Обоснование и разработка технологических схем для последовательного перевода шахт Прокопьевского района Кузбасса на гидродобычу

Актуальность. В условиях рыночных отношений перед угольной промышленностью встает проблема нерентабельных шахт и возможности их перевода в категорию рентабельных. Это важный технический и социально-экономический вопрос. Практика показывает, что наиболее остро он стоит в районах со сложными горно-геологическими условиями. К ним, в первую очередь, относится Прокопьевско-Киселевский район Кузбасса. С 90-х годов здесь наблюдается падение показателей эффективности работы шахт традиционной «сухой» технологии, в том числе уменьшение добычи угля, снижение производительности труда, увеличение аварийности и производственного травматизма.

Исследования и опыт применения различных технологий угледобычи в районе показали, что наиболее перспективным направлением решении проблемы повышения эффективности работы шахт является их перевод с традиционной на гидравлическую технологию.

Преимущества гидравлической технологии добычи угля в сложных горно-геологических условиях Прокопьевского района доказывают многолетние показатели работы гидрошахт АО УК «Прокопьевскгидроуголь» и ООО НПО «Прокопьевскуголь» — «Тырганской» и «Красногорской» с производительностью труда рабочих по добыче, соответственно 52,8 т/мес и 51,2 т/мес (2000 г.). Это почти в 2 раза превышает аналогичные показатели в шахтах с традиционной технологией. Себестоимость угля на этих гидрошахтах в 1,4 — 1,7 раза ниже соответствующего показателя шахт традиционной технологии. Кроме того, сравнительный анализ травматизма и аварийности на шахтах показал, что гидротехнология в условиях крутого падения пластов сложного залегания обеспечивает более высокие показатели безопасности.

Однако, существует ряд нерешенных вопросов, препятствующих эффективному применению гидротехнологии. В первую очередь — это необходимость научного обоснования технологических схем гидроучастков, встраиваемых в структуры действующих шахт традиционной технологии, а также разработка требований к параметрам шахтных и выемочных полей по факторам водопритока, топологии выработок и резерва источников энергоснабжения. Кроме того, отсутствует научное обоснование целесообразности и последовательности (очередности) перевода шахт района на гидродобычу.

Исходя из вышеуказанного, решение научной задачи, направленной на обоснование и разработку технологических схем для последовательного перевода шахт Прокопьевского района Кузбасса на гидродобычу, представляется актуальной.

Диссертационная работа выполнена в рамках Отраслевой научно-технической комплексной программы «Уголь России» (проект 0−23), Государственной научно-технической программы «Недра России» (тема 2.1.) и программы ООО НПО «Прокопьевскуголь» по переводу шахт на гидротехнологию (утв. Комитетом по угольной промышленности Минэнерго РФ 19.07.2000 г.).

Цель работы — повышение эффективности работы шахт Прокопьевского района Кузбасса на основе последовательного расширения области применения гидротехнологии.

Идея работы заключается в структурно-параметрической интеграции разработанных технологических схем в сеть выработок действующих шахт последовательно, в соответствии с научно-обоснованной очередностью их перевода на гидродобычу.

Задачи исследований: провести анализ состояния и возможности расширения условий использования гидротехнологии на шахтах Прокопьевского района Кузбассаобосновать критерии эффективности перевода шахт с традиционной на гидравлическую технологиюопределить последовательность перевода шахт Прокопьевского района на гидротехнологиюобосновать структурно-параметрические требования к технологическим схемам действующих шахт, намеченных к переводу на гидродобычусинтезировать технологические схемы гидромодулей для интеграции в сеть выработок действующих шахт традиционной технологииразработать варианты перепланировки шахтных полей, подготовленных к отработке запасов традиционными способами для применения гидротехнологии.

