Пример составления экономико-математической модели системы разработки

Прежде чем приступить к составлению модели какой-либо системы разработки, необходимо всесторонне оценить ее технологическую сущность. При этом определяется:

– какие выработки необходимо проводить для нормальной эксплуатации участка;

– место расположения выработок относительно пласта (пластовые или полевые);

– возможность повторного использования выработок;

– способ охраны выработок;

– возможность безремонтного поддержания[26] выработок;

– в каких зонах проявления горного давления будут находиться выработки за весь срок их службы;

– схема транспорта на участке и др.

Только после этого можно приступать к составлению модели системы разработки. Как правило, в качестве критерия (мерила оценки) системы принимаются удельные расходы на 1 т добываемого угля. Поэтому надо определиться, для какой части пласта следует составлять модель: для этажа, яруса или крыла? Для нее и составляется модель затрат, и их следует относить к запасам этой части.

Пример. Составить экономико-математическую модель комбинированной системы разработки лава-ярус с прямоточным проветриванием участка и подсвежающей струей воздуха (рис. 15.6) для крыла яруса.

Решение. Вначале выясняем технологическую сущность системы разработки.

Рисунок 15.6 – К составлению экономико-математической модели комбинированной системы разработки

Для обслуживания участка необходимо соорудить приемную площадку у бремсберга на горизонте транспортного штрека. Поскольку панель двусторонняя, в модели необходимо учесть половину ее стоимости, так как она обслуживает запасы двух крыльев яруса, а модель составляется для одного крыла. Для подготовки столба проводится один транспортный штрек, а в качестве воздухоподающего повторно используется бывший транспортный штрек ранее отработанного яруса[27], который по мере отработки крыла яруса погашается. В качестве вентиляционного используется транспортный штрек, поддерживаемый позади забоя лавы. Для его охраны необходимо возвести бутовую полосу или использовать искусственные сооружения — костры, органку, литую полосу или др.

С точки зрения зон проявления горного давления выемочные выработки характеризуются следующими данными:

― транспортный штрек будет находиться в зоне 1 при подготовке столба и в 1, 2 и 3 при его отработке;

― вентиляционный штрек — в зоне 4;

― воздухоподающий — в зонах 2 и 4.

На участке необходимо пройти разрезную печь, провести монтаж и демонтаж забойного оборудования. Затраты на проведение фланговой вентиляционной сбойки относятся к подготовке шахтного поля и в модели они не учитываются.

Запишем экономико-математическую модель системы разработки в общем виде:

(15.53)

где SK, SR и SG – суммарные затраты соответственно на проведение (сооружение выработок), их поддержание и транспорт угля по ним, грн.; Z_кр – запасы угля в крыле яруса, т;

Используя сведения по математическому моделированию затрат на отдельные виды горных работ, изложенные в разделах 15.3–15.5, и подставив соответствующие модели в формулу (15.53), получим для заданной системы разработки:

(15.55)

где K_пл – стоимость сооружения приемной площадки бремсберга, грн.; n_кр – количество крыльев яруса, обслуживаемых приемной площадкой; k_ш.тр – сто­имость проведения 1 м транспортного штрека, грн.; k_п.р – то же разрезной печи, грн.; K_м-д – стоимость монтажа и демонтажа оборудования лавы, грн.; r_4ш.в.п– стоимость поддержания 1 м в год воздухоподающего штрека в зоне 4, грн.; r_2ш.в.п– стоимость поддержания (перекрепления) 1 м воздухоподающего штрека в зоне 2, грн.[28]

В модели не учтены затраты на очистные работы в лаве. Однако, если в сравниваемых вариантах систем разработки применяется различная технология выемки, то их также следует учитывать.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение понятия "экономико-математическое моделирование". Для каких целей оно применяется в горном деле?

2. Решение каких задач предусматривает экономико-математическое моделирование?

3. Напишите модели затрат на проведение выработок: ствола; штрека; бремсберга; уклона, не пользуясь учебником.

4. Перечислите факторы, которые необходимо учитывать при определении затрат на поддержание выработок.

5. Назовите зоны и изобразите графически их расположение), характерные в отношении поддержания выработок и дайте их характеристику.

6. В каких единицах измеряются затраты на поддержание выработок в различных зонах поддержания?

7. Составьте модель затрат на поддержание среднего вентиляционного штрека в системе разработки, приведенной на рис. 2.5.

8. То же для транспортного штрека с повторным его использованием в качестве вентиляционного при отработке нижележащего яруса.

9. То же для уклона при отработке этажей в восходящем порядке.

10. Составьте экономико-математические модели для систем разработки, представленных на рис. 2.2; 2.6, а; 3.11, б (без учета главных штреков).

