Исследование технологии формирования примыканий центральных траншей к фронту горных работ при бестранспортной системе разработки

Доля бестранспортных систем разработки в общем объеме открытых горных работ в настоящее время составляет около 30% и в ближайшей перспективе не изменится. Стабильное состояние этого вида систем объясняется их эффективностью и наличием большого количества месторождений горизонтального и пологого залегания.

Эксплуатация экскаваторов-драглайнов при отработке месторождений по бестранспортной системе связана с выполнением определенных функций, закладываемых в соответствующих технологических схемах. Такими функциями являются: технологическая, экологическая, ресурсосберегающая, экономическая. Технологическая функция является рабочей, характеризующей действия или результат действий вскрышного экскаватора, вытекающих из конструктивных особенностей драглайна. Основным результатом является подготовка запасов полезного ископаемого. Наряду с основной технологической функцией целесообразно выделение внутритехнологической функции, отражающей взаимосвязь и взаимодействие между экскаватором и другими элементами технологической схемы. Они составляют совокупность мероприятий, направленных на поддержание в рабочем состоянии комплекса всех горных выработок и обеспечение функционирования самих драглайнов и другого горно-транспортного оборудования.

Можно выделить следующие виды работ, определяющих содержание внутритехнологической функции: формирование фланговых частей эксплуатационных заходок, перегоны экскаваторапереходы через траншеи, установка машин на различных основанияхинженерные работы, связанные с содержанием транспортных полок, ремонтных площадок, нарезкой спусков, проведением гидротехнических выработок и др.

Одним из видов работ, составляющих внутритехнологическую функцию эксплуатации драглайнов при бестранспортной системе, является формирование участков примыканий центральных траншей к фронту.

Основы проектирования бестранспортных систем разработки, методы расчета параметров схем экскавации заложены в трудах А. Е. Анпилогова, В. С. Вагоровского, К. Е. Виницкого, В. Ф. Воронкова, А. П. Гриднева, В. П. Капустина, И. С. Копаня, Г. Л. Корсунского, А. С. Красникова, Н. В. Мельникова, Н. Н. Мельникова, М. Г. Новожилова, В. Г. Пронозы, Э. И. Реентовича, А. И. Ташкинова, А. С. Фиделева, Е. Ф. Шешко, С. М. Шорохова, М. И. Щадова и др.

Большая часть этих трудов посвящена реализации четырех основных функций бестранспортных схем. Применительно к внутритехнологической функции известны исследования, посвященные таким работам как перегоны экскаваторов, формирование трасс подъема-спуска, формирование торцов эксплуатационных заходок и некоторым другим. Изучение данного вида работ отражено в публикациях А. С. Красникова, В. Г. Пронозы, Вал.Г.Пронозы, В. С. Вагоровского, В. Ф. Воронкова, А. П. Загоруйко и др. Вопросам, связанным с формированием примыканий центральных траншей, в научной литературе практически не уделяется внимание.

Между тем, одной из задач, возникающих при планировании горных работ на разрезах, эксплуатирующих центральные траншеи, является невозможность достаточно точно спланировать работу экскаваторов на участках примыканий центральных траншей. Это вызвано отсутствием методик расчета технологических схем формирования примыканий и тем, что неизвестна степень зависимости параметров этих схем от влияющих на них факторов. Принимая во внимание также и то, что на территории Восточной Сибири сосредоточено значительное количество перспективных пластовых месторождений большой площади, при отработке которых предусмотрены центральные траншеи, можно сделать вывод, что исследование технологии работы драглайнов на участках примыканий центральных траншей является актуальным.

Таким образом, в качестве объекта исследования в диссертации приняты работы, составляющие внутритехнологическую функцию бестранспортной системы.

В качестве предмета исследования рассматривается технология формирования драглайнами примыканий центральных траншей к фронту горных работ.

Целью настоящей работы является разработка метода конструирования технологических схем работы экскаватора на участках примыканий центральных траншей к фронту горных работ и исследование зависимости этих схем от влияющих на них факторов.

