Указания по поэтапному проектированию шахт (инструкция по поэтапному проектированию технологических схем и параметров угольных шахт)

АКАДЕМИЯ НАУК СССР Сектор физико-технячеек гос горных проблем ордена Ленина Института физики Земли им. О,Ю. Щмидта

УКАЗАНИЯ

ПО ПОЭТАПНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ШАХТ

(Инструкция по поэтапному проектированию технологических схем и параметров угольных шахт)

Москва

1973

СЕКТОР ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПРОБЛЕМ ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТА ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю.ШШДТА

УКАЗАНИЯ 110 ПОЭТАПНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ шахт

(Инструкция по поэтапному проектированию технологических схем и параметров угольных шахт)

МОСКВА

1973

сплуатации реализуемых проектных решении Т₉^₉

^э.э. “ ^в ^н.э. '

где Т_в - время выбытия из эксплуатации конкретного технологического звена, тзхнического средства, технологической схемы на данной шахте, год;

Т_{н э} - время начала практической эксплуатации соответствующего проектного решения на данной шахте, год.

Период времени между Ч_НлЭщ - началом эксплуатации отдельных элементов технологии и Т_в - моментом осуществления мероприятий, вызвавших изменения, принимается за период стабильной и эффективной эксплуатации* названной "долгожитием" элемента - Т_д.

-    Полученные материалы группируются по однородным элементам технологических схем, видам средств механизации, типам машин и установок, по причинам выбытия их, по параметрам и требованиям условий эксплуатации, являющихся поводом отказа от дальнейшего использования элементов схем в неизменном виде и средств механизации.

-    Вычисляются средние показатели "долгожития¹* реализуемых пре -ектных решений, элементов технологических схем, технических средств по каждой Группе элементов схем, шахт, средств механизации и т.д.

- Производится вероятностный анализ полученных оценок "долго-жития^м по всей статистической совокупности, включающей в себя временные оценки по отдельным группам базовых элементов технологичес-

чъипы иирсдслсгпил падотпиихя я диСтОВбрНОСтЙ УТЙХ Оце-

нок.

10

Вероятностный анализ производится по следующей методике:

1.    По всей статистической совокупности! включающей все исследуемые группы элементов технологических схем шахт, строится вариационный ряд распределения оценок "долгожития".

2.    Определяются основные/эмпирические характеристики вариационного ряда.

3.    Производится выравнивание эмпирической кривой распределе -ния теоретической.

4.    Определяется доверительный интервал полученного среднего зиачения^олгожития¹¹ в условиях всей совокупности.

Исследованиями, проведенными в МГИ и ИФЗ АН СССР, определены сроки “долгожития" отдельных элементов технологических схем шахт Кузнецкого» Донецкого бассейнов.

Результаты исследования "долгожития" элементов технологичес -ких схем шахт Кузбасса приведены в таблице I.

На оценку "долгожития" базовых элементов технологиии значи -тельное влияние оказывает производственная мощность шахты и степень ее освоенности.

Это влияние должно учитываться при определении периодов эффективной эксплуатации исследуемых элементов и при определении доверительных интервалов величины математического ожидания Тд отдельно для групп шахт с производственной мощностью до I млн.т в год и свыше I млн.т в год.

Для шахт Кузбасса рекомендуются следующие* оценки доверитель -ных интервалов:

- по группе основных элементов технологической схемы:    схема

вскрытия (стволы, схема подъема, квершлаги, гезенки, наклонные выработки), схема подготовки (панельная схема и ее параметры, этаж-

11

ная я ее параметры, столбы по падению-восстанию и ее параметры * схема вентиляций ^вентиляторная установка, генеральная схема горных выработок), технологический комплекс на поверхности, схема транспорта (общая компоновка транспортных магистралей шахты) и др.г

а)    на крупных шахтглх свыше I млн.т.год при среднем значении Т_д * 21,5 лет доверительный интервал составляет

20,3 <Т_Д< 22,7 лет;    (ъ)

