Актуальность работы.
В настоящее время по поручению Правительства Российской Федерации разрабатывается программа развития угольной отрасли до 2030 г. Предстоящей период реализации программы будет характеризоваться усилением глобальной конкуренции, охватывающей, рынки угля, капиталов, технологий и рабочей силы. По" оценке российских и* зарубежных экспертов. угольная генерация в энергетике России расти не будет. Это ставит перед • угольной', промышленностью вопросы по, решению задач модернизации предприятий^* и< развитию новых технологий* в добыче угля для снижения издержек в-, производстве [13−25].
Обоснованиеположения о перспективности освоения месторождений бурого, угля Канско-Ачинского бассейна исходит из благоприятности горноI геологических условий (мощность пластов до 60 м., их горизонтальное и пологое залегание, низкий коэффициент вскрыши) и изсравнительной оценки качественных показателей с углями других бассейнов.
Вместе с тем, имеющиеся! на крупных угольных разрезах Канско-Ачинского бассейна («Бородинский», «Березовский-1», «Назаровский») производственныемощностипо добыче угля в перспективе не будут востребованы в полном1 объеме. Особо1 затратной оценивается эксплуатация горно-транспортного оборудования большой единичной мощности на разрезе «Березовский-1» ОАО «СУЭК-Красноярск», где загрузка мощных добычных комплексов составляет 20−30% от проектной.
Долгосрочное планирование развития горных работ на примере разреза «Березовский-1» выявило ряд проблем, снижающих эффективность параллельного подвигания фронта работ. Выбытие из производственной мощности 1-го блока, приближение 1Г-го блока к границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ), систематические капитальные затраты на наращивание магистральных конвейеров и, как следствие, простои добычного комплекса на время пусконаладочных работ, удорожание транспортировки угля — определили необходимость модернизации горных работ. Повышение эффективности горных работ возможно в результате перехода на веерное подвигание фронта.
В работах ряда российских учёных показана возможность повышения5 эффективности разработки мощных угольных пластов горизонтального * и пологого залеганийприиспользовании веерного перемещения фронтаработ. Однако, теорияэтого вопроса разработананедостаточно и на отечественных разрезах веерное подвигание фронта ещё не нашло примененияПрименительно к разрезу «Берёзовский-1». переход, на веерноеподвигание позволит: .
• исключить необходимость постоянного наращивания наклонных магистральных конвейеров;
• исключить, строительство дополнительного путепровода под наклонными магистральными конвейераминеобходимого- 11ри• параллельном подвигании фронта работ;
• исключить, горно-капитальные работы по строительству разрезной: и выездной траншей в III блоке—.
• сократить объемы вскрышных работ при отработке II блока по-формированию целика: угля дляразмещениямагистральных конвейеров и организации транспортировки вскрышных пород;
• уменьшить эксплуатационные затраты в ближайший 20-летний, период за счет вовлечения в отработку запасов с меньшим коэффициентом вскрыши;
• стабилизировать расстояние транспортировки угля.
Таким образом, научно-техническая: задача обоснования, рационального? развития технологииразработки мощных угольных пластов с веерным •перемещением фронта является актуальной.
Цель работы. Обосновать возможность и эффективность изменения направления подвигания фронта горных работ в ходе открытой разработки мощных угольных пластов горизонтального и пологого: залеганий.
Идея работы. Эффективность отработки мощных угольных пластов горизонтального и пологого залеганий достигается путём перехода на веерное подвигание фронта горных работ.
Основные задачи исследования.
1. Определить возможность и эффективность перехода с параллельного на веерное подвигание фронта горных работ в ходе разработки мощных угольных горизонтальных и пологопадающих пластов;
2. Разработать алгоритм выбораэлементов веерногоподвигания фронта работ и положения поворотного пункта.
3. Исследовать элементысистемы разработки с веерным подвиганием фронта работ, определить степень изменения технологических параметров:
4. Выявить возможность и эффективность удлинения1 фронта горных работ в случае перехода на веерное его подвигание, а также его по следующего спрямления. •.
5. Определить производительность выемочно-погрузочных комплексов приработе в клиновидном? эксплуатационномблоке, а. также обосновать изменение производственной мощностипредприятия при переходе на веерное подвигание фронта горных работ.
