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.
|
|
1.2 Характеристика объекта исследования Восточные регионы России располагают мощным энергетическим потенциалом, включающим в себя многочисленные источники первичной энергии, а также созданные за период существования СССР современные отрасли энергетики, такие, как угольная, нефтеперерабатывающая, газодобывающая электро- и теплоэнергетика. Регионы Восточной Сибири и Дальнего Востока обладают уникальными по объемам запасами энергетических ресурсов – энергетических и коксующихся углей [6]. Развитие сырьевой базы угольной промышленности и рациональное недропользование Развитие производственного потенциала существующих мощностей по добыче и переработке угля и освоение новых угольных месторождений Обеспечение промышленной и экологической безопасности, охраны труда в угольной отрасли Развитие внутреннего рынка угольной продукции и укрепление позиции России на мировом рынке угля Обеспечение технологического развития отросли и укрепление начно-технической базы компаний и научных центров 14 Россия располагает 30 % мировых запасов угля. Прогнозные ресурсы угля оцениваются в 4,5 трлн. т, балансовые запасы (категории А) – в более чем 200 млрд. т [7]. В Восточной Сибири и на Дальнем Востоке географически расположено 44 % балансовых запасов угля России, из которых ¾ благоприятны для освоения. В настоящее время вовлечено в разработку 10,6 млрд. т балансовых запасов [8]. Наиболее крупным угольным бассейном Восточной Сибири и Дальнего Востока является Канско-Ачинский угольный бассейн (один из крупнейших в мире. Он расположен на территории Красноярского края (80 %) и частично в пределах Кемеровской и Иркутской областей. Вся площадь бассейна в пределах Красноярского края разделяется на 9 геолого-экономических районов Березовско-Назаровский, Боготольский, Восточно-Ачинский, Гляденско- Сережский, Рыбинский Бородинский, Абанский Канский, Саяно- Партизанский, Приенисейский и Балахтинский. Эти геолого-экономические районы объединяют месторождения и угленосные площади со сходными или близкими геолого-экономическими условиями. Угленосность Канско-Ачинского бассейна связана главным образом с юрскими континентальными отложениями, приуроченными к двум разновозрастным генетическим циклам осадконакопления – нижнеюрскому и среднеюрскому. Нижнеюрский цикл угленакопления приурочен к верхней части разреза – переясловской и макаровской свитам. Как в западной, таки в восточной частях бассейна в отложениях нижнеюрского комплекса содержаться от 2 до 42 угольных пластов, из которых от 1 до 18 имеют рабочую мощность. Суммарная мощность углей колеблется от 1,7 дом. Угленосность отложений среднеюрского комплекса связана в основном с бородинской свитой Канской части бассейна и с верхней половиной разреза итатской свиты Чулымо- Енисейской части бассейна. Эта часть разреза угленосной юры характеризуется более высокой угленосностью. Свита содержит от 3 до 35 угольных пластов, большая часть которых (от 2 до 23) имеет рабочую мощность. Суммарная 15 мощность угольных пластов равна от 4 дома коэффициент угленосности составляет от 0,3 до 35 % [9]. Угли бассейна низкозольные и малосернистые с низкими концентрациями токсичных компонентов, являются прекрасным энергетическим топливом, сырьем для химической промышленности, производства жидкого моторного и котельного топлива, получения искусственного горючего газа путем подземной его газификации. Разведанные запасы углей 81,4 млрд. т, предварительно оценѐнные — 34,2 млрд. т, из них бурого соответственно 80,1 и 33,9, каменных углей (марок Д и Г) — 1,3 и 0,3. Пригодные для открытой добычи запасы бурых углей разведанные — 79,2, предварительно оценѐнные — 32,8 (1984); прогнозные ресурсы углей до глубины 600 м оцениваются в 523 млрд. т (260 млрд. т) [10]. В целом же Канско-Ачинский бассейн – стабильная сырьевая база, способная на протяжении сотни лет обеспечивать годовую добычу не менее 450 млн. т. Однако очень важной является проблема транспортировки