б)    на шахтах с производственной мощностью до I млн.т.гид при среднем значении Т_д * 18,2 г« доверительный интервал составляет

16,7 <    <    19,7 лет ;    (4    )

- по группе более частных элементов технологических схем шахты, их параметрам, средствам механизации, их структурам и схемам? системы разработки (параметры систем, длина лавы, нагрузка на забой, подвмгачие очистного забоя, способы охраны штреков, средства механизации очистных работ и др.),способы и схемы проведения выработок (темпы, сечспия выработок, средства механизации, крепления и др.), схемы подготовки (параметры панелей,выемочных столбов,этажей, порядок отработки выемочных участков), схема транспорта и приемно-отправитеиьных операций на поверхности ^средства механизации и организация работ) и др. Средняя оценка "долгожития” составляет

?_д* 9 лет .    (5)

По материалам 58 шахт Донецкого бассейна установлены сроки "долгожмтия" схем вскрытия и подготовки, технологического комплекса на поверхности, шахтного подьема, центрального водоотлива и системы энергоснабжения шахт.

Средняя длительность периода "долгожития" по вышеуказанным технологическим звеньям шахт заключена в интервале 17 - 19 лет.

Таблица Z

Наименование • « : 7Г ср. технологических • Аппроксимирующее уравнение : дет звеньев ♦ • • • Схема вскрытия Т « - б.ЭАщ - 0,667TlfT * 1,7Т + 4,84+ Ц - 2,1* + 5,77 *Г = 46 • 2-°^7< 18 Схема подготовки 17

Технологический комплекс на поверхности

L = б.вАд - I.7A² + 2,2Т + ^2 - I,45ffl + 8,Ж_Д - 2,2К_Д² -

- 0,5    19

Т = 4,5А„ + I,3a| ⁺ 5Т - 1,1Т² + 4,2К_Д - 0,9К_Д² + 7,35&Н*+

+ Ю,5    ⁴    *    18

Ч = - 12,6А + 3$1А² + 2,61$ = 4,3/1^ + I*mJ„ + 2Мг- 0,9/1/г +

+ 27    18

Б таблице 2 представлены коррекционные зависимрсти сроков "долгожития" ряда технологических звеньев шахт Донецкого бассейна от горногеплогических и технических параметров шахты*

Принятые условные ооозначеиия:

<*•- угол падении пластов* град? пя- мощность разрабатываемых пластов, м; ц_пл - количество разрабатываемых    ;

ft/г - количество горизонтов в шахтном поле; йр * коночная глубина разработки, и;

J\ - отношение размера шахтного пиля по простиранию к размеру по падению;

£_ш - проектная производственная мощность шахты, млн* т/год;

- коэфициен1р прироста годовой производственной мощности шахты (по отношению к проектной);

X - проектный срок службы шахты, лет;

i - Т_к - J945, где    (6)

Т_к - календарный год ввода шахты в эксплуатацию*

б) Определение периодичности реконструкций угольных шахт.

Величина "долгонития" основных элементов технологических схем угольных шахт подверждается опытом реконструктивных работ на отечественных шахтах*

Период относительно стабильного развития шахт в существенной степени зависит от технического прогресса в области концентрации горных работ, в первую очеред» нагрузки яа шахты*

В период относительно стабильного развития шахт, фактический прирост нагрузки на шахту может превысить проектную мощность не 16

более чем на I5-20J&I в основном за счет частичной модернизации отдельных технологических звеньев шахты, более высокого уровня ис -пользования оборудования.

Более существенному приросту фактической нагрузки должен предшествовать такой же прирост проектной мощности шахт с опережани -ем на пятилетие.

Существенные изменения проектной мощности происходят редко , как следствие технического прогресса в отрасли.

Как показали исследования, циклы технического прогресса в целом по угольной промышленности повторяются через 15-20 лет, что собственно и определяет периодичность проведения реконструкций на шахтах.