Методы исследований. Изучение и обобщение научно-исследовательских работ, литературных источниковпатентных^ фондовых материалов, ш практического опыта.- Математическое, моделирование показателей технологических процессов горных работ.
Основные научные положения:
1. Веерное перемещение фронтагорных работ при отработке мощных угольных пластов горизонтального и пологого залеганий по поточной технологии возможнопутём реализации принципа параллельности осей хода экскаваторов осям забойных ленточных конвейеров с организацией центрального поворотного пункта.
2. Выемка горной массы техникой непрерывного действия при веерном подвигании фронта работ производитсяклиновиднойзаходкойглавным 5 параметром которой является ее ширина на фланге, а минимальная ширина заходки у поворотного пункта компенсируется проходкой врезной ниши.
3. Стабилизация производственной мощности предприятия при веерном подвигании фронта работ обеспечивается регулированием режима угледобычи, которыйзаключается в расстановке экскаваторов по? длине фронта: работ в забоях с разной шириной или работесмежными заходками.
Обоснованность и достоверность результатовработы подтверждена патентной защитой полученных, решений, применениемсовременных методов исследованийи аналитическихметодоврасчёта, широкой апробацией в. производственных, научных и проектных организациях:
Научная новизна работы:
• доказанавозможность и эффективностьизменение направленияразвития" фронта горных работ в ходе разработки мощных угольных пластов горизонтального и пологого залеганий;
• разработан алгоритм выбора элементов веерного подвигания фронта горных работ и местоположения центрального поворотного пункта;
• сформирован принцип параллельностиосей хода добычных и, вскрышных экскаваторов, а так же забойных ленточных конвейеров, при веерном1 подвигании фронта горных работ;
• выявленаматематическая" зависимость производственной мощностипредприятия" при веерном" подвигании фронта работ от производительности добычного< комплексатипа и ширины добычных заходок, планограммы отработки подготовленных запасов: .
Практическую ценность имеют:
• принципиально новыетехнологические схемы горных работ при веерном подвигании фронта и клиновидных добычныхзаходках (патент РФ на изобретение № 2 394 157);
• технологические решения по регулированию режима добычных работ при веерном подвигании фронта;
• технологические решения по удлинению фронта работ при веерном его подвигании;
• технологические решения по спрямлению фронта работ после перехода на веерное его подвигание.
Личный вклад автора:
• формирование и постановка задач исследований, разработка методики их решения при переходе на веерное подвигание фронта работ;
• разработка технологическихсхем при веерном подвигании с клиновидными и смежными заходками;
• разработка математической модели по определению производственной мощности предприятия, при, веерномподвиганшгфронта горных работ;
• разработка методических положений по способу регулирования режима горных работ;
• разработка методики^ оценки и определения эффективности предложенных технологических решений.
Реализация работы. Технология разработки при веерном подвигании фронта горных работ включена в состав проектной* документации по техническому перевооружению горнотранспортной части разреза «Березовский-1», разработка которой предусмотрена инвестиционной программой «ОАО «СУЭК-Красноярск» в 2011;2012 г. г.
Апробация работы. Содержание работы докладывались на:
• VII международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов», г. Красноярск (2009 г.);
• совещании главных инженеров и технических служб ОАО «СУЭК» по техническому развитию угольных предприятий, г. Владивосток (2010 г);
• научно-практической конференции «Техническое перевооружение карьеров» НТЦ «Горное дело» в рамках мероприятий «Недели горняка" — Москва (2011 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, их них: 4 в изданиях, рекомендованных списком ВАК- 1 патент на изобретение.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 113 страницах машинописного текста, включая 44 рисунка, 17 таблиц и список использованной литературы из 57 наименований.
Выводы. С учетом снижения производительности добычных комплексов при веерном подвигании фронта работ разработаны технологические решения по регулированию режима добычных работ, заключающегося в опережающем запуске одного из экскаваторов, а при достижении минимальной производительности — в запуске второго. Регулирование режима горных работ установлено на основе производительности выемочно-погрузочных комплексов, рассчитанной с учетом чистого времени их работы и времени на вспомогательные операции в зависимости от ширины заходки на конкретном участке фронта работ. «Пиковые» потребности необходимых объемов угля, складывающиеся в зимний период, могут быть выровнены за счет включения в работу смежной заходки. Таким образом, происходит усреднение производительности добычных экскаваторов и обеспечивается стабилизация производственной мощности на примере разреза «Березовский-1» на уровне 11,5 млн. тонн угля в год.
