Проектов угольных шахт на основе учета экономичности и надежности технологических систем, промышленной и пожарной безопасности 3 page

Обоснование и выбор перспективных технологических решений для синтеза альтернативных вариантов ГГК при комплексном проектировании и циклической реализации проектных решений

На основе анализа результатов производственной деятельности угледобывающих предприятий, отрабатывающих угольные пласты и блоки по выборочной технологии, выявлены следующие факторы и причины, влияющие на формирование сложных природно-техногенных условий: высокая газоносность углепородного массива, несвоевременная подготовка запасов угля к выемке, трудно управляемые породы кровли, наличие разрывных геологических нарушений, склонность угольных пластов к самовозгоранию, высокая газоносность углепородной толщи.

В проектах угольных шахт проектные организации пытаются исключить негативное влияние указанных факторов, однако это не всегда удаётся, что подтверждается несоответствием фактических технико-экономических показателей проектным и плановым. На рис. 4.6 показан график зависимости фактической добычи угля от бюджетного плана по добыче и проектной мощности.

Рис. 4.6 График зависимости фактической добычи угля от бюджетного плана и проектной мощности

При обработке статистических данных было установлено, что на отдельных предприятиях фактическая добыча превышает проектную, что является нарушением требований Закона РФ «О промышленной безопасности» [14]. Поэтому все случаи превышения фактической добычи по сравнению с проектной мощностью из выборки были исключены.

Из графика следует, что на многих угледобывающих предприятиях фактическая добыча угля ниже бюджетного плана, и, соответственно, проектной мощности. Кроме того, по характеру распределения точек на графике можно сделать вывод, что чем больше проектная мощность, тем ниже устойчивость работы предприятия по добыче.

Причин существенного отклонения фактической добычи от плановой и проектной много. В качестве примера может служить график на рис. 4.6. Инвестору выгодно завысить проектную мощность, так если она не будет достигнута, то это почти не отразится на эксплуатационной себестоимости. В случае, если возникнет необходимость увеличить производственную мощность выше проектной, то потребуется изменение проектной документации, экспертиза и согласование в установленном порядке (см. статью 8 Закона РФ «О промышленной безопасности» [14]). Эти процедурные процессы, включая проектирование и экспертизу, затягиваются на годы и лишают инвестора возможности оперативно реагировать на требования угольного рынка. Таким образом, у предприятия всегда должен быть резерв для повышения производственной мощности, но не выше проектной, без дополнительных корректировок проекта строительства или реконструкции предприятия.

С учётом проектной мощности, указанной заказчиком в задании на разработку проекта, проектной организацией, например «Гипроуголь» (г.Новосибирск), «Промуглепроект» (г.Новокузнецк), «Проектгидроуголь» (г.Новокузнецк), «Кузбассгипрошахт» (г.Кемерово), проектная мощность предприятия устанавливается по максимально допустимой по промышленной безопасности нагрузке. Пространственно-планировочные проектные решения включают расположение в пределах одного пласта (редко двух пластов) одного или двух одновременно действующих очистных комплексно-механизированных забоев и 3-4 подготовительных забоев.

При этом по требованию заказчика завышаются предельные нагрузки посредством снятия ограничений по условиям вентиляции и пожарной безопасности за счет включения в проект мероприятий по дегазации углепородного массива и выработанного пространства, своевременной профилактики эндогенных пожаров т.д. В случае невозможности снять какие-либо ограничения привлекаются научные организации (ВНИМИ, ВостНИИ, РосНИИГД и др.), которые разрабатывают рекомендации и заключения по преодолению ограничений. Например, для одной из шахт Восточного Кузбасса выданы рекомендации, что пласт мощностью 5,0-5,5 можно отрабатывать одним слоем с вынимаемой мощностью 4 м и оставлением в кровле и почве угольных пачек. Для пластов, весьма склонных к самовозгоранию, выдаются заключения о возможности проведения вскрывающих выработок по угольному пласту, что противоречит требованиям п. 588 «Правил безопасности в угольных шахтах» (ПБ 05-618-03) [11] и «Инструкции» [12].

