диссертация. Катышев Павел Викторович обоснование технологии выемки пологопадающих угольных месторождений при веерной системе разработки специальность 25. 00. 22 Геотехнология подземная, открытая и строительная диссертация
 Скачать 7.38 Mb.
|
|
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Сибирский федеральный университет На правах рукописи Катышев Павел Викторович ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫЕМКИ ПОЛОГОПАДАЮЩИХ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИ ВЕЕРНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ Специальность 25.00.22 – Геотехнология подземная, открытая и строительная Диссертация на соискание учѐной степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.Е. Кисляков Красноярск, 2017 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 4 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ОТРАБОТКИ ПОЛОГОПАДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИ ВЕЕРНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ ................................................................................................................ 10 1.1 Современное состояние и проблемы угольной промышленности страны .... 10 1.2 Характеристика объекта исследования. 13 1.3 Анализ ранее проведенных исследований и применения веерной системы разработки ................................................................................................................... 19 1.4 Цель и задачи исследований ............................................................................... 31 2 ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ФРОНТА ГОРНЫХ РАБОТ НА ПОЛОГОПАДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ПРИ ВЕЕРНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ ................................................................................................................ 33 2.1 Развитие фронта горных работ на пологопадающих угольных месторождениях при веерной системе разработки ................................................ 34 2.2 Способы перехода от параллельного к веерному подвиганию фронта горных работ ............................................................................................................................ 45 2.3 Разработка полезного ископаемого за контуром горных работ отрабатываемых посредством веерной системы .................................................... 51 2.4 Разработка пологопадающих угольных месторождений двумя бортами с размещением отвалов в выработанном пространстве ............................................ 54 2.5 Выводы .................................................................................................................. 57 3 ДИНАМИКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВЫЕМОЧНО-ПОГРУЗОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ВЕЕРНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ ................................. 59 3.1 Динамика производительности роторного выемочно-погрузочного комплекса в клиновидно-эксплуатационном блоке (КЭБ) .................................... 59 3.2 Мероприятия для стабилизации производительности роторных выемочно- погрузочных комплексов при отработке КЭБ ........................................................ 71 3.2.1 Работа роторного комплекса диагональным забоем .................................. 71 3 3 3.2.2 Технологический способ отработки КЭБ блочной выемкой .................... 75 3.2.3 Технологический способ отработки КЭБ с проходкой опережающей выработки. 78 3.3 Динамика производительности выемочно-погрузочного оборудования цикличного действия при отработке КЭБ ............................................................... 80 3.3.1 Технологические схемы отработки клиновидно-эксплуатационных блоков выемочно-погрузочной техникой цикличного действия ....................... 88 3.4 Выводы .................................................................................................................. 92 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ВЕЕРНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ ........................................................................ 94 4.1 Конвейерный транспорт ...................................................................................... 94 4.1.1 Сравнение вариантов передвижки забойных конвейерных линий при параллельном и веерном перемещении фронта горных работ .......................... 95 4.1.2 Поворот параллельных забойных конвейерных линий в условиях разреза «Березовский-1» ...................................................................................................... 98 4.2 Обоснование направления транспортирования горных пород при отработке КЭБ с применением автомобильного транспорта ................................................ 103 4.3 Выводы ................................................................................................................ 113 5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ВЕЕРНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ РАЗРЕЗА «БЕРЕЗОВСКИЙ-1».................................................................................................... 