Обоснование эффективной технологии разработки угольных пластов с оставлением породы в шахте

Актуальность работы. Важным условием улучшения технико-экономических показателей горнодобывающих предприятий является повышение качества добываемых углей за счет снижения зольности, потому что на шахтах Восточного Донбасса эти значения достигают 35−40%, при зольности угольных пластов 10 — 20%. Это происходит в результате разубоживания угля породой при добыче из очистных забоев и из подготовительных выработок. Особенно это явление очевидно на горнодобывающих предприятиях, разрабатывающих пласты небольшой мощности, где отношение объемов добытой породы к углю значительно выше, чем на шахтах с большей мощностью пластов.

Оставление породы в шахте позволяет уменьшить масштабы загрязнения окружающей среды продуктами горения терриконов, снизить площади, отчуждаемые под складирование твердых отходов, получаемых при обогащении.

В последние годы имела место тенденция снижения объемов добычи за счет разработки пластов меньшей мощности, это привело не только к уменьшению ценности угля за счет увеличения зольности, но и к росту доли условно-постоянных затрат, а значит и к увеличению себестоимости добычи.

Разработка запасов угля законсервированных в различного рода охранных целиках, в целиках под жилыми массивами, промышленными зданиями и отдельными сооружениями, под коммуникациями и охранными объектами, а также списанных из-за неправильного ведения горных работ, запасов в зонах геологических нарушений позволит повысить полноту извлечения. На шахтах Восточного Донбасса эта величина запасов составляет около 200 млн. т высококачественных углей, в том числе коксующихся. Общее количество угля законсервированного в целиках под различными объектами соизмеримо с промышленными запасами действующих шахт, а эти запасы уже вскрыты и не требуют значительных вложений на подготовительно-нарезные работы.

В связи с этим обоснование комплексной технологии разработки угольных пластов с оставлением породы в шахте, а также целесообразности вовлечения в эксплуатацию законсервированных запасов является актуальной научно-технической задачей.

Целью работы, является обоснование эффективной технологии разработки маломощных и средней мощности угольных пластов с оставлением породы в шахте на основе применения комплексов короткозабойного оборудования.

Идея работы, заключается в использовании камерно-столбовой системы для отработки законсервированных запасов и обоснования эффективной технологии добычи угля с оставлением породы в шахте на основе взаимоувязки проходческих и очистных работ.

Методы исследования. Применен комплексный метод, включающий:

— анализ теории и практики применения камерно-столбовой системы разработки и технологии добычи угля с оставлением пустой породы в очистных забоях;

— имитационное моделирование на ЭВМ для оценки состояния вмещающих пород:

— статистическую обработку данных по изменению напряжений в массиве, смещению (прогибу) непосредственной кровли и смятию междукамерных целиков;

— технико-экономические расчеты вариантов при применении различных технологий;

— апробация результатов исследований в производственных условиях.

Научные положения, выносимые на защиту:

— схема раздельной выемки угля для подготовительно-нарезных работ с применением короткозабойного оборудования при оставлении породы в камерах, отрабатываемых параллельно штреку;

— обоснована технология отработки законсервированных запасов камерно-столбовой системой разработки и установлены ее параметры;

— разработана имитационная модель камерно-столбовой системы и с помощью метода конечных элементов изучены смещения и напряжения, возникающие в массиве;

— разработана методика оценки технологии добычи угля с учетом его качества;

— установлены зависимости изменения качества добываемых углей на выход концентрата при обогащении, на расход кокса для получения чугуна, на производительность доменных печей и подсчитан полный эффект от возможного снижения зольности и серы с учетом всех стадий.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

— разработаны варианты технологии выемки угольных пластов с оставлением породы в камерах на основе применения комплекса короткоза бойного оборудования:

— разработана методика оценки эффективности технологии добычи угля с оставлением пустой породы в шахте, учитывающая требования рыночной экономики;

— изучены зависимости изменения технико-экономических показателей нового варианта по сравнению с базовым: производственной мощности шахтысебестоимости добычи с учетом снижения доли условно-постоянных затрат, извлекаемой ценности добываемого угля с учетом изменения выхода концентрата;

— впервые изучено влияние зольности и содержания серы на выход концентрата при обогащении, на расход кокса для производства чугуна и подсчитан полный экономический эффект от повышения качества добываемых коксующихся углей.

