В регионах с суровыми природно-климатическими условиями энергообеспечение является важным аспектом в развитии производительных сил, обеспечении населения и экономики в целом. При этом углеводородное сырье не всегда доступно в транспортном отношении, а также отличается относительной дороговизной по отношению к углю. В связи с этим развитие технологии добычи угля, расширение ее возможностей, снижение себестоимости с одновременным уменьшением потерь при осложнении горно-геологических условий месторождений является актуальной проблемой.
Одним из наиболее перспективных месторождений на Северо-Востоке России является Эльгинское каменноугольное месторождение, характеризующееся весьма сложными горно-геологическими и горнотехническими условиями эксплуатации и рядом специфических особенностей, таких как суровые климатические условия, наличие многолетнемерзлых пород, весьма пересеченный ландшафт поверхности с перепадами более 300 м, тектоническими нарушениями пластов, наличием многочисленных расщепляющихся пластов и прослоев пород различной мощности.
Эльгинское каменноугольное месторождение располагается в центральной части Токинского района, к западу от озера Б. Токо, вблизи границ Амурской области и Хабаровского края. Границы месторождения установлены с учетом естественных границ по элементам гидросети, геоморфологии и геолого-структурных особенностей площади, оно находится в Южно-Якутском регионе с запасами более 3,75 млрд т коксующихся и энергетических углей, из которых более 50 % пригодны для открытой добычи. Месторождение имеет в общем количестве 16 угольных пластов (выявлено 13 угольных пластов рабочей мощности и 3 отщепившиеся от них пачки – У5в, У5н, Н15в), которые можно разделить на две группы. К первой группе относятся верхние угольные пласты малой мощности, начиная с У19, У18, У17, У14, У13, У12, У8, У6, У5в, У5н, Н15в, значение мощности большинства этих пластов находится в пределах 1,17-2,84 м. Ко второй группе относятся нижние угольные пласты большой мощности – У20, У5, У4, Н16, Н15, их мощность в основном составляет 7,49-9,81 м (пласт 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. Средние расстояния между основными пластами колеблются от 20-25 до 50-70 м [1].
Из них в отработке будет находиться 13 угольных пластов (16 – с учетом расщепления пластов Н15 и У5 на самостоятельные пачки) мощностью 56,8 м по сумме чистых угольных пачек. Мощность междупластьев (средняя) изменяется от 2 до 78,0 м, общая вскрышная толща достигает 450 м. При этом проектом принята однобортовая продольно-углубочная система разработки с перемещением фронта вскрышных и добычных работ по падению угольных пластов и применением транспортных систем на верхних горизонтах и бестранспортной вскрыши на нижних пластах. При разработке месторождения главной проблемой будет постепенное увеличение коэффициента вскрыши, ограничивающее возможности открытых горных работ. Поэтому необходимо рассмотреть использование интегрированной геотехнологии, предусматривающей варианты транспортной системы на верхних горизонтах, бестранспортную систему до уровня пластов Н15 и Н15в с разработкой подземным способом этих пластов. Применение предложенной интегрированной геотехнологии с использованием комплекса глубокой разработки пластов (КГРП) Н15 и Н15в расширит возможности открытой разработки месторождения и повысит эффективность работ.
Для повышения эффективности разработки такого сложного месторождения необходимо применение комбинированного способа разработки с использованием транспортной и бестранспортной систем при открытой разработке пластов. При этом верхние горизонты будут разрабатываться с применением карьерных экскаваторов в комплексе с автосамосвалами с вывозом пород вскрыши на внешние отвалы согласно проекту. Нижележащие пласты Н15в и Н16 предлагается разрабатывать с применением шагающих экскаваторов с внутренним отвалообразованием с размещением пород вскрыши на кровле нижележащего пласта Н15, которые будут извлекаться с применением КГРП. Применению комплексов глубокой разработки пластов (КГРП) при разработке угольных месторождений посвящен ряд работ как в России, так и за рубежом [2-4]. При выборе оборудования наиболее важными являются мощность пласта, условия залегания угольного пласта, тектоническая характеристика пласта, физико-механические свойства вмещающих пород, ширина межкамерных целиков, состояние мерзлоты. Для условий Эльгинского месторождения наиболее подходящими являются комплексы КГРП и шнекобуровые машины, которые могут применяться для пологопадающих пластов с углом наклона до 15 °.
Технология добычи угля комплексами КГРП, по существу, является разновидностью подземной камерно-столбовой системы разработки с предварительной подготовкой первоначального фронта работ путем вскрытия пласта разрезной траншеей. Таким образом, первоначально открытые горные работы обеспечивают доступ к угольным пластам рабочего органа КГРП подземным способом. При этом пульт управления, силовые агрегаты, гидравлика и другие механизмы комплекса КГРП остаются на поверхности. Это позволяет исключить использование дорогостоящей обводненности пластов, их самовозгораемость и взрывоопасность угольной пыли [5; 6]. В работах определены основные параметры применения КГРП с учетом горно-геологических условий пластов.
