Технолого-экономические основы совершенствования способов разработки тонких пластов и освоения непромышленных угольных месторождений

Целью работы является совершенствование технологических схем горных работ и оптимизация их параметров для повышения эффективности разработки тонких и сложноструктурных пластов на базе использования установленных комплексных закономерностей и изучения факторов, существенно влияющих на качество функционирования всей системы шахты в условиях освоения непромышленных угольных месторождений, расположенных в регионах потребления угольной продукции, а также установления технико-экономических условий, эффективных технологических схем и их параметров в соответствии с рыночными требованиями.

Идея диссертации заключается в реализации методического положения, обосновывающего возможность повышения эффективности разработки тонких и сложноструктурных пластов и минимизации затрат путем совершенствования технологических схем горных работ, обеспечивающих сокращение физического объема работ, перехода шахт на закладку породы в выработанное пространство, а при разработке непромышленных угольных месторождений в регионах потребления угольной продукции путем сокращения транспортных расходовиминимизации затрат всей инфраструктуры. ' ''" ''" .

Методы исследования. При выполнении работы были использованы методы технико-экономического анализа и обобщения, технолого-экономического моделирования с реализацией на ПЭВМ, — производственные эксперименты, методы геомеханики, математической статистики и линейного программирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерность проявления комплекса факторов — экономических, геомеханических, экологических и газодинамических, определяющих качество функционирования угольных шахт и их подсистем при разработке тонких и сложноструктурных пластов [1−8,12,20].

2. Технологические схемы разработки тонких и сложноструктурных— пластов с закладкой выработанного пространства и методы оптимизации их параметров [5, 6].

3. Установленные закономерности геомеханических процессов при закладке выработанного пространства породой и способы управления ими для регулирования конвергенцией кровли выработки за счет плотности закладочного массива [8, 12,15,20, 21].

4. Типизация выемочных полей тонких и сложноструктурных пластов и технологические схемы очистных работ для их разработки за счет совершенствования технологии по принципу шахта-пласт и шахта-лава, а для ограниченных размерами участков (локальных) — отработкой короткими лавами без проведения нарезных выработок и демонтажных работ очистных комплексов [12,16,17,18,20, 21].

5. Технолого-экономическая оценка и установление критериев эффективной разработки и использования углей, месторождений Казахстана [17, 20,21]., о .

6. Технолого-экономическая модель совокупных затрат на разработку, транспортировку, переработку и экологическдго ущерба при, использовании энергетических углей на электротеплоцентралях и для коммунально-бытовых нужд, позволяющая определить эффективность освоения новых непромышленных угольных месторождений в регионах потребления угольной продукции [17,20].

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

• применением апробированных методик и закономерностей, используемых в геомеханике горных пород, экономике и экологии;

• достаточным объемом шахтных экспериментов (шахты им. Байжанова, «Саранская» и «Казахстанская»), реализацией результатов исследований и рекомендаций в проектах угольных шахт;

• положительными результатами, полученными при опытно-промышленных испытаниях и внедрении технологических схем и рекомендаций по рациональному использованию углей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• установлены закономерности проявления комплекса факторов, определяющих качество функционирования угольных шахт и их подсистем при разработке тонких и сложноструктурных пластов с закладкой выработанного пространства [1−8, 12, 20];

• установлены закономерности проявления геомеханических процессов при разработке тонких и сложноструктурных пластов с закладкой выработанного пространства [8,12, 15,20];

• выполнена типизация выемочных полей по их размерам и даны предложения по совершенствованию технологических схем разработки тонких и сложноструктурных пластов;

• дана технолого-экономическая оценка условий разработки угольных месторождений Казахстана и разработаны основные направления использования угольной продукции [17,20, 21];

• разработана технолого-экономическая модель совокупных затрат на добычу, транспортировку, переработку и снижение экологического ущерба при использовании энергетического угля, позволяющая определить эффективность освоения новых непромышленных угольных месторождений в регионах потребления угольной продукции [17,20,21]. :

Научное значение работы заключается в разработке научных основ, методических принципов и направлений совершенствования технологии разработки тонких и сложноструктурных пластов с закладкой выработанного пространства и освоении новых непромышленных угольных месторождений в регионах потребления угольной продукции в условиях рыночных отношений.

Практическое значение работы заключается:

• в разработке новых, более эффективных технологических схем и их оптимальных параметров, обеспечивающих эффективную разработку тонких и сложноструктурных пластов с закладкой выработанного пространства [5, 6, 20];

• в разработке программного обеспечения технолого-экономической модели совокупных затрат на добычу и использование энергетических углей и рекомендации по освоению непромышленных угольных месторождений в регионах потребления угольной продукции в условиях рыночных отношений [17,18,20, 21].

• в разработке, методических рекомендаций по планированию разви-, тия угольной промышленности Казахстана в новых экономических условиях;

• в составлении рациональной программы и перспективных планов развития угольного энергетического сырья Казахстана.

Реализация {работы. Основные научно-технические рекомендации и предложения по совершенствованию технологии разработки тонких и сложноструктурных пластов реализованы: в региональной программе. «Сары-Арка», одобренной Советом министров Республики Казахстан в.

1996 годув проектах развития шахт ПО «Карагандауголь» — на действующих шахтах ПО «Карагандауголь» при разработке тонких пластов [12, 20].

Технолого-экономическая оценка условий разработку угольных месторождений Казахстана и технолого-экономическая модель совокупных затрат добычи, транспортировки, переработки и экологического ущерба использованы: Министерством энергетики, индустрии и торговли Республики Казахстан приразработке перспективных планов развития угольного, энергетического сырьяАО «Карагандагипрошахт» при разработке проектов освоения новых непромышленных угольных месторождений в регионах потребления угольной продукции [20, 21], УД АО «Испат-Кармет» при создании высокопроизводительных лав по принципу шахта-лава., ¦, «—.г- ¦. ."^''^л.

