Безопасная разработка крутонаклонных и крутых пластов на шахтах УК «Прокопьевскуголь»

Е.Л.Резников, к.т.н, Генеральный директор УК «Прокопьевскуголь»

Два с половиной года на рынке Кузбасса успешно работает Управляющая Компания «Прокопьевскуголь», основными видами деятельности которой являются добыча и переработка каменного угля особо ценных коксующихся марок. Сегодня в ее структуру входят семь шахт, научно-производственное объединение «Подземтрансмаш», перерабатывающий комплекс из трех обогатительных фабрик, крупное автотранспортное и другие вспомогательные предприятия.

Шахтами УК «Прокопьевскуголь» разрабатываются крутопадающие пласты по технологиям, не имеющим аналогов в мировой практике угледобычи. Залогом успеха в перспективном развитии производства служит наличие в регионе достаточных запасов угля и мощной промышленной инфраструктуры по обеспечению деятельности шахт.

Регион по геологическим и горнотехническим условиям относится к сложнейшим. Шахтами отрабатывается около 30 сближенных пластов, мощность которых изменяется от 1 до 20 м, углы падения от 0 до 90°, с преобладающим диапазоном 56-90°. Две трети запасов угля сосредоточена в пластах крутого падения. При этом 25% пластов имеют междуплас-тья мощностью до 10 м и около 30% -от 10 до 20 м (рис. 1).

При складчатом и сближенном залегании в чрезвычайно сложных природных условиях угольные пласты расчленены крупно-амплитудными нарушениями на тектонические блоки различной конфигурации. Значительная мощность и высокая газообильность разрабатываемых пластов, повышенная склонность углей к самовозгоранию, наличие пластов, подверженных горным ударам, внезапным выбросам угля и газа, прорыву глины определяют специфику трудоемкой и небезопасной технологии их отработки.

С увеличением глубины горных работ возрастает влияние осложняющих их горно-геологических факторов, к которым, в первую очередь, следует отнести:

- наличие труднообрушаемых кровель, что способствует перепуску пожаров из выработанного пространства верхних этажей в действующие горные выработки и существенно осложняет управление состоянием горного массива;

- газообильность пластов повышается ориентировочно на 3-5 м3/т на каждые 100 м увеличения глубины ведения горных работ;

- рост вероятности возникновения геодинамических и газодинамических проявлений горного давления;

- на 15-18% возрастает трудоемкость подземных работ с увеличением их глубины на 100 м. Шахты района располагают значительными промышленными запасами

- более 370 млн. т угля, из которых 240 млн. т - коксующиеся.

Многолетний опыт использования ценных марок углей Прокопьевско-Киселевского района в коксохимической промышленности доказывает их устойчивую конкурентоспособность на мировом и внутренних рынках. Местные коксующиеся угли по качеству и технологическим свойствам, показателям спекаемости и коксуемости, с низким выходом летучих веществ находятся в ряду лучших углей, поставляемых на мировой рынок другими странами.

На шахтах УК «Прокопьевскуголь» приоритетно добываются угли, которые соответствуют самым высоким требованиям при производстве доменного кокса минимальное содержание серы и фосфора, низкая зольность, высокая теплотворная способность. Получаемый на обогатительных фабриках компании концентрат стабильно и надежно обеспечен высоким потребительским спросом коксохимических и металлургических производств. Угли энергетических марок добываются в ограниченных объемах и используются, в основном, на коммунально-бытовые нужды. Динамика объемов добычи угля по предприятиям УК «Прокопьевскуголь» представлена на рис. 2.



Характерные горно-геологические условия шахт УК «Прокопьевскуголь» (рис. 1)

Шахты

Марка угля

Пром ышленные зап асы, тыс. тонн

 

 

всего

в т.ч. кокс

УК «Прокопьевскуголь»

К, КО, КС, Т, ТС

373093

240334

Коксовая

К, КС, ОС, СС, Т

13351

8914

Зенковская

К, КО, КС, ОС

81003

29666

им. Ворошилова

К, КО, КС, ОС, СС, Т

15970

15970

им. Дзержинского

К, КС, КСН, КО, Ж,

120849

84183

Зиминка

ГЖО, СС

46471

39943

Тырганская

КСН, Ж, ГЖО, КО, СС

74100

41836

Красногорская

КЖ, К, КО, КС, ОС

21349

19822

 

Обеспеченность промышленными запасами позволяет при полном освоении угледобывающими предприятиями проектных мощностей вести интенсивную отработку этих запасов в течение 50-60 лет.

