Систематизация основных направлений инновационных решений в угольной промышленности России. Основные инновационные решения в области добычи угля
Л.С. Плакиткина, к.т.н., зав. лабораторией «Научных основ развития и регулирования угольной и торфяной промышленности» Института энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН)
Основные направления инновационных решений в угольной промышленности России приведены на рис. 1.
По каждому из этих девяти направлений установлены свои инновационные решения в угольной промышленности. Основные инновационные решения и конкретные проекты в области добычи угля, которые уже внедрены или находятся в стадии внедрения в отдельных угольных компаниях, рассмотрены ниже. Данные проекты, в случае достижения достаточной экономической эффективности, достойны рассмотрения и тиражирования в других угольных компаниях.
Основные инновационные решения в области добычи угля
Основные инновационные решения области добычи угля приведены на рис. 2.
Совершенствование процессов добычи угля будет осуществляться путем реализации инновационных технологий, освоение которых намечается в два этапа.
На I этапе (2015–2020 гг.) планируется переход к автоматизированным, компьютеризированным и роботизированным технологиям добычи угля, включая внедрение проектов «Умная шахта» и «Умный разрез». Предусматривается разработка, внедрение и использование прогрессивных технологий добычи угля. Это в основном циклично-поточные, поточные технологии, роботизированные технологии, гидрогенизация добычи и транспортирования угля, а также селективные технологии.
На II этапе (в период до 2025 г. и далее) намечено освоение: скважинных технологий извлечения угля, включая его газификацию и гидрогенизацию, технологию открыто-подземной добычи угля без постоянного присутствия людей в очистных забоях, технологию отработки нераспачкованных пластов и др.
Циклично-поточная технология добычи угля – форма организации производства, при которой в едином технологическом потоке горного предприятия одни процессы выполняются в цикличном, другие – в непрерывном режимах. Использование циклично-поточной технологии, как правило, подразумевает применение поточного (непрерывно действующего) конвейерного транспорта для перемещения горных пород в технологическом потоке в сочетании с цикличными буровзрывными работами и циклично действующими одноковшовыми экскаваторами или погрузчиками в забое, осуществляющими выемку и погрузку взорванной горной массы на конвейер или (чаще) в бункер дробилки или грохота.
При открытой разработке месторождений дробление или грохочение в схемах циклично-поточной технологии осуществляется в двух вариантах: в первом – в полустационарных дробилках, которые располагаются на борту карьера и периодически переносятся по мере продвижения горных работ; во втором – в передвижных дробильных или грохотильных агрегатах, которые перемещаются вместе с экскаваторами по фронту работ.
Вариант циклично-поточной технологии с буровзрывной подготовкой крепких пород широко используется на рудных карьерах чёрной и цветной металлургии.
Примером освоения циклично-поточной технологии при отработке скальных пород может послужить Мурунтауский карьер Навоийского горно-металлургического комбината. Здесь построен и работает комплекс циклично-поточной технологии, состоящий из двух линий конвейеров: наклонных, расположенных в траншее на южном борту карьера, магистральных, передаточных, отвальных и двух отвалообразователей ОШС-4500. Организация ритмичной работы во всех процессах технологического потока при центральнопоточной технологии, особенно при использовании бурозарядных агрегатов или механических рыхлителей, приближает эту технологию к наиболее высокопроизводительной поточной технологии.
Развитие комплексной механизации горных работ на карьерах в настоящее время проводится по линии внедрения поточных технологий и высокопроизводительного оборудования. Причем цикличная выемка и поточная транспортировка горных пород являются характерной чертой современных горных технологий.
Поточная технология добычи – форма организации производства, отличающаяся полным совмещением во времени рабочих процессов и операций по добыче (извлечению) и непрерывной выдачей полезного ископаемого в течение времени, предусмотренного экономически обоснованным режимом работы. Поточная технология добычи соответствует наилучшей организации производства.
На разработках твёрдых полезных ископаемых поточная технология добычи впервые применена в начале 1920Pх годов. Основой её организации послужило создание в 1923–1924 гг. в Германии комплекса машин непрерывного действия для карьерной добычи бурых углей. С конца 1930Pх годов принципы поточной технологии впервые реализованы в СССР в подземной добыче твёрдых полезных ископаемых (угля и марганцевой руды) с помощью средств гидромеханизации, а с начала 1950Pх годов – обычного механического оборудования (очистных агрегатов и очистных комплексов).
