Актуальность работы. Реструктуризация угольной промышленности России не привела к коренному изменению технологических схем и технико-экономических показателей угольных шахт. В 1994;2000 гг. объем добычи угля на шахтах России снизился почти в 2.4 раза, а по сравнению с уровнем 1980 г. среднесуточная нагрузка на очистной забой возросла с 485 до 1085 т в основном за счет сокращения количества малопроизводительных забоев 159 ликвидированных шахт. Технико-экономические показатели работы перспективных шахт России в среднем в 3−5 раз хуже аналогичных показателей зарубежных шахт-аналогов.
Одной из причин низкой эффективности реструктуризации угольной отрасли России является отсутствие научного обоснования новых геотехнологических и технических решений по вскрытию, подготовке и отработке угольных месторождений при ограниченных инвестициях. Игнорирование роли горной науки в процессе реструктуризации и отсутствие финансовой государственной поддержки привело к: деконцентрации горных работ угольных шахт при одновременной работе нескольких малопроизводительных очистных забоев с нагрузкой 10−60 тыс. т в месяц и множества подготовительных забоев с темпами проведения выработок 70−200 м в месяцприменению временных технологических схем шахтизносу оборудования на 70−80%- ограничению потенциальных возможностей высокопроизводительного очистного оборудования неблагоприятными для его эксплуатации формой и размерами выемочных полей и участков в пределах одной действующей шахтыприменению устаревших пространственно-планировочных решений при строительстве новых, реконструкции и техническом перевооружении действующих шахтбессистемному выделению или объединению шахт в организационно-административные и экономические структуры без учета геотехнологических, технических и горногеологических условий разработки несколькими горными предприятиями крупных угольных месторождений или нескольких соседних месторождений-аналогов.
Одним из перспективных направлений повышения эффективности угольной промышленности на современном этапе ее реструктуризации предлагается разработка и реализация интегрированных подземных технологических комплексов (ИПТК) отдельных или группы шахт производственного объединения. Сущность ИПТК состоит в мобильной интеграции интенсивных малозабойных технологических схем подземной угледобычи отдельных или соседних шахт в развивающуюся технологическую систему группы шахт, отрабатывающих одно или несколько угольных месторождений-аналогов в структуре производственного объединения. Таким образом, предлагается система интеграции новой организационно-технологической структуры: шахтные блоки, интенсивные малозабойные шахты, ИПТК, производственное объединение. Очевидно, ИПТК группы шахт должен синтезироваться по общим геотехнологическим признакам технологических схем отдельных шахт и месторождений в целом, обеспечивающим специализацию и унификацию по вскрытию, подготовке, системам разработки, схемам проветривания, дегазации, утилизации метана, водоотлива, транспорта и переработки горной массы, реализации продукции.
Для научного обоснования методик, способов и схем вскрытия шахтных полей и угольного месторождения в целом, технических и технологических решений развития, интеграции и тиражирования прогрессивных элементов геотехнологии и технических средств на шахтах в условиях ИПТК необходимо провести комплексные исследования технологических процессов, интенсивных малозабойных технологий угледобычи, технологических схем шахт, а также систем вентиляции, дегазации, комплексного использования недр с точки зрения возможности объединения близко расположенных шахт, имеющих схожие горногеологические условия, в единый технологический комплекс. Результаты этих исследований позволяют синтезировать ИПТК отдельных или групп шахт и формировать технологическую систему производственного объединения, способную с высокой эффективностью функционировать в условиях взаимосвязанных технологических подземных и наземных комплексов производственных объединений или группы шахт с учетом изменяющихся горно-геологических, горнотехнических и рыночных условий.
В связи с указанным, особую актуальность имеют научно обоснованные технические и геотехнологические разработки, направленные на решение важной научной проблемы — создание ИПТК с использованием интенсивных малозабойных технологий угледобычи и рациональных способов вскрытия, подготовки и отработки угольных месторождений, отрабатываемых группой соседних шахт.
Диссертационная работа выполнена по отраслевым планам компании «Росуголь» и ОАО «УК «Кузнецкуголь» в соответствии с программами научно-исследовательских работ КузНИУИ, ВостНИИ, СибГИУ и других институтов в период 1991;2000гг. под руководством и непосредственном участии автора.
Целью работы является повышение эффективности подземной разработки угольных месторождений посредством создания интегрированных подземных технологических комплексов группы горных предприятий с использованием интенсивных малозабойных технологий угледобычи.
Идея работы заключается в многокритериальной мобильной интеграции группы горных предприятий для рациональной перепланировки горизонтов шахтных и выемочных полей, вскрывающих и подготавливающих выработок в подземные технологические комплексы производственного объединения, обеспечивающей горнотехническое развитие производственной структуры, резервирование подготовленных и готовых к выемке запасов с возможностью быстрого ввода их в эксплуатацию.
