горное дело. У казан и я по поэтапному проектированию шахт
 Скачать 1.92 Mb.
|
|
АКАДЕМИЯ НАУК СССР Сектор физико-технических горных проблем ордена Ленина Института физики Земли им. Ю . Щмидта У КАЗАН И Я ПО ПОЭТАПНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ШАХТ (Инструкция по поэтапному ппоектированию технологических схем и параметров угольных шахт) Москва 1973 методика испытаний АКАДЕМИЯ НАУК СССР СЕКТОР ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПРОБЛЕМ ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТА ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю.ШШДТА У КАЗАН И Я ПОЭТАПНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ шахт (Инструкция по поэтапному проектированию технологических схем и параметров угольных шахт) МОСКВА 1973 АННОТАЦИЯ Методические указания касаются только особенностей проектирования угольных шага в связи с введением понятия поэтапности* В частности, в работе приведены спреде - ленив понятия стада, методика расчета длительности этана с учетом влияния отдельных факторов, результаты исследований до конкретной оценке этапов в развитии шахт Донбасса и Кузбасса Изложены особенное принятия технологических решений и опта - шзацта; их при поэтапном проектировании , предлагаются критерий оптимальности ж целевая функция с учетом развития шахт по этапам. Даны методические указания по новому интегральному способу оценки техни - ко-экономической эффективности проектов угольных шахт. Методические указания предназначаются проектными исследовательским институтам, шахтам, занимающимся проектированием и перспективным планированием* Методические указания разрабатывались под руководством академика Мельникова Н.В. при участии следующих научных сотрудников д.т.н, Еурчакова АС, к.э.н. Коковяки- ной В . Ф ., к. т. н Вишеле ИВ, горн. инж. Паринова АС. (СФТГП ИФЗ АН СССР, д.т.н. Харченко В.А.. д.т.н. Малкина АС. (МГИ) . I. ОБОСНОВАНИЕ ПОЭТАПНОГО ПОДХОДА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ Существующая практика проектирования угольных шахт основывается на длительно детерминированной информации, исходит из представления о параметрах шахт (схема вскрытия и подготовки, схема вентиляции и транспорта, подъем и технологический комплекс на поверхности, производственная мощность шахты и пропускные способности околоствольных дворов, подъемов и т.д.) как неизменных в течение всего срока службы шахты, те. A0-6G и более лет. Между тем изменение горногеологических условий с переходом горных работ на последующие участки месторождений, развитие технического прогресса приходят в противоречие с указанными статическими предпосылками. В результате еще на стадии строительства шахты приходится пересматривать ряд ранее принятых решений, что нередко требует выполнения дополнительных объемов работ. В Московском горном институте, Институте физики Земли Ай СССР (СФТГП) исследована динамика изменения основных количественных параметров на действующих и проектируемых шахтах, разрабатывающих пласты пологого падения Кузнецкого и Донецкого бассейнов. Результаты исследований свидетельствуют, что за последние 10 лет производственная мощность одной шахты в среднем выросла в Кузбассе на 25%, длина лавы по Украинскому Донбассу выросла на 18%, скорость подвнгавия очистных забоев увеличилась на 13%. Более значительно возрастала нагрузка на очистные забои, которая в 1970 г. составила на шахтах мощностью более 0,9 млн.т/год 76 тыс.м2/год против 50 тыс.м2/год в 1958 г Указанные параметры существенно влияют на выбор схемных решений по технологической схеме, а та^же на выбор параметров стационарных технологических /рлов шахты г машин и установок Поэтому моральное старение уровня основных параметров шахты влечет за собой необходимость пересмятра многих решений, переоборудования ь реконструкции технологических узлов * тем более * что соответствующие этим узлам средства механизации имеют не меньшие темпы совершенствования- За каждые 10 лет техническая производительность средств выемки и доставки возрастала на 40-50%„ подъемных машин на 40% и т.