Ранжировка горно-геологических условий

условий приведены в табл. 19.1. В графу «Значения характе­ристик у проектов» заносятся соответствующие характери­стики j-го проекта.

Определение направленности влияния отдельных характе­ристик на технологичность горно-геологических условий об­легчает поиск наилучших значений по каждой характеристи­ке. Для одних характеристик наилучшими являются макси­мальные значения. К таким характеристикам относятся:

средневзвешенная мощность пластов, плотность угля, вели­чина промышленных запасов, число разрабатываемых пла­стов, теплота сгорания угля и т. д. Другие характеристики являются наилучшими, когда принимают минимальные зна­чения. К ним относятся: средневзвешенная глубина разра­ботки, газоносность пластов, нарушенность запасов угольных пластов, водообильность месторождения, средневзвешенная зольность угля. Особое положение занимает средневзве­шенный угол падения пластов. В интервале углов 0—45° наилучшим является минимум значения, а в интервале 45—90° — максимум. Поэтому при выборе сравниваемых про­ектов шахт необходимо, чтобы средневзвешенные углы паде­ния пластов находились только в одном из указанных ин­тервалов.

На следующем этапе оценки формулируется условный эталон сравнения. Из наилучших значений характеристик для каждых горно-геологических условий составляется эта­лонный условный вариант горно-геологических условий для сравнения с ним реальных условий каждого проекта.

Далее вычисляются относительные отклонения для всех горно-геологических характеристик всех проектов, т. е. по каждой строке таблицы:

где —выбранный наилучший показатель по i-й горно-геологической характеристике;—фактическое значение i-й горно-геологической характеристики j-го проекта;—соответственно максимальное и минимальное значе­ния i-й горно-геологической характеристики среди сравнивае­мых.

Из данных столбца коэффициента важности ; вычисля­ется среднее значение важности горно-геологических харак­теристик по формуле:

На следующем этапе вычисляются интегральные показа­тели сравниваемых проектов:

Полученные значения интегральных показателей распо­лагают в возрастающем порядке, удобном для сопоставления и анализа. Очевидно, что проект с минимальным интеграль­ным показателем базируется на самых благоприятных горно-геологических условиях.

В итоге выносится заключение о сравнительной техноло­гичности разработки пластов с данными горно-геологическими условиями. Наименьшее значение интегрального показа­теля говорит о наивысшей технологичности условий. В качестве примера рассмотрим следующую задачу. Следует произвести интегральную оценку технологичности условий трех проектов с характеристиками, приведенными в табл. 19.2.

Таблица 19.2

Интегральная оценка технологичности месторождения

Исходными данными являются значения характеристик у проектов и коэффициент важности.

Обычный анализ данных таблицы не позволяет сказать, в каком соотношении находится технологичность условий у этих трех проектов.

Вычислим относительные отклонения и занесем их в со­ответствующие столбцы табл. 19.2.

Эталонные значения по 1—5 характеристикам больше среди других, а по 6—11 —меньше. Для удобства в табл. 19.2 они заключены в квадраты:

По данным табл. 19.2 вычисляются интегральные показа­тели технологичности горно-геологических условий:

То есть наиболее благоприятными следует считать горно-геологические условия проекта шахты № 1. Значительно хуже условия проекта шахты № 3. Выполнить проект, отли­чающийся более высокими технико-экономическими показате­лями, в этих условиях более сложно, чем в условиях, которы­ми располагают другие проекты.

Таблица 19.3

Исходные данные

_________________________________________________

Задание

В табл. 19.3 приведены горно-геологические условия девя­ти различных проектов шахт. Для выполнения практической работы необходимо в соответствии с номером варианта вы­брать три номера проекта шахты из тех, которые указаны в табл. 19.4, оценить степень их технологичности и выбрать оптимальный вариант.

Таблица 19.4

Варианты задания

Тема № 20

РАСЧЕТ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВ В СВИТЕ И ЕГО ОТДЕЛЬНЫХ ЧАСТЕЙ

Основные положения по выбору последовательности раз­работки пластов в свите следующие:

при пологом и наклонном залегании пластов необходимо ориентироваться на одновременную разработку не более 2—3 пластов, при крутом залегании—не более 70—75% ра­бочих пластов;

проектная мощность шахт должна быть обеспечена, как правило, ведением эксплуатационных работ на одном гори­зонте. При технической необходимости и технико-экономиче­ском обосновании допускается одновременная разработка пластов на двух горизонтах;

выемка отдельных пластов должна увязываться в про­странстве и во времени. Порядок выемки пластов может быть восходящий, нисходящий и смешанный.