Апробация работыРезультаты работы докладывались и получили одобрение на научно-техническом Совете ПО «Карагандауголь» (19 831 994 г. г.) й АО «Карагандагипрошахт» (1988;1997 гх.), на учёном Совете / КНИУИ (КазНИУИ) (1990;1998 г. г.), на научно-техническом Совете Министерства ' энергетики, индустрии и торговли Республики Казахстан (1998;1999 г. г.), на заседании ученого Совета ИГД им. Кунаева НАН РК (1993;1994 г. г.), на международных и Республиканских научно-технических конференциях (1993;1994 г. г.), на кафедрах РМПИ КарГТУ (1997;1998 г. г.), на расширенном семинаре ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Ско-чинского (1999 г.).

Публикация. Основное содержание диссертации в форме научного доклада изложено в 21 опубликованных работах-, в том числе 4 монографиях, 14 научных статьях, 3 авторских свидетельствах на изобретение.

Автор выражает благодарность ученым и специалистам Карагандинского Государственного технического университета, ПО «Карагандауголь», АО «Карагандагипрошахт», ИГД им. Кунаева НАН РК и другим за оказанное содействие в проведении исследований. РОСЧЯЙСКіИ.

ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ.

1 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ТОНКИХ И СЛОЖНЫХ ПО СТРУКТУРЕ ПЛАСТОВ.

1.1 Общие положения.

Карагандинский угольный бассейн располагает ценными коксующимися углями марок КЖ, К и КС. Для их разработки были построены й эксплуатировались в разные периоды более 65 шахт и добыто около 1.8 млрд. тонн угля. В настоящее время в бассейне действуют только 8 шахт угольного департамента АО «Испат-Кармет» для добычи коксующихся углей в объеме около 8' 10 млн. т в год и 3 шахты AO «Караганда^ комыр» для добычи энергетических углей. На шахтах, добывающих коксующиеся угли, в основном выработаны наиболее ценные запасы мощных и средней мощности пластов. марок КЖ и К и в ближайшие годы необходимо разрабатывать, тонкие пласты. Перспективные шахтные поля в Карагандинском бассейне — на Дубовском и Тентекском участках, и новые Завьяловское и Самарское месторождения с коксующимися углями (в 8090 км от г. Караганды), запасы которых составляют около 800 млн. т, также представлены в основном тонкими пластами. Разработка тонких пластов осложнена многими неблагоприятными условиями: необходимость селективной выемки сложных пластов с раздельной выдачей породы, высокой газообильностью выработок, ограниченное рабочее пространство в очистных забоях, необходимость организации отвального или закладочного" хозяйств, нанесение экологического ущерба и др. Поэтому возникла проблема создания способов освоения новой или усовершенствованной технологии добычи угля, обеспечивающей высокую эффективность ее применения на тонких и сложноструктурных пластах с оставлением породы в выработанном пространстве. Эта проблема приобретает особую актуальность для угольной отрасли Республики Казахстан [1−8, 12, 17, 20].

Одним из основных вопросов в этой проблеме является оставление породы от проходки горных выработок и от селективной выемки в выработанном пространстве, и этим вопросом, как уже упоминалось, занимались многие научно-исследовательские институты — ИГД им. А.А.Скочин-ского, ИГД им. Кунаева HAH PK, КНИУИ, ИПКОИ РАН, ДонУГИ и другие [12]. Для условий Карагандинского бассейна проблема оставления породы в шахте наиболее многопланово была поставлена Роговым Е. И. и Давыдовым Ю. Н. Однако, в указанных работах в недостаточном объеме учитывались проблемы экологии, связанные с размещением породы и золы в отвалах, с выбросом вредных веществ, особенно при использовании высокозольных углей, и необходимость совершенствования технологических схем очистных работ в связи с созданием высокопроизводительных лав по принципу шахта-лава [18,20].

1.2 Закономерности проявления комплекса факторов и совершенствование технологических схем разработки тонких пластов.

В работах [1−8, 12, 20] ¡-определен комплекс технологических, экономических и экологических факторов существенно влияющих на эффективность разработки тонких й сложных по структуре пластов. При этом установлено, что все поля действующих шахт Карагандинского бассейна по их размерам по простиранию и падению (наклонная высота горизонта) можно разделить наследующие две группы:

I группа — шахты, имеющие размеры поля по простиранию менее 3.54.5 км с непроходимыми тектоническими нарушениями, сориентированными по падению пласта, и по падению — менее 1.0−1.5 кмна таких шахтных полях невозможно применять технологические схемы очистных работ с оптимальными параметрами столбов (2.5−3.5 км) и такие поля названы полями с ограниченными размерами или «локальными участками» ;

II группа — шахты, имеющие поля по простиранию 5−6 км при ограниченных размерах по падению (1.0−1.5 км) — на таких шахтных полях возможно применение технологических схем очистных работ с оптимальными размерами столбов по простиранию.

Результаты анализа показывают, что большинство шахт бассейна относятся к I группе и только шахты им. Калинина, «Саранская» (после объединения трех шахт «Сокурская», «Саранская» и «Актасская»), «Тентекская» и им. Костенко (после объединения с шахтой «Карагандинская») относятся ко II группе [20].

Проблема выбора рациональной технологии и оптимальных параметров разработки тонких и сложноструктурных пластов представляет сложную технолого-экономическую, геомеханическую и экологическую задачу. При этом необходимо учесть газодинамические явления на глубоких горизонтах и необходимость создания безопасных и комфортных условий работы в ограниченных пространствах маломощных пластов при высокой метанообильности. Все эти и другие проблемные вопросы были рассмотрены в работах [17,18,20,21].

Результаты исследований [17, 20] свидетельствуют, что если учесть весь комплекс факторов, связанных с выдачей породы и отвалообразова-нием — подземный и наземный транспорт, подъем, отвалообразование, плата за землю, экологический ущерб и т. д., то закладка породы, получаемой от проходки, селективной выемки и других источников, в выработанное пространство на 20−30% выгоднее, чем выдача ее на поверхность (рис. 1). Кроме того, оставление породы под землей обеспечивает экологическуючистоту технологии разработки тонких пластов. Эти экономический и экологический факторы послужили основой для совершенствования технологии разработки тонких и сложноструктурных пластов с закладкой породы в выработанное пространство.