В России КГРП при добыче угля наиболее широко применяется на разрезах Кузбасса, что связано со значительными потерями угля на борту карьеров [7; 8]. Суть новой технологии – выбуривание пластов с использованием комплексов глубокой разработки пластов (КГРП), известных на Западе как комплексы SHM (Superior Highwall Miners). Известны такие комплексы у фирм JOY, Аddсаг, SНМ (США), Dieseсо (Нидерланды), Salem ToolInc., Bry Det, CET, CSIRO (Австралия), Mining Technology [9-11]. Из крепи для управления горным давлением. Для обеспечения устойчивости выработок смежные камеры разделяют неизвлекаемыми барьерными целиками или твердеющей закладкой выработанного пространства.
Следует отметить, что в мировой и отечественной практике технология применения КГРП в зоне открытых горных работ отработана и налажена на достаточном уровне, определены оптимальные параметры и режим работы комплекса, а также установлены основные методы управления горным давлением. Использование комплекса КГРП влечет за собой изменение способов вскрытия их параметров по горизонтам, а также системы разработки месторождения в целом, вскрытия и подготовки участков открытых горных работ. В результате совмещения систем открытых и подземных горных работ достигается повышение эффективности добычи угля, снижение его себестоимости и менее затратная рекультивация нарушенной поверхности.
При разработке нижних горизонтов месторождения с внутренним отвалообразованием в условиях многолетней мерзлоты очень важно знать температурный режим массива горных пород, от которого зависит крепость и устойчивость пород вскрыши. Район месторождения Эльгинский находится в Южно-Якутском регионе, в зоне островной мерзлоты, температурный режим которого представлен в работе [12]. С учетом температурного режима многолетнемерзлых горных пород разработан ряд технологий рекультивации нарушенной поверхности при разработке месторождения с внутренним отвалообразованием. Так, известна технология с внутренним отвалообразованием с формированием крупногабаритных блоков из вскрышных пород. Способ предусматривает формирование крупногабаритных блоков одним из известных способов, например буровзрывным, механическим, затем производят вскрышные работы с размещением пород вскрыши в виде крупногабаритных блоков (КГБ) в выработанное пространство. Технология также включает операции проходки первоначальной разрезной траншеи, формирование крупногабаритных блоков. Перемещение вскрышных пород из крупногабаритных блоков во внутренний отвал, извлечение продуктивного пласта и формирование внутреннего отвала. Таким образом, достигается одновременное внутреннее отвалообразование из крупногабаритных блоков.
Другим направлением рекультивации карьерного поля при внутреннем отвалообразовании является заполнение выработанного пространства льдопородным целиком [13]. Идея способа рекультивации в условиях криолитозоны заключается в том, что с целью значительного удешевления и интенсификации работ заполнение выработанного пространства производится льдопородным материалом, производимым на месте. Технология создания льдопородного материала заключается в дождевании воды во внутренний отвал в зимний период, с накрыванием далее теплоизолирующим слоем пород вскрыши, толщиной, обеспечивающей стабильность отрицательной температуры. Такие технологии рекультивации показали эффективность в условиях многолетней мерзлоты, и они вполне могут быть использованы при интегрированной геотехнологии.
Цель работы заключается в обосновании технологии открытой разработки угольных месторождений с применением комплекса КГРП.
Формирование интегрированной геотехнологии
Формирование интегрированной геотехнологии начинается с вскрытия месторождения полутраншеей 1 на восточном борту. При этом первоначально вскрываются пласты Н15, затем Н-15в и Н16, с формированием фронта горных работ. Также полутраншеей вскрывается пласт У4, при этом формируется фронт горных работ карьера в целом. При вскрытии пласта Н15 формируется разрезная траншея для обеспечения фронта работ для комплекса глубокой разработки пласта (КГРП) 2, и после монтажа добычного оборудования начинается извлечение пласта Н15 в два слоя по стандартной технологической схеме. Глубина извлечения пласта может достигать 300 м, управление кровлей предпочтительно осуществлять закладкой выработанного пространства твердеющим материалом или намораживанием льдопородным материалом одним из известных способов [14]. В результате создается фронт работы для подземной геотехнологии с оставлением над кровлей пласта Н15 пород вскрыши между пластами Н15 и Н15в, на который в последующем будут складированы породы вскрыши между пластами Н15в и Н16, а также часть вскрыши над пластом Н16 (рис. 1). В результате породы вскрыши между пластами Н15 и Н15в в объеме 151,273 млн м3 не экскавируются и представляют основу внутреннего отвала шагающего экскаватора.
