Качественные и количественные параметры шахт

Угольная шахта как любая технологическая система характеризуется комплексом качественных и количественных параметров (характеристик).

Качественные параметры указывают на конструктивные, организационные и технические стороны технологии разработки п/и.

K качественным параметрам шахты относят схему и способ вскрытия, схемы подготовки, вентиляции и транспорта, систему разработки и средства механизации производственных процессов, порядок отработки пластов, выемочных участков и др.

Характерной особенностью для качественных параметров шахты является их дискретная определенность. Переход от одного качественного параметра к другому происходит дискретно (прерывно) и в целом.

Качественные параметры, как правило, не имеют натуральной размерности. Их выбор носит альтернативный, взаимоисключающий характер. B зависимости от того, применяют или не применяют соответствующий качественный параметр в варианте технологической схемы разработки, ему можно придать значение 1 или 0. Совокупность качественных параметров шахты можно объединить в дискретное множество {Х_кач._д}.

Рис. 3.1. Блок-схема качественных параметров шахт

Отдельную группу качественных и количественных характеристик шахты представляют природные характеристики горно-геологических условий месторождения: конфигурация месторождения или шахтного поля и его размеры; пространственное расположение угольных пластов свиты в шахтном поле и число угольных пластов; распределение запасов в шахтном поле и их объем; гипсометрия угольных пластов и их мощность; углы падения, газоносность, крепость, устойчивость пород почвы и кровли пластов и их крепость, характер покрывающих запасы пород и глубина залегания пластов и т.д.

Природные характеристики не являются постоянными в шахтном поле. Их изменчивость носит случайный характер вследствие специфической формы получения знания о них с помощью геологической разведки.

Одни характеристики изменяются дискретно (число пластов в свите, конфигурация шахтного поля), другие - непрерывно (газоносность, углы падения пластов и др.). Изменения горно-геологических характеристик шахты непосредственно связаны с пространственным местонахождением запасов, а также со степенью их изученности и только через посредство этого - со временем.

Совокупность сведений о качественных и количественных природных характеристиках шахты можно объединить дискретным { Х_ш.кач.д } и непрерывным { Х_ш.кол.н } множествами.

Количественные параметры шахты характеризуют шахту, производственные процессы, технологическую схему шахты, горно-геологические и горнотехнические условия с количественной стороны, они имеют количественную меру измерения. К ним относят мощность шахты, нагрузка на очистной забой, размеры панелей, этажей, горизонтов, длина лавы, число очистных забоев в одновременной работе в панели, на угольном пласте, в крыле шахтного поля, число панелей или блоков в шахтном поле и т.д.

Одни количественные параметры могут изменяться непрерывно (длина лавы, нагрузка на очистной забой, размеры панелей, блоков, горизонтов и др.), другие - дискретно (число блоков в шахтном поле, горизонтов, очистных забоев в одновременной работе). Количественные параметры, изменяющиеся непрерывно, условно можно объединить множеством { Х_кол._м }, а параметры, изменяющиеся дискретно, - множеством { Х_{кол д} } .

Рис. 3.2. Блок-схема количественных параметров шахт

Объединение множеств изменяющихся качественных и количественных параметров шахты (рис. 3.1 и 3.2) порождает некоторое множество возможных вариантов технологии, технологической схемы шахты:

{ R } = { Х_кач.д } V{ Х_{кол н} }V { Х_{кол д} },

где V - логический знак, обозначающий операцию дизъюнкции, т.е. логического сложения элементов, вместе или порознь определяющих результат (множество вариантов).

Как качественные, так и количественные параметры взаимообусловливают друг друга. Их взаимосвязь носит технологический, пространственный, производственный или экономический характер.

Пример. Мощность шахты связана с числом действующих очистных забоев и нагрузкой на очистной забой, размеры блоков по простиранию - с числом их в шахтном поле, система разработки столбами по восстанию - падению связана с погоризонтной схемой подготовки и т.д. При этом некоторые значения количественных параметров оказываются возможными лишь при наличии определенных качественных параметров.

Динамика изменения качественных и количественных параметров шахт

Качественные, и количественные параметры шахты не остаются постоянными во времени. Темпы изменения параметров действующих шахт, естественно, не одинаковы, они специфичны для каждого параметра.

Обновление качественных параметров происходит медленнее, количественных - быстрее. Это касается прежде всего общешахтных элементов технологической схемы (вскрытие, подготовка, схемы транспорта, вентиляции). Дело в том, что реализация принимаемых проектных решений этих элементов технологической схемы связана с весьма значительными затратами, которые не позволяют легко отказываться от ранее принятых и уже реализованных решений, изменять их.

