Обоснование порядка разработки обширных мощных месторождений слабонаклонного залегания

В связи с увеличением экспорта нефти и газа повышается степень использования угля на внутреннем рынке как основного энергоносителя. Рост объема угледобычи возможен за счет интенсивного освоения как уже эксплуатируемых, так и проектируемых к отработке угольных месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока. Особое место среди них занимает Канско-Ачинский бассейн (КАБ), в котором сосредоточено 38% разведанных российских запасов углей, пригодных для открытой разработки. КАБ — уникальная минерально-сырьевая база угольной, энергетической и химической отраслей.

Увеличение объемов добычи угля неизбежно приведет к увеличению площади земельных и лесных угодий, нарушаемых при открытых горных работах. Только на предприятиях АО «Кузбассразрезуголь» размеры земельного отвода превысили 80 тыс. га, а площадь ежегодного отчуждения земель составляет более 1000 га. Аналогичная картина наблюдается на угольных разрезах Красноярского края и республики Хакасия. Между тем анализ динамики нарушенных и восстановленных земель свидетельствует о неудовлетворительной эффективности рекультивационных работ. Например, на 01.01.2002 г. площадь земельного отвода на АО «Разрез Березовский-1» составила 6994 га, из них горные работы ведутся на площади 917 га. Рекультивировано же с начала отработки месторождения всего 242,5 га. Отставание рекультивационных работ приводит к тому, что отчуждаемые земли своевременно не возвращаются в сельскохозяйственный оборот. В связи с этим увеличиваются землеемкость горных работ и платежи за пользование земельными ресурсами.

Сложившаяся ситуация обусловлена не только организационными и финансовыми причинами, но и объективными условиями разработки, обширных мощных (до 70 м) слабопологих или горизонтальных залежей.

Канско-Ачинского бассейна. Отработка угольных пластов по падению при небольшой мощности вскрыши на выходах пласта под наносы неизбежно ведет к образованию незаполненного (избыточного) выработанного пространства (ИВП), вследствие разницы между приемной емкостью отвальной и объемом вскрышной заходок.

Это обстоятельство препятствует также созданию оптимальной морфологии техногенного рельефа внутреннего отвального массива. При этом верхняя площадка отвала формируется ниже господстующего уровня дневной поверхности, а зачастую и ниже уровня грунтовых вод. В результате возможны случаи заболачивания, а иногда и затопления отвалов.

Задержка с проведением горно-технического и биологического этапов рекультивации обусловливает скопление на складах значительных объемов снятого почвенно-растительного слоя (ПРС). На 01.01.2002 г. только на угольных разрезах Красноярского края суммарный объем ГТРС на складах достиг 5079 тыс. м .

Несмотря на проведение большого объема исследований, не получили должного научного решения вопросы, связанные с обоснованием порядка разработки обширных мощных месторождений слабонаклонного залегания, обеспечивающего создание геотехногенных ландшафтов для восстановления и своевременного возврата земель, сокращение расстояния транспортирования вскрыши на внутренние отвалы в период нестабильного спроса на выпускаемую продукцию. Не в полной мере учтены закономерности формирования и влияния динамики незаполненного выработанного пространства на первоначальное место заложения разрезной траншеи отстающего блока и технологию его разработки.

Таким образом, обоснование порядка разработки обширных мощных слабонаклонных месторождений полезных ископаемых с учетом закономерностей формирования незаполненного (избыточного) выработанного пространства является актуальной научной задачей.

Диссертационная работа выполнена в Красноярской государственной академии цветных металлов и золота в рамках Отраслевой программы НИР Минуглепрома СССР по теме «Разработать и внедрить рациональные способы и средства вскрытия и отработки карьерных полей на месторождениях КАБа», а также в рамках краевой целевой программы «Развитие земельной реформы в Красноярском крае на 2000;2002 годы» по темам:

Разработка технологии восстановления естественных ландшафтов и повышение плодородия для сельскохозяйственных угодий, нарушенных при отработке углей";

Разработка автоматизированной системы по обеспечению контроля за рекультивацией и своевременным возвратом земель, представленных для добычи полезных ископаемых".