На практике рекомендации научных организаций не всегда выполняются в полном объёме, а иногда выполнение рекомендаций технически не реально, что также приводит к авариям, простоям и снижению фактической добычи по сравнению с проектной. Например, в заключениях научных организаций предлагается покрытие стенок выработок, пройденных по весьма склонным к самовозгоранию угольным пластам, синтетическими клеями (РосНИИГД), коэффициент пластовой дегазации более 0,4 (ВостНИИ) и др., что не всегда удается реализовать на практике.

Установленную на основе проведённого анализа закономерность (рис. 4.6), что фактическая добыча меньше проектной, рекомендуется использовать при выборе рациональной мощности шахты. Предлагается проектную мощность устанавливать как сумму добычи из очистных КМЗ, осуществляющих выборочную отработку запасов угля по высокоинтенсивным технологиям, подготовительных забоев и добычи из участков пластов со сложными природно-техногенными условиями по нетрадиционным технологиям.

Для реализации этого метода обоснования проектной мощности необходимо провести анализ схем формирования сложных природно-техногенных условий при выборочной отработке участков угольных пластов.

На рис. 4.7 показан один из вариантов формирования клинообразной формы выемочных участков.

При отработке участков угольных пластов на малых глубинах не возникает проблем с поддержанием горных выработок в пределах выемочного участка при любом пространственном положении подготовительных выработок выемочного участка, так как вертикальные напряжения σ_в в боках выработок не превышают прочность угля при одноосном сжатии σ_сж. При глубине более 300 м это условие нарушается, то есть σ_в≥ σ_сж, начинается интенсивный отжим угля с боков выработок (шахты «Есаульская», «Полосухинская» в Кузбассе) и их устойчивость резко снижается.

По результатам шахтных исследований выявляется, что угол между продольной осью горной выработки и линией простирания основных кливажных трещин меньше 20^о. По заключению специализированной научной организации (например, ВНИМИ) разрабатываются рекомендации, а по ним проектная документация в виде корректировки проекта строительства предприятия. В корректировке подготовительные выработки нижележащего выемочного столба располагаются таким образом, чтобы угол между осью выработки и линией простирания основных кливажных трещин был равным 35-55^о.

Другой причиной формирования выемочных участков клинообразной формы являются непереходимые очистным механизированным дизъюнктивные нарушения (рис. 4.7). Сложность проблемы состоит в том, что в Западно-Сибирском регионе, в том числе и в Кузбассе, 6-8 балльная опасная сейсмическая ситуация.

Рис. 4.7. Схема формирования сложных техногенных условий:

1 – путевой ствол; 2 – воздухоподающий ствол; 3 – конвейерный ствол;

Конвейерный штрек; 5 – вентиляционный штрек; 6 – перемычки;7 – выработанное пространство отрабатываемого участка; 8 – выработанное пространство с очагом эндогенного пожара; 9 – очистной забой; 10 – геологическое нарушение разрывного типа; 11 – фланговый ствол; 12, 13 – подготовительные забои; 14 – граница

По результатам геологической разведки с сеткой скважин 200-300 м удается установить только крупные нарушения. Как правило, в окрестности крупных дизъюнктивов формируются более мелкие разрывные и пликативные нарушения. Из-за отсутствия достоверных данных о локальной тектонике в пределах выемочного участка или блока проектная организация по согласованию с заказчиком относит запасы угля вблизи крупных дизъюнктивных нарушений к забалансовым (рис. 4.8). Учитывая юридическую сложность перевода запасов из балансовых в забалансовые, в проектах планируется отработка этих запасов в будущие периоды по специальным проектам. На практике за весь период работы предприятия эти запасы со сложными природно-техногенными условиями не отрабатываются, даже в проектах ликвидации предприятия (шахты «Юбилейная», «Тагарышская», «Шушталепская» и др. в Кузбассе).