Тем не менее даже такие элементы технологической схемы шахты, как схемы вскрытия, подготовки, транспорта и вентиляции, пересмотр которых требует больших затрат, не остаются неизменными.

Пример. Ha одних шахтах заменили рельсовый вид транспорта на конвейерный, на других - этажную схему подготовки сменили панельной, на третьих - прошли новые стволы, оборудовали новые подъемы и т.д.

Изучение сроков эффективного использования, т.е. " долгожития" проектных решений по основным элементам технологической схемы шахт показывает, что обоснованно принятые схемы вскрытия, подготовки и подъема обычно не сдерживают эффективную работу шахты и не пересматриваются в течение 15 - 20 лет.

Анализ эксплуатации средств механизации очистных и подготовительных работ, элементов систем разработки на действующих шахтах или принимаемых в проектах показывает, что эти параметры изменяются быстрее. Долгожитие этих более динамичных параметров технологии составляет 5-7 лет.

Весьма заметны темпы изменения на шахтах количественных параметров:

• динамики производительности (мощности) шахты,
• нагрузки на очистной забой,
• длины лавы,
• скорости подвигания очистных забоев,
• размеров блоков, выемочных участков, панелей, высоты горизонтов, поперечных сечений горных выработок.

Нельзя не учитывать при этом сдерживающего влияния установленных возможностей технологических узлов на действующих шахтах.

Пример. Рост производительности действующей шахты может сдерживаться производительностью транспортной системы или подъема, системы проветривания и др.

B результате, несмотря на имеющиеся возможности очистных забоев увеличить добычу по шахте, на других производственных процессах возникают " узкие места", затрудняющие повышенную выдачу угля. Тем не менее в результате специальных мероприятий, в том числе коренной реконструкции шахт, такие ограничения в определенной мере снимаются.

Анализ количественных параметров в отдельных технологических звеньях шахт на протяжении последних 15 - 20 лет в России, Китае, Украине и Германии свидетельствует об их непрерывном росте. За 15 лет нагрузки на очистные забои, главные транспортные магистрали, вентиляционные магистрали и производительность добычных горизонтов и шахт в целом увеличиваются (в общем случае - изменяются) на 30 - 50 %, т.е. перекрывают принятые нормы резервирования проектных решений.

Тенденция роста уровня почти всех количественных параметров характерна и для проектов новых, и реконструируемых шахт. Этот факт говорит о том, что проектировщики учитывают перспективное изменение количественных параметров на действующих шахтах. Однако надежность принимаемого в проектах уровня параметров невысока, а прогрессивность недостаточна.

Основные количественные параметры в решающей степени предопределяют выбор схемных решений по технологии, а также параметры стационарных технологических узлов шахты, машин и установок. Поэтому " моральное старение" основных количественных параметров шахты влечет за собой необходимость пересмотра многих решений, переоборудования и реконструкции технологических узлов, тем более, что соответствующие этим узлам средства механизации имеют не меньшие темпы совершенствования.В проектах шахт необходимо закладывать прогрессивные качественные параметры и значения количественных параметров. Для этого проектирование шахт требует поэтапного подхода с прогнозированием изменения качественных и количественных параметров.

Поэтапность проектирования угольных шахт

Практика проектирования шахт базируется на представлениях о статичности (неподвижность) параметров шахты в течение всего срока службы. " Узкие места" могут быть следствием статичности параметров многих технологических узлов и звеньев шахты (производительность подъема, вентиляторов, пропускная способность околоствольного двора, технологического комплекса на поверхности, длина выемочных участков, величина запасов горизонта и др.). Вероятность проявления противоречий между возможностями различных технологических узлов на шахте вследствие статичности их параметров тем выше, чем на более длительный период эксплуатации их предусматривают. Между тем наряду со значительными производственной сложностью, масштабами и хозяйственной ролью угольную шахту отличает весьма длительный срок службы. Большая часть шахт существует, включая проектирование и строительство, свыше 30 - 80 лет.

Под этапом проектирования следует понимать период времени, в течение которого вырабатывают определенную, достаточно большую часть шахтного поля, имеющую пространственные естественные или условные границы.

Наибольшей статичностью отличаются параметры схемы вскрытия и подготовки, технологического комплекса на поверхности, подъема, схемы вентиляции и общешахтного транспорта.

Пример. При некоторых схемах вскрытия вертикальными стволами предполагают полностью отрабатывать запасы шахтного поля при выдаче угля по главному стволу, оборудованному одной и той же подъемной установкой, используя одну и ту же схему вентиляции, один и тот же технологический комплекс на поверхности и т.д. B такое же противоречие приходят значения количественных параметров, несмотря на непрерывную возможность их роста.

