Институт угля Федерального Исследовательского Центра Угля и Углехимии СО РАН и его значение в научном обеспечении Кузбасса

В.И. Клишин, д-р техн. наук, проф., чл.-корр. РАН, член АГН, директор ИУ ФИЦ УУХ СО РАН

Институт угля ФИЦ УУХ СО РАН, отметивший в этом году 35-летний юбилей, организован Постановлением Президиума Сибирского отделения Академии наук СССР № 430 от 4 октября 1983 г. в соответствии с распоряжением Совета Министров СССР № 1344р от 18 июля 1983 г., Постановлением Президиума Академии наук СССР № 1050 от 22 сентября 1983 г. на базе Комплексного отдела физико-химических и экологических проблем Института неорганической химии СО АН СССР и Кузбасского комплексного отдела Института горного дела СО АН СССP.

Организация угольного академического института на территории Кузнецкого угольного бассейна обусловлена богатейшими запасами полезных ископаемых, прежде всего высококачественных углей. Необходимость высокопроизводительной добычи и эффективной переработки углей на месте определили научные направления и структуру Института угля СО АН СССР.

Организатором и первым директором Института стал чл.-корр. РАН, Лауреат Государственной премии СССР Грицко Г.И. Современный Институт угля ФИЦ УУХ СО РАН – единственный институт в России, занимающийся узловыми проблемами освоения угольных месторождений: безопасностью добычи угля и процессами сдвижений углевмещающего массива при ведении горных работ; метановыделения в горные выработки; разработкой методик ведения горноспасательных работ и технологий извлечения угольного метана, средств и технологий отработки угольных пластов; вопросами угольного машиноведения. Уникальные научные разработки Института, связанные с эффективными и безопасными технологиями разработки угольных месторождений, проблемами извлечения и утилизации метана и созданием горношахтного оборудования нового типа, нашли широкое применение в шахтах РФ и вызывают активный интерес за ее пределами.

Сегодня Институт угля выполняет научно-исследовательские работы по приоритетному направлению IX.132 «Комплексное освоение и сохранение недр Земли, инновационные процессы разработки месторождений полезных ископаемых и глубокой переработки минерального сырья». В состав Института входит 7 научных лабораторий и Кабинет истории угольной промышленности Кузбасса, хранящий уникальные коллекции и архивы угольной науки. Сегодня создан и начинает функционировать «Испытательный центр горношахтного оборудования и апробации инновационных технологий угледобычи и переработки », включающий универсальную стендовую базу для проведения исследований по всем направлениям деятельности Института.

Кроме фундаментальных НИР Институт угля выполняет работы по ряду проектов и грантов РФФИ, РНФ и ФЦП. При участии Института создано два малых инновационных предприятия.

Направление «Развитие и разработка инновационных геотехнологий и средств выемки мощных пологих и наклонных угольных пластов механизированными крепями с регулируемым площадным выпуском угля подкровельной толщи»

В последнее десятилетие угольная промышленность России стабильно работает в режиме самоокупаемости и прибыльности. Финансовому оздоровлению угольной отрасли способствовал рост экспортного спроса на уголь. В XXI в. резко вырос объем добычи угля, а его экспорт увеличился более чем в 2 раза. Укрепление отрасли обеспечивалось главным образом ростом добычи угля в Кузбассе, на долю которого приходится более 56,6% всего добываемого в России угля и почти 77% всего добываемого коксующегося угля.

Подземная разработка угля длинными очистными забоями – на сегодня стала наиболее эффективным способом его подземной добычи. Значительная часть мировых запасов угля сосредоточена в мощных (более 5 м) пластах, и эти запасы представлены углем самого высокого качества. В Российской Федерации мощные пласты отрабатываются на шахтах Кузнецкого (65% добычи), Печорского (12%) и Челябинского (8%) бассейнов. В небольших объемах разрабатываются мощные пласты на шахтах АО «Приморскуголь», «Востсибуголь», «Сахалинуголь», «Красноярскуголь» и «Северовостокуголь».

