Проектов угольных шахт на основе учета экономичности и надежности технологических систем, промышленной и пожарной безопасности 2 page

В теории надежности изучаются сложные системы с различными соединениями в них элементов: последовательным, параллельным и комбинированным [22-24]. В настоящей работе для условий малозабойных ТСУП по схеме «шахта-пласт», «шахта-лава» технологическую систему угледобывающего предприятия можно идентифицировать элементами с последовательным соединением структурных элементов. При таком соединении элементов предполагается, что во время ликвидации или отказа любого элемента цепь выключена. Для этого соединения средний коэффициент готовности в интервале времени t₂-t₁ можно определить по следующей приближенной формуле [22]:

, (3.27)

где – средний коэффициент готовности ТСУП; M – количество структурных элементов ТСУП; – средний коэффициент готовности j -того элемента ТСУП; p_j – вероятность безотказной работы j -того элемента ТСУП за период t₂-t₁.

Для определения коэффициентов готовности и коэффициентов использования ТСШ были проведены шахтные исследования и статистическая обработка полученных данных. Результаты этих исследований приведены в следующих разделах настоящей работы.

На основе разработанного алгоритма определения надёжности ТСУП предлагается качество проекта угледобывающего предприятия Q_Н по критерию надёжности определять как отношение показателей надёжности в проекте и на предприятии-аналоге. В частности при оценке качества проекта по коэффициенту готовности можно использовать отношение прогнозируемого в проектной документации коэффициента готовности и вычисляемого по результатам статистической ретроспективной информации эксплуатируемого предприятия-аналога коэффициента готовности , то есть

. (3.28)

В рамках всего гибкого геотехнологического комплекса в соответствии с предлагаемой системой перманентно-циклического проектирования по критерию качества проектов принимаются решения о реализации отдельного или группы утверждённых проектов, в том числе локальных, в зависимости от конкретной ситуации на рынке угля, наличия вскрытых и подготовленных запасов угля и других факторов.

СИНТЕЗ альтернативных вариантов технологических систем угледобывающих предприятий, адаптивных к сложным природно-техногенным Условиям освоения георесурсного потенциала

При разработке проектов строительства и реконструкции угледобывающих предприятий или дополнений и корректировок в виде локальных проектов, как правило, принимаются решения, регламентированные нормативными документами и нормами технологического проектирования. При этом, как показано в первом разделе настоящей работы, почти во всех проектах не рассматриваются альтернативные варианты и не проводится выбор рационального варианта. Несмотря на бурное развитие геоинформационных систем и технологий [59,60 и др.] в практике проектных организаций по горному направлению почти не применяются математические методы оптимизации. Как отмечается в статье В.В. Мельника и Л.И. Шулятьевой [148] применяемые при проектировании шахт математические модели обеспечивают прогноз технико-экономических параметров при статическом состоянии объекта исследований. Некоторые авторы предлагают создать метод последовательной совместной оптимизации параметров подсистем сложной геотехнологической системы шахты. Подобные задачи решены в диссертациях В.В. Агафонова, А.К. Логинова[57,58], в которых разработано научно-методическое обеспечение формирования стратегии устойчивого развития горнотехнических систем угольных шахт. Необходимость развития теории проектирования и реализации идей комплексного освоения недр убедительно доказано в статье Д.Р. Каплунова, М.В. Рыльниковой [56], работах В.А. Атрушкевича [169], К.Ю. Алексеева [118].

Указанные первоисточники подтверждают актуальность исследований по развитию существующих и созданию новых методов и математического обеспечения для прогноза параметров альтернативных и рациональных технологических систем угледобывающих предприятий (ТСУП). Однако научная проблема состоит не только в том, как проводить математическое моделирование технологических процессов, по каким алгоритмам и программам, но и в отсутствии новых принципиальных технологических решений, обеспечивающих достижение технико-экономических показателей, приближенных к уровню развитых угледобывающих стран.

Методология перманентного проектирования и циклического развития угледобывающих предприятий в структуре гибкого геотехнологического комплекса соответствует указанным прогрессивным научным направлениям и позволит частично решить проблему достижения на угледобывающих предприятиях технико-экономических показателей, сопоставимых с показателями шахт и разрезов развитых угледобывающих стран.