Идея работы заключается в установлении влияния на бестранспортные технологические схемы формирования примыканий центральных траншей следующих факторов: вида основной технологической схемы и многообразия схем экскавации, типоразмерного ряда и конструктивных параметров драглайнов, изменения конструкции фронта горных работ в районе примыкания. Способ конструирования схем должен основываться на подсчете объемов горных пород на участке примыкания с учетом объема технологического разрыва фронта.

Исходя из указанной цели исследования, его основными задачами являются: 1) разработка методики расчета и конструирования технологических схем работы драглайнов на участках примыкания центральных траншей к фронту, 2) определение критериев эффективности работы драглайнов по схемам формирования примыканий, 3) исследование влияния вида основной схемы экскавации на параметры схем формирования примыканий, 4) исследование показателей работы драглайнов основных моделей в схемах формирования примыканий, 5) исследование влияния конструкции фронта горных работ на параметры схем формирования примыканий.

По результатам исследования были сформулированы следующие защищаемые научные положения.

1. Способ конструирования технологических схем работы драглайнов на участках примыкания центральных траншей к фронту горных работ включает: определение объема технологического разрыва и объема размещения, определение параметров формируемого отвала, длины и площади размещенияразработку и взаимоувязку комплекса промежуточных схем экскавации в зоне примыкания и отстройку технологической карты работ. В качестве критериев оценки эффективности работы драглайна на участке примыкания следует использовать следующие показатели: объем и коэффициент чистой переэкскавации, время проходки, чистое время отработки примыкания.

2. Согласно критериям оценки работы экскаватора вид основной технологической схемы не оказывает существенного влияния на эффективность эксплуатации драглайнов на участке примыкания. Однако наименьшие объем переэкскавации и чистое время отработки технологического разрыва достигаются при использовании на участке примыкания драглайнов с наибольшими линейными параметрами по любой схеме экскавации.

3. Искривление фронта горных работ на участке примыкания до рационального угла (либо близкого к рационнальному) приводит к уменьшению объема чистой переэкскавации вплоть до нуля и, соответственно, сокращению времени проходки участка примыкания.

В диссертационной работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение результатов использования известных технологических схем, графический, аналитический, графоаналитический методы, а также производственный опыт.

Теоретическая значимость выполненных исследований заключается в разработке способа конструирования технологических схем формирования примыканий центральных траншей и оценке влияния вида основной схемы экскавации, типоразмера драглайна, степени кривизны фронта на эффективность работы экскаватора в зоне примыкания.

Практическое значение имеет технология работы драглайнов на участке примыкания центральных траншей. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании технологических схем формирования примыканий, при календарном планировании горных работ, а также для выбора наиболее приемлемой конструкции фронта. По установленным графическим зависимостям можно оперативно определять приближенные значения производительности экскаваторов, объем и коэффициент переэкскавации на участке примыкания, время проходки примыкания в зависимости от мощности вскрышных пород, вида основной схемы экскавации и модели драглайна.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечивается использованием комплекса графоаналитических методов при расчете технологических схем экскавации, применением графических редакторов ЭВМ для подсчета объемов горных пород и анализом технологии ведения работ в зоне примыкания на угольных предприятиях Иркутской области.

Апробация работы. Основные положения и выводы, изложенные в диссертационной работе докладывались на ежегодных научно-практических конференциях ИрГТУ «Безопасность-03,04» и «Игошинские чтения» (2002, 2003, 2004), «Совершенствование технологии поиска и разведки, добычи и переработки полезных ископаемых» (КГАЦМиЗ, г. Красноярск, 2003 г.), «Ресурсовос-производящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Кафедра горных работ РУДН, г. Москва, 2003 г.), опубликованы в сборниках заочных научно-технических конференций «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (2003, 2004). Результаты исследований приняты к использованию на Азейском филиале ОАО «СУЭК» для составления паспортов работы экскаваторов и планирования горных работ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ в сборниках научных трудов и в материалах научно-технических конференций.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и содержит 227 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков, 23 таблицы, список использованной литературы из 65 наименований, 9 графических и 1 текстовое приложение.

