд

УСШМД

Управление технического кокгроля

ЗА80ДЫ

Механический ивод по ремонту

гшо

-{ З.еод НОММ

-{ Эевод РГТО

I Спедоедприятив ( | Угпееерввс I

I Отдел по гммпм \ че<ю» рщея*» 1

Г ПОП Кярегемд*?-

' . .

Коммерческие услуги

Управление Углесбыт

Транспортныа услуги

ПО Автотранспортное предприятие

Карага и д инское ПТУ

Нурииское ПТУ Специалиаиро-аанное ДТП

Капитальное строительство

Информационное обслуживание

Трест Каруг пестрой Управпенна

Шахтострой Проектная контора

ИРЦ

-|центр подготовки|

Управление ■оенизиромнно*

охраны

Рис 1. Рекомендуемая организационно-управленческая структура предприятий ГП-АО "Карагандашахтуголь"

-¿•10

ь-%

■с с:

^ 8

I-

%

от ё 6

• о

сз

£ ■

У/

•г Юр ¿7.5

55.0 у—

з=

и-|

5*5

^»7.65 е0063'1

^Ч4,38е-°:00931

10*1*70

•е^олзобЬ0,5338

Зонл АКТИВНОГО С ДВИЖЕНИИ ПОРОД,

10 20 30 40 50 60

РА^ТОЯНМЕ ДО ЛАЖ л/1 , м

70

Рис. 2. Изменение напряженного состояния угольного массива в зависимости от расстояния до лавы № 1.

1) интенсивность прироста давления;

2) максимальные напряжения;

3) минимальные напряжения.

Рис 36. Раскройка пласта Кю для повторной отработки.

Рис. 4. Блок-схема алгоритма выбора технологических схем очистных работ для выемки подработанных пластов.

Схема подготовки и отработки

I I

/ ■

>4

Рис. 5а. Технологическая схема выемки целиков тупиковым очистным забоем.

Рис. 56. Технологическая схема выемки целиков при системе разработки без предварительной нарезки столбов.

Рис. 6. Схема вскрытия пластов К12 и Кю шахтой им. Горбачева: 1) клетевой ствол; 2) скиповой ствол; 3, 4, 5 - фланговые вентиляционные стволы.

Рис. 7. Схема для определения параметров расположения скважин гидрорасчленения

с, 7.

Рис. 8. Характер изменения газовыделения в скважину (концентрация метана в извлекаемой смеси)

1 - огибающая зависимости концентрации потока от подвигания очистного забоя.

2 - первая гармоника периодического процесса.

3 - характеристика изменения газовыделения в скважину.

Aj г Апл- добыча по варианту должна быть не менее плановой (Апл.)

Aj Zj 5 Апл, 2пл- зольность по ^ варианту должна бш ь не более плановой (Zrlл.)

С; 5 Суч,- общие участковые затраты по \ варианту должны быть менее допустимой участковой (Суч.)

2 = 1- альтернативность вариантов, где а^ • Ь,,- стоимостные коэффициенты по 1 выработке по ) варианту;

I - индекс выработки, 1=1,2..., п;

j - варианты, '¡=1,2..., т;

р- коэффициент, учитывающий услуги вспомогательных цехов;

1 - длина выработки;

2 Кк- затраты на проведение выработок по . вскрытию и подготовке выемочного поля;

г, т, ку - соответственно: стоимость поддержания 1 м3 выработки, мощность пласта, коэффициент устойчивости пород;

ql, стоимостные коээфициенты по транспорту;

Р - производительность пласта, т/м2;

Ь - длина лавы, м;

Н - длина столба, м;

а - аэродинамический коэффициент;

С - коэффициент, учитывающий форму выработки;

Я - количество воздуха, м3/сек;

1 - срок службы выработки, лет;

Б - сечение выработки в свету, м2;

2 0Г суммарные затраты на очистные работы, руб.

Суммарные затраты по ] сети выработок, зависящие от

сечения выработки, определяются из выражения:

п «■ 2 i- 1

236ог,СД(ч? у ti

(ai + biSi) Ii + Гц mSiKyliti +---j-,

Ol'

• min (3)

При этом оптимальное сечение выработок должно удовлетворять условию:

Sii Ä Sor 2: Sib ,

где Sib, Sit - минимальные допустимые сечения по условиям соблюдения ПБ по скорости движения воздуха п размещению транспортного оборудования.

На основании приведенных методических положений разработана укрупненная блок-схема выбора технологических схем очистных работ для выемки подработанных пластов (рис. 4).

Пример результатов реализации алгоритма для ш. "Дубов-ская" представлен в табл. 3.

Таблица 3

Технологические схемы и их параметры для повторной отработки пластов К и, К ю и разработки подработанного пласта Кз

Наименование параметров Для отработки оставленных пачек пластов Для разработки подработанного пласта Кз

К» Кю

1 г 3 4

1. Направление движения очистного забоя по простиранию по простиранию по простиранию

2. Очистной комплекс 20КП70 40КП70 1МКМ

3. Использование сущес гвующих горных выработок в качестве транспортно-вентиляционной . коммуникации конвейерный уклон пл. Кю людской ходок. Все выработки 2-го горизонта 1-й восточ. откаточный штрек, людской ходок и вентиляционный бремсберг 3-й зап. отк. штрек пл. Кг

4. Расположение нарезных выработок . в изменяющихся геомехаиическпх условиях в изменяющихся геомеханических условиях в подработанном массиве

5. Длина лавы, м 120 110-120 70-75

6. Длина столба, м 600-800 1200-1500 600-800

7. "Нагрузка на очистной забой с учетом транспортно- 950 1050 1000

вентиляционных

сетей,т

Как уже отмечалось, для Карагандинского бассейна наряду с решением проблемы вовлечения в разработку законсервированных запасов под охранными обьъектами остро стоит вопрос отработки запасов в предохранительных и прочих целиках, где не требуется больших дополнительных затрат на их вскрытие и подготовку [14,15].