В настоящее время на шахтах России доля применения разных систем разработки составляет: длинными столбами с полным обрушением пород кровли в Печорском бассейне 100%, в Кузнецком – 91,4 %, в Донецком – 92,1 % [50]. То есть наблюдается явно монопольное применение на угольных шахтах России систем разработки длинными столбами с полным обрушением пород кровли и выемкой угля механизированными комплексами. Это привело к ограничению диапазона альтернативных вариантов технологии угледобычи в проектах и выборочной отработке участков пластов и шахтных полей на практике. По критерию адаптации область высокой эффективности технологии отработки угольных пластов длинными комплексно-механизированными забоями ограничена следующими основными горно-геологическими и горнотехническими условиями: угол падения пласта 0-22°, вынимаемая мощность пласта 1,3-4,8 м, глубина разработки до 600 м, длина выемочных полей 2-3 км, длина очистного забоя 100-300 м, пласты не склонные к газодинамическим явлениям и самовозгоранию, в пределах выемочного участка отсутствуют непереходимые механизированным комплексом дизъюнктивные нарушения. Запасы участков угольных пластов за пределами указанных диапазонов временно консервируются или переводятся в забалансовые по разным причинам. Применение выборочной технологии привело к увеличению потерь угля и временной консервации балансовых запасов, отработка которых планируется в будущие периоды по специальным проектам.

При разработке проектной документации в сложившейся ситуации у проектной организации выбор альтернативных вариантов технологической схемы угледобывающего предприятия весьма ограничен. В частности, для угольных шахт, с учетом опыта отечественных и зарубежных шахт и рынка оборудования для шахт, результатов анализа планов горных работ и проектной документации выделены вероятные альтернативные варианты и диапазоны изменения параметров технологических схем шахт (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Вероятные альтернативные варианты

способов и схем вскрытия, подготовки и отработки

угольных пластов в проектах и на действующих шахтах

* рейтинг по 10-балльной системе установлен по результатам анализа проектов и технологических схем действующих шахт России [148]

Как следует из табл. 4.1, в проектах строительства шахт преобладают технологические схемы с постоянным технологическим комплексом на поверхности, комбинированный способ вскрытия главным наклонным и вертикальным воздухоподающим стволом, фланговая схема вскрытия, панельная схема подготовки шахтного поля, групповой пластово-полевой способ подготовки, нисходящий порядок отработки пластов в свите, с охраной выемочных выработок целиками и частичным сохранением штрека в выработанном пространстве для комбинированного проветривания, трёхштрековая подготовка запасов выемочного участка, нисходящий порядок отработки ярусов в панели, ведение горных работ преимущественно в бремсберговой части рабочего горизонта.

В процессе строительства угледобывающего предприятия по разным причинам (отсутствие инвестиций, изменение требований рынка по количеству и качеству угля, сложная тектоника, высокая обводненность пород и др.) осуществляется пересмотр проектных решений в локальных проектах (дополнениях, корректировках). В локальных проектах преследуются глобальные ближайшие цели бизнеса цели: получить дешёвый уголь с меньшими капитальными затратами в сокращённые сроки. По существу по локальным проектам реализуются временные технологические схемы, которые включают временный технологический комплекс на поверхности с транспортом до прирельсового склада угля на расстояние 10-15 км автосамосвалами, вскрытие шахтного поля только наклонными стволами малого сечения (иногда вентиляционными шурфами), индивидуальный пластовый способ подготовки шахтного поля по схеме «шахта-пласт», восходящий порядок отработки пластов в свите с первоочередной выемкой пластов средней мощности с высоким качеством угля, охрана выемочных выработок выемочного участка угольными целиками с частичным сохранением штрека в выработанном пространстве для комбинированного проветривания, с двух-трехштрековой подготовкой выемочного участка, выборочная отработка ярусов в пределах панели, ведение горных работ в уклонных полях с бремсберговой схемой проветривания и др.