Задачи исследований: обосновать методические положения и принципы многокритериальной мобильной интеграции горных предприятий в подземные технологические комплексы группы соседних шахт с учетом комплексного критерия оптимальности и ограниченийразвить и адаптировать алгоритм синтеза геотехнологической системы производственного объединения на базе интегрированных подземных технологических комплексовразработать методику обоснования параметров вскрытия, подготовки и отработки запасов интегрированных подземных технологических комплексов с учетом интенсификации процессов малозабойных технологий, резервирования и быстрого ввода в эксплуатацию подготовленных и готовых к выемке запасов угольных пластов, а также пространственного взаимодействия высокопроизводительных подготовительных и очистных забоевсинтезировать варианты подземных интегрированных технологических комплексов производственных объединений для условий южного Кузбасса на базе интенсивных малозабойных технологических схем шахт;
— разработать альтернативные варианты, обосновать параметры и реализовать пространственно-планировочные технологические решения и технические средства многоштрековой малоагрегатной интенсивной подготовки выемочных участков для отработки их по постоянной схеме;
— обосновать по результатам шахтных исследований область применения интенсивных малозабойных технологий и технических средств выемки угольных столбов длинными высокопроизводительными комплексно-механизированными забоями с использованием отечественного оборудованияустановить механизм взаимодействия отечественных механизированных крепей третьего поколения с боковыми породами при интенсификации технологических процессов в длинных комплексно-механизированных забояхустановить закономерности геомеханических и газодинамических процессов, позволяющих снять ограничения по нагрузке при интенсивной отработке выемочных полей и участков шахт длинными комплексно-механизированными забоями;
— развить методику обоснования параметров технологических схем интенсивной отработки длинных выемочных столбов комплексно-механизированными забоями с реализацией методики в разных горногеологических условиях в виде адаптивного эталонного проекта выемочного участка;
— адаптировать методику многокритериальной интеграции подземных технологических комплексов при строительстве новых, реконструкции и техническом перевооружении действующих и санации ликвидированных шахт и разрезов.
Методы исследований: системный подход для обоснования методических положений и принципов многокритериальной мобильной интеграции горных предприятиймногосвязных сетей сложных систем при развитии алгоритма изоморфных послойных графовэкспертных оценок при разработке методики обоснования параметров вскрытия, подготовки и отработки запасов интегрированных подземных технологических комплексовмногокритериального предпочтения для синтеза вариантов вскрытия, подготовки и отработки запасов подземных интегрированных технологических комплексов производственного объединениянаучно-технического прогнозирования при разработке альтернативных вариантов технологических схем многоштрековой малоагрегатной интенсивной подготовки выемочных участковшахтные эксперименты для обоснования области применения технических средств и интенсивных малозабойных технологий, установления механизма взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами пласта и закономерностей геомеханических и газодинамических процессов при отработке высокогазоносных угольных пластов длинными комплексно-механизированными забоямисистематизации основных и вспомогательных процессов очистных и подготовительных работ при развитии методики конструирования в виде эталонного проекта технологической схемы высокопроизводительного выемочного участкаоптимизации по комплексному критерию эффективности и качества проектов строительства, реконструкции и технического перевооружения шахт при адаптации методики интеграции горных предприятий в подземный технологический комплекс.
Основные научные положения, защищаемые автором:
• многокритериальная мобильная интеграция обеспечивает переход от традиционной геотехнологии, сложившейся на шахтах производственного объединения, к новой путем повышения ее научно-технического уровня и адаптивности за счет синтеза несвязанных элементов многозабойных технологических схем шахт в интенсивные малозабойные, упорядочения пространственно-планировочных решений для группы соседних шахт и резервирования готовых к выемке запасов для исключения негативных воздействий внутренней и внешней среды;
• синтез технологической системы производственного объединения базируется на алгоритме многовариантности послойных графов: каждый из макрографов соответствует связному графу альтернативного варианта интегрированного подземного технологического комплекса группы угольных шахт, а микрограф — варианту интенсивной малозабойной технологической схемы отдельной шахты;
• методические принципы выбора для основных типов и форм угольных месторождений параметров вскрытия, подготовки и отработки запасов угольных пластов по интенсивным малозабойным технологическим схемам шахт, интегрированных в подземные технологические комплексы, заключаются в поэтапном выделении на шахтах адаптивных для длинных комплексно-механизированных забоев запасов угольных пластов, высокопроизводительных элементов малозабойных шахт и реализации пространственно-временных стыковочных решений по уровню адаптации этих элементов на соседних шахтах с учетом общей инфраструктуры интегрированного подземного технологического комплекса и технологической системы производственного объединения;
• высокая адаптивность интегрированных подземных технологических комплексов группы угольных шахт к изменяющимся горно-геологическим и рыночным условиям достигается применением интенсивных малозабойных технологий отработки длинными комплексно-механизированными забоями, короткими забоями или временной консервацией угольных запасов выемочных полей на период создания новых адаптивных геотехнологий и технических средств;
• интенсификация, эффективность и безопасность малоагрегатной подготовки выемочных столбов достигаются последовательным использованием одного высокопроизводительного выемочного агрегата в нескольких подготовительных забоях и унификацией следующих прогрессивных элементов: многоштрековой подготовки выемочного столба выемочными выработками большого поперечного сечениякомбинированной схемы проветриваниякомплекса забойных и штрековых машин, установленных в технологической цепи по последовательно-параллельным или параллельным схемам с учетом принципов совместимости и преемственности технологических операций и процессов;
