автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка эффективных технологических решений по отработке угольного месторождения Сакуа Республики Мадагаскар

г5. оч 3?

ДОНЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Специализированный совет Д 068.20.02

На правах рукописи

ВЕЛУСОН ЖАН

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ САКУА < РЕСПУБЛИКИ МАДАГАСКАР

Специальность 05.15.02 — Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДОНЕЦК - 1992

Работа выполнена в Донецком политехническом институте

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор

Кандидат технических наук, доцент

Яренбаш И.Ф.

Крулькевич И.И. Гавриш Н.Н.

Ведущее предприятие Защита состоится "/

ПО Донзцкуголь

(о- с.

Т'

Л992 г.

в 12 час. 20 нин. на заседании специализированного совета Д 068.20.02 при Донецком политехнической институте ( 340000, г.Донецк, ул. Артема, 58)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан "1~г " лЛ-'/ ^ . 1992 г.

Учений секретарь специализированного совета доктор технических наук профессор.

В.И. Черняев

ВВЕДЕНИЕ

Обладал значительными запасами угля, Демократическая Республика Мадагаскар испытывает энергетический кризис. С каждым годом растет потребность в угле как энергетического и химического сырья.

Для решения этой проблемы принято решение об освоении угольного бассейна Сакуа в юго-западной части острова. Освоение этого бассейна позволит не только смягчить энергетическую проблему,' но и сократить импорт нефти, получить валюту от экспорта угля, а также решить социальную проблему по трудоустройству населения юга страны.

Однако это сопряжено со многими трудностями, вызванными сложностью горно-геологических условий залегания пластов, экономико-географическим положением бассейна, нехваткой средств на финансирование строительства тредприятий, а также недостаточным количеством квалифицированных инженерных и рабочих кадров.

Намеченное освоение бассейна связано с созданием предприятий с подземным способом добычи угля, так как верхняя часть входящих в его состав месторождений частично отработана.

Как известно, эффективность подземной разработки месторождений во многом определяется эффективностью функционирования технологических схем, пригодных для- применения в конкретных горно-геологических й горнотехнических условиях, которые в свою очередь в значительной степени зависят о* того, насколько надежно обоснована производственная мощность шахты, параметры вскрытия, подготовки, системы разработки и др.

В связи с этим, поставленная цель - разработать эффективные технологические решения по отработке запасов угольного местЬ-рождения - является актуальной.

Идея работы заключается в том, что при принятии решений по . календарному планированию развития горных работ в сложных горногеологических условиях необходимо учесть работы на предыдущем и последующем этапах -методом динамического программирования.

_Методы_исследований.Поставленная в работе цель достигнута на основе применения комплекса методов, включающих опыт работ угольных шахт в сложных горно-геологических условиях, техничес-

кий анализ вариантов возможных решений, экономико-математическое моделирование и динамическое программирование.

Основные_на^чные_положения, вносимые на защиту и их новизна.

1. Теоретически обоснованы оптимальные технологические параметры отработки запасов местороадения, обеспечивающие рациональный порядок ввода в эксплуатацию и отработку блоков.

2. На основе динамического программирования усовершенствована методика перспективного календарного планирования развития горных работ с учетом особенностей месторождения Сакуа, отличающаяся тем, что процесс календарного планирования; осуществляется поэтапно с учетом изменения мощности сближенных пластов, запасов и качества угля, а также планируемой нагрузки на блок.

¿остове2но£ть_на^чн1к_положений,выводов и рекомендаций обоснована применением современных методов оценки принятия достоверных решений при разработке оптимальных параметров технологических схем разработки месторождения Сануа, включающих выбор критерия оптимальности для обоснования технологических параметров отработки запасов в шахтном поле и оценки методом экономжо-математического моделирования.

_П£акздческая_1]енность работы заключается в обосновании рациональных технологических схем, в результате чего предложены оптимальные параметры разработки и рекомендации по обеспечению необходимого условия угледобычи в сложных горно-геологических условиях угольного месторождения Сакуа.

запланирована для использования в проектах разработки месторождения Сакуа и других месторождений бассейна, имеющих аналогичные горно-геологические условия.

Публикация. По теме диссертации опубликовано■2 статьи.

Slïêli от ы• Дисс ертация состоит из введения, четырех глав и содержит 128 страниц машинописного текста, список литературы из 98 наименований, 22 рисунка, 12 таблиц и 3 приложения.

Основное содержание работы

Угольный бассейн Сакуа, в состав которого входит одноименное месторождение, расположен в юго-западной части О.Мадагаскар..