5 Экономическое обоснование эффективности технологических решенийпри веерном подвигании фронта работ.
Определить эффект от предлагаемых технологических решений возможно сравнением вариантов разработки с параллельным и веерным подвиганием фронта работ. Период сравнения ограничивается существующими' решениями действующего Проекта «Реконструкция горно — транспортной части „Разреза „Березовский-1“ с увеличением: мощности с:6−0?до> 14,5?“ шш^тоннс'угля"-' в год» до 2022 года включительно. Экономическое' сравнение вариантов подвигания фронта на последующие периоды некорректно:
Кроме того л в расчете принят ряд условий: транспортирование угля в обоих случаях производится" но существующим* магистральными- четырем забойным- (согласно действующему Проекту) конвейерампроизводительность предприятия, по углю при' параллельном подвигании фронта определяется в рамках действующего проекта и принята 11,5 млн.т. в> год-, производственная мощность при веерном подвигании фронта ограничена максимально возможной-, определенной настоящей работой, и составляет 11,5 млн.т. в год (см. раздел 4.2). Результаты расчетов представлены в таблицах 5.1−5.2.
В^обобщенном расчете выявлены^следующие закономерности: Основной статьей экономии от перехода на= веерное подвигание является исключение затрат наращивания става наклонных магистральных конвейеров. Динамика увеличения коэффициента вскрыши и, как результат, объема вскрышных работ при веерном подвигании фронта ниже, чем при параллельном. Расстояние транспортировки угля при веерном подвигании не меняется в связи с отсутствием необходимости наращивать став магистрального конвейера. Расстояние, транспортировки вскрышных пород во внутренние отвалы увеличивается равномерно в обоих вариантах. Затраты на передвижку забойных конвейеров, приодинаковом количестве передвижек, при верном подвигании меньше на 15% в связи со снижением площади их переноса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
При обоснованииварианта развития горных работ на примере разреза «Березовский-1» в зависимости от геологических, горно-технологических и социально-экономических условий были рассмотрены технологические схемыразработки/вскрышных пород с использованием автотранспортной технологиис экскаваторами, типа механическая лопата, кранлайнами и на добычных работах с применением-.роторных и цепных экскаваторов меньшей единичной1;
МОЩНОСТИ:
Сравнительная? оценка технологических схем. позволила^ установитьнаиболее эффективный вариант при параллельном подвигании фронта работ — это технологическая, схема с применением навскрышных работах, кранлайнов ДШП-25.50 и на добычных — роторных экскаваторов ЭРШРД — 5250. Применение на вскрыше кранлайнов ДШ11−25.50 в совокупности с существующей поточной технологиейнадобычных работах приведет к существенному уменьшению количества" уступов5 ж транспортных берм? и определяет наибольшую эффективность горных работ. Эта схема обеспечивает Имаксимальную экономическую эффективность. Величина чистого дисконтированного дохода, внутренняя норма доходности и индекс доходности в этом варианте наибольшие.
Однако, разработанные технологические схемы горных работ при параллельном подвигании фронта1 с применением различного типа горнотранспортного оборудования не позволяют осуществить техническое перевооружение предприятияиз-за необходимости привлечениязначительных инвестиционных средств на приобретение оборудования, значительной стоимости: и неэффективности эксплуатации конвейерных линийи в этом случае* не исключаетсясистематическая и затратная технологическая операция по наращиванию ставов наклонных магистральных конвейеровпри которой не обеспечивается принцип поточности.
В целях повышения эффективности горных работ рекомендована модернизация горно-транспортной части разреза путем перехода с параллельного подвигания фронта на веерный.
В результате анализа информации о веерном перемещении фронта горных работ установлено, что теоретические основы данного вопроса рассматриваются в основополагающих классификациях систем разработок и рекомендациях ведущих специалистов! в области проектирования главных параметров карьера. Однако, теория этого вопроса разработана недостаточно.