Вместе с тем разработка запасов в предохранительных и прочих целиках свяына со следующими обстоятельствами:

- участки имеют весьма ограниченные размеры, поэтому для их подготовки требуется проведение большого объема нарезных выработок на 1000 т добычи (в 2-3 раза больше, чем на обычных участках) и монтажно-демонтажных работ технологического оборудования;

- разработка этих участков при применении обычной технологии и средств комплексной механизации ведет к увеличению себестоимости угля в 1,3-1,5 раза;

- участки, как правило, либо находятся в зоне концентрации напряжений или в зоне разрушенных пород, в том и другом случае необходимо изыскать способы охраны подготовительных выработок.

Поэтому эффективность разработки предохранительных и прочих целиков в основном будет - зависеть от результатов изыскания новых технологических схем и средств механизации, которые обеспечили бы резкое снижение протяженности проводимых, поддерживаемых выработок и монтажно-демонтажных работ транспортно-выемочного оборудования. При этом желательно, чтобы новые технологические схемы и средства комплексной механизации компоновались бы из ранее проверенных в промышленных условиях базовых элементов и узлов [17].

Для различных горно-геологических условий разработаны и опробованы на . шахтах варианты технологических схем очистных работ при выемке локальных участков сложных угольных пластов, рис. 5. [17]:

Технологическая схема выемки целиков и локальных участков при системе разработки без предварительной нарезки столбов (вариант 1).

По данной технологической схеме предварительно проводится одна (конвейерная) выработка. При кровлях 1-го и 2-го типов выработка, как правило, проводится вприсечку к ранее отработанному пространству, а при кровлях 3-го типа - с оставлением 2- и 3-метрового целиков. Возведение второй (вентиляционной) выработки ведётся и процессе очистных работ креплением верхней части лавы.

В основу технологической схемц положены технические решения, принятые при разработке технологических схем разработки пологого пласта полосами по восстанию (падению) без предварительной нарезки полос и технологических схем бесцеликовой разработки с повторным использованием выработок.

Технологическая схема выемки целиков тупиковым очистным забоем (вариант 2).

Технологическая схема осноаана на применении схемы подготовки без проведения вентиляционной выработки и на работе очистного забоя на одну выработку. Схема пригодна для отработки целиков и локальных участков пластов, не содержащих газа или полностью дренированных ранее. Очистной забой длиной 20-40 м проветривается как тупиковая выработка.

Технологическая схема селективной выемки с оставлением породы в шахте для закладки (вариант 3).

Данная технологическая схема может быть использована при отработке целиков и локальных участков с угольными пластами сложного строения (наличие в пласте породного прослойка 20-30 см).

Оборудование участка включает секции крепи М130 или ОКП70, очистной комбайн типа ГШ или выемочную машину избирательного действия ВМФ, скребковый угловой конвейер с консольными скребками типа СКУ45 с вынесенным приводным барабаном, штрековый конвейер, закладочный комплекс, состоящий из трубопровода, дробилки и воздуходувки закладочного комплекса "Титан-1" или других типов. Длина лавы составляет. 20-40 м.

Технологическая схема4 выемки целиков и локальных участков с переводом комплекса (вариант 4).

Особенностью технологической схемы является многократное безмонтажное использование одного и того же комплекса при отработке большого выемочного поля. Отдельные локальные выемочные. участки могут иметь размеры, не пригодные для применения обычных комплексов. В этом -случае перевод комплекса в новую разрезную печь можно обеспечить с использованием подтягивающей лебедки по специалышм продольным направляющим, установленным по почве пласта в лаве. Однако этот способ является очень трудоемким и продолжительным. Наиболее рациональной можно считать схему перевода комплекса с конструкцией крепи двустороннего перемещения, позволяющей переводить секции крепи в новую лаву без их разворота.

Основные показатели и горно-геологические условия применения рассмотренных технологических схем приведены в таблице 4.

Таблица 4

Наименование показателей и условий Варианты технологических схем

1 2 3 4

Вынимаемая мощность пласта, м ' 1,9-3,5 1,9-4,0 1,9-4,0 1,9-3,5

Угол падения пласта, град.

при работе по простиранию 35 35 35 35

при работе по падению 10 10 10 109

Длина лавы, м 20-40 20-40 20-40 20-40

Суточная добыча, т 500-800 300-800 500-800 500-800

Характеристика кровли: непосредстьенной ниже сред- неустой-ней чивая устойчивост включи-и тельно неустойчивая включительно неустойчивая включительно

основной средней обрушае- мости средней обрушае- мости труднооб-рушаемая включительно средней об-рушаемости

Газообильность любая негазовая любая любая

В предохранительных и охранных целиках сосредоточены значительные запасы угля, пригодного к выемке. Только по пласту "Верхняя Марианна" на Промышленном участке Карагандинского бассейна на полях отработанных и ныне действующих шахт в целиках различного назначения заключено более 75 млн. тонн угля, в том числе более 40 млн. тонь в околоштрековых целиках.

Околоштрековые целики на шахтах имеют размеры шириной 30...50 м (в отдельных случаях и более) и длиною 1000 м и более. Мощность целиков в большинстве случаев соответствует полной мощности пласта, т.е. равна 7-8 м.

Извлечение хотя бы части этих запасов позволит существенно продлить срок службы действующих шахт, особенно на Промышленном участке.

Опыт отработки оставленных целиков угля на ш. им. Костенко, им. 50-летия Октябрьской революции, "Кировская" показал, что для эффективной разработки запасов необходимо создание специального оборудования или существенная модернизация имеющегося.

