Область эффективного применения карьерных комбайнов на Эльгинском каменноугольном месторождении по критерию прочностных свойств вмещающих пород

Д.В. Хосоев , В.В. Киселев, А.М. Бураков
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация
Russian Mining Industry №5/ 2025 p. 74-78

Резюме: Статья содержит материалы исследований и результаты разноплановых расчётов, подтверждающих обоснованность высказанного авторами предположения о целесообразности ведения вскрышных и добычных работ на Северо-Западном участке крупнейшего в РФ Эльгинского каменноугольного месторождения безвзрывной технологией с применением карьерных комбайнов типа КСМ-2000Р. Приведены прочностные свойства вмещающих пород этого участка, на основании которых установлены границы технологических зон, возможных для безвзрывной отработки углей и вскрышных пород комбайнами. Отмечена неравномерность распределения различных типов пород по площади и глубине горного массива. Подчёркивается, что переход на безвзрывную технологию отработки месторождения будет способствовать повышению рентабельности горнодобывающего предприятия, охране окружающей среды и решению ряда экологических проблем региона, таких как снижение уровня наведенной сейсмичности за счет исключения массовых взрывов, а также кратное снижение токсичных выбросов угольной и породной пыли, газов, загрязняющих воздушную среду и земную поверхность, снижая тем самым психологическую напряженность и заболеваемость населения региона.

Ключевые слова: каменноугольное месторождение, вмещающие породы, карьерный комбайн, безвзрывная технология, прочность пород, горно-геологические информационные системы, картирование

Благодарности: Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема №0297-2021-0021, ЕГИСУ НИОКТР №122011800083-0) с использованием оборудования ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН.

Для цитирования: Хосоев Д.В., Киселев В.В., Бураков А.М. Область эффективного применения карьерных комбайнов на Эльгинском каменноугольном месторождении по критерию прочностных свойств вмещающих пород. Горная промышленность. 2025;(5):74–78. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-5-74-78

Информация о статье

Поступила в редакцию: 11.05.2025

Поступила после рецензирования: 10.07.2025

Принята к публикации: 16.07.2025

Информация об авторах

Хосоев Доржо Владимирович – младший научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-1466-8509 ; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Киселев Валерий Васильевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация

Бураков Александр Михайлович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация

Введение

На Дальнем Востоке РФ одним из самых перспективных с точки зрения интеграции в государственную угледобывающую систему является Эльгинское каменноугольное месторождение (ЭКМ).

В настоящее время полным ходом идет разработка Северо-Западного участка (СЗУ) этого месторождения открытым способом с применением буровзрывной технологии. В 2020 г. ООО «СИБГЕОПРОЕКТ» был разработан технический проект второй очереди разработки месторождения ООО «Эльгауголь» с достижением проектной мощности 45 млн т угля в год. Средний коэффициент вскрыши – 4,4 м³/т, срок разработки участка – 51 год 1.

Промышленная угленосность месторождения связана с отложениями Нерюнгринской и Ундытканской свит. Суммарная мощность угленосной толщи составляет около 200 м.

Отложения Ундытканской свиты на участке имеют повсеместное развитие. В ее разрезе выявлено 21 углепроявление, из которых 11 пластов характеризуются широким площадным развитием с мощностью свыше 1,0 м.

В разрезе Нерюнгринской свиты выявлено 16 углепроявлений, из которых 6 пластов представляют промышленный интерес, характеризуются широким площадным развитием с мощностью более 0,7 м.

Вскрышные породы СЗУ ЭКМ представлены двумя типами: рыхлые четвертичные отложения и коренные, относящиеся к полускальным средней крепости. Кровля и почва угольных пластов сложены алевролитами, мелкои среднезернистыми песчаниками, изредка углистыми породами.

В районе и на площади месторождения повсеместно развита зона многолетней мерзлоты.

Методы и материалы

В период ведения разведочных работ на СЗУ ЭКМ ПГО «Якутгеология» было пробурено около 500 скважин. Данный участок был разделен на 13 продольных и два поперечных профиля 2. В процессе исследований все скважины были расставлены по профилям (рис. 1).

Рис. 1 Схема расположения разведочных скважин СЗУ ЭКМ по профилям

Fig. 1 A layout of prospecting boreholes in the northwestern section of the Elga coal deposit along the profiles

Результаты

Авторами были проведены исследования прочностных свойств углей и всех типов вмещающих пород Ундытканской и Нерюнгринской свит СЗУ ЭКМ (табл. 1) 3.

Таблица 1 Значения физикомеханических и деформационных свойств углей и вмещающих пород СЗУ ЭКМ Ундытканской и Нерюнгринской свит

Table 1 Physical, mechanical, and deformation properties of coal and surrounding rock in the northwestern section of the Elga coal deposit, the Undytkan and Neryungri series

Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод, что в Ундытканской свите разнозернистые песчаники в отличие от других пород обладают более высокими прочностными свойствами. В Нерюнгринской свите за исключением мелкозернистых песчаников остальные виды пород имеют невысокие прочностные характеристики. Учитывая это, авторы высказали предположение о возможности разработки углей и пород междупластий СЗУ ЭКМ безвзрывной технологией с использованием карьерных комбайнов типа КSМ (Виртген, КСМ-2000Р), которые успешно эксплуатируются с высокой производительностью на ряде отечественных и зарубежных горнодобывающих предприятий [1–4].