Глава 16. КОНСТРУИРОВАНИЕ ВАРИАНТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ

Общие положения

Горно-геологические условия залегания пластов весьма разнообразны, что предопределяет и многообразие встречающихся в практике систем разработки и их разновидностей. С другой стороны, в одних и тех же условиях возможно применение различных вариантов систем разработки пласта. Целесообразность их применения должна обосновываться тщательными технико-экономическими расчетами. Принятая система в техническом отношении должна обеспечивать высокую степень механизации работ и производительность труда, минимальные потери угля, комфортность и безопасность труда, а в экономическом — минимальные затраты на выемку 1 т угля.

Решение задачи выбора рациональной системы разработки является достаточно сложной и трудоемкой задачей и обычно осуществляется с использованием метода вариантов. Оно выполняется поэтапно в такой последовательности (рис. 16.1).

Этап 1. Выбор и конструирование технически приемлемых вариантов систем разработки.

Этап 2. Технологическое проектирование отобранных вариантов систем. Здесь рассчитываются или принимаются основные параметры системы: суточная нагрузка на очистной забой; способ расположения и охраны выработок, тип крепи и площадь их поперечного сечения; оптимальная длина лавы и размер выемочного поля; оптимальное соотношение очистных и подготовительных забоев.

Этап 3. Составление экономико-математических моделей для принятых вариантов систем разработки.

Этап 4. Определение стоимостных параметров, входящих в математические модели.

Этап 5. Расчет критерия целевой функции по вариантам.

Этап 6. Сравнение значений критерия и принятие экономически выгодного варианта системы разработки.

Рисунок 16.1 – Блок-схема решения задачи выбора рациональной системы разработки методом вариантов

16.2. Выбор и конструирование вариантов систем разработки

Большое разнообразие факторов, влияющих на выбор системы разработки, вызывает необходимость системного подхода к решению этой задачи и требует определенных навыков и знаний вопросов, относящихся не только к системам разработки, но и к подготовке пластов, проведению, креплению и охране выработок, механизации очистных работ, транспорту, проветриванию очистных забоев и др. Более того, требуется не просто знание этих вопросов, а умение творчески решать их в конкретных условиях и во взаимосвязи.

Например, на пластах с пучащими почвами не рекомендуется применять столбовые системы разработки. Однако, если очистной забой на таком пласте может обеспечить высокую нагрузку (свыше 1000–1500 т в сутки), то весьма желательна именно столбовая система разработки, в которой очистные и подготовительные работы разделены во времени и пространстве и не оказывают взаимного сдерживающего влияния. В таком случае одним из возможных решений может быть увеличение площади поперечного сечения выемочных выработок с таким расчетом, чтобы за время отработки столба суммарная величина сближения боковых пород не превышала допустимой для сохранения минимально необходимых размеров выработки. Это в ряде случает можно обеспечить более быстрой подготовкой и отработкой выемочного поля или крыла панели. При этом увеличение расходов на проведение выработок большего сечения должно быть компенсировано ростом нагрузки на забой и снижением стоимости 1 т угля по участку.

Приведенный пример наглядно показывает роль творческого подхода к выбору системы разработки с применением нестандартных решений. Если бы выбор производился только на основании рекомендаций по условиям применения, то вариант столбовой системы разработки в данном случае мог бы вообще не приниматься для сравнения. Из сказанного также следует вывод, что общие рекомендации по применению систем разработки являются обобщенными и требуют уточнения в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Весь процесс выбора и конструирования системы разработки условно разделен на восемь этапов.

На первом этапе производят выбор группы системы разработки с разделением пласта на слои по мощности или без разделения на слои. При этом для пластов мощностью до 3,0–3,5 м[29] при любых углах залегания, а также для крутых пластов с выдержанной мощностью, где возможна щитовая выемка, применяют системы разработки без разделения на слои. Для мощных пологих и наклонных пластов, а также крутых, где по условиям разработки невозможна выемка щитами, следует применять системы разработки с разделением на слои.

На втором этапе выбирают вид системы разработки — с длинными забоями или с короткими. В качестве основных принимают системы с длинными очистными забоями и выемкой механизированными комплексами. Короткозабойные системы (камерные, камерно-столбовые и др.) рекомендуется применять в первую очередь на сильно нарушенных участках пластов, где применение длинных забоев затруднено или малоэффективно, а также на пластах, разрабатываемых гидравлическим способом, и при погашении целиков.

На третьем этапе после выбора вида системы разработки приступают к выбору направления выемки угля относительно элементов залегания пласта.