угля из разрезов к топками батареям будущих энерготехнологических комбинатов и ГРЭС. Объемы перемещаемых масс угля настолько велики, что требуют совершенно новых технологических решений, в частности, использования различных видов транспортеров [11]. В настоящее время в Красноярской части Канско-Ачинского бассейна разрезами разрабатывается 11 угольных месторождений. Добыча угля ведется на трех крупных разрезах Бородинском, Назаровском, и Березовском. Для местных топливных нужд в пределах Канско-Ачинского бассейна строится 8 разрезов, на 5 из них ведется попутная добыча угля. Обзорная карта Канско-Ачинского угольного месторождения приведена на рис. 1.3. Березовское месторождение бурых углей является одним из крупных месторождений в Канско-Ачинском бассейне. Оно расположено в Назаровском и Ужурском районах Красноярского края, только небольшая юго-западная часть его (450 км) расположена в Тяжинском районе Кемеровской области. Общая 16 площадь месторождения равна 2100 км, таким образом основная его часть в 1650 км расположена на территории Красноярского края. Угленосные отложения Березовского месторождения занимают Назаровскую впадину. На севере и северо-западе они ограничиваются палеозойскими образованиями хр. Арга, а на юге и юго-востоке девонскими и карбоновыми отложениями Антроповского вала и отрогами Кузнецкого Алатау [9]. Длина месторождения по выходу пласта Березовский под наносы около 85 км, ширина – 20-25 км, в призамковых частях – до 10-15 км. Условно, с учетом разведанности и характера угленосности, месторождение разделено на 11 участков Урюпское – западный и восточный, Березовские I, II, III, IV и V, Алтатский, Назаровское – Ачинский, Чулымский ирис. К проблемам разработки разреза «Березовский-1» можно отнести неблагоприятные условия эксплуатации блока № 2. При длине блока 2,4 км и конвейерном транспорте угля дальность транспортировки вскрышных пород автосамосвалами во внутренние отвалы составляет 3,2 км. Кроме того, мощность вскрыши на границе блоков № 2 ив настоящее время составляет 45 ми постоянно увеличивается. Усредненные физико-механические показатели вмещающих пород Березовского месторождения приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1 - Физико-механические свойства пород Березовского месторождения Наименование пород Плотность, т/м 3 Угол внутреннего трения, град. Сцепление, т/м 2 Суглинки 1,92 10 5,0 Переотложенные глины и песчаники 2,0 10 6,0 Надугольные песчано- глинистые породы 2,0 24 5,0 Подугольные породы 2,1 30 18,0 Уголь 1,3 29 5,0 Рыхлые отвальные породы 2,0 9 3,5 Коренные породы в отвалах 1,8 24 2,5 17 Рисунок 1.3 – Обзорная карта Канско-Ачинского угольного бассейна [12] 18 Рисунок 1.4 – Обзорная карта Березовского месторождения 19 Для повышения эффективности отработки поля разреза необходимо оптимизировать технологические схемы и порядок разработки блоков для обеспечения минимальных текущих коэффициентов вскрыши и дальности транспортирования угля и пород вскрыши. Основная стратегия по определению оптимальных схем развития горных работ должна заключаться в установлении управляющих факторов, прямо влияющих на выбор системы разработки, определяющее, прежде всего положение фронта работ и, следовательно, эффективность отработки Березовского месторождения. 1.3 Анализ ранее проведенных исследований и применения веерной системы разработки Предложено довольно многоразличных классификаций систем разработки месторождений. Наибольшее развитие получили два типа классификаций, за основу которых взято - направление подвигания забоев и конфигурация фронта работ (А.П. Зотов [13], СМ. Шорохов [14], АИ. Арсентьев [15], Г.В. Секисов [16], В.В. Ржевский [17, 18, 19] и др, 21]); - способ производства вскрышных работ, механизация выемки и доставки пород (Е.Ф. Шешко [22, 23], Н.В. Мельников [24], П.