Анализ литературных источников показал, что с увеличением прочности пород больше 60 МПа происходит значительное уменьшение их производительности и резкое увеличение износа дорогостоящих коронок.

С учетом технических характеристик карьерных комбайнов типа КСМ-2000Р и данных прочностных свойств вмещающих пород СЗУ ЭКМ для безвзрывной отработки были выделены технологические зоны с прочностью пород на сжатие до 60 и свыше 60 МПа.

Кроме этого, на основе анализа геологических данных с использованием горно-геологической информационной системы (ГГИС) «Mineframe» [5] проведено оконтуривание технологических зон в массиве вмещающих пород по прочности для безвзрывной отработки комбайном типа КСМ. Проведенные по общепринятым методикам расчеты показали, что объем пород с прочностью до 60 МПа составляет 62,5% от их общего объема в целом по СЗУ. На рис. 2 показан горизонтальный разрез СЗУ ЭКМ с расположением технологических зон с прочностью пород до 60 и свыше 60 МПа.

Рис. 2 Расположение технологических зон с различной прочностью пород Северо-Западного участка Эльгинского каменноугольного месторождения (горизонт 900 – кровля междупластия Н16–Н15)

Fig. 2 Location of the technological zones with different rock strengths in the northwestern section of the Elga coal deposit (Level 900 – interlayer roof N16-N15)

На рис. 3 показан вертикальный разрез междупластия Н16–Н15 по продольному профилю V–V с выделением зон с прочностью до 60 и свыше 60 МПа.

Рис. 3 Вертикальный разрез по продольному профилю V–V Северо-Западного участка Эльгинского каменноугольного месторождения с выделением зон прочности пород междупластия Н16 –Н15 до 60 и свыше 60 МПа

Fig. 3 A vertical section along longitudinal profile V-V of the northwestern section of the Elga coal deposit, showing zones of N16 –N15 interlayer rocks with the strength of up to 60 and above 60 MPa

Анализ приведенного на рис. 3 вертикального разреза свидетельствует, что с ростом глубины изменяются расположение и площадь зон, что должно учитываться при выборе технологических решений их отработки.

Ранее в работе [6] с учетом прочностных характеристик пород и угля авторами настоящей статьи были произведены расчеты производительности комбайна КСМ-2000Р через энергосиловые показатели по вмещающим породам СЗУ ЭКМ. Установлено, что при крепости пород на сжатие до 40 МПа, к которым относятся угли и углистые алевролиты, производительность КСМ-2000Р составит 1400 м3/ч, при увеличении доли крепких компонентов в горных породах от 40 до 60 МПа можно ожидать уменьшения производительности до 1000 м3/ч и от 60 до 80 МПа – 650 м³/ч.

Существенно повысить производительность комбайна КСМ-2000Р по вмещающим породам возможно, по нашему мнению, путем их физико-химического разупрочнения, в частности, опережающей обработки породного массива водными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ) [7–9].

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 использования ПАВ производительность карьерного комбайна КСМ-2000Р может возрасти от 750 до 1100 м3/ч (80% от паспортной) [10].

С использованием ГГИС «Mineframe» построены карты распределения пород по СЗУ ЭКМ по профилям (рис. 4).

Рис. 4 Распределение вмещающих пород по скважинам на примере профиля Северо-Западного участка Эльгинского каменноугольного месторождения

Fig. 4 Distribution of the surrounding rocks by boreholes, using the profile of the northwestern section of the Elga coal deposit as an example

Их анализ свидетельствует о неравномерности распределения различных типов пород по площади и глубине, что в дальнейшем должно учитываться при выборе рациональных технологических схем и параметров основного горнотранспортного оборудования для разработки месторождения рекомендуемой безвзрывной технологией.

В заключение необходимо особо отметить, что рекомендуемая безвзрывная технология угледобычи будет способствовать, по нашему мнению, повышению рентабельности горнодобывающего предприятия, и, кроме этого, она отличается высокой экологичностью. Как известно, окружающая среда при открытой отработке месторождений полезных ископаемых (включая ЭКМ) находится под мощным техногенным воздействием, учитывая колоссальные масштабы ведения горных работ с использованием буровзрывной технологии, сопровождающейся громадными выбросами различных типов токсичных загрязнений, в первую очередь породной и угольной пыли, а также газов.

В результате этого кардинально изменяется первозданный облик ландшафта, деградирует растительный покров, нарушается водный баланс, страдают биота и все живые организмы, включая человека. Переход на безвзрывную технологию с применением комбайнов позволит также исключить негативное сейсмическое воздействие массовых взрывов на разрезе.

