Игорь Владимирович Зеньков, горный инженер, доктор технических наук, профессор по научной специальности «Экономика и управление народным хозяйством», заслуженный эколог РФ, заместитель директора по научной работе ООО «Сибирский научно-исследовательский институт горного и маркшейдерского дела»
История решения проблемы, связанной с обоснованием порядка отработки многосвитовых пологих угольных месторождений
В середине 80-х гг. прошлого столетия в связи с интенсивным освоением дальневосточных территорий СССР остро встал вопрос увеличения мощностей по генерации электроэнергии на Приморской ГРЭС (обеспечивает примерно 40 % потребности Приморского края) рядом с посёлком Лучегорск. Тепловая станция расположена «на борту» угольного разреза «Лучегорский-1» (год основания 1974). Последний отрабатывает запасы бурых углей Б1-Б2 Нижне-Бикинского месторождения, в геологическом строении которого находятся более 280 пластов. Добыча угля к 1990 г. должна была составить 10,0 млн т в год с последующим её увеличением до 12,0 млн т. Вместе с тем запасы отрабатываемых пластов из 2-й и 3-й свит сокращались. В этих условиях необходимо было решить задачу порядка отработки месторождения, горно-геологическое строение которого до сих пор по сложности не имеет аналогов в мировой горной практике [1].
Угленосная толща месторождения представлена 18 группами сближенных пластов мощностью 2–18 м. Пласты в группах разделены между собой породными междупластьями мощностью от 2 до 20 м. Количество пластов в группах составляет от 2 до 5. Суммарная мощность сближенных пластов и междупластий в группах составляет 50–60 м. Группы пластов, в свою очередь, разделены толщами вскрышных пород мощностью от 20–30 м до 60–70 м. Группы пластов, пригодные для открытой разработки, залегают до 400 м. Углы падения пластов в диапазоне 3–120 обусловливают размеры месторождения в крест его простирания до 20 км в виде крупной мульды (рис. 1). Стрелками на рисунке показаны направления развития открытых горных работ.
Для технологических характеристик горно-геологических условий залегания угольных пластов на многосвитовых месторождениях впервые были введены в горную лексику следующие термины:
— свита угольных пластов — группа сближенных по высоте и совместно разрабатываемых угольных пластов, разделённых породными прослоями, мощности которых соизмеримы с мощностью пластов, обособленная от смежных по высоте групп вскрышными толщами, мощности которых соизмеримы с суммарной мощностью пластов и междупластий в группах;
— мощность свиты пластов — кратчайшее (по нормали) расстояние между крайними пластами свиты;
— межсвитовая толща — толща вскрышных пород, разделяющая смежные по высоте свиты угольных пластов;
— мощность межсвитовой толщи — кратчайшее (по нормали) расстояние между двумя смежными по высоте свитами угольных пластов.
В производственной системе «Приморская ГРЭС — Лучегорский угольный разрез» заданный объём добычи угля может обеспечиваться по двум принципиально различающимся стратегиям развития горных работ на Нижне-Бикинском месторождении: разработка месторождения производится одним карьером с отработкой одной свиты пластов; технологические ограничения (скорость подвигания фронта и темп углубки горных работ) не позволяют обеспечить заданный объём добычи угля из одной свиты пластов, поэтому разработка месторождения производится группой карьеров. При строительстве разрезной траншеи на выходах той или иной свиты пластов под наносы, по сути, создают обособленный карьер с самостоятельными вскрывающими выработками. В этих условиях количество вариантов порядка отработки этого месторождения могло быть весьма значительным (табл. 1) [2, 3].
На момент принятия решения об увеличении объёмов добычи угля на месторождении опыт комплексной оценки ведения горных работ группой карьеров на подобных месторождениях в мировом недропользовании просто отсутствовал. Решение масштабной научно-практической задачи обоснования порядка отработки Нижне-Бикинского угольного месторождения было поручено коллективу кафедры «Технология, механизация и организация открытой разработки месторождений полезных ископаемых» Московского горного института (МГИ) в начале 1988 года. Временный научный коллектив возглавил зав. кафедрой, д. т. н., профессор Томаков П. И., ответственным исполнителем и исполнителем НИР были назначены соответственно доцент, к. т. н. Манкевич В. В. и горный инженер, аспирант МГИ Зеньков И. В.
К концу 1988 года впервые в мировой горнодобывающей практике в теории открытых горных работ для многосвитовых пологих угольных месторождений на основе системного подхода был научно обоснован порядок их отработки группой карьеров. Результаты работы были представлены на техническом совете ПО «Приморскуголь» (генеральный директор Чеботкевич В. И., главный инженер Иваньев С. А.) и в дальнейшем были использованы в качестве основы для проектирования разработки месторождения группой карьеров институтом «Дальгипрошахт» [3].