Цель работы — разработка методики обоснования технологических решений, способствующих снижению землеемкости и повышению эффективности разработки обширных мощных месторождений слабонаклонного залегания.

Идея работы — использование закономерностей формирования незаполненного выработанного пространства для улучшения экологической обстановки в зоне влияния откры тых горных работ и технико-экономических показателей карьеров при блочной отработке обширных мощных месторождений слабонаклонного залегания.

Основные научные положения.

1.Динамика избыточного (незаполненного) выработанного пространства (ИБП) при открытой разработке обширных мощных слабонаклонных месторождений зависит от угла падения, мощности залежи, углов откоса рабочей, отвальной зон и описывается полиномом 2-го порядка.

2.Порядок блочной отработки обширных, мощных, слабонаклонных месторождений, направленный на улучшение технико-экономических показателей, уменьшение землеемкости открытых горных работ, создание оптимальной морфологии техногенного рельефа внутреннего отвального массива, может быть определен на основе учета закономерностей формирования ИВП и динамики потребления минерального сырья.

3.Область применения различных технологических схем при открытой разработке обширных мощных слабонаклонных месторождений обусловлена не только горно-техническими свойствами пород, но и порядком отработки карьерного поля в условиях нестабильного спроса на добываемую продукцию.

Достоверность защищаемых положений обеспечивается использованием достаточного объема исходной информации, аналитических и прогнозных материалов, применением апробированных методов исследований, многовариаптными расчетами по разработанным программам с использованием ПЭВМ, общепризнанных критериев оценки, официальных статистических данных о работе горнодобывающих предприятий.

Задачи исследования:

1.Анализ технологии разработки обширных мощных месторождений слабонаклонного залегания.

2.Установление особенностей и закономерностей формирования незаполненного (избыточного) выработанного пространства (ИВП) при отработке обширных мощных месторождений слабонаклонного залегания.

3.У становление области распространения ИВП.

4.Исследование влияния динамики ИВГТ на первоначальное место заложения отстающего блока.

5.Разработка методики обоснования порядка разработки обширных месторождений на основе закономерностей формирования ИВП.

6.Обоснование области применения технологии отработки вскрышной толщи на основе закономерностей формирования ИВП.

Научная новизна заключается в том, что впервые:

— установлена степень влияния геологических и горно-технологических факторов на формирование незаполненного выработанного пространства;

— выявлены закономерности формирования параметров ИВП при отработке залежи от выходов под наносы с учетом разработки перспективных блоков;

— исследовано влияние динамики ИВП на первоначальное место заложения разрезной траншеи и порядок отработки отстающего блока;

— разработаны принципы моделирования порядка блочной отработки обширных мощных месторождений слабонаклонного залегания, позволяющие прогнозировать развитие горных работ с учетом динамики потребления минерального сырья и обеспечения оптимальной морфологии техногенного рельефа вну треннего отвального массива;

— выявлен характер влияния порядка разработки смежных блоков на область применения различных технологических схем отработки обширных мощных слабонаклоппых месторождений;

— обоснован подход к совместной оптимизации развития рабочей и отвальной зон, формирования ИВП и работы комплекса горно-транспортного оборудования с учетом динамики потребления минерального сырья. Практическое значение имеют:

— методика обоснования порядка разработки обширных мощных месторождений слабонаклонного залегания;

— методика обоснования места заложения смежного блока с учетом динамики ИВП;

— предложенная методика исследования параметров ИВП для мощных, обширных, слабонаклонных залежей;

— предложенная методика моделирования формирования незаполненного (избыточного) выработанного пространства;

— разработанная точечно-цифровая модель выбора порядка отработки обширных месторождений;

— разработанная автоматизированная система по обеспечению оперативного контроля за своевременным восстановлением нарушаемых земель.

Методы исследования. В работе использованы научный и технико-экономический анализ, обобщение теоретических исследований и математическое моделирование порядка отработки мощных, горизонтальных и слабонаклонных залежей, практика проектирования горных предприя тий, а так же аналитические, графические, графоаналитические и математические методы.