Суммарный годовой эффект от закладки пород в выработанное пространство определяется по формуле [20]: «.

Стоимость отвалообразования и закладки породы.

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0.

Мощность пласта, Т.

Рис. 1.

1,2- стоимость соответственно отвалообразования й Закладки при 8=15,75 кв. м;

3,4- стоимость соответственно отвалообразования и закладки при 8−12.0 кв. м;

5, 6 — эффективность закладки выработанного пространства • соответственно при 5=15.75 кв. м и 8=12.0 кв.м. э. з.

Огр+(^тр]тр)+(сіп +суд +сот+сжс,.

О, ~*ПК (1) где С|Тр, С2тр, Сіп, С2л — стоимостные параметры соответственно на транспортировку и подъем породы, тнг. на 1 т;

1тр, Ь&bdquo- - длина транспортировки и высота подъема, кмСот — стоимость транспортировки и отвалообразования, тнг. на 1 т;

Сэк — ущерб от загрязнения воздушного. и водного бассейнов (штрафные санкции), тнг. на 1 т;

Ср — расходы за отвод земель на отвалообразование за 1 м², тнг.- у — объемный вес породы, т/м3;

К — коэффициент разрыхления породы;

Н — высота отвала, м;

С3 — затраты на закладку породы, тнг. на 1 т;

О, — объем закладываемой породы, т/год.

1.3 Закономерности проявления геомеханических процессов и совершенствование технологии разработки тонких и сложноструктурных пластов.

В работах [5, 12, 20] приведены полученные нами закономерности влияния геомеханических процессов, связанных с закладкой породы в выработанное пространство, на условия поддержания выработок в зоне влияния очистных забоев. Йсследования проводились на моделях методом конечных элементов и в натурных условиях на шахте им. Байжанова ПО «Карагандауголь». Исследования на моделях и в натурных условиях показали, что напряженно-деформированное состояние массива пород «вокруг поддерживаемых выработок при закладке пород в выработанное пространство на 20−30% меньше, чем без закладки, что создает благоприятные условия для управления конвергенцией кровли выработки за счет регулирования плотности закладываемого массива и обеспечивает надежную изоляцию выработанного пространства. На основании выявленных совокупных факторов экономического, экологического и геомеханического характера рассмотрены различные варианты технологических схем очистных работ для разработки тонких и сложноструктурных пластов для 1-ой и П-ой групп выемочных полей!

Для эффективной разработки локальных участков (I группа) разработаны следующие варианты технологических схем очистных работ [12,20]:

• варианты технологических схем очистных работ с проведением поддерживаемой выработки за лавой и размещением породы от проходки в выработанное пространство в виде бутовых полос (рис. 2);

• варианты технологических схем с короткими очистными забоями (30−40 м) для разработки сложных по структуре пластов с селективной выемкой породы и размещением ее в выработанное пространство (рис. 3). Эта технологическая схема достаточно полно исследована в шахтных ловиях (шахта им. Ленина, комплекс ОКТ-1), где изучены геомеханические процессы и шаг обрушения основной кровли, условия проветривания, особенно в зоне создания поддерживаемой выработки. При этом установлено, что длина очистного забоя должна быть кратной шагу обрушения основной кровли (18−22 м). Только в этом случае обеспечиваются благоприятные условия для поддержания вновь создаваемой выработки [12]. По результатам исследований технологической схемы с комплексом ОКТ-1 разработан новый очистной комплекс КТ-Д — комплекс «Тентек» с двухсторонним направлением работы. Технико-экономическое обоснование (ТЭО) и техническое задание (ТЗ) на создание КТ-Д были согласованы с соответствующими организациями и утверждены б. МУП СССР в установленном порядке. Комплекс КТ-Д состоит из гидрофицированной механизированной крепи поддерживающего типа, очистного комбайна-, изгибающего углового конвейера и закладочного шнека! Отличительной особенностью комплекса является возможность двухстороннего действия крепи. После отработки столба механизированная крепь перемещается своим ходом в.

Вариант технологической схемы разработки тонких пластов.

— струя свежего воздуха (2) — закладочная машина струя отрабсгганного воздуха 3 — временная крепь ш — проходческий комбайн 4 — очистной мех комплекс.

Рис. 2.

Технологическая схема очистных работ с комплексом КТ-Д для выемки сложных пластов с закладкой выработанного пространства.

— /.

А,.

1 — очистной комплекс КТ-Д- 2- закладочная машина.

Рис 3 новую монтажную камеру следующего столба. При этом только очистной комбайн, конвейер и закладочный шнек перемонтируются для отработки нового столба в обратном направлении.

Предложенные технологические схемы очистных работ I группы шахтных полей для разработки тонких пластов, основанные на сокращении объема проводимых выработок в 2−3 раза, монтажно-демонтажных работ очистных комплексов в 4−5 раз, закладке пород от проходки и селективной выемки в выработанное пространство, обеспечивают высокую экономическую эффективность и экологическую чистоту [20]. Однако эти варианты технологических схем разработки локальных участков по условиям надежного проветривания могут быть применены только на верхних горизонтах, где пласты имеют небольшую газоносность, а шахты — небольшую газообильность (до III категории).

Для II группы шахтных полей предложены [20] следующие варианты высокопроизводительных технологических схем очистных работ по принципу шахта-лава [20,21]:

• технологическая схема очистных работ с проведением нарезных выработок широким ходом с закладкой породы в выработанное пространство и полевым этажным штреком (рис. 4) — эта технологическая схема рекомендована для пластов и спутников с высокой газоносностью и при необходимости проведения полевого штрека по другим причинам, например, при разработке пожароопасных пластовналичие полевого штрека позволяет дегазировать куполы обрушенных пространств дегазационными скважинами, пробуренными из него;

• при отсутствии полевого штрека для высокогазоносных пластов проводится дополнительный штрек (рис. 5 в), который служит для подачи воздуха и дегазации обрушенного пространства (вариант шахты «Саранская»);

Технологическая схема очистных работ с нагрузкой 5.000−8000 т/сут (Вариант с полевым этажным штреком) — ¦¦. ¦

О. О ' О & О. ^ ^ у. о ¦ 0.. о ¦.• '.• о.