Теоретическое обоснование режима горных работ
На первом этапе с целью сокращения количества рассматриваемых вариантов разработки месторождения была произведена раскройка поверхности месторождения на карьерные поля. Развитие горных работ первоначально предполагалось производить от границы месторождения, т. е. от выходов под наносы стратиграфически нижней свиты пластов. По критериям интенсивности развития горных работ были определены этапные положения работ через 8–10 и 18–20 лет. По нанесённым на план положениям маркированы свиты пластов, каждая из которых может разрабатываться самостоятельным карьером.
Для решения поставленной задачи обоснования порядка разработки месторождения на основе метода многокритериальной оптимизации разработана экономико-математическая модель, представленная системой параметрических, функциональных и критериальных ограничений на горнотехнические и экономические показатели деятельности карьеров по добыче угля. В качестве параметров принимались годовые объёмы добычи угля и вскрышных работ, выполняемые в каждом отдельно взятом карьере. Эти параметры вычисляются на основе результатов горно-геометрического анализа по выбранным направлениям разработки участков месторождения и принимаемой интенсивности развития рабочей зоны карьера.
При формировании функциональных ограничений предложено использовать горнотехнические зависимости (функции) по расстановке экскаваторов на уступах; допустимому темпу углубления горных работ; текущему коэффициенту вскрыши; пропускной способности транспортных коммуникаций. Критериальными ограничениями была выделена область допустимых значений из множества всех вариантов разработки месторождения.
На втором этапе выбора порядка разработки месторождения было произведено формирование всех возможных вариантов из установленной области. Основой для составления вариантов разработки приняты следующие горно-технологические показатели: наиболее вероятные направления развития горных работ на месторождении; периоды строительства карьеров на каждом угленасыщенном участке месторождения; календарные графики разработки этих участков (годовые объёмы вскрышных и добычных работ).
Сформированные варианты, обеспечивающие заданный объём добычи угля, оценивались по значению коэффициента вскрыши на первом этапе, суммарной транспортной работе и землеёмкости за оцениваемый период. Вариант разработки месторождения считают рациональным и рекомендуют к практической реализации, если он имеет максимальное количество минимальных значений оцениваемых показателей. Последние для удобства могут оцениваться в денежном выражении.
В общем виде алгоритм выбора порядка разработки многосвитовых пологих угольных месторождений представлен на рис. 2. Разработанная модель и алгоритм впервые были использованы при обосновании порядка разработки Нижне-Бикинского месторождения.
После детального анализа горно-геологического строения месторождения был исследован режим горных работ по 11 наиболее вероятным направлениям их развития с учётом технологических ограничений: скорость горизонтального подвигания фронта горных работ и возможный темп углубки. Рассчитаны объёмы горно-строительных работ по проведению вскрывающих выработок и разрезных траншей. В основу выбора варианта разработки месторождения группой карьеров, близкого к оптимальному, были положены основные положения теории динамического программирования, разработанной американским математиком Р. Беллманом в 1940-х гг.
На трёх участках месторождения были исследованы следующие направления: на разведочном участке № 1 — параллельно с действующим добычным фронтом предложена горизонтальная разноска уступов по отработке межсвитовой толщи, разделяющей 2-ю и 3-ю свиту пластов, и углубка горных работ к нижележащей 3‑й свите пластов, а также от западной границы участка отработка самостоятельным карьером 4-й свиты пластов с углубкой к нижележащим свитам пластов 5 и 6; на разведочном участке № 2 отработка самостоятельным карьером 11-й свиты пластов при их вскрытии от выходов её под наносы, либо по альтернативному варианту — строительство разрезной траншеи по выходам 10–11-й свит под наносы и отработка пластов самостоятельным карьером за зоной тектонических их нарушений на этом же участке; на участке № 4 в связи с выделением четырёх секторов с различной степенью угленасыщенности в 16, 17 и 18-й свитах были исследованы режимы горных работ как при отработке обособленным карьером отдельно взятого сектора, так и в их комбинации. Участок № 3 слагают свиты с 12-й по 15-ю, которые оставлены для разработки подземным способом.
Принятая система ограничений позволила существенно сократить количество наиболее вероятных вариантов разработки месторождения до 11 с включением проектной схемы. Из них три варианта развития горных работ обеспечивали заданный объём добычи угля на уровне 12,0 млн т в год. По каждому варианту с учётом роста объёмов добычи угля и вскрышных работ рассчитывались капитальные затраты на горно-транспортное оборудование, эксплуатационные расходы, суммарная транспортная работа, землеёмкость горных работ.