Накопленный в Карагандинском бассейне некоторый опыт извлечения оставленных угольных пачек мощных пластов, а также результаты проведенных исследований устойчивости подготовительных выработок и работы механизированных комплексов в изменяющихся гсомеханических условиях горного массива позволяют положительно рассматривать вопрос вовле-

• чения в разработку оставленных запасов на полях погашенных шахт Промышленного участка [7 ].

Общая протяженность полей 10-ти погашенных шахт по простиранию составляет 9-9,5 км, по падению - 1,9-2,8 км. Горно-геологические условия залегания пластов и оставленных угольных пачек характеризуются простой гипсометрией, небольшими углами падения (6-14°), малой тектонической нарушенностью, отсутствием внезапных выбросов угля и газа и малой (до 5 м /т) газоносностью. Глубина разработки не превышает 390 м.

На полях десяти погашенных шахт Промышленного участка Карагандинского бассейна в целиках различного рода и в угольных пачках на площади очистных работ мощных пластов Кю и К12 сосредоточено около 200 млн. т оставленных запасов. Имеющийся в бассейне опыт указывает на принципиальную возможность извлечения оставленных запасов существующими средствами механизации. Изменяющиеся геомеханические условия, неизбежно имеющие место при извлечении оставленных запасов, не оказывают существенного влияния на устойчивость подготовительных выработок, закрепленных арочной металлической крепыо плотностью 1,33 рамы на 1 п.м.

В перспективе бассейн будет испытывать дефицит коксующихся углей марки К, в то же время разработка подземным способом высокозольных энергетических углей явно будет неэффективна. Поэтому намечается строительство шахты "Саранская-глубокая" (марка К) и закрытие шахт Промышленного участка, добывающих энергетические угли. В этих условиях разделение ранее отработанных пластов К12 и Кю Промышленного участка для повторной разработки на три выемочные поля с подключением их к действующим шахтам "Северная", "Кировская" и им. К.Горбачева как дополнительные участки, очевидно, будет экономически не выгодно. Поэтому целесообразно шахту "Северная" полностью переключить на повторную разработку пластов К12 и Кю мощностью около 900 тыс. т в год, а выемочные поля, предназначенные для шахт "Кировская" и им. Горбачева, полностью передать шахте им. Горбачева. Тогда шахта им. Горбачева, после отработки своих запасов до горизонта +100, легко может вскрыть с действующих вертикальных стволов запасы пластов К12 и Кю для повторной их разработки (рис. 6). При этом проектная мощность шахты при повторной отработке пластов К12 и Кю может быть установлена 1800т2100 тыс. т в год.

Выполненный комплекс' исследований и разработанные технико-технологические решения являются теоретической и практической базой эффективной деятельности шахт Карагандинского бассейна в новых условиях хозяйственных, структурных и организационно-экономических отношений.

4. Разработка эффективных способов дегазации участков газообильных угольных пластов и промышленного использования шахтного метана

Одно из основных требований реструктуризации шахтного фонда - концентрация торных работ на освоенных участках шахтных полей с максимальной их интенсификацией. Высокая газообнльность Карагандинского бассейна при резком снижении возможностей развития горных работ на новых полях или на новых угольных пластах предопределила дегазацию как необходимое условие .эффективной и безопасной разработки действующих горизонтов шахт. При этом новым требованием к дегазации является условие получения кондиционного газа, пригодного для прямого промышленного использования..

Из 21 действующей шахты бассейна на 20 применяется дегазация. С дегазацией работают 55% очистных и 40% подготовительных забоев. В 36 лавах для обеспечения нагрузки 1000 и более тонн в сутки применяются комплексные способы дегазации. Наиболее остро стоят вопросы повышения эффективности предварительной пластовой дегазации и дегазации барьерными скважинами при проведении подготовительных выработок.

Шахты Карагандинского угольного бассейна имеют значительный опыт применения различных способов дегазации и, в частности, использования газа дегазационных систем для утилизации. Показатели функционирования наиболее перспективных способов приведены в табл. 5. •

Таблица 5

Параметры извлекаемой метановоздушной смеси при различных способах дегазации

Способ дегазации Параметры (средние) Период функционирования, мес. Доля кондиционной смеси, %

дебит метана, м/3мин. концентрация метана, %

Пластопые скважины (п-20-25) 6,1 30,6 6-24 38,4

Вертикальные скважины с поверхности в купола обрушеш.я 7,3 38,1 2-70 67.2

Подземные скважины в купола обрушения (куст) 3,6 21,4 .2-10 20.5

Барьерные скважины (группа) 1,2 27,8 2-6 36.6

Пласточые скважины в зонах гидрорасчленения (п-20-25) 8,2 38,7 10-36 58.8

На локальных участках шахтных полей при ограниченных сроках дегазации наиболее эффективны вертикальные скважины в купола обрушения и пластовые скважины в зонах гидрорасчленения [19].

Заблаговременная дегазация угольных пластов и вмещающих пород методом гидрорасчленения угольных пластов через скважины, пробуренные с поверхности и его разновидности с точки зрения совместимости с подземными работами и получения высококачественного газа (95-98% метана) не имеет аналогов. Однако из-за больших капитальных затрат на сооружение скважин и их обработку и низких дебитов газа он не нашел широкого применения в нашей стране, хотя за рубежом область его использования постоянно расширяется (США, Польша, Китай) [19].