К' • а ¦ ¦. О. ¦ •.: •. / о ' •.' о. ' о. ' о. • о. р. о. .о.

Мли на стс.5а 2500−5500лГ и.

Рис. 4.

1 — этажный полевой штрек- 2 — бутовые полосы- 3 — очистной комплекс.

• технологические схемы очистных работ с проведением (рис. 5 а) и без проведения (рис. 5 6) нарезных выработок широким ходом для малогазоносных пластовфис.5 а, в).

Во всех технологических схемах для высокогазоносных пластов предусматривается пластовая дегазация бурением дегазационных скважин длиною до 1 ООО-1500 м.

Эти технологические схемы очистных работ обеспечивают эффективную разработку тонких пластов только при высокой нагрузке на лаву — не менее 4000−6000 т/сутки.

По предложенным вариантам технологических схем очистных работ и выемочного участка, в том числе без предварительного проведения нарезпроходки и селективной выемки сложных пластов, определены их оптимальные параметры по критерию минимума приведенных затрат (С+ЕК)->шт [12,20,21].

Исследования показывают [12, 20], что затраты на разработку тонких пластов традиционными способами, при равных условиях, всегда больше, чем при разработке мощных и средней мощности пластов. Поэтому, при переходе шахт Карагандинского бассейна на разработку тонких пластов в условиях рыночных отношений необходимо создать и внедрить новые более эффективные технологии, обеспечивающие выпуск конкурентоспособной угольной продукции. В работе [20] обосновано, что высокая техно-лого-экономическая эффективность при разработке тонких и сложных по структуре пластов может быть достигнута только при внедрении высокопроизводительных лав по принципу шахта-лава с технологическим оборудованием, имеющим гарантированные ресурсы на 10−15 млн. т и производительность, в 10−15 раз превышающую производительность оборудования, применяемого в настоящее время. Исследования [20, 21] показывают, что область применения высокопроизводительных лав с оптимальными Варианты технологических схем очистных работ а) Вариант проведения выработок с закладкой породы б) Вариант проведения выработок без закладки породы в) Вариант проведения дополнительной выработки для вентиляции и дегазации ' р-Зіт ГІЇ II 1 1 |І II.

Рис. 5 параметрами (длина столба не менее, 2.5−3.5 км) в условиях Карагандинского бассейна весьма ограничена. В перспективе угли марки КЖ и К могут быть получены только при разработке тонких и сложных по структуре пластов Долинской и Тентекской свит в Тентекском районе на шахтах им. Ленина. «Казахстанская» и «Тентекская», в Карагандинской свите — на шахтах им. Костенко, объединенной с шахтами «Стахановская» и «Карагандинская», и на шахте «Саранская», объединенной с шахтами «Сокурская» и «Актасская». В работе [12] даны основные принципы и методы определения «базовой шахты» на основе «индекса старения технического уровня» для осуществления технологического объединения шахт. Основные рекомендации по реструктуризации шахтного фонда Карагандинского бассейна на основе объединения смежных шахт приняты и частично реализованы (шахта им. Костенко, шахта «Саранская») в региональной программе «Сары-Арка», одобренной Советом Министров Республики Казахстан и Министерством энергетики, индустрии и торговли Республики Казахстан при разработке перспективных планов развития угольного энергетического сырья.

В работах [5, 6, 7, 10, 11, 12, 17, 20, 21] на основе выявленных закономерностей, существенно влияющих на комплекс технолого-экономических, геомеханических и экологических факторов, определены основные методические принципы совершенствования технологии разработки тонких и сложных по структуре пластов по следующим направлениям:

• сокращение объема проводимых и поддерживаемых выработок в 23 раза на 1000 т добычи угля за счет создания нарезных выработок и крепления части выработанного пространства очистного забояэтот вариант технологической схемы очистных работ рекомендован для выемочных участков, где невозможно применять оптимальйые параметры из-за ограниченности размеров [10, 11, 12, 17, 20, 21]- ¦

• создание высокопроизводительных технологических схем разработки попринципу шахта-лава с нагрузкой 4000−8000 т/сутки с параметрами: длина лавы — 200−300 мдлина столба 2.5−3.5 км [б, 7, 12, 17, 20, 21];

• вовлечение в разработку некондиционных по мощности пластов со сложной структурой, имеющие высокое технологическое’качество отдельных угольных пачек, разделенных породной пачкой, вынимаемой селективно [11, 12, 17, 20,21];

• закладка пустых пород от проходки, селективной выемки и других источников в выработанное пространство в виде бутовых полос, обеспечивающих надежную изоляцию выработанного пространства и смягчающих геомеханические процессы [5, 6,12,17,20,21].

Реализация методических принципов совершенствования технологии разработки тонких и некондиционных сложных по структуре пластов, теоретические и экспериментальные исследования показали, что предложенные варианты технологических схем очистных работ с высокой нагрузкой и оптимальными параметрами обеспечивают высокую эффективность и конкурентоспособность угольной продукции в условиях рыночных отношений. В результате разработка тонких и некондиционных сложных по структуре пластов становится экономически выгодной.

2 ТЕХНОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСЛОВИЙ РАЗРАБОТКИ И ОСВОЕНИЕ НОВЫХ НЕПРОМЫШЛЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В РЕГИОНАХ ПОТРЕБЛЕНИЯ УГОЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ.

2.1 Методические положения и критерии оценки эффективности разработки и использования энергетических углей.

Из большого количества угольных месторождений Казахстана одни имеют по своим запасам и качеству промышленное значение, а другиенет. В современных условиях понятие «промышленное значение месторождения» в значительной мере не соответствует сложившимся условиям разработки месторождений, например, в Западных районах/Казахстана, где отсутствуют угледобывающие предприятия и где приходится для коммунально-бытовых нужд привозить уголь из Центрального Казахстана на расстояние более 2500−3000 км. При этом расходы на перевозку 1 т угля превышают стоимость угля в 2−3 раза. В таких условиях месторождение с запасами 10−20 млн. т, считавшееся ранее не имеющим промышленного значения, приобретает новое качество. Поэтому, для удовлетворения местных потребностей в количестве 100−500 тыс. т угля в год может оказаться выгоднее разрабатывать такие «непромышленные месторождения», чем. перевозить уголь с дальнего расстояния.