Сложившийся баланс спроса на рынке угля характеризуется устойчивым дефицитом особо ценных коксующихся марок (К, КО, КС, ОС) в объеме

4.5-5.0 млн. т угля в год, который особенно характерен для потребителей Европейской части России, а также Урала. С наметившимся в последнее время ростом объема производства на предприятиях черной металлургии дополнительный спрос на угли марки К уже сегодня составляет не менее 2 млн. тонн концентрата.

Все это предопределяет необходимость увеличения объемов производства угля на шахтах с пластами крутого падения на основе разработки и внедрения эффективных и безопасных технологий.

Применяемые технологические и организационные решения при планировании развития угледобычи в регионе, а также, используемые в шахтах на основных и вспомогательных процессах технические средства, фактически не способствуют повышению эффективности их работы. Технико-экономические показатели, в том числе показатели концентрации производства горных работ, остаются низкими по сравнению с аналогичными показателями предприятий, отрабатывающих пласты угля с пологим залеганием.

Ситуация может быть изменена за счет применения высокопроизводительной техники на основных производственных процессах. Однако неоднократные попытки, предпринимавшиеся досихпор отраслевыми научно-исследовательскими институтами и проектно-конструкторскими организациями по созданию и внедрению прогрессивных средств комплексной механизации и технологий механизированной отработки крутопадающих пластов, пока не привели к положительным результатам. К примеру, в 1960-1990 гг. отраслевыми институтами с целью повышения безопасности и эффективности разработки мощных и средней мощности крутых и крутонаклонных пластов внедрялся целый ряд механизированных комплексов и агрегатов, но эти многолетние поиски не привели к повышению эффективности отработки таких пластов. Объем добычи угля из забоев, оборудованных агрегатами АК-3, А2-С, АНЩ, АЩМ, комплексом КПК, составлял около 6-7% от общего объема очистной добычи, при этом нагрузка на механизированный забой находилась на уровне среднесуточной по всем очистным забоям - около 250 т/сутки.

Разнообразие горно-геологических условий залегания угольных пластов обусловило и многообразие применяемых систем разработки, технология которых характеризуется многоопера-ционностью выполняемых технологических процессов вручную и малой степенью механизации.

За годы эксплуатации шахт в Прокопьевско-Киселевском районе были испытаны практически все известные системы разработки и их варианты, как с обрушением кровли, так и с закладкой выработанного пространства.

В настоящее время механизированные комплексы на шахтах Прокопьев-ско-Киселевского района не применяются по следующим причинам:

- узкая область применения каждого из комплексов при очень широком диапазоне мощностей пластов (от 1 до 20 м) ограничивали серийность их выпуска;

- изготовление единичных экземпляров оборудования приводит к их высокой стоимости;

- небольшие объемы запасов угля в коротких выемочных участках (до 300 м) из-за высокой нарушенности пластов и склонности углей к самовозгоранию;

Качество углей Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса

Марка угля

Зольность

Влажность

Толщина пластичного

Содержание

Выход летучих

Теплота сгорани я, ккал/кг

Тепловой

А, %

W, %

серы S, %

веществ, М, %

эквивалент

 

слоя V, мм

Высшая Q

Низшая Q

К

20.2

7.8

13

0.3

20.2

8420

5955

0.851

КО

19.9

7.8

10

0.3

22.1

8437

6005

0.858

ОС

13.5

6.0

9

0.3

19.9

8570

6720

0.960

КС

20.6

7.0

8

0.3

22.1

8408

5670

0.810

КСН

16.0

9.6

 

0.3

27.9

8220

5980

0.854

СС

20.3

8.3

 

