Оценка разубоживания и потерь угля при валовой и селективной разработке сложноструктурных пластов Эльгинского месторождения

С.А. Ермаков, к.т.н., зав. лабораторией открытых горных работ (ОГР) «Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН» (ИГДС СО РАН);

Д.В. Хосоев, ведущий инженер ОГР ИГДС СО РАН;

В.Л. Гаврилов, к.т.н., с.н.с. ОГР ИГДС СО РАН;

Е.А. Хоютанов, аспирант, инженер ОГР ИГДС СО РАН

Внастоящее время началось освоение одного из крупнейших на Северо-Востоке России Эльгинского угольного месторождения, характеризующегося сложными горно-геологическими и природно-климатическими условиями (рис.1). Мощность продуктивной толщи, включающей 22 рабочих угольных пласта, колеблется в широких пределах, зависит от рельефа местности и углов падения пластов по простиранию и падению. При этом около 75% запасов месторождения, предназначенных для открытых горных работ, приходится на сложноструктурные пласты У5, У4, Н16 и Н15, имеющие от 1–2 до 10–12 породных прослоев. На отдельных участках по ряду пластов наблюдается расщепление на две-три самостоятельные пачки [1].

К одной из проблем отработки таких месторождений относится необходимость максимальной адаптации технологий ведения горных работ к реальным горно-геологическим условиям для оптимизации уровня потерь угля и его разубоживания в процессе добычи. На потери и разубоживание непосредственно влияют, в числе прочего, физико-механические свойства горных пород и полезного ископаемого, угол падения и залегания пластов, технология и параметры системы разработки, тип применяемого выемочно-погрузочного оборудования. Целесообразность эффективного решения данной проблемы обусловлена также переходом предприятий к освоению структурно всё более сложных месторождений, расположенных в регионах пионерного освоения, что предопределяет более высокие затраты на добычу, с одновременным увеличением объемов теряемого угля.

050 1

Например, эксплуатационные потери угля при добыче на разрезах Кузбасса изменяются от 8,9 до 21,0% (в среднем 10,8%), на Ангренском карьере (Узбекистан) находятся в пределах 15–20%, на действующих предприятиях Экибастузского месторождения (Казахстан) составляют 10–13% [2,3]. Такой уровень потерь в условиях постоянного роста цен на уголь ведет к значительным экономическим затратам и размерам упущенной выгоды.

До настоящего времени разработка сложноструктурных и маломощных пластов угля с использованием цикличной технологии с применением традиционных экскаваторов – механических лопат – сопровождалась большими потерями из-за необходимости оставления определенного слоя угля на контактах с вмещающими породами, в зонах геологических нарушений и других зонах и участках залежи. Уменьшение технологических потерь возможно за счет применения современных технологий и нового оборудования, обеспечивающего селективную разработку сложноструктурных пластов.

Перспективное и эффективное решение задачи селективной разработки сложноструктурных пластов Эльгинского месторождения возможно за счет применения горных комбайнов фирм Wirtgen (SM) или Krupp (KSM). Эти машины способны разрабатывать массивы горных пород с высокой селекцией тонких слоев (без их буровзрывной или механической подготовки к выемке) и одновременно отгрузить добытый уголь в средства карьерного транспорта. Минимальная величина срезаемого слоя угля такими комбайнами составляет 5–10 см [4].

050 2

Опыт применения горных комбайнов Wirtgen SM для селективной разработки угольных пластов на разрезах России и мира (взамен традиционной технологии с использованием БВР) показывает значительное увеличение извлечения угля из недр. Так, полнота выемки угля увеличилась на месторождениях: San Miguel Mine (Atascosa Mining Company) (США) с 80% до 95%, Western Collieries Ltd (Австралия) с 70% до 98,6% и на разрезе Mount Thorley (Австралия) с 88% до 95% [5].

При селективной разработке сложноструктурных пластов угля с использованием горных комбайнов основной объем его потерь наблюдается при отработке приконтактных зон (уголь-порода), а также за счет включения маломощных угольных пачек во внутреннюю вскрышу.

При этом наиболее благоприятные условия селективной выемки углей комбайнами с минимальными его потерями реализуются, когда угол падения пластов не превышает конструктивно допустимого рабочего уклона, который, например, для КСМ-2000Р составляет не более 5–6°) [6].