В условиях научно-технической революции область применения поточных технологий на горных предприятиях постоянно расширяется. Дальнейшее внедрение поточных технологий – важнейшее направление повышения эффективности горного производства.
Поточная технология добычи угля впервые в мире внедрена на разрезе «Богатырь» Экибастузского угольного бассейна. Здесь достигнута самая высокая в угольной отрасли Казахстана среднемесячная производительность труда рабочего и самая низкая себестоимость добычи 1 т угля.
Поточная технология с полной конвейеризацией транспорта добытого угля при наклонном падении угольных пластов и отработки вскрышных пород внедрена на разрезе «Восточный» в 2010 г. Эффективность работы двух линий циклично-поточного вскрышного комплекса, расположенных по флангам разреза, обеспечивается надежным функционированием экскаваторно-автомобильного комплекса.
Переход к агрегатной, безлюдной выемке, роботизированной, кибернетизированной добыче угля, использованию принципиально новых технологий, основанных на физических, химических методах извлечения полезного ископаемого, космических, информационных технологий, продолжающийся с конца XX века и по настоящее время, является актуальным.
Создание роботизированных шахт позволит: во-первых, резко расширить добычу угля, вовторых, будет кардинально решена проблема безопасности на шахтах, так как роботизированные шахты не потребуют регулярного присутствия людей под землей.
Исследуя мировой опыт, можно отметить, что компания Komatsu в период 2009–2011 гг. реализовала проект по использованию роботизированных самосвалов на карьерах чилийской медной корпорации CODELCO. В Австралии компания Pilbara в период 2009–2012 гг. осуществила проект по созданию 2-х роботизированных карьеров, а на руднике компании Rio Tinto к концу 2015 г. будут введены в эксплуатацию 150 автономных (работающих без водителей) самосвалов Komatsu 930E-AT. В Канаде корпорация Alberta Mining Corporation к 2015 г. планирует разработать проект компании Caterpillar по созданию 8 роботизированных горных производств.
В России также проводятся работы по реализации проекта роботизированных карьеров. В частности, ОАО «ВИСТ Групп» (резидент Государственного Фонда «Сколково») уже несколько лет работает над проектом «Интеллектуальный карьер».
Элементы системы «Интеллектуальный карьер», востребованные уже в настоящее время, включают:
- систему предупреждения столкновений;
- роботизированные самосвалы;
- дистанционно-управляемое горное оборудование;
- систему дистанционного контроля и диагностики оборудования;
- систему контроля качества технологических дорог;
- систему управления и контроля качества полезных ископаемых;
- систему управления буровзрывных работ (БВР) на основе высокоточной навигации;
- систему управления промышленной безопасностью.
Этапы реализации проекта «Интеллектуальный карьер» следующие:
- роботизированная перевозка самосвалами горной массы по фиксированному маршруту между стационарными пунктами разгрузки-погрузки;
- роботизированная перевозка самосвалами горной массы между экскаваторами и пунктами разгрузки без оснащения дистанционным управлением экскаваторов и другой техники;
- роботизированная перевозка самосвалами горной массы с использованием дистанционно-управляемой техники (экскаваторы, бульдозеры, погрузчики и др.).
К настоящему времени автоматизированная система управления горно-технологический комплекс (АСУ ГТК) «Карьер», являющаяся основой для построения роботизированного горного производства, внедрена в крупных горнодобывающих предприятиях России и СНГ. Среди них следующие компании: ОАО «СУЭК», ЗАО «ХК «СДС-уголь», ОАО «МечелМайнинг», ОАО «Северсталь-Ресурс», ООО «Холдинг Сибуглемет», ОАО УК «Кузбассразрезуголь», ООО «УК «Колмар», Лучегорский угольный разрез и др. Кроме того, разработан и успешно испытан на полигоне завода БЕЛАЗ дистанционноуправляемый самосвал (2010 г.). Создана секция научного совета РАН по вопросам Интеллектуального Горного Производства (2011 г.). Бортовое оборудование АСУ ГТК серийно поставляется на заводы БЕЛАЗ, ООО «ИЗ-КАРТЭКС» имени П.Г. Коробкова». Подписаны соглашения с БЕЛАЗ о создании полигона и совместных работах по созданию самосваларобота, об участии в проекте заявили копании ОАО «СУЭК» и ЗАО «ХК «СДС-уголь» (2012 г.). Выпуск автономного самосвала и создание участков роботизированного горного производства (2013 г.).
