CC BY
21
УДК 622.272 В.Н. Вылегжанин
НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ЗАБОЕВ (ВНЗ) НА ШАХТАХ КУЗБАССА
Семинар № 15
Общая проблемная ситуация. Угольная промышленность Кузбасса входит в XXI век с новым витком подъема производства после периода реструктуризации (1991-1997 гг.) с ликвидацией практически 40 % своего прежнего промышленного потенциала отрасли [1, 2]. Стимулом к обновлению и развитию угольной промышленности стала новая региональная программа развития отраслей ТЭК на период до 2020 года.
За счет строительства новых предприятий, модернизации действующих и, технического перевооружения объектов горного производства удалось достигнуть уровня добычи угля в бассейне порядка 170 млн т в год.
Ниже приводится формула аппроксимации модифицированной функции динамики изменения добычи угля [1]:
D(t) = Do (t / T*)n exp(- t / T* ){1 +
+d* (T - Tr) [1 + exp (- v t /Tr )]-1 }, (1)
где параметры аппроксимации имеют значения: D0 = 233,5 (млн т/год); Т = 42,5 (лет); n = 2,0 (за t = 0 принят условно 1885 год); d* - современный темп относительного прироста угольного потенциала (d = 0,04 ( ежегодно 4 % при приросте 5,2 млн т/год); Т =
Автор посвящает данную статью светлой памяти своих учителей.
отсчет времени постреструктуризации (лет); Тг - дата начала периода постреструктуризации ( принят условно 1998 год); V = 0,15 - параметр временной логистической сатурации уровня добычи (1/год).
Рыночные отношения существенно повлияли на проблему конкурентоспособности угольных предприятий, рост производительности труда почти в 2,2 раза за счет интенсификации горного производства и повышения его энерговооруженности, снижения риска аварий и техногенных катастроф. Этому способствуют также факторы социально-экономической стабилизации и востребования горняцкого труда.
Объективный рост интенсивности горных работ, повышение нагрузок на комплексно-механизированные забои потребовали нового подхода к проблемам технологической подготовки горных работ (ТПГР). Их суть сводится к обеспечению необходимых и достаточных условий эффективного применения очистных механизированных комплексов (ОМК), связывающих не только адаптивность и работоспособность ТС/ОМК в конкретных горногеологических условиях (ГГУ), но и предполагают бизнес-планирование все-
го цикла использования очистного механизированного комплекса
(ОМК), выгодного с коммерческой точки зрения для эффективности и конкурентоспособности работы всей шахты.
О концепции создания ВНЗ.
Выше пока мы не определили что такое высоконагруженный забой (ВНЗ). Вместе с тем изначально уже ясно, что минутная производительность, коэффициент машинного времени, суточный баланс рабочего времени и организационное влияние технологической инфраструктуры шахты (ТИШ) определяют потенциал годовой и среднемесячной нагрузки на ВНЗ. Обеспечение интенсивной и надёжной угледобычи при существенном сокращении длины очистной линии шахты до уровня 250-450 м и, одновременной работе 6-8 проходческих комбайнов типа «Джой» или «Альпина», обеспечивающих непрерывную проходку с анкерным креплением, позволяют существенно увеличить основные параметры горного производства, а именно:
• интенсивность (1,тыс. м2/год);
• концентрацию (К, т/м2);
• масштаб угледобычи (объём Р, тыс. т/год), причём за период Т времени объем добычи определен как функция Р = Р(1, К, Т).
Установлено, что для любого объекта горных работ (ОГР: столб-лава, выемочное поле, пласт, горизонт и т.д.) между параметрами текущей интенсивности горных работ 1 (м2/сут. ), их концентрацией к (т/м2 ), величиной отработанных запасов гТ и временем отработки т (сут.) существует важное соотношение [ 3 ];
т = гт /(Гк). (2)
Отсюда, следует величина суточной нагрузки д,(т/ сут) на ВНЗ:
д = £т /т)=Гк. (3)
В целом суточная производительность шахты Асут(т/сут) зависит от величины активных запасов, т.е. среднегеометрического значения запасов вскрытых гвск и готовых ггот:
^акт =(^вск * ггот ) . (4)
С учетом выражений (2)-(4) величина суточной производительности шахты определяется при числе рабочих дней в 1 году Тгод (сут) как отношение:
А,
С 7 ^
^ГОТ
У 7вск у
(5)
Известно, что соотношение готовых (ггот) и вскрытых (гвск) запасов в течение времени изменяется, поскольку период повторного вскрытия соизмерим со сроком отработки горизонта шахты.