Выводы.

1. При конструировании технологических схем формирования примыканий на криволинейном участке фронта целесообразно использовать коэффициент вместимости, учитывающий зависимость объемов вскрышной и отвальной заходок от степени кривизны фронта.

2. Используя представленные графики зависимостей можно выбрать оптимальную конструкцию фронта работ, а также рассчитать и отстроить технологические карты работы драглайнов по формированию примыканий центральных траншей на криволинейном фронте.

3. Излом фронта горных работ на участке примыкания под рациональным углом позволит значительно сократить объемы дополнительной переэкскавации. При больших мощностях вскрышных пород дополнительная переэкскавация присутствовать будет, т. к. остается необходимость полной или частичной пересыпки центральной траншеи, но размеры этой переэкскавации будут сведены к минимуму.

4. Проанализировав результаты, полученные по отстроенным технологическим схемам (Приложение Л), можно сделать вывод, что искривление фронта горных работ в месте примыкания центральной траншеи позволяет значительно упростить схему и организацию работ экскаватора на данном участке, уменьшить объемы переэкскавации, исключить либо значительно сократить дополнительное время на формирование технологического разрыва фронта.

5. Криволинейная конструкция фронта позволит лишь незначительно изменить технологическую схему работы экскаватора на участке примыкания, исключить изменения горизонта установки машины, сохранить практически неизменными параметры внутренних отвалов и не доводить их до предельных значений.

5 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В настоящее время бестранспортная система разработки используется в угольной, марганцево-рудной, цветной и горно-химической отраслях горного производства, а также при добыче строительных материалов. Наибольшее развитие бестранспортная система получила в угледобывающей отрасли, так как угольные месторождения наиболее полно удовлетворяют всем горногеологическим и горно-техническим условиям применения данной системы разработки.

Сегодня уголь — основа 40% производства электроэнергии. На угбль приходится примерно 66% всех мировых разведанных запасов природных энергоносителей [61]. Россия располагает 30% мировых запасов угля. Прогнозные ресурсы угля оцениваются в 4,5 трлн. т и 97% этих запасов находятся за Уралом [11, 29]. Эти данные свидетельствуют о надежной обеспеченности запасами угля для энергетики страны на длительную перспективу.

В последнее десятилетие развитие топливно-энергетического комплекса осуществлялось преимущественно в направлении увеличения добычи нефти и газа с соответствующим снижением потребления угля. Замещение угля газом из-за искаженных ценовых соотношений происходило прежде всего в энергетике, где использование последнего с общегосударственных позиций наименее эффективно и просто расточительно. Между тем, мировой опыт показывает, что энергетика, выбирающая в качестве приоритета уголь, обладает в целом большей степенью надежности.

Общий мировой рынок энергетического угля составляет примерно 3100 млн. т в год. Из них около 2000 млн. т используются на внутренних рынках стран-производителей, причем в США доля угольной составляющей в энергетике равна 57%, в Китае — 70% [61]. В России же к 2000 г доля угля, потребляемого электростанциями РАО ЕЭС, снизилась до 27% против 45% в начале 70-х годов [26]. В проекте «Топливно-энергетической политики России на период до 2020 г» предусматривается значительное увеличение угольной составляющей в энергетике страны. Выход к 2010 г на мировой уровень соотношения цен на уголь и газ неизбежно приведет к замещению природного газа углем на действующих газо-угольных электростанциях и увеличению выработки электроэнергии на угольных ТЭС. Дополнительная потребность в энергетических углях к 2010 г составит 40 млн. т в год [14]. В 2000 г добыча угля в России составила 258 млн. т в год. Для энергетической безопасности страны необходимо в перспективе добывать угля: в 2010 г — 370−410 млн. т, в 2020 г -435−480 млн. т, а к 2030 г — 470−550 млн. т [11]. По прогнозу развития добычи угля в России определяющая роль отведена сибирским бассейнам и представляет собой наращивание производственных мощностей в Кузнецком, Канско-Ачинском угольных бассейнах и на перспективных месторождениях Восточной Сибири и Дальнего Востока.