0.3

23.2

8370

5760

0.822

Т

20.3

6.0

-

0.3

16.9

8500

6250

0.893

Средние показатели

18.6

8.0

-

0.3

22.7

8400

6050

0.856

 

- частые и длительные перемонтажи оборудования при малых сроках отработки участков приводили к низкому коэффициенту его использования;

- высокая себестоимость добычи угля с применением данной механизации. Таким образом, сложные горно-геологические и горнотехнические условия залегания пластов Прокопьевско-Киселевского района обусловили:

- применение многообразных систем разработки пластов, причем каждая имеет строго определенную область применения;

- сложность создания эффективных и безопасных технологий с использованием средств комплексной механизации очистных и подготовительных работ;

- преобладание ручного труда, что обуславливает повышенные аварийность и травматизм рабочих в очистных и подготовительных выработках;

- широкое использование взрывных работ, при которых расход ВВ составляет 0.5-0.8 кг/т против 0.05 кг/т на пологих пластах. Применяемые технологии отработки не исключают возможности нагревания и самовозгорания углей.

Анализ случаев возникновения пожаров показал, что прослеживается тенденция возникновения очагов самовозгорания в местах сосредоточения значительных потерь угля. В первую очередь, это разрушенные межго-ризонтные целики, надщитовые угольные подушки, потери угля в зонах геологических нарушений, а также отработка открытым способом целиков, ранее оставленных на шахтных полях.

Основные причины возникновения пожаров следующие:

- наличие аэродинамической связи выработанного пространства с поверхностью и местами концентрированных потерь;

- большие эксплуатационные потери угля вследствие применения нетиповых камерных систем разработки;

- длительный срок подготовки и отработки выемочных столбов, превышающих инкубационный период самовозгорания углей. Подземные пожары влекут за собой большие затраты на их ликвидацию и профилактические работы, шахты теряют уже готовые к выемке запасы угля. Ущерб от одной аварии, связанной с пожаром, составляет, как правило, десятки миллионов рублей.

В связи с этим в структуре Управляющей Компании создано и плодотворно работает Специализированное управление по борьбе с эндогенными пожарами, которое ведет работы по тушению как ранее возникших, так и по профилактике возможных пожаров.

Появилась необходимость строительства на каждой шахте, отрабатывающей склонные к самовозгоранию пласты, специальных поверхностных комплексов по приготовлению инертной пены, вспененных суспензий и глинистой пульпы.

В настоящее время на нескольких шахтах такие комплексы уже построены и функционируют. Следует отметить, что были восстановлены и введены в эксплуатацию заиловочные комплексы по подаче инертно-вспененной глинистой пульпы, азота и золы-уноса на шахтах им. Дзержинского, «Зиминка», им. Ворошилова, «Тырганская».

Увеличение объемов профилактических работ по локализации и тушению эндогенных пожаров, совершенствование техники и технологий позволили стабилизировать обстановку с количеством действующих пожаров и в последние годы добиться тенденции к их снижению.

После перехода угледобывающей отрасли России в условия рыночной экономики, необходимость снижения затрат на добычу угля стимулировали отказ от дорогостоящих систем разработки и поиск менее затратных технологий. В результате уменьшилось применение комбинированных технологий с гибким перекрытием (КГП), щитовой системы разработки (эластичные и арочные щиты), механизированных комплексов и агрегатов. Более приоритетными стали камерно-столбовые системы разработки.

Специалистами компании разработан системный подход к разработке вариантов развития угледобычи на основе синтеза технологических схем вскрытия, подготовки и отработки пластов, а также совместной оптимизации их параметров с параметрами оборудования и технологическими процессами основных подсистем шахт.

При сложившемся положении в технологии очистных работ для разработки мощных крутопадающих пластов достаточно безопасными, производительными и универсальными являются системы разработки с гидроотбойкой угля и его гидротранспортом из очистного забоя. На шахтах компании 40% угля добывается гидроспособом.