Реализация результатов работы. Результаты исследований по порядку разработки Березовского месторождения внедрены в учебном процессе, используются па разрезе «Березовский -1» Красноярской угольной компании в перспективном планировании горных работ, а также Комитетом по землеустройству и земельным ресурсам Красноярского края при осуществлении оперативного контроля за восстановлением и своевременным возвратом земель. Ожидаемый годовой эффект от внедрения полученных результатов и рекомендаций на разрезе «Березовский -1» составит 19,48 млн руб.

Апробация работы. Диссертационная работа и отдельные ее положения докладывались и обсуждались в ГАЦМиЗ на кафедре «Открытые горные работы», на Ежегодных краевых научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов (г. Красноярск, 1989;2001 гг.), на Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (г. Красноярск, 1999 г.), на Международных симпозиумах по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (г. Санкт-Петербург, 1993 г., и г. Москва, Неделя горняка, 2002 г.), на технических советах (разрез «Березовский-1» 1990; 1992 г г., Комитет по землеустройству и земельным ресурсам Красноярского края 2001 г.), опубликованы в сборниках w научных трудов «Проблемы открытой разработки угольных месторождений» (г. Кемерово 1994 г.), «Передовые технологии и технико-экономическая политика освоения месторождений в XXI веке» (г. Красноярск, 2000 г.), «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика» (г. Красноярск. 2001 г.), в учебном пособии «Открытые горные работы. Разработка горизонтальных и пологих месторождений» (г. Красноярск. 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ. Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 168 страниц, 46 рисунков, 9 таблиц, список использованных источников из 95 наименований и 1 1 приложений.

4.5. Выводы и рекомендации.

На распределение ИВП в плане и по высоте рабочей зоны влияет и технологическая схема. Использование транспортной технологии с одинаковой скоростью подвигания вскрышной и отвальных зон, приводит к распространению ИВП в верхней части внутреннего выработанного пространства. Разные скорости подвигания рабочих и отвальных уступов ведут к распределению ИВП по всей высоте внутреннего выработанного пространства.

Апробация методики выбора места заложения смежного блока произведена для горно-геологических условий разреза «Березовский-1».

При этом подтверждена необходимость взаимоувязки высотных отметок площадок отрабатываемых уступов и объемов ИВП опережающего блока с объемами разрезной траншеи, закладываемой в границах отстающего блока.

Для сокращения расстояния транспортировки продольная ось последнего должна совпадать с осыо отвальной заходки опережающего блока на участке (этапе), где сформирован достаточный объем ИВП.

Анализ возможных вариантов места заложения смежного блока показал, что полное размещение вскрыши в ИВП первого блока возможно при закладке второго блока на расстоянии 800−1000 м от выхода пласта. При этом обеспечиваются минимальные значения текущего коэффициента вскрыши.

Проанализировав изменения коэффициента вскрыши по вариантам, а также аппроксимированные с помощью полинома второго порядка графические данные, приходим к выводу, что минимальные значении Кц обеспечивается при заложении смежного блока в пятом этане.

При отработке месторождения по ранее запроектированной схеме площадь земель, отчуждаемых под горные работы составляет, 864 га, а при работе с использованием ИВП она может быть снижена до 264 га.

Рекомендуемый вариант размещения отстающего блока позволяет транспортировать вскрышу в ИВП опережающего блока по короткому плечу откатки (2,4 км) без изменения направления г рузопотока (вскрышная заходка находится в одном створе с отвальной) и без выхода на поверхность с господствующими высотными отметками (возможно перемещение вскрыши не только по горизонтали, по и под уклон).

Наиболее предпочтителен автомобильный транспорт, обеспечивающий средневзвешенное расстояние транспортировки не более 3 км.

Переход и разворот горных работ с учетом установленных закономерностей формирования ИВП, позволяет не только располагать вскрышные породы в ИВП смежного блока, но и перераспределять оборудование для выполнения основного объема вскрышных работ в летние благоприятные месяцы, а зимний период использовать для проведения планово-предупредительных ремонтов. Внедрение транспортной технологии с автосамосвалами позволит создать благоприятные условия по формированию техногенных ландшафтов на отсыпаемых отвалах в ИВП опережающего блока для скорейшего проведения горно-технического, биологического этапов рекультивации и уменьшения сроков возврата, рекультивированных земель.