д. В этих условиях оказывается одинаково необоснованным нерациональными как правило невыгодным как проектирование заниженного и недостаточно прогрессивного уровня параметров шахты таки проектирование ш расчет их исходя из условий работы шахты в слишком отдаленном будущем. В частности, нельзя считать оправданным проектирование параметров системы проветривания, вскрывающих выработок и др. с расчетом их соответствия в период работы шахты через 30-50 лет* Отрицательные последствия противоречий статического подхода к проектированию и оптимизации параметров шахты сих динамикой в значительной мере устраняются при использовании концепции поэтап ности проектирования и развития шахты. Принципиальные момент!1 этой концепции можно сформулировать следующим образом- раз установленные качественные и количественные параметры шахты не считаются обязательными навесь срок существования предприятия- существуют некоторые интервалы времени - этапы, в пределах 4 которых основные параметры технологам (элементы схемы вскрытия, вентиляции, подъема, технологического комплекса на поверхности, мощность шахты, размеры отрабатываемых нолей и т.д.) могут оставаться неизмененными, не оказывая при атом отрицательного влияния на эффективность работы шахты- обоснование параметров технологии производится в единстве интересов каждого отдельного этапа ш дальнейшего развития шахты на последующи* этапах- установление и обоснование параметров шахты на каждом этапе производятся на базе прогрессивных тенденций развития техники, технология ш организации производства на шахтах, тенденций народнохозяйственных потреблений,, Эти положения отражают требования динамичности проектирования, дискретности и вместе стек непрерывной связности отдельных этапов развития шахты, прогрессивности параметров и актуальности целей развития шахты. Любой проект шахты ориентирован в своей реализации в будущее, проект всегда - предприятие будущего Поэтому решения проекта должны всегда отличаться достаточной устойчивостью к старению, соответствовать обстоятельствами тре овавиям будущего. В проглвном случае становится правилом появление на только что построенных шахтах непрогрессивных технологических звеньев, пузкнх* мест, сдерживающих работу всей технологической цепочки, которые в конце концов вынудят сравнительно скорую реконструкцию. Огромное экономическое значение имеет частичное или полное устранение такой пеоб - ходимости. По существу поэтапный подход в проектировании позволяет рассматривать планируемым, упорядоченным процесс совершенствования технологии шахты, обновления и развития организационно-технической базы предприятия, исключает случайные переходы к реконструкции. Уне в техническом проекте шахты устанавливается длительность аффективной акоплуатацки основных элементов технологии, предполагаются сроки начала перехода на более прогрессивные параметры (схемы и средства механизации производственных процессов, нагрузка на очистные забои, мощность шахты, параметры горных машин и т.д.). Это обуславливает возможность выбора наиболее приемлемого момента в развитии горных работ на шахтегпереход к отработке нового гори - зонта,угольного пласта,панели и т.д. своевременная разработка проекта на переходный период и предстоящий этап, заказ нового оборудования, создание необходимого объема материалов, ооглаоование заявок и т.д. обеспечивают в втом олучае минимальную продолжительность горно-строительных и монтажных работ, не оказывая отрицательного воздействия на текущую работу шахты. Таким образом проблема уотойчивой стабилизации основных проектных решений, качественных и величественных параметров проектируемой вахты на уровне ттнмальных с позиций любого периода ее экс влуатации может быть реализована с помощью идеи поатапвого проек тирования. П. ПОНЯТИЙ ЭТАПА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ 1 ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАЗМЕТНиСгЮ ЭТАПА Метод поэтапного проектирования предусматривает конструирование технологической схемы угольной шахты, как разбивающейся системы с оптимальным управлением в течение всего срока службы. Идея 6 создания данного метода проектирования заключается в возможности выбора наилучших сочетаний основных технологических параметров угольных шахт, которые бы характеризовали поведение системы в будущем, а более конкретно в течение некоторых научно обоснованных