При подземной разработке мощных крутых угольных пластов наибольшую актуальность сохраняют: высокие травматизм, доля ручного труда, аварийность; низкие технико-экономические показатели; сложность управления горным давлением. Например, уровень аварийности и травматизма при подземной разработке таких пластов в 4–8 раз выше, чем при отработке пологих пластов. Из большого числа апробированных систем разработки наиболее эффективной и безопасной признана система с гравитационным выпуском полезного ископаемого из подэтажной вышележащей пачки, подготовленной буровзрывным способом. Такие системы позволяют механизировать процессы добычи, улучшают проветривание очистного забоя, обеспечивают безопасность работ, снижают потери и разубоживание полезного ископаемого.

В технологиях разработки мощных угольных пластов с применением механизированных крепей, обеспечивающих выпуск угля из подкровельной или межслоевой толщи, заложен один из важнейших физических эффектов – разрушение угольной толщи, основанное на использовании сил горного давления. Это позволило придать механическим комплексам дополнительные функции, связанные с управлением процессом извлечения угля, находящегося над крепью или обрушающегося позади нее.

В мировой практике разработки мощных угольных пластов пологого залегания сформировались два четко различающихся направления: послойная выемка и выемка пласта на всю мощность с подсечным слоем и выпуском угля из подкровельной толщи. Для технологий слоевой выемки характерны большие потери угля и, как следствие, высокая опасность возникновения эндогенных пожаров. Поэтому к наиболее предпочтительному направлению в технологии отработки мощных пластов следует отнести их выемку на полную мощность с выпуском угля из подкровельной или межслоевой толщи в подсечной слой. Работы по особо мощным комплексам (до 7 м) имеют ограниченную область применения.

Преимущества новых технологий заключаются в значительном сокращении объемов подготовительных работ, капитальных и эксплуатационных затрат, снижении энергоемкости системы и опасности самовозгорания угля, а также возможности разработки пластов в сложных условиях и извлечение запасов из оставленных ранее охранных целиков. Это позволяет повысить эффективность и безопасность отработки пластов, повысить нагрузку на пласт и концентрацию горных работ.Рис. 1 Комплекс с выпуском угля в верхней части ограждения на забойный конвейер

Рис. 1 Комплекс с выпуском угля в верхней части ограждения на забойный конвейер

Известны два варианта технологии отработки пластов с использованием средств механизации и выпуском подкровельной (межслоевой) толщи угля:

1) на забойный скребковый конвейер (рис. 1) отрабатываемого слоя, применяемый в комплексах КТУ, КНКМ (Россия), VHP-731 (Венгрия) и др.;

2) на дополнительный завальный скребковый конвейер (рис. 2), располагаемый в завальной части лавы, предусмотренный например в комплексах ОКПВ-70, КМ81В (Россия), ZFS (Китай) и др.Рис. 2 Комплекс с выпуском угля у почвы пласта на завальный конвейер

Рис. 2 Комплекс с выпуском угля у почвы пласта на завальный конвейер

Особенности первого варианта технологии состоят в расположении выпускного отверстия вблизи забоя, что позволяет использовать секции крепи небольшого размера по длине, не обеспечивая при этом необходимой подготовки угля выпускаемой толщи к самообрушению (из-за малого расстояния от верхняка крепи до люка). Поэтому даже при малом угле наклона пласта возникает необходимость обязательного разрыхления угля. В дополнение к данному недостатку, выпуск угля сопровождается значительным пылевыделением, которое приводит к повышению опасности производства добычных работ.

Во втором варианте технологии – при выпуске угля на завальный конвейер создаются благоприятные условия деформирования и разрушения подкровельной толщи. В этом случае создаются благоприятные условия деформирования и разрушения подкровельной толщи, но требуется значительное увеличение размеров секции крепи и введения дополнительного завального конвейера. Вследствие этого конструкция крепи усложняется и возникает необходимость в перегрузочном устройстве на сопряжении лавы с конвейерным штреком, что создает дополнительные трудности при его обслуживании.