В современных условиях шахт Карагандинского бассейна наиболее перспективно сочетание скважик гидрорасчленения с пластовыми скважинами. На шахтах им. Костенко, им. 50-летия Октябрьской революции, "Саранская", "Стахановская" осуществлялся широкомасштабный комплекс экспериментов по отработке и освоению этого комплексного способа дегазации, разработана технологическая схема и методика определения ее параметров [7,10]:

Основными параметрами технологии гидрорасчленения в сочетании с пластовыми скважинами являются:

расстояние от разрезной печи до первой скважины гидрорасчленения (параметр А на рис. 7);

расстояние от оси скважин гидрорасчленения до ближайшей пластовой выработки (параметр Б);

расстояние между скважинами гидрорасчленения (параметр

В).

. С целью обеспечения равномерности обработки подготавливаемого участка угольного пласта величину Б принимают равной половине длины лавы Ьд, т.е.

В = 0,5 • Ьл,м (4)

Зоны гидрорасчленения представляют собой эллипсы с большим радиусом Ил и малым Яг=0.7 Их, тогда расстояние А определяется из выражения

А - 0,35 и, м (5)

Расстояние между скважинами гидрорасчленения выбирается таким образом, чтобы обеспечивалось перекрытие зон обработки. . . Параметр В определяется как

1 + 0.615 1п(С08у> + 1) В = 0,91« -_ ,, .,--—, м

1 + 0.6151п(соз,р + 1)

где ч>- угол, определяемый по формуле

(р = \а - у\ (6)

а - азимут направления пластовых выработок, град;

у - азимут простирания наиболее гидропроводной системы трещин, град.

Расстояние между пластовыми скважинами зависит от планируемого съема газа пластовыми скважинами в зонах шдрорасчленения, времени дегазации и величины коэффициента интенсификации продуктивности пластовых скважин.

Для повышения эффективности извлечения газа из пласта в зонах гидрорасчленения пластовые скважины бурятся вкрест азимуту простирания наиболее гидропроводной системы трещин. Тогда направление бурения скважин определяется, как

= 90 + у, а длина дегазационных скважин будет равна

М (7)

где Ь - дегазируемая высота этажа, м.

При <р > 15°дегазационные скважины бурят параллельно линии очистного забоя, а длина их определяется как при обычной пластовой дегазации.

Объем закачиваемой жидкости определяется по формуле:

<3 = 0.02шЯ|ф (Ки + 1) V"м3 (8)

где Яэф - эффективный радиус скважины гидрорасчленения,

м;

= . ,М (9)

- коэффициент интенсификации продуктивности пластовых скважин

Ки = Яг/до (Ю)

Я2, 40 - съем метана через пластовые скважины соответственно в зоне и вне зоны гидрорасчленешы, м /т.

Величина q2 задается исходя из требуемого коэффициента эффективности дегазации пласта Кдег. пл и срока дегазации %2.

Величина ио определяется по формуле:

Ч о' Ь' 2Мг 1/

-д-,м/т- (И)

где А - дегазируемые запасы угля, т.

Значение параметров д0' ¿'определяется экспериментально.

Если освоение скважин гидрорасчленения не предусматривается, то Кос=0,03-0,04.

з

Максимальный темп закачки Яшах, (м /с) определяется из выражений:

Иэф- 86 ,— к • т • т0б „ Чтах = -р-V -о- ,при Яэфг 100 м (12)

КэФ I— я • т • т0б Чтах = "52 * -о- .при кэф< 100 м (13)

где тоб - общая пористость угольного пласта, доли ед.

Технологическая схема комплексной дегазации апробирована на 6 выемочных участках и при сроке эксплуатации до 1,5 лет показала эффективность дегазации 0,45-0,82. [19].

Дегазация вертикальными скважинами в куполе обрушения имеет значительное распространение на шахтах, однако обладает определенной спецификой в условиях Карагандинского бассейна. Высокая угленасыщенность при смешанном порядке отработки угольных пластов потребовала уточнения параметра способа - местонахождения фильтрующей части скважины. Этот параметр также важен для получения кондиционного газа [19].

Для установления координаты фильтрующей части скважины в вертикальной плоскости выполнен спектральный анализ результатов наблюдений за газовыделением в вертикальные скважины на 14 шахтах бассейна [19].

Установлено, что сдвижение горных пород распространяется снизу вверх в виде некоторой волны. Скорость смещения пород из различных глубин зависит от их физико-механических свойств и вынимаемой мощности разрабатываемого пласта.

В процессе сдвижения горных пород происходит изменение газонасыщенного состояния разгруженного массива. Наиболее характерная ситуация при отработке свит пологих пластов заключается в следующем. Сверху над разрабатываемым пластом залегают сближенные пласты нерабочей мощности, газоносные породы, рассеянное углистое вещество. Газовыделение из этих пород может быть 'заменено эквивалентным газовыделением из некоторого подрабатываемого пласта. Выше находится отработанный пласт. Скважина для извлечения метана пробурена с поверхности до кровли разрабатываемого пласта: Размер фильтрующей части скважины (Ьф) выбирается из условия приема метана, выделяющегося из оставленных в выработанном пространстве пачек угля, сближенных пластов и газоносных пород.

В области, включающей разрабатываемый пласт, подрабатываемые сближенные пласты и газоносные породы и отработанный вышележащий' пласт', выделено три участка. На участке III газовыделение в скважину определяется выработанным пространством, на участке II газовыделение определяется подрабатываемым пластом, на участке I т отработанным

пластом. В любой момент времени дебит газа из скважины формируется следующим образом:

Qckd = qm + Ч2С1Г4 + Q3B + Q3CH4 (14)

где qCKB - приток газа из отработанного пласта, м3/мин

q2CH4 - приток метана из подработанного пласта, м3/мин;

ЧЗВ -приток воздуха из выработанного пространства, м мин;

Q3CH4 - приток метана из выработанього пространства, м3/мин.

