Технологическое обеспечение снижения зольности горной массы на шахтах ОАО «Воркутауголь»

Поддержание экономически целесообразных соотношений между показателями качества добываемых углей и требованиями к ним потребителей является одной из ключевых технических задач современной механизированной угледобычи. К числу основных показателей качества, оказывающих существенное влияние на издержки производства и конкурентоспособность угольной продукции, относится зольность добытой горной массы. Увеличение зольности добываемого угля приводит к росту затрат на обогащение и транспортирование горной массы, повышению износа транспортного оборудования, вследствие чего снижается срок его службы.

Основным направлением в преодолении различий в зольности добытых и отгружаемых потребителю углей является совершенствование способов их обогащения с использованием механической породовыборки или обогатительных фабрик [79, 85].

Проблема повышения качества добываемого угля и снижения издержек производства является весьма актуальной для шахт ОАО «Воркутауголь», ведущих горные работы в сложных горнотехнических условиях больших глубин, характеризующихся наличием зон с ложной м неустойчивой кровлями, значительных по размерам участков с труднообрушаемой основной кровлей, мелкоамплитудной дизъюнктивной и пликативной нарушенностью.

Практически все шахты Воркуты, в их числе и перспективные по разработке придонной части Воркутского месторождения, — «Воркутинская», «Заполярная», «Северная» и «Комсомольская», работают по временным технологическим схемам с совместным транспортированием угля и пород из уклонных полей второй и третьей ступеней. Зольность угля, добываемого перспективными шахтами, по данным статистического учета достигает 37−48%, что в 2.5−3.0 раза превышает среднепластовую зольность разрабатываемых пластов и в 1.7−2.3 раза зольность отгружаемой потребителю угольной продукции.

Угли всех перспективных шахт поставляются потребителям обогащенными с содержанием золы 9−35%. Зольность отгружаемых рядовых углей шахты «Комсомольская» составляет 21.6% при среднепластовой зольности, равной 17.6%.

Значительная зольность добываемого угля является одной из основных причин увеличения издержек производства и снижения конкурентоспособности шахт ОАО «Воркутауголь» на рынках угольной продукции.

Затраты на обогащение 1 т горной массы в условиях Воркуты достигают 30 тыс. руб в ценах 1997 г. Затраты на подземный транспорт из-за засорения угля возрастают на 40−48%. Доплаты к оптовым ценам на угольную продукцию шахт на внутреннем рынке составляют до 2.5 доллара США за каждый процент снижения зольности относительно нормативов.

Таким образом, для шахт Воркуты, независимо от наличия собственной обогатительной фабрики, актуальной является задача снижения зольности горной массы до выдачи ее на поверхность.

Цель работы. Обоснование технологических схем угольных шахт, обеспечивающих снижение зольности горной массы, выдаваемой из шахты. В соответствии с поставленной в работе целью основными задачами исследований являлись: изучение основных природных факторов и условий, предопределяющих засорение добытых углей при разработке запасов придонной части мульды на шахтах Воркутского месторожденияисследование влияния технологических схем и параметров выемочных участков на показатели качества угляанализ известных способов повышения качества угля в очистных забоях и технологической сети шахт и оценка целесообразности их применения в условиях шахт ОАО «Воркутауголь» — разработка рекомендаций и предложений по техническому совершенствованию типовых технологических модулей и звеньев подземного комплекса угольных шахт, обеспечивающих снижение и усреднение зольности горной массы, выдаваемого из шахты.

Основная идея работы. Параметры технологических схем угольных шахт необходимо определять с учетом закономерностей формирования зольности горной массы в очистном забое и различных звеньях подземной транспортной сети.

Методы исследований. При проведении исследований использован комплексный метод, включающий анализ и обобщение данных о влиянии горногеологических и горнотехнических факторов на показатели качества угляшахтные исследования динамики грузопотоков на различных этапах их формированияматематическое моделирование горнотехнических ситуаций. Данные шахтных исследований случайных процессов обрабатывались с использованием методов математической статистики и теории вероятности.

Защищаемые положения:

1. За счет совершенствования фактически сложившихся технологических схем зольность горной массы, выдаваемой на поверхность перспективными шахтами ОАО «Воркутауголь», может быть снижена на 25−30%, в том числе: за счет повышения эффективности управления кровлей в лавах на 10−12%- за счет модернизации подземных транспортных сетей шахт на 15−18%. Нижние границы снижения зольности горной массы определяются долевым участием пластов в добыче и пластовой зольностью, среднестатистические величины которой для пластов Мощный, Тройной и Четвертый составляет соответственно 13−14%, 12−18% и 10−22%.