Как правило, должен применяться нисходящий порядок отработки пластов. Восходящий и смешанный порядок отра­ботки применять при первоочередной отработке защитных пластов, а также когда это приводит к рациональному пере­распределению между пластами газовыделения и горного давления;

допускается подработка пластов тонкими и средней мощ­ности пластами (при управлении кровлей полным обруше­нием), если минимальная мощность междупластья превы­шает 6-кратную мощность подрабатываемого пласта;

допускается подработка пластов тонкими и средней мощ­ности пластами (при управлении кровлей закладкой); если мощность междупластья превышает 3-кратную мощность под­рабатываемого пласта;

порядок отработки пластов должен обеспечивать макси­мальное использование защитного действия горных пород, проведение подготовительных и очистных выработок вне зоны опорного давления от смежных разрабатываемых пластов;

при группировании и установлении порядка отработки пла­стов учитывать:

а) наличие пластов, опасных и угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа и горным ударам, когда должна прово­диться предварительная выемка защитных пластов, в соответ­ствии с действующими инструкциями;

б) наличие пластов с высокой газоносностью, которые мо­гут быть дегазированы работами смежных пластов;

в) наличие сближенных пластов в свите;

г) необходимость осушения боковых пород вышележаще­го пласта.

Разработку сгруппированных пологих, наклонных и кру­тых пластов производить, как правило, в нисходящем по­рядке.

Порядок отработки шахтного поля следует применять для этажного способа подготовки (как Правило, прямой от ство­лов к границам); для панельного способа— прямой при от­работке бремсберговых полей (от стволов к границам) и обратный при отработке уклонных полей (от границ к стволам).

При панельном способе подготовки горизонтальных и сла­бонаклонных пластов применять комбинированный порядок отработки шахтного поля: отработку выемочных столбов од­ной стороны панели производить от столбов к границам шахт­ного поля, а отработку второй стороны — в обратном направ­лении—от границ участка к стволам.

Порядок отработки выемочных полей или панелей прини­мается, как правило, обратный—от границ выемочного поля или панели к бремсбергам, уклонам и промежуточным квер­шлагам.

Разработка этажей (ярусов) на шахтах III категории и сверхкатегорных по метану должна производиться в нисходя­щем порядке. При соответствующем технико-экономическом обосновании допускается по согласованию с органами Госгор-технадзора разработка этажей (ярусов) в восходящем по­рядке.

В одновременной работе может находиться не более двух смежных этажей.

Последовательность выемки пласта графически представ­лена в виде календарных планов (рис. 20.1).

Календарный план составляется по годам на первые 10—15 лет работы шахты и по пятилеткам на последующий период. При составлении календарных планов следует учиты­вать изменение мощности, угла падения пласта, наличие тек­тонических нарушений. Календарный план должен обеспечи­вать выполнение плановых заданий по добыче угля.

Расчет и построение календарных планов осуществляются в такой последовательности:

1) производится выбор и расчет параметров системы раз­работки и подготовки;

2) обосновывается (с учетом вышеизложенных основных положений) порядок отработки пластов в свите и отдельно пласта;

3) на гипсометрическом плане, пласта (выполненном в масштабе) изображают:

целики под промплощадкой, водоемами, у капитальных и подготовительных выработок;

горные выработки—стволы, квершлаги, главные откаточ­ные и вентиляционные штреки, бремсберги и ходки, ярусные (этажные) штреки;

годовое подвигание очистных забоев, причем в первый и второй, годы после пуска шахты в эксплуатацию, принимается соответственно 0,5и 0,75.

Пример. Построить, календарный план разработки пласта для следующих условий:

Форма шахтного поля ...... прямоугольная

Размер шахтного поля, м:

по простиранию ........ 6000

по падению Н ......... 2000

Мощность пласта m, м ...... 2,8

Угол падения пласта, град ..... 15

Мощность шахты А, млн. т .... 1,8

Количество очистных забоев в одно временной работе ........ 4

Длина лавы , м ........ 150

Годовое подвигание забоев , м . . 900

Система разработки ....... столбовая

Способ подготовки ........ .панельный

Количество пластов ....... 4

Таблица 20.1

Решение. Определяется высота яруса

где n—количество очистных забоев в ярусе;

—ширина целика, м;

—ширина штреков, м.