Э. Зурков [25] и др. Если признать, что система разработки отражает принятые решения по развитию рабочей зоны карьера, типу забоев, направлению их перемещения, взаимосвязи добычных уступов, то наиболее логичным является следующее определение система разработки – это порядок формирования рабочей зоны карьера в пространстве и времени, характеризующийся соразмерным развитием горных работ на уступах, формой забоев и направлением их подвигания [15]. В вышеприведенной формулировке основным классификационным признаком системы разработки выступает направление развития фронта горных 20 работ, от которого зависит планомерность вскрышных и добычных работ, следовательно, эффективность отработки месторождения полезных ископаемых. Фронт работ уступа – часть уступа по длине, подготовленная к производству горных работ. Подготовка фронта работ уступа заключается в создании на уступе рабочей площадки необходимой ширины ив подводе транспортных и энергетических коммуникаций для обеспечения работы горного и транспортного оборудования [26]. Применение параллельного подвигания фронта горных работ при разработке пологопадающих угольных месторождений с использованием конвейерного транспорта сопровождается систематическими работами по наращиванию става магистральных конвейеров, приводящие к остановке всех конвейерных линий, находящихся в технологической связи. Указанный способ характеризуется высокой трудоѐмкостью работ по наращиванию става магистральных конвейеров, снижающий эффективность технологии непрерывного действия [27]. Ликвидация технических мероприятий по наращиванию ставов наклонных магистральных конвейерных линий представляется возможной только при веерном подвигании фронта горных работ [28, 29, 30]. Таким образом, перечисленные характеристики фронта работа также варианты направления его перемещения служат основанием для правильного выбора системы разработки и параметров еѐ элементов, вскрытия и применения схем комплексов механизации в целях повышения эффективности горных работ. 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. Однако теоретическая часть этого вопроса разработана недостаточно и на отечественных угольных разрезах веерное перемещение фронта горных работ не нашло применения. 21 В странах мира имеются угледобывающие предприятия, на которых успешно применяется веерное подвигание фронта работ или комбинация применения параллельного и веерного способов [31]. Так, на отработанном в период с 1958 по 1990 г. угольном разрезе Meuro в Германии [32] было применено веерное подвигание фронта горных работ с несколькими пунктами поворота. За указанный период было извлечено 330 млн. тонн угля и уложено в отвалы 1,84 млрд. м вскрышных пород. Площадь отчуждаемых земель составила 3583 Га. Схема развития фронта горных работ представлена на рис. 1.5. Рисунок 1.5 – Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Meuro Германия) Веерное подвигание фронта горных работ с несколькими поворотными пунктами находило применение и на отработанном угольном разрезе Espenhain Германия) [33]. За период работы карьера (1937-1994) было отработанно 565 млн. т. Принципиальная схема развития фронта горных работ представлена на рис 1.6. 22 Рисунок 1.6 – Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Espenhain Германия) Схема перемещения конвейерных линий на разрезе Espenhain представлена на рис. 1.7 [34]. Рисунок 1.7 – Схема перемещения конвейерных линий на разрезе Espenhain (Германия) В Сербском буроугольном бассейне Колубара [35] на разрезе Радльево (2012-2038 гг.) с средней производственной мощностью 9 млн. тонн/год 23 применено комбинированное параллельно–веерное развитие линии фронта горных работ. Планируется использование веерного подвигания с несколькими поворотными пунктами в течение 20 лет (рис. 1.8). Рисунок 1.8 – Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Радльево Сербия) На отрабатываемом (1972-2040 гг.) разрезе Вельцов-Зюд в Лузатском буроугольном бассейне (Германия) также применяется комбинированное подвигание линии фронта горных работ [36]. С учетом, что веерное развитие фронта применяется свыше 20 лет. Производственная мощность предприятия по углю составляет 20-24 млн. т/год, объем вскрышных работ – 140-150 млн. м 3 /год. Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Вельцов-Зюд представлена на рис. 1.9. На отработанном в период с 1944 по 1963 гг. угольном разрезе Нимч в Лузатском буроугольном бассейне (Германия) было применено веерное подвигание фронта работ с несколькими пунктами поворота. В указанный период производственная мощность составляла 10-12 млн. тонн угля в год с объемом вскрыши 25-30 млн. м 3 /год. На схеме (рис) представлено веерное подвигание фронта работ на разрезе Нимч с несколькими поворотными пунктами [31]. 24 Отработка буроугольного разрезав бассейне Нейвели (Южная Индия) применяется с использованием комбинированного (параллельно-веерного) развития фронта горных работ с объемами добычи угля 10-15 млн. т/год и перемещения вскрыши 60-100 млн. м 3 /год. Веерная система разработки месторождения используется с 2000 по 2035 г. Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Mine-II, Южная Индия представлена на рисунке 1.11. Рисунок 1.9 – Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Вельцов-Зюд (Германия) Рисунок 1.10 – Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Нимч (Германия) В Европе на самом крупном угольном разрезе Хамбах (Германия) [37] в Рейнском бассейне в период с 1978 по 2040 гг. также предусмотрено применение параллельно-веерного перемещения линии фронта горных работ. Добыча угля составляет 40 млн. т/год, объем вскрышных работ 200 млн. м 3 /год. Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Хамбах, Германия представлена на рисунке 1.12. Реализация веерной системы разработки с несколькими поворотными пунктами находило применение и на отработанном угольном разрезе Цвенкау Германия) в среднегерманском буроугольном бассейне (1921-1998 гг.). Добыча полезного ископаемого достигала 6-15 млн. т./год. Объем вскрыши составлял 15- 20 млн. м год [38]. Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Цвенкау представлена на рисунке 1.13. A u f s c h l u s s 25 Рисунок 1.11 – Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Mine-II (Южная Индия) Рисунок 1.12 – Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Хамбах (Германия) Рисунок 1.13 – Принципиальная схема развития фронта горных работ на разрезе Цвенкау Германия) В Польше на Белхатувском угольном разрезе конечную часть карьерного поля отрабатывают с применением веерного подвигания фронта горных работ. 26 Открытую разработку бурого угля в районе города Белхатув осуществляет одноименная польская компания «Белхатув», основанная 17 января 1975. Добыча осуществляется на трех участках польски. Месторождение «Bełchatów» с общими запасами в 2 млрд. тонн предполагается использовать до года. Принципиальная схема подвигания фронта работ на разрезе представлена на рисунке 1.14. Рисунок 1.14 – Принципиальная схема подвигания фронта работ на разрезе Белхатувский Польша) На карьере по добыче бурого угля Гарцвайлер в Германии давно применяется веерное подвигание фронта горных работ. Принципиальная схема подвигания фронта работ на разрезе представлена на рисунке 1.15. В проекте у предприятия продолжить разработку карьера Гарцвайлер II также с применением веерного подвигания фронта горных работ с 2025 года до завершения отработки месторождения в 2044 году, что доказывает ее актуальность, ссылаясь на проектный чертеж схемы подвигания фронта работ рис. 1.16). Как видно из вышеприведенных схем, наугольных разрезах применяется комбинированное (параллельно-веерное) перемещение фронта работ с одним или несколькими поворотными пунктами. В практике открытых работ при округлых очертаниях и форме карьерного поля, близкой к треугольной, отдается предпочтение веерному перемещению 27 фронта, для полноты отработки залежи неправильной конфигурации практикуют перемещение поворотного пункта или в процессе эксплуатации карьера изменяют способ перемещения фронта. Рисунок 1.15 – Принципиальная схема подвигания фронта работ на разрезе Гарцвайлер Рисунок 1.16 – Принципиальная схема подвигания фронта работ на разрезе Гарцвайлер При значительной величине производственной мощности разрезов, на которых основной является поточная технология, как правило, требуется иметь аналогичной мощности стационарный погрузочно–транспортный комплекс, который требует обеспечения непрерывности производственного процесса и место размещения которого должно обеспечивать минимальные расстояния транспортировки полезного ископаемого. Веерная система разработки удовлетворяет вышеприведенные требования. Веерное перемещение фронта горных работ находит отражение в работе Новожилова МГ, Эскина В.