Оценка горнотехнических условий Эльгинского месторождения с позиции применения горных комбайнов
Д.В. Хосоев, ведущий инженер, ФГБУН «Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН»
Вскрышные породы на месторождении отрабатываются по транспортной схеме гидравлическими экскаваторами Komatsu РС-5500 (емкость ковша 28,0 м3), а также гидравлическими экскаваторами Komatsu РС-2000 (емкость ковша 11 м3) и РС-1250 (емкость ковша 6,7 м3).
Междупластья H16–H15 в и H15 в–H15 отрабатываются по простой бестранспортной схеме экскаваторами-драглайнами ЭШ20/90 с размещением вскрышных пород в выработанном пространстве. Добычные работы осуществляются по транспортной схеме дизель-гидравлическими экскаваторами Komatsu РС-2000 и РС-1250.
Данная технология имеет ряд недостатков: применение буровзрывных работ оказывает негативное воздействие на окружающую среду, а валовая выемка угольных пластов (вместе с породными прослоями) предопределяет высокую зольность добываемого угля.
При разработке подобных пластовых месторождений в последнее время нашли широкое применение горные комбайны фрезерного типа Voest Alpine Surface Miner (VASM), Wirtgen Surface Miner (WSM), Krupp Surface Miner (КSM) [1–6]. Это оборудование позволяет осуществлять выемку горных пород тонкими слоями мощностью от 0,05 м до 800 мм, в зависимости от типоразмера комбайна с точностью резания до ±1 см. Их применение позволяет не только улучшить качество добываемого угля за счет уменьшения разубоживания его вскрышными породами, но также понизить его потери. Благодаря высоким значениям развиваемых усилий резания, эти машины могут успешно разрабатывать породы прочностью на сжатие до 60–80 МПа без использования буровзрывных работ. Поэтому достаточно актуальным вопросом является рассмотрение возможности применения такой техники на Эльгинском месторождении.
На примере угольного пласта H15 и вмещающих пород междупластья H16–H15 для оценки горнотехнических условий с позиции применения такого оборудования был рассмотрен «первоочередной участок отработки») в пределах западного участка месторождения (рис. 1). Выполнен анализ по структурным признакам, мощности, условиям залегания междупластий и угольных пластов, а также по прочностным свойствам пород в массиве.
Рассматриваемый первоочередной участок располагается в Северо-Западной части месторождения, имеет длину около 3-х км и ширину 550 м. Запасы по пластам H15 в и H15 составили 17,6 млн т угля.
На всем участке от пласта H15 отщепляется угольная пачка H15 в. Суммарная мощность угольной пачки H15 в, пласта H15 и вмещающих пород междупластий H16–H15 в, H15 в–H15 в среднем по участку составила около 27 м.
По данным скважин, находящихся на участке, выполнен анализ изменения мощностей рассматриваемых междупластий и угольных пластов, который показал, что мощность междупластия H16–H15 имеет неравномерный характер. Так, к примеру, на западной стороне участка наблюдается рост мощности с 23,3 до 28,0 м. В средней части участка мощность повышается от 7,4 до 22,6 м, а в восточной наоборот, прослеживается его падение с 33,3 до 14,4 м.
Мощность междупластья H16–H15 в в западном крыле участка имеет выдержанный характер в среднем 6,7 м, а на восточном фланге участка, наоборот, его мощность уменьшается с 27 до 4,8 м.
Мощность междупластья H15 в–H15 имеет неравномерный характер. Так, его мощность в западной части участка с севера на юг растет от 15,1 до 19,7 м, а восточной части в этом же направлении изменяется с 4,9 до 9,4 м. Средняя мощность этого междупластья по участку составляет 12,3 м. Проведенные исследования показали, что мощность как всего междупластия H16–H15, так и слагающих его двух междупластий H16–H15 в и H15 в–H15 на участке имеет невыдержанный характер, что следует учесть при выборе и оперативном управлении горных работ с использованием горных комбайнов. Угольные пласты H15 в, H15 характеризуются широким площадным развитием с мощностью более 1,0 м, в связи с чем представляют промышленный интерес. По мощности пласт H15 относится к группе мощных, а верхняя отщепившаяся пачка – H15 в к пластам средней мощности. Расстояние между ними на первоочередном участке изменяется от 4,9 до 15,9 м.
Рис. 1 Месторасположение первоочередного участка отработки
Мощность угольного пласта H15 в имеет выдержанный характер – его средняя мощность составляет около 1,5 м. Пласт H15 в имеет простое строение, в западной и средней части участка в этой пачке наблюдается один породный прослой мощностью до 0,1 м. С другой стороны участка в эту пачку включены два породных прослоя мощностью 0,05 и 0,1 м. Угол падения этого пласта в среднем по участку составляет 4°.
По мощности угольный пласта H15 имеет невыдержанный характер – так, в восточной части участка с севера на юг наблюдается снижение его толщины с 4,1 до 2,75 м, в средней части участка его мощность уменьшается с 4,1 до 2,3 м, а в западной мощность пласта, наоборот, растет с 4,4 до 4,55 м.
Исследование мощностей породных прослоев по угольному пласту H15 показывает, что он имеет сложную структуру. В западной части участка наблюдается от трех до четырех породных прослоев мощностью 0,05 до 0,5 м, а в восточной части находятся от пяти до шести породных прослоев мощностью от 0,05 до 0,2 м.
Как показал проведенный анализ, угольные пласты имеют пологое залегание около 4°. Из двух угольных пластов H15 в и H15 угольный пласт H15 в имеет выдержанный характер и простое строение. Этот пласт следует отрабатывать валовым способом. А угольный пласт H15 на данном участке характеризуется по мощности невыдержанностью и сложным строением. Таким образом, данный пласт следует отрабатывать селективным способом.