• рациональная область применения технологии и технических средств выемки угольных столбов длинными высокопроизводительными комплексно-механизированными забоями устанавливается по уровню адаптивности механизированного комплекса к горно-геологическим условиям и геометрическим параметрам выемочных полей и участков с учетом следующих критериев и ограничений: минимальной и максимальной вынимаемой мощности пласта, предельного угла падения пласта, физико-механических свойств угля и вмещающих пород, прямолинейности формы и минимальных размеров выемочных полей и участков, типа и конструкции механизированного комплекса;
• устойчивость пород кровли и угольного пласта в комплексно-механизированном забое обеспечивается при передвижке секций крепи с подпором со скоростью крепления кровли вдоль забоя не ниже нормативной скорости выемки угля комбайном;
• прогноз параметров зон активизации геомеханических и газодинамических процессов при интенсивной отработке длинных выемочных столбов комплексно-механизированными забоями осуществляется с учетом установленных закономерностей: сдвига во времени максимального метановыделения от обрушений пород основной кровлиинтенсификации процессов миграции метана в очистной забой на границах зон повышенного горного давлениязагазирований горных выработок отрабатываемого выемочного столба при периодических обрушениях пород налегающей толщи над выработанном пространством соседних выемочных участков;
• эффективность отработки выемочных участков шахт комплексно-механизированными забоями в широком диапазоне горно-геологических условий обеспечивается научно обоснованными техническими и технологическими решениями, сконцентрированными в развивающемся проекте эталонного выемочного участка, при практической реализации которого в других горно-геологических условиях устранение ограничений по условиям проветривания, дегазации, выемки и транспорта угля достигается использованием корректирующих коэффициентов, определяемых по традиционным методикам;
• развитие технологической системы производственного объединения базируется на рациональном сочетании вариантов реализации технических и технологических решений при строительстве новых, реконструкции или техническом перевооружении действующих взаимосвязанных объектов интегрированных подземных и наземных технологических комплексов с учетом ресурсов производственного объединения.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
— положительными результатами развития с нарастающей добычей угля до 16 млн. т в год в течение 1995;2000 гг. ОАО «Угольная компания «Кузнецкуголь» на основе реализации принципов мобильной многокритериальной интеграции угольных шахт в технологические комплексы и повышения уровня адаптивности шахт производственного объединения к изменяющимся внутренним и внешним воздействиям;
— использованием алгоритма изоморфных послойных графов для обоснования параметров технологической системы производственного объединения и интегрированных подземных технологических комплексов группы шахт по технологическим критериям (разработан и успешно реализуется проект объединения в подземный технологический комплекс шахт «Абашевская», «Юбилейная», «Зыряновская" — установлены и включены в задание на проектирование оптимальные параметры интегрированного подземного технологического комплекса шахт «Нагорная» и «Новокузнецкая» Кушеяковского месторождения в Кузнецком бассейне);
— положительным опытом внедрения методики обоснования параметров вскрытия, подготовки и отработки запасов малозабойных шахт и оптимизацией параметров и схем расположения вскрывающих выработок, применением фланговых схем подготовки и отработки выемочных полей на 7 шахтах с суточной нагрузкой на один комплексно-механизированный забой 2000;5500 т, снижением удельной протяженности подготовительных выработок с 8.9 в 1993 г. до 6.0 м/1000 т добычи в 2000 г. на шахтах ОАО «УК «Кузнецкуголь" — представительностью альтернативных вариантов интегрированных подземных технологических комплексов группы угольных шахт южного Кузбасса: «Есаульская» + «Полосухинская" — «Нагорная» + «Новокузнецкая" — «Алардинская» + «Малиновская" — «Абашевская» + «Юбилейная» + «Зыряновская" — «Осинниковская» + «Тайжина" — «Есаульская» + «Новокузнецкая» и др. с годовой добычей 1,54,0 млн. т угля на шахтах одного комплекса;
— положительными результатами промышленной реализации технологии подготовки 11 выемочных участков по постоянной схеме за счет совмещения процессов проведения подготовительных выработок, дегазации и профилактической обработки угольных пластов, а также монтажа транспортного оборудования;
— представительным объемом шахтных исследовании семи вариантов технологических схем отработки выемочных участков пологих и наклонных угольных пластов комплексно-механизированными очистными забоями в течение 12 лет в широком диапазоне горногеологических условий четырех геолого-экономических районов Кузнецкого бассейна;
— соответствием расчетных и фактических усилий в элементах конструкции щитовых крепей при разных режимах крепления кровли в очистных механизированных забоях, оборудованных отечественными механизированными комплексами третьего поколения: КМ-130, КМ-138, КМ-138Д, КМ-144, УКП-5, КМ-142- непротиворечивостью установленных закономерностей активизации геомеханических и газодинамических процессов при интенсивной отработке соседних выемочных столбов комплексно-механизированными забоями закономерностям периодических обрушений пород кровли и прорывов метана из газонаполненных разгруженных полостей пластов-спутниковнизким коэффициентом вариации (не более 17%) отклонений фактических и установленных по эталонному проекту выемочного участка показателей работы 12 очистных комплексно-механизированных забоев;
— безубыточной работой шахт ОАО УК «Кузнецкуголь» в течение 1998;2000 гг. после частичной реализации технологической системы, базирующейся на многокритериальной мобильной интеграции и динамичном развитии подземных технологических комплексов действующих и строящихся шахтза этот период добыто 38 млн. т угля, рост производительности труда составил 84%.
Научное значение работы состоит в разработке методической базы синтеза и развития интегрированных подземных технологических комплексов группы соседних горных предприятий для комплексной эффективной разработки крупных угольных месторождений по интенсивным малозабойным технологическим схемам.