Газовыделение из сближенного пласта:

qcn = q ' + q " + q"1 (15)

где q 1, q " , q 1,1 - соответственно газовыделение в зону I, И, III.

Газовыделение в скважину из выработанного пространства: q3CH4 = qaClt) + q^Cm (16)

где q3CH4 - газовыделение из оставленных в выработанном пространстве пачек угля;

q"cH4 - газовыделение из подработанного пласта, поступающее в скважину через выработанное пространство.

В общем случае характер изменения газовыделения в скважину представлен на рис.8. В зависимости (C(L)) выделена огибающая кривая I и первая гармоника 2.

При разгрузке массива (Lo) метан поступает в скважину из оставшихся пачек угля в выработанном пространстве и подработанного пласта. На начальном участке (Lo-Li) происходит нарастание концентрации метана в извлекаемой смеси за счет увеличения размеров разгруженной области массива, из которой метан движется к скважине. При этом также снижаются подсосы воздуха из очистного забоя. В дальнейшем происходит снижение концентрации метана за счет снижения давления газа в разгруженном массиве, а также снижение газопроницаемости массива в прискважинной зоне.

Следовательно, скважина эффективно работает на участке (Lo Li). При h > h2 целесообразно для обеспечения эффективного управления газовыделением и извлечения метана вводить в работу новую скважину.

Изменение газовыделения в результате развития раз1рузки массива в горизонтальной плоскости в направлении подвигания очистного забоя описывается зависимостью 1, имеющий вид:

Ci = АГ13^2) (17)

Развитие процесса в вертикальной плоскости в направлении от разрабатываемого пласта к поверхности приводит к изменению газовыделения согласно зависимости:

С=С'со Бт-Ь (18)

Ьд

ще - А, В, С1 - коэффициенты;

Ь - период изменения концентрации метана, м.

Изменение концентрации метана в извлекаемом скважиной газе определяется зависимостью:

о

С= Ае~в + С^соэт-Ь; (19)

Ьп

Изложенное позволяет сделать вывод, что скважина эффективно работает по извлечению метана в периоды, когда максимально разгружена область массива II.

Определим размеры выделенных зон в области разгруженного массива:

1 - (20)

»03

ще I - текущее время работы очистного забоя, сут;

У0з - скорость подвигания очистного забоя, м/сут.

Скорость развития сдвижения массива в вертикальной плоскости:

У--^ 0«

где Ь'огр - расстояние от кровли разрабатываемого пласта до отработанного пласта, м;

Ьз - расстояние между скважиной и линией очистного забоя, при котором наблюдается • первый минимум концентрации метана в извлекаемой смеси, м.

Решая систему уравнений (17-21), находим координату расположения фильтрующей части скважины, при которой будуг обеспечены требуемый дебит газа и содержание в нем метана.

На шахтах Карагандинского бассейна прошли испытание и освоены технологии сжигания метана в котельных и получение электроэнергии. Применение предложенных способов дегазации с установленными для • конкретных условий параметрами обеспечивает существующее.оборудование высококачественным газом, а также позволяет задействовать программу промышленной утилизации шахтного метана,'что существенно улучшит экономические показатели добычи угля [19].

5. Обоснование направлений диверсификации

основного производства как составляющей эффективности структурных преобразований шахтного фонда и комплексного использования его производственного потенциала.

Необходимость диверсификации производства в угольной отрасти Карагандинской области связана со следующими обстоятельствами [18]:

- в связи со структурным' преобразованием шахтного фонда и закрытием отдельных шахт ожидается значительное сокращение рабочих мест;

- улучшение экономических показателей, в первую очередь повышение производительности труда рабочих по добыче угля, невозможно осуществить без сокращения трудоемкости отдельных процессов, что также связано с сокращением рабочих мест.

При определении основных направлений диверсификации производства в угольной отрасли были учтены следующие определяющие факторы: новое производство должно базироваться на местных сырьевых ресурсах, преимущественно на отходах и попугных компонентах угольной отрасли; не должно, быть капиталоемким и окупаться в течение 2-3-х лет; продукция должна представлять потребительский товар, имеющий большой спрос как на внутреннем, так и на внешнем рынках; не должно быть ориентировано на привлечение рабочих и инженерно-технических работников высокой квалификации, на подготовку которых требуется длительное (более 2-3-х лет) обучение; должно быть экологически чистым.

В соответствии с этими направлениями нами рассмотрено большое количество различных производств и услуг, и рекомендованы следующие: производство газа метана для бытогых и ■ промышленных нужд, производство спецкокса и коксохимическое производство, производство стройматериалов, производство брикетов, производство электроэнергии и тепла и др. [18,20].

Карагандинский бассейн располагает огромным запасом газа метана. По предварительным данным, он составляет до глубины 1800 м и более - 1,5 трл.м . Ежегодная потребность в метане для бытовых и промышленных нужд области составляет около 500 млн. мЗ. Такое количество метана можно получить известными и проверенными на практике способами [2,3,5,6,7,10,15,18,19] на действующих ныне шахтных полях и на полях глубоких горизонтов Саранского и Промышленного участков. Предложения о возможности и экономической эффективности добычи газа метана, переработки и использования его для бытовых и промышленных нужд обоснованы [15,19,20] и приняты в региональной программе "Сары-Арка".

Казахстан располагает огромными запасами углей различных марок. Но запасы коксующихся углей весьма ограничены. Поэтому бережное и рациональное использование их представляет актуальную задачу для республики.

Потребность в специальном коксе на металлургических и химических предприятиях Республики Казахстан составляет более 2 млн. т в год. Ранее эта потребность удовлетворялась за счет привозного высокозольного ангарского или черемхов-ского полукокса. Химический состав золы минеральной части углей Черемховского месторождения, из которых получают ангарский полукокс, идентичен угольным пластам Кз, Кг, Кл Карагандинского бассейна.