Около главного откаточного и вентиляционного штреков оставляется целик шириной 40 м. Наклонная высота бремсберговой панели: 1646+40=== 1024 м. Причем размер панели по простиранию равен 3000 м. Размеры целиков угля между бремсбергом и ходком 20 м.

С учетом вышеизложенных рекомендаций:

отработка пластов принимается в нисходящем порядке;

ярусы в бремсберговых панелях отрабатываются в нисхо­дящем порядке;

выемочные поля отрабатываются от границ панели в сто­рону наклонных выработок.

Подвигание линии очистных забоев:

первый год сдачи шахты в эксплуатацию —

0,5=0,5900=450 м,

второй год после сдачи шахты в эксплуатацию —

0,75=0,75900=675 м.

Построить календарный план разработки пласта (см. ус­ловия задач № 1—20 (табл. 20.1)).

Тема № 21

ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Цель работы. Изучение принципиально новых направле­ний разработки угольных месторождений и укрупненный рас­чет одного геотехнологического метода.

Теоретические основы выполнения работы. Геотехнологи­ческие методы добычи полезного ископаемого основаны на его физическом, химическом или физико-химическом превра­щении непосредственно на месте залегания в подвижное со­стояние и извлечение полученного продукта на поверхность через скважины.

1. Подземная газификация угля

Основу подземной газификации составляет термохимиче­ский процесс превращения угля (с помощью свободного или связанного кислорода) непосредственно в недрах земли Ин­тенсивность протекания процесса подземной газификации угля и качественный состав получаемого газа во многом зависят от температуры, давления в подземном газогенераторе, интенсивности дутья, свойств угля и вмещающих пород

Со времени зарождения подземной газификации углей по­строено шесть промышленных станций ПГУ — Подмосковная, Лисичанская, Шатская, Южно Абинская, Ангренская и Каменская, на которых за время эксплуатации выработано свы­ше 35 млрд. м3 газа.

2 Экстракция угля

Экстракцией угля называется растворение органической части угля специальными растворителями, в результате чего получают смесь жидких углеводородов, т е. жидкое топли­во. В качестве растворителя для экстракции используют бен­зол, фенольные спирты, зеленое антрацитовое масло, тетралин или смесь этих растворителей Пропорциональное соот­ношение угля и растворителя при этом составляет 1 : 1—1,5 : 1, т е. процесс требует значительного расхода дорогостоящего растворителя.

Использовать для создания реальной геотехнологической схемы процесс экстракции в том виде, в котором он сейчас существует, невозможно.

3 Гидрогенизация

Одним из возможных способов превращения угля в жид­кое топливо является гидрогенизация угля. Процесс гидро­генизации характеризуется применением высокого давления (до 70 МПа), высокой температуры (до 400—550°) и ката­лизаторов (железа, никеля, кобальта, молибдена и других металлов).

4 Подземное гидрирование угля

Искусственное получение жидких углеводородов из ка­менных углей. Перед гидрированием уголь обязательно из­мельчается для получения большой поверхности контакта его с водородом. Из 1 т угля можно получать 600—650 кг раз­личных нефтепродуктов

5 Способ топливных элементов

Превращение химической энергии обычного топлива не­посредственно в электрическую.

6 Скважинная гидродобыча

Превращение полезного ископаемого на месте залегания в гидросмесь и ее откачка на поверхность (рис 21.1).

Все перечисленные геотехнологические методы разработки месторождений полезных ископаемых находятся в стадии экспериментальных исследований, за исключением подземной газификации угля.

Использование энергии ядерных взрывов в мирных целях открывает огромные перспективы в развитии производитель­ных сил страны.

Ведь нельзя же серьезно воспринимать заявления относительно широкомасштабной замены атомной энергии на энергию солнца, ветра, подземного тепла и т. п.

Спасти нашу планету от загрязнения миллионами тонн углекислого газа, окиси азота и серы, которые постоянно выбрасываются ТЭЦ, работающими на угле, перестать сжигать в огромных количествах кислород, можно лишь с помощью атомной энергии.

В США работы осуществляются по программе «Плаушер», разработанной в 1957 г., в которой предусмотрено, проведение подземных комплексных зарядов, подготовлены проекты их применения при разработке битуминозных песчаников и неф­тяных сланцев.

Работы по использованию энергии взрыва в мирных целях у нас в стране начаты давно. Основным фактором, затрудняющим использование подземных ядерных взрывов в про­мышленных целях, является радиоактивное загрязнение природной среды.