Научная новизна работы заключается в следующем: обоснован метод многокритериальной мобильной интеграции интенсивных малозабойных технологических схем шахт в подземные технологические комплексы для применения в качестве базового направления перехода от традиционной, сложившейся в производственном объединении геотехнологии, к новой путем повышения уровня ее адаптивности к изменяющимся внешним и внутренним воздействиям;
— развит алгоритм послойных графов для синтеза технологической системы производственного объединения и обоснования ее параметров по каждому послойному критерию оптимальности путем варьирования параметрами интенсивных малозабойных технологических схем отдельных шахт и интегрированных подземных технологических комплексов групп шахт;
— разработаны методические принципы синтеза интегрированного подземного технологического комплекса: конструирование альтернативных вариантов вскрытия, подготовки и отработки шахтных полей и выбор оптимального варианта интеграции шахтобоснование на стадиях проектирования и эксплуатации шахт пространственно-планировочных решений с учетом геометрических параметров выемочных полей и участков соседних шахтвременная консервация участков угольных пластов на период создания для их эффективной разработки новых адаптивных геотехнологий и технических средств;
— предложена методика поэтапной интеграции интенсивных малозабойных технологических схем отдельных шахт в подземный технологический комплекс группы шахт, обеспечивающая повышение уровня адаптации высокопроизводительных элементов геотехнологии подземной угледобычи на месторождениях-аналогах;
— развита идея последовательного использования одного мобильного высокопроизводительного выемочного агрегата в нескольких подготовительных забоях для параллельной многоштрековой подготовки выемочных участков по постоянной схеме работы высокопроизводительных комплексно-механизированных очистных забоев;
— обоснован уровень адаптивности разных типов отечественных очистных механизированных комплексов третьего поколения к горногеологическим условиям и геометрическим параметрам выемочных полей и участков угольных шахт;
— установлено оптимальное отношение скорости крепления и скорости выемки угля в высокопроизводительном очистном забое, обеспечивающее устойчивость пород кровли и выбор забойного оборудования с оптимальным соотношением параметров механизированной крепи, выемочных машин и конвейера;
— установлены закономерности активизации геомеханических и газодинамических процессов при интенсивной отработке выемочных столбов длинными комплексно-механизированными очистными забоями: сдвига во времени максимального метановыделения от обрушений пород основной кровлиинтенсификации процессов миграции метана в очистной забой на границах зон повышенного горного давлениязагазирований горных выработок при периодических обрушениях пород налегающей толщи над выработанном пространством соседних выемочных участков;
— обоснованы численные значения корректирующих коэффициентов между параметрами эталонного и реальных проектов выемочных участков для устранения в широком диапазоне горногеологических условий ограничений по условиям проветривания, дегазации, выемки угля и транспорта горной массы;
— разработана комплексная методика прогнозирования параметров технологической системы производственного объединения для обоснования проектных решений строительства новых, реконструкции или технического перевооружения действующих объектов интегрированных подземных и наземных технологических комплексов с ограничениями по объемам инвестиций.
Практическая ценность работы. Результаты работы позволяют: создавать производственные объединения на основе интегрированных технологических комплексов, включающих интенсивные малозабойные технологические схемы шахтразвивать интегрированные подземные технологические комплексы посредством применения алгоритмов послойных графов при прогнозе параметров геотехнологии действующих и проектируемых шахт производственного объединениясокращать удельный объем вскрывающих и подготовительных выработок группы шахт, интегрированных в подземные технологические комплексы, и планировать выемочные столбы оптимальных размеров в пределах соседних шахтных полей;
— объединять соседние шахты в интегрированный подземный технологический комплекс с адаптацией прогрессивных элементов отдельных шахт на соседних при разработке и реализации пространственно-планировочных технологических решений и технических средств интенсивной подготовки запасов угольных пластов к выемке одного или нескольких месторождений-аналогов;
— интенсифицировать многоштрековую подготовку запасов выемочного столба для отработки его по постоянной схеме за счет совмещения процессов проведения выработок одним мобильным выемочным агрегатом, монтажа оборудования и выполнения профилактических работрасширить область применения интенсивных малозабойных технологий и отечественных механизированных комплексов нового научно-технического уровня для интенсивной отработки выемочных участков комплексно-механизированными забоями в горно-геологических условиях месторождений-аналоговвыбирать оборудование длинного комплексно-механизированного забоя с оптимальным соотношением скорости крепления кровли и выемки угля в забое, а также производительности транспортной линии;
— использовать закономерности активизации геомеханических и газодинамических процессов при интенсивной отработке выемочных полей и участков шахт для прогноза параметров системы безопасного управления горным давлением и вентиляцией;
— тиражировать эталонный проект выемочного участка с корректировкой его параметров для отработки реальных выемочных участков в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий залегания угольных пластовпрогнозировать параметры интегрированных подземных технологических комплексов при строительстве новых, реконструкции или техническом перевооружении действующих объектов производственного объединения с учетом ограничений инвестиций.