Нарастание проектной мощности в такие периоды происходит скачкообразно, после проведения реконструкции.

Это и обуславливает проектирование шахт по этапам, динамическое развитие проектной мощности шахт.

Разработана методика по определению количества и длительности этапов на исследуемом отрезке времени существования шахт.

1.    Исследуемая совокупность шахт определенного региона труп -пируется в зависимости от сроков ввода их в эксплуатацию по пяти -летиям (например; 1956-1960гг., 1961-1965гг. и т.д.).

2.    Группировку шахт по срокам ввода их в эксплуатацию следует производить с учетом размеров шахт по проектной мощности. Если шахты достаточно на много отличаются в оценке нощности^их следует разбить на подгруппы с А_пр до I млн. т/год и А_пр^ I млн. т/год.

3.    К исследованию принимаются шахты:

а) действующие и намечаемые к строительству в данном регио -

17

не в перспективе, но с утвержденными проектами?

б) действующие шахты за период своего развития должны иметь не менее одной реконструкции, крупной модернизации или вскрытие новых горизонтов (на баае новой технологии и техники выемки полезного ископаемого), существенно изменившиеся показатели эффективности работы шахты; проектную мощность, себестоимость, производительность труда.

Весь срок существования каждой шахты разбивается на условные этапы с оценкой их длительности: I этап-с момента ввода шахты в эксплуатацию до первой реконструкции, модернизации или вскрытия нового горизонта (пункт ^иб");П этап и последующие - отрезок времени (в годах) между двумя реконструкциями; длительность последнего этапа в развитии шахты, если этап не был ограничен вышеперечисленными проектными решениями или сроками окончания существования шахты, не определяется в виду неопределенности этих сроков,

5.    По каждой группе шахт (или подгруппе) строятся ряды рас -пределения и определяются основные статистические характеристики рядов распределений;

и*

Пч- количество шахт в группе,

ti - математическое ожидание продолжительности этапа,

±&i - средиеквадратическая ошибка,

- коэффициент вариации.

6.    Строятся теоретические кривые распределения.

7.    Производится качественный анализ полученных результатов , который позволяет увядать полученные оценки этапов с объективным ходом развития шахт и раскрыть причины возникновения этапов, той или иной длительности их.

Исследования, проведенные в Секторе ФТГП ЙФЗ АН СССР, позво -

лили сделать ряд рекомендации по определению количесава г длитель-ности этапов в развитии шахт Донбасса.

Проведенный анализ по 109 шахтам Донбасса с сроками ввода в эксплуатацию в 1945-1985гг. позволил сделать следующие выводы:

I. Развитие шахт за Э‘_Аот период происходило по двум этапам, фиксированным крупными реконструкциями, по времени совпадающими с двумя циклами технического прогресса в угольной промышленности Г950-1965гг. и 1965-1980гг.

2. Как показали исследования, длительность первых этапов по шахтам' колеблется от 10 до 20 лет (таблица 3).

3.    Длительность вторых этапов короче первых, но в сумме время протекания первого и второго этапов не выходят за рамки первого и второго циклов технического прогресса.

4.    Длительность этапов, или периода меаду реконструкциями шахт, различная в зависимости от горногеологических факторов, технологических, в первую очередь - первоначальной проектной мощности шахт, и фактора времени.

5.    В значительной степени определяющим фактором в оценке длительности этапов, как показали статистические исследования,является срок ввода шахт в эксплуатацию.

6.    В зависимости от того, в какой момент времени вводится шахта в эксплуатацию - в начале цикла технического прогресса отрасли, в середине или в конце, длительность этапа сокращается либо совпадает с длительностью цикла.

7.    Как правило,за один цикл технического прогресса проводится одна реконструкция.