Доля бестранспортной системы в общем объеме вскрышных работ исходя из горно-геологических условий достаточно стабильно держится на уровне 30 — 35% [16]. Данный способ разработки широко применяется на разрезах Кузбасса и Восточной Сибири.

Бестранспортные системы разработки с использованием экскаваторов-драглайнов являются самыми эффективными при производстве вскрышных работ. Затраты на 1 м³ вскрыши применительно к бестранспортным системам в 2,5 раза ниже, чем при транспортной. Применительно к этой системе отработки в России создано хорошо зарекомендовавшее себя экскаваторное оборудование — драглайны с ковшами вместимостью от 6 до 100 м и длинами стрел от 45 до 100 м. Применительно к базовым моделям созданы различные их модификации, позволяющие лучше приспосабливать параметры машин к конкретным условиям экскавации.

Практически весь уголь Иркутской области добывается с применением бестранспортной системы разработки. Промышленные каменные и бурые угли Иркутской области сосредоточены в Иркутском и Тунгусском бассейнах, Пойменно-Черемшанском и Прибайкальском угольных районах. Ресурсы ископаемых углей на 01.01.2000 г. составляют 46,0 млрд. т, из них балансовые запасы по категориям А+В+С] - 8,2 млрд. т [28]. Основная часть учтенных запасов (98%) сосредоточена в Иркутском бассейне на юге области, здесь же добывается основная масса углей (рисунок 5.1). Большая часть добываемого малосернистого угля используется в энергетике.

Большое количество месторождений Сибири, пригодных для бестранспортной разработки, имеют значительную площадь, обладают достаточно сложными характеристиками по условиям обводненности. Это предопределяет использование фронтов горных работ значительной длины и большого количества центральных капитальных и водоотводных траншей.

Добычу угля в Иркутской области производят 8 организаций, при этом основная доля (98%) приходится на предприятия бывшего ОАО «Востсиб-уголь». Уровень добычи, достигнув максимума в 1987 г (27,3 млн. т), в 1990 г пошел на спад, а в настоящее время стабилизировался и составляет 14,0 — 14,5 млн. т в год. Обеспеченность действующих предприятий запасами угля — от 10 до 80 лет [28].

Согласно проработкам института «Востсибгипрошахт» на угольных разрезах Иркутской области эксплуатируется либо запроектировано различное количество центральных траншей [49].

Проектом разработки разреза «Мугунский» предусмотрено наличие трех центральных траншей (рисунок 5.2, 5.3). Разрез «Мугунский» (ныне «Мугунский филиал ОАО СУЭК») отрабатывает Мугунское буроугольное месторождение. Строительство разреза началось в 1987 г для замены выбывающих мощностей разрезов Азейского месторождения. Промышленные запасы разреза «Мугунский» составляют 352,6 млн.т. Производственная мощность по состоянию на 01.01.2002 г. — 3 млн. т, проектная мощность первой очереди — 10 млн. т, второй очереди — 20 млн. т в год.

Предусматриваются четыре центральных траншей на угольном разрезе «Головинский» (рисунок 5.4) при проектной мощности 4,5 млн. т в год и две центральные траншеи при разработке разреза «Ишидейский» (рисунок 5.5) [49].

Месторождение Марка угля Условный номер

Азейское Б 1.

Черемховское Г-6 2.

Гусиноозерское Б 3.

Тарбигатайское Б 4.

Черновское Б 5.

Харанорское Б 6.

Букачачинское Г 7.

Мугунское Б 8.

Ишедейское Д-Г 9.

Головинское Г-6 10.

Вознесенское д-г 11.

Жероско-Зелендинская угленосная площадь д-г 12−13.

Олонь-Шибирское и Никольское д-г 14−15.

Татауровское Б 16.

Каменные г—> Бурые угли V/-' угли.

Рисунок 5.1 — Обзорная карта угольных месторождений Восточной Сибири оо.

М 1:20 000.

Рисунок 5.2 — Южный участок № 2 угольного разреза «Мугунский». Положение горных работ на год освоения проектной мощности.