При увеличении углов падения пластов потери или разубоживание угля возрастают, особенно в диапазоне углов их залегания от 5 до 20° [7]. Причем, эти потери зависят от толщины отрабатываемого слоя: чем она меньше, тем меньше потери.

В условиях Эльгинского месторождения пласты угля в основном имеют пологое залегание под углами от 2 до 5°, т.е. оптимальными для применения комбайнов типа КСМG2000Р.

Возможные схемы формирования потерь и разубоживания угля в процессе разработки сложноструктурных угольных пластов показаны на рис. 2.

050 3

С использованием горно-геологической информационной системы MineFrame (разработчик Горный институт Кольского научного центра РАН) произведены оценка запасов, расчет величины зольности, разубоживания и потерь угля для пяти вариантов схем валовой и селективной разработки основных сложноструктурных угольных пластов У5, У4, Н16, и Н15 (табл.). При этом рассматривались эксплуатационные потери, образовавшиеся при ведении вскрышных и добычных работ в приконтактных зонах, и горнотехнологическое разубоживание.

В вариантах с валовой выемкой учтено разубоживание за счет внутрипластовых породных прослоев, при этом в варианте 2 предусматривается раздельная отработка породного пропластка толщиной 1 м, а в варианте 4 – отработка угольных пластов происходит по контакту кровли и почвы. В варианте 1 предусматривается селективная отработка угля и породных прослоев мощностью более 20 см комбайнами типа КСМ-2000Р, а породные прослои тоньше 20 см, вынимаемые совместно с углем, принимались в расчет разубоживания. Трехмерные цифровые модели пластов были построены по данным опробования. После загрузки в графический модуль баз данных с координатами скважин были оконтурены границы пластов в пределах каждой горной выработки. Пластопересечения в кровле и почве, связанные способом триангуляции – соединением на основе треугольников, образовали поверхности, которые впоследствии были объединены в сплошной каркас.

Объем выборки, обусловленный плотностью разведочной сети опробования, составил по пластам Н16 – 409; Н15 – 495; У4 – 344; У5 – 305 скважин.

При подсчете запасов принят ряд допущений: границы выходов пластов на поверхность построены путем перенесения контуров с наложенных геологических карт; в моделях не учтены границы разноамплитудных тектонических нарушений; плотность при расчетах принималась равной 1,41 т/м3, средней действительной плотности по углю, для породы с учетом усреднения по составу плотность – 2,5 т/м3; зольность пропластков принималась 100%; границы участков в модели проведены без привязки к географическим координатам месторождения.

С использованием ограничивающих контуров по трехмерным моделям пластов рассчитывался объем внутри каркаса, который затем участвовал при определении запасов угля и объемов породной массы по каждому варианту разработки.

Анализ графиков, построенных по данным таблицы, наглядно показывает, что наименьшие потери угля наблюдаются в 4-м и 5-м вариантах валовой разработки (рис. 2), а наименьшее разубоживание ожидается при варианте 1 – селективной отработке пластов (рис. 3). Соответственно при 1-м варианте будет и самая низкая зольность добытого угля. При валовой разработке пластов потери изменяются от 0,15% (за счет разлета кусков угля при ведении БВР) до 4,9% (см. табл.), а при селективной – от 3,3% (Н16) до 8,7% (Н15).

050 4

Расчетное разубоживание угля по вариантам и пластам составит от 3,9 до 14% (при селективной разработке), от 6,8 до 24,8% (при валовой выемке). При этом наибольшие показатели потерь и разубоживания ожидаются по всем вариантам при отработке пласта Н15, характеризующегося наиболее сложным строением.

050 5

Расчетная зольность угля по пластам и вариантам (рис. 4) ожидается в пределах от 21,9 до 34,3% (селективная) и от 24,7 до 39% (валовая). Наименьшая зольность будет наблюдаться по пласту У5, а наибольшая – в 5-м варианте при валовой выемке, с разубоживанием за счет прирезки пустых пород в кровле и почве пласта и внутрипластовых породных прослоев по пласту Н15.