Создание и ввод в эксплуатацию первого в России и СНГ роботизированного горного производства – системы «Интеллектуальный карьер» – позволит:
- повысить производительность открытых горных работ;
- снизить производственные издержки;
- обеспечить безопасную добычу угля в труднодоступных и тяжелых по климатическим условиям регионах;
- «смягчить» проблему нехватки квалифицированных кадров.
Гидравлический способ добычи угля успешно применялся на шахтах Кузбасса и Донбасса в 1960–1980Pх годах. К основным преимуществам гидротехнологии относятся: быстрая адаптация очистной выемки к изменению горно-геологических условий залегания пласта; отсутствие людей в очистном забое; поточность и малооперационность; существенное повышение безопасности технологии по сравнению с механическим способом добычи за счет увлажнения угольного массива и воздуха в забое. Поэтому данная технология, как показывает современный опыт, также наиболее эффективна при отработке крутых пластов угля.
Вместе с тем способ гидродобычи имеет и ряд недостатков: большие потери и переизмельчение угля, необходимость его последующего обезвоживания, проблемы с очисткой воды и т.п., что также сужает область её использования. Часть отмеченных недостатков (тонкое измельчение, необходимость обезвоживания) может стать несущественной при использовании угля для производства водоугольного топлива. Кроме того, промышленное применение средств гидромеханизации очистных работ показало, что одним из основных факторов, ограничивающих область применения гидравлического способа безлюдной выемки угля, является крепость угля по шкале проф. М.М. Протодьяконова.
Перспективной представляется и комбинация различных технологий для обеспечения полноты и эффективности выемки запасов углей. Суть комбинации заключается в том, что часть запасов отрабатывается, например, высокопроизводительными длинными очистными забоями, а участки, не подходящие для добычи по этой технологии (в целиках, между крупными геологическими нарушениями, участки неправильной формы и т.д.), отрабатывают альтернативными технологиями. Например, наряду с уже используемой в Кузбассе камерно-столбовой системой разработки следует рассматривать возможность выемки углей короткими лавами; бурошнековую и скважинную технологии; скважинную гидродобычу; комплексы глубокой разработки пластов (КГРП) и другие.
Селективная (раздельная) выемка – раздельное извлечение из недр каждой разновидности (или сорта) полезных ископаемых или полезных ископаемых и пустых пород. При подземной добыче угля селективная выемка применяется преимущественно на мощных и средней мощности пластах и при наличии в пласте породных прослоев толщиной не менее 0,3–0,5 м. При этом отбойка угля осуществляется буровзрывным способом или отбойными молотками. Комплексно механизированная селективная (раздельная) выемка применяется при разработке пологих мощных пластов с разделением на слои, границы которых соответствуют породным прослоям. Селективную выемку угля и породы осуществляют также при проведении подготовительных выработок смешанным забоем, буровзрывным способом в сочетании с выемкой угля отбойными молотками.
На разрезах селективная выемка осуществляется при помощи специальных способов ведения буровзрывных и выемочно-погрузочных работ: совместным взрыванием (рыхлением) и селективной погрузкой; раздельным взрыванием (рыхлением) и раздельной погрузкой. Совместное взрывание применяют при разработке сложноструктурных месторождений, представленных слабыми и средней крепости горными породами с хорошими показателями дробления. При селективной выемке на разрезах наиболее целесообразно применение автомобильного транспорта, позволяющего раздельно перевозить уголь и породу.