Личный вклад состоит в:
— обосновании метода многокритериальной мобильной интеграции малозабойных шахт в подземные технологические комплексы, как основного направления рентабельного функционирования шахт производственного объединения при ограниченных инвестициях;
— развитии и адаптации алгоритма послойных графов для синтеза геотехнологической системы производственного объединения и обоснования ее параметров путем варьирования параметрами малозабойных технологических схем отдельных шахт и интегрированных подземных технологических комплексов групп шахт производственного объединенияконструировании и обосновании параметров схем и способов вскрытия, подготовки и отработки запасов соседних шахтных полей для основных типов и форм залегания угольных месторождений с использованием капитальных выработок группой соседних шахт и планировкой выемочных столбов оптимальных размеровразвитии научных основ и синтезе на базе интенсивных малозабойных технологических схем шахт пяти интегрированных подземных технологических комплексов угледобывающих предприятий Кузбасса с реализацией одного из них (шахты «Абашевская», «Зыряновская», «Юбилейная») в виде проекта и реальных разработок;
— обосновании идеи последовательного использования одного мобильного высокопроизводительного выемочного агрегата в нескольких подготовительных забоях при многоштрековой подготовке выемочных участков по постоянной схемеобосновании рациональной области применения отечественных механизированных комплексов по уровню их адаптивности к горно-геологическим условиям и геометрическим параметрам выемочных полей и участков отдельных или группы соседних шахтсоздании метода определения максимальной нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой по предельной скорости крепления пород кровли механизированной крепью, скорости выемки угля комбайном, производительности забойного конвейера и метаноопасности угольного пласта;
— обобщении, статистической обработке результатов шахтных измерений и установлении закономерностей активизации геомеханических и газодинамических процессов при интенсивной отработке выемочных полей и участков шахт;
— развитии идеи и реализации проекта эталонного выемочного участка для интенсивной отработки длинных выемочных столбов комплексно-механизированными забоями на месторождениях-аналогах;
— разработке комплексной методики прогнозирования параметров геотехнологической системы производственного объединения при строительстве новых, реконструкции или техническом перевооружении действующих объектов интегрированных подземных и наземных технологических комплексов с рациональным распределением ограниченных инвестиций производственного объединения.
Реализация работы. Разработанные научные результаты и выводы диссертационной работы использованы при: адаптации к рыночным условиям системы управления ОАО «УК «Кузнецкуголь» в период 1995;2000 гг. на основе многокритериальной мобильной интеграции малозабойных шахт в технологические комплексы, что позволило увеличить объем добычи в компании за пять лет на 3,9 млн. т;
— обосновании с использованием алгоритма послойных графов параметров безубыточной геотехнологической производственной системы ОАО «УК «Кузнецкуголь», включающей подземные и наземные технологические комплексы добычи, переработки и реализации угольной продукции, объем которой за три последних года достиг 38 млн. т при росте производительности труда на 84%. обосновании параметров технических и технологических решений вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов для пяти интенсивных технологических схем малозабойных шахт: «Абашевская», «Есаульская», «Юбилейная», «Алардинская», «Новокузнецкая» ОАО «УК «Кузнецкуголь» с нагрузкой на комплексно-механизированный забой 80 170 тыс. т в месяц в течение 1995;2000 гг.- реализации альтернативных вариантов интегрированных подземных технологических комплексов группы угольных шахт южного Кузбасса: «Кушеяковская» + «Новокузнецкая" — «Алардинская» + «Малиновская" — «Абашевская» + «Юбилейная» + «Зыряновская" — «Осинниковская» + «Тайжина" — «Есаульская» + «Новокузнецкая» и др. в течение 1995;2000гг., что позволило сократить среднедействующее количество очистных малопроизводительных забоев с 34 в 1995 г. до 18 высокопроизводительных забоев в 2000 г.- интенсивной подготовке к выемке запасов угля на шахтах ОАО «УК «Кузнецкуголь» за счет: повторного использования подготовительных выработок (15% общего объема проведения выработок), увеличения средней скорости проведения подготовительных выработок комбайном с 88.2 м в 1994 г. до 116 м в месяц в 1999 г., роста объемов анкерного крепления подготовительных выработок от 37 км в 1996 г. до 50.4 км (63% от общего объема проведенных выработок) в 1999 г., сокращения периода монтажа и демонтажа очистного оборудования на 30%, подготовки выемочных участков с использованием фланговых выработок (78% всех выемочных участков) — опытно-промышленной эксплуатации альтернативных вариантов технологических схем интенсивной отработки выемочных участков комплексно-механизированными забоями на пластах 16, 26а, 29а, шахт «Абашевская», «Юбилейная», «Есаульская», за период шахтных испытаний добыто более 11 млн. т угляразработке технологических решений по оптимальному управлению горным давлением и режимами проветривания высокопроизводительных выемочных участков 26−28,26−30 и 26−32 пласта 26а шахты «Абашевская" — разработке вариантов паспортов 12 выемочных участков с использованием проекта эталонного выемочного участка для условий шахт «Юбилейная», «Абашевская», «Зыряновская и др.- разработке проекта нового строительства Ульяновского интегрированного подземного технологического комплекса на Ерунаковском угольном месторождении Кузбасса с проектной мощностью 3000 тыс. т, себестоимостью угля 83 руб./т и сроком окупаемости инвестиций 6.7 года.
Научные результаты используются в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета и на шахтах Южного Кузбасса.
Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы диссертации докладывались и получили одобрение на:
Международной научно-технической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» 7−10 февраля 1994 г. в г. Междуреченске, Пятой научно-практической конференции по проблемам машиностроения и горного дела 28−30 июня 1994 г. в СибГГМА, г.