Критерием оценки при обосновании порядка разработки по определенной технологической схеме может служить индекс доходности, характеризующий сравнительную рентабельность инвестиций в оцениваемых вариантах.

При заложении смежного блока на расстоянии 800 м от выхода пласта под наносы в случае использования автотранспорта индекс доходности равен 1,84 руб./ руб., в то время как при железнодорожных средствах доставки вскрышных пород его максимум составляет 1,47 руб./руб., в случае заложения смежного блока на расстоянии 1000 м от выходов. Ведение горных работ по комбинированной схеме с использованием транспортно-отвальной и транспортной технологий экономически выгодно только при.

УЗ б заложении блока на расстоянии 1000 м, но индекс доходности в этом случае снижается до критической отметки, составляя 1,02 руб./руб.

Расчетный годовой экономический эффект от возможного внедрения результатов диссертационной работы в части места заложения отстающего блока на разрезе «Березовский-1» в ценах 2001 года составит 19,48 млн руб.

При ведении горных работ с учетом закономерности формирования ИВП создаются предпосылки для снижения затрат на проведение этапа горно-технической рекультивации, так как возможно сразу перемещать снятый почвенно-растительный слой (ПРС) на поверхность отвалов опережающего блока. Это позволит уменьшить сроки рекультивации и площади отчуждаемых земель под горные работы, снизить расходы на ежегодные платежи за использование земельных ресурсов. Отпадает также необходимость отчуждения площадей под временное хранение ПРС.

Внедрение разработанной при участии автора автоматизированной системы контроля за процессом рекультивации обеспечивает получение персоналом необходимой оперативной информации, позволяет принимать административные и технические решения по своевременному возврату земель, проводить прогнозирование нарушаемых и восстановленных земель. Использование «АСК рекультивации» предоставляет возможность своевременно информировать вышестоящие, а при необходимости, и смежные структуры за ходом рекультивации на горнодобывающих предприятиях. Необходимая документация «АСК рекультивации» передана для реализации в земельный комитет администрации Красноярского края.

Расчетный годовой экономический эффект от возможного внедрения автоматизированной системы контроля рекультивации в ценах 2001 года составит 273,2 тыс. руб.

1Ь7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технологические разработ ки по установлению порядка отработки обширных мощных месторождений слабонаклоппого залегания па основе закономерностей формирования избыточного выработанного пространства, имеющие существенное значение для улучшения технико-экономических показателей карьеров и экологической обстановки в зоне влияния открытых горных работ.

Использован графоаналитический метод, математическое моделирование, при котором карьер рассматривается как геометрическое тело, развивающееся во времени и пространстве.

Определение закономерностей формирования ИВП является узловым вопросом прогнозирования порядка разработки обширных месторождений. В основу методики определения параметров ИВП положено решение геометрической задачи определения объема вскрышной заходки и приемной емкости отвала за каждый шаг подвигания фронта работ. В принципе in, а г подвигания отвальной и вскрышной заходок может быть установлен любым. Разность между приемной емкостью отвала и объемом вскрышной заходки дает искомую величину избыточного выработанного пространства.

Установлено, что на объем избыточного (незаполненного) выработанного пространства влияют: геологические и горно-технические факторы. К геологическим отнесены — угол падения пласта и мощность пласта, коэффициент остаточного разрыхления пород, а к горно-техническим — угол откоса рабочего борта и результирующий угол откоса отвальных ярусов.

Анализ рассмотренных графических зависимостей формирования ИВП показывает, что характер изменения геологических факторов оказывает влияние на объем и размер ИВП, а горно-технических при развитии работ по падению залежи — в большей степени на объем. Например, увеличение.