114 5.1 Энергопотребление роторных выемочно-погрузочных комплексов и конвейерного транспорта в условиях веерной системы разработки .................. 114 5.2 Основные технологические решения, выбор критериев оценки .................. 121 5.3 Расчет капитальных вложений и прямых эксплуатационных затрат ........... 127 5.4 Выводы ................................................................................................................ 131 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 132 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................... 135 ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ....................................................................................................................... 143 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы. За последние 10 лет мировое потребление угля выросло почти на 50 % (потребление газа – примерно на 30 %; нефти и атомной энергии – менее чем на 10 %). Уголь – это один из главных энергоресурсов, способный удовлетворить основные энергетические потребности растущего населения и развивающейся мировой экономики, внести важнейший вклад в преодоление энергетической бедности и энергетического неравенства. Конкурентные преимущества российской угольной отрасли в рамках отечественного топливно-энергетического комплекса (ТЭК) заключаются в наличии огромных (второе место в мире) запасов угля, которых при существующем уровне добычи хватит на долгосрочную перспективу наличии существенных резервов повышения эффективности многообразии различных видов угольной продукции, следовательно, возможности быстрой адаптации к меняющимся условиям рынка. Вышеизложенное ставит перед угольной промышленностью вопросы по решению задач модернизации предприятий и развитию новых технологий в добыче угля для снижения издержек и повышения эффективности в производстве [1]. При разработке открытым способом пологопадающих пластов, крупных по запасами площадям угольных месторождений на основе роторных выемочно- погрузочных комплексов, существенное влияние на эффективность добычи угля оказывает выбор направления перемещения фронта горных работ в разрезе. В отечественной практике наиболее распространенной и простой в плане исполнения является параллельная схема перемещения фронта работ в технологии добычи угля, однако еѐ применение сопровождается постоянным наращиванием и перестройкой магистральных транспортных коммуникаций, что сказывается на повышении себестоимости добываемой продукции, в свою очередь использование веерной системы разработки устраняет этот дорогостоящий технологический процесс. 5 Таким образом, были проведены исследования технологических параметров цикличной и поточной добычи угля при веерном развитии фронта горных работ, к достоинствам которой можно отнести - исключение необходимости наращивания магистральных транспортных коммуникаций, что ведет к постоянному расстоянию транспортирования горной массы при отработке месторождения, с условием равных затратна передвижку забойных конвейерных линий - поворот конвейерных путей на рабочие горизонты осуществляется в постоянном пункте, благодаря чему исключается передвижка криволинейных участков и позволяет благоприятно располагать промышленные сооружения. Степень разработанности темы. Научное обоснование технологии открытых горных работ с использованием веерного перемещения фронта отражено в работах таких ученых, как Н.В. Мельников, В.В. Ржевский, МГ. Новожилов, МС. Эскин, В.С. Хохряков, Г.Д. Пчелкин, ПИ. Томаков, ИК. Наумов, В.П. Шорохов и др. Несмотря на проведение большого объема исследований на отечественных угольных разрезах веерное перемещение фронта горных работ не нашло применения, это связанно в том числе и стем, что не получили должного научного решения следующие вопросы обоснование технологии развития фронта горных работ по вееру на пологопадающих угольных месторождениях определение зон эффективной работы выемочно-погрузочных комплексов при отработке клиновидно-эксплуатационного блока (КЭБ); регулирование производительности выемочно-погрузочной техники при изменении ширины экскаваторной заходки переход от параллельного к веерному подвиганию фронта горных работ распределение грузопотоков автотранспорта при отработке клиновидно-эксплуатационного блока. Таким образом, научно-техническая задача обоснования технологии разработки угольных месторождений при веерном подвигании фронта является актуальной. 6 Целью работыявляется обоснование технологии и параметров веерной системы, обеспечивающих снижение затратна горнотранспортные работы и повышение эффективности разработки пологопадающих угольных месторождений. Идея работызаключается в том, что эффективность разработки пологопадающих угольных месторождений достигается использованием закономерностей перемещения линии фронта горных работ и технологических решений с обоснованием их параметров при применении веерной системы. Основные задачи исследования. 1. Обзор и анализ технологий разработки пологопадающих угольных месторождений при веерной системе. 