этапов жизни угольного предприятия в условиях влияния постоянного изменения природных, технологических и экономических факторов. Исходным моментом поэтапного проектирования является обоснование временной и пространственной размерностей этапа. Под этапом проектирования угольных шахт понимается интервал времени, соответствующий отработке значительного количества запасов месторождения полезных ископаемых и регламентирующий деятельность шахты на достаточно длительный период, в течение которого не происходят существенные коренные изменения в методах ведения горных работ, схемах и способах вскрытия, подготовки, системах разработки, структуре комплексной механизации и компановке генерального плана шахты. Д) Определение временной размерности этапа На длительность этапа проектирования конкретное влияния оказывают следующие факторы: а) время эффективной эксплуатации ТЭвЭ# основных (базовых ) элементов технологической схемы, таких, как схема вскрытия шахтного поля, схема и способы подготовки, jxeMa вентиляции, схема транспорта, подъема и др; б) периодичность реконструкции угольных шахт, являющаяся функцией многих технических и социально-экономических факторов отрасли и всего народного хозяйства в) обоснованная глубина прогнозирования проектной информации и технического прогресса в отрасли, а) Определение времени аффективной эксплуатации Ts В основе определения сроков аффективной эксплуатации основных базовых) элементов технологической схемы лежат статистические исследования, Эти исследования базируются на данных работы отечественных шахт в течение длительного времени, включая периоды яеодяа- кратных реконструкций. По некоторым шахтам материалы анализируются эа весь еров службы, по другим га меньший период, В общих чертах методика этих исследований ваключается в следующих действиях- все технологические элементы шахты разбиваются на две труппы. Определяющая роль в обосновании длительности этапа отводится "додгожитию” основных базовых параметров шахты элементов схемы вскрытия и подготовки, схем и средств общешахтного транспорта , схеы технологического комплекса на поверхности, средств падьема,ве нтиляции, водоотлива и др. Поэтому прежде всего выделяются сведения, характеризующие эти основные технологические элементы шахты, Вторая группа образуется ил более частных и мобильн ix элементов технологических схем, в которую входят параметры систем разработки, средства и структуры механизации очистных и подготовительных работ ж т*д, - Фиксируются фактические сроки начала эксплуатации Тн э технологических схем шахты, ее элементов, оборудования, машин, установок н т.д,* те. сроки начаиа промышленного использования проектных решений, Эти срони определяются например, моментов сдачи шахты, горизонта, пласта, очистного з *6 ой , линии транспорта и т.д, £ работу; одновременно устанавливаются причины, вызывающие те иди иные мероприятия входе развития шахты и соответствующие им проектные решения, преимущества их перед другими альтернативными вариантами, анализируется фактическое соответствие реализуемых проектных решений поставленным делим, по сведениям планово-статистических отделов шахт, диспетчерских отчетов выявляется степень освоения параметров технологических узлов шахты, средств механизации производственных процессов в части производительности, пропускной способности, трудоемкости и т.д} - устанавливаются сроки технологического (функциональвогсУ^- аического или морального выбывания Тв отдельных элементов технологической схемы на исследуемой, шахте, изменения компановки технологической охэмы, выбытия средств механизации и др. Одновременно устанавливаются моменты, когда стали наблюдаться случаи явного несоответствия параметров отдельных элементов технологических схем и средств механизации условиям дальнейшей эксплуатации и требованиям эффективной работы шахты. Эти разнообразные сведения, касающиеся, например, изменения схем транспорта, вентиляции, замены средств подвеяла, изменения функционального назначения горных выработок (транспорт угля - транспорт породы - вентиляция, изменения параметров горных выработок (сечение, пропускная способность, вид врепления) и др, выявляются из маркшейдерских и бухгалтере - ких документов,из материалов по списанию оборудования, из материалов технических планов внедрения новой техники и развития шахты; определяется фактическая продолжительность эффективной эксплуатации реализуемых проектных решении гэ,э. * тв * тн.