Обоснование пространственно-планировочных решений при вскрытии запасов перспективных угольных шахт

Важнейшей целью перспективного развития российской угольной промышленности является повышение устойчивости к безопасности угледобычи на основе реализации современного научно-технического потенциала и технологий, отвечающих современным тенденциям развития. научно-технического прогресса.

Энергетической стратегией России в течении ближайших 15−20 лет предусмотрен ввод 150−200 млн. тонн новых производственных мощностей, обеспечивающих динамическое повышение технического и экономического уровня угольного производства.

В проектах строительства новых шахт, реконструкции, технического перевооружения, модернизации и, поддержания мощности на достигнутом уровне должны закладываться новейшие технологические решения с учётом передового отечественного и зарубежного опыта, совершенствования принципа планирования и прогнозирования развития горных работ, раскройки шахтных полей, причём горно-капитальную часть этих проектов следует решать на основе широкого ¦ применения прогрессивных объёмно-планировочных решений и в первую очередь следует рассматривать вскрытие шахтных полей и новых горизонтов, увеличивающее сроки службы и сокращающее время строительства.

Отсюда становится понятной и доминирующей необходимость изучения, обобщения и оценки передового отечественного и зарубежного опыта, как в части формирования общей структуры, так и использования современных передовых достижений научно-технического-прогресса в: этой области горного дела, при этом большие возможности связаны со строительством угольных шахт нового научно-технического уровня.

В мире и России в последние годы накоплен огромный объем информации по новым достижениям в вопросах вскрытия шахтных полей и новых горизонтов как при строительстве новых, так и при объединении шахт (технологические структуры «шахта-лава», «шахта-пласт», блоковое вскрытие, вскрытие индивидуальных шахт), — поэтому в данной работе поставлена цель — выбрать из этого множества информации и рассмотреть с единой точки зрения (технологической и экономической) те аспекты достижений в области вскрытия, которые будут являться основой для дальнейшего развития и усовершенствования технологических схем угледобывающих предприятий.

При строительстве и реконструкции угольных шахт наиболее сложными, дорогостоящими и трудоемкими являются работы по вскрытию месторождения, либо шахтного поля. Удельный вес этих работ составляет 20−25% сметной стоимости и 30−50% общего времени строительства. Перевод горных работ на все более глубокие горизонты привел к необходимости размещать топологическую сеть горных выработок в российском Донбассе на глубине 1000−1200 м, в Кузбассе — 700 м.

При этом должны соблюдаться основополагающие условия, которым должны удовлетворять проекты вскрытия при строительстве новых и реконструкции существующих шахт:

— иметь оптимальную мощность, увязанную с конкретным потребителем, с учетом возможного колебания рыночного спроса;

— иметь минимальные объемы горно-строительных работ и относительно низкие капитальные вложения;

— иметь сравнительно малые сроки строительства и длительные сроки службы;

— обеспечивать высокую рентабельность угледобывающего предприятия;

— обладать по своей сущности легкоуправляемой конструктивно изменяющейся структурой.

Основным нормативным документом, которым руководствуются при проектировании угольных шахт, являются «Временные нормы технологического проектирования угольных и сланцевых шахт (ВНТП-92)». Эти нормы содержат 9 разделов и 6 приложений (методики расчета параметров ряда подсистем шахты) и ориентируют проектировщиков, как правило, на создание предприятий большой мощности с возможно более высокой концентрацией производства и прогрессивной технологией, но при обязательной выемке всех промышленных запасов в шахтном поле, — однако в современных рыночных условиях это совершенно противоречивые принципы, которые не позволяют обеспечить высокую концентрацию горных работ и конкурентоспособность шахт, — это касается и способов вскрытия, подготовки шахтных полей, порядка их отработки и систем разработки.

Опыт реализации этих норм показывает, что невозможно быстро построить шахты в соответствии с этими нормами, поскольку они связаны с проходкой большого количества стволов, подготовкой многих угольных пластов. Строительство шахты, по сути, связано со строительством только центрального блока, — но после его отработки нужно снова проходить и углублять стволы и выполнять огромные горно-капитальные работы по подготовке второго и последующих блоков в условиях действующей шахты, что создает существенные трудности и шахтостроителям и эксплуатационникам.

Отсюда становится понятным, что в современных условиях продолжающейся реструктуризации угольной отрасли необходимо безотлагательно корректировать вопросы вскрытия шахтных полей и новых горизонтов в соответствии с основными направлениями реструктуризации угольной промышленности России.