8.    Наблюдается тенденция к сокращению длительности этапов по шахтам, вводимым в эксплуатацию в более поздние десятилетия. Дли-

19

АННОТАЦИЯ

Методические указания касаются только особенностей проектирования угольных шаху в связи с введением понятия поэтапности*

Б частности, в работе приведены спреде -ленив понятия стада, методика расчета длительности этана с учетом влияния отдельных факторов, результаты исследований но конкретной оценке этапов в развитии шахт Донбасса и Кузбасса* Изложены особенности принятия технологических решений и опта -мизахщи их при поэтапном проектировании , предлагаются критерий оптимальности ж целевая функция с учетом развития шахт по этапам. Даны методические указания по неводу интегральному способу оценки техни -ко-эконошческой эффективности проектов угольных шахт.

Методические указания предназначаются проектным и исследовательским институтам, шахтам, занимающимся проектированием и перспективным плакированием.

Методические указания разрабатывались под руководством академика Мельникова К. В. при участии следующих научных сотрудников: д.т.н, Бурчакова А.С., к.э.н. Коковяки-ной В.Ф. _f к* т.н, Вишеле И. В. , горн, инж. Паринова А.С. (СФТГП ИФЗ АН СССР), д.т.н. Харченко В.А., д.т.н. Малкина А.С. (МГИ) .

Таблица 3

Группы : № этапа * ♦ Основные статистические j характеристики шахт : * а рядов распределений * 1 • Пч • 9 9\ * Т* 5 . ......? ief : tf* 1945- I 56 16,0 4,0 25,0 1950 гг. Q 48 12,0 3,0 25,0 1950- 1955 гг. I 23 11,0 2,2 22,0 П 21 10,0 3,0 30,0 1955- 1960 гг. I 36 15,0 2,4 16,0 а 5 9,0 1,3 15,0 1960- 1965 гг. I ? 13,0 - - 1965- 1970 гг. п И 10,0 - — Вся BwrtnptHi I 109 14,0 3,3 23,0 п 72 11,0 3,2 28,0 ш 8 1 i t О о\ i 1 3,1 35,0

20

I. ОБОСНОВАНИЕ ПОЭТАПНОГО ПОДХОДА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Существующая практика проектирования угольных шахт основывается на длительно детерминированной информации, исходит из представления о параметрах шахт (схема вскрытия и подготовки, схема вентиляций и транспорта, подъем и технологический комплекс на поверхности, производственная мощность шахты и пропускные способности околоствольных дворов, подъемов и т.д.) как неизменных в течение всего срока службы шахты, т.е. 40-6G и более лет. Между тем изменение горногеологических условий с переходом горных работ на последующие участки месторождений, развитие технического прогресса приходят в противоречие с указанными статическими предпосылками. В результате еще на стадии строительства шахты приходится пересматривать ряд ранее принятых решений, что нередко требует выполнения дополнительных объемов работ. В Московском горном институте, Институте физики Земли Ай СССР (СФТГП) исследована динамика изменения основных количественных параметров на действующих и проектируемых шахтах, разрабатывающих пласты пологого падения Кузнецкого и Донецкого бассейнов. Результаты исследований свидетельствуют, что за последние 10 лет производственная мощность одной шахты в среднем выросла в Кузбассе на 25#, длина лавы по Украинскому Донбассу выросла на 18#, скорость подвигания очистных забоев увеличилась на 13#. Более значительно возрастала нагрузка на очистные забои, которая в 1970 г. составила на шахтах мощностью более 0,9 млн.т/год 76 тыс.м²/год против 50 тыс.м²/год в 1958 г.

3

Указанные параметры существенно влияют на выбор схемных решений по технологической схем*?, е та^же на выбор параметров стационарных технологических /плов шахты* машин и установок* Поэтому моральное старение уровня основных параметров шахты влечет за собой необходимость переснятра многих решений, переоборудования и реконструкции технологических узлов* тем более* что соответствующие этим узлам средства механизации имеют не меньшие темпы совершенствования* За каждые ID лет техническая производительность средств выемки и доставки возрастала на 40-50%_ь подъемных машин на 40% и т,д.