э. где Тв - время выбытия из эксплуатации конкретного технологического звена, технического средства, технологической схемы на данной шахте, год; ^н,э* - время начала практической эксплуатации соответствующего проектного решения на данной шахте, год. Период времени между Ч НлЭщ - началом эксплуатации отдельных элементов технологии и Т. - моментом осуществления мероприятий, л. вызвавших изменения, принимается за период стабильной и эффективной эксплуатации, названной "долгожитием" элемента - Тд . - Полученные материалы группируются по однородным элементам технологических схем, видам средств механизации, типам машин и установок, по причинам выбытия их, по параметрами требованиям усло- -ппН o v^ rTviram aTTu m cri»ircrinmuv/*a п п та п тггш о ф х г по о г \ ф тг я т г тир Н тяп п мл г т т г Б .— зования элементов схем в неизменном виде и средств механизации- Вычисляются средние показатели **долгожитияй реализуемых пре - ектных решений, элементов технологических схем, технических средств по каждой Группе элементов схем, шахт, средств механизации и т.д. Y = 1 * . Т з } - *А.з.э 7Г ( 2 ) - Производится вероятностный анализ полученных оценок идолго- житияп по всей статистической совокупности, включающей в себя временные оценки по отдельным группам базовых элементов технологической схемы с целью определения надежности и достоверности этих оценок Вероятностный анализ производится последующей методике. По всей статистической совокупности включающей все исследуемые группы элементов технологических схем шахт, строится вариационный ряд распределения оценок "долгожития". 2. Определяются основные/эмпирические характеристики вариационного ряда. Производится выравнивание эмпирической кривой распределения теоретической. Определяется доверительный интервал полученного среднего значения олгожития11 в условиях всей срвокупности. Исследованиями, проведенными в МГИ и ИФЗ АН СССР, определены сроки "долгожития" отдельных элементов технологических схем шахт Кузнецкого Донецкого бассейнов. Результаты исследования идолгожития" элементов технологических схем шахт Кузбасса приведены в таблице На оценку "долгожития" базовых элементов технологиии значительное влияние оказывает производственная мощность шахты и степень ее освоенности. Это влияние должно учитываться при определении периодов эффективной эксплуатации исследуемых элементов и при определении доверительных интервалов величины математического ожидания Тд отдельно для групп шахт с производственной мощностью до I млн.т в год и свыше I млн.т в год. Для шахт Кузбасса рекомендуются следующие оценки доверительных интервалов- по группе основных элементов технологической схемы схема вскрытия (стволы, схема подъема, квершлаги, гезенки, наклонные выработки, схема подготовки (панельная схема и ее параметры, этаж йая и ее параметры, столбы по падению-восстанию и ее параметры * схема вентиляций ^вентиляторная установка, генеральная схема горных выработок, технологический комплекс на поверхности, схема транспорта (общая компоновка транспортных магистралей шахты) и др.: а) на крупных шахтглх свыше I млн.т.год при среднем значении Тд ■ 21,5 лет доверительный интервал составляет < Т Д < 22,7 лет ( ъ б) на шахтах с производственной мощностью до I млн.т.год при среднем значении Тд * 18,2 г. доверительный интервал составляет Т д < 19,7 лет (4) - по группе более частных элементов технологических схем шахты, их параметрам, средствам механизации, их структурами схемам системы разработки (параметры систем, длина лавы, нагрузка на забой, подвигагие очистного забоя, способы охраны штреков, средства механизации очистных работ и др.),способы и схемы проведения выработок (темпы, сечсаия выработок, средства механизации, крепления и др, схемы подготовки (параметры панелей,выемочных столбов,эта жей, порядок отработки выемочных участков, схема транспорта и приемно-отправитеиьных операций на поверхности средства механизации и организация работ) и др. Средняя оценка "долгожития" состав ляет Тд* 9 лет . По материалам 58 шахт Донецкого бассейна установлены сроки "долгожмтия" схем вскрытия и подготовки, технологического комплекса на поверхности, шахтного подьема, центрального водоотлива и системы энергоснабжения шахт. Средняя длительность периода "долговатая" по вышеуказанным технологическим звеньям шахт заключена в интервале 17 - 19 лет. Т2 Таблица Наименование элементов п/п технологической схемы шахты, средств механи зации К-во учтенных случа ев Пределы изменения вели- чаныидол- гогария" по эффективной эксплуата ций Тд Сред нее значение 3 4 Шахты, разрабатывающие пласты пологого падения с производственной мощностью млн.т/год А» Базовые элементы и параметры технологической схемы I Вертикальные вскрывающие выработки 16-40 25 г Наклонные вскрывающие выработки 15-28 В среднем по 3 Горизонтальные вскрывающие и основные откаточные и вентиляционные магистральные выработки 9-31 всем элементам осн Д - 22г 4 Схемы подготовки и схемы транспорта 10-25 18 5 Оволоствольные дворы 18-34 24 б Технологический комплекс на поверхности 18-36 26 Стационарные установки 15-35 и средства механизации подъема, водоотлива, вентиляции, транспорта П Шахты, разрабатывающие пласты пологого падения спр о изв од ст в, энной мощностью 1,0 млк*т/год ГЛ I 2 3 А Базовые элементы и параметры технологической схемы Вертикальные вскрывающие выработки Наклонные вскрывающие выработки Горизонтальные вскрывающие и основные откаточные и вентиляционные магистральные выработки Схемы подготовки и схемы транспорта Околоствольные дворы Технологический комплекс на поверхности Стационарные установки и средства механизации подъема, водоотлива, вентиляции, транспорта Г. Элементы схем подготовки, вентиляции, транспорта, систем разработки и Средства механизаций остальных производственных процессов (для всех групп шахт Этажные и панельные капитальные выработки Элементы систем разработки Средства транспорта Средства механизации очистных и подготовительных забоев 16-28 20 II 10-28 18 16 8-24 В среднем по всем элементам осн 12-25 15 Тд=19л* 8 13-28 20 8 10-30 22 19 12-28 19 12 7-12 В среднем по всем 5-12 элементам осн 8-25 9 Тд=9 л 7-15 10 14 Таблица Наименование : : V ер. технологических : звеньев Аппроксимирующее уравнение дет Схема вскрытия Т « u/IJ,, - б.ЭАщ - 0,667TlfT * Т + 4,84 + Ц - 2,16 + 5,77 _ + Г тп с Т7 Схема подготовка С * 46 * 2"u,if х 'Технологический комплекс на повер хности Подъем Водоотлив L = б.вАд - I.7A2 + Т + ^ 2 - I,45ffl + 8,ЖД - 2,2КД2 - - 0,5 ТАТ- Т + 4,2КД - 0,9КД2 + НЮ Ч = - А + А + 2,61$ = 4,3/1^ + ГДП^ + 2Д/Г - г + + 27 Система знергоснаб- гг 0 о Кения пахты I = -4,25АЩ + I,5A| + 8гЗТ - 1,81£ - 2КД + К + 13,5 17 сл В таблице 2 представлены корреляционные зависимрсти сроков "долгожития" ряда технологических звеньев шахт Донецкого бассейна пт горкогеплогических и технических параметров шахты. Принятые условные обозначения- угол падении пластов град т - мощность разрабатываемых пластов, м; П пл - количество разрабатываемых г - количество горизонтов в шахтном поле йр - коночная глубина разработки, и; Л - отношение размера шахтного пиля по простиранию к размеру по падению; Ащ - проектная производственная мощность шахты, млн. т/год; - коэфициешр прироста годовой производственной мощности шахты по отношению к проектной - проектный срок службы шахты, лат « Тк - J 945 , где Т - календарный год ввода шахты в эксплуатацию. б) Определение периодичности реконструкций угсльных шахт. Величина "долгожития” основных элементов технологических схем угольных шахт подверждается опытом реконструктивных работ на отечественных шахтах. Период относительно стабильного развития шахт в существенной степени зависит от технического прогресса в области концентрации горных работ, в первую очереди нагрузки на шахты. В период относительно стабильного развития шахт, фактический прирост нагрузки на шахту может превысить проектную мощность не 16 более чем на 15-20^, в основном за счет частичной модернизации отдельных технологических звеньев шахты, более высокого уровня использования оборудования. Более существенному приросту фактической нагрузки должен предшествовать такой же прирост проектной мощности шахт с опережани - ем на