Применение временных схем приводит к росту капитальных затрат на следующих этапах освоения шахтного поля, однако вариант развития шахты по временным схемам привлекает внимание инвесторов из-за быстрой окупаемости инвестиций. По временным схемам осваиваются многие новые месторождения угля, например Ерунаковское, Караканское в Кузбассе. Однако, при последовательной разработке и реализации локальных проектов почти никогда не достигается реализация проектных решений, разработанных в основном проекте строительства угледобывающего предприятия, так как после реализации очередного локального проекта может возникнуть ситуация, при которой следующий этап развития предприятия становится экономически не выгодным из-за высоких капитальных затрат при переходе от временных технологических схем к постоянным (расширение капитальных выработок, проведение вертикального ствола, замена вентиляторов главного проветривание, переход на постоянную схему водоотлива и др.). В этом случае разрабатывается проект на ликвидацию предприятия или временную консервацию. Другой формой временного прекращения деятельности предприятия является его банкротство и продажа.

С учетом изложенных особенностей освоения месторождений угля с заменой проектных решений в проекте строительства предприятия проектными решениями в локальных проектах и ограничении капитальных вложений на каждом этапе развития предприятия у проектных организаций весьма ограничен выбор альтернативных вариантов технологических схем. Одним из основных резервов технологических и технических решений для формирования альтернативных вариантов технологических схем угледобывающих предприятий является варьирование технологических параметров и типов горношахтного оборудования.

В качестве параметров и характеристик альтернативных вариантов технологических схем угольных шахт в проектах варьируются: длина лавы 100-400 м, длина выемочного столба 600-3000 м, 2 или 3 выемочных выработки для оконтуривания выемочного участка, проведение выработок одиночными или спаренными забоями, вскрытие и подготовка склонных к самовозгоранию угольных пластов полевыми или пластовыми выработками с проведением профилактических мероприятий, тип и конструкция горношахтного оборудования с сочетанием технических устройств отечественного и импортного изготовления.

Приведенные технологические и технические решения позволяют отрабатывать угольные пласты, благоприятные для применения высокопроизводительного оборудования по выборочной технологии. Следствием применения такой технологии в проектах и на практике является нерациональное использование недр и формирование в пределах шахтного поля участков угольных пластов, отработка которых длинными комплексно-механизированными забоями (КМЗ) нерентабельна.

Аналогичная ситуация сложилась и на угольных разрезах, где запасы угольных пластов мощностью менее 2 м отнесены к забалансовым, не проводятся предусмотренные проектом рекультивационные работы, ограничена область применения внутренних отвалов, горные работы ведутся с нарушением лицензионных соглашений.

Таким образом, можно утверждать, что применяемые на шахтах и разрезах современные эффективные по экономическому критерию технологии не адаптивны ко всем запасам в пределах горных отводов угледобывающих предприятий.

Для оценки уровня адаптивности системы разработки длинными столбами с полным обрушением пород кровли (ДСО) и выемкой угля механизированными комплексами разработаны математические модели и алгоритмы [59,60]. В общем случае критерий адаптации системы разработки длинным столбами с полным обрушением пород кровли (ДСО) к природной среде можно представить в виде следующей зависимости:

, (4.1)

где - комплексный критерий адаптации системы разработки длинным столбами к природной среде; N - количество частных критериев адаптации; - частный k -тый критерий адаптации.

Под частным критерием адаптации в формуле (4.1) следует понимать множество работоспособных состояний системы разработки ДСО в заданной среде. Согласно теории вероятности частный критерий адаптации равен вероятности взаимодействия системы разработки ДСО в области благоприятного состояния среды по частному параметру. В качестве примера можно рассмотреть методику определения критерия адаптации системы разработки ДСО по мощности пластов. Пусть в пределах горного отвода шахты запасы угля распределяются по мощности в соответствии с гистограммой на рис. 4.1, исходные данные для которого приняты из табл. 3.5.

Например, распределение промышленных запасов угля в пределах шахтного поля по мощности пласта соответствует графику, приведенному на рис. 4.1. Для отработки пластов в альтернативном варианте принята механизированная крепь Glinik-15/32-POz с предельной раздвижностью секций крепи 1,70-3,10 м. При применении этой механизированной крепи часть промышленных запасов будет извлечена (на рис. 4.1 заштрихована). В этом случае критерий адаптации механизированной крепи к мощности угольных пластов составит

, (4.2)

где – критерий адаптации механизированной крепи Glinik-15/32-POz к мощности пластов; - объем добычи угля с применением механизированной крепи Glinik-15/32-POz; - объем промышленных запасов в пределах шахтного поля.