Методы исследований: научное обобщение и анализ опыта применения традиционной и гидравлической технологий для обоснования методики перевода шахт на гидродобычугруппировка и ранжирование технико-экономических показателей работы шахт для выбора критериев сравнительной эффективности технологийструктурно-параметрический анализ технологических схем действующих шахт для обоснования условий встраивания элементов гидротехнологиисинтез технологических схем для интеграции в сети выработок действующих шахтадаптация элементов традиционной и гидравлической технологий для минимизации дополнительных объемов горных работ при перепланировке шахтных полей.

Научные положения, защищаемые автором: сравнительная оценка эффективности традиционной и гидравлической технологий базируется на научно-обоснованном использовании совокупности показателей себестоимости угля, производительности труда и уровня безопасности горных работранжирование технико-экономических критериев эффективности работы шахт традиционной технологии позволяет определить рациональную последовательность их перевода на гидродобычувстраивание гидромодулей в сеть выработок действующих шахт базируется на качественно-количественном моделировании взаимодействия элементов геотехнологий по факторам водопритока, топологии выработок и резерва источников энергоснабжениясинтез технологических схем гидроучастков для интеграции в действующие шахты традиционной технологии реализуется по объединенному алгоритму, включающему построение квазиупорядоченного графа вариантов схем, их типизацию и ранжирование по приоритетностиперепланировка шахтных и выемочных полей при переходе на гидротехнологию базируется на минимизации дополнительных объемов горных работ и максимальном использовании подготовленных выработок действующего горизонта.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: значительным (более 10 лет) периодом анализа показателей работы 5 шахт с традиционной технологией и 2 гидрошахт Прокопьевского районасоответствием критериев оценки технологий теоретическим и практическим представлениям о факторах, определяющих их эффективностьвзаимоадаптацией технологических схем встроенных гидроучастков на 4-х шахтах ООО НПО «Прокопьевскуголь» с традиционной технологиейположительными результатами работы гидрошахт «Тырганская» и «Красногорская», 2-х гидроучастков на ш. «Коксовая» и гидроучастка на ш. «Зиминка».

Научная новизна работы заключается: в выборе комплекса информативных производственно-технологических показателей для сравнения эффективности технологий добычи угля в сложных условиях отработки пластов крутого паденияв научном обосновании последовательности перевода шахт Прокопьевского района Кузбасса на гидродобычув выявлении и обосновании качественно-количественных требований к базовым технологиям для обеспечения возможности встраивания гидроучастков в их структурув методике синтеза технологических схем для интеграции в сети шахт традиционной технологиив алгоритмизации процесса перепланировки шахтных полей при изменении технологии угледобычи.

Личный вклад автора состоит: в обобщении, анализе и научном обосновании перспективных направлений развития подземной гидротехнологиив выборе комплекса сопоставимых показателей для сравнения эффективности различных технологий в сложных горно-геологических условияхв обосновании последовательности перевода шахт Прокопьевского района на гидродобычув обосновании требований к топологии и резервам энергоснабжения действующих шахтных и выемочных полей для перевода их на гидротехнологиюв разработке методики расчета тепловых режимов и водопритоков на гидроучастах, встраиваемых в сети действующих шахтв разработке типовых технологических схем гидроучастков, адаптированных к элементам традиционной технологиив перепланировке шахтных полей с традиционной на гидравлическую технологию с максимальным использованием существующих выработок действующего горизонта.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют: повышать эффективность работы шахт в сложных горногеологических условиях с выводом их в разряд рентабельных, за счет перевода на гидротехнологиюрегламентировать условия, порядок и последовательность перевода «сухих» шахт на гидротехнологиюосуществлять привязку гидроучастков к традиционной технологии по факторам водопритока, топологии и энергоснабженияснижать затраты на внедрение гидродобычи за счет использования технологических решений, обеспечивающих уменьшение объемов горных работ при максимальном использовании выработок действующего горизонтарасширить область применения гидравлической технологии добычи угля.