Третьей причиной формирования выемочных участков неправильной геометрической формы является изменение мощности и зольности угольного пласта. Типичным примером такой ситуации является шахта «Кушеяковская» в Кузбассе. Угленосная толща шахты содержит 16 пластов, которые характеризуются склонностью к расщеплению (слиянию), сложным строением и, в связи с этим, повышенной пластовой зольностью.

Рис. 4.8. Схема формирования участков со сложными природно-техногенными условиями (Байдаевское месторождение Кузбасса)

Наиболее благоприятными в этом плане являются пласты 67, 66 и 66-67 - умеренно сложного (и простого) строения, которые и намечены к первоочередной разработке. Пласт 66 является нижней отщепляющейся пачкой пласта 66-67 и залегает в 1-40 м от вышележащего пласта 67, сливаясь с ним на значительной площади. В 8-10 м ниже пласта находится пласт 66 н.п., развитый на ограниченной площади, который в западной части приближается к пласту 66.

В конкретной горно-геологической ситуации почти каждый выемочный участок отрабатывается по дополнению или корректировке. По стоянию на середину 2011 г. для этой шахты разработаны 5 дополнений к проекту строительства шахты и одна корректировка. Соответственно план горных работ представляет собой «лоскутное одеяло», то есть сочетание участков отработанных по выборочной технологии ДСО и со сложными природно-техногенными условиями. Особенностью шахты «Кушеяковская» является то, что выборочная отработка ведётся в пределах нескольких пластов в свите. Учитывая, что пласты склонные к газодинамическим явлениям и самовозгоранию в будущие периоды следует ожидать на этой шахте повышения уровня аварий и простоев за счёт влияния угольных целиков и краевых участков пластов на устойчивость горных выработок соседних сближенных пластов свиты. Велика вероятность самовозгорания пластов в угольных пачках, оставленных в выработанном пространстве. Такой действующий эндогенный пожар на шахте уже имеется. Относительная газообильность участка по метану составляет 18,7 м³/т, что также подтверждает повышенную опасность только выборочной отработки угольных пластов. Одним из направлений, обеспечивающим устойчивую работу шахты «Кушеяковская», является одновременная отработка запасов по выборочной технологии и по нетрадиционным технологиям.

Другой причиной формирования участков со сложными природно-техногенными условиями является нерациональная выборочная отработка свиты сближенных угольных пластов. При выборе очерёдности отработки пластов в свите инвестор преследует цель достижения максимальной прибыли при минимальных сроках строительства предприятия. Для этого к первоочередной отработке намечается выдержанный по строению и мощности пласт с низкой зольностью и высокой калорийностью угля, востребованного на угольном рынке. Из опыта строительства новых шахт Восточного Кузбасса это следующие условия: мощность пласта 2,00-4,00 м, строение пласта простое, угол падения пласта менее 25^о, марка угля ГЖ, Ж, отсутствуют непереходимые механизированным комплексом геологические нарушения. Чтобы исключить формальное влияние горных работ на вышележащие пласты свиты специализированная организация (ВНИМИ) согласовывает восходящий порядок отработки пластов в свите. Как показывает практика, подработанные пласты отрабатываются весьма редко, например подработанный пласт 33 на Байдаевском и пласты 33, 32 на Антоновско-Есаульском участках Кузбасса (рис. 4.9) до сих пор не отработаны, хотя некоторые шахты («Новокузнецкая», «Нагорная», «Зыряновская», «Байдаевская») на этих месторождениях уже ликвидированы.

Рис. 4.9. Свита пластов северного крыла Антоновско-Есаульской брахисинклинальной складки в пределах горного отвода поля шахты «Полосухинская»

Возникают также проблемы при нисходящем порядке отработки пластов в свите, так как угольные целики, оставленные на верхних отработанных пластах, являются источниками повышенного горного давления «штампами» на нижних пластах. На рис. 4.10 приведёны изолинии распределения вертикальных напряжений под угольным целиком, оставленном между выемочными участками пласта 30 шахты «Полосухинская» [151,152].