Корректирование параметров еще до ввода шахты в эксплуатацию, а также периодические реконструкции шахт частично являются отражением указанных противоречий, отражением изменения этих параметров на действующих шахтах.

Пример. В Кузбассе, Донбассе и Kитае магистральные выработки шахт, срок службы которых превышает 5 - 10 лет, подвергают неоднократному расширению (в 1, 5 - 2 раза по сравнению с начальными проектными сечениями), заменяют стационарные средства транспорта с изменением параметров горных выработок или проведением новых.

При проектировании необходимо стремиться к образованию такого механизма развития шахты, при котором основные параметры поддерживаются в границах производственных и экономических пропорций, изменяющихся во времени.

Особенностью такого развития шахты является непрерывно-дискретный характер изменения проектных параметров. Сама природа основных качественных и количественных параметров шахты объясняет эту особенность. Схемы транспорта и вентиляции, технологический комплекс на поверхности не могут непрерывно изменяться. Смена этих качественных параметров происходит, во-первых, не часто, во-вторых, дискретно. Даже переход от сплошной системы на столбовую занимает два-три года и более.

Часто увеличение количественных параметров шахт ограничивается качественными параметрами (схемами подготовки, вентиляции, транспорта и пр.). Таким образом, и количественные параметры шахты с позиции длительного времени могут существенно изменяться лишь дискретно, поэтапно.

Определение интервала времени, в пределах которого качественные и количественные параметрышахты могут оставаться неизменными, экономически эффективными, является важным исходным моментом поэтапного проектирования. Данный интервал может быть принят за длительность этапа проектирования Т _э.п. Несомненно, что факторами, определяющими этап проектирования, следует считать длительность эффективной эксплуатации основных проектных решений на действующих шахтах, с одной стороны, и время, на которое можно распространять имеющуюся проектную информацию, т.е. глубину прогнозирования будущего развития шахты Т _пг, - с другой.

При увеличении глубины прогноза и этапа проектирования (до 10, 15, 20, 25, 30 лет) степень достоверности любых представлений о будущем, в том числе и о технологии шахты в будущем, снижается. Специалисты по прогнозированию принимают глубину прогнозирования технологических данных, считая от разработки проекта до " завершения" периода эффективной эксплуатации, использования прогнозируемого явления, параметра, элемента, в пределах 15 - 20 лет. Частные закономерности, параметры и элементы технологии, отличающиеся сравнительно небольшим " долгожитием", прогнозируются на 5 - 10 лет.

Фактическая продолжительность эффективной эксплуатации реализуемых в соответствии с проектными решениями мероприятий Т _э.э, т.е. " долгожитие" элементов технологической схемы, определяют по формуле

Т _{э.э =} Т _в - Т _пр.р, год

где Т _в - время выбытия из эксплуатации конкретного технологического звена, технического средства, технологической схемы на данной шахте, годы; Т _пр.р - время принятия проектного решения, предусматривающего реализацию при строительстве, реконструкции или текущем развитии шахты, а также эксплуатацию соответствующего варианта технологической схемы и ее элементов, точнее время начала практической эксплуатации соответствующего проектного решения на данной шахте, год.

Затем вычисляют средние показатели " долгожития" принимаемых и реализуемых проектных решений, мероприятий, элементов технологических схем, технических средств механизации и т.д.

Как показали расчеты, " долгожитие" основных элементов схем вскрытия, подготовки и вентиляции (вентиляторная установка, генеральная схема горных выработок), технологического комплекса на поверхности, схемы транспорта (общая компоновка транспортных магистралей шахты) Т _д.осн составляет в среднем 15 - 20 лет.

C учетом обоснованной глубины прогнозирования Т _пг фактического " долгожития" базовых элементов технологии шахты Т _д.осн принимают окончательную длительность этапа проектирования:

10 лет < T _{э.п =} f (Т _пг, Т _д.осн) < 20 лет

Установленная длительность этапа проектирования касается большинства проектных решений строящейся или реконструируемой шахты. Вместе с тем в проекте приходится принимать решения, " долгожитие" которых должно быть заведомо большим (установление границ шахтного поля, выбор местоположения технологического комплекса на поверхности, транспортных коммуникаций на поверхности).

Для проектирования предприятий в конкретных горно-геологических условиях временная определенность этапа должна получить определенность пространственную и организационную. Под этим подразумевают запасы полезного ископаемого, разрабатываемые в пределах этапа, число пластов и их пространственные характеристики, геометризацию раскройки шахтного поля, порядок его разработки и пр. В противном случае невозможно начинать проектирование шахты.