2. Принципиальным требованием при разработке мероприятий по повышению качества добываемого угля следует считать отказ от присечки пород ложной кровли очистными комбайнами. Задачу поддержания ложной кровли необходимо решать на основе технических и организационных мероприятий, включающих оставление временных защитных пачек угля у кровли разрабатываемого пласта с последующим обрушением этих пачек на лавный конвейер после выполнения ими своих функций.

3. На действующих горизонтах шахт, характеризующихся невозможностью быстрого изменения ранее принятых пространственно-планировочных решений по подготовке и отработке пластов, существенное снижение зольности добываемого угля может быть достигнуто путем модернизации транспортных сетей шахт на основе временных и стационарных накопительных бункеров, обеспечивающих селективно-порционное разделение угля и пород, поступающих из лав, проходческих забоев и мест ведения ремонтно-восстановительных работ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается большим объемом шахтных исследований, проведенных для широкого диапазона горно-геологических и горнотехнических условийудовлетворительной сходимостью фактических и прогнозируемых показателей зольности горной массы в различных звеньях транспортной сети шахтыапробацией основных результатов исследований в производственных условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлен характер и степень влияния горно-геологических и технических факторов на нижние границы снижения зольности в различных звеньях технологической схемы шахты.

2. Предложена физическая модель процесса формирования и последующего управляемого скалывания на лавный конвейер предохранительной угольной лачки, оставляемой для предотвращения обрушений «ложной» кровли в зоне выемки пласта.

Практическая значимость работы состоит в следующем: сформулированы принципы компоновки сетей подземного транспорта на основе временных и стационарных бункеров, обеспечивающих снижение зольности горной массыпредложен и обоснован эффективный вариант модернизации схемы подземного транспорта шахты «Северная» с целью адаптирования ее к селективно-порционному раздельному транспортированию угля и породыдоказано преимущество технологических схем ведения очистных работ с удержанием или самообрушением ложной кровли ло сравнению с применяемой на шахтах ОАО «Воркутауголь» технологией совместной выемки комбайном угольного пласта и пород ложной кровлиустановлены средние численные значения приращений зольности горной массы в различных звеньях технологической схемы шахты дифференцированно по источникам поступления.

Реализация результатов работы. Разработанные при проведении исследований практические рекомендации использованы при модернизации технологических схем шахт ОАО «Воркутауголь», а также в качестве методической базы при моделировании подземных грузопотоков в условиях подготавливаемых горизонтов. Установленные зависимости широко используются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на технических советах в ОАО «Воркутауголь», на ежегодных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (1996 л 1997 гг) — на научно-технической конференции «Проблемы Севера» (1998 г).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 5 опубликованных работах, включая одно учебное пособие.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 51 рисунок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Основными потребителями, формирующими в перспективе устойчивый спрос на рынке воркутинских коксующихся углей, являются 7 из 13 российских предприятий, производящих кокс: Новолипецкий, Нижнетагильский, Орско-Халиловский, Череповецкий, Магнитогорский металлургические комбинаты, Московский и Калининградский коксохимические заводы.

Для обеспечения возможности значительного увеличения выпуска высококачественного концентрата для коксования с использованием ЦОФ «Печорская» зольность горной массы, подаваемой на ЦОФ, необходимо снизить до 2526% и менее. Решение данной задачи позволит отгружать весь концентрат из Воркуты с зольностью до 9% и увеличить удельный вес выпуска концентрата от товарной продукции с 35 до 63% и более.

2. К числу основных показателей качества углей, оказывающих наиболее существенное негативное влияние на уровень издержек производства, затраты на обогащение и цену угольной продукции перспективных шахт ОАО «Воркутауголь», относится зольность горной массы, выдаваемой на поверхность. Засорение угля в лавах и подземных транспортных сетях шахт достигает 25% и более.

При средневзвешенной пластовой зольности разрабатываемых пластов на шахтах ОАО «Воркутауголь» 16.5−17.9%, средневзвешенная зольность горной массы из очистных забоев составляет 29−33%. Суммарное поступление пород в общую транспортную сеть из мест проведения ремонтных работ и иных источников, оцениваемая в формах шахтной отчетности как «неучтенная порода», увеличивает зольность горной массы на 11−19%.