Новокузнецк, Международной научно-практической конференции «Проблемы реформирования региональной экономики» 22−23 сентября 1994 г. в г. Кемерово, технических совещаниях АО УК «Кузнецкуголь" — > научно-технических семинарах по проекту № Е81В9303 Тас1з (Антверпен, Лондон, Саарбрюккен, Москва, Новокузнецк, 1996;1997гг.) — международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1996;1999гг.) — IV-VI международных научно-практических конференциях «Перспективы развития горнодобывающей промышленности «в рамках Международной выставки-ярмарки «Уголь России» (Новокузнецк, 1997;1999гг.), VII международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в III тысячелетии» в рамках Международной выставки-ярмарки «Уголь России и майнинг 2000» (Новокузнецк, 2000 г.) — международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» в рамках научной программы выставки-ярмарки «Экспо-Уголь 2000» (Кемерово, 2000 г.), Совете директоров ОАО «УК «Кузнецкуголь» (Новокузнецк, 1994;2000 гг.) — Комитете по угольной промышленности при Минтопэнерго России (Москва, 1996;2000 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 36 опубликованных работах, в том числе 3 монографиях, 2 брошюрах и 31 научной статье.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 332 листах машинописного текста, состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 177 наименований, включает 27 таблиц и 55 рисунков.
Выводы.
1. Разработана и реализована в виде эталонного паспорта выемочного участка методика конструирования и обоснования параметров технологической схемы выемочного участка. Достоверность алгоритма обоснования параметров технологической схемы выемочного участка проверена в шахтных условиях и установлено, что отклонение расчетных и фактических показателей составляет в среднем: по нагрузке на очистной забой — 5,8%- по производительности труда — 9,6%- фактическая участковая себестоимость получена ниже расчетной на 20,2%.
2. Разработан алгоритм расчета количества одновременно работающих и резервных забоев малозабойных технологических схем шахт и интегрированных подземных технологических комплексов, позволяющий установить минимальную нагрузку на очистной КМЗ, обеспечивающую рентабельную работу шахты или интегрированного подземного технологического комплекса.
3. Установлено, что для реализации технологической схемы шахта — один очистной КМЗ с отечественным оборудованием необходимо, чтобы нагрузка на работающий очистной забой превышала производственную мощность шахты в 2,2 раза.
4. Разработаны и реализованы в проектах шахт технологические схемы интегрированных подземных комплексов. Установлено, что реализация научной идеи интеграции шахт в технологические комплексы позволяет увеличить добычу угля в 1,37 раза и снизить себестоимость горной массы в 1,2 раза.
5. Результаты исследований включены в проект строительства Ульяновского участка Ерунаковского месторождения, что позволило получить следующие проектные показатели: мощность шахты 1500 тыс. тсебестоимость добычи угля 93 руб./тсрок окупаемости инвестиций — 6,7 года.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертации, на основании выполненных исследований способов, схем и процессов вскрытия, подготовки и отработки шахтных и выемочных полей угольных месторождений, изложены научно обоснованные геотехнологические и технические разработки по созданию высокопроизводительных интегрированных подземных технологических комплексов группы соседних шахт с использованием интенсивной малозабойной подземной геотехнологии, внедрение которых вносит существенный вклад в ускорение научно-технического прогресса в угольной промышленности.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Доказано, что реализация на шахтах России интенсивных малозабойных технологий по схемам «шахта-пласт», «шахта-лава» или модульных угледобывающих комплексов сдерживается отсутствием научно обоснованных геотехнологических разработок, обеспечивающих эффективность применения этих схем на действующих шахтах при: ограниченных вскрытых запасах угля на рабочих горизонтахнерациональных для длинных высокопроизводительных КМЗ формах и размерах выемочных полей и участковналичии на соседних шахтах и верхних горизонтах угольных целиков, заполненного водой или газом выработанного пространства и других аномальных зонвскрытии и подготовке запасов угольных пластов на разных горизонтах по отношению к соседним шахтам и др. Для повышения эффективности угольной промышленности России в указанных условиях действующих шахт предлагается разработка научных основ и методики создания интегрированных подземных технологических комплексов (ИПТК) отдельных или группы соседних шахт производственного объединения.
2. Обоснован методический подход создания ИПТК, который состоит в мобильной интеграции интенсивных малозабойных технологических схем соседних шахт в развивающуюся геотехнологическую систему производственного объединения для отработки одного или нескольких угольных месторождений-аналогов по одной технологической схеме. В качестве основных факторов и критериев, определяющих необходимость создания ИПТК группы соседних действующих или строящихся шахт (для условий Кузнецкого бассейна), выделены следующие:
— доработка запасов угля в нижних участках брахисинклинальных складок свиты угольных пластов при объеме промышленных запасов, в зависимости от потребительских качеств угля, не менее 50−75 млн. т, глубине разработки не более 800 м и метаноносности пластов до 25 м /т ;
— нерациональные форма и размеры выемочных полей и участков на рабочих горизонтах отдельных шахт (длина крыла панели меньше 8 001 200 м соответственно на пластах мощных и средней мощности) и возможность пространственно-планировочных решений, обеспечивающих длину выемочных столбов до 2−5км для отработки их высокопроизводительными КМЗ в пределах горных отводов соседних шахт;
— вскрытие угольного месторождения соседними шахтами на разных горизонтах при отсутствии вскрытых запасов на глубокой шахте и наличии запасов угля в пластах верхних горизонтов соседних шахт;
— создание единой конвейерной системы транспортных потоков при существующих многоступенчатых или параллельных схемах транспорта и подъема горной массы соседних шахт и ее складировании или переработки на общем поверхностном технологическом комплексе;
— разработка крупного угольного месторождения несколькими соседними шахтами по единому комплексному проекту;
— обеспечение безопасности работ на соседних шахтах за счет устранения ограничений по условиям проветривания (создание бремсберговой схемы вентиляции), подработки затопленных водой верхних горизонтов.