Выводы

1. С учетом технических характеристик комбайнов КСМ для безвзрывной отработки междупластий с использованием ГГИС «Mineframe» выделены две технологические зоны с прочностью пород на сжатие до 60 и свыше 60 МПа. Установлен характер их распределения в горном массиве по простиранию и глубине.

2. Установлены границы технологических зон угля и вмещающих пород, которые доступны для безвзрывной отработки карьерными комбайнами типа КСМ.

3. Проведенные исследования подтвердили, что по критерию прочности (<60 МПа) до 62,5% вскрышных пород СЗУ ЭКМ могут быть отработаны по безвзрывной технологии с применением комбайнов КСМ-2000Р.

Список литературы

1. Фомин С.И., Лелен А. Анализ опыта применения комбайнов послойного фрезерования при открытой разработке месторождений цементного сырья. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2025;(1):128–140. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2025/1/1-2025-128-140.pdf (дата обращения: 07.06.2025). Fomin S.I., Ljeljen A. Experience of operation of surface miners in opencast mining of cement raw materials. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2025;(1):128–140. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2025/1/1-2025-128-140.pdf (accessed: 07.06.2025).

2. Liu P., Zhou W., Cai Q., Shi X., Xu G. The Thin Coal Seam (TCS) mining technology for open pit mines in China. Geotechnical and Geological Engineering. 2018;36:3627–3637. https://doi.org/10.1007/s10706-018-0562-3

3. Bȩdkowski T., Kasztelewicz Z., Zajaczkowski M., Sikora M. Technical and economic analysis of mechanical rock extraction based on “Raciszyn” deposit. Inżynieria Mineralna. 2016;17(2):107–112.

4. Малышев Ю.Н., Анистратов К.Ю., Анистратов Ю.А., Бызов В.Ф., Вилкул Ю.Г., Зайденварг В.Е. (ред.) Мировая горная промышленность 2004–2005: история, достижения, перспективы. М. : НТЦ. «Горное дело»; 2005. Т. 1. 376 с.

5. Наговицын О.В., Лукичев С.В. Горно-геологические информационные системы, область применения и особенности построения. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016;(7):71–83. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2016/7/71_83_7_2016.pdf (дата обращения: 07.06.2025). Nagovitsyn O.V., Lukichev S.V. Mining and geological information systems, areas of application and features of building. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2016;(7):71–83. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2016/7/71_83_7_2016.pdf (accessed: 07.06.2025).

6. Хосоев Д.В., Киселев В.В. Оценка возможности применения карьерных комбайнов типа КСМ на Северо-Западном участке Эльгинского каменноугольного месторождения. Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2024;(27):149–154. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-27-91-98 Khosoev D.V., Kiselev V.V. Assessment of the possibility of using combines type KSM at the North-Western section of Elginskoe coal deposit. Transport, Mining and Construction Engineering: Science and Production. 2024;(27):149–154. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-27-91-98

7. Шишкин Ю.П., Микулевич А.П., Бураков А.М. Экспериментальные исследования безвзрывного разупрочнения многолетнемерзлых пород на алмазоносном месторождении. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1990;(4):79–84. Shishkin Yu.P., Mikulevich A.P., Burakov A.M. Experimental studies of blast-free softening of perennially frozen rocks at a diamondiferous deposit. Fiziko-Texhnicheskiye Problemy Razrabbotki Poleznykh Iskopaemykh. 1990;(4):79–84. (In Russ.)

8. Норов Ю.Д., Мардонов У.М., Тошев О.Э. Изучение влияния водных растворов ПАВ на изменение прочности горного массива. Горный журнал. 2005;(3):15–16. Norov Yu.D., Mardonov U.M., Toshev O.E. Studying the impact of aqueous surfactant solutions on changes in the rock mass strength. Gornyi Zhurnal. 2005;(3):15–16. (In Russ.)

9. Чебан А.Ю., Секисов А.Г., Рассказов М.И., Цой Д.И., Терешкина А.А. Повышение эффективности селективной выемки богатых руд путем их предварительного физико-химического разупрочнения. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(9):29–41. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_9_0_29 Cheban A.Yu., Sekisov A.G., Rasskazov M.I., Tsoi D.I., Tereshkin A.A. Efficiency upgrading in selective mining of high-grade ore by means of preliminary physicochemical softening. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2022;(9):29–41. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_9_0_29

10. Панишев С.А., Хосоев Д.В., Матвеев А.И. Повышение эффективности разработки вскрышных пород и углей Эльгинского месторождения Якутии путем их разупрочнения с использованием поверхностно-активных веществ. Горная промышленность. 2021;(1):98–104. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-1-98-104 Panishev S.V., Hosoev D.V., Matveev A.I. Enhancing efficiency of overburden removal and coal mining at Elginsky coal deposit in Yakutia by their softening with surfactants. Russian Mining Industry. 2021;(1):98–104. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-1-98-104