Рис. 4.10. Изолинии вертикальных напряжений (МПа) в зоне влияния угольного целика между выемочными участками 30-317 и 30-319 пласта 30 на пласт 29а

для глубины 400 м

Наиболее сложная ситуация возникает при одновременной или последовательной разработке нескольких пластов в свите и соосном расположении выемочных выработок. Этот вариант в проектах шахт принимается в соответствии с методическими рекомендациями и инструкциями ВНИМИ [17, 161,162]. При реализации такого варианта (рис. 4.10) возникают сложные техногенные условия в части поддержания подготовительных выработок в зонах повышенного горного давления, возникающего под влиянием угольных целиков.

Подобная ситуация сложилась в условиях шахты «Полосухинская» в Кузбассе [151,152] (рис. 4.11). При одновременной отработке пластов 26^а, 29^а и 30 влияние угольных целиков на соседних пластах накладывается, что приводит к разрушению угольных целиков, деформациям пород кровли и почвы подготовительных выработок и интенсивному отжиму угля с боков выработки. В этой ситуации пришлось увеличивать ширину угольного целика между соседними выемочными участками до 60 м, что привело к потерям угля в выемочном столбе до 20%.

Разработка процедуры и алгоритма синтеза инновационных вариантов технологических систем угледобывающих предприятий с учетом шахтных и аналитических исследований

Для синтеза альтернативных и выбора в проекте оптимального варианта технологической схемы шахты, адаптивной к сложным природно-техногенным условиям, необходимо разработать алгоритм оценки эффективности проектных решений с обоснованием оптимальных объёмов добычи угля по выборочной технологии, по нетрадиционным технологиям и из подготовительных забоев.

Как доказано выше, проектную мощность угледобывающего предприятия необходимо устанавливать как сумму добычи из очистных КМЗ, осуществляющих выборочную отработку запасов угля по высокоинтенсивным технологиям, подготовительных забоев и добычи из участков пластов со сложными природно-техногенными условиями по нетрадиционным технологиям. Математически эти рекомендации можно представить в виде следующей зависимости

, (4.3)

где Д – общая добыча угля по предприятию; N – количество очистных забоев с выборочной отработкой участков пластов; М - количество очистных забоев на участках пластов со сложными природно-техногенными условиями; L – количество всех подготовительных забоев; Д_i – добычаугля из i -того высокопроизводительного очистного забоя с выборочной отработкой участков пластов; Д_j – добычаугля из j -того очистного забоя на участках пластов со сложными природно-техногенными условиями; Д_k – добычаугля из k -того подготовительного забоя.

Для упрощения вида формул при дальнейшем анализе введем следующие обозначения:

; (4.4)

. (4.5)

где - общий объем добычи по выборочной технологии отработке участков пластов; - общий объем добычи по нетрадиционным технологиям в сложных природно-техногенных условиях.

Необходимо выбрать такой объем , и Д_k, чтобы суммарная добыча угля по шахте была безубыточной, т.е. определить «точку безубыточности».

Рис. 4.11. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений при соосном расположении межлавных целиков и угольных столбов на сближенных пластах (шахта «Полосухинская», Кузбасс) [152]

Согласно исследованиям [47] безубыточный объем продаж угля можно определить по известной формуле

(4.6)

где - безубыточный объем продаж, тыс.т; - постоянные затраты по шахте, тыс.руб.; Ц – цена угля, руб./т; - удельные переменные затраты по шахте, руб./т.

С учётом общего объёма добычи угля в очистных забоях Д_i, работающих по выборочной технологии, в очистных забоях Д_j, работающих по нетрадиционным технологиям, а также добычи из подготовительных забоев Д_k вместо формулы (4.4) можно записать уравнение вида

, (4.7)

