Статистическим анализ зольности и влажности угля Харанорского буроугольного месторождения

Самойленко Алексей Геннадьевич

Представлен обзор угольных месторождений Забайкальского края, раскрыта актуальность вопроса управления качеством добытого бурого угля и необходимость проведения исследований качественных характеристик харанорского угля. Описана технология опробования угольных пластов на «Разрезе Харанорский». Следует отметить, что проведенный статистический анализ зольности дает подробную оценку качества углей при изменении направления падения пласта, простирания пласта. При анализе особое внимание уделяется зольности и влажности добытых углей по кварталам. Выявлены тенденции в изменении зольности на участках. Выполнены расчеты доверительных интервалов для средних значений зольности за 1-е и 2-е полугодие 2010 г. и за 1-е полугодие 2011 г. Проведенные исследования с высокой долей вероятности позволяют эффективно планировать горные работы на «Разрезе Ха- ранорский» и выбирать оптимальное направление фронта работ

Угледобывающая промышленность России относится к одной из базовых жизнеобеспечивающих отраслей промышленной индустрии, определяющей устойчивое функционирование объектов экономики. При этом важнейшей составляющей топливной базы Российской Федерации являются бурые угли, на долю которых из общих разведанных запасов углей в стране приходится 103,11 млрд т или 51,4 % [1, 10].

Потребность в буроугольном топливе ежегодно возрастает. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2020 г.», в ближайшее десятилетие спрос на бурые угли со стороны тепло- и электроэнергетики увеличится в 1,5.2 раза, что в среднем составит 60.75 млн т/год. Поэтому к 2020 г. объемы добычи бурого угля планируется довести до 105...142 млн т/год [6, 8].

В Забайкальском крае открыто и разведано 23 месторождения бурых углей. Большинство из них пригодно для разработки высокоэффективным открытым способом (Харанорское, Татауровское, Тарбагатай- ское, Уртуйское и др.). Наиболее важным и перспективным для промышленного освоения является Харанорское буроугольное месторождение — основная эксплуатируемая топливно-энергетическая база Забайкальского края, т.к. запасы бурого угля в месторождении значительны и составляют 1 105 915 тыс. т (25 % от общих разведанных запасов угля в крае) [2, 3, 4].

Добываемые бурые угли поставляются на тепло- и электростанции Читаэнерго, Амурэнерго, Хабаровскэнерго, Дальэнерго и используются в коммунально-бытовом секторе.

Качественные характеристики хара- норского угля варьируют в широком диапазоне, поэтому требования потребителей к его качеству в настоящее время значительно возросли. Анализ статистического материала и обобщение результатов ранее выполненных исследований показывают, что вопросы управления качеством добытого бурого угля исследованы недостаточно полно. Поэтому изучение свойств, состава, потребительской ценности бурых углей, контроль и управление их качеством в режиме усреднения с учетом технологических возможностей, а также технических и договорных требований к качеству является актуальной задачей повышения эффективности открытой разработки Харанорского буроугольного месторождения.

Необходимость проведения дополнительных исследований качественных характеристик харанорского угля обусловлена сложностью строения пласта За- сбросовой части карьерного поля № 1. Залегающий здесь пласт Новый 1а содержит % всех запасов. Пласт содержит до 10 породных прослойков мощностью 0,1...3,6 м. Породные прослойки мощностью более 1 м подлежат селективной выемке и занимают внутри пласта три стратиграфических уровня. Зольность угольной массы по годам эксплуатации 1990-2011 гг. колеблется от до 18,6 % при среднем значении 16,4 % [5].

Необходимо отметить, что после 1997 г. зольность харанорских углей превышает среднее значение. Кроме того, проектные среднегодовые значения зольности, полученные по данным бурения 33-х скважин по сетке 250х250 м, не могут характеризовать вероятный диапазон колебаний зольности ежесуточно в каждом добычном забое [9].

Черемховская ГРП провела на Хара- норском месторождении контрольное бурение на Засбросовой части карьерного поля № 1. Всего было пробурено 36 скважин (№ 7, 12-46) глубиной 34... 130 м. Средние значения пластовой зольности и рабочей влажности составили, соответственно и 38,2 % [7].