С., Корсуновского Г.Я. [39]. Представленные ими возможные способы образования веера при работе экскаваторов в торцовом забое показаны на рис. 1.17. При первом и втором способах образования веера схема экскавации и разработка вскрышных пород на определенном участке аналогична схеме с 28 параллельным перемещением фронта. Оставшаяся небольшая часть фронта отрабатывается заходкой переменной ширины. Рисунок 1.17 – Схема образования веера при работе экскаваторов в торцовом забое а, б, в, г – соответственно 1, 2, 3 и й способы образования веера 1, 2, 3,… – последовательность отработки заходок Длина вскрышного фронта работ первой заходки в при первом способе образовании веера равна длине ф разрезной траншеи на начало вскрышного сезона, длина й вскрышной заходки определяется авторами по формуле ) ctg (ctg A 1) (i в1 L вi L , м, (1.1) при ) ctg (ctg A L i , 29 где А – максимальная ширина вскрышной заходки, м φ – угол разового поворота фронта работ, град φ' – угол сопряжения границы карьерного поля и фронта работ, град i – порядковый номер заходки, отрабатываемый сначала года. Длина й вскрышной заходки при втором способе образования веера ) ctg (ctg A i в, м, (1.2) при A sin ф L i Использование первого и второго способа образования веера приводит к искривлению фронта горных работ. Это вызывает затруднения в случае применения конвейеров на передовых уступах, так как при этом необходимо или иметь некоторое опережение передовых уступов по отношению к основному, или применять конвейеры, позволяющие работать на криволинейном фронте. Для третьего способа образования веера характерно то, что ширина экскаваторной заходки по всей длине фронта горных работ изменяется от минимального значения (у поворотного пункта) до максимального (в торце карьера. Основной недостаток способа – переменная ширина экскаваторной заходки. Четвертый способ образования веера характеризуется тем, что экскаватор в течение вскрышного сезона отрабатывает блоки переменной ширины – длина последующих блоков равна половине длины предыдущих. Достоинство способа состоит в том, что вскрышной экскаватор работает при большей средней ширине заходки, по сравнению с третьим способом образования веера его недостаток – искривление фронта горных работ и некоторое число холостых перегонов добычного оборудования. В представленной работе Шорохова В.П. [30] развитие линии фронта горных работ аналогично вышеприведенной технологической схеме (рис. 1.17 в, то есть, перемещение линии фронта горных работ по мере отработки месторождения осуществляется с фиксированной точкой. 30 Данная особенность веерного подвигания фронта горных работ иллюстрирована на рис. 1.18 в виде простых геометрических построений. Увеличение ширины рабочей площадки происходит до угла поворота фронта горных работ равной 45° и составляет расстояние равное диагонали между точками поворота выше и нижележащих уступов. В интервале угла поворота от 45° до 90° происходит снижение ширины рабочей площадки до первоначального значения. График изменения ширины рабочей площадки при повороте фронта от 0 до 90° представлен на рис. 1.19. Рисунок 1.18 – Изменение ширины условной рабочей площадки при повороте фронта работ на Рисунок 1.19 – График зависимости ширины рабочих площадок на вскрышных и добычных уступах от угла поворота фронта горных работ [31] 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Ширина рабочей площадки, |