Все угольные пласты рассматриваемого участка залегают в сложных горно-геологических условиях, которые проявляются в следующем: сближенность мощных и средней мощности угольных пластов сложного строения и не ввдержанних по строению как по простиранию, так и по падению; угленосность и мощность пластов уменьшается в северно-восточном направлении; угольные пласты нарушены многочисленными сбросами, иногда со значительной амплитудой, поэтому при выборе технологических решений по отработке участка это обстоятельство является определяющим; угольные пласты отнесены к негазовым, не склонным к самовозгоранию, что значительно упрощает выбор способа подготовки и системы разработки.

Угольные пласты высокозольныэ, содержат породные прослойки и из-за трудной обогатимости относятся к энергетическим. В связи с этим необходимо вести добычу угля таким образом,■чтобы содержание золы в рядовом угле не превышала установленной нормы, что требует определенного подхода при планировании ведения очистных работ.

Средний угол падения пластов 20°, вмещающие породы относятся к средней устойчивости, что. позволяет применять механизированные очистные комплексы.

Принятый в проекте южный участок месторождения имеет протяженность по простиранию около 10 км и небольшой размер по падению - до 3 км и характеризуется низкой угленаснценностыо, что предопределяет необходимость его отработки тремя блоками.

Для разработки эффективных научно обоснованных технологических решений по отработке запасов месторождения Сакуа необходимо решить следующие задачи':

1. На основе технико-экономических расчетов определить проектную мощность шахты и ее срок службы.

2. Обосновать и выбрать способ вскрытия шахтного поля, способ подготовки и отработки пластов в сложных рорно-геоло-гических условиях.

3. На основе динамического программирования осуществить перспективное календарное планирование развития горных работ, обеспечивающее рациональную отработку запасов шахтного поля.

Основным определяющим параметром угольной шахтн является ее проектная мощность.

Вопросы установления научно обоснованной величины мощности шахт получили значительное развитие в трудах многих ученых и научно-исследовательских коллективов.Условно их можно разделить на два направления. Первое направление - работы, в которых предусматривается учет горно-геологических условий, организационно-технических возможностей очистных забоев.пропускных способностей основных технологических звеньев шахты (Звягин П.З.,Малкин A.C. и др.).

Второе направление - работы, посвя!ценные установлению экономически наиболее целесообразной мощности шахты (Капустин Н.Г., Ордин A.A., Данилина Г.П., Айдарова H.A. и др.).

Определение проектной мощности шахт по лвбому направлению Йез учета другого дает большое расхождение, что затрудняет установление оптимума. В работе использован комплексный подход к решению задачи,согласно которому выбор оптимальной мощности шахты осуществляется в два этапа и заключается в следующем.

На первом этапе годовая проектная мощность шахты представляется как многофакторная функция типа

• КГЦ (пДт.И ,Б,с| ,К„ ,2прЛ J

где tr\ - количество одновременно отрабатываемых пластов; , Zrrj - суммарная мощность разрабатываемых пластов;И- глубина разработки;Ъ - устойчивость пород; - газоносность пластов;

- нарушенность месторождения; промышленные запасы в шахтном поле;-£\- длина лавы;^- среднесуточное подвигание очистной линии .забоев. •

Исследуя функцию в пределах изменения ее аргументов построена номограмма зависимости мощности шахты от этих факторов. Результаты расчетов позволят установить мощность шахты и значения параметров ее определяющих.

На втором этапе с помощью многофакторных моделей совокупных

затрат на строительство и эксплуатацию шахт устанавливается оптимальная мощность шахты по критерию удельных приведенных затрат. Полученные результаты позволяют определить основные параметры очистного фронта, используя результаты первого этапа.

Для условий южного участка.оптимальное значение мощности шахты составляет 3,6 млн.' т/год при длине, лавы 120 м и среднесуточном подвигании забоев 4,5 м.

В связи с тем, что оптимизация параметров шахты, проектируемой для разработки сложного месторождения, характеризуется большим разнообразием различных состояний системы, для решения задачи в работе принят метод поэтапной оптимизации с последующей увязкой промежуточных решений. В следствие геологической сложности месторождения в качестве этапов ввделены способ подготовки и отработки пластов и способ вскрытия шахтного поля. Оптимизации этих технологических параметров предшествовало обоснование способа механизации выемки ухаля, в результате которого приняты для очистных работ механизированные комплексы, а для проведения подготовительных выработок - проходческие комбайны избирательного действия.

Для конструирования предпочтительных вариантов технологических схем подготовки и отработки пластов был проведен анализ известных классификаций способа подготовки и системы разработки, а также применяемых соответствующих технологических схем для сближенных мощных и средней мощности пластов. На основании проведенного анализа установлено 8 уровней: способ деления блока на части; расположение подготавливающих выработок относительно разрабатываемого пласта; число пластов, обслуживаемых одной системой подготавливающих выработок; схема выемки пласта по мощности; порядок проведения' подготовительных и очистных выработок в про-' странстве и во времени: способа охраны выемочных выработок; способ управления горным давлением. Каждый уровень включает все возможные элементы способа подготовки и отработки пластов.