Снизить выход радиоактивных продуктов в атмосферу при подземных ядерных взрывах можно, создав «чистые» заряды.

Подземный ядерный взрыв сопровождается практически мгновенным выделением энергии, равной 4,191012 Дж на одну условную килотонну мощности заряда, сконцентрированной в небольшом объеме. Под действием энергии продуктов деления происходят испарение контейнера и окружающей горной породы.

Для того чтобы представить возможность применения ядерного взрыва в угольной промышленности, в табл. 21.1 приведен анализ результатов подземных ядерных взрывов, проведенных в мирных целях.

Таблица 21.1

Среды	Мощ- ность заряда, W, кт	Глубина заложе- ния за- ряда Н, м	Плот ность пород , т/м3	Радиус полости Р, м	Высота столба обрушения Н, м	Константа К,
Туф Алювий Гранит Каменная соль Песчаник	19,2 7,8 12,5 3,1 10	301 256 367 361 1200	1,8 1,8 2,7 2,3 2,3	44,2 27,2 25,6 17,4 19,8	301 256 109 -- 91,5	6,8 4,8 4,2 -- 4,6

Радиус полости, образованной ядерным взрывом, составит:

где С—константа, эмпирически определенная для различ­ных пород;

W—мощность заряда, кт;

—средняя плотность пород, т/м3;

Н—глубина заложения заряда, м.

Высота столба обрушения

где K—константа, принимается по данным таблицы. Масса разрыхленного угля составит:

При выборе участка для разработки угольных пластов с помощью ядерных взрывов должны учитываться следующие факторы:

1) свойства вмещающих пород и характер трещиноватости;

2) топография района;

3) вопросы сейсмической безопасности;

4 ) общественное мнение.

В США предложена программа «Сандерберд» по подзем­ной газификации бурого угля в штате Вайоминг с предвари­тельной подготовкой пластов путем ядерных взрывов. Место­рождение включает шесть угольных пластов мощностью до 15 м.

После взрывания ядерного устройства мощностью 50 кт на глубине 660 м радиус эллипсоида, по расчетам, составит 30 м, а его высота 194 м. Масса разрыхленного угля составит около 500 тыс. т. После поджигания раздробленного угля в эллипсоиде разовьется процесс газификации. Принципиаль­ная схема подземной газификации угля с предварительным разрушением массива ядерным взрывом представлена на рис. 21.2.

Данный способ получит промышленное применение при разработке участков месторождений со сложными горно-геологическими условиями и глубоким залеганием пластов (рис. 21.3)

Пример. Геологические запасы Апсатского месторождения 1,5 млрд. т. Мощность пластов угля нижнего горизонта до­стигает 67 м, а глубина залегания составляет 1600 м. Уголь относится к маркам ГЖ и Ж, средняя зольность угля состав­ляет 25%, может использоваться как энергетическое сырье. Почва пласта — песчаник. Для осуществления подземной га­зификации угля необходимо предварительно подготовить пласт путем ядерного взрыва. Рассчитать радиус полости, вы­соту столба обрушения, массу разрыхленного угля и коли­чество полученного газа.

Радиус полости, образованной ядерным взрывом, со­ставит:

Высота столба обрушения:

Н ==4,626,95 =123,97 м.

Масса разрыхленного угля, с учетом того, что вокруг эл­липсоида в радиусе 75 м горный массив будет разрыхлен, составит:

P= 3,14 (26,95+75)2651,35 =2,8 млн. т.

Примерный состав газа на воздушном дутье следующий (%): азота 48—55, водорода 16—21, углекислого газа 14—21. окиси углерода 6—12, метана 2—3, сероводорода до.1. Теп­лота сгорания газа из каменного угля 4000—4400 кДж/м3. Выход из 1 кг угля 3,5—4,0 м3 газа.

Следовательно, объем газа, который может быть получен, составит:

V== 2,83,5 =9800 млн. м3.

Графическая интерпретация предложенного примера пред­ставлена на рис. 21.4.

Содержание и порядок выполнения работы

После ознакомления с теоретическими основами выпол­нения работы студент получает вариант задания, отражаю­щий горно-геологические условия разработки угольного ме­сторождения.

Согласно исходным данным (см. табл. 22.2) студент де­лает расчет камуфлетного ядерного взрыва и дает графиче­скую интерпретацию схемы подземной газификации угля, ко­торая иллюстрирует схему движения огневого забоя.