Наряду с бесспорными преимуществами технологии с выпуском угля, известны и трудности ее воплощения. В первую очередь они обусловлены требованиями полноты выпуска угля и его механизации, обеспечения безопасности и эффективности работы очистного забоя. Потери угля в обрушенном пространстве лавы, как мы уже отмечали, чреваты рисками его самовозгорания. Кроме того, при выпуске угля происходит его перемешивание с обрушенными породами кровли, что повышает зольность угольной массы. Эта особенность требует детального изучения процесса выпуска угля в подсечной слой и разработки принципиально новой конструкции всего добычного комплекса.

Для эффективного воплощения технологии подземной отработки мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной толщи предложена современная механизированная крепь с регулируемым управляемым выпуском.

В основу конструкции положено использование регулируемых по производительности питателей в секциях крепи, установленных в специальные окна в поддерживающей части, что обеспечивает управляемый площадной выпуск по длине лавы, позволяющий получить повышенные технико-экономические показатели очистных работ.

Эти новшества позволяют создать общий поток угля над механизированным комплексом, что обеспечивает полноту выемки угля и снижение его разубоживания. Кроме того, они позволяют управлять загрузкой лавного конвейера и отказаться от использования дополнительного конвейера, усложняющего технологию и весь комплекс работ, особенно на сопряжении лавы с подготовительными выработками. Для разработки мощных крутых угольных пластов предложен комплекс, состоящий из двух секций, между которыми установлен став перегружателя. Секции связаны со ставом перегружателя гидроцилиндром подачи.

Одно из существенных достоинств этого комплекса состоит в организации выпуска угля из потолочины с возможностью регулирования ширины потока, с помощью последовательного открывания выпускных окон в ограждениях секций, обеспечивая тем самым полноту выпуска отрабатываемого пласта (рис. 2). Конструкция питателя рассчитана на работу в тяжелых условиях – под завалами угля (рис. 3).Рис. 3 Общий вид конструкции механизированной крепи с регулируемым выпуском угля на забойный скребковый конвейерРис. 3 Общий вид конструкции механизированной крепи с регулируемым выпуском угля на забойный скребковый конвейер

Рис. 3 Общий вид конструкции механизированной крепи с регулируемым выпуском угля на забойный скребковый конвейер

Для разработки мощных крутонаклонных угольных пластов (до 40°) (рис. 4) предложена шагающая крепь, отличающаяся простотой конструкции, удобством управления и большей полнотой выпуска угля из потолочины.Рис. 4 Элементы технологии и комплекс для отработки мощных крутых угольных пластов

Рис. 4 Элементы технологии и комплекс для отработки мощных крутых угольных пластов

Надежность ее передвижения по нижерасположенному угольному блоку обеспечивается принципом перемещения – шаганием (рис. 5).Рис. 5 Шагающая крепь для разработки мощных крутонаклонных угольных пластов

Рис. 5 Шагающая крепь для разработки мощных крутонаклонных угольных пластовРис. 5 Шагающая крепь для разработки мощных крутонаклонных угольных пластов

Вышепредставленные технология и оборудование будут наиболее подходящими к условиям Тувинской энергетической промышленной корпорации (ТЭПК), крупных угледобывающих компаний, работающих в Кузбассе (ОАО «СУЭК», ОАО «Мечел» и др.), Грузии, Вьетнама, Индонезии, Индии. В ходе исследований нами выполнено лабораторное и численное моделирование процесса управляемого выпуска, что подтвердило работоспособность новой конструкции (рис. 6).Рис. 6 Элементы и стадии моделирования процесса выпуска угля

Рис. 6 Элементы и стадии моделирования процесса выпуска угля

Направление «Безопасность ведения подземных работ»

Невзрывной способ разупрочнения основной кровли методом направленного гидроразрыва Неожиданные неуправляемые динамические обрушения прочных кровель наносят большой вред – они опасны для жизни и здоровья людей, разрушают механизмы и горные выработки.

Кроме этого, на пластах, склонных к горным ударам и внезапным выбросам угля и газа, зависание трудно-обрушающейся кровли увеличивает напряжения в краевой части пласта очистного забоя и на сопряжениях его с горными выработками, что провоцирует и вызывает динамические и газодинамические явления. В конечном итоге это приводит к разрушению горных выработок и нарушению нормального режима работы добычного транспорта и проветривания забоев.