пятилетие. Существенные изменения проектной мощности происходят редко , как следствие технического прогресса в отрасли. Как показали исследования, циклы технического прогресса в целом по угольной промышленности повторяются через 15-20 лет, что собственно и определяет периодичность проведения реконструкций на шахтах. Нарастание проектной мощности в такие периоды происходит скачкообразно, после проведения реконструкции. Это и обуславливает проектирование шахт по этапам, динамическое развитие проектной мощности шахт. Разработана методика по определению количества и длительности этапов на исследуемом отрезке времени существования шахт. Исследуемая совокупность шахт определенного региона группируется в зависимости от сроков ввода их в эксплуатацию по пяти - летиям (например 1956-1960гг., 1961-1965гг. и т.д.). 2. Группировку шахт по срокам ввода их в эксплуатацию следует производить с учетом размеров шахт по проектной мощности. Если шахты достаточно намного отличаются в оценке нощности^их следует разбить на подгруппы с Апр до I млн. т/год и Апр^ I млн. т/год, 3. К исследованию принимаются шахты: а) действующие и намечаемые к строительству в данном регионе в перспективе, нос утвержденными проектами* б) действующие шахты за период своего развития должны иметь не менее одной реконструкции, крупной модернизации или вскрытие новых горизонтов (на баае новой технологии и техники выемки полезного ископаемого, существенно изменившиеся показатели эффективности работы шахты проектную мощность, себестоимость, производительность труда. Весь срок существования каждой шахты разбивается на условные этапы с оценкой их длительности I этап-с момента ввода шахты в эксплуатацию до первой реконструкции, модернизации или вскрытия нового горизонта (пункт иб");П этап и последующие - отрезок времени (в годах) между двумя реконструкциями длительность последнего этапа в развитии шахты, если этап не был ограничен вышеперечисленными проектными решениями или сроками окончания существования шахты, не определяется ввиду неопределенности этих сроков. По каждой группе шахт (или подгруппе) строятся ряды распределения и определяются основные статистические характеристики рядов распределений; Л ч - количество шахт в группе, if* ti - математическое ожидание продолжительности этапа- среднеквадратическая ошибка - коэффициент вариации. Строятся теоретические кривые распределения. Производится качественный анализ полученных результатов , который позволяет увядать полученные оценки этапов с объективным ходом развития шахт и раскрыть причины возникновения этапов, той или иной длительности их. Исследования, проведенные в Секторе ФТГП МФЗ АН СССР, позволили сделать ряд рекомендации по определению количества г длительности этапов в развитии шахт Донбасса* Проведенный анализ по 109 шахтам Донбасса с сроками ввода в эксплуатацию в 1945-1985гг. позволил сделать следующие выводы Развитие шахт за э**от период происходило по двум этапам, фиксированным крупными реконструкциями, повремени совпадающими с двумя циклами технического прогресса в угольной промышленности I950-1965гг. и 1965-1980гг. 2. Как показали исследования, длительность первых этапов по шахтам колеблется от 10 до 20 лет (таблица 3). 3. Длительность вторых этапов короче первых, нов сумме время протекания первого и второго этапов не выходят за рамки первого и второго циклов технического прогресса. Длительность этапов, или периода между реконструкциями шахт, различная в зависимости от горногеологических факторов, технологических, в первую очередь - первоначальной проектной мощности шахт, и фактора времени. В значительной степени определяющим фактором в оценке длительности этапов, как показали статистические исследования,являет ся срок ввода шахт в эксплуатацию. В зависимости оттого, в какой момент времени вводится шахта в эксплуатацию - вначале цикла технического прогресса отрасли, в середине или в конце, длительность этапа сокращается либо совпадает с длительностью цикла. Как правило,за один цикл технического прогресса проводится одна реконструкция. Наблюдается тенденция к сокращению длительности этапов по шахтам, вводимым в эксплуатацию в более поздние десятилетия. Дли Таблица Группы этапа * ♦ |