3. К числу основных горно-геологических факторов, определяющих засорение угля породой при отработке рабочих пластов на перспективных шахтах ОАО «Воркутауголь» относятся: ложная кровля мощностью 0.05−0.7 мпородные прослойки в пластах угля мощностью с 0.03 до 0.5 мналичие в угольных пачках линзовидных включений крепкого углистого аргиллита мощностью до 0.01 мналичие размывов пород кровли и флексурдизъюнктивные нарушения.

Величины пластовой зольности для пластов Мощный, Тройной и Четвертый составляют соответственно: 13−14%, 12−18% и 10−22%.

4. К числу основных горнотехнических факторов, определяющих тенденцию повышения степени засорения угля породой в транспортных сетях шахт, относятся: постоянный рост длины выемочных столбовувеличение сечений подготовительных выработоквозрастание объемов ремонтных работ в участковых подготовительных выработках, связанных с переходом на бесцеликовую технологию выемки пластовпроведение технологических вентиляционных сбоек по пластам Мощный и Тройной.

5. Принимая во внимание то обстоятельство, что зольность горной массы, выдаваемой из шахты, составляет 43−48%, теоретически за счет совершенствования технологических схем шахт зольность может быть снижена на 25−30%, в том числе: в очистных забоях на 10−12%- в транспортной сети шахты на 15−18%).

6. С точки зрения последующей породовыборки и обогащения горной массы большее отрицательное влияние ложная кровля оказывает при отбойке ее комбайном одновременно с углем, чем в тех случаях, когда присечка кровли не производится, а обрушение ее происходит самопроизвольно. Это объясняется тем, что при самопроизвольном обрушении ложной кровли образуются визуально различимые куски породы с размерами более 25 мм, общая масса которых превышает 80−85% обрушившихся пород. При присечке ложной кровли содержание в угле трудно отделяемой породной мелочи увеличивается в несколько раз.

7. К числу наиболее эффективных и перспективных мероприятий по снижению зольности горной массы в условиях фактически сложившихся технологических схем шахт ОАО «Воркутауголь» относится модернизация схем подземного транспорта с целью адаптации их к селективно-порционному раздельному транспортированию угля и пород, поступающих в различные звенья транспортной сети из лав, проходческих забоев, мест ведения ремонтно-восстановительных работ. Нижний уровень зольности горной массы при реализации этих мероприятий определяется пластовой зольностью, т. е. составляет 12−22%.

8. Реализация принципа порционно-селективного конвейерного транспорта на основе временных и стационарных накопительных породных и угольных бункеров, оборудуемых на выемочных участках, в узлах сопряжений участковых и основных подготовительных выработок, а также в конечных пунктах раздельного транспортирования, позволяет снизить зольность выдаваемой из шахты горной массы в 1.5−2.5 раза и более. Стационарные или передвижные (бункер-поезда) накопительные устройства рекомендуется оборудовать в транспортных сетях проходимых и восстанавливаемых выработок. Временные накопительные устройства (бункер-конвейеры) позволяют получать значительный эффект при включении их в транспортную сеть выемочного участка, например, для отделения породы, поступающей при переходе геологических нарушений, при обрушениях непосредственной кровли или присечках комбайном вмещающих пород на концевых участках лав.

9. Принципиальным положением при разработке мероприятий по снижению степени засорения угля в очистных забоях следует считать отказ от присечки пород ложной кровли очистными комбайнами, широко применяемой в настоящее время на шахтах ОАО «Воркутауголь». Проблему ложной кровли следует решать путем разработки технических и организационных мероприятий, включающих оставление временных защитных пачек угля у кровли пласта с последующим обрушением этих пачек на лавный конвейер после выполнения ими своих функций.

10. Для предотвращения обрушений пород ложной кровли в призабойное пространство лав рекомендуется за шнеком комбайна на участке лавы длиной 1.0−1.5 м оставлять защитную пачку угля мощностью 0.25−0.35 м, которую затем принудительно скалывать на расстоянии 1.0−1.2 м от оси верхнего шнека выдвижными щитками секций механизированной крепи на забойный конвейер после выполнения защитной пачкой своих функций. Основными функциями защитной пачки являются предотвращение обрушений пород ложной кровли с момента обнажения их очистными работами до передвижки секций крепи и исключение динамического воздействия резцов исполнительного органа комбайна на кровлю.