При статистической обработке результатов Черемховской ГРП нами использованы данные по 33 скважинам ( три скважины как безугольные не использованы) . Анализ выполнен по шести выборкам — три выборки сгруппировали скважины по падению пласта, т.е. в направлении подвигания фронта работ, и три выборки по простиранию пласта с севера на юг, т.е. вдоль фронта работ (табл. 1).

Статистический анализ (выполнен на ПЭВМ IBM PC-AT/386 по стандартной программе STATGRAF -процедура «Описательная статистика») показывает, что значения зольности колеблются в весьма широком диапазоне: 6,4 (скв. 22)...55,6 % (скв. 41), при этом 50 % значений находится в диапазоне 17,0...30,3 %, четвертая часть значений (нижняя квартиль) — 6,4 ...17,0 % и четвертая часть (верхняя квартиль) — 30,3...55,6 %.

Наблюдается повышение среднего значения зольности (А4, %) по падению пласта (рис. 1):

— на начальном этапе разработки средняя величина зольности угля составляет

% (колебания зольности в скважинах выборки 1 — 6,4.28,1 %);

— в центральной группе — 25,3 % (колебания в скважинах выборки 2 составляют 8,0.36,2 %);

— в контурных скважинах — 35,1 % (колебания в скважинах выборки 3 составляют 18,0.55,6 %).

Таблица 1

Выборки скважин для статистического анализа зольности и влажности по данным Черемховской ГРП

Рис. 1. Изменение зольности угля по падению пласта

По простиранию средняя величина зольности угольного пласта (Ad, %) увеличивается с севера на юг (рис. 2):

в северной группе скважин (выборка 1) средняя величина зольности угля составляет 15,5 % (колебания 6,4...50,0 %);

в центральной группе (выборка 2) — 24 % (колебания 12,0.41,3 %) ;

в южной группе (выборка 3) — 35,8 % (колебания 16,0.55,6 %).

Влажность угля (W, %) колеблется в меньшей степени — от 20,6 % (скв. 26) до 50,3 % (скв. 25), составляя в среднем 38,3 %, при этом 50 % значений находятся в диапазоне 37,6...40,1 %.

Доверительный интервал для среднего (с надежностью 95 %) находится в пределах 34,7.40,5 % для северной группы скважин и в пределах 35,8.42,1 % для южной группы скважин.

Наблюдается некоторое уменьшение влажности по падению пласта: 1-я выборка — 41,3 % (31...50 %), 2-я выборка — 36,6 % (24...40 %), 3-я выборка — 30,2 % (20...39 %) (рис. 3).

Рис. 2. Изменение зольности угля по простиранию пласта

Рис. 3. Изменение влажности угля по падению пласта

Незначительное повышение влажности угля наблюдается в направлении с севера на юг по простиранию пласта (северная группа — 30,48 %, в центре — 32,94 %, южная — 39,48 %) (рис. 4).

В 2012 г. по фактическим данным опробования по трем добычным забоям на участках разреза (экскаваторы № 87, 75 и 83) выполнен углубленный статистический анализ. Вначале получены сводные статистические данные за каждый месяц, после чего среднемесячные (в отдельных случаях средние за 15-20 дней) значения использованы для статистического анализа данных за полугодия и за год в целом. Всего использовано 248 значений зольности и 239 значений влажности.

Рис. 4. Изменение влажности угля по простиранию пласта

Зольность угля на участке колебалась от 7,3 (15 марта) до 58,9 % (15 июня), т.е. практически в тех пределах, что и по данным Черемховской ГРП. При этом минимальные значения (за периоды 15...30 дней) колебались в пределах от 7,3 (март) до 18,1 % (первая половина мая), а максимальные значения — от 25,3 (декабрь) до 58,9 % (первая половина июня).

Среднемесячные значения зольности колебались не столь значительно — от 18,1 в марте до 27,2 % в июне.

Среднее значение зольности за первое полугодие равно 23,61 % или на 0,9 % больше, что подтверждает тенденцию увеличения зольности в направлении фронта добычных работ.

Влажность угля на участке колебалась от 25,5 (15 марта) до 42,0 % (15 мая), т.е. в более узком диапазоне, чем по данным Черемховской ГРП. Минимальные значения (за периоды 15-30 дней) колебались в пределах от 25,5 (март) до 37,2 % (вторая половина февраля), а максимальные значения — от 39,0 (первая половина января и в ноябре) до 42,0 % (вторая половина мая). Среднемесячные значения влажности колебались очень незначительно от 36,6 в марте до % в ноябре. Среднее — от 36,6 в марте до 38,5 % в ноябре.