Применяемая система разработки с подэтажной гидроотбойкой угля (ПГО) является разновидностью камерных систем без присутствия людей в очистном забое. Отбойка угля производится дистанционно в определенной последовательности струей воды под давлением 12-14 МПа. Сочетание параметров очистного забоя со скоростью его подвигания обеспечивает объем добычи угля до 1000 т/сутки и более, что сопоставимо с производительностью очистных забоев на пологом падении.



Динамика объемов добычи угля по предприятиям УК «Прокопьевскуголь» (рис. 2)

 

В настоящее время шахты «Тырган-ская» и «Красногорская» добывают уголь только гидравлическим способом. Технико-экономические показатели производственной деятельности этих шахт в 1.5-2.0 раза выше, чем в аналогичных условиях на шахтах с «сухими» технологиями добычи угля.

При всей сложности финансово-экономического положения предприятий непрерывно и последовательно осуществляется перевод «сухих» шахт на гидротехнологию.

На шахте «Коксовая» действуют два гидроучастка с объемом добычи угля около 300 тыс. т/год. Завершается строительство второй очереди комплексов гидродобычи на шахтах им. Ворошилова и «Зиминка».

Опыт применения гидротехнологии при разработке мощных крутопадающих пластов позволяет сделать вывод о ее безальтернативности в этих условиях. В тоже время, кроме очевидных и бесспорных преимуществ гидротехнологии ей присущи и недостатки: большая энергоемкость (до 180 кВт/ч на добычу одной тонны угля), повышенный выход шламов (до 30% от объема добычи), требующих специальных мер утилизации и качественно новых технологий вторичной переработки.

В последние годы специалистами компании разработаны технические решения и технологические схемы гидродобычи, создано гидрооборудование, обеспечивающие снижение энергоемкости добычи угля и обогащение шламов до товарного качества.

Снижение энергоемкости гидродобычи достижимо при повышении напора воды для отбойки угля до 16-20 МПа, выдачи водоугольной пульпы одноступенчатым гидроподъемом без устройства перекачных насосных станций, внедрении системы «насос-гидромонитор».

Мировой опыт позволяет утверждать, что для решения проблемы обезвоживания и обогащения шламов необходимо строительство простых и эффективных установок непосредственно на шахтах, реконструкция и техническое перевооружение обогатительных фабрик, строительство высокопроизводительных установок для брикетирования угля.

В то же время, тонкодисперсные угольные шламы могут быть переработаны и эффективно использованы в виде водоугольного топлива (ВУТ). Основными потребителями такого топлива должны стать промышленные и коммунальные котельные. Это подтверждается проведенными на шахте «Тырганская» опытно-промышленными испытаниями процессов приготовления ВУТ из угольных шламов и последующего его сжигания в котельной шахты.

Водоугольное топливо представляет собой механо-коллоидную смесь мел-коизмельченного угля с водой и реагентом-пластификатором. Реагент-пластификатор вводится (при необходимости) в состав ВУТ для обеспечения стабильности и текучести топлива. Массовая доля твердой фазы в ВУТ составляет 60-65%, крупность помола не более 0.25 мм при среднем размере частиц 30-40 мкм. Наименьшая теплота сгорания в зависимости от содержания твердой фазы и зольности исходного угля составляет 2600-4000 ккал/кг.

Перевод котельных на сжигание ВУТ позволяет решить ряд технологических и экологических проблем. Водоугольное топливо имеет стабильные характеристики и свойства, улучшающие условия эксплуатации теплогенерирующего оборудования, обеспечивает экологическую чистоту на всех стадиях его производства и использования, абсолютно взрыво- и пожаробезопасно. Применение ВУТ позволяет снизить эксплуатационные затраты, в том числе и трудовые.

Таким образом, перевод котельных и других теплогенерирующих установок на водоугольное топливо является важным направлением снижения себестоимости выработки тепловой энергии и сокращения вредных выбросов в атмосферу. Возможность использования для приготовления ВУТ угольных шламов позволяет резко сократить площади, занимаемые шламовыми отстойниками и гидроотвалами.

В планируемой перспективе на предприятиях Управляющей Компании «Прокопьевскуголь» предполагается строительство группового пункта для приготовления и транспортировки ВУТ на другие котельные города.