Условные обозначении.

Наименование Обозначение.

Границы между участками.

Вмхоа угольного пласта под наносы.

Направление развития горных работ.

Выездные тра н шеи В. т.

Рисунок 5.3 — Схемы раскройки Мугунского буроугольного месторождения.

Условные обозначении.

Наименование Обозначение.

Выход пласта под наносы —.

Линия выклинивания пласта.

Изолиния мощности пласта 1,3 м.

Граница ноля разреза.

Границы участков ——.

Геологические скважины 407 о.

Разрезные траншеи.

Выездные траншеи В.т.М1.

Направление развития горных работ — •>

Граница участка первых 14 лет отработки.

Рисунок 5.4 — Схемы вскрытия поля Головинского угольного месторождения.

Условные обозначения.

Наименование Обозначение.

Выход пласта I под наносы ——;

Изолиния коэффициента вскрыши Кв=15 м/м.

Границы участков.

Траншеи.

У Участок Л/2.

Участок А/3.

У частом М5~.

М 1:20 000.

Рисунок 5.5 — Схема вскрытия поля разреза «Ишидейский» (1 очередь).

Возможность строительства разреза «Ишидейский» мощностью 12 млн. т угля в год определена «ТЭО детальной разведки Ишидейского каменноугольного месторождения.». Промышленные запасы составляют 473,7 млн. т угля. Коэффициент вскрыши по полю — 5,2 м /т, протяженность фронта горных работ составляет 12 — 13 км. В настоящее время месторождение находится в госрезерве.

В различное время на разрезе «Сафроновский» эксплуатировались восемь центральных траншей (рисунок 5.6). Угольный разрез «Сафроновский» сдан в эксплуатацию в 1965 г, отрабатывал Черемховское месторождение. Вскрышные работы велись драглайнами и мехлопатой ЭВГ-35.65. Производственная мощность разреза на 01.01.2002 г. — 2,8 млн.т. В настоящее время угольные разрезы «Черемховский» и «Сафроновский» представляют собой единое предприятие — «Черемховский филиал ОАО СУЭК», которое работает в затухающем режиме.

На разрезе «Азейский» проектом предусмотрено две центральных капитальных траншеи. На поле бывшего разреза «Тулунский» — две центральных капитальных траншеи и одна водоотводная. Разрез «Азейский» отрабатывает Азейское буроугольное месторождение, построен и сдан в эксплуатацию в две очереди в 1969 и 1972 г. Разрабатываются два угольных пласта. Первоначальная проектная мощность — 8 млн. т в год при количестве запасов на 01.01. 1978 г — 404,9 млн.т. В результате реконструкции производственная мощность была увеличена до 15,0 млн.т. Максимальный объем добычи — 14,6 млн. т был в 1986 г. С этого момента объемы добычи начали снижаться в связи с отработкой запасов и сокращением спроса. Разрез «Тулунский» отрабатывает 1-й и 2-й участки Центральной эксплуатационной площади, Нюринский участок, 4-ю эксплуатационную площадь Азейского месторождения. Промышленные запасы разреза по состоянию на 01.01.2002 г. составляли 51,7 млн. т, проектная мощность разреза — 3 млн. т в год. Вскрышные работы ведутся драглайнами с л ковшами от 10 до 65 м. На сегодняшний день разрезы «Азейский» и «Тулунский» объединены и структурно представляют собой единое предприятие «Азейский филиал ОАО СУЭК».

Наименование Обозначение.

Границы между участками.

Выход пласта Главного под наносы.

Отработано шш.

Автодороги.

Рисунок 5.6 — Угольный разрез «Сафроновский». План расположения горных участков чС О.

В настоящий момент из предусмотренных проектом центральных траншей на полях «Азейского филиала ОАО СУЭК» в эксплуатации находится одна центральная капитальная траншея (рисунок 5.7). Предложенная автором методика расчета схем формирования примыканий принята к использованию на данном предприятии, что подтверждается актом о внедрении (Приложение Л). По сконструированной схеме формирования примыкания работают в паре экскаваторы ЭШ-40.85С № 3 и ЭШ-20.90 № 26.

