Оценка эффективности применения комбайнов WIRTGEN на Эльгинском каменноугольном месторождении

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2018-6-142-77-79
УДК: 622.232.72(571.56)

С.А. Ермаков, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., зав. лабораторией ИГДС СО РАН

А.П. Иль, руководитель направления горные комбайны Wirtgen GmbH

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

Эльгинское каменноугольное месторождение находится на юге Якутии. Общая площадь месторождения составляет 236 км2, где сосредоточено более 3,75 млрд т коксующихся и энергетических углей. Детально разведанный Северо-Западный участок представляет собой толщу пологопадающих (2–102) скальных горных пород шириной 5–8 км и глубиной до 480 м, вмещающих 24 угольных пласта и вытянутую в северо-западном направлении на 16 км.

Все угольные пласты можно разделить на две группы. К первой группе относятся верхние угольные пласты малой мощности, начиная с У6. Значение мощности большинства этих пластов находятся в пределах 1,17–2,84 м. Ко второй группе относятся нижние угольные пласты большой мощности – Н15, Н16, У4 и У5. Их мощность, в основном составляет 7,49–9,81 м (пл. Н15 имеет мощность 4,89 м).

Эти пласты содержат около 75% запасов всего месторождения. Предельная глубина отработки углей при открытом способе (почва пласта Н15) составляет 520 м.

Угольные пласты, развитые на Северо-Западном участке, имеют преимущественно сложное строение (от 1 до 10 породных прослоев). Фактором, осложняющим эксплуатацию, является площадное расщепление мощных угольных пластов Н15, У4, У5 на самостоятельные угольные пачки и значительная изменчивость мощности пород междупластий как в расщепленных пластах, так и между основными пластами участка.

Вскрышные породы представлены переслаивающимися крупно-средне-мелкозернистыми песчаниками с редкими прослоями алевролитов, которые зачастую приурочены к кровле и почве пластов. Объемный вес пород изменяется от 2,56 до 2,64 г/см3, составляя в среднем 2,6 г/см3. Коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодъяконова составляет для вскрышных пород f = от 6 до 7, для угля f=1–3 [1].

Породные прослои менее прочные по сравнению с вмещающими породами и характеризуются сопротивлением сжатию в пределах от 10–20 МПа до 48–55 МПа.

В настоящее время месторождение разрабатывается по цикличной технологии с использованием одноковшовых экскаваторов и автотранспорта, при этом рыхление вскрыши и угольных пластов осуществляется с применением буровзрывных работ.

Одним из современных способов совершенствования технологии горных работ в области селективной выемки угля на многих предприятиях является применение фрезерных комбайнов Wirtgen Surface Miner [2–7]. Данные машины способны разрабатывать массивы горных пород с прочностью на одноосное сжатие до 120 МПа с высокой селекцией тонких слоев без предварительной буровзрывной или механической подготовки к выемке. Глубина фрезерования горных комбайнов в зависимости от модели составляет 0–830 мм [8].

Производительность комбайнов Wirtgen Surface Miner при безвзрывной разработке во многом определяется конкретными горнотехническими условиями, а именно состоянием массива (трещиноватость, крупность отдельностей, структура), а также прочностью, вязкостью и абразивностью пород, слагающих массив. Так как указанные параметры индивидуальны для каждого участка добычи, производительность может варьироваться.

Безвзрывная технология разработки с применением горных комбайнов Wirtgen имеет следующие преимущества:

1. Выемка угля и вмещающих пород выполняется одной машиной.

2. Выемка, дробление и погрузка осуществляется одной машиной за одну рабочую операцию.

3. За счет отказа от ряда традиционных для горного производства процессов (бурение, зарядка скважин, взрывание, крупное и среднее дробление) снижаются как капитальные так эксплуатационные затраты;

3. За счет уменьшения количества операций в технологической цепочке, снижается потребность в производственном и обслуживающем персонале, упрощается процесс планирования и контроля горных работ, повышается его эффективность.

4. Возможна селективная послойная выемка даже тонких пластов мощностью менее 20 см. Точно отделение угля от пропластков пустой породы, значительно повышает качество добытого угля и снижает потери полезного ископаемого. Получаемый при выемке фракционный состав сырья позволяет отказаться от последующего крупного и частично среднего дробления.

5. Добытый и дробленый уголь, минуя обогатительную фабрику, можно из разреза отгружать клиенту, что позволяет снизить затраты на обогащение и транспортировку.

6. Более низкие транспортные расходы обеспечиваются также за счет более мягкой погрузки дробленого материала в кузов самосвала и формирования ровной поверхности транспортных путей.

7. Снижается негативное влияние горного производства на окружающую среду и повышается безопасность.

8. Снижаются потери запасов месторождения не только ввиду меньшего разубоживания по сравнению с буровзрывными работами, но и поскольку добыча возможна на участках, где взрывные работы запрещены.

9. Возможно формирование более крутых и устойчивых откосов уступов, чем при классической технологии горного производства с применением буровзрывных работ.