3.Установлено, что многокритериальная мобильная интеграция обеспечивает переход от традиционной дотационной геотехнологии, сложившейся на шахтах производственных объединений, к новой, рентабельной, путем повышения ее научно-технического уровня и адаптивности за счет синтеза прогрессивных элементов многозабойных технологических схем шахт (высокопроизводительные КМЗ с нагрузкой более 5−12 тыс. т в сутки, полная конвейеризация, бремсберговая схема проветривания, система дегазации с газоотсосом до 60% метана и др.) в интенсивные малозабойные, упорядочения пространственно-планировочных решений для группы соседних шахт (единые системы вскрытия и подготовки шахтных полей, транспорта, вентиляции и др.) и резервирования готовых к выемке запасов для исключения негативных воздействий внутренней и внешней среды.
4. Разработана методика синтеза геотехнологической системы производственного объединения, которая базируется на алгоритме многовариантности послойных графов: каждый из макрографов соответствует связному графу альтернативного варианта интегрированного подземного технологического комплекса группы угольных шахт, а микрограф — варианту интенсивной малозабойной технологической схемы отдельной шахты. По результатам моделирования установлено, что поэтапная мобильная интеграция интенсивных малозабойных технологических схем шахт в подземный технологический комплекс производственного объединения возможна на действующих шахтах при технологическом и пространственно-временном взаимодействии элементов геотехнологии и инфраструктуры при наличии на пологих пластах выемочных полей длиной по простиранию не менее 5 и 2 км по падению свиты пластов. Реализация методики поэтапной интеграции прогрессивных элементов технологических схем малозабойных шахт позволяет проектировать и отрабатывать выемочные участки длиной до 5 км, шириной до 300 м в пределах горных отводов нескольких соседних шахт с нагрузкой на КМЗ 5−12 тыс. т в сутки.
5. Обоснованы методические принципы выбора способов и схем вскрытия и подготовки шахтных полей соседних угледобывающих предприятий и интеграции их в подземные технологические комплексы. С использованием этих принципов для характерных типов угольных месторождений и ситуаций на действующих шахтах России разработаны и рекомендуются следующие варианты вскрытия и подготовки шахтных полей, объединенных в ИПТК.
При доработке месторождений брахисинклинального типа глубиной до 800 м несколькими шахтами необходимо осуществить строительство вертикального или наклонного ствола в нижнюю часть брахисинклинальной складки для обеспечения единых систем функционирования ИПТК. При создании ИПТК нескольких действующих или ликвидированных соседних шахт, отличающихся по уровням рабочих горизонтов на 150 м и более на пологих пластах, предлагается в качестве базовой принимать глубокую шахту и развивать горные работы от нижних горизонтов вверх с увеличением размеров выемочных полей по падению в пределах нескольких горизонтов. Участки шахтных полей с неблагоприятной для отработки КМЗ геометрической формой и запасами угля менее Змлн. т предлагается отрабатывать по малозатратным технологиям малыми предприятиями или временно консервировать. Для новых месторождений брахисинклинального типа с запасами угля более ЮОмлн. т угля необходимо разрабатывать комплексный проект, включающий поэтапное освоение месторождения. На первом этапе разработка пластов ведется сверху вниз открытым способом при коэффициенте вскрыши менее 8, потом подземным из открытых горных выработок до глубины разработки 250−300м и на завершающем этапе-подземным с проведением вскрывающих выработок в нижнюю часть брахисинклинальной складки.
6. Методические принципы выбора способов и схем вскрытия и подготовки шахтных полей соседних угледобывающих предприятий и интеграции их в подземные технологические комплексы и реализованы в проектах действующих шахт ОАО «УК «Кузнецкуголь» в виде технологических схем следующих интегрированных подземных комплексов:
Есаульская" + «Полосухинская» для доработки по единой технологической схеме запасов угольных пластов Антоновско-Есаульского угольного месторождения;
Кушеяковская" + «Новокузнецкая» для создания единого технологического комплекса и развития технологии угледобычи мощных пластов с труднообрушающимися кровлями на базе Кушеяковского угольного месторождения;
Алардинская" + «Малиновская» для добычи по единой технологии углей ценных энергетических марок на базе Алардинского угольного месторождения;
У «Абашевская» + «Зыряновская» + «Юбилейная» для доработки запасов коксующегося угля Байдаевской брахисинклинали.
7. Разработан алгоритм расчета количества одновременно работающих и резервных забоев малозабойных технологических схем шахт и интегрированных подземных технологических комплексов, позволяющий установить минимальную нагрузку на очистной КМЗ, обеспечивающую рентабельную работу шахты или интегрированного подземного технологического комплекса. Установлено, что для реализации технологической схемы шахта — один очистной КМЗ с отечественным оборудованием необходимо, чтобы расчетная нагрузка на работающий очистной забой превышала производственную мощность шахты в 2.2 разапри переходе к интенсивным малозабойным технологиям и увеличении суточной нагрузки на КМЗ от 1 до 12 тыс. т резервная линия очистных забоев, оснащенных отечественным оборудованием, возрастает от 22 до.