Для рис. 4.1 критерий адаптации (в простейшем случае отношение площадей отработанных запасов и всех промышленных запасов) =0,62.

Аналогично можно рассчитать критерий адаптации системы разработки ДСО по метановыделению, геологическим нарушениям, производительности транспорта, водопритоку, склонности угля к самовозгоранию и т.д.

Рис. 4.1. Схема определения критерия адаптивности технологической схемы шахты

по мощности пласта, J =0,62

Следует отметить, что согласно структуре формулы (4.1), если хотя бы один частный критерий близок к нулю, то есть →0, то вся технологическая система будет неработоспособной.

Таким образом, как на стадии проектирования, так и реализации проектных решений в пределах шахтного поля остаются участки угольных пластов с запасами, адаптивность к которым системы разработки длинными столбами с выемкой угля в комплексно-механизированных забоев весьма низкая. Эти запасы характеризуются следующими сложными горно-геологическими и техногенными условиями (далее по тексту СГГТУ): угол падения пластов более 30^о, сложное строение пластов, метаноносность выше 20 м³/т, уголь пластов весьма склонный к самовозгоранию, непереходимые механизированным комплексом дизъюнктивные нарушения, геометрически неправильная форма выемочных полей и участков, ограниченные размеры выемочных полей и участков, мощность пластов более 5 м. Например,в Кузбассе широко применяется отработка одним слоем угольных пластов мощностью более 5м с оставлением в почве и кровле пласта угольных пачек, которые способствуют созданию в выработанном пространстве очагов эндогенных пожаров.

В отличие от традиционной постановки исследований по проблемам технологии угледобычи в сложных горно-геологических условиях в настоящей работе предлагается дополнительно рассматривать сложные техногенные условия, которые создаются при реализации локальных проектов на предыдущих этапах проектирования и развития угледобывающего предприятия (рис. 4.2).

К техногенным признакам следует также отнести следующие осложняющие условия и факторы (рис. 4.2): подработанные пласты рабочей мощности, геометрически неправильная форма выемочных участков после выборочной отработки соседних участков, затопленное водой выработанное пространство на вышележащих пластах, очаги неликвидированных эндогенных пожаров, нижние надработанные слои мощных пластов после отработки верхнего слоя длинными комплексно-механизированными забоями.

Таким образом, в пределах горных отводов угольных шахт формируются сложные природно-техногенные условия, к которым системы разработки длинными столбами с полным обрушением пород кровли не адаптивны.

На рис. 4.2 приведены признаки сложности природных и техногенных условий, а в табл. 4.2 результаты качественной оценки критерия адаптации разных вариантов и технологий угледобычи, которые подтверждают, что эффективная отработка угольных пластов в сложных природно-техногенных условия возможна с применением нетрадиционных технологий.

Следует отметить, что в природе и на практике проявляется одновременное влияние не всех негативных факторов, указанных в табл. 4.2.

При разработке проектной документации в соответствии с табл. 4.2 и рис. 4.2 для конкретных условий выбираются факторы, характеризующие сложность природных и техногенных условий и вычисляется критерий адаптивности по формуле (4.1).

Рис. 4.2. Признаки сложности природно-техногенных условий участков угольных пластов и вероятные варианты их отработки

В качестве примера распределения участков со сложными природно-техногенными условиями и осложняющими факторами на рис. 4.3 приведен фрагмент плана горных работ в проекте подготовки и отработки верхнего слоя пласта IX филиала «Шахта «Томская» в Кузбассе, участок «Южный». Пласт IX сложного строения (4-7 прослойков), относительно выдержанный, полная мощность пласта 5,53-9,50м, угол падения 4-12°. Границами участка (западной части пласта IX участка «Южный») являются: на севере - «Кийзакская» дайка диабазов; на западе - граница горного отвода и выход пласта IX под наносы; на юге - выход пласта IX под наносы; на востоке - тектоническое нарушение «к» с амплитудой Н = 5 м.