Действующих или завершивших эксплуатацию угольных предприятий с развитием фронта горных работ по вееру с фиксированным поворотным пунктом на территории Российской Федерации и бывшего СССР не выявлено.
В странах мира (Германия, Сербия, Индия) имеются-угольные разрезы, на которых успешно применяется веерное подвигание фронтаработ или комбинация^ применения* параллельного и веерного способов. Главным1 признаком, определяющим выбор веерного способа подвигания фронта работ на разрезах этих стран, является форма карьерного поля.
Применение веерного способа подвигания может диктоваться* и определенными характерными условиями. Например, на разрезе «Березовский-1″ конфигурация» границы санитарно-защитной зоны при параллельном подвигании фронта работ приведет к сокращению длины фронта горных работ на 450 м, что может отразитьсяна производительности-разреза.
В условиях разреза «Березовский-1» при. веерном подвигании фронта работ представляется возможность отказаться от строительства разрезной и выездной-траншей при отработке III блока и сократить объемы вскрыши при отработке II блока по формированию1 целика угля для размещения магистральных конвейеров.
На разрезе «Березовский-1» имеется мощный стационарный погрузочно-транспортный комплекс, находящийся в технологической связи с забоеми по добыче угля и требующим непрерывности производственного процесса.
Таким образом, признаки, определяющие параллельное или веерное подвигание фронта работ в зависимости от получения наибольшего эффекта в каждом конкретном случае при решении задач по выбору оптимального направления подвигания фронта работ, имеют подчиненное значение, которое необходимо установить для этого. Отсюда признак, определяющий способ подвигания фронта горных работ в зависимости от формы карьерного поля при открытой1 разработке, переходит из разряда главенствующего в форму подчиненного значения, а> его* место занимают признаки, определяющие направление подвигания" фронта работ, которые должны" ликвидировать технологическую операцию по систематическому наращиванию ставов главных конвейеров и обеспечить принцип поточности.
Таким признаком является наличие стационарногопогрузочно-транспортного комплекса, находящегося в технологической связи" с забоями по добыче угля, и требующего? обеспечения, непрерывности производственного процесса.
Реализация1 веерного подвигания фронта работ при отработке мощных угольных пластов горизонтального и пологого залеганий возможна путём обеспечения принципа параллельности осей' хода добычных и вскрышных экскаваторов, а так же забойных конвейеров при выемке угляклиновидными заходками и установлении? поворотного пункта в месте перегрузки угля с забойных на наклонные магистральные конвейеры. Указанный принцип и способ < разработки при веерном подвигании фронта работ защищен^ патентом РФ4 [44] и позволяет отрабатывать запасы блоков II и III без наращивания ставов наклонных магистральных конвейеров и создания^ дополнительных вскрывающих выработок.
Перемещение фронта горных работ по вееру производится с центральным поворотным пунктом, расположенным в месте перегрузки угля с забойных на наклонные магистральные конвейера. При переходе от параллельного фронта горных работ к веерному угол поворота фронта будет определяться шириной добычной заходки.
При оценке динамики формирования фронта горных работ при его переходе на веерное подвигание с возможностью вовлечения в эксплуатацию запасов III блока и геометрического анализа карьерного поля разреза «Березовский-1» было установлено:
1. До момента достижения угля поворота фронта работ относительно первоначального (параллельный фронт) — 105° - направление разработки пород и выемка угля осуществляется по падению пласта.
2. В* интервале значений угла поворота фронта работ от 105° до 180? горные работы, ведутся' по восстанию угольного* пласта, что позволяет сформировать постоянную схему водоотлива на весь период' отработки^ запасов НГ блока.
3: При повороте фронта работ на 180° дальнейшая добыча запасов III блока1 осуществляется параллельными заходками. При этом отпадает необходимость в организации^ горно-капитальных работ по строительству выездной^ и разрезной* о траншей с общими объемами выемки горной массы порядка 40 млн. м .
4. Веерный способ подвигания) фронта работ позволяет выравнивать коэффициент вскрыши, за счет частичного вовлечения' запасов с большим коэффициентом"вскрыши по периодам отработки. В результате, в ближайшие 20 < лет представляется возможным сократить объем вскрышных работ по сравнению л с параллельным фронтом на 26 млн. м*.