Как показывают исследования [15,20], требования специфики электротермических отраслей промышленности для производства ферросплавов и фосфора вполне удовлетворяет спецкокс, изготовленный на базе углей пластов Кь Кг, Кз.

На угольных шахтах и обогатительных фабриках Караганды ежегодно складируется около 4,0 млн. т породы и отходов обогащения. Эти отходы представляют эффективное сырье для производства строительных материалов [18].

Установлено, что при наличии 11-23% А1гОз в отходах углеобогащения и шахтных пород они пригодны для кирпичного производства и других строительных материалов. Исследованиями ВУХИН и ВНИИстром показана возможность получения из отходов ОФ керамических стеновых изделий и аглопорита, а из шахтных пород с содержанием горючих материалов около 20-30% - "карагандита" - высокопрочного строительного материала.

. 6. Технолого-экономическое моделирование стратегии развития шахт

В целях оперативного выбора оптимальной стратегии развития шахты и ее подсистем разработана технолого-эконо-мическая модель, отличающаяся высокой идентификацией фактического их состояния и чувствительности к колебаниям потребительского спроса на угольную продукцию в условиях рыночных отношений, что позволяет, кроме основного ее назначения, выбрать рациональную тактику использования трудовых, материальных ресурсов [15, 17, 20]. Доход шахты определяется по формуле:

п т

Д = А[Ц - 2 2 (Ссу + Суц) ] - тах, (22)

< I }

где А - объем угольной продукции, т;

Ц - цена 1 т угольной продукции, тенге;

Ссу - слагаемая себестоимость угольной продукции по ¡-й подсистеме и по ]-му элементу, не реагирующая на изменение подсистемы, тенге;

Суд - слагаемая себестоимость угольной продукции по ¡-й подсистеме и по ]-му элементу, реагирующая на изменение подсистемы, тенге.

Для определения затрат на производство угольной продукции по отдельным подсистемам и элементам технолого-зконо-мическая модель представлена в виде двухмерной матрицы (табл.6), позволяющей фиксировать состояние фактических расходов и их изменение в зависимости от рассматриваемых технических или организационных решений.

По' каждому элементу матрицы разработаны расчетные зависимости, позволяющие с достаточной точностью вычислять его значение.

Таблица 6

т Матрицы полной себестоимости шахты

Участки, цеха СТАТЬИ ЗАТРАТ

Материалы и эл/энер-гия Зарплата и ' отчисления Амортизация Прочие денежные расходы Вне-произ-водст-венные расходы Себестоимость

1 2 3 4 5 6 7 8

Очистные работы 1 С1-1 С1-2 С1-3 С1-4 С1-5 С-6

Подготовит, работы 2 С2-1 С2-2 С 2-3 С2-4 С2-5 С2-6

РВУ 3 СЗ-1 СЗ-2 СЗ-З СЗ-4 СЗ-5 СЗ-б

ЕШТ 4 С4-1 С4-2 С4-3 С4-4 С4-5 С4-6

ВТБ 5 С5-1 С5-2 С5-3 С5-4 С5-5 С5-6

ПОДЪЕМ 6 С6-1 Сб-2 С6-3 Сб-4 С6-5 Сб-б

ЛАМПОВАЯ 7 С7-1 С7-2 С7-3 С7-4 С7-5 С7-6

ТЕХКОМПЛЕКС 8 С8-1 С8-2 С8-3 С8-4 С8-5 С8-6

Прочие участки 9 С9-1 . С9-2 С9-3 С9-4 С9-5 С9-6

Общая себестоимость 10 С10-1 С10-2 С10-3 С10-4 С10-5 С10-6

Предложенный метод построения технолого-экономической модели шахты учитывает наиболее важные факторы, определяющие параметры принимаемого решения, и позволяет решать следующие задачи:

1. Выбор оптимального варианта развития горных работ: - варианты вскрытия и подготовки выемочного поля;

- варианты вскрытия и подготовки отдельных пластов с различными марками угля и зольностью;

- варианты ввода отдельных пластов, имеющих различные марки и зольность;

- варианты оптимального сочетания различных марок углей при фиксированной добыче шахты;

- оптимальный объем проведения основных и вспомогательных выработок при постоянной добыче на шахте;

- необходимый объем добычи угля для обеспечения заданной рентабельности шахты;

- возможный объем добычи угля для обеспечения заданной рентабельности шахты:

- возможный объем капитальных вложений для развития горных работ (оборудования), выполняемых за счет реновации и фонда развития производства, и определение необходимой дотации;

- оптимальный календарный . план проведения горных выработок для воспроизводства линии очистных забоев при постоянной общешахтной нагрузке и допустимой рентабельности и др.

2. Задачи общешахтного характера:

- варианты сокращения трудоемкости отдельных процессов и возможные доходы (прибыль) и результаты;

- варианты привлечения ссудного капитала для расширения производства или сокращения трудоемкости отдельных процессов;

- варианты реализации продукции;

- варианты централизации или кооперации вспомогательного производства.

Разработана прикладная программа технолого-экономиче-ской модели шахты и реализована на шахтах бассейна (шахта им. Калинина, "50 . лет Октябрьской революции", "50 лет СССР", "Шахтинская" и др.), что позволило оперативно принимать оптимальные решения по дальнейшему их развитию.

