книги / Проектирование рудников

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Г.Н. Немтин

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РУДНИКОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2018

1

3

ВВЕДЕНИЕ

Рабочей учебной программой по дисциплине «Проектирование рудников» по основным образовательным программам подготовки специалистов по специальности 21.05.04 «Горное дело» специализации «Подземная разработка рудных месторождений» предусмотрены практические и лабораторные занятия по выбору оптимального способа вскрытия и подготовки шахтного поля в заданных горно-геологических условиях, в том числе по оптимизации длины выемочного поля по простиранию при отработке пластовых месторождений угля подземным способом и по расчету оптимальной длины очистной камеры в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей.

Практические и лабораторные занятия имеют целью закрепление и углубление знаний, полученных во время обучения, выработке умения самостоятельной творческой работы при решении конкретных инженерных задач для условий горного производства, способствуют приобретению навыков работы со справочной и научной литературой, с нормативными документами.

Занятия проводятся в аудитории с применением общедоступных средств вычислительной техники или в специализированном компьютерном классе, оборудованном персональными ЭВМ с лицензионным программным обеспечением Microsoft Office для операцион-

ных систем Microsoft Windows.

Базой для выполнения занятий являются знания, умения и навыки, полученные при изучении дисциплин «Проектирование рудников», других специальных и смежных дисциплин, а также отчетные материалы по производственной практике студента.

При проведении занятий используются презентация по дисциплине «Проектирование рудников», известные методики оптимизации размера выемочного поля по простиранию при отработке пластовых месторождений угля подземным способом [1] и расчета производительности комбайнового комплекса в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей [2, 3], а также настоящие методические указания.

4

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ ПО ВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНОГО СПОСОБА ВСКРЫТИЯ

И ПОДГОТОВКИ ШАХТНОГО ПОЛЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЯ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ

1.1. Общие сведения

Под оптимальным решением понимается лучшее из множества возможных технических решений по какому-либо критерию.

Процесс нахождения оптимального решения называют оптимизацией решения, а используемый для этого критерий – критерием оптимальности.

Критерии, которые используются при выборе оптимального решения, называются критериями оптимальности.

При проектировании и выборе основных параметров шахт в качестве критерия оптимальности может быть использован техникоэкономический показатель, отвечающий определенным требованиям:

критерий оптимальности должен обладать достаточной чувствительностью, т.е. между критерием оптимальности и оптимизируемым параметром должна быть четкая зависимость;

критерий оптимальности должен быть достаточно прост в вычислении, но не в ущерб точности расчетов.

Для выбора наилучшего (оптимального из технически возможных) варианта вскрытия и способа подготовки шахтного поля при разработке пластовых месторождений угля подземным способом широко применяются следующие критерии оптимальности:

удельные затраты;

удельные приведенные затраты;

себестоимость по системе разработки;

рентабельность;

производительность труда и трудоёмкость.

В настоящей работе при выборе оптимального способа вскрытия и подготовки шахтного поля для заданных горно-геологических

5

условий подробно рассматривается частный вопрос определения оптимального размера выемочного поля по простиранию по критерию «удельные затраты», руб./т,

Sуд = ∑S/Zпр,

где ∑S – сумма затрат, руб.; Zпр – промышленные запасы участка, для которого суммировались затраты, т.

Для оптимизации количественных параметров шахт, изменяющихся непрерывно, к которым относится оптимизируемый размер выемочного поля по простиранию, предпочтителен аналитический метод.

Метод базируется на математическом моделировании, суть ко-

торого заключается в том, что исследуемый процесс или объект описывается некоторыми математическими зависимостями.

Математическая модель, в основе которой лежит экономический критерий, называется экономико-математической моделью.

Аналитический метод оптимизации параметров шахт предусматривает составление экономико-математической модели шахты в целом или модели какой-то части шахты.

Экономико-математическая модель при проектировании шахт состоит из двух частей:

целевая функция;

ограничения.

Целевой функцией называется зависимость критерия оптимальности от параметров и характеристик проектируемого объекта:

S = F (X; Y),

где S – критерий оптимальности (например, «удельные затраты»); X – совокупность оптимизируемых параметров шахты (например, длина выемочного поля по простиранию); Y – совокупность характеристик (например, горно-геологические) шахты.

К целевой функции применяются формальные методы исследования функции на экстремумы:

при целевой функции одного параметра берется производная от целевой функции по оптимизируемому параметру, полученное выражение приравнивается к нулю, и из решения полученного уравнения находится оптимальное значение параметра;

6

при целевой функции нескольких параметров берутся частные производные от целевой функции по каждому оптимизируемому параметру, полученные выражения приравниваются к нулю, и из решения полученной системы уравнений находятся оптимальные значения всех параметров.

Ограничения в экономико-математической модели вводятся для того, чтобы полученным в результате формального исследования целевой функции на экстремумы значениям оптимизируемых параметров придать реальные значения.