При этом вполне очевидной становится и другая задача: — разработать методику оценки качества схем вскрытия и подготовки шахтных полей, в которой было бы чётко произведено ранжирование технологических схем вскрытия и их группирование по приоритетам развития.

Таким образом, актуальность темы исследований определяется необходимостью обеспечения адекватной реализации прогрессивных технических решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, прогрессивных поэтапных преобразований технологических схем угольных шахт, обеспечивающих сокращение сроков строительства и увеличение сроков службы, обусловленных тенденциями развития научно-технического прогресса отрасли и требованиями конъюнктуры рынка конечной продукции на угольной основе.

Цель исследований — выявление направлений развития технических решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов для увеличения сроков службы и сокращения сроков строительства, повышения уровня прогрессивности и экономичности горных работ, обеспечивающих должную конкурентоспособность и инвестиционную привлекательность горнодобывающих предприятий, повышение устойчивости воспроизводства запасов угля и концентрации горных работ.

Основная идея работы заключается в реализации комплексного подхода к формированию информационно-методической базы обоснования перспективных, экономичных и надежных технических решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, реализующих концепцию поэтапного развития технологических схем угольных шахт.

В ходе исследований задачи, позволяющей реализовать единый алгоритм поставленной в диссертации цели, формулируются следующим образом:

— обобщение и анализ производственно-технического состояния шахтного фонда угольных компаний России и обоснование принципов совершенствование схем вскрытия технологических систем угольных шахт;

— обобщение и анализ вскрытия шахтных полей и новых горизонтов для наиболее характерных горно-геологических и горнотехнических условий шахт Кузнецкого угольного бассейна;

— разработка экономико-математической модели оптимизации технических решений по вскрытию шахтных полей и новых горизонтов с установлением области их эффективного применения;

— определение рациональной структуры горизонта, установление области эффективного применения и определения оптимальных параметров способа вскрытия шахтных полей с опережающей проходкой стволов главной промплощадки до уровня конечного горизонта при разработке пологих угольных пластов;

— установление оптимальных параметров схем вскрытия новых горизонтов при объединении шахт и разработка рекомендаций по их строительству в минимально короткие сроки;

— разработка методических положений оценки и ранжирования схем вскрытия шахтных полей со строгим группированием их по направлениям поэтапного развития в условиях рыночной экономики;

— обоснование в качестве перспективных технологических решений по повышению уровней прогрессивности и экономичности подземных горных работ, технических решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, позволяющих увеличить срок их службы и сокращать сроки строительства.

Методы исследований: В работе реализован комплекс методов, включающий научное обобщение, анализ результатов ранее выполненных исследований, метода условной оптимизации, экономико-математического моделирования, метода квалиметрии, теории полезности, теории принятия сложных решений, математические методы обработки статистических данных и др.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем:

— определяющим условием необходимости и целесообразности оптимизации технических решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов является удовлетворение требований повышения устойчивости воспроизводства запасов угля и концентрации горных работ с учётом конъюнктуры рынка конечной угольной продукции;

— устойчивое и длительное функционирование технологических схем угольных шахт обеспечивается за счет реализации прогрессивных, надежных и экономичных схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, основанных на применении центрально-сдвоенных стволов с проходкой до конечной отметки ведения горных работ, отнесенными вентиляционными (воздухопо-дающими) стволами и погоризонтными квершлагами с отработкой на каждом горизонте бремсбергового и уклонного бесступенчатого полей и использование технологических структур «шахта-лава», «шахта-пласт" — г.

— должная конкурентоспособность угольных шахт в рыночной среде реализуется при высоких уровнях концентрации и интенсивности работ, что обеспечивается отработкой на каждом горизонте бремсбергового и бесступенчатого уклонного полей с длиной по падению до 2 км и доведением срока службы горизонта до 25−30 лет, гибкими технологическими схемами вскрытия шахтных полей, адаптивных к изменениям внешней среды функционирования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— достаточным объемом объектов исследований и представленным анализом статистической информации о работе угольных шахт отрасли;

— корректностью постановки задач исследований и использованием современных методов при обосновании прогрессивных, надежных и экономичных схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов с учётом их поэтапного развития в условиях рыночной экономики;