Наиболее важными показателями, определяющими эффективность разработки угольных месторождений, являются [12,20]:

• потребительское качество угольной продукции и ее цена, причем цена угля должна быть значительно выше полной себестоимости, только в этом случае предприятие может получить определенный доход;

• капитальные затраты на строительство угольного предприятия и срок их окупаемости;

• технология разработки и переработки угля должна обеспечивать охрану окружающей среды и не должна наносить вред воздушному и водному бассейнам.

• обеспечение безопасных условий труда.

Для определения дохода предприятия предложена формула [12,20,21]:

Д = (Ц/-сн§ Ч-Ан^, (2).

Хц V у где Цу — цена 1 т условного топлива, тенге;

С&bdquo- - полная себестоимость 1 т топлива, тенге;

А&bdquo- - количество натуральной товарной продукции угля, т;

2У — теплотворная способность условного топлива, МДж/кг, Оу = 29.3 МДж. кг;

3″ - теплотворная способность натурального топлива, МДж/кг.

Если строительство угольного предприятия осуществляется за счет ежегодного банковского кредита К, с банковской ставкой Е в течение I лет, то суммарные затраты составят:

Ек = ?к-(1+Е)'-', (3).

1=1.

Эти затраты должны окупаться за счет дохода предприятия в течение.

Тд?к,(1 + Е)'-' лет-. (4) Д где Тд — допустимый срок окупаемости инвестиций. Для угольных шахт и разрезов, осваивающих непромышленные угольные месторождения в регионах потребления можно принять 'Г, = 3−5 лет;

1 — продолжительность строительства, лет;

1 — год получения и вложения инвестиций (от начала строитель-: ства).

Очевидно, если Т < Тд, то строительство угольного предприятия экономически выгодно.

Как известно, основные угледобывающие предприятия расположены в Центральном Казахстане — в Карагандинской и Павлодарской областях. Из-за высоких транспортных расходов перевозка угля в отдаленные западные, южные и восточные районы Казахстана становится настолько высо-. кой, что выгодно разрабатывать небольшие близлежащие угольные месторождения на местах потребления угля с более высокими капитальными и эксплуатационными затратами. Очевидно, в этом случае эффективность разрабЬтки местных угольных месторождений будет определяться из выражения: снм-анм.(сн + стр) а, при условии: анм-ОНМ=ан (6) где Снм, С,&bdquoАнм, Ан, Qнм, Qн — соответственно полная себестоимость 1 т угля (тенге), количество (тонн) и теплотворная способность (МДж/кг) натурального местного и привозного угля- ———Стртранспортные расходы на перевозку 1 т угля от производителя до потребителя, тенге.

Условие (6) связывает равные количества тепла из натурального местного и привозного угля.

Стоимостные параметры на перевозку угля железнодорожным транспортом определяются [17, 20]:

Сгр = Ч:-1 + Я2> (7) где д|, — стоимостные коэффициенты по транспортировке угля (железнодорожный транспорт). По нашим исследованиям, при существующих в настоящее время тарифах д! — 0.41, ' = 95.21;

I — расстояние транспортировки, км.

Приведенные критерии позволяют выбрать наиболее эффективные варианты развития действующих и строительства новых угледобывающих предприятий.

Под эффективностью использования угольной продукции подразумевается экономическая целесообразность использования углей на выработку единицы терла или электроэнергии у потребителя с учетом всех.затрат.

Теплоэлектростанции, работающие на угле, расположены вблизи населенных пунктов для обеспечения централизованного теплоснабжения. На них в основном применяется пылевидное сжигание топлива. Вследствие недостаточной доли обогащения энергетических углей большинство теплоэлектростанций используют топливо с высоким содержанием золы (более 40−45%).

Использование высокозольных углей цриносит большой экологический вред в виде твердых и газообразных выбросов в атмосферу. В радиусе 30−50 км от теплоэлектростанции на 1 км² поверхности в год выпадает от 60 до 600 кг пыли, копоти и сажи. Газообразные, выбросы представляют собой углекислый газ, окислы серы и азота. Эти влияющие на экологию факторы должны учитываться при определении эффективности использования углей у потребителя [17,20].

В последние годы темпы роста железнодорожных тарифов в 1.52.0 раза опережают темпы роста цен на уголь с момента их либерализации.

При определении экономической целесообразности поставок угля конкретному потребителю или же при поиске рационального поставщика следует исходить из стоимости угля для потребителя с учетом его переработки и золоудаления, транспортирования, качества (энергетической ценности) и затрат на экологию, которые в предлагаемой нами методике представлены в денежном выражении в виде платы за выбросы золы и прочих вредных веществ (сернистый андигрид, окислы азота) [17,20].

Сравнительная оценка использования конкретным потребителем (j) угля и затрат поставщика (i) может быть определена по формуле [17,20]:

Су +(q, l? j +q2)+Cnij+[T8lKrf+TB2(l-Kd)?Ad/l00j х xA:? Q^/Q:, тыс. тенге где J Cj — цена 1 т натурального угля в пункте і (і-го поставщика), тнг;

— объем потребляемого угля в пункте j поставляемого из пункта' і, тыс. т;

МДж/кг.

Предложенные методические положения позволяют избежать экономически нецелесообразные поставки угля. положения по оптимальному распределению ресурсов угольной продукции по потребителям.

Республика Казахстан в свое время по добыче угля на душу населения занимала одно из первых мест в мире — около 10 т. Правда, значительная часть этого угля вывозилась за пределы Республики. В настоящее время в связи с нарушением экономических связей со странами СНГ и спадом производства углепотребляющих отраслей промышленности, потребность в углях резко сократилась. Тем не менее, по предварительным данным Института экономики и рыночных отношений (ИЭРО) Министерства энергетики, индустрии и торговли Республики Казахстан, общая потребность в казахстанских углях к 2010 году составит около 150 млн. т в год.