В годовой программе, величина готовых запасов кратна среднедействующему числу забоев т0 = ггот/го с запасами в столбе го, пропорциональными его размерам Ьо,Б0 (м) и производительности пласта р0 =
ту,(т/м2),т.е. г0 =р0хЬохБ0. Следовательно, без учета потерь отношение Но = гвск / го даёт предельное число столбов (лав), которые возможно отработать за весь период наличия активных запасов
То = гакт /(1хК). (6)
С учётом этого, следует суточную производительность шахты (5) представить в виде
Асут = I - КК/Н0). (7)
Установлено, что для последовательности лет 1=1,2,___, То величина
Асут(1) изменяется также от параметров интенсивности и концентрации, зависимых от функции /(т0/Но), которая достигает максимума /*(1/2) при т01 = НУ2. Таким, образом, наиболее общим выражением для (7) будет
Характеристика уровня ТЭП Зарубежные страны Россия З/Р
Г орно-геологические условия (ГГУ) Выборочная отработка продуктивных запасов Полная отработка запасов 1/3
Г орно-добывающая техника Производительность рабочих машин > 30 т/мин. Технический ресурс крепи комплекса > 10 млн т Производительность рабочих машин < 10 т/мин. Технический ресурс крепи комплекса < 2 млн т 3 5
Структура объектов горных работ (ОГР) Как правило, в эксплуатации находится один очистной забой Преимущественно в эксплуатации находится несколько очистных забоев 1/4
Кадры и организация труда Рабочее время более 1800 час/год. Производительность труда более 700 т в месяц. Заработная плата (на 01.08.98) -17,3 иБО/час Рабочее время менее 1000 час/год. Производительность труда менее 100 т в месяц. Заработная плата (на 01.08.98) - 1,8 иБО/час 1,8 7 9,6
Производительность очистного забоя (достигаемая) Месячная - 900 тыс. т Суточная - 30 тыс. т Месячная - 200 тыс. т Суточная -7 тыс. т 4,5 4,3
Асут (1) = Б(шо, ЮШУТо - 1) (8)
здесь функции ф(1) и у^) определяют переменные параметры интенсивности и концентрации горных работ во времени 1 є[0, То].
В новом представлении о конкурентоспособной шахте за счёт ВНЗ должно существенно сократиться число забоев, т.е. то—>1. Для предельного случая то=1 из выражений (3) - (8) получим (при тоя = Асут )
<Зо = Яі= (и х кі) = Бо х фі(1) х уіф. (9)
Очевидно, параметр нормировки Во определяет качество технических условий создания ВНЗ, т.е зависит от технико-экономического уровня эталона шахты[3]. Здесь будет полезно привести сопоставительные характеристики технико-экономических показателей (ТЭП) угледобычи в передовых зарубежных странах мира (З) и российские (Р), табл. 1.
Влияние надёжности и технического ресурса на производительность ВНЗ. Техническая производительность ВНЗ определяется наибольшей теоретической произво-
дительностью Оо = 60-Ют-Тр (где Юг -теоретическая (максимальная) минутная производительность выемочной машины (ВМ), т/мин; Тр - проектная суточная производительность работы забоя по добыче, час). В случае агрегатной работы забойных машин: комбайна - конвейера - крепи, техническая производительность определяется среднегеометрической величиной производительности каждой машины входящей в агрегат, т.е.