Весьма проблемным для Прокопьевских шахт является вопрос отработки запасов угля под поверхностными объектами, что возможно только после их сноса, либо очистные работы должны производиться с закладкой выработанного пространства. Добыча угля с закладкой осуществляется на шахте «Коксовая», где применяются три ее вида, отличающиеся по исходному сырью и способу приготовления. Наиболее технологичная литая твердеющая закладка (ЛТЗ), практически не дающая усадки, обеспечивает возможность отработки запасов угля под любыми поверхностными объектами. При использовании данной технологии имеется возможность применения гидроотбойки, что обеспечивает рост нагрузки на очистной забой, снижение трудоёмкости, повышение безопасности горных работ.

Сырьём для приготовления ЛТЗ являются граншлаки черной металлургии, золы уноса от сжигания бурых углей, обычно являющиеся промышленными отходами. В Кузбассе наибольший объем промышленных отходов имеется на предприятиях черной металлургии и электростанциях. Их своевременная утилизация - важнейшее условие охраны окружающей среды.

Комплексное использование техногенного сырья при отработке запасов угля позволяет заменить угольные охранные и профилактические целики полосами из твердеющей закладки и тем самым увеличить степень извлечения запасов угля из недр.

 

Создание высокоэффективных технологий, снижение объема буровзрывных работ или полный отказ от них, обеспечение выемки угля без присутствия людей в очистном забое являются основными направлениями в разработке мощных крутых и крутонаклонных пластов.

Решение этих задач, по разработке крутопадающих пластов, возможно при принципиально новом подходе к разрушению угля, путем изменения его физико-механических свойств в результате обработки поверхностно-активными веществами (растворами электролитов и диоксида углерода), воздействия вибрации. Физико-химические способы могут успешно применяться также для разупрочнения труднообрушаемых кровель, снижения абразивности пород при комбайновом проведении горных выработок.

Необходимость создания новых технологий угледобычи не является сиюминутной задачей, направленной на решение локальных вопросов доработки запасов, а относится к разряду стратегических задач, определяющих основные направления освоения запасов района на длительную перспективу.

На сегодняшний день уже разработано значительное количество технологий производства горных работ, имеющих все основания для отнесения их к нетрадиционным. Естественно, что такие технологии, в условиях признания за ними статуса приоритетных, для своего успешного применения требуют и комплексного обеспечения специализированной горной техникой и соответствующим оборудованием.

Таким образом, создание нетрадиционных технологий угледобычи, направленных на повышение эффективности производства, является актуальной научно-технической задачей и требует для своего решения широкого привлечения ученых и специалистов.

В ближайшей перспективе на прокопьевских шахтах планируется увеличить объем добычи угля. Для этого разработана комплексная программа развития основного производства до 2010 года, предусматривающая технические решения пополнения сырьевой базы новыми запасами и обновлением оборудования.

Решением комплекса вытекающих задач является внедрение технико-экономической модели управления компанией, которая рассматривается как совокупность предприятий, работающих на единый результат - обеспечение единой стратегии развития угледобычи.

Для обоснования оптимальных вариантов развития горных работ установлены закономерности влияния горно-геологических, горнотехнических и организационных факторов на формирование параметров технологических схем и технологических процессов добычи угля.

На основе синтеза технико-технологической и экономико-математической моделей сформирована технолого-экономическая модель шахт Управляющей Компании, представляющая собой тесную взаимозависимость параметров технологических схем и технологических процессов добычи угля с экономическими показателями, определяющими эффективность их работы.

Сегодня мы можем констатировать, что четыре шахты УК «Прокопьевскуголь» - «Тырганская», «Красногорская», им. Дзержинского, им. Ворошилова уже вышли на безубыточный уровень производства, а в ближайшие полгода и остальные шахты компании станут рентабельными.