На рассматриваемом участке выявлены четыре типа вмещающих пород, слагающих междупластие H16–H15: песчаники мелкозернистые (ПМЗ), песчаники среднезернистые (ПСЗ), песчаники крупнозернистые (ПКЗ) и переслаивание алевролитов и песчаников (ПАП).
С применением методических рекомендаций и указаний [7, 8] были отстроены границы распространения этих пород на участке между продольными и поперечными профилями по глубине и простиранию междупластья H16–H15. В подавляющем большинстве случаев это считается методом «из средины» для этого расстояние между скважинами или профилями делятся пополам (рис. 2, 3). Произведен расчет площади участков различных типов пород по глубине и простиранию. Далее был выполнен подсчет объемов пород по междупластьям H16–H15 в и H15 в–H15 (табл. 1).
В табл. 2 сведены общие объемы пород по всему междупластию H16–H15 и их процентное участие по участку. Наибольшую долю в процентном отношении имеют ПМЗ–35,2%, затем ПСЗ – 31,3%, ПКЗ – 29,7% и ПАП – 3,8%. Общий объем всех песчаников на участке составил – 95,5%. На рис. 2 и 3 показаны горизонтальные разрезы в пределах по почве угольного пласта H16 и почве угольной пачки H15 В.
Рис. 2 Горизонтальный разрез по почве пласта Н16
Как показали проведенные исследования, в верхнем междупластии H16–H15 в (рис. 2) наибольшее распространение по площади приходится на песчаники крупнозернистые и песчаники среднезернистые – 70,5 и 64,4 га, тогда как на долю мелкозернистых песчаников и переслаивание алевролитов и песчаников – соответственно 26,2 и 6,8 га. По составу пород в этом междупластии в основном преобладают ПКЗ – 12,0 млн м3 (44,6%), ПСЗ – 10,1 млн м3 (37,6%), ПМЗ – 3,9 млн м3 (14,7%) и ПАП – 0,7 млн м3 (3,1%). Другая ситуация наблюдается в нижнем междупластии H15 в–H15, где основную долю по площади занимают ПМЗ и ПСЗ – 93,1 и 44,0 га, на долю ПКЗ и ПАП приходится соответственно 24,0 и 6,8 га (рис. 3). По типам пород здесь большую часть занимают ПМЗ – 14,4 млн м3, что составляет 56,9% от общего объема пород. Далее идут ПСЗ – 6,2 млн м3 (24,6%), ПКЗ – 3,5 млн м3 (13,9%) и ПАП – 1,1 млн м3 (4,6%).
Рис. 3 Горизонтальный разрез по почве угольной пачки Н15в
В табл. 3 приведены физико-механические свойства вмещающих пород на первоочередном участке. Средние значения (по литотипам) предела прочности при сжатии изменяются от 45 до 72,1 МПа.
![Табл. 3 Физико$механические свойства вмещающих пород на первоочередном участке [10] и производительность комбайна КСМ$2000Р](/images/2016/06/081_t3.gif)
Ранее в работе [9] с учетом прочностных характеристик пород и угля был произведен расчет производительности комбайна КСМ-2000Р через энергосиловые показатели. Результаты расчетов показали, что техническая производительность КСМ-2000Р по породам может составить: ПКЗ – 610 м3/ч, ПСЗ – 630 м3/ч, ПМЗ – 540 м3/ч, ПАП – 900 м3/ч и углю – 1400 м3/ч.
Для оценки эффективности применения данного оборудования на первоочередном участке Эльгинского месторождения необходимо выполнить технико-экономические расчеты в сравнении с цикличной технологией.
Существенно повысить производительность комбайнов можно за счет применения метода безвзрывного физико-химического разупрочнения горных пород путем опережающей обработки горного массива водными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Проведенные нами экспериментальные исследования по разупрочнению мелкозернистых песчаников показали, что при условии разупрочнения пород с прочностью на сжатие от 60 до 80 МПа за счет применения ПАВ производительность КСМ-2000Р может возрасти на 70% с 650 до 1100 м3/ч и достичь 80% паспортной [11].
Таким образом, на основе анализа выполненных исследований можно сделать следующие выводы.
Выводы
1. Выполненные исследования показали, что мощность междупластия H16–H15 и слагающих его двух междупластий H16–H15 в и H15 в–H15 на участке имеет неравномерный характер, что следует учесть при планировании горных работ.
2. Как показали расчеты наибольшая производительность горных комбайнов – типа КSM может быть достигнута при разработке вскрышных пород верхнего междупластия, состоящего в основном из менее прочных пород ПКЗ, ПСЗ и ПАП в объеме 22,9 млн м3 (85,3%). По нижнему междупластию H15 в–H15, где находятся в основном крепкие породы ПМЗ – 14,4 млн м3 (56,9%) производительность комбайнов значительно снижается. За счет применения ПАВ производительность КСМ2000Р может возрасти с 650 до 1100 м3/ч (80% паспортной).
3. При селективной отработке угольного пласта H15, характеризующегося сложноструктурным строением (наличие от трех до шести породных прослоев мощностью 0,05–0,5 м) применение горных комбайнов наиболее рационально, это обеспечит повышение качественных показателей угля, по сравнению с валовой выемкой при цикличной технологии. Пологое залегание пластов также создает оптимальные условия для применения горных комбайнов.
4. Для оценки эффективности применения данного оборудования на первоочередном участке Эльгинского месторождения необходимо выполнить технико-экономические расчеты в сравнении с цикличной технологией.