WT = ( Швы . wк . шб )1/3 < Ют (10)
Также на техническую нагрузку влияют по фактору организации - коэффициент машинного времени Км; аварийности забойного оборудования /1(Н) и конвейерной цепочки /2(ХТ); коэффициент готовности Кг° общешахтной ТС, сопряженной с функционированием забоя; адаптивность ОМК в конкретных горно-геологических условиях Ла(и),«и»={1,2,3,4}, т.е.;
о = о
^-тех ^-с
Км • кг
(11)
320
Таблица 2
Расчетные параметры производительности ВНЗ
Расчетный Параметр Формулы вычислений Обозначения и Пояснения
Теоретическая производительность забоя, Оо (т/сут) Оо = 60-<вт ■ Тр Тр = Тсм ■ ПСм - теоретическая производительность ВМ, т/мин; Тсм - длительность смены, час; Руст - установленная мощность двигателей ВМ, кВт; еш - удельные энергозатраты при выемке угля, кВтч/т; г - ширина захвата ВМ, м; Ц - длина лавы, м; шу - производительность пласта, т/м1; 1:ц,1:м, 1:в - время цикла, чисто машинного времени и вспомогательных операций, мин. Кго - коэффициент влияния технологической готовности общешахтной ТС на работу забоя; /ь/2 - функции аварийности ОМК и транспортной цепочки при интенсивности отказов Х12 и интенсивности восстановления М1,2; Л-мш - сложность ТИШ; а - параметр аппроксимации; ( т - часовая производительность конвейерного транспорта (т/час) Ошах, О™, Оэ - нагрузки на забой (т. т/сут) соответственно: максимальная, минимальная и эффективная (коммерческая) Ф(х) - табулируемый интеграл вероятности (функция Лапласа)
Теоретическая производительность ВМ, <вт (т/мин) ют — Руст/60^еш
Коэффициент машинного времени, Км Км = ^м / ^ц = ^м/(^м + ^в) Км = 1/(1 + ^ют/Яц))
Добыча угля за цикл, (т) Яц = (шу)^гЦ
Техническая производительность забоя, Отех(т/сут) Отех = Оо ■Км ^Кг Ла(и) Кг = Кго/(1 + /1 + /2) /1,2 = ^1,2 / М-1,2 Кго = 1 - а^Лтиш А = 0,23^0,26 = 0,85[1 - ехр(- а^)] Х2 = 0,8[1 - ехр(- а2Хт)] а! = 0,32^0,35 а2 = 0,24^0,30 М1 = 1,4(1 + вгюх) М2 = 1,1(1 + в2-Ят) в: = 0,057^0,08 в2 = (0,88^2,64)10-3
Остаточный технический ресурс ОМК, Е,. (млн. т) Протяженность транспортной цепочки, Хт (км) Коэффициент готовности КМЗ - Кг: Интенсивности отказов Х.1, Х2 и восстановления М1, М2 (1/час)
Функция адаптивности ОМК в конкретных ГГУ: и = 1 - благоприятные и = 2 - осложненные и = 3 - сложные и = 4 - весьма сложные (аномальные) Ла(и) = Лао+АЛ[1 -2Ф(и-1)] Лао = ^Кг° АЛ = (0шах - Ош1п)/Оэ Оэ « 8,0 4- 9,0
Этап, Характеристика этапов применения ОМК
Годы Типы комплексов Основные результаты качества ТПГР
I ЭТАП 1965 - 1975 ОКП, КМ - 81, КМ - 87, 2МКЭ Увеличение нагрузки на забой, достижение и превышение 1000/сут
II ЭТАП 1975 - 1985 ОКП-70, КМ-130, МК-75, 2УКП, КМ-81Э Стабилизация нагрузки, расширение диапазона внедрения при сложных ГГУ
III ЭТАП 1985 - 1995 «Пиома», «Глинник», «Фазос» Обеспечение нагрузки на забой до 2000 т/сут, увеличение длины забоя до 240 м
IV ЭТАП 1995 - 2005 Км-700/800, КМ-144, «Джой-лонг-волл» (Лоу/1опд-ша11). Высокопроизводительные комбайны “Айкхофф” (ЕіекЬо££: БЬ300; БЬ500) Модернизация шахт и горного производства. Сокращение числа забоев, многоштрековая подготовка, возможность комбинированной отработки панели. Рост нагрузки до 9-15 тыс. т/сут. Анкерное крепление и самоходная техника.
Для расчетов по формуле (11) предполагается полная информация о горногеологических условиях (ГГУ), проектных параметрах ВНЗ, паспортных характеристиках оборудования, временных и др. характеристиках технологического цикла ^ц, 1м, 1в).
В табл. 2. приведены необходимые расчетные параметры, которые определяют производительность ВНЗ в диапазоне нагрузок 10-20 тыс. т за сутки.