Изложенные методические, технико-технологические и организационно-экономические решения получены лично автором или при его непосредственном участии. Их освоение шахтами в 1983-1996 гг. обеспечило получение значительного экономического эффекта по отдельным элементам подземных горных работ, а также составило основу стратегии и тактики развития Карагандинского угольного бассейна в период перехода и функционирования угольной отрасли на начальном этапе рыночных отношений в экономике [20].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации в виде научного доклада на основании выполненных исследований осуществлено новое решение крупной научной проблемы повышения эффективности использования производственных мощностей шахт на базе усовершенствования технологий разработки угольных пластов в сложных горно-геологических условиях и с некондиционными запасами, реструктуризации шахтного фонда и диверсификации производства, имеющей важное народно-хозяйственное значение для Республики Казахстан.

Наиболее существенные научные и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Рациональное соотношение спроса и добычи угля в Карагандинском угольном бассейне требует задействования от 50% до 75% существующих производственных мощностей при полном отсутствии государственных дотаций в отрасль. Учитывая то, что снижение добычи угля на созданных мощностях привело к резкому снижению показателей деятельности шахт, решение проблемы рационализации угольной отрасли Республики Казахстан заключается в глубоком структурном преобразовании шахтного фонда на основе совершенствования технологии разработки угольных пластов со сложными условиями залегания и некондиционными запасами, обеспечивающих существенное снижение требуемых инвестиций, а также эффективной диверсификации основного производства, стабилизирующей социальную обстановку в регионе и приводящей к комплексному использованию производственного потенциала.

2. Определение системы базовых шахт для эффективной реструктуризации шахтного фонда предложено осуществлять по динамическому индексу интенсификации производства, отражающему трудоемкость добычи угля по основным элементам и процессам шахты. Установлены значения индекса интенсификации производства, наиболее полно отражающего технический уровень шахт бассейна, и на их базе определена стратегия структурного преобразования шахтного фонда с образованием 11 административных единиц вместо 21 и с проектной мощностью 35-40 млн. т в год.

3. Некондиционные запасы угля существенно повышают георесурсы и производственный потенциал действующих шахт, и при использовании соответствующих технологий могут быть отработаны с минимальными затратами за счет использования существующей сети горных выработок, а также сниженными негативными проявлениями горного давления и газовыделения. При исследованиях установлено следующее:

- интенсивное формирование зоны предельных напряжений происходит в период обрушения основной кровли и заканчивается в 65-70 м за лавой. Максимум напряжений находится в 7-8 м от краевой части угольного пласта, а зона для благоприятного расположения выработок составляет 4-5 м;

- при отработке запасов локальных участков угольных пластов подготовительные выработки необходимо проводить как можно ближе к выработанному пространству. В зависимости от типа кровли размер целика изменяется от 0 до 5 м;

- определение рационального местозаложения подготовительных выработок в подработанных пластах базируется на определении наклона плоскости зоны изгиба над границей угольного целика. Для заложения подготовительных выработок рекомендуется участок подработанного пласта, непосредственно примыкающего к зоне изгиба со стороны выработанного пространства;

- отработка запасов ранее подработанных пластов и оставщихся пачек мощных пластов эффективна при использовании механизированной крепи с выдвигающимся козырьком.

4. Разработана методика и реализован алгоритм выбора вариантов технологической схемы очистных работ на подработанных пластах, учитывающие качественные параметры очистных работ, расположение существующих выработок, необходимость проведения новых выработок. Определенная по методике технологическая схема обеспечила на ш. "Дубовская" нагрузку на очистной забой по подработанному пласту свыше 1000 т/сут, при выемке оставшихся пачек угля - 1050 т/сут.

5. Разработаны и освоены шахтами технологические схемы и параметры разработки угольных пластов в сложных условиях и с некондиционными запасами, 'схемы отработки запасов подработанных пластов, выемка целиков тупиковым очистным забоем, а также выемка целиков без .монтажа-демонтажа комплекса.

6. Обоснованы решения по увеличению георесурсов шахт за счет вовлечения в разработку запасов погашенных шахт с использованием имеющейся сети горных выработок.

7. Установлено, что концентрация и интенсификация горных работ на действующих полях шахт Карагандинского бассейна требует применения эффективных и интенсивных способов дегазации. Обоснованы технологии интенсивной и надежной дегазации в условиях, ограниченного срока дегазации и имеющейся сети горных выработок. Разработаны технологические схемы, определены параметры и освоены шахтами способы дегазации вертикальными скважина с поверхности в купола обрушения и сочетание скважин гидрорасчленения и пластовых скважин. Достигнута эффективность дегазации 0,6-0,8,

метан из систем дегазации используется в промышленных масштабах.

8. Разработан и реализован комплекс решений но диверсификации основного производства на шахтах, способствующих повышению полноты использования их производственного потенциала, росту производительности труда за счет фактического снижения численности трудящихся, занятых в основном производстве, и снижению социальной напряженности в регионе за счет создания новых рабочих мест.

9. Предложено для эффективного планирования и управления шахтами использовать технолого-эконсмическую модель, индентифицированную к фактическому состоянию шахт и чувствительную к колебаниям потребительского спроса на угольную продукцию, что позволяет также выбрать рациональную тактику использования материальных, трудовых и георесурсов. Модель реализована в виде зависимости дохода шахты от слагающих элементов себестоимости по процессам и участкам шахты с учетом складывающейся цены на угольную продукцию. Модель использована при планировании развития шахт им. Калинина, им. 50-летия Октябрьской революции, им. 50-летия СССР, "Шахтинская".

10. Результаты научных исследований автора, разработанные технико-технологические и организационно-экономические решения составили объективную основу развития Карагандинского угольного бассейна п период перехода отрасли и функционирования ее на начальном этапе в условиях рынка.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Нефедов П.П., Гульницкий H.G., Ишутин И.В. и др. Опыт совершенствования и эффективного использования подземного транспорта на шахте им. Костенко ПО "Карагандау-голь" (Опыт работы подземного транспорта: Экспресс информ.) ЦНИЗИуголь. - М., 1982 - № 2.-С.11.