Каждому этапу в развитии шахты должна соответствовать некоторая часть шахтного поля, ограниченная естественными или условными границами: группами пластов, отдельными пластами, горизонтами, блоками, панелями, этажами.

Таким образом, под этапом проектирования следует понимать период времени, в течение которого вырабатывают определенную, достаточно большую часть шахтного поля, имеющую пространственные естественные или условные границы.

Предварительно первый этап в развитии шахты представляют частью шахтного поля с объемом промышленных запасов:

Z _пр.э.п = A _ш.г T _э.п

Установление объема промышленных запасов, отрабатываемых на первом этапе развития шахты, позволяет наметить к разработке угольные пласты с соответствующими условиями залегания. Подобным образом с большей условностью можно определить часть шахтного поля для второго и третьего этапов. Вместе с тем отнесение к тому или иному этапу конкретных угольных пластов дает возможность наметить основные проектные решения, определяющие технологическую схему шахты.

Предпочтение необходимо отдавать таким геометрическим формам технологических схем шахт, таким конструктивным решениям, которые в наибольшей степени обладают динамической управляемостью с наименьшими затратами средств и времени.

B связи с многовариантностью проектных решений по каждому производственному процессу пространственная определенность этапа и развития шахты представляется многовариантной.

Метод поэтапного проектирования предусматри­вает конструирование технологии угольной шахты как развиваю­щейся системы с оптимальным управлением в течение всего срока службы.

Идея создания данного метода проектирования заключает­ся в возможности выбора наилучших сочетаний основных техноло­гических параметров угольной шахты, которые характеризовали бы поведение системы в будущем, а более конкретно - в течение неко­торых научно обоснованных этапов жизни угольного предприятия в условиях влияния постоянно изменяющихся природных, технологи­ческих и экономических факторов.

Особенности по­этапного проектирования заключаются прежде всего в том, что ус­тановленные параметры шахты не считают обязательными на весь срок существования предприятия, обоснование параметров осуще­ствляют в единстве технологических задач каждого отдельного эта­па и развития шахты в целом за весь срок службы, а также в един­стве технологических задач каждого отдельного этапа за весь срок службы шахты, обоснование и обновление параметров шахты на каж­дом этапе выполняют на базе прогрессивных (с точки зрения данного этапа) тенденций развития техники, технологии и организации про­изводства на шахтах, хозяйственных потребностей страны и т.д.

Обновлениешахтного фонда

Поэтапный подход к проектированию и развитию каждой шах­ты существенно меняет практику обновления шахтного фонда страны. Так же, как и отдельная шахта, в течение некоторого вре­мени не остается неизменным и шахтный фонд государств. Наблюда­ются изменения качественные и количественные, происходят гео­графические сдвиги в размещении отдельных предприятий, вовле­каются в эксплуатацию новые, часто худшие в горно-геологичес­ком отношении месторождения и части шахтных полей.

Основной путь развития шахтного фонда страны - это путь периодического для отдельной шахты и непрерывного для шахт­ного фонда в целом обновления посредством проведения капи­тальных мероприятий и работ. На будущее намечают программу широкого и глубокого обновления шахтного фонда прежде всего в форме реконструкции шахт перспективных, а также закрытия (консервации) шахт убыточных.

Новое строительство шахт, так и реконструкция подчинены общей цели - рациональному размещению угледобывающих мощностей.

Шахтный фонд изменяется в целом в зависимости от изменения отдельной шахты. Каждая вновь вводимая шахта является объектом практического примене­ния прогрессивных технологических решений и техники, органи­зационных форм ведения процессов и, естественно, вносит замет­ную долю в общий производственно-технический уровень шахтно­го фонда.

Пример. Введение в эксплуатацию ш. «Покровская» (1974 г.) подтверждает собой реальность запроектиро­ванной высокой концентрации горных работ, блочной структуры шахтного поля и сек­ционной схемы вентиляции, широкого применения механизиро­ванных очистных комплексов и конвейерного транспорта и т.д.

Многовариантность решений при проектировании шахт

Шахта как действующее горное предприятие представляет собой совокупность многих взаимосвязанных производственных процессов и операций, осуществляемых с помощью машин и механизмов по определенной технологической схеме.

Общую схему сопряжения производственных процессов в едином непрерывном взаимодействии посредством горных выработок и средств механизации можно определить как технологическую схему шахты (качественный параметр шахты).

Основными ее элементами являются (рис. 4):

Ø вскрывающие и подготавливающие горные выработки;

Ø околоствольные дворы;

Ø насосные, трансформаторные и другие камеры;

Ø транспортные и вентиляционные выработки;

Ø машины, установки и механизмы.