3(3 угла падения залежи на 1 «приводит к уменьшению объема ИВП на 30,0%, а мощности пласта на 1 м — к увеличению на 4,1%. Увеличение угла откоса рабочего борта на 1°, приводит к увеличению объема ИВП на 2,3%. При аналогичном увеличении результирующего угла откоса отвального яруса объем ИВП увеличивается всего на 1%.

Доказано, что промышленное значение ИВП проявляется при разработке месторождений с мощностью залежи свыше 30 м и углом падения до 3 .

Апробация методики моделирования для условий Березовского буроугольного месторождения подтвердила ее состоятельность.

Установленные закономерности формирования ИВП, в также необходимость выполнения лицензионных требований об уровне землеемкости и своевременном возврате в оборот рекультивированных земель, позволяют более обоснованно подойти к выбору порядка разработки обширных мощных месторождений слабонаклонного залегания.

Общий подход к поиску путей решения данной проблемы требует не только оценки функционирования сложной системы (развитие горных работ в карьере) в целом, но и прогнозирования происходящих в ней процессов.

Для исследования объекта использовано имитационное моделирование, в основу которого положен численный метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). При этом в качестве математической модели функционирования системы выступает алгоритм, в соответствие с которым в компьютере вырабатывается информация, описывающая элементарные, явления связанные с определенным порядком разработки.

Имитационное моделирование выполнено в среде Excel и Delphi. С помощью средств интегрированной среды разработана интерфейсная часть, позволяющая использовать результаты расчетов в программных приложениях системы Windows.

3 9.

Для обоснования порядка разработки обширного месторождения применен графоаналитический метод. Основой для расчетов служит геометрическая модель месторождения. Для удобства расчетов месторождение разбивают на элементарные блоки.

В реальных горно-геологических условиях размеры элементарных блоков в принципе могут различаться между собой, но в любом случае подвигание фронта работ за этап должно быть равно ширине элементарного блока для продольных систем разработки или его длине — при поперечных.

Объемы вскрыши и добычи в границах каждого отрабатываемого этапа компонуются из объемов выделенных элементарных блоков.

Суммирование поэтапных объемов работ дает возможность построить кумулятивные графики Ув = Р (Уд), с помощью которых можно принять предварительное решение о предпочтительности того или иного порядка отработки месторождения.

Для принятия окончательного решения о порядке разработки месторождения рассчитывают эксплуатационные, капитальные затраты и динамические критерии оценки: чистый дисконтированный доход (ЧДД), индекс доходности (ИД), внутреннюю норму доходности (ВИД) и срок окупаемости. Предпочтение отдают варианту с наибольшими значениями ЧДД, ИД, ВНД, и наименьшим сроком окупаемости.

Учитывая множественность возможных вариантов, для исключения необходимости выполнять в каждом из них детальные технико-экономические расчеты, разработана методика их оценки с использованием теории графов.

Апробация предложенной методики проведена для конкретных горногеологических условий Березовского буроугольного месторождения в границах разреза «Березовский-1».

Рассмотрены 23 варианта порядка отработки месторождения. Для каждого из них рассчитаны поэтапные и суммарные объемы вскрыши и добычи, а также коэффициенты вскрыши.

В рекомендованном варианте, первый блок отрабатывают традиционно от выходов пласта, второй — отстающий во времени и пространстве, закладывают после того, как в первом блоке сформировано ИВ11 с параметрами, позволяющими размещать вскрышу строительного периода второго блока по короткому плечу откатки, через примыкающие торцы. В дальнейшем, во втором блоке производится разворот фрон та горных работ в крест простиранию. Необходимость его обусловлена увеличением мощности вскрыши в первом блоке и невозможностью размещать весь объем вскрышных пород в собственном выработанном пространстве. Разворот-фронта обеспечивает возможность создания дополнительного выработанного пространства, в которое можно транспортировать вскрышу первого блока и дополнительную грузотранспортную связь. В итоге создаются реальные предпосылки для распределения грузопотоков вскрыши не только при создании первоначального фронта работ в отстающем блоке, но и в основной период эксплуатации карьера.