5.Угол падения пласта по фронту работ (угол наклона' забойных конвейеров) достигает 1° при развороте фронта до 35°. Это позволяет отработать 120 млн. т. запасов без. изменения условий эксплуатации забойных конвейеров. Максимальный угол наклона конвейеров' составляет 2,6° и достигается при развороте фронта на 105°- после чего он снова снижается-и при развороте на 160° снова составит 1°. Таким образом, на участке фронта с разворотом 35°-160° условия эксплуатации забойных конвейеров изменяются и потребуется их модернизация. Вместе с тем, действующие забойные конвейера на разрезе «Березовский-1» эксплуатируются* с исчерпанным остаточным ресурсом их безопасной эксплуатации, поэтому модернизация забойных конвейеров является.
106 проблемой настоящего времени независимо от способа подвигания фронта работ.
6. При веерном подвигании условия эксплуатации роторных экскаваторов не меняются.
Ширина добычной заходки является ключевым параметром в, вопросе перехода от параллельного к веерному подвиганию фронта. При веерном подвигании она имеет клиновидную форму с переменной" шириной, которая снижается от фланга к поворотному пункту от некоторого значения до нуля, что определенно стационарным положением перегрузочного пункта с забойных конвейеров на магистральные. Разработанные технологические схемы позволяют варьировать заходками шириной 60, 75 и 120 м в зависимости от необходимого объемаподготовленных запасов.
Размер ширины рабочей площадки на всей длине фронта работ остается постоянным"и< составляет 113, 125 и 233 м, при ширине добычной заходки на фланге 60, 75 и 120 м соответственно.
Параметры ниши на флангах фронта горных работ при" ширине экскаваторной заходки 60 м не меняется в сравнении с параллельным способом подвигания. При" увеличении ширины заходки до 75 м ниша формируется с дополнительным подшагиванием экскаваторапри смежных заходках ниши в каждого из заходок составляют 60 м. После создания ниши работа осуществляется с перегружателем ПКЗ-5250 до ширины смежной заходки 30 м.
При обосновании параметров внутренних отвалов для минимизации расстояния транспортировки пород рассмотрены 3 варианта внутреннего отвалообразования по условиям дальности транспортировки и сокращения количества ярусов отвала. Наиболее эффективным является вариант с полным заполнением емкости фланговой траншем.
При веерном подвигании фронта работ технологически обоснована возможность удлинения фронта на 600 м, что обеспечивает увеличение производственной мощности разреза на 7−10% с доведением её до 12,5 млн. т. угля в год.
Оптимальным положением для спрямления фронта горных работ (возвращение к параллельному подвиганию) является первый период ведения работ при угле поворота до 5°.
Разработаны технологические решения по регулирования, режима добычных работ, заключающегося в опережающем запуске одного из • экскаваторов, а при достижении" минимальной’производительности — в запуске второго. Регулирование режима: горных работ установлено на основе производительности роторных экскаваторов, рассчитанной с учетом чистого, времени их работьг и времени’на-вспомогательные операции в зависимости от ширины-заходки.на конкретном участке фронта работ. «Пиковые» потребности необходимыхобъемов угляскладывающиеся в зимний период, могут быть выровнены, за счет включения в работу смежнойзаходки. Таким образом происходит усреднение производительности! добычных экскаваторов, № обеспечивается стабилизация производственной мощности предприятияна уровнеТ1,5 млн. тонн угля в-год.
При экономической оценке производственных затрат по вариантам подвигания фронта работ выявлено снижение производственной себестоимости одной тонны угля на 8,5'руб. в пользу веерного способа.
Показатели эффективности, выявленные в пользу веерного, подвигания фронта горных работ при отработке запасов угля II и III’блоков, обеспечивают снижение инвестиционных затрат на 3780 млн руб.
Очевидных причин1 для-отклонения-веерного способа подвигания горных работ в условиях разреза'"Березовский-1″ не выявлено.
Технология/ открытой" разработкимощных угольных пластов горизонтального и пологого залеганий с веерным перемещением фронта горных работ может быть рекомендована к применению при отработке карьерных полей Березовского, Итатского, Абанского месторождений, горно-геологические условия которых аналогичны карьерному полю разреза «Березовский-1».