Окончательный вариант разработки месторождения группой карьеров, рекомендованный МГИ к реализации, предполагал следующую схему развития горных работ: на разведочном участке № 1 доработка запасов 2-й свиты пластов действующим карьером, углубка горных работ из выработанного пространства к нижней 3-й свите, отработка самостоятельным карьером пласта 4б при вскрытии в районе его выхода под наносы по западной границе участка с одновременной углубкой горных работ к нижележащим пластам 4а, 5а и 5б; на разведочном участке № 2 отработка самостоятельным карьером свит пластов при вскрытии на выходах под наносы от зоны тектонических нарушений; на участке № 4 отработка 2-го и 3-го сектора обособленным карьером с преимущественным развитием горных работ в 3-м секторе.
Современное состояние горных работ на Нижне-Бикинском месторождении
Наивысшей оценкой теоретических разработок в горном деле (да и не только) считается максимальная сходимость фактического состояния горных работ с теоретическим обоснованием. В этой связи проанализировано фактическое положение горных работ, представленное на рис. 3.
На участке № 1 в выработанном пространстве размещены внутренние отвалы, поскольку рабочие пласты 2-й свиты отработаны в 90-е гг. На этом же участке от его западной границы горные работы производятся по пластам 4-й, 5-й свит (самостоятельный карьер).
На участке № 2 в 80-е гг. был вскрыт нижний пласт 11-й свиты (вскрытие пласта МГИ не рекомендовал) разрезной траншеей с петлевым прямым железнодорожным заездом в рабочую зону на северном фланге карьера.
Строительство вскрывающих выработок началось до выполнения НИР Московским горным институтом, поэтому после заключения о нецелесообразности разработки пластов 11-й свиты оформленные рабочие уступы так и остались без движения, поскольку прогнозные оценки (МГИ) коэффициента вскрыши в начальный период (5–7 лет) составляли порядка 25–30 м3/т при низких объёмах добычи угля. В настоящее время добыча угля производится от зоны тектонических нарушений 10–11-й свит пластов, о чём свидетельствует расставленное на уступах горное оборудование в рабочей зоне карьера. Разрезная траншея, пройденная ранее, используется для размещения в ней тупиковой вытяжки по обмену железнодорожных составов с обратным заездом в рабочую зону карьера.
На участке № 4 добыча угля производится обособленным карьером в секторах 2 и 3. Об этом говорит оформленная рабочая зона, наличие горного оборудования, размещённого на рабочих площадках, а также схема вскрывающих выработок. По нашей оценке, максимально возможный суммарный годовой объём добычи угля в трёх карьерах мог составить 10–12 млн т [1].
В настоящее время фактическое состояние открытых горных работ на Нижне-Бикинском месторождении определяется генеральной схемой развития, обоснование которой выполнено МГИ в 1988 г. [1]. Опыт разработки Нижне-Бикинского месторождения должен использоваться при обосновании генеральных схем разработки многосвитовых пологих угольных месторождений с подобным горно-геологическим строением, находящихся на территории Сибири и Дальнего Востока. Полученный опыт, кратко представленный выше, со всей очевидностью и в очередной раз подчёркивает необходимость и целесообразность теоретического обоснования генеральных схем развития горных работ и исследования их режима на основе результатов горно-геометрического анализа для угольных месторождений со сложным горно-геологическим строением.
Основные теоретические положения, разработанные автором, в настоящее время используются в исследованиях, проводимых аспирантами Сибирского федерального университета, обучающимися по специальности «2.8.8 Геотехнологии». Так, например, метод динамического программирования, адаптированный к горному делу, использован в обосновании порядка отработки группой карьеров месторождений полиметаллических руд на Южном Урале, а основные подходы, сформулированные в исследовании режима горных работ на Нижне-Бикинском буроугольном месторождении, применены в аналогичных исследованиях на крупном Бейском каменноугольном месторождении. И это далеко не все объекты, на которых будут проведены исследования аспирантами с целью защиты кандидатских диссертаций с последующим выходом на уровень защит диссертаций на соискание учёных степеней доктора технических наук. Примечательным является то, что, как и полвека назад, эти исследования будут проводиться на месторождениях, перспективных для открытой разработки, и как своего рода существенное благо — это наличие полной информации для проведения исследовательских работ в нашей организации.
Список литературы:
1. Разработать и внедрить технологические и организационные предложения по развитию и вводу производственных мощностей разреза «Лучегорский». Отчёт МГИ / Руководитель Томаков П. И. ГР № 01860012352. — М.: МГИ, 1988. — 88 с.
2. Томаков П. И., Манкевич В. В., Зеньков И. В. Выбор порядка разработки Нижне-Бикинского буроугольного месторождения группой разрезов. Уголь, 1990, № 9, С. 17–20.
3. Зеньков И. В. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук «Обоснование порядка разработки многосвитовых пологих угольных месторождений». — М.: МГИ, 1990, 19 с.