Отличительным признаком разработанной методики является то обстоятельство, что объем вскрыши в отстающем блоке сравнивают с объемом ИВП опережающего блока. При равенстве этих двух составляющих весь объем породы из разрезной траншеи отстающего блока перемещают по короткому плечу откатки, заполняя избыточное выработанное пространство опережающего блока без применения внешнего отвалообразования. В случае неравенства возможно перемещение вскрыши в ИВП следующего этапа опережающего блока или внешнее отвалообразование.

На распределение ИВП в плане и по высоте рабочей зоны влияет и технологическая схема. Использование транспортной технологии с одинаковой скоростью подвигания вскрышной и отвальных зон, приводит к распространению ИВП в верхней части внутреннего выработанного пространства. Разные скорости подвигания рабочих и отвальных уступов ведут к распределению ИВП по всей высоте выработанного пространства.

Разработка вскрышной толщи по комбинированной технологии с применением транспортно-отвальной и транспортной технологических схем неизбежно вызывает рассредоточение ИВП в средней и верхней части выработанного пространства.

Анализ возможных вариантов места заложения смежного блока в условиях разреза «Березовский-1» показал, что полное размещение вскрыши в ИВП первого блока возможно при закладке второго блока на расстоянии 800−1000 м от выхода пласта. При этом обеспечиваются минимальные значения текущего коэффициента вскрыши.

При отработке месторождения по ранее запроектированной схеме площадь земель отчуждаемых под горные работы составляет 864 га, а при работе с использованием ИВП она может быть снижена до 264 га.

Рекомендуемый вариант размещения отстающего блока позволяет транспортировать вскрышу в ИВП опережающего блока по короткому плечу откатки (2,4 км) без изменения направления грузопотока (вскрышная заходка находится в одном створе с отвальной) и без выхода на поверхность с господствующими высотными отметками (возможно перемещение вскрыши не только по горизонтали, но и под уклон).

Наиболее предпочтителен автомобильный транспорт, обеспечивающий средневзвешенное расстояние транспортировки не более 3 км, при этом расчетный индекс доходности составляет 1,84 руб/руб.

Использование установленных закономерностей формирования ИВП, позволяет не только располагать вскрышные породы в ИВП смежного блока, но и в условиях нестабильного спроса на добываемую продукцию перераспределять оборудование для выполнения основного объема вскрышных работ в благоприятные летние месяцы, а зимний период может быть использован для интенсификации добычных работ и проведения планово-предупредительных ремонтов. Переход на транспортную технологическую схему с автотранспортом позволитобеспечить благоприятные условия по формированию техногенных ландшафтов на отсыпаемых отвалах в ИВП опережающего блока, а также для скорейшего проведения горно-технического, биологического этапов рекультивации и уменьшения сроков возврата в сельхозоборот восстановленных земель.

Расчетный годовой экономический эффект от возможного внедрения результатов диссертационной работы на разрез «Березовский-1» в пенах 2001 года составит 19,48 млн руб.

При ведении горных работ с учетом закономерностей формирования ИВП создаются предпосылки и для снижения затрат на проведение этапа горно-технической рекультивации, так как возможно сразу перемещать снятый почвенно-растительный слой (ПРС) на поверхность отвалов опережающего блока. Это позволит уменьшить сроки рекультивации и площади отчуждаемых земель под горные работы, снизить расходы, связанные с ежегодными платежами за использование земельных ресурсов. Отпадает также необходимость отчуждения площадей под временное хранение ПРС.

Внедрение разработанной при участии автора автоматизированной системы контроля за процессом рекультивации (АСК) обеспечивает получение персоналом необходимой оперативной информации, позволяет принимать административные и технические решения по своевременному возврату земель, проводить прогнозирование нарушаемых и восстановленных земель. Использование «АСК рекультивации» предоставляет возможность своевременно информировать вышестоящие, а при необходимости, и смежные структуры за ходом рекультивации на горнодобывающих предприятиях. Необходимая документация гю «АСК рекультивации» передана для реализации в земельный комитет администрации Красноярского края.

Расчетный годовой экономический эффект от возможного внедрения «АСК рекультивации» в ценах 2001 года составит 273,2 тыс. руб.