Реализация выводов и рекомендаций. Научные результаты и практические рекомендации использованы: при разработке «Программы перевода шахт г. Прокопьевска на гидротехнологию» согласованной и утвержденной на уровнях ООО НПО «Про-копьевскуголь» и Комитета Угольной промышленности Минтопэнерго РФ (автор-разработчик Программы) — при проектировании и строительстве гидроучастков на шахтах «Коксовая», им. Ворошилова, им. Дзержинского, «Зиминка» ООО НПО «Про-копьевскуголь" — при составлении «Норм технологического проектирования угольных и сланцевых шахт», ВНТП-1−86 и «Дополнений» к ним, ВНТП-1−87- в научных работах института ВНИИгидроуголь при разработке новых схем подземного замкнутого цикла водоснабжения, обезвоживания угля и осветления технологической воды.

Апробация работы. Работа и ее отдельные этапы докладывались на: технических советах шахт АО УК «Прокопьевскгидроуголь» и ООО НПО «Прокопьевскуголь», «Кузнецкуголь» (1994;2000гг.), Всесоюзной научно-технической конференции по развитию гидравлической технологии добычи угля (г.Новокузнецк, 1992 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы реформирования региональной экономики» (г.Кемерово, 1994 г.), «Круглом столе» выставки-ярмарки «Уголь-металл» (г.Новокузнецк, 1996 г.), Ill-V Международных конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г.Новокузнецк, 1998;2000г.г.), VI—VIII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горно-добывающей промышленности» (г.Новокузнецк, 1999;2001г.г.), научном семинаре кафедры геоэкологии НФИ КемГУ (2001г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 72 наименований, изложена на 130 стр., включая 25 рис. и 21 табл.

Выводы.

1. Разработана методика синтеза технологических схем отработки пластов с использованием гидротехнологии. Она включает в себя разбиение технологической цепочки на отдельные элементы, формирование вектора признаков и построение квазиупорядоченного графа вариантов технологических схем. Введено понятие типовых схем гидроучастков как технологически рациональных. Их выбор включает в себя последовательное сокращение числа признаков каждого из 7-и уровней графа путем их объединения или исключения. В результате число признаков было сокращено до 30%, а число уровней — до 4-х. При выполнении этих операций отобрано 4 типовых (базовых) схемы.

2. Предложена новая технологическая схема подготовки шахтных и выемочных полей, обеспечивающая сокращение объемов горных работ на 3035% за счет использования выработок действующего горизонта для проведения с них промежуточных вентиляционных квершлагов в свободные зоны, образованные проведением аккумулирующих квершлагов с гидроуклоном.

3. Разработаны технологические схемы гидроучастков:

— с использованием шахтного водопритока для стабилизации тепловых режимов;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой изложены научно-обоснованные разработки технологических схем для последовательного перевода шахт Прокопьевского района Кузбасса на гидротехнологию, обеспечивающие повышение эффективности отработки крутых пластов в сложных горно-геологических условиях.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Дана количественная оценка преимуществ использования гидротехнологии в сложных горно-геологических условиях Прокопьевского района Кузбасса. Показано, что в период 1991;2000гг. производительность труда подземных рабочих гидрошахт в 1,8−2,2 раза превышала производительность на шахтах традиционной технологии, а себестоимость угля была в 1,41,7 раза ниже. Отношение показателей пожароопасности и травматизма на гидрошахтах в этот период составляло 0,4−0,6 и 0,3−0,5, соответственно.

2. Комплексная оценка сравнительной эффективности работы шахт традиционной и гидравлической технологии осуществлена одновременно по 3-м группам показателей: производительности труда, себестоимости угля и безопасности горных работ. Их ранжирование, приведение к безразмерному виду и нормирование показало, что при отработке крутых пластов в сложных горно-геологических условиях эффективность гидротехнологии в 1,51,9 раза выше, чем традиционной.

3. Разработка и реализация алгоритма расчета критериев эффективности перевода шахт Прокопьевского района на гидротехнологию позволила установить его очередность. По этому фактору шахты разделены на 2 группы: для первоочередного перевода — шахты, для которых значения критериев относительно эффективности не превышает 0,5 — ш. 5/6 (им. Ворошилова), «Зиминка», «Коксовая" — для последующего перевода (2я очередь) — шахты, где значения критериев находятся в диапазоне (0,6−0,7) -им.Дзержинского и «Зенковская». Последовательность базируется на приоритетности перевода на гидродобычу шахт с минимальной эффективностью традиционной технологии.