При определении потребности в энергетическом топливе были учтены 40 ныне действующих и 11 намеченных к строительству ГРЭС и ТЭЦ

Чі и яг — стоимостные коэффициенты по транспортировке угля;

— расстояние транспортирования, кмС"у — стоимость переработки 1 т і-го угля в пункте ^ тнгТ&bdquo-і - тариф за выброс 1 т золы в атмосферу, тнгТв2 — тариф за. хранение 1 т золы в отвалах, тнгКл — удельная часть золы, выбрасываемая в атмосферуАл — зольность угля, %;

2.2 Технолого-экономичсская Модель и методические по максимальному варианту (по данным ИЭРО за 1992 г.). Очевидно, эти данные могут изменяться в незначительных пределах. Намечаемое строительство мелких гидроэлектростанций и атомной электростанции не окажут существенного влияния на баланс теплоэнергетики страны.

Если предполагать, что около 30−40 млн. т углей потребляется в местах их добычи, то около 110−120 млн. т угля необходимо перевозить. Это огромное количество, а если учесть величину территории Казахстана, то стоимость их перевозки будет также огромной. Поэтому, возникают естественные вопросы. Может быть, выгоднее осваивать новые месторождения, расположенные в районе потребления угольной продукции, чем осуществлять ее перевозку с дальнего расстояния? Если перевозить, то может быть выгоднее не рядовой уголь с зольностью 40−47%, а обогащенный концентрат зольностью в 1.5−2.0 раза меньше?

Для решения этих и многих других вопросов нами проведены специальные исследования [17, 20, 21].

Проблему исследования можно сформулировать такимеются угольные ресурсы с определенными качествами, расположенные в разных местах и требующие определенных затрат на их добычу и переработку, и имеются потребители угольной продукции, расположенные также, в разных регионах. Требуется определить наивыгоднейший план. распределения угольных ресурсов по потребителям, чтобы суммарные затраты на добычу, переработку и транспортировку угольной продукции или энергии были бы минимальными.

Эта проблема представляет классическую «транспортную задачу распределения ресурсов» и решается методом линейного программирования. Сложность решения проблемы заключается в определении затрат на строительство и эксплуатацию объекта добычи, переработку угля и экологический ущерб. Для этого, очевидно, необходимо решить по каждому объекту (шахта, карьер, ОФ) технологические и организационно-технические вопросы. зо.

В общем виде задачу можно представить так: т п у=1.

Условия:

X ХУ = ,.

9) И.

10) (11).

У=1 т.

Ху > 0, 1 = 1,2,.т- 1=1, 2,.п, (12) где 1=1,2,.т — пункты производства угольной продукции- ]=1,2,.п — пункты потребления угольной продукцииХу — количество перевозимой угольной продукции из пункта 1 в пункту — стоимость перевозки груза из пункта 1 в пункт ]- «С, — стоимость 1 т добычи и переработки угля в пункте 1;

С^ - дополнительная стоимость, связанная с переработкой, золоудалением высокозольного угля и экологией в пункте) — К, К] - капитальные затраты на добычу и переработку угля соответственно в пункте I и у, Е — коэффициент эффективности использования капитальных вложений в пунктах I и.

Очевидно:

13) т п т п.

— ги (¡-б) где ву — стоимость транспортировки электроэнергии;

Уц — количество электроэнергии.

Условия (10), (11), (13) гарантируют полный вывоз груза и удовлетворение потребности.

Условие (12) показывает, в каких случаях перевозки из пункта потребления в пункт производства угольной продукции экономически нецелесообразны.

Условия, (14) и (15) позволяют установить предельно допустимые суммы (К&bdquo-|, К"Д инвестиций на создание нового угольного предприятия или дополнительных затрат в пункте потребления.

Условие (16) позволяет установить границы, когда выгоднее транспортировать электроэнергию, а когда-угольную продукцию.

В работах [20, 21] эта классическая «транспортная» задача решена по программе, разработанной с нашим участием кафедрой РМПИ, КарГТУ на ПЭВМ.. ¦

В работах [20, 21] в результате реализации методических положений по предложенным критериям эффективностиразработки и использования энергетических углей получено следующее:

• установлены технологические возможности, экономические показатели и потребность в инвестициях для разработки промышленных и непромышленных угольных месторождений Казахстана открытым* подземным и комбинированными способами для удовлетворения потребности в энергетических угляхдана технолого-экономическая оценка условий разработки непромышленных угольных месторождений открытым и комбинированным способами, расположенных в регионах потребления угольной продукции [20,21];

• по разработанной технолого-экономической модели совокупных затрат на добычу, переработку, транспортировку, золоудаление, отвалообра-зование и на экологию определены непромышленные угольные месторождения, пригодные для открытого и комбинированного способов разработки, их параметры и необходимые объемы добычи для удовлетворения потребности в коммунально-бытовом топливе [20,21]- '•'¦.'¦" .

• определен оптимальный план распределения энергетических ресурсов угля между крупными производителями И потребителями [20,21];

• установлено, что в современных монопольных условиях иенообра-зования перевозка высокозольного угля (45−48%) по железным дорогам на 20−40% дешевле, чем транспортировка эквивалентного количества электроэнергии по существующим высоковольтным электролиниям [20, 21]. Такое парадоксальное положение может вызвать негативные последствия в энергетической политике страны.

Если к настоящему времени экономические отношения между крупными производителями энергетического угля и его потребителями более или менее определены в соответствии с законами рынка, то проблема снабжения малозольным и малосернистым сортовым топливом коммунально-бытовых потребителей, расположенных на значительном удалении (2000;3000 км) от угледобывающих предприятий, остается нерешенной. В работах [20, 21] дано решение этой проблемы за счет освоения новых непромышленных угольных месторождений с малозольными и малосернистыми углями, расположенных в регионах потребления сортового топлива для коммунально-бытовых нужд. При этом предлагается разрабатывать такие месторождения, имеющие большой коэффициент вскрыши (до 2025), комбинированным способом — открытым верхние горизонты (с коэффициентом вскрыши до 7−8) и подземным — нижнйе горизонты (рис. 6).