Среднее значение влажности за первое полугодие составило 37,7 %, за второе полугодие — 37,88 %, в целом за 2012 г. — 37,78 %. Влажность угля на участке была немного меньше средней влажности по разрезу в целом на 0,67.0,95 % (с доверительной вероятностью 99,9 %).

Анализ данных в первом полугодии 2013 г. проведен с целью установления статистических закономерностей зольности, влажности и добычи угля на трех добычных участках и по разрезу в целом, позволяющих обоснованно прогнозировать их вероятное изменение и оценить возможности управления качеством угля в режиме усреднения.

Зольность угля на участке колебалась от 13,9 (8 июня) до 27,8 % (15-17 января), т.е. в более узком диапазоне, чем в 2012 г.

При этом минимальные значения ( за период одной декады) колебались в пределах от 13,9 (1-я декада июня) до 20,1 % (3-я декада марта), а максимальные значения — от 18,5 % (2-я декада апреля) до % (2-я декада января). Среднедекадные и среднемесячные значения колебались в пределах, соответственно, от 17,08 (1-я декада июня) до 24,84 % (2-я декада января) и от 17,9 (июнь) до 22,43 % (январь) (табл.2).

Таблица 2

Сравнение средневзвешенных и среднестатистических значений зольности на участках разреза в 2013 г.

Следует отметить, что среднестатистические данные за декаду и за месяц отличаются от средневзвешенных не более чем на 0,39 и 0,40 % (по абсолютной величине, относительная разность не превышает 1,8 %). Разность средних значений составила, соответственно, минус 0,028 % и плюс 0,052 %, а за полугодие в целом плюс 0,015 % или (0,015/20,245)*100 %= 0,07 % (табл. 2). Следовательно, среднестатистическими данными зольности до уровня среднедекадных значений можно оперировать без существенной потери достоверности.

С целью выявления тенденций в изменении зольности на участке выполнены расчеты доверительных интервалов для средних значений зольности за 1-е и 2-е полугодие 2012 г. и за 1-е полугодие 2013 г. (табл. 3).

Таблица 3

Статистические характеристики зольности угля на участках разреза в 2012 и 2013 гг.

Результаты расчетов показывают, что среднее значение зольности во 2-м полугодии 2012 г. на 0,90 % больше, чем среднее значение зольности в 1-м полугодии, но нельзя со 100 %-ной уверенностью считать, что имела место устойчивая тенденция к увеличению зольности. В 1-м полугодии 2013 г. зольность угля снизилась по сравнению со средним значением за 2012 г. на 2,9 %, по сравнению с 1-м полугодием на 2,48 % и по сравнению со 2-м полугодием — на 3,38 %.

Как видно из сравнения доверительных интервалов, за исследованные периоды среднее значение за 1-е полугодие 2013 г. с доверительной вероятностью Р = 95 %, не входит в доверительные интервалы средних значений зольности за 2012 г. (то же и для Р = 99,9 %). Аналогично средние значения зольности за 2012 г. не входят в доверительные интервалы для среднего за 1-е полугодие 2013 г. как при Р = 95 % так и при Р = 99,9 %. Вероятность того, что среднее значение зольности за 1-е полугодие 2013 г. меньше средней зольности за 1-е полугодие г. на 0.0,73 % составляет 84,4 % и на 0.4,23 % — 96,6 %, а в среднем на 2,48 % - 90,5 %.

Вероятность же того, что средняя зольность за 1-е полугодие 2012 г. на 0,11 % больше средней зольности за 1-е полугодие г. не превышает [(20,65 — 20,54)/ (20,65 — 19,81)]*99,9 = 13,1 %. Средняя зольность за 1-е полугодие 2013 г. со 100 %-ной вероятностью меньше средней зольности за весь 2012 г. на 1,03.4,69 % или в среднем на 2,86 %.

Зольность за 2013 г. отличается высокой стабильностью — среднеквадратические отклонения в несколько раз меньше, чем в 2012 г., соответственно, значительно меньше величины доверительных интервалов: +/-1,29% в 1-м полугодии 2012 г., +/- 0,97 % во 2-м полугодии 2012 г., +/-0,25 % в 1-м полугодии 2013 г. для Р = 95 %.