С учетом горно-геологических условий и свойств горных пород Эльгинского месторождения сотрудниками фирмы Wirtgen GmbH произведен расчет технико-экономических показателей выемки угля и пропластков пустых пород с использованием горных комбайнов Wirtgen 2500, Wirtgen 4200SM с погрузкой в 130 тонные автосамосвалы. Технические характеристики комбайнов показаны в табл. 1.Технические характеристики комбайнов Виртген

Предварительные расчеты показали, что более эффективным для разработки угля и породных прослоев на Эльгинском месторождении является Wirtgen 4200SM.

По результатам расчетов часовая эксплуатационная производительность комбайна Wirtgen 4200SM с учетом времени на погрузку и замену самосвалов составила: по углю – 2030 т, по породным прослоям – 763 т.

Производительность машины по вскрышным породам колеблется в пределах от 159 м3/ч по песчаникам мелкозернистым до 279 м3/ч по алевролитам.

Определено, что себестоимость разработки горными комбайнами Wirtgen с учетом годовых капитальных и операционных затрат за тонну по углю и по породным прослоям при разработке сложноструктурного пласта на 30% меньше чем при существующем способе добычи. При этом полученная себестоимость не учитывает дополнительную экономию при обогащении и транспортировке угля и пустых пород. Расчеты по выемке вскрышных пород горными комбайнами показали, что в зависимости от типов пород себестоимость их добычи за м3, как минимум на в 1,5 раза выше, чем при существующей технологии.

Согласно геологическим данным угольные пласты У5, У4, Н15 и Н16 сложноструктурные, уголь перемежается с породными прослоями. На долю породных прослоев приходится:

Н15 – 13,7%; Н16 – 5,9%; У4 – 11,9%, У5 – 9,6% (средняя 10%) с диапазоном изменений по мощности: Н15 – от 0,1 до 1,7 м; Н16 – от 0,05 до 2, 15 м; У4 – от 0,05 до 3,4 м; У5 – от 0,1 до 2,6 м. Эти пласты требуют селективной отработки.

Для сопоставимого сравнения безвзрывной технологии, на базе горных комбайнов, с цикличной технологией определенной в проекте на разработку месторождения и применяемой в настоящее время, выполнены технико-экономические расчеты для Западного участка первоочередной отработки с годовым объемом добычи 9 млн т угля и 33,1 млн м3 вскрышных пород.

Произведен расчет производительности, количества оборудования, капитальных и операционных затрат, себестоимости разработки для безвзрывной технологии на базе комбайнов типа Wirtgen 4200SM в комплексе с 130 тонными автосамосвалами и выполнено сравнение с этими показателями при цикличной технологии, определенными в действующем проекте.

Вскрышные породы междупластий угольных пластов Н15, Н15в и Н16 отрабатываются по бестранспортной системе разработки с использованием экскаваторов-драглайнов ЭШ-20/90 и размещением вскрыши в собственном выработанном пространстве.

Вскрышные породы над пластом Н16 и выше отрабатываются по транспортной системе с использованием электрогидравлических экскаваторов РС-5500 (вместимость ковша 28,0 м3) в комплекте с автосамосвалами БелАЗ-75306 грузоподъемностью 220 т, а также дизель-гидравлических экскаваторов РС-2000 и РС-1250 в комплекте с автосамосвалами БелАЗ-75130 и БелАЗ-7555В, соответственно.

Добычные работы осуществляются по транспортной системе разработки с использованием дизель-гидравлических экскаваторов РС-2000 и РС-1250 (вместимость ковша 11,0 и 6,7 м3, соответственно) в комплекте с автосамосвалами БелАЗ-75138 и БелАЗ-7555D. Отработка угольных пластов мощностью менее 3,0 м осуществляется без буровзрывной подготовки к выемке экскаваторами РС-1250 [9].

На основании расчетных показателей производительности и себестоимости для комбайна Wirtgen 4200SM по углю и породным прослоям, определенных сотрудниками компании «Wirtgen» рассчитаны показатели производительности и себестоимости для сложноструктурного угольного пласта с учетом наличия в нем прослоев в объеме 10%. При этом предусмотрена раздельная выемка угля и породных прослоев.

Данные расчетов приведены в табл. 2.Таблица 2 Результаты расчетов производительности оборудования при различных технологических вариантах

По проведенным расчетам средняя эксплуатационная производительность Wirtgen 4200SM при разработке сложноструктурных угольных пластов составила 1900 т/ч, что превышает производительность гидравлических экскаваторов РС-2000 в 2,1 раза и РС-1250 в 3,2 раза, при этом себестоимость добычи в 1,3 раза меньше.

По вскрышным породам средняя эксплуатационная производительность рассматриваемых комбайнов составила 229 м3/ч, что меньше эксплуатационной производительности применяемых экскаваторов РС-5500 и ЭШ 20/90 в 3,1 и 1,4 раза соответственно. При этом себестоимость разработ- ки вскрышных пород комбайнами Wirtgen 4200SM в 2,2 раза больше чем при цикличной технологии.Из проведенного анализа следует, что применение рассматриваемых комбайнов на вскрышных работах не эффективно.