Обобщение эффективности ТПГР на базе применения ОМК нового технического уровня на шахтах СУЭК. Шахты Ленинского филиала СУЭК характеризуются полной комплексной механизацией очистных работ и переживают 4-й этап технического перевооружения ОМК нового поколения. Поэтому здесь для иллюстрации методики проектирования ТПГР ВНЗ рассматривается опыт именно данного района, хотя на юге Кузбасса, существуют старые и новые шахты (Распадская, им. Ленина, Ко-тинская, Полосухинская и др.), где на старых шахтах достигнуты еще в 7080-х годах рекордные успехи в интенсификации угледобычи, а на новых - уже в последние пять лет.
Ниже, в табличном представлении даётся оценка основных этапов применения ОМК в Ленинском филиале СУЭК (табл. 3).
В результате поэтапного применения отечественных и зарубежных ОМК нового технического уровня, на шахтах им. Кирова, им. 7 Ноября, Комсомолец, Егозовской и др. при существенно различных ГГУ, адаптировались регламентации ТПГР по мощности пластов, газообильности, водообильности, устойчивости и об-рушаемости кровли. В результате удалось достигнуть следующих параметров ВНЗ:
• Нагрузки от 1700-1900 т до 8-15 тыс. т/сут.;
• Длины лавы от 160 до 260;
• Длины столба от 1000 до 3500 м.;
• Производительность труда от 90 до 180 т/мес.
Для обеспечения таких показателях ВНЗ потребовалось адаптивно изменить параметры ТПГР, а именно:
• Обеспечить темпы проведения нарезных выработок не менее 300 м/мес;
• Подготовку выемочного столба к очистной выемке производить не более чем 12 мес.;
• Осуществлять монтажно-пере-монтажные работы ОМК не более чем за 12-15 сут.
В заключение отметим, что пока достигнутые параметры в целом по ЛФ СУЭК еще значительно уступают мировым показателям, тем не менее, уже в последние 3 года на шахте им. С. М. Кирова установлены рекор ды России по угледобыче из очистного забоя (за сутки и за месяц).
За последние два года угольные шахты ЛФ СУЭК прошли полную модернизацию и техническое перевооружение. В целом по Ленинскому филиалу СУЭК при общем сокращении числа объектов горных работ и длины очистного фронта общий промышленный потенциал компании вырос почти в 2 раза, годовая добыча угля возросла с 8 млн т до 15 млн т. Компания готовится реализовать новые проекты типа «шахта -электро-
1. Лангодьф Э.Л., Вылегжанина И.И., Мазикин В. П. Проблемы эффективности реструктуризации угольной промышленности Кузбасса. Кемерово.1997-248 с.
2. Вылегжанин В.Н., Вылегжанина И. И. Естественно-научные и экономические аспекты устойчивого развития горнодобывающей промвшленности Кузбасса.//В кн. Региональные проблемы устойчивого разви-
станция»; «шахтный метан - энергия»; «полигоны - станции подземной газификации угля». Эти проекты позволят существенно улучшить геоэкологическую обстановку Ленинского угольного района.
Выводы
1. Современные угольные шахты на примере Ленинского филиала СУЭК переоборудованы как комплексы, пережившие четвертый этап нового поколения технического перевооружения. Оптимальное соотношение числа объектов горных работ (лавы, тротуары, пласты, и горизонты) принесло уверенность в интенсивности горнодобывающих работ.
2. Рекорд горных работ, сделанных при очистке одного выемочного участка в России не слишком сильно отличается от мирового достижения.
3. В перспективе правление угольных компаний планирует связать шахты с электростанциями и использовать сопутствующие побочные геоматериалы и жидкости.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
тия природоресурсных регионов и пути их решения. Тр.1У Всеросс. науч.- практ. конф. Кемерово.2003. Т1. - С. 113-129.
3. Вылегжанин В.Н. Новая научная концепция проектирования геосистем горного производства.//В кн. Региональные проблемы устойчивого развития...Тр. IV Всеросс. науч. практ. конф. Кемерово. 2003. Т1. - С. 130-166. ЕЕЭ
— Коротко об авторах----------------------------------------------------------------
Вылегжанин В.Н. - доктор технических наук, профессор, КузГТУ.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 15 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент чл.-корр. РАН Ё.А. Пучков.