Таким образом, результаты выполненных исследований могут быть применены на действующих и проектируемых месторождениях Иркутской области, а также на разрабатываемых по бестранспортной системе других крупных месторождениях Восточной Сибири и Дальнего Востока.

Рисунок 5.7 — Центральная выездная траншея 2-ой эксплуатационной площади угольного разреза «Азейский» (участки горных работ № 1 и № 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано решение научной задачи разработки бестранспортных технологических схем формирования примыканий центральных траншей к фронту, обеспечивающее повышение точности проектирования и календарного планирования горных работ, на основе предложенного метода конструирования технологических схем. Выполненные исследования позволили сформулировать основные результаты работы.

1. Наряду с основными функциями, реализуемыми в технологических схемах, выделена внутритехнологическая функция, направленная на поддержание в рабочем состоянии комплекса всех горных выработок и обеспечение функционирования самих драглайнов и другого горно-транспортного оборудования. Среди комплекса работ, определяющих содержание внутритехноло-гической функции, рассмотрено формирование примыканий центральных траншей к фронту. Примыкания центральных траншей классифицированы по месту их расположения, назначению, углу примыкания траншей к фронту, виду технологической схемы экскавации, виду карьерного транспорта, по конструкции фронта горных работ.

2. Разработана методика расчета и построения технологических схем формирования примыканий центральных траншей к фронту, основанная на подсчете объемов вскрышных пород. Основная идея методики состоит в определении объема размещения и построении комплекса промежуточных схем экскавации, направленных на постепенное распределение этого объема во внутренний отвал с учетом устойчивости отвала при увеличении его параметров. При расчете учитывается конструкция фронта горных работ на участке примыкания.

3. В качестве критериев, оценивающих эффективность работы драглайнов на участке примыкания, следует использовать коэффициент чистой переэкскавации, показывающий долю дополнительной переэкскавации при формировании примыкания, и время проходки, которое определяется как продолжительность выполнения всех работ в пределах участка примыкания и возврат на основную схему экскавации.

4. При работе экскаватора на участке примыкания по простой и последовательной схемам экскавации происходит уменьшение его производительности, вызванное влиянием больших рабочих углов поворота. Удельное падение производительности экскаватора на участке примыкания при работе по простой схеме экскавации составляет 0,53% при увеличении мощности вскрышного уступа на каждый метр в интервале от 10 до 30 м. При мощности вскрышных пород 30 м падение производительности составляет 10,8% от производительности на основной схеме. Удельное падение производительности для последовательной схемы экскавации составляет 0,31%, абсолютное падение для тридцатиметрового уступа — 6%. При схеме со смещенным подуступом и параллельной схеме экскавации изменение производительности при переходе на участок примыкания носит волнообразный характер и принимает как отрицательные, так и положительные значения в пределах 1,5 — 4%.

5. С точки зрения изменения производительности на участке примыкания наиболее стабильно ведут себя схема со смещенным подуступом и параллельная схема экскавации. Однако, учитывая разницу во времени проходки по основной схеме и схеме формирования примыкания, сделан вывод, что вид основной схемы экскавации не имеет существенного значения и изменение основной технологической схемы на участке примыкания не целесообразно.

6. На участке примыкания центральной траншеи целесообразно искривлять фронт горных работ под рациональным, либо близким к рациональному, углом. В качестве критерия выбора оптимальной кривизны фронта следует использовать коэффициент вместимости равный отношению площадей отвальной и вскрышной заходок. Получены графики зависимостей угла излома фронта от мощности вскрышных пород для вариантов примыкания вспомогательной траншеи и капитальной траншей при использовании последней двумя участками горных работ с параллельным и непараллельным подвиганием в плане.

7. При увеличении степени кривизны фронта уменьшаются объем переэкскавации и время проходки вплоть до значений, минимально возможных для соответствующей мощности вскрышных пород. Причем, чем выше мощность разрабатываемого вскрышного уступа, тем в большей степени угол излома фронта влияет на объем переэкскавации.