В проекте разработаны проектные решения для подготовки и отработки верхнего слоя пласта длинными столбами с полным обрушением пород кровли и выемкой угля механизированным комплекса 2КМ138 с комбайном KSW500. Порядок отработки шахтного поля нисходящий, выемочного участка обратный.

Как следует из рис. 4.3 запасы угля со сложными природно-техногенными условиями составляют более 50% от всех балансовых запасов. На основе анализа состояния запасов пласта IX выделены следующие участки со сложными природно-техногенными условиями: в зонах геологических нарушений; в предохранительных угольных целиках, под затопленным выработанным пространством, в зонах влияния эндогенных пожаров.

Запасы угля второго слоя следует отнести к сложным по техногенным условиям, так как отработка второго слоя в Томь-Усинском районе Кузбасса почти всегда сопровождается большими потерями угля и рецидивами эндогенных пожаров.

На рис. 4.4 приведен пример построения графиков распределения критерия адаптации для трёх наиболее распространенных технологий выемки угля: длинными столбами с полным обрушением пород кровли и выемкой угля механизированными комплексами (ДСО КМЗ), камерно-столбовой системы разработки с механическим разрушением угля (КСОМ) и камерно-столбовой системы разработки с гидравлической выемкой угля (КСОГ) в зависимости от совместного проявления одновременно негативных природно-техногенных факторов. Исходные данные приняты из табл. 4.2.

Рис. 4.3. План горных выработок в проекте подготовки и отработки верхнего слоя пласта IX филиала «Шахта «Томская» в Кузбассе, участок «Южный» (ЗАО «Промуглепроект», ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»)

Графики на рис. 4.4 приведены для иллюстрации методики выбора рационального варианта технологии угледобычи в проектах шахт по критерию адаптации. Методика рекомендуется для формирования альтернативных вариантов с последующей разработкой проектных решений и технико-экономической оценкой сравнения вариантов и выбора оптимального варианта.

Однако эффективность и безопасность отработки угольных пластов по нетрадиционным технологиям, приведенным в табл. 4.2, обеспечивается не во всех случаях, что следует объяснить недостаточными объёмами и глубиной исследований особенностей процессов и операций этих технологий.

С целью повышения эффективности отработки участков пластов в сложных природно-техногенных условиях в настоящей работе разработаны новые технологические и технические решения и рекомендации для использования их в проектах угольных шахт. Для этого проведены исследования по следующим актуальным направлениям:

1) разработаны концепция и принципы декомпозиции существующих и синтеза новых геотехнологических систем шахт, адаптивных к сложным природно-техногенным условиям участков пластов в пределах горного отвода.

2) разработаны технологические и проектные решения для синтеза альтернативных вариантов геотехнологических систем угледобывающих предприятий при перманентном проектировании и циклической реализации проектных решений.

3) обоснованы области применения выборочной и нетрадиционных технологий отработки запасов угля.

3) разработаны эффективные технологические решения для вскрытия и подготовки участков шахтного поля в сложных природно-техногенных условиях.

4) разработаны рекомендации для использования в проектах новых технологических решений для отработки участков угольных пластов в сложных природно-техногенных условиях.

5) разработана классификация запасов шахтного поля с учетом сложности природно-техногенных условий разработки угольных пластов.

6) обоснованы технологические требования для создания механизированного комплекса автоматизированной выемки угля в сложности природно-техногенных условиях.

Рис. 4.4. Гистограммы распределения критерия адаптации от количества негативных факторов, приведенных в таблице 4.2:

ДСО КМЗ - длинные столбы с полным обрушением пород кровли и выемкой угля механизированными комплексами; КСОМ - камерно-столбовая система разработки с механическим разрушением угля; КСОГ камерно-столбовая система разработки с гидравлической выемкой угля; П – пласты, склонные к самовозгоранию; Ф – участки пластов неправильной формы и с ограниченными запасами; α – угол падения пласта; m –мощность пласта, м

Таблица 4.2

Экспертная оценка критериев адаптации вариантов отработки угольных пластов в сложных природно-техногенных условиях