Рис. 1. Формирование начального фронта интегрированной геотехнологии
Рис. 2. Завершение отработки первого участка
Следующей технологической цепочкой интегрированной геотехнологии является извлечение пластов Н15в и Н16 с использованием карьерного экскаватора и перевалкой шагающим экскаватором пород вскрыши между пластами Н15в и Н16 во внутренний отвал 3, на кровлю пласта Н15, извлекаемого КГРП. После извлечения пласта Н16 его кровля после предварительной взрывной подготовки также шагающим экскаватором переваливается во внутренний отвал 4, уже на сформированный внутренний отвал из междупластья Н15в и Н16. В результате формируется бестранспортная технология разработки месторождения. При этом образуется внутренний отвал, состоящий из кровли пласта Н15, извлеченного КГРП, размещенных на нем пород вскрыши между пластами Н15в и Н16, а также пород вскрыши над кровлей пласта Н16. Выше бестранспортной вскрыши пласта Н16 до пласта У4 и выше используется обычная транспортная система разработки. При этом вскрыша между пластами Н16 и У4 располагается во внутренний отвал 5, образованный шагающим экскаватором из пород вскрыши междупластий нижележащих пластов (рис. 2). В результате значительно сокращается расстояние транспортирования пород вскрыши, что, несомненно, повышает эффективность разработки месторождения.
Таким образом, одновременно будут работать 3 технологии разработки месторождения: по пласту Н15 открыто-подземная технология с использованием КГРП, по пластам Н15в и Н16 бестранспортная технология с внутренним отвалообразованием, выше пласта Н16 транспортная технология с транспортированием пород вскрыши во внутренний отвал, сформированный шагающим экскаватором. При этом должна выдерживаться четкая организация и очередность выполнения работ.
Расстояние между разрезными траншеями равно двойной глубине выемки КГРП, извлечение пласта Н15 осуществляется встречными забоями. В результате месторождение делится на отдельные участки шириной, равной двойной глубине выемки КГРП. В расчетном случае глубина выемки КГРП составляет 300 м, таким образом, ширина участка составит 600 м. Тогда через 600 м от первой разрезной траншеи, когда фронт работы карьера по пластам Н15в и Н16 также пройдут 600 м с кровли пласта Н15 проходят параллельно первой вторую разрезную траншею и одновременно создают встречный фронт работы для КГРП. При этом КГРП после завершения отработки встречного забоя первого участка начинает отработку первой заходки второго участка, одновременно создавая площадку для внутреннего отвалообразования второго участка. В таком порядке разрабатываются все последующие участки месторождения.
Преимущества такой интегрированной технологии заключаются в следующем:
– благодаря использованию КГРП вскрыша междупластья Н15 и Н15в не разрабатывается и не экскавируется, это позволяет сократить объем вскрыши на 151,273 млн м3 по всему месторождению благодаря применению КГРП;
– обеспечивается возможность применения дешевой бестранспортной вскрыши для кровли пластов Н15в и Н16 в объеме 28 млн м3 по всему месторождению;
– благодаря транспортному внутреннему отвалообразованию в выработанное пространство значительно сокращается расстояние транспортирования пород вскрыши между пластами Н16 и У4 (по сравнению с проектным решением). При этом благодаря применению КГРП коэффициент вскрыши может сократиться на 0,076 м3/т;
– интегрированная геотехнология позволяет вести одновременную техническую рекультивацию карьерного поля благодаря использованию транспортной системы разработки с перемещением пород вскрыши во внутренние отвалы, с перекладыванием пород вскрыши нижних пластов во внутренний отвал на кровлю пласта, извлекаемого КГРП шагающими экскаваторами, и сохранением кровли нижнего пласта.
Выводы
1. Эльгинское каменноугольное месторождение имеет весьма сложноструктурное строение, включающее 13 пластов и пропластков с мощностью от 1,3 до 15 м и расчлененных междупластьями мощностью от 3 до 45 м, что вызвало сложную организацию работ и систему разработки.
2. Для эффективной разработки сложноструктурного Эльгинского каменноугольного месторождения необходимо применение интегрированной геотехнологии, включающей открыто-подземную геотехнологию с применением КГРП на самом нижнем горизонте, бестранспортную систему разработки на нижних горизонтах и транспортную систему разработки с внутренним отвалообразованием на верхних горизонтах.
3. Применение интегрированной геотехнологии при разработке Эльгинского месторождения позволит сократить объемы вскрыши на 151,273 млн м3, сократит средний коэффициент вскрыши на 0,076 м3/т.
Библиографическая ссылка
Заровняев Б.Н., Ильин А.А., Шубин Г.В. ИНТЕГРИРОВАННАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 12. – С. 114-119;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37745 (дата обращения: 19.04.2024).