Технологическая схема разработки пласта комбинированным способом по 1-І ¦ ,.

Вариант разработки лавами с водоотливом) по 1-І.

Вариант разработки камерами).

1 — водосборник с насосной камерой.

2 — проходческий комбайн.

Рис.-6.

Предложенные технологические схемы комбинированного способа разработки непромышленных угольных месторождений при сезонной работе (в летний период) обеспечат приемлемую себестоимость угля, удешевляющие ее у потребителя на 100−150% по сравнению с привозным углем из Центрального Казахстана.

Рассмотренные нами непромышленные угольные месторождения отличаются благоприятными гидрогеологическимиусловиями. Однако на отдельных участках при подземном способе разработки потребуется водоотлив. Поэтому нами рассмотрено несколько вариантов технологических схем — с водоотливом и без него (рис. 6). В технологических схемах с отработкой камерами для выемки угля предусматривается использование проходческих комбайнов любой модификации, а в лавах — комплексы типа «Спутник», не требующие больших затрат.

Технологические схемы комбинированного способа были использованы при разработке целиков угля на верхних горизонтах ранее отработанных шахт Карагандинского бассейна отдельными частными фирмами с весьма высокими экономическими показателями. Детальный анализ горно-геологических условий, reoи трудовых ресурсов, наличия средних предприятий по добыче строительных материалов и в соответствии с потребностью в сортовом топливе для коммунально-бытовых нужд показывает, что целесообразно осваивать следующие непромышленные угольные месторождения (табл. I) [20,21].

Угли вышеуказанных месторождений могут быть заменены привозными углями разреза Шубаркольского месторождения или шахт Карагандинского бассейна. Результаты исследований [20, 21] свидетельствуют, что при такой замене дополнительные расходы на перевозку угля по железным дорогам с учетом увеличения себестоимости его добычи составят около 1.5−1.8 млрд.тенге.

Таблица 1.

Наименование месторождения и месторасположение Способ разработки ' Основные данные.

Запасы, млн. т Мощность, тыс. т/год Коэффициент вскрыши по месторождению Зольность рядового угля, %.

Мамытское, Актюбинская обл. комбинированный 50.0. 100−500 20.0 20−22.

Кызыл-Каспак-Айрджальское, Мангасгауская обл. комбинированный 34.7 50−100 30.0. 18.5.

Кулан-Кетпеское, Жамбылская обл. открытый 7.0 100−500, 1.7 38.0.

Таскомырсайское, Южно-Казахстанская обл. комбинированный 18.0 50−100 15.0 18.0.

Кияктинское, б-Жезказганская обл. открытый 22.4 100−500 4.9 22.0.

Кендерлыкское, Восточно-Казахстанская обл. открытый 41.5 300.0 3.7 26.3.

Сарыадырскбе Акмолинская обл. открытый 44.5 300.0 4.9 35.0.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации в виде научного доклада на основании выполненных исследований осуществлено новое решение крупной научной проблемы совершенствования технологии разработки тонких и сложноструктурных пластов с закладкой породы в выработанное пространство в целях повышения эффективности их разработки и непромышленных угольных месторождений в регионах потребления угольной продукцииПроблема разработки тонких пластов коксующихся углей марок КЖ и К в связи с полной отработкой мощных и средней мощности пластов, а также вовлечение к разработке непромышленных угольных месторождений, расположенных в регионах потребления угольной продукции и имеющих сравнительно низкую зольность и серу для коммунально-бытовых нужд, чрезвычайно важна для народного хозяйства республики Казахстан.,.

Йаиболее,, существенные научные и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1, 1. В, связи с отработкой мощных и средней мощности пластов с коксующимися углями марок КЖ и К, необходимые их ресурсы могут быть восполнены на действующих шахтах и перспективных шахтных полях Карагандинского бассейна и на новых месторождениях только за счет раззапасами. При этом эффективность разработки Тонких и сложных по структуре пластов достигается применением нетрадиционных технологических схем очистных работ без предварительного проведения нарезных выработок и оставлением породы от проходки, селективной выемки и других источников в выработанном пространстве и созданием высокопроизводительных лав по принципу шахта-лава.

2. Установлена закономерность проявления комплекса факторовэкономического, геомеханического, экологического и газодинамического характера, определяющих качество функционирования угольных шахт и их подсистем при разработке тонких и сложноструктуриых пластов и на их базе определены научные основы совершенствования технологических схем очистных работ. 3, Установлено, что напряженно-деформированное состояние массива горных пород вокруг, очистного забоя и выработок, поддерживаемых за лавой, при закладке выработанного пространства породой на 25−30% меньше, чем без закладкипри этом установлено, что с увеличением плотности закладочного массива конвергенция кровли 'выработки уменьшается, что позволяет управлять ею. ,-<

4. Обоснованы эффективные варианты технологических схем разработки тонких и сложноструктурных пластов с закладкой выработанного, пространства и методы определения их оптимальных параметровустановлены основные направления создания высокопроизводительных Лав по принципу шахта-лава. ?

5. Разработаны методические положения технолого-экономической оценки условий разработки и использования углей всех известных месторождений Казахстана и технолого-экономичеекая модель совокупных затрат на разработку, транспортировку, переработку и снижение экологического ущерба при использовании энергетических углей, на электротепло— централях и для коммунально-бытовых нужд, позволяющие определитьэффективность освоения новых непромышленных угольных месторождений в регионах потребления угольной продукции.,, , ,.

6. Разработаны эффективные технологические схемы, комбинирован-, ной выемки пластов непромышленных угольных месторождений, расположенных в регионах потребления угольной продукции для коммунально-бытовых нужд.

7. Результаты научных исследований автора, разработанные научные основы совершенствования технологических схем очистных работ и, методические положения по оптимизации параметров и определению совокупных затрат по разработке и использованию углей составили объективную основу для планирования дальнейшего развития угольной промышленности Республики Казахстан в период перехода отрасли к рыночным отношениям и функционирования на начальном этапе.