4. Качественно-количественный анализ требований к технологическим схемам действующих шахт при встраивании гидроучастков в их структуру выявил необходимость обеспечения:

— резерва мощностей источников энергоснабжения для гидроучастковпри использовании гидромониторной выемки он должен составлять 1,5−1,9, при механогидравлической выемке — 0,2−0,3;

— достаточности шахтного водопритока для питания насосов (до 0,3−0,5 от расхода технологической воды) и для регулирования температурных режимов в выработках;

— наличия вблизи гидроучастка старых выработанных пространств, куда допустимо утилизовать высокозольные шламы (до 3% суточной угледобычи);

— как правило, исключение возможности попадания неосветленной технологической воды в шахтный водоприток.

5. Предложено 2 варианта схем использования водопритока, обеспечивающих снижение температуры воздуха в выработках при реализации подземного замкнутого цикла. Разработана методика расчета необходимого водопритока для каждой из схем в зависимости от расхода воды в замкнутом цикле, отношения Т: Ж и температурных характеристик среды. Показано, что при отношении Т: Ж = 1/5 и более, коэффициенте шахтного водопритока до 30−35%, что характерно для Прокопьевского района Кузбасса, обеспечение нормальных тепловых режимов возможно до глубины 500−600 м без применения специальных средств охлаждения воды.

6. Разработана методика синтеза технологических схем отработки пластов с использованием гидротехнологии. Она включает в себя разбиение технологической цепочки на отдельные элементы, формирование вектора признаков и построение квазиупорядоченного графа вариантов технологических схем. Введено понятие типовых схем гидроучастков как технологически рациональных. Их выбор включает в себя последовательное сокращение числа признаков каждого из 7-и уровней графа путем их объединения или исключения. В результате число признаков было сокращено до 30%, а число уровней — до 4-х. При выполнении этих операций отобрано 4 типовых (базовых) схемы.

7. Предложена новая технологическая схема подготовки шахтных и выемочных полей, обеспечивающая сокращение объемов горных работ на 3035% за счет использования выработок действующего горизонта для проведения с них промежуточных вентиляционных квершлагов в свободные зоны, образованные проведением аккумулирующих квершлагов с гидроуклоном.

8. Разработаны технологические схемы гидроучастков:

— с использованием шахтного водопритока для стабилизации тепловых режимов;

— с применением высоконапорной гидромониторной отбойки и подземного обезвоживания угля;

— с созданием замкнутой схемы технического водоснабжения очистных забоев.

9. Предложены технические решения по перепроектированию участков с «сухой» на гидравлическую технологию, включающие анализ топологии выработок, определение необходимого количества оборудования и дополнительных объемов горных работ на шахтах «Коксовая», «Зиминка», им. Ворошилова, им. Дзержинского.

10. Количественно обоснованы технико-экономические перспективы перевода шахт Прокопьевского района на гидротехнологию на период до 2005 года. Показано, что к 2003;2005 гг. шахты, при последовательном рас.

СПРАВКА о внедрении результатов диссертационной работы Целлермаера Б. Я. «Обоснование и разработка технологических схем для последовательного перевода шахт Прокопьевского района Кузбасса па гидродобычу».

Результаты диссертационной работы внедрены на шахте им. Дзержинского НПО «Проконъевскуголь» при проектировании и строительстве участка гидродобычи на гор. +20м с квершлага № 10.

Автором предложено и обосновано использование технологической схемы гидродобычи с высоконапорной гидроотбойкой в очистных забоях, механогидравлической выемкой в подготовительных и нарезных забоях, подземным обезвоживанием угля, осветлением и охлаждением технологической воды в наружных резервуарах технологической воды.