Как правило, для пластов с углом падения до 10° необходимо ориентироваться на применение систем разработки с выемкой по восстанию или падению пласта, при которых обеспечивается постоянство длины лавы и возможность полной конвейеризации транспорта на участке, что особенно важно при работе механизированных комплексов. Для обводненных пластов мощностью до 2,0 м выемка должна производиться только по восстанию. Для сухих или слабообводненных пластов (в последнем случае мощность пласта должна быть не менее 1,3 м) выемка может производиться как по восстанию, так и падению в зависимости от расположения подъемного горизонта, наличия вентиляционных выработок и др.

На четвертом этапе производится выбор класса системы разработки. Для пластов тонких и средней мощности при любых углах падения основными системами являются столбовая и комбинированная (столбовой со сплошной). В условиях слабых и пучащих пород почвы на тонких пластах предпочтительна сплошная система разработки с охраной выработок двусторонними бутовыми полосами или с проведением их по породам. Основной разновидностью для длиннозабойных систем является лава-ярус (этаж) без разделения на выемочные поля. Деление на выемочные поля целесообразно применять лишь при групповой разработке сближенных пластов и необходимости проведения полевого штрека (высокая степень пожароопасности пласта, склонность пород к пучению, большая длина крыла этажа).

Для крутых и крутонаклонных пластов при столбовой системе разработки в основном следует ориентироваться на системы с разделением крыла этажа на выемочные поля и, как правило, с проведением групповых полевых штреков.

Варианты систем разработки с разделением этажа на подэтажи следует рассматривать лишь для особых случаев: большая высота этажа, сложные условия разработки, обусловливающие небольшую длину лавы и др.

В случае принятия одного из вариантов столбовой системы разработки с делением этажа на выемочные поля необходимо выбрать подразновидность системы разработки по направлению транспортирования угля в выемочном поле (пятый этап). По технико-экономическим показателям наиболее предпочтительной является система разработки с транспортированием угля на передний участковый бремсберг (скат, квершлаг). Однако, при наличии геологических нарушений, характер которых и место локализации заранее известны, подразновидность системы с доставкой угля на задний бремсберг (скат, квершлаг) может оказаться более выгодной, так как основной ее недостаток, заключающийся в необходимости проведения разрезных печей и перемонтажа оборудования в каждом выемочном поле, не исключается и в случае с работой на передний бремсберг (скат, квершлаг), а преимущества в отсутствии перепробега транспорта и транспортирования на подъем (при колесном транспорте) сохраняются.

На шестом этапе решается вопрос проветривания очистных забоев в этаже (ярусе) — последовательное, обособленное или комбинированное. Как правило, каждый очистной забой вместе с примыкающими к нему выработками должен проветриваться обособленной струей воздуха.

Выбор схемы проветривания выемочного участка (седьмой этап) производится на основании учета газоносности пласта, склонности угля к самовозгоранию, устойчивости боковых пород и мощности пласта, нагрузки на очистной забой, возможности иметь фланговые выработки для прямоточного проветривания или подсвежающей струи и др. Все эти факторы в известной степени взаимосвязаны, что затрудняет однозначный выбор схемы проветривания.

На весьма газоносных пластах применение возвратноточной схемы проветривания без подсвежения существенно ограничивает нагрузку на очистной забой. Для увеличения нагрузки необходимо предусматривать прямоточную схему проветривания с подсвежающей струей.

Таким образом, в первом случае можно применять столбовую систему разработки со сравнительно небольшой нагрузкой на лаву по газовому фактору и достичь меньших затрат на поддержание выработок. Однако для обеспечения заданной нагрузки на панель (пласт) необходимо иметь в работе большее число очистных забоев.

Во втором случае следует применять комбинированную систему разработки, которая обеспечит высокую нагрузку на забой по условиям проветривания и уменьшит количество забоев, однако при этом возрастут затраты на поддержание обслуживающих лаву выработок и проведение фланговой вентиляционной сбойки. Окончательное принятие решения можно будет сделать только после экономического сравнения обоих вариантов системы разработки.

На самовозгорающихся пластах следует ориентироваться на столбовую систему разработки с возвратноточной схемой проветривания или же на сплошную с полевыми выработками.

Наконец, на восьмом этапе производится выбор способа охраны обслуживающих лаву выработок, то есть окончательно выбирается модификация каждой из отобранных для сравнения систем разработки. Сюда же включается и вопрос подготовки длинных столбов.

На рис. 16.2 приведена блок-схема, облегчающая выбор вариантов систем разработки тонких и средней мощности пологих и наклонных пластов.

Рисунок 16.2 – Блок-схема выбора приемлемых вариантов систем разработки тонких и средней мощности пологих и наклонных пластов