8. Научные результаты и практические рекомендации работы автора. на разных этапах были использованы при разработке региональной программы «Сары-Арка», одобренной Советом Министров Республики Казахстан, Министерством энергетики, индустрии и торговли Республики Казахстан при разработке перспективных планов развития угольного энергетического сырья, угольным департаментом АО «Испат-Кармет» при реетруктуризации шахтного фонда Карагандинского бассейна с созданием высокопроизводительных лав по принципу шахта-лава.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Перзадаев М. А., Любимов ИМ., Осипов Ю. М. Пути улучшения качества угля при освоении сложноструктурных высокозольных пластов на шахте «Кировская». — Уголь, 1989, № 12, с. 47−48. '.

2. Рогов Е. И., Перзадаев М. А., Рогов C.E. Оптимйзация 'технологических систем разработки тонких пластов угля с размещением породы в шахте. — КИМС, 1993, № 3, с. 18−21. -——г—.

3. Рогов Е. И., Перзадаев М. А., Рогов С. Е. Обоснование технологических систем выемки пологих пластов угля с оставлением породы в шахте. -КИМС, 1993, № 8, с. 22−27.

4. Перзадаев М. А., Воронин Б. И., Антоненко C.B. Технология выемки тонких угольных пластов без предварительной нарезки выемочных полей с комплексом оборудования для оставления породы в выработанном пространстве / В кн.: Разработка новых и совершенствование существующих средств и способов безопасной выемки угля в усложняющихся условиях: Тез. докл. Региональной научно-технической конференции. -Караганда, 1991, — с". 11.

5. Перзадаев М. А. Совершенствование технологических схем отработки тонких угольных пластов с оставлением породы в выработанном пространстве / В кн.: Проблема развития угольной промышленности Республики Казахстан: Тез. докл. Международной научно-практической конференции. — Караганда, 1993, с. 57.

6. Рогов Е. И., Перзадаев М. А., Востриков В. Н. Оптимизация параметров технологии выеМки тонких пластов без предварительной нарезки методами математического моделирования /. В кн.: Проблема развития угольной промышленности Республики Казахстан: Тез. докл. Международной научно-практической конференции. — Караганда, 1993, с. 146.

7. А. с. 1 788 256 (СССР). Способ разработки крутых и наклонных угольных пластов средней мощности / Карагандинский политехнический институтАвт. изобрет. М. А. Перзадаев, С. К. Баймухаметов, А. Г. Лазуткин. a — Заявл. 17.12.90 г. № 4 891 862/03- Опубл. в Б.И., 1993 г., № 2.

8. А. с. 840 381 (СССР). Способ возведения бутовых полос при отработке пологих пластов и устройство для его осуществления / Карагандинский политехнический институтАвт. изобрет. М. А. Перзадаев, С. Бектегенов, А. Е. Богатырев. — Заявл.' 07.09.79 г. № 2 817 486/22−03- Опубл: в Б .И., 1981 г., № 23.: ¦

9. Патент № 11 679 (PK). Передвижная предохранительная крепь / КазНИИугольАвт. изобрет. М. А. Перзадаев, А. В. Барулин, О. В. Ким. -Заявл. 22.08.94 г. № 940 866.1- Опубл/ в ОБ. «Промышленная собственность», 1995 г., № 3. v.

10. Рогов Е. И., Перзадаев М. А., Рогов C.E. Методика «Оценки эффективности разработки пластов угля с оставлением породы в выработанном пространстве выемочных участков». Утв. Корпорацией «Казахстануголь» 10.02.94 г. д.

11. Перзадаев М. А. Обоснование технологий и эффективности разработки пологих пластов угля с оставлением породы в выработанном пространстве: Дис. на сойск. учен. степ. канд. техн. наук / Алматы, 1994. — 21 с. ИГД им. Д.Кунаева.

12. Нефедов ГШ., Дрижд H.A., Квон С. С., Презент Г. М., Перзадаев М. А. Технология разработки сложных и некондиционных пластов Карагандинского бассейна. — Караганда, 1995. — 332 с.

13. Перзадаев М. А., Квон С. С., Роот Э. Г. Угольные ресурсы Казахстана и основные направления их разработки и использования / В кн.: Труды международной научной конференции «Научно-технический прогрессоснова развития рыночной экономики» — Караганда, 1997. — с. 128−130.

14. Перзадаев М. А. Основные направления разработки и использования угольных ресурсов Казахстана — В кн.: Карацанд. гос. техн. ун-т. Труды университета. Вып.2. Караганда, 1997, с. 128−130.

15. Перзадаев М, А., Исабек Т. К., Смагулов З. М. Технология селективной выемки сложных по мощности пластов — В кн.- Караганд. гос. техн, ун-т. Труды университета. Вып.2. Караганда, 1997, с. 130−132.

16. Перзадаев М. А., Ермеков Т. Е., Исабек Т. К. .Установление параметров движения горных пород при селективной выемке угольных пластов короткими рчистными забоями — В кн.: Караганд. гос. техн. ун-т. Труды университета. Вып.2. Караганда,. 1997, с. 132−135. ,.

17. Перзадаев М. А., Квон С. С., Роот Э. Г., Алиев С. Б. Угольные reo* ресурсы Казахстана и технолого-экономические условиях их разработки. -Караганда, 1998.-302 с.

18. Перзадаев М. А., Квон С. С., Исабек Т. К., Смагулов З. М. Перспективы создания высокопроизводительных лав на шахтах Караганды — В кн.: Караганд.гос.техн.ун-т. Труды университета. Вып.З. Караганда, 1998, с. 150−153.

19. Перзадаев М. А., Квон С. С., Исабек Т. К. Состояние подземной добычи угля в мире — В кн.: Караганд.гос.техн.ун-т. Труды университета. Вып.З. Караганда, 1998, с. 153−157.

20. Перзадаев М. А. Проблемы разработки маломощных пластов на шахтах и непромышленных угольных месторождений открытым способом в регионах потребления угольной продукции. — Караганда, 1999. — 85 с.

21. Перзадаеэ М. А., Квон С. С., Роот Э. Г., Алиев С. Б. Угольные георесурсы Казахстана и перспективы их рациональной разработки и использования. — Караганда, 1999. — 248 с.