В этих условиях оказывается одинаково необоснованным* нерациональным и* как правило# невыгодным как проектирование заниженного и недостаточно прогрессивного уровня параметров шахты* так и проектирование ш расчет их* исходя из условий работы шахты в слишком отдаленном будущем. В частности, нельзя считать оправданным проектирование параметров системы проветривания* вскрывающих выработок и др. с расчетом их соответствия в период работы шахты через 30-50 лет.

Отрицательные последствия противоречий статического подхода к проектированию и оптимизации параметров шахты с их динамикой в значительной мере устраняются при использовании концепции поэтапности проектирования и развития шахты. Принципиальные моменты

этой концепции можно сформулировать следующим образом:

-    раз усыновленные качественные и количественные параметры

вахты ие считаются обязательными на весь срок существования предприятия#

-    существуют некоторые интервалы времени - этапы, в пределах

которых основные параметры технологам (азеиенты схемы вскрытия, вентиляции, додьема, технологического комплекса на поверхности, мощность шахты, размеры отрабатываемых долей ш т»д_в) могут оставаться неизмененными,, не оказывая при атом отрицательного влияния на эффективность работы шахты;

-    обоснование параметров технологии производится в единстве интересов каждого отдельного этапа ш дальнейшего развития шахты на последующих: атапах|

-    установление и обоснование параметров шахты на каждом этапе производится на Сазе прогрессивных тенденций развития техники*

технологии и организации производства на шахтах, тенденций народнохозяйственных потреблений,,

Эти положения отражают требования динамичности проектирования, дискретности ш вместе с тек непрерывной связности отдельных этапов развития шахты, прогрессивности параметров и актуальности целей развития шахты.

Любой проект шахты ориентирован в своей реализации в будущее, проект всегда - предприятие будущего» Поэтому решения проекта должны всегда отличаться достаточной устойчивостью к старению, соответствовать обстоятельствам и тре ованиям будущего. В противном случае становится правглом появление на только что построенных шахтах яепрогрессивяых технологически звеньев, "узких" мест, сдерживающих работу всей технологической цепочки, которые в конце концов вынудят сравнительно скорую реконструкцию. Огромное экономическое значение имеет частичное или полное устранение такой необ -ходимости. По существу поэтапный подход в проектировании позволяет рассматривать планируемым, упорядоченным процесс совершенствования

5

технологии шахты, обновления а развития организационно-технической базы предприятия, исключает случайные переходы к реконструкции* Уде в техническом проекте шахты устанавливается длительность эффективной эксплуатации основных элементов технологии, предполагаются сроки начала перехода на более прогрессивные параметры {схты и средства механизации производственных процессов, нагрузка яа очистные забои, мощность шахты, параметры горных машин и т.д.). Это обуславливает возможность выбора наиболее приемлемого момента в развитии горных работ на шахте;переход к отработке нового гори -зонта,угольного пласта,панели и т.д.

своевременная разработка проекта на переходный период и предстоящий этап, заказ нового оборудования, создание необходимого объема материалов, согласование заявок и т.д* обеспечивают в этом случае минимальную продолжительность горно-строительных и монтажных работ, не оказывая отрицательного воздействии на текущую работу шахты.

Таким образом проблема устойчивой стабилизации основных проектных решений, качественных и количественных параметров проектируемой шахты на уровне оптимальных с позиций любого периода ее эксплуатации макет быть реализована с помощью идеи поэтапного проектирования*

П. ПОНЯТИЕ ЭТАПА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ И ПРиСТРАНСТВШНОЙ РАЗМЕРНиСжй ЭТАПА

Метод поэтапного проектирования предусматривает конструирование технологической схемы угольной шахты, как разевающейся системы с оптимальным управлением в течение всего срока службы. Идея 6

создания данного метода проектирования заключается в возможности выбора наилучших сочетаний основных технологических параметров угольных шахт, которые бы характеризовали поведение системы в будущем, а более конкретно в течение некоторых научно обоснованных этапов жизни угольного предприятия в условиях влияния постоянного изменения природных, технологических и экономических факторов. Исходным моментом поэтапного проектирования является обоснование временной и пространственной размерностей этапа.