Основными формирующими решениями в конкретных горно-геологических условиях, которые обеспечивают своеобразие варианта технологической схемы, можно считать способ и схему вскрытия, способ и схему подготовки, систему разработки и схему вентиля­ции, а также вид средств механизации общешахтных производст­венных процессов.

Горная наука и практика разработки месторождений, развитие горной техники в настоящее время дают достаточный простор в части применения тех или иных способов, схем вскрытия и подго­товки, систем разработки и средств механизации производствен­ных процессов. Поэтому в любых горно-геологических условиях всегда имеется возможность рассмотрения достаточно большого множества вариантов и подвариантов технологических схем раз­работки, для того чтобы использовать наиболее прогрессивную и экономичную схему.

Разработка вариантов технологических схем, следовательно, сводится к составлению качественно отличных комбинаций: способ и схема вскрытия - способ и схема подготовки - схема вентиляции - схемы транспорта и подъема - в сумме представляющих собой некоторое множество.

Множество вариантов технологических цепочек, качественно различающихся на каком-либо элементе, можно назвать множеством расчетных вариантов. Это множество расчетных вариантов технологических схем шахты удобно представить в форме блок-схем (рис. 5), обеспечивающих наглядность.

Кроме того, подобные блок-схемы упорядочивают множество конкурирующих вариантов, повышают объективность совместного и комплексного их сравнения.

Рис. 5. Блок схема формирования расчетных вариантов

При выборе способа и схем вскрытия и подготовки, системы раз­работки маловероятны случаи, когда можно ограничиться одним вариантом решений. Неодновариантность решений на одном элементе технологической схемы (уровне блок-схемы), как правило, влечет за собой неодновариантность решений и на другом.

Пример. Отработка шахтного поля блоками предполагает свой вариант вскрытия по сравнению с отработкой без деления на бло­ки. В свою очередь, способ вскрытия шахтного поля вертикаль­ными стволами предполагает свои способы отработки шахтного поля по глубине и вскрытия угольных пластов по сравнению со способом вскрытия наклонными стволами. Конструирование како­го-либо варианта схемы вскрытия (центральная, фланговая и от­несенная) намечает тот или иной вариант схем вентиляции, тран­спорта, технологического комплекса на поверхности и т.д.

В общем случае множество расчетных вариантов N_р.в., является функцией числа вариантов на каждом элементе технологической схемы:

N_р.в. = Р(Х₀; Х₁; Х₂;...; Х_п),

где Хо - множество независимых переменных, характеризующих горно-геологические условия угольных пластов или части место­рождения; X₁ - множествокачественных решений по делению и отработке шахтного поля; Х_г - множество качественных решений по вскрытию шахтного поля; Х„ - множество качественных реше­ний по n-ому элементу технологической схемы или производст­венному процессу.

Применяя 5-10 вариантов вскрытия шахтного поля, 3-5 вариантов схем и способов подготовки, 3-5 вариантов систем отработки выемочных участков, 3-4 схемы проветривания, 2-3 схемы транспорта, 2-3 варианта схемы подъема и технологиче­ского комплекса на поверхности и т.д., можно получить 5-15 тыс. вариантов технологических схем шахты.

Выбор наиболее удачного из них, с эконо­мической точки зрения, потребует рассмотрения всех вариантов. Не сопоставляя их между собой в технико-экономическом плане, мы не сможем с уверенностью утверждать, что рекомендуемый в проекте вариант лучший.

Из этого следует, что многовариантность решений проек­та строительства и реконструкции (развития) шахты порождает проблему оптимального выбора, т.е. проблему оптимальности.

Прогнозирование при проектировании шахт

Реализация идеи создания проекта развивающейся шахты требует непрерывного прогнозирования развития техники и технологии добычи угля, его потребления и экономической ситуации на период всего срока работы шахты на данном месторождении. Проектирование шахт связано с предвидением развития шахты на различные сроки в будущем, а, следовательно, требует прогнозирования на различную глубину.

Основные задачи прогнозирования:

Ø Прогнозирование и оценка горно-геологических характеристик месторождения или участка в пределах шахтного поля;

Ø Прогнозирование качественных параметров технологии разработки;

Ø Прогнозирование средств механизации производственных процессов и параметров оборудования;

Ø Прогнозирование количественных параметров шахты, стоимостных и технико-экономических показателей;

Ø Прогнозирование социальных условий работы шахт.

Логическую запись прогнозных умозаключений можно представить

{T3 Ω ИГ Ω ФП} → ПР