Доверительные интервалы при Р = % больше доверительных интервалов при Р = 95 % в 1,68 раз (например, в 1-м полугодии 2012 г. он составляет: +/- 1,29*1,68 = +/-2,17 %).

Средняя зольность угля в 2013 г. на участках 1 и 6 меньше, чем на участке 3, соответственно, на 3,3 и 2,3 % (табл. 4). На этих участках колебания зольности также значительно меньше — среднеквадратические отклонения и коэффициенты вариации почти в 3 раза меньше, чем на участке 3.

Расчеты доверительных интервалов для средних значений зольности по участкам и по разрезу в целом показывают, что с высокой степенью надежности (доверительная вероятность Р = 99,9 %) фактическая средняя зольность угля на участке 1 превышает среднее значение (норма) и предельно допустимое согласно ТУ-63-6704-85, соответственно, на 2,8.3,1 % и 0,2...0,5 % (табл. 5).

Таблица 4

Таблица 5

Статистические характеристики зольности по участкам и разрезу в целом за 2012 г. и 1-е полугодие 2013 г.

Технические условия на угли «Разреза Харанорский»ТУ-63-67-04-85

В свою очередь, среднее значение зольности на участке № 6 меньше средней зольности, согласно ТУ, на 0,5...0,8 %.

Эти отклонения не обусловлены технологическими факторами или систематическими ошибками определения зольности службой ОТК, а являются объективной характеристикой природного состояния угля, поэтому могут служить основанием для корректировки ТУ на угли «Разреза Харанорский».

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

среднестатистическими данными зольности до уровня среднедекадных значений можно оперировать без существенной потери достоверности. Среднестатистические данные за декаду и за месяц отличаются от средневзвешенных не более чем на 0,39 и 0,40 % соответственно;

наблюдается повышение среднего значения зольности угля по падению пласта: на начальном этапе разработки средняя величина зольности угля составляет 17,3 % (6,4...28,1 %); в центральной части исследуемого участка месторождения — 25,3 % (8,0...36,2 %); по контуру месторождения

35,1 % (18,0...55,6 %);

по простиранию средняя величина зольности угля увеличивается с севера на юг: в северной части исследуемого участка месторождения она составляет 15,5 % (колебания 6,4.50,0 %); в центральной части

24 % (колебания 12,0.41,3 %); в южной части — 35,8% (колебания 16,0.55,6 %);

влажность угля колеблется в меньшей степени — от 20,6 % (скв. 26) до 50,3 % (скв. 25), составляя в среднем 38,3 %, при этом 50 % значений находятся в диапазоне 37,6...40,1 %;

Список литературы

Андрейчук Д.А. Эколого-экономические аспекты состояния угольной промышленности Читинской области // Вестник ЧитГУ. Вып. 36. Чита: ЧитГУ, 2004. С. 74-81.

Гулидов Р.В., Калашников В.Д.Угольные ресурсы в стратегическом развитии ТЭК Дальнего Востока России // Горный журнал. 2006. № 4. С. 46-48.

Куклина Г.Л. Системная оценка качества использования углей Восточного Забайкалья и их рациональное использование: автореф. дис. канд. техн. наук. М., 2003. 20 с.

Наркелюн Л.Ф., Офицеров В.Ф. Комплексное использование ископаемых углей. Чита: ЧитГТУ, 2000. 271 с.

Овешников Ю.М., Субботин Ю.В., Самой- ленко А.Г. Состояние, проблемы и перспективы разработки Харанорского месторождения бурых углей // Кулагинские чтения: XII Междунар. науч.-практ. конф. Чита: ЗабГУ, 2012. Ч. VI. C. 75-77.

Секисов Г.В. Основы минералопользова- ния. Владивосток: Дальнаука, 1998. 289 с.

Сидорова Г. П. Качество бурых углей Восточного Забайкалья // Горный журнал. № 5. 2010. С. 39-41.

Скурский М.Д. Недра Забайкалья. Чита: РАЕН, 1996. 695 с.

Субботин Ю.В., Овешников Ю.М., Цино- шкин Г.М., Самойленко А.Г. Управление качеством бурых углей Харанорского месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. №

М.: Горная книга, 2012. С. 64-72.

Яковлев В.Л. Мировые и российские тенденции в производстве и потреблении минерального сырья // Известия вузов. Горный журнал № 2. 2006. С. 25-29.