где - постоянные общешахтные затраты, не связанные с технологией очистных и подготовительных работ; - постоянные затраты, связанные с технологией очистных и подготовительных работ при выборочной отработке участков пластов длинными столбами с использованием высокопроизводительных механизированных комплексов (ДСО); - постоянные затраты, связанные с технологией очистных и подготовительных работ при отработке участков пластов по нетрадиционным технологиям в сложных природно-техногенных условиях (НТР); - цена угля на рынке, руб./т; - удельные переменные затраты предприятия, кроме затрат на подготовительные работы, при выборочной отработке участков пластов длинными столбами с использованием высокопроизводительных механизированных комплексов, руб./т; - удельные переменные затраты предприятия на подготовительные работы при выборочной отработке участков пластов ДСО, тыс.руб./м; - удельный объем проведения подготовительных выработок на 1000 т добычи при выборочной отработке участков пластов ДСО, м/1000т; - удельные переменные затраты предприятия, кроме затрат на подготовительные работы, при отработке участков пластов по нетрадиционным технологиям в сложных природно-техногенных условиях (НТР), руб./т; - удельные переменные затраты предприятия на подготовительные работы при отработке участков пластов по НТР, тыс.руб./м; - удельный объем проведения подготовительных выработок на 1000 т добычи при отработке участков пластов по НТР, м/1000т.

Выделение в уравнении (4.7) затрат на проведение и поддержание подготовительных выработок связано с тем, что при нетрадиционных способах отработки пластов, как правило, удельный объем проведения выработок существенно отличается от соответствующих объемов проведения выработок при ДСО (табл. 4.3). Так как абсолютные значения постоянных и переменных затрат существенно отличаются на разных предприятиях и изменяются во времени пропорционально рыночным ценам, то в табл. 4.3 по фактическим данным вычислены отношения постоянных и переменных затрат к себестоимости и цене угля. При дальнейшем анализе эффективности интеграции выборочной и традиционной технологий эти отношения приняты средними.

Для упрощения анализа и обеспечения возможности использования отношений постоянных и переменных затрат к цене продукции формула (4.7) посредством деления числителя и знаменателя на цену Ц приведена к следующему виду:

(4.8)

Приведенные в формуле (4.8) отношения постоянных и переменных затрат к цене вычислены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Удельные объемы проведения выработок на 1000 т добычи при разных технологиях и системах разработки [45, 141]

Предприятие	Технология, система разработки	Средняя вынима-емая мощность пласта, м	Объем добычи, тыс./год	Длина пройденных выра-боток, м/год	Удель-ный объем прове-дения выра-боток, м/1000 т добычи
Шахта «Ульяновская» Кузбасс, 2006 г.	Выборочная отработка ДСО в КМЗ	2,45	2144,7		5,2
Шахта «Алардинская», Кузбасс, 2006 г.	Выборочная отработка наклонными слоями в КМЗ	4,72	3219.9		3,5
Шахта «Абашевская», Кузбасс, 2006 г.	Выборочная отработка ДСО в КМЗ, струг	1,70	960,3		3,75
Шахта «Воргашорская», Печорский бассейн, 2005 г.	Выборочная отработка ДСО в КМЗ,	3,00	3000,2		2.46
Шахта «Красногорская», Кузбасс, 2005 г.	Гидродобыча, подэтажная гидроотбойка на крутых пластах	3,10	537,9		25,6
Шахта «Заречная», Кузбасс, 1989 г.	Механогидравлическая выемка К-56МГ на пологих пластах	1,95	495,3		62,4
Шахта «Инская» №2, Кузбасс, 1989 г.	Гидродобыча, гидроотбойка на пологих пластах	3,56	449,8		48,5

 

Для расчета объема безубыточной добычи на шахтах с применением разных технологий угледобычи в проекте разрабатываются разные варианты технологической схемы. По каждой технологии проводится сметный расчет и окончательно по формуле (4.7) определяется безубыточный объем продаж. Для ориентировочных расчетов можно использовать данные 1995-2002 гг., приведенные в табл. 4.4.

Для выявления зависимостей безубыточного объема продаж угля от соотношения добычи по выборочной технологии и по нетрадиционным технологиям проведен расчет по формуле (4.8) при изменении исходных данных в диапазонах, указанных в табл. 4.5. В качестве базовых приняты следующие технологии: ДСО - выборочная отработка участков пластов длинными столбами с полным обрушением кровли и использованием высокопроизводительных механизированных комплексов; КСО - отработка участков пластов короткими забоями с механической, механогидравлической выемкой и гидротранспортом угля [45,163,164,165,170].