В области добычи угля предусматривается также внедрение и распространение следующих инновационных технологий и проектов:
- технологии открыто-подземной добычи угля при отсутствии людей в очистных забоях. Инновационный проект по внедрению новейшей технологии открыто-подземной добычи угля при отсутствии людей в очистных забоях уже реализуется в ЗАО «Разрез «Распадский» (ОАО «Распадская угольная компания»). При применении этой технологии решаются три основные задачи: первая – безопасность рабочих, вторая – высокая производительность труда, третья – рациональное использование недр за счет выемки запасов угля, которые не могут быть отработаны традиционными технологиями;
- усовершенствованной технологии отработки мощных угольных пластов при открыто-подземной добыче угля, разработанной в Институте СО РАН, позволяющей в 2–3 раза снизить металлоемкость и эксплуатационные затраты по сравнению с обычным способом.
При ведении работ по технологии отработки мощных угольных пластов для открыто-подземной разработки последовательность ведения работ следующая. Уголь сначала добывают на карьере (угольном разрезе): снимают сверху породу, вынимают сырье, но постепенно слой, который нужно убрать, превышает мощность угольного пласта. В таком случае «откапывать» полезное ископаемое становится невыгодно: лучше добывать его подземным способом, то есть в шахте. Это и есть открыто-подземная разработка. В Институте СО РАН две технологии совместили: так называемую систему с выпуском и безразгрузочный комплект передвижных опор с созданием гибкого перекрытия. Если представить угольный пласт в вертикальном разрезе, то внизу будет как раз система с выпуском.
Она представляет собой механизированный комплекс с дозируемым выпуском угля через специальные люки. Данная технология была усовершенствована, и сначала решено было отрабатывать верхний слой с помощью облегченного оборудования, и при этом разделять породу и уголь полимерной сеткой;
- технологии «Умный разрез», которую внедряет компания ОАО «ХК «СДС» на новом разрезе «Первомайский» на участке Соколовского месторождения Кемеровской области, введенном в эксплуатацию в мае 2012 г. Разрез «Первомайский» должен стать не только самым мощным в стране (проектная мощность – 15 млн т), но и самым «умным».
Здесь не должно быть ни шума, ни пыли, как на других разрезах. На разрезе «Первомайский» планируется применять самые современные технологии добычи угля. Рекультивация земли предусмотрена в течение всего времени работы предприятия. Уже в первый год отработки участка вскрытую породу будут направлять на засыпку отработанных пространств, а использование большегрузной техники позволяет снизить вредное воздействие на экологию.
Эффективному использованию этой техники способствует система диспетчеризации работы на основе ГЛОНАСС.
Электронная система взрывания, которую будут применять на разрезе, уже опробована в ОАО «ХК «СДС». Кроме того, для транспортировки породы планируется применить другую новинку – непосредственно вывозить ее из забоя разреза и доставлять конвейерно-ленточным способом. Рядом с разрезом «Первомайский» предусмотрено строительство обогатительной фабрики, которая будет перерабатывать весь добываемый уголь, а также собственной железнодорожной станции и примыкание к магистральным путям Кузбасского региона Западно-Сибирской дороги длиной 20 км;
- технологии отработки так называемых нераспачкованных пластов с глубиной залегания более 300 м, намеченной к применению на разрезе «Восточный» (ХК «СДС-Уголь»). Эта технология – более бережная к природе за счет полной отработки пластов и внутреннего отвалообразования, позволяющего сохранить сельскохозяйственные земли;
- использование инновационной технологии работы в сочетании с проходческим комбайном с самоходным вагоном при подготовке новой лавы, что является одной из передовых технологий в настоящее время. Практически все шахты ОАО «Воркутауголь» используют эту технологию.
Планируется увеличить добычу угля открытым способом, провести техническое перевооружение шахтного фонда, внедрение технологии «шахта-лава». Технология «шахта-лава» предусматривает максимальное упрощение инфраструктуры и ограничение количества очистных забоев, одновременно работающих, до одного–двух. При этом эффективное функционирование технологической структуры «шахталава» предпочтительнее в благоприятных горно-геологических условиях. Стабильная нагрузка на очистной забой является главным фактором структуры «шахта-лава», обеспечение которой требует повышения производительности и надежности всех элементов технологической структуры (проходки и крепления горных выработок, транспорта, вентиляции, монтажа-демонтажа и т.д.).
Реализация вышеприведенных технологий и проектов в области добычи угля позволит не менее чем в 2 раза повысить производительность труда и предполагает значительное снижение (до 60%) количества несчастных случаев.