Строительство гидроучастка обеспечит рост всех технико-экономических показателей работы шахты и вывод ее в число стабильно прибыльно работающих предприятий.

Технический директор ОАО «Шахта им. Дзержинского».

LA. О" «г (С с i i.

Г. ж.Ситников.

СПРАВКА. о внедрении результатов диссертационной работы Целлермаера Б. Я. «Обоснование и разработка технологических схем для 1й>следовательного перевода шахт Прокопьевского района Кузбасса на гидродобычу».

Результаты диссертационной работы внедрены на строительстве участка гидродобычи на гор. +40м шахты «Зиминка» НПО «Прокопьевскуголь» с квершлага № 66 в 2001 году.

При проектировании и строительстве гидроучастка автором обосновано применение технологической схемы гидродобычи с подземным обезвоживанием угля и осветлением технологической воды без выдачи на поверхность с использованием выработанного пространства и существующих горных выработок. Для высоконапорного водоснабжения предложено в качестве I ступени использование воды шахтного водоотлива. Нагрузка на очистной забой возрастет с 200−250 т/сут при существующих системах разработки до 450−500 т/сут. Предложенная автором технологическая схема поэтапного перевода шахты «Зиминка» на гидродобычу использована при проектировании реконструкции шахты на новом гор.-60м с переводом на гидротехнологию.

Сравнение различных технологических схем отработки пластов угля на нобом строящемся гор.-60м показывает явное преимущество гидравлической технологии добычи угля.

Технический директр^р-^-ОАО «Шахта «З^ёинка» ~.

I ¦

С.С.Чутайнов.

СПРАВКА о внедрении результатов диссертационной работы Целлермаера Б. Я. «Обоснование и разработка технологических схем для последовательного перевода шахт Прокопьевского района Кузбасса на гидродобычу».

Результаты диссертационной работы внедрены при проектировании и строительстве 2-х гидроучастков на IV крыле (юг) гор.-135м шахты «Коксовая» для отработки свиты пластов Внутренних IV-I с квершлагов № 23 и № 31.

При проектировании и строительстве гидроучастков внедрена предложенная автором в работе технологическая схема подземного обезвоживания крупных классов угля и выдачу мелких классов угля в составе пульпы на существующий технологический комплекс действующего на шахте гидроучастка. Для снижения энергозатрат на гидроподъем, за счет увеличения нагрузки на пульповод и эффективного использования имеющегося оборудования реализовано предложение о переводе подготовленного «сухого» участка на гидродобычу и совместной работе 2-х гидроучастков через один гидроподъем. Низконапорное водоснабжение нарезных забоев осуществляется по системе подземного замкнутого цикла.

Реализация программы поэтапного перевода шахты «Коксовая» обеспечивает уже в 2002 году увеличение добычи угля на 100 тыс.тонн. Объем гидравлической добычи угля составит более 50%. Работа шахты становится устойчиво рентабельной и прибыльной.

V, i-v.¦•'!> v.: *Чу.

Технический директор ОАО «Шахта «Коксовая».

М.Д.Капустин.

CumBKA о внедрении результатов диссертационной работы Целлермаера Б. Я. «Обоснование и разработка технологических схем для последовательного перевода шахт Прокопьевского района Кузбасса па гидродобычу».

Результаты диссертационной работы внедрены на шахте им/Ворошилова НПО «Прокопьевску! оль» при строительстве участка гидродобычи на гор. -40м (юг) и подготовки поэтапного перевода шахты полностью на гидравлическую технологию добычи угля.

При строительстве гидроучастка и проведении технического перевооружения шахты с переводом на гидродобычу использовано предложенное автором максимальное использование существующих объектов и сооружений действующей «сухой» шахты, что обеспечивает значительное сокращение сроков строительства и капитальных затрат. После проведения технического перевооружения шахты и перевода ее на гидротехнологию шахта войдет в число рентабельно работающих предприятий. Производительность труда рабочих возрастет с 19,1 т/мес до 40,5 т/мес.

Технический директор ОАО «Шахта им. Ворошилова».