Каддое .альтернативное решение по уровням проанализировано с позиций их значимости, встречаемости на практике, возможности применения в данных условиях и т.д.

В конкретных условиях проектная мощность шахты обеспечива-

ется одновременной работой двух блоков - центрального и одного из смежных блоков. В связи с этим в работе совместно с оптимизацией параметров технологических схем решается вопрос о целесообразности порядка ввода в эксплуатацию этих блоков.

Выбор того или иного варианта способа подготовки и отработки пластов, а также вскрытия шахтного поля осуществлялся на основании технико-экономического сравнения с помощью экономико-математической модели.

Для оценки технологических схем вскрытия и подготовки и отработки была предложена экономико-математическая модель (целевая функция)

где первоначальные капитальные затраты по ому вари-

анту, руб.;Кг; - капитальные затраты будущих лет по V.- ому варианту в ^-ом году, руб.; - суммарные эксплуатационные расходы по I- - ому варианту, руб.;^с- срок строительства шахть-лет; t - промежуток времени,через который потребуются капитальные вложения, лет.

В результате технико-экономического анализа обоснованы технологические схемы вскрытия, подготовки и системы разработки.

Одним из важнейших условий обеспечения, планомерной отработки запасов угля и достижения максимальной концентрации горных работ является применение научно обоснованного планирования развития горных работ во времени и пространстве.

Исходя иэ этого, процесс планирования и управления развитием горных работ разбивается на этапы, соответствующие состояниям системы, в которых она находится в течение всего времени отработки запасов выемочного участка. Следует отметить, что при каждом переходе системы из одного состояния в другое возникает необходимость в выборе оптимальной стратегии. При этом должно соблюдаться условие, согласно которому решение, прини-.аемое н,а каждом этапе, должно быть наилучшим с точки зрения отработки всех оставшихся запасов.

Для обоснованного выбора оптимальной стратегии в' каждом

состоянии системы может быть использован метод динамического программирования.

Алгоритм принятия решения по календарному планированию развития горные работ состоит в следующем.

1. Формирование начальных вариантов. Оно заключается в выборе оптимальной стратегии на начало разработки плана. В соответствии с раскройкой шахтного поля и в связи со сближенностью пластов на момент сдачи шахты в эксплуатацию в отработку можно вводить только пласт У . Ввод же нижележащего пласта 1У возможен только после отработки первого яруса верхнего пласта.

2. Определение места подготовки выемочного столба взамен отработанного. Пусть известен перечень т отрабатываемых столбов. Время, необходимое для отработки ого столба, определяется по формуле:

где - часть столба, подлежащая отработке, м; - скорость подвигания очистного -забоя, и/мес.

Определив время отработки каждого из отрабатываемых столбов по формуле, установим отрабатываемый в первую очередь выемочный столб и время его отработки с помощью выражения:

Предположим, что первым будет отработан К- ый выемочный столб в момент времени ^ . К этому времени необходимо подготовить новую - ую лаву для перехода очистной бригады. Время подготовки новой лавыТ} можно определите по следующей формуле:

где "Ьу - время проведения подготовительных выработок, необходимых для оконтуривания ^ - ой лавы; ^м] - время выполнения монтажных работ в j - ой лаве;"^ - резерв времени для подготовки ^ - ого столба.

3. Для формирования варианта допустимых замгм' для отработанного столба по технологическим ограничениям строится схематичный план горных работ и ориентированный по нему технологи-

9

I

ческий граф. На технологическом графе, в котором отражена исключающая подработку последовательность отработки выемочных столбов, определяются технологически допустимые замены со связанными с ними подготовительными работами.

4. Подготовка исходных данных .для допустимых замен заключается в определении количества и скорости подвигания очистных забоев, а корректировка - в определении этих же параметров с учетом причин, вызывающих эту корректировку.

5. Для каждого выемочного столба,сформированного множества вариантов допустимых замен,производят проверку по объему плановой добычи и качеству угля. Для столбов, удовлетворяющих наложенным ограничениям, рассчитывается целевая функция. В противном случае производят корректировку данных и расчеты повторяются.

6. Выбирается альтернатива замены с минимальным значением целевой функции.

Выбранный план развития горных работ проверяется на условие непрерывности добычи угля, т.е. взаимоувязки очистных и подготовительных работ. Если время подготовки выбранного столба для замены Т^ , меньше чем время отработки выбывающего столба ^^, то непрерывность добычи угля при нормальных темпах проведения подготовительных работ сохраняется. Если ^ , то это значит, что имеется отставание в подготовке очередной замены. Для своевременной подготовки необходимо формировать скорость проведения подготовительных работ. Возможно также осуществить перераспределение нагрузки по пластам или блокам.