В связи с ограниченными возможностями, гидравлические экскаваторы РС-2000 и РС-1250 не могут обеспечить селективную выемку ни породных прослоев, ни тонких угольных пластов, что приводит к валовой отработке сложноструктурных угольных пластов или отработке их с небольшой глубиной селекции. Вследствие чего увеличивается зольность угля, а это в свою очередь снижает его стоимость и приводит к дополнительным затратам при транспортировке и обогащении.

Так, например, в договорах ОАО СУЭК (Сибирская угольная энергетическая компания) прямо прописан пункт, где говорится, что при снижении зольности на 1% стоимость угля увеличивается на 1,3%. Также подсчитано, что при снижении зольности кокса на 1% расход его в доменной печи уменьшается на 1,5–2,5% [10].

Ранее в Институте горного дела Севера произведена оценка изменения качественных показателей углей при селективной отработке сложноструктурных пластов Н15, Н15 в на первоочередном участке Эльгинского месторождения горными комбайнами КСМ-2000Р. В результате исследований установлено, что в зависимости от параметров вынимаемого слоя разубоживание угля снизится в 1,8–6,5 раза, а зольность угля уменьшится на 1,3–2,5% по сравнению с валовой разработкой [11].

Таким образом, применение комбайнов Wirtgen 4200SM при селективной отработке сложноструктурных угольных пластов Эльгинского месторождения позволит не только снизить, примерно на 30%, себестоимость выемки, но и уменьшить зольность, т.е. значительно повысить качественные показатели добычи углей. Т.к. горные комбайны Wirtgen обеспечивают выемку даже очень тонких пластов со значительно меньшим разубоживанием по сравнению с технологией с предварительным разрыхлением массива взрывом, это позволит существенно снизить потери полезного ископаемого.

За счёт селективной выемки угля возможно достичь снижения затрат на обогащение, а также транспортировку угля до обогатительной фабрики и хвостов от обогатительной фабрики до отвала.

Минимизация негативного воздействия на окружающую среду и снижение количества простоев карьера из-за загазованности после массовых взрывов, также является большим преимуществом безвзрывной технологии добычи горными комбайнами Wirtgen.

Ключевые слова: угольные пласты, разубоживание, вскрышные породы, селективная отработка, производительность, зольность, фрезерные комбайны, себестоимость

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Отчет о результатах детальной разведки Северо-Западного участка Эльгинского каменноугольного месторождения в Токинском районе Южно-Якутского бассейна за 1991– 1996 гг.: в 3-х т. Т. 1. Кн. 2.

2. Пихлер, М. Ввод в эксплуатацию карьерного комбайна Wirtgen surface miner 2200SM на карьере Дубовецкого месторождения известняка ОАО «Иванофранковскцемент» / М. Пихлер, Я.Н. Возняк, Ю.Б. Панкевич, М.Ю. Панкевич // Горная промышленность. 2012. №2. С. 107–109.

3. Ordin, A.A. EVALUTION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS FORAPATITE EXTRACTION BY SURFACE MINERS / A.A. Ordin, E.E. Schwabenland // Journal of Mining Science, 2016. T. 52. 2. С. 293–299.

4. Чебан, А.Ю. Техника и технология разработки месторождений цементного сырья на Дальнем Востоке и перспективы их развития / А.Ю. Чебан, Н.П. Хрунина // Системы. Методы. Технологии. 2014. 1 (21). С. 131–135.

5. Ложников, А.В. Перспективы применения безвзрывных способов разработки крепких горных пород на карьерах / А.В. Ложников 2015. Вип. 1 (90). Частина 2.

6. Mattis, A.R., Choice of the hard rock surface mining machinery in Russia/ A.R. Mattis, V. I. Cheskidov, V.N. Labutin. // Journal of mining science C/C of fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh. 2012. 48, 2; 329–338.

7. Смагин, В.П. Анализ использования комбайна WIRTGEN 2200SM при разработке сложноструктурных пластов на разрезе «Черемховский» / В.П. Смагин, П.В. Федорко, Н.П. Федорко // Горная промышленность. 2015. 2. С. 74–76.

8. Мировая горная промышленность 2004-2005: история, достижения, перспективы. М.: Н.Т.Ц. «Горное дело, 2005. 376 с.

9. Эльгинский горно-обогатительный комплекс. I очередь строительства «Сведения об инженерном оборудовании, о сетях инженерно-технического обеспечения, перечень инженернотехнических мероприятий, содержание технических решений»: проектная документация. Подраздел 7: Техн. решения. Кн. 1: Горнотранспортная часть (разрез «Эльгинский») / Мечел-Инжиниринг» ОАО ХК «Якутуголь». Нерюнгри, 2010. 150 с.

10. Ефремов, Э.И. Оценка экономической эффективности освоения угольных ресурсов Якутии. Якутск: изд-во ЯНЦ СО РАН, 1993. С.69.

11. Ермаков, С.А. Оценка эффективности селективной разработки сложноструктурных пластов Эльгинского месторождения / С.А. Ермаков, Д.В. Хосоев // Горная Промышленность. 2018. №2. С. 84–85.

Журнал "Горная Промышленность" №6 (142) 2018, стр. 77