Особо следует отметить, что в таких условиях метан скапливается за очистным комплексом и, при обрушении кровли, становится причиной залпового выброса метана в подготовительные выработки, резко повышающего в них содержание метана. Выброс газа сопровождается мощной ударной волной, которая вызывает разрушение выработок и может вызвать воспламенение и взрыв газа и угольной пыли.

Крупные аварии в Кузбассе на шахтах «Тайжина» – 2004 г. и «Ульяновская» – 2007 г. (ОАО «Южкузбассуголь») произошли в очистных забоях, использующих самую современную технику с комфортными рабочими местами. Одной из основных причин взрыва метана стало обрушение кровли на значительной площади при отходе лавы, что привело к образованию избыточного вентиляционного давления, выделению метана и угольной пыли в действующие горные выработки.

Этого могло не произойти в случае своевременного искусственного обрушения основной кровли – принудительной ее посадке. Именно поэтому в приказе Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору № 451 от 5 июля 2007 г. в мероприятиях по устранению причин аварии на филиале «Шахта Ульяновская» указано, что при работе механизированных лав с нагрузкой 5000 т/сут и более, до начала очистных работ необходимо производить разупрочнение пород кровли (п. 5.3.9.).

С этой целью нами предложена безвзрывная технология – на основе метода направленного гидроразрыва кровли (НГР), не имеющего аналогов в мире, позволяющая эффективно решать проблемы борьбы с динамическими проявлениями горного давления. И сегодня специалисты Института угля выполняют комплекс работ по оказанию высокотехнологической услуги, как неотъемлемой части технологического процесса по обеспечению безопасной подземной разработки угля в Кузбассе.

Для технологии НГР создан и испытан на шахтах полный комплект оборудования, состоящий из бурового станка, щелеобразователей, пакерных устройств, установки для нагнетания воды в пласт. В эффективности этой технологии убедились ряд российских шахт: в последние годы он широко использовался на шахтах Алардинская, Распадская и Есаульская в различных технологических схемах, а также в Польше, где он внедряется в настоящее время – как метод борьбы с горными ударами (рис. 7).Рис. 7 Схема и оборудование НГР

Рис. 7 Схема и оборудование НГР

Направление «Методы и средства оценки газоносности угольных пластов в подземных условиях для принятия решения о проведении дегазации» В настоящее время нами разработана методика по определению газоносности угольных пластов в процессе угледобычи и принятия решения о проведении их дегазации, согласованная с Ростехнадзором и рекомендованная к использованию на угольных шахтах РФ.

Особенность методики заключается в том, что угольные пробы отбираются в подземных горных выработках с помощью специально разработанного устройства – кернонаборника. По результатам оценки газоносности можно судить о необходимости проведения дегазации, определять ее параметры и контролировать ее эффективность (рис. 8).Рис. 8 Средства и инструменты для оценки газоносности угольных пластов

Рис. 8 Средства и инструменты для оценки газоносности угольных пластов

Направление «Применение геофизических методов исследования геологических нарушений» Для определения условий залегания угольных пластов разработан метод сейсмо-акустического профилирования. С его помощью уточнены условия залегания угольных пластов и свойства вмещающих пород разреза «Моховский», изучен участок внешнего отвала разреза «Заречный» ОАО «СУЭК-Кузбасс» – после схода оползня, а также оценено состояние береговой зоны искусственно проложенного отвода реки Кыргай для расширения ее русла (рис. 9).Рис. 9 Применение геофизических методов исследования нарушений

Рис. 9 Применение геофизических методов исследования нарушений

Направление «Методы и средства интенсификации пластовой дегазации с последующей утилизацией шахтного метана»

Метанообильность шахт – одна из важнейших особенностей эксплуатации угольных месторождений в России. Применяемыми на действующих шахтах средствами дегазации извлекается лишь незначительная часть метана. На газообильных шахтах формируется газовый барьер, препятствующий повышению нагрузок на очистной забой. На сегодня самая сложная для решения задача – повысить газоотдачу угольного пласта. С этой целью выполняются исследования видов и закономерностей накопления метана в углепородном массиве и процессов его высвобождения. На основе ориентированного поинтервального гидроразрыва пласта разработаны технологии и технические средства интенсивности газовыделения в дегазационные скважины. Вместе с тем расширяем возможности пластовой дегазации, увеличиваем выход метана из пласта, обеспечивая безопасность труда шахтеров, и сокращение его возможного выброса в атмосферу.