2. Установление особенностей и закономерностей изменения положения фронта горных работ для обеспечения постоянной ширины рабочей площадки уступа при разработке угольных месторождений по веерной системе. 3. Исследование динамики производительности выемочно-погрузочного оборудования при отработке КЭБ. 4. Разработка и обоснование технологических схем выемки и параметров КЭБ при веерной системе. 5. Исследование направлений грузопотока автотранспорта при отработке КЭБ для минимизации грузооборота. Научная новизна работы. 1. Разработана математическая модель перемещения линии фронта горных работ по веерной системе при отработке пологопадающих угольных месторождений. 2. Выявлены закономерности изменения производительности выемочно- погрузочных комплексов цикличного действия при отработке КЭБ. 3. Определены границы зон эффективной работы выемочно- погрузочных комплексов при отработке КЭБ. 4. Установлено влияние предлагаемых технологических решений на производительность выемочно-погрузочных комплексов при отработке КЭБ. 7 7 5. Разработана математическая модель определения рационального направления грузооборота автотранспорта при отработке КЭБ. Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана математическая модель перемещения линии фронта горных работ при отработке пологопадающих угольных месторождений, которая обеспечивает постоянную ширину рабочих площадок уступов путем создания параллельности линий фронта горных работ линиям забойных транспортных коммуникаций. Разработаны способы развития фронта горных работ в плане при выемки полезного ископаемого по веерной системе (патент РФ № 2520619, № 2541352); принципиально новые технологические решения отработки КЭБ (патенты РФ № 2485315, № 2532298, № 2536909), основанные на работе роторного комплекса в постоянно изменяющихся горно-технологических условиях конструктивное решение отработки целиков полезного ископаемого при веерной системе разработки (патент РФ № 2513464). Разработанные технологические схемы, а также математическая модель перемещения линии фронта горных работ при веерной системе разработки приняты к возможному внедрению на объекте АО Разрез Березовский» при разработке проектной документации. Результаты исследований рекомендуется использовать при планировании горных работ на разрабатываемых и проектируемых пологопадающих угольных месторождениях. В учебном процессе на кафедре Открытые горные работы ИГДГГ СФУ. Методология и методы исследований.В работе применялись научный и технико-экономический анализы, аналитическое обобщение сведений, содержащихся в научно-технической, патентной и специальной литературе. Было проведено математическое моделирование, а также графические и графоаналитические методы обработки данных с применением программных пакетов Microsoft Office, AutoCAD. 8 Положения, выносимые на защиту. 1. Динамика перемещения линии фронта горных работ приоткрытой разработке пологопадающих угольных месторождений с использованием веерной системы зависит от ширины заходки выемочного оборудования, расстояния от стационарного пункта до границы КЭБ и описывается аналитическим уравнением. Отработку КЭБ рационально производить диагональным забоем, блочной выемкой и с проходкой опережающей выработки для повышения производительности выемочно-погрузочных комплексов по всему фронту ведения горных работ. 3. Распределение направления грузопотоков при отработке КЭБ по автотранспортной схеме обеспечивается с учетом закономерностей изменения объемов выемочных блоков по длине фронта горных работ. Степень достоверности работы.Подтверждена патентной защитой полученных решений, использованием результатов проведенных исследований в области разработки пологопадающих угольных месторождений, применением современных методов исследований и аналитических методов расчета, значительным объемом статистических данных о работе горнодобывающих предприятий. Апробация результатов работы.Материалы диссертационной работы представлены наследующих конференциях и семинарах XXI заочной научной конференции Research Journal of International Studies, г. Екатеринбург (2013 г XI международная научно-техническая конференция Современные технологии освоения минеральных ресурсов в Филиппинах г. Манила (2013 г я ежегодная научно-практическая конференция «Игошинские чтения в Иркутском государственном техническом университете (2014 г на кафедре открытых горных работ ИГДГГ СФУ (2012-2017 гг.); III международная научно- практическая конференция Открытые горные работы в XXI веке, г. Красноярск (2017 г. 9 Личный вклад автора.Заключается в выполнении основного объема теоретических исследований, изложенных в диссертационной работе, включая постановку целей и задач исследования, в разработке новых технологических решений повышения эффективности веерной системы при отработке пологопадающих угольных месторождений, а также обоснование их параметров. Публикации.По теме диссертационных исследований опубликовано 15 работ, из них 9 в изданиях, рекомендованных списком ВАК 6 патентов РФ на изобретение. Объем и структура работы.