Аналогичным образом повторяется процедура, описанная выше, для столбов, подлежащих отработке на следующих этапах. Процесс заканчивается после достижения последнего этапа, т.е. после отработки планируемого выемочного участка.

Из оптимальных планов, полученных на отдельных этапах, формируется стратегия развития горных работ на весь период оптимизации.

При построении календарного плана развития горных работ на каждом этапе суммарные затраты, зависящие от решений, принимаемых планом на каждом из этапов, приведенных к моменту начали. реализации составляемого плана отработки запасов, могут быть рассчитаны по формуле

W^^gCM^EjViTil]

при соблюдении следующих ограничений:

1. Суммарный поток добычи для данной части шахтного поля ограничивается в течение периода нормальной эксплуатации (Т^ , Т'п снизу - уровнем плановой добычи и сверху - пропускной способностью шахты

2. Фактическое содержание золы в добываемом угле не должно превышать плановое

шши/ши ^^

^ IfcElt) LeE«)

где стоимость проведения V,- ой магистральной выработки;

0 - интервал приведения; ЕИп- норматив для проведения разновременных затрат; S\. - суммарные затраты на поддержание V- ой выработки и транспорт; - срок службы ой выработки; Ett) - множество очистных работ, выполняемых в момент времени t (T^t^T*,) соответственно фактическое и плановое

содержание золы в добываемом угле.

Если по мере развития горных работ, например, мощность пластов изменяется, необходима корректировка исходных данных, так как для обеспечения проектной мощности шахты будет другое подвигание и количество действующих забоев. Однако задача решается по вышеприведенному алгоритму.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе даны научно обоснованные технологические параметры и решения, обеспечивающие эффективную отработку запасов в сложных горно-геологических условиях угольного месторождения Сакуа, заключающиеся в обосновании проектной мощности шахты, рационального порядка ввода в эксплуатацию и отработки блоков на основе поэтапного календарного планирования с учетом изменения мощности пластов, запасов и качества угля,а также планируемой нагрузки на блок. „

Основные научные и практические результаты работы заключа-

ются в следующем.

1. Угольное месторовдение Сакуа представлено пластами сложного строения и с широким диапазоном по мощности. Месторождение разбито крупными тектоническими нарушениями на три больших участка на кавдом из которых горно-геологические условия позволяют заложить самостоятельное горное предприятие. На проектируемом южном участке месторождения угольные пласты имеют изменяющуюся мощность от I м до 10 м , с углами падения 20°, сближенные, высокозольные, в основном энергетического назначения, со множеством мелких тектонических нарушений. Южный участок местор-рождения целесообразно разделить на три блока..

2. На основании аналитических исследований для южного участка месторождения Сакуа установлена проектная мощность угольного предприятия, обоснованная горно-геологическими условиями, запасами, организационно-техничс :кими возможностями очистных забоев и пропускной способностью технологических звеньев шахты,

а также экономико-математического моделирования совокупных затрат на строительство и эксплуатацию. Оптимальное значение проектной мощности шахты составляет 3,6 млн. т в год при среднесуточном подвигании очистных забоев 4,5 м и длине лавы 120 м.

3. На основе экономико-математического моделирования теоретически обоснованы оптимальные технологические параметры шахты -блочное вскрытие главным наклонным и вспомогательными вертикальными стволами, панельная подготовка и столбовая система разработки - обеспечивающие рациональный порядок ввода в эксплуатацию и отработку блоков южного участка месторовдения Сакуа. Наиболее целесообразно первоначально отрабатывать совместно центральный и южный блоки. При этом сближенные пласты У и 1У следует группировать через ярусные квершлаги на групповые откаточные штреки и полевые наклонные выработки пласта Ш.

4. Усовершенствована методика последовательного (поэтапного) планирования развития горных работ в шахтном поле, учитывающая особенности месторождения Сакуа - измене и мощности сближенных пластов по падению и простиранию, запасов и качества угля,

а также планируемой нагрузки на блок. Методика, основанная на принципах динамического программирования, опробирована при составлении календарного плана отработки бремсбергового поля центрального и южного блоков.

5. Разработанная методика оптимизации технологических

схем вскрытия, подготовки , системы разработки и выемки угольных пластов может быть использована при проектировании угольных шахт других месторождений в аналогичных условиях угольного бассейна Республики Мадагаскар.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Велусон Ж., Войчук Ы.Д. 1еолого-промышленная характеристика угольных месторождений бассейна Сакуа. Деп. рукопись в ЦНИЭИуголь № 5318 от 4.07.1991 . - 8с..

2. Велусон Н., Гусев Ю.А. Определение основных технологических параметров разработки месторождения Сакуа (Демократическая Республика Мадагаскар). Деп. рукопись в ЦНИЭИуголь №317 от 4.07 1991. - 9 с.