Выполнен комплекс работ по разработке и обоснованию технологических схем утилизации шахтного метана на ш. им. С.М. Кирова. Разработана проектная документация на переработку шахтного метана и введена в промышленную эксплуатацию минитепло-электростанция мощностью 1 МВт (рис. 10).Рис. 10 Основные компоненты миниэлектростанции, перерабатывающей шахтный метан

Рис. 10 Основные компоненты миниэлектростанции, перерабатывающей шахтный метан

В настоящее время организована утилизация угольного метана шахты «Комсомолец» в генераторной станции 0,4 МВт и в контейнерной газоутилизационной установке (КГУУ) для выработки электрической и тепловой энергии. Направление «Программные комплексы для моделирования аварийных ситуаций в угольных шахтах» Разработаны математические модели и методы расчета зон поражения при взрывах газа в шахте, противопожарного водоснабжения и аварийного проветривания горных выработок, учитывающие временной характер развития аварии. На их основе разработаны уникальные, не имеющие аналогов за рубежом, программные комплексы «Вентиляция», «Водоснабжение, «Ударная волна». В настоящее время такие комплексы используются на всех угольных шахтах РФ, в отрядах ВГСЧ МЧС России, проектными организациями и правительственными комиссиями, расследующими причины аварий. Они стали одними из первых внедренных передовых компьютерных технологий в угольной промышленности России (рис. 11).Рис. 11 Применение геофизических методов исследования нарушений

Рис. 11 Применение геофизических методов исследования нарушений

Направление «Методы и методики технологий диагностики состояния потенциально опасного оборудования, испытания и восстановления ресурса горнодобывающего оборудования и инструмента» Разработанные методики позволяют оценивать изменения микроструктуры и полей внутренних напряжений, накопление микроповрежденности при эксплуатации оборудования – по акустическим и магнитным характеристикам и выявлять стадию накопления критической поврежденности, предотвращая аварийные ситуации и техногенные катастрофы. В настоящее время они используются для диагностики уникальных крупногабаритных машин на открытых горных работах и редукторов нового типа, разрабатываемых специалистами АО «Анжеромаш» для подземных конвейеров (рис. 12).Рис. 12 Стенд для диагностики редукторов нового типа

Рис. 12 Стенд для диагностики редукторов нового типа

Направление «Энергоэффективные теплообменные аппараты промышленного назначения» Теплообменные аппараты, использующие в качестве теплоносителя горячую воду, остаются одними из самых эффективных и экономичных для обогрева помещений большого объема.

Предлагаемые водяные калориферы созданы на основе 4 основных организационно-технологических решений:

– уникальная и недорогая технология деформирующего резания при оребрении труб, обеспечивающая увеличение коэффициента теплопередачи;

– перекрестно-противоточное соединение теплообменных труб, позволяющее вдвое сократить расход теплофикационной воды;

– спирально-направленное движение теплоносителя, исключающее отложение накипи в трубах котлов и калориферов;

– система дистанционного автоматического управления (СДАУ).Рис. 13 Новые теплообменные аппараты и технология оребрения

Рис. 13 Новые теплообменные аппараты и технология оребрения

Дополнительное преимущество калориферов новой конструкции проявляется при работе приточновентиляционных систем (использующих наружный воздух) на всех промышленно-социальных объектах (особенно с вредным производством).

Исчерпывающий перечень работ и проектов, выполняемых в Институте угля Федерального Исследовательского Центра Угля и Углехимии Сибирского отделения РАН, представлен на официальном сайте www.icc.kemsc.ru

Ключевые слова: ФИЦ УУХ СО РАН, Кузбасс, Институт угля, технологии, разработки

Журнал "Горная Промышленность" №5 (141) 2018, стр. 40