050 6

В 2009 г. ООО «НТЦ-Геотехнология» (Челябинск) выполнен проект по участку первоочередной отработки Эльгинского месторождения. На поле участка первой очереди к отработке принят пласт Н16 и вышележащая свита угольных пластов У4, У5, У5 в, вовлекаемых в отработку при развитии горных работ по пласту Н16. Проектом принята селективная отработка пластов по цикличной технологии без применения БВР, при которой во избежание засорения добываемого угля в его кровле вместе с вмещающими вскрышными породами удаляется слой угля толщиной 0,2 м, а в почве пласта оставляется слой угля (0,15 м), что снижает зольность промышленных запасов, но обуславливает определенный уровень эксплуатационных потерь. Средние проектные потери по пластам составят 6,3%. Разубоживания угля на проектируемом участке месторождения не предусматривается.

Сравнение показателей по вышеприведенным вариантам и проектных показателей показывает, что при селективной разработке сложноструктурных пластов (вариант 1) расчетные потери угля по пластам (в среднем 6,0%) находятся на уровне проектных (6,3%), при этом следует отметить, что в проектном варианте не учитывались потери угля при разработке породных прослоев мощностью 15 см, которые учтены в расчетном варианте.

Зольность угольной массы пласта Н16 в проекте колеблется от 20 до 25%, что соответствует рассмотренному 1-му варианту селективной разработки, в котором расчетная зольность по пласту Н16 составила 23,6% (см. табл.).

Проведенные исследования показали, что несмотря на меньшие потери при валовой отработке пластов по вариантам 2–5 (в среднем 1,7%), по сравнению с селективной разработкой, значительно – в 1,5–5,1 раза – увеличивается разубоживание угля. Повышение разубоживания приведет к росту зольности добытого угля в пластах: У5 – на 3%, Н16 – на 2,6%, У4 – на 3,6% и Н15 – на 2,5%.

В конечном итоге рост зольности угля, т.е. ухудшение его качества значительно влияет на его стоимость (обычно при повышении зольности на 1% стоимость угля уменьшается на 2,5%)[8].

Таким образом, применение технологии селективной разработки сложноструктурных пластов Эльгинского месторождения с использованием горных комбайнов послойного фрезерования, по сравнению с валовой технологией, позволит значительно повысить качество добываемого угля и улучшить экономические показатели предприятия.


 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Обосновать концепцию разработки Эльгинского каменноугольного месторождения открыто" подземным способом, отвечающую требованиям охраны окружающей среды, экономичности и эффективности горного производства: НИР (прилож.): 0"92"11 /ИГДС СО РАН, рук. Яков" лев В.Л.; испол. Петров С.Н. [и др] " Якутск 1993." 200 с.: (фондодержатель ИГДС СО РАН).

2. Экология. Минеральные ресурсы Кузбасса: реферат // Works. Tarefer. ru 98 / 100340 / index. html Москва.

3. Мировая горная промышленность 2004–2005: история, достижения, перспективы. М.: НТЦ. «Горное дело, 2005." 376 с.

4. Безвзрывные технологии открытой добычи твердых полезных ископаемых: // Коллектив. монография / А.Р. Маттис и др (всего 17); отв. Ред. В.Н. Опарин; Рос. Акад. Наук, Сиб. Отд" ние. Ин"т горного дела. – Новосибирск: Изд"во СО РАН, 2007." 357 с.

5. Опыт применения горных комбайнов Wirtgen Surface Miner на угольных разрезах мира. / Ю.Б. Панкевич, Б. Шимм, П. Дженге // Горная Промышленность." №3/1999. " С.46–52.

6. Краснянский, Г.Л. Опыт создания и перспективы освоения в горнодобывающей промышленности машин нового поколения КСМ"2000РМ / Г.Л. Краснянский, Р.М. Штейнцайг, В. Рудольф, С.К. Коваленко // Уголь. 1998." №4." С. 16–21.

7. Конструктивно"технологические особенности и перспективы применения машин типа КСМ на разрезах России./ Б.Г. Алешин, С.К. Коваленко, К.Е. Виницкий, А.И. Шендеров, Р.М. Штейнцайг // Горный вестник." 1996." №4." С. 13–19.

8. Долгий В.Я., Кривченко А.А., Шамало М.Д., Долгая В.А. Новости и информация об угле и угольной отрасли // Уголь Украины. " 1999. " №8 " С. 18–22.

Журнал "Горная Промышленность" №6 2012, стр.50