Практическое значение работы:

— предлагаемая технологическая схема добычи угля на основе корогкозабойного оборудования, которую можно применять как при выемке длинными столбами для проходки выработок с проведением параллельно камеры, отрабатываемой на всю мощность пласта, в которую затем складируется отбитая порода от подрывки кровли штрека, так и для очистных работ при камерно-столбовой системе разработки;

— применение камерно-столбовой системы для разработки законсервированных запасов, находящихся в зонах охранных целиков, списанных из-за геологических нарушений, неправильного ведения горных работ позволит значительно повысить полноту извлечения угля из недр без значительного увеличения расходов на добычу, так как многие участки не требуют больших затрат на вскрытие и подготовку, потому что они расположены в пределах уже вскрытых и подготовленных шахтных полей;

— комплекс предлагаемых мероприятий позволит значительно улучшить технико-экономические показатели по шахте, а также снизить затраты на обогащение, транспорт, отвалообразование;

— оставление породы в шахте уменьшит загрязнение атмосферы продуктами горения терриконов, под складирование породы будут отчуждаться гораздо меньшие площади земельных угодий.

Достоверность научных исследований, выводов и рекомендаций подтверждается:

— анализом представительного объема статистических данных угольных шахт и обогатительных фабрик;

— большим объемом расчетов на основе экономико-математических моделей;

— применением теории вероятности и математической статистики;

— результатами опытной проверки отдельных решений.

Реализация работы. Исследования проводились в соответствии с плановой тематикой в рамках комплексной межвузовской программы «Экологически чистое горное производство», а также по двум грантам Минобразования РФ. На основе предложенных методик применительно к условиям разработки угольных месторождений шахт Восточного Донбасса на примере шахты «Западная» АО Туковутоль" решены задачи по повышению качества добываемых углей на основе применения камерно-столбовой системы разработки.

Материалы исследований используются также в учебном процессе горных вузов (учебное пособие с грифом УМО)5 а также при дипломном и курсовом проектировании в Южно-Российском государственном техническом университете (НИИ).

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и одобрены на II и III международных научно-технических конференциях по проблеме «Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых''. г. Новочеркасск, 1995, 1997 гг.- на региональной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы разработки твердых полезных ископаемых Юга России», г. Шахты. 1998 г.- на научно-технических конференциях Новочеркасского государственного технического университета, Новочеркасск, 1996, 1997, 1998, 1999 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в двух разделах учебного пособия «Оптимизация вскрытия и подготовки при подземной добыче руд» (с грифом УМО по горному образованию Минобразования РФ), Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 1999 г. а также в 10 статьях.

Объем работы. Диссертация объемом 149 с. состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, содержит 27 рисунков, 14 таблиц и 2 приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Вчу л ч" о диссертационном раооте дано новое решение актуальной научной задачи, состоящей в разработке эффективной технологии добычи угля с оставлением породы в шахте, что имеет существенное значение для повышения ценности угля. Эта технология позволяет вести разработку законсервированных запасов камерно-столбовой системой, что значительно увеличит производственную мощность шахты, снизит себестоимость добычи за счет уменьшения доли условно-постоянных затрат, снизит потери угля. В целом комплекс мероприятий позволит получать прибыль значительно более высокую, чем при существующих технологиях добычи.

Основные научные выводы и рекомендации.

1. Оставление породы в шахте от проведения подготовительных выработок по предлагаемой схеме позволит значительно повысить извлекаемую ценность угля за счет снижения зольности с 32% до 23 — 24%.

2. Оставление породы в шахте позволит сократить затраты на транспорт и обогащение, гак как в этом случае не требуется перевозка по горным выработкам, подъем, транспортирование до обогатительной фабрики, обогащение и отвалообразование пустых пород.

3. При оставлении породы в шахте уменьшится загрязнение атмосферы и окружающей среды продуктами горения терриконов, снизятся площади отчуждаемые под терриконы земель.

4. Выполненные исследования позволили установить, что применение камерно-столбовых систем разработки, несмотря на значительные потери угля, высокую стоимость короткозабойного оборудования за счет более высокой производственной мощности шахты и ценности угля экономически выгодно.

5. Установлено, что применение анкерной крепи позволит значительно уменьшить зону растягивающих вертикальных напряжений в кровле камеры, а следовательно повысить устойчивость кровли камер.

6. Определены закономерности изменения прибыли горнодобывающего предприятия на основе анализа ценности угля и себестоимости добычи и установлено, что наибольший экономический эффект применения технологии с оставлением породы в шахте достигается при разработке пластов мощностью до 1,38 м.

7. Установлено влияние качества коксовых углей на выход концентрата при обогащении, на расход кокса и производительность доменных печей для получения чугуна.