Основные группы ограничений:

ограничения, связанные с соотношением линейных размеров шахтного поля и отдельных его частей (например, длина лавы не может быть больше наклонной высоты этажа);

ограничения, вытекающие из требования целочисленности

отдельных частей шахтного поля (например, количество этажей

вшахтном поле не может принимать дробное значение);

ограничения, связанные с соотношением показателей концентрации работ в отдельных частях шахтного поля (например, добыча из лавы не может быть больше добычи из выемочного поля);

ограничения, вытекающие из производительности добычных и транспортных машин (например, производительность участковой транспортной сети не может быть меньше производительности добычного комбайна);

ограничения, вытекающие из требований правил безопасности (например, максимально допустимая скорость движения воздушной струи по выработкам).

Оптимальная длина выемочного поля зависит от применяемого

способа подготовки и схемы подготовки.

Способ подготовки шахтного поля или его части – расположение подготавливающих выработок в шахтном поле или его части относительно пласта и элементов его залегания.

Различают пластовый, полевой и пластово-полевой (комбинированный) способы подготовки шахтного поля.

Схема подготовки – характерное расположение объединенных с учетом функционального назначения в единый комплекс подго-

7

тавливающих выработок, обеспечивающих деление шахтного поля на готовые к выемке части.

Различают (рис. 1) погоризонтную, панельную и этажную схемы подготовки шахтного поля.

Рис. 1. Погоризонтная (а), панельная (б) и этажная (в) схемы подготовки шахтного поля: I – бремсберговая часть; II – уклонная часть

1.2. Порядок выполнения работы

Студенту выдается типовое задание с заданными конкретными горно-геологическими и горнотехническими условиями отработки запасов угольных месторождений подземным способом (пример типового задания рассмотрен в параграфе 1.3).

В задании указаны: мощность пласта угля; вынимаемая мощность пласта угля; угол падения пласта угля; крепость пласта угля и вмещающих пород; выбросоопасность пласта и вмещающих пород; водообильность пласта и вмещающих пород; глубина горных работ; схема подготовки (этажная); наклонная высота этажа; система разработки; тип и состав механизации очистных и транспортных работ; длина лавы; параметры подготовительных выработок: количество, длина, ширина, высота, расположение в пласте; условия проведения и поддержания подготовительных выработок.

8

Необходимо аналитическим методом по критерию «удельные затраты» определить оптимальную длину выемочного поля.

В качестве примера применения аналитического метода рассмотрим решение задачи оптимизации размера выемочного поля (lвп) по простиранию при этажной подготовке (рис. 2).

hц

Lл

Нэ

Lл

Lвп

Рис. 2. Расчетная схема системы разработки длинными столбами по простиранию при этажной подготовке шахтного поля

На рис. 2 обозначено:

Lвп – длина выемочного поля, м; Lл – длина лавы, м;

hэ – наклонная высота этажа, м;

hц – ширина охранного целика между этажами, м. Решение задачи предусматривает, что известны:

система разработки;

параметры всех подготовительных выработок;

применяемое очистное и транспортное оборудование;

наклонная высота этажа (hэ).

Задача решается по критерию оптимальности «удельные затраты»:

Sуд = ∑S/Zпр, руб/т,

где ∑S – сумма затрат, руб. (суммируемые затраты зависят от решаемой задачи и определяются по стоимостным параметрам [4, 5]); Zпр – промышленные запасы участка, для которого суммировались затраты, т.

9

Сумма эксплуатационных затрат на подготовку и отработку выемочного поля, руб,

∑S = Эпров + Эпод + Этр + Эм о + Эм тр + Эд о + Эд тр + Эиз,

– эксплуатационные затраты на проведение подготовительных выработок в выемочном поле, руб.; Эпод – затраты на поддержание подготовительных выработок в период отработки выемочного поля, руб.; Этр – эксплуатационные затраты на транспорт по подготовительным выработкам выемочного поля, руб.; Эм о – эксплуатационные затраты на монтаж очистного оборудования в выемочном поле, руб.; Эм.тр – эксплуатационные затраты на монтаж транспортного оборудования в выемочном поле, руб.; Эд.о – эксплуатационные затраты на демонтаж очистного оборудования в выемочном поле, руб.; Эд.тр – эксплуатационные затраты на демонтаж транспортного оборудования в выемочном поле, руб.; Эиз – эксплуатационные затраты на изоляцию отработанного выемочного поля, руб.

1.2.1. Затраты на проведение подготовительных выработок

Сумма затрат (руб.) на проведение всех подготовительных выработок в выемочном поле определяется по уравнению:

Эпров = ∑(Эпров.i),

где Эпров.i – затраты на проведение i-й выработки, руб.:

Эпров.i = pi·li,

где pi – стоимость проведения 1 м i-й выработки, руб./м; li – длина i-й выработки, м.

Для участковых штреков и просеков длина выработки l равна длине выемочного поля по простиранию lвп, которая и является предметом решения рассматриваемой задачи.

Для остальных выработок выемочного поля (участковых квершлагов, участковых бремсбергов, печей, скатов, сбоек и т.д.) длина выработок известна.

Общие затраты (руб.) на проведение всех выработок в выемочном поле определяются так:

10