Отношение себестоимости к цене угля можно определить по модифицированной формуле, приведенной в работах [47]

(4.9)

Решение уравнений (4.8) и (4.9) относительно безубыточного объема продаж осуществляется с использованием данных табл. 4.4 и 4.5 или по сметам, разрабатываемым в проекте.

Посредством варьирования отношения объемов по традиционным и нетрадиционным технологиям к безубыточному объему добычи проводится выбор оптимального варианта технологической схемы шахты.

 

Таблица 4.4 Исходные данные (2002 г.) для расчета безубыточного объема продаж

по шахтам ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» [141]

Показатели	Среднее значение	Шахты
Абашевская	Томская	Грамотеинская	Алардинская	Осинниковская	Есаульская
Фактический объем добычи, тыс.т		2665,8	740,1	1437,1	2159,3	1179,6	2945,0
Безубыточный объем продаж, тыс.т		2094,0	662,9	1007,43	1926,2	993,0	2257,69
Отношение безубыточного объема продаж к фактическому объему добычи	0,81	0,78	0,90	0,70	0,89	0,84	0,77
Себестоимость 1 т угля, руб./т		287,59	337,95	233,29	239,60	349,89	210,53
Цена угля, руб./т		330,00	359,40	290,00	364,44	390,00	388,29
Отношение себестоимости угля к цене, (руб./т)/(руб./т)	0,63	0,87	0,94	0,80	0,66	0,90	0,54
Удельный объем проведения выработок, м/1000т	4,95	3,27	6,63	2,50	4,65	6,20	6,44

Продолжение таблицы 4.4.

Отношение удельных постоянных затрат по шахте к себестоимости (цене), (руб./т)/(руб./т)	0,56 (0,45)	0,54 (0,47)	0,56 (0,53)	0,57 (0,46)	0,60 (0,44)	0,61 (0,55)	0,46 (0,25)
Отношение удельных переменных затрат по шахте к себестоимости (цене), (руб./т)/(руб./т)	0,44 (0,34)	0,46 (0,40)	0,44 (0,41)	0,43 (0,34)	0,40 (0,26)	0,39 (0,35)	0,54 (0,29)
Отношение удельных постоянных затрат на процессе «Подготовительные работы» по шахте к себестоимости (цене), (руб./т)/(руб./т)	0,035 (0,026)	0,031 (0,027)	0,036 (0,034)	0,026 (0,021)	0,036 (0,024)	0,031 (0,024)	0,051 (0,028)
Отношение удельных переменных затрат на процессе «Подготовительные работы» по шахте к себестоимости (цене), (руб./т)/(руб./т)	0,123 (0,095)	0,109 (0,095)	0,144 (0,135)	0,078 (0,062)	0,123 (0,081)	0,118 (0,106)	0,169 (0,091)
Удельные постоянные затрат на 1 м выработки на процессе «Подготовительные работы», руб./м	1748,00	2709,22	1834,42	2451,15	1898,81	1776,33	1652,49
Отношение удельных постоянных затрат на 1 м выработки на процессе «Подготовительные работы» к себестоимости (цене) 1 т угля, (руб./м)/(руб./т)	7,70 (5,96)	9,42 (8,21)	5,43 (5,10)	10,51 (8,45)	7,92 (5.21)	5,08 (4,55)	7,85 (4.25)
Удельные переменные затраты на 1 м выработки на процессе «Подготовительные работы», руб./м	6028,32	9601,53	7334,68	7345,44	6355,18	6683,00	5533,12
Отношение удельных переменных затрат на 1 м выработки на процессе «Подготовительные работы» к себестоимости (цене) 1 т угля, (руб./м)/(руб./т)	24,75 (20,61)	33,39 (29,10)	21,70 (20,41)	31,49 (25,33)	26,52 (17,44)	19,10 (17,14)	16,28 (14,25)

Таблица 4.5