100% от необходимой по технической характеристике механизированных комплексов.
8. Разработана методика синтеза технологии малоагрегатной многоштрековой подготовки выемочных участков по последовательно-параллельной, параллельно-последовательной и параллельной схемам, обеспечивающим сокращение периодов подготовки запасов к выемке соответственно на 30, 40 и 60% по сравнению с применяемой в настоящее время последовательной схемой. Методические основы проектирования технологии интенсивной подготовки выемочных участков реализованы в 12 технологических схемах, обеспечивающих увеличение коэффициента готовности подготовительных забоев с 0.18 до 0.60, скорости подвигания забоев от 170 до 540 м в месяц при сокращении затрат на проведение выработок участка на 12.9%.
9. Областью рационального применения высокопроизводительных комплексно-механизированных забоев, оснащенных отечественными механизированными комплексами КМ-13 8, КМ-142, КМ-144, являются выемочные участки длиной 2−5 км и шириной 250−300 м на ненарушенных угольных пластах в диапазоне вынимаемой мощности 1.8−4.2 м, угла падения 0−18° с метаноносностью менее 20 м3/т при глубине разработки 50−800 м. Основные факторы, влияющие на объем нагрузки на КМЗ в указанном диапазоне, ранжируются по тесноте парной связи следующим образом: мощность комбайна (Я = 0.73) -" длина очистного забоя (II = 0.72) —> сопротивление крепи (Я = 0.71) —вынимаемая мощность пласта (Я = 0.57) -" угол падения пласта (Я = 0.53) -> глубина разработки (Я = 0.50), где Я — коэффициент парной корреляции. Установлено, что изменение вынимаемой мощности пласта на 0.1 м в диапазоне от 1.05 до 2.0 м приводит к увеличению суточной нагрузки на КМЗ на 360 т, а при росте угла падения пласта на 1° в диапазоне 18−23° происходит снижение нагрузки на 200 т в сутки. Повышение несущей способности секций.
•" У механизированных крепей от 600 до 1050 кН/м позволяет компенсировать негативное влияние проявлений горного давления в очистном забое при увеличении глубины разработки от 180−700 м и движении длинного комплексно-механизированного забоя со скоростью более 5 м в сутки.
10. Интенсивность смещений пород кровли и отжима угля с поверхности пласта в забое зависит от способа передвижки секций механизированной крепи. При увеличении скорости крепления с активным подпором кровли от 1.2 до 5.5 м/мин секциями механизированной крепи М-13 8, М-142, М-144 снижается вероятность обрушения кровли в призабойное пространство в 5 раз, а отжим угля с поверхности пласта в забое на — 40−60%. Начальный распор секций механизированной крепи составляет 50−80% рабочего сопротивления крепи и уменьшается при увеличении мощности пласта.
11. Установлены закономерности сдвига периодов интенсификации процессов метановыделения и обрушения пород кровли в длинных КМЗ. Увеличение скорости подвигания КМЗ приводит к смещению зоны повышенного метановыделения от очистного забоя в выработанное пространство. При отработке свиты высокогазоносных угольных пластов тонких и средней мощности с устойчивой кровлей газовый коллектор формируется в выработанном пространстве на расстоянии 1,0−1,5 шагов обрушения основной кровли по периметру угольного массива. Это позволяет при многоштрековой подготовке и интенсивной отработке выемочного столба создать систему газоотводящих каналов, соединенных сбойками с выработками в угольном массиве, без сохранения выработок для повторного использования на границе с выработанным пространством. Рекомендуется при интенсивной отработке выемочного столба направлять свежую струю воздуха только по выработкам, пройденным в угольном массиве, а после первого обрушения пород налегающей толщи на расстоянии от забоя до монтажной камеры (0.6−1.0)Н (Н — глубина разработки) газоотсос проводить через выработки, примыкающие к выработанному пространству, причем объем метановоздушной смеси должен составлять менее 50% общего расхода воздуха в выемочном участке.
12. Разработана и реализована в виде эталонного паспорта выемочного участка методика конструирования и обоснования параметров технологической схемы выемочного участка. Достоверность алгоритма обоснования параметров технологической схемы выемочного участка проверена в шахтных условиях и установлено, что отклонение расчетных и фактических показателей составляет в среднем: по нагрузке на очистной забой ± 5.8%- по производительности труда ± 9.6%- фактическая участковая себестоимость оказалась ниже расчетной на 20.2%.
13. Комплексная методика прогнозирования параметров технологической системы производственного объединения реализована в проекте строительства Ульяновского участка Ерунаковского месторождения, что позволило получить следующие проектные показатели: мощность шахты 3000 тыс. тсебестоимость добычи угля 83 руб./тсрок окупаемости инвестиций — 6.7 года.
14. Реализация результатов исследований и разработанных рекомендаций на 10 шахтах ОАО «УК «Кузнецкуголь» в течение 19 981 999 гг. обеспечила рост добычи угля на 1.6 млн. т, повышение производительности труда на 33.3%. Условный экономический эффект от реализации результатов исследований составил в 1999 г. более 90 млн руб.