2. Нефедов П.П. Опыт совершенствования дегазации для обеспечения высокопроизводительной работы лав на мощных газоносных пластах //Основные направления создания способов управления состоянием угленосной толщи, техники и технологии горных работ на шахтах будущего, Тез. докл. Всесоюз. науч.-кон. вузов СССР с участием научн.- исслед. ин-тов/ М., МГИ., 1982 - с.2.

3. Нефедов П.П., Гуревич Ю.С. Выбор технологической схемы дегазации высокопроизводительного выемочного участка //Основные направления создания способов управления состоянием угленосной толщи, техники и технологии горных работ на шахтах будущего: Тез. докл. Всесоюз. науч.-кон. вузов СССР с участием науч.-исслед. ин-тов/ М., МГИ. 1982.-С.2.

4. Нефедов П.П. Опыт совершенствования технологии разработки угольных пластов для достижения среднемесячной нагрузки на лаву 1000 т. (шахта им. Костенко) //Добыча угля подземным способом: Научн. техн. реф. сб./ ЦНИЗИу-голь.-М., 1982 - № 2.-C.11.

5. Нефедов П.П., Гуревич Ю.С., Шевченко В.Ф. Влияние гидрорасчленения на продуктивность пластовых дегазационных скважин //Научные основы создания высокопроизводительных комплексно-механизированных и автоматизированных шахт/ М;; МГИ, 1981 - с.З.

6. Нефедов П.П. Способ интенсификации дегазации мало-пронпцаемых зон угольных пластов //Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело/ 1982.-№1.-с.22.

7. Нефедов П.П., Красюк H.H. Интенсивная дегазация разрабатываемого угольного пласта //Основные направления создания способов управления состоянием угленосной толщи, техники и технологии горных работ на шахтах .будущего: Тез. докл. Всесоюз. научн-кон. вузов СССР с участием науч.-исслед. ин-тов/ М., МГИ, 1982. - с.2.

8. Нефедов П.П., Терентьев В.А., Кейков Б.Д. Проведение выработок с использованием постоянных схем транспорта (шахта им. Костенко) //Уголь. 1985.-№11, - с.З.

9. Нефедов П.П., Рудой ИЛ. Охрана и рациональное использование недр в Карагандинском бассейне //Уголь, 1985. - № 10.-C.3.

10. Нефедов П.П,, Усенбеков М.С. Комплексный способ дегазации мощных угольных пластов //Проблемы разработки мощных и наклонных пластов угля подземным способом. Тез. докл. науч.-техн. кон. Караганда/ Караганда. 1987.-c.20.

11. АС № 968476 (СССР). Способ дегазации угольного пласта //Нефедов П.П., Бурчаков A.C., Ярунин Ю.С., Гуревич Ю.С., Шарипов Н.Х., Бюлл. из 1982. № 39.

12. Нефедов П.П., Оганезов Э.С., Тегисов Д.Т. Технология выемки угольных пластов с гидравлической закладкой выработанного пространства под застроенной территорией шахтного поля им. 50-летия Октябрьской революции //Проблемы и опыт выемки пластов с закладкой выработанного пространства в Карагандинском бассейне/ Караганда. 1989.- с.13.

13. Нефедов П.П., Самусев В.Ф., Оганесов Э.С., Байкенжин А.Е. Совершенствование технологии гидрозакладочных работ на шахте им. 50-летия Октябрьской революции. В Сб.: Разработка новых и совершенствование существующих средств и способов безопасной выемки угля в усложненных условиях. Караганда: КНИУИ: 1991.-С.2.

14. Нефедов П.П., Дрижд H.A., Квон С.С. Проблемы сохранения и развития шахтного фонда Промышленного участка Карагандинскою бассейна. В сб.: Технология разработки полезных ископаемых - Караганда: КарПТИ. 1994.-c.17.

15. Нефедов П.П., Дрижд H.A., Квон С.С. Проблемы сохранения и развития угольной отрасли Карагандинской области //Минпечати и информации PK. - Караганда 1994. -92с.

16. Нефедов П.П., Дрижд H.A., Квон С.С., Алиев C.B. Основные принципы структурного преобразования и управления РГП "Карагандашахтуголь". - В сб.: Горное дело. -Караганда: КарПТИ. 1996. - с.Ю.

17. Нефедов П.П., Дрижд H.A., Квон С .С., Презент Г.М., Перзадаев М.А. Технология' разработки сложных и некондиционных пластов Карагандинского бассейна //Нац. агентство по делам печати и информ. PK.- Караганда. 1995.-331 с.

18. Нефедов П.П., Дрюзд H.A., Квон С.С., Кушеков К.К. Основные принципы и направления диверсификации производства в угольной отрасли Карагандинской области - Караганда:-КарПТИ. 1996. - с.8.

19. Нефедов П.П., Красгок H.H. Интенсивное комплексное освоение газоносных угольных месторождений //Нац. агентство по делам печати и информ. PK. - Караганда. 1996.-248с.

20. Нефедов П.П. Основные направления реструктуризации шахтного фонда и диверсификация угольной отрасли //Нац. агентство по делам печати и информ. РК.-Караганда. 1996. -68 с.

21. АС № 1310565 (СССР). Способ управления кровлей. Нефедов П.П., Машковцев И.Л., Гладуш'А.Д., Анисимов A.B., Петраков И.Ю., Машковцев Б.И. - Бюлл. из. 1993. № 15.

22. АС № 1700243. Способ защиты подрабатываемых объектов от подтопления грунтовыми и поверхностными водами. Нефедов П.П., Ведяшкин A.C., Баймухаметов С.К., Овчинников В.М., Конденков H.H. Бюлл. из. 1992. № 47.