Под этапом проектирования угольных шахт понимается интервал времени, соответствующий отработке значительного количества запасов месторождения полезных ископаемых и регламентирующий деятельность шахты на достаточно длительный период, в течение которого не происходят существенные коренные изменения в методах ведения горных работ, схемах и способах вскрытия, подготовки, системах разработки, структуре комплексной механизации и компановке генерального плана шахты.

Д) Определение временной размерности этапа

На длительность этапа проектирования конкретное влияния оказывают следующие факторы:

а)    время эффективной эксплуатации Т_ЭвЭ# основных (базовых ) элементов технологической схемы, таких, как схема вскрытия шахтного поля, схема и способы подготовки, jxeMa вентиляции, схема транспорта, подъема и др;

б)    периодичность реконструкции угольных шахт, являющаяся функцией многих технических и социально-экономических факторов отрасли и всего народного хозяйства;

в) обоснованная глубина прогнозирования проектной информации и технического прогресса в отрасли,

а) Определение времени аффективной эксплуатации T_s^₀

В основе определения сроков эффективной эксплуатации основных (базовых) элементов технологической схемы лежат статистические исследования, Эти исследования базируются на данных работы отечественных шахт в течение длительного времени, включая периоды яеодяа-кратных реконструкций. По некоторым шахтам материалы анализируются эа весь срок службы, по другим га меньший период,

В общих чертах методика этих исследований ааключается в следующих действиях:

-    все технологические элементы шахты разбиваются на две труп-

пы:

I* Определяющая роль в обосновании длительности этапа отводится "долгожитию*¹ основных базовых параметров шахты: элементов схемы вскрытия и подготовки, схем и средств общешахтного транспорта , схем технологического комплекса на поверхности, средств гидьема,вентиляции, водоотлива и др. Поэтому прежде всего выделяются сведения, характеризующие эти основные технологические элементы шахты,

2♦ Вторая группа образуется но более частных и мобильн д элементов технологических схем, в которую входят параметры систем разработки, средства и структуры механизации очистных и подготовительных работ и т.д,

-    Фиксируются фактические сроки начала эксплуатации Х_н^ технологических схем шахты, ее элементов, оборудования, машин, установок н т,д,* т.е. сроки начала промышленного использования дроек-8

mix решений. Эти срони определяются, например, моментов сдачи шахты, горизонта, пласта, очистного а*боя, линии транспорта и т.д. в работу;

одновременно устанавливаются причины, вызывающие те иди иные мероприятия в ходе развития шахты к соответствующие им проектные решения, преимущества их перед другими альтернативными вариантами, анализируется фактическое соответствие реализуемых проектных решений поставленным делим.

ио сведениям планово-статистических отделов шахт, диспетчерских отчетов выявляется степень освоения параметров технологических узлов шахты, средств механизации производственных процессов в части производительности, пропускной способности, трудоемкости и т.д?

- устанавливаются сроки технологического (функщональв or эического или морального выбывания Т_в отдельных элементов технологической схемы на и с с л е дуемой, шахте, изменения компановки технологической схемы, выбытия средств механизации и др. Одновременно устанавливаются моменты, когда стали наблюдаться случаи явного несоответствия параметров отдельных элементов технологичес -хих схем и средств механизации условиям дальнейшей эксплуатации и требованиям эффективной работы шахты. Эти разнообразные сведения, касающиеся, например, изменения схем транспорта, вентиляции, замены средств подъема, изменения функционального назначения горных выработок (транспорт угля - транспорт породы - вентиляция), изменения параметров горных выработок (сечение, пропускная способность, вид врепления) и др., выявляются из маркшейдерских и бухгалтере -ких документов,из материалов по списанию оборудования, из материалов технических планов внедрения новой техники и развития шахты;

определяется фактическая продолжительность эффективной эк-

9