— результатами экономико-математического моделирования и оценки технического уровня схем вскрытия, обеспечивающих повышение устойчивости воспроизводства запасов угля и высокую концентрацию горных работ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— предложен научно-методический принцип формирования механизма выбора и обоснования прогрессивных, надёжных и экономичных технических решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, основанного на экономико-математическом моделировании и критерии оптимальности КРУ (чистый дисконтированный доход);

— разработаны методические рекомендации по обоснованию комплекса технических решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов при строительстве новых и реконструкции действующих шахт, при реализации которых обеспечивается должный уровень прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ в соответствии с рыночными отношениями;

— доказана сравнительная эффективность схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, позволяющих увеличить срок их службы и сократить сроки строительства;

— предложена методика комплексной интегральной оценки способов вскрытия шахтных полей и новых горизонтов для последующего корректного группирования и ранжирования по направлениям поэтапного развития в условиях рыночной экономики и сложившейся конъюнктуры рынка угольной продукции.

Научное значение работы заключается в развитии и совершенствовании научно-методической базы обеспечения эффективного функционирования схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, уровня прогрессивности их пространственно-планировочных решений с учётом закономерностей развития научно-технического прогресса в отрасли и эффективности функционирования угледобывающих предприятий в рыночной среде.

Практическое значение работы состоит в разработке рекомендаций по реализации стратегии поэтапного развития схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, направленной на повышений технико-экономической эффективности их функционирования, обеспечивающих прогрессивную, экономичную и надежную структуру пространственно-планировочных решений и топологическую сеть вскрывающих горных выработок.

Реализация работы.

Научные и практические результаты работы прошли проверку и использованы при разработке программ и планов перспективного развития горных работ на шахтах филиала СУЭК в г. Ленинск-Кузнецкий.

Апробация работы.

Основные положения диссертации и результаты исследований были доложены, обсуждены и получили одобрение на научных симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка» (МГТУ, 2005;2009 гг.), Межрегиональной научно-практической конференции в г. Киселевске (2008 г.), научном семинаре кафедры ПРПМ МГГУ (Москва, 2009 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 4 научные статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобразования России.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения: содержит 37 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 108 наименований. Объем диссертации — 194 страницы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалифицированной работой, в которой на оснбовании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технологические решения по повышению уровней прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ на базе реализации технических решений в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, сокращающих сроки строительства и увеличивающих сроки службы, имеющие важное значение для теории и практики проектирования горнодобывающих предприятий.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. В результате анализа теоретических и практических исследований в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов установлено, что в современных условиях продолжающейся реструктуризации угольной отрасли необходимо безотлагательно корректировать вопросы вскрытия с обеспечением высокой концентрации горных работ и конкурентоспособности угольных шахт в соответствии с основными направлениями реструктуризации угольной промышленности России.

2. Показано, что одним из эффективных способов существенного увеличения срока службы горизонтов является обязательная отработка на каждом из них бремсбергового и бесступенчатого уклонного полей с длиной по падению до 2000 м. Это позволяет довести срок службы горизонта до 25−30 лет и обеспечить гораздо больший резерв времени для вскрытия и подготовки новых горизонтов.

3. В ходе исследований установлено, что наиболее прогрессивными, надежными и экономичными для шахт индивидуального типа являются схемы вскрытия шахтных полей, основанные на применении центрально-сдвоенных стволов с проходкой их до первого горизонта в период строительства шахты и углубляемых по мере развития горных работ до отметки следующего капитального горизонта, отнесенными вентиляционными (воздухоподающими) стволами и погоризонтными квершлагами. Наименее эффективными оказывается применение вариантов вскрытия шахтных полей с организацией одного подъемного горизонта (центрально-сдвоенные стволы с проходкой их сразу до отметки конечного горизонта), отнесенные вентиляционные (воздухоподающие) стволы, капитальные квершлаги с использованием вспомогательных наклонных транзитных квершлагов.

4. На базе методов квалиметрии и теории принятия сложных решений обоснованы методические положение интегральной оценки схем вскрытия шахтных полей, комплексы точных показателей-критериев оценки, обеспечивающих соответствующую надежность, объективность и достоверность.

5. Осуществлена интегральная оценка схем вскрытия шахтного фонда угольных компаний России, результаты которой позволили ранжировать все шахты по их качеству и сгруппировать их по целевой направленности стратегии.

6. Разработаны научно-обоснованные прогрессивные структурно-технологические решения в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, обеспечивающие увеличение сроков службы и сокращения сроков строительства.