Диссертация изложена на 143 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения и 1 приложения. Содержит 70 библиографических источников, 16 таблиц, 79 рисунков и 68 формул 10 10 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ОТРАБОТКИ ПОЛОГОПАДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИ ВЕЕРНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ 1.1 Современное состояние и проблемы угольной промышленности страны Эффективность экономики страны определяется состоянием ее промышленности, которая, в свою очередь, зависит от степени развития сырьевых и энергетических отраслей. В этой связи повышение конкурентоспособности топливно–энергетических ресурсов приобретает практическое значение, как на внутреннем, таки на международном рынках. Основными источниками производимой энергии в мире являются следующие геологические топливно-энергетические ресурсы нефть, уголь, газ, горючие сланцы, торф, уран и т.д. На их долю приходится до 93 % производимой в мире энергии. Оставшиеся 7 % возмещаются использованием возобновляемых источников энергии, те. воды, солнца, ветра, биомассы и геотерметики. В этих условиях развитие мировой энергетики, ее динамика и конъюнктура, в значительной мере, зависит от процессов освоения человечеством геологических топливно-энергетических ресурсов, а именно твердых полезных ископаемых – уголь [2]. Угольная промышленность играет значительную роль не только в экономике России, но ив мировом производстве этого вида топлива. Достаточно сказать, что по объемам добычи угля Россия занимает 3 место после Китая и США и располагает пятой частью мировых запасов угля, таким образом, является одним из признанных мировых лидеров в отрасли. Являясь лидером по угольному экспорту, Россия поставляет уголь в страны ЕС, Китай, Японию, Турцию и другие государства. Практически в полном объѐме угледобыча ведѐтся частными компаниями, формирующими специфику рынка. 11 Что касается качества угля, добываемого в российских угольных бассейнах, то оно неоднородно. В России сосредоточено более трети общемировых запасов угля, из которых около 70 % приходится на долю бурого угля. Угольные бассейны при этом являются весьма доступными и их разработка в сочетании с применением современных технологий ничем не затруднена. Угольное топливо используется главным образом для производства электроэнергии, 44 % всей производимой в мире электроэнергии вырабатывается путем сжигания угля, а в основных угледобывающих регионах мира эта цифра достигает 96 %. В России удельный вес угля в производстве электроэнергии невысоки продолжает снижаться, что связано с широким использованием в качестве сырья для производства энергии природного газа. Если в середине 20 века удельный вес угля в топливном балансе страны составлял 59 %, ток началу х годов он снизился до 20 %, а к настоящему времени составляет около 15 % [3]. Несмотря на это, развитие угледобычи продолжает оставаться приоритетным направлением в развития ТЭК России благодаря, прежде всего, преобладающим размерам запасов угля по сравнению с другими энергоносителями – газом, нефтью, ядерным топливом. По оценкам специалистов министерства топлива и энергетики РФ, разведанных запасов угля в России хватит налет разработки, в то время как запасов нефти и газа – налет. Балансовые запасы угля в России составляют более 200 млрд. т (см. рис. 1.1). Промышленные запасы энергетических углей на действующих предприятиях в России оцениваются в 14,6 млрд. т, из них 6,4 млрд. т (43,8 %) – каменных и 8,2 млрд. т (56,2 %) – бурых. В ресурсах к поставке энергетических углей доля бурых – около 45 % и каменных – 55 %. В России действуют 220 угледобывающих предприятий, в том числе 106 разрезов и 114 шахт, которые входят в составили представляют самостоятельно 83 акционерных общества, компании, госпредприятия. 12 Основная часть российских запасов бурого, каменного и коксующегося углей (порядка 81 %) находится на территории Западной и Восточной Сибири, где в настоящее время извлекается 61 % всей общероссийской добычи угля. Значительная часть запасов сосредоточена в крупных месторождениях, характеризующихся благоприятными горно-геологическими и географо- экономическими условиями, что позволяет значительно увеличить добычу угля ив перспективе полностью удовлетворить как внутренние, таки экспортные потребности России. Рисунок 1.1 – Географическое размещение сырьевой базы угля, качество отрабатываемых промышленных запасов угля [5] Исходя из сложившейся структуры энергетических балансов вышеприведенных регионов, уголь остается основными наиболее надежным энергоресурсом восточной территории, при этом требуется осуществить радикальное изменение технологии добычи и использования угля на принципиально новой основе совершенствования способов, средств выемки и транспортировки полезного ископаемого на дальние расстояния, а также широкое 13 внедрение экологически эффективных технологий использования угля в электроэнергетике. Основные положения энергетической стратегии России на период до 2030 года представлены на рис. 1.2 Рисунок 1.2 – Основные положения программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года [1] Вышеизложенное ставит перед угольной промышленностью вопросы по решению задач модернизации предприятий и развитию новых технологий добычи угля, обеспечивающих снижение издержек и повышение эффективности в производстве. |