В настоящее время разработаны пооперационные и поэлементные модели себестоимости технологических процессов и подсистем шахт, на основании которых сформирована экономико-математическая модель управления воспроизводством очистного фронта на шахтах. Такая модель учитывает численные значения параметров имитационных моделей, динамику изменения мощностей на всех стадиях технологической подготовки запасов с фактически развернутой сетью горных выработок, намечаемыми объемами очистной добычи на уровне как отдельного предприятия, так и производственно-технологического комплекса в целом, позволяющая корректировать временные параметры подготовки и отработки выемочных участков с разработкой технико-технологических решений.



Динамика добычи угля, коксующихся марок углей и выпуска товарного угля (рис. 3)



Переработка угля, выпуск концентрата

 

Это позволит применить систему оценок технического потенциала предприятий при разработке оптимальной стратегии их развития, рационального распределения объемов производства, материально-технических, трудовых ресурсов и финансовых вложений.

Апробация предложенного методологического подхода к формированию вариантов комплексного развития шахт и их потенциала осуществлена в 2003-2004 гг. В результате проведенных преобразований заметно повышена эффективность работы предприятий.

Угледобывающими предприятиями УК «Прокопьевскуголь» в 2004 г. добыто более 5 млн. т угля, в том числе коксующихся марок около 4 млн. т. Добыча коксующихся углей по сравнению с 2003 годом возросла на 450 тыс. т. Около 40% от общего объема добычи угля осуществлялось относительно безопасным и высокоэффективным способом добычи - гидравлическим и составило около 2300 тыс. т. Обогатителями компании в 2004 г. переработано свыше 5 млн. т углей коксующихся марок, что на 420 тыс. т больше, чем в 2003 г.

Программой производства на 2005 г. предусмотрено добыть и переработать (с учетом привозных углей) около 6 млн. т угля. Динамика добычи угля и его переработки на обогатительных фабриках до 2010 г. представлена на рис. 3.

Начиная с 2003 г. часть мощностей шахт по добыче энергетических углей была переориентирована на добычу углей коксующихся марок, как более конкурентоспособных. Этим частично решались проблемы отдельных шахт в радикальном пересмотре технической политики в части технологий горных работ и развития производства.

На сегодняшний день наиболее значимыми проблемами, препятствующими дальнейшему развитию региона, являются, прежде всего, проблемы промышленной и экологической безопасности. К объективным причинам сложившегося положения в вопросах обеспечения безопасности ведения горных работ следует отнести высокую степень износа оборудования при наращивании объема производства, применение морально устаревших технологий добычи угля, при которых преобладает ручной труд.

На данном этапе развития рыночной экономики для достижения целей, поставленных программой реструктуризации угольной промышленности, осуществляется преобразование структур шахт в многопрофильные предприятия по добыче угля, метана, воды и глубокой их переработке с учетом потребительской ценности.

Залогом безаварийной работы был и остается профессионализм, воспитание которого требует нового уровня подготовки рабочих и инженеров. Прежде всего, это повсеместное усиление работы по качественному обучению и подготовке персонала, безукоризненный технологический порядок на каждом рабочем месте, ориентирование форм и систем оплаты труда на достижение конечного результата без травм и аварий, высокая дисциплина труда и эффективный внутриведом -ственный контроль.

Достигнутые позитивные результаты в развитии основного производства предприятий, находящихся под юрисдикцией Управляющей Компании, создали предпосылки для ранжирования имеющихся проблемных вопросов, наметили пути их решения, сформулировали цели, задачи и приоритеты на планируемую перспективу.

* * *

Сегодня очевидно, что предложенный стиль менеджмента является более эффективным по отношению к ранее использовавшимся принципам организации и управления производством.

Внятная и прозрачная экономика, централизация материально-финансовых потоков, качественное текущее планирование, возможности консолидации потенциалов и ресурсов в конкретный момент времени на приоритетных производственных направлениях и наиболее острых проблемах, позволили существенно повысить оперативность управления производством, стабилизировать финансово-экономическое положение и создать предпосылки для его дальнейшего роста.

Перспектива динамичного развития основного производства обеспечивается высоким потенциалом угледобывающих предприятий, который предопределен значительной сырьевой базой, наличием устойчивого спроса на добываемые марки углей, возможностями реализации эффективных технических решений.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2005