Нетрадиционные технологии добычи угля основа интенсивного освоения минерально-сырьевой базы Кузбасса

С.В. Шаклеин, д.т.н., профессор, ведущий научн. сотр.; М.В. Писаренко, к.т.н., доцент, старший научн. сотр., Институт угля и углехимии СО РАН (Кемерово)

Общие ресурсы углей Кузбасса до глубины 600 м оцениваются в 218.5 млрд. т, до глубины 300 м (гор. ±0 м) – 100.4 млрд. т [1]. Балансовые запасы угля, подсчитанные до глубины 600 м от поверхности (гор. –300 м) по сумме категорий А+В+С1 – 52.45 млрд. т (в 1980 – 68 млрд. т, темп сокращения 630 млн.т), из которых примерно 30% (12.3 млрд. т) уже освоены промышленностью. Промышленные запасы на полях действующих шахт и разрезов по состоянию на 01.01.2008 оцениваются в 8.2 млрд. т.

Горно-геологические условия залегания угольных пластов бассейна характеризуются очень широким спектром, фактически вбирающим весь возможный диапазон их изменения: мощность пластов от 0.5 до 60 м, углы падения от 0–90°, дизъюнктивная нарушенность от 0 до 300 м/га, глубины залегания пластов от первых метров до 2 км и т.д. Марочный состав углей бассейна охватывает всё многообразие как коксующихся, так и энергетических углей. Угли бассейна – это ценное металлургическое и энергетическое сырьё, характеризующееся средней калорийностью от 6–8 тыс. ккал/кг и содержанием серы до 0.6% [3].

Рис. 1 Распределение балансовых запасов углей Кузнецкого угольного бассейна

Подсчет ресурсов и запасов выполнялся на основе геологоразведочных работ, проводимых до 1983 года, по кондициям, принятым в 1963 г., в которых запасы подсчитывались от мощности 0.7 м для коксующихся и 1 м – для энергетических углей и их зольностью до 30%. При этом не учитывались углы падения пластов, их выбросо- и удароопасность, нарушенность, метаноносность и другие факторы, осложняющие технологию горных работ.

Распределение балансовых запасов в пластах с различными углами падения и мощностями представлено на рис. 1, из которого видно, что 47% запасов приходится на пласты, залегающие под углами до 20° и мощностью от 1.3 до 5 м. В Кузбассе разработку месторождений ведут открытым и подземным способами, на которые приходится соответственно около 56 и 44% добычи бассейна. Рост объёмов добычи, наметившийся с 1999 г., связан с ростом экспортных поставок (рис. 2), а внутреннее потребление угля уменьшается. Несмотря на все многообразие горно-геологических условий, отработка запасов ведётся с применением так называемых монотехнологий. На разрезах – по транспортной системе разработки с применение автосамосвалов для вывозки угля и вскрышных пород, приемлемой для всего диапазона горно-геологических условий, однако являющейся наиболее затратной. На эту систему в Кузбассе приходится 87% всей добычи угля открытым способом.

Рис. 2 Добыча и экспорт Кузнецкого угля

На шахтах доминирует длинностолбовая система разработки с оснащением длинного очистного забоя высокопроизводительным механизированным комплексом. На долю этой системы приходится около 93% всего угля, добытого подземным способом (включая добычу из мощных пластов двумя слоями (6%) и с выпуском подкровельной пачки угля (1%)) (рис. 3) [4].

Рис. 3 Доля различных технологий в добыче угля подземным способом

Однако в Кузбассе около 64% механизированных лав работают в условиях природной газоносности свыше 10 м3/т. В условиях, опасных по горным ударам, работают около 82% очистных забоев и 79% – в условиях, опасных по самовозгоранию угля [4]. Обеспечение безопасной работы в таких условиях требует применение специальных мероприятий, направленных на их предотвращение, что ведёт к увеличению и без того растущих эксплуатационных затрат (до 150 руб./т и более). Кроме того, осложнение ведения горных работ дизъюнктивными нарушениями, обводннёность участков, увеличение глубины ведения горных работ и другое приводят к списанию части промышленных запасов (в отдельных случаях доходящему до 50%). Таким образом, широкое использование единственной технологии, которую порой невозможно адаптировать к конкретным горно-геологическим условиям и объясняет то, что, несмотря на рекордные показатели производительности по отдельным шахтам, средняя производительность рабочего на добыче остаётся ниже технически возможной в 6 и более раз, а затраты на производство, несмотря на рост производительности труда (6.8% в год), постоянно растут, со средним темпом 18% в год за период 2000–2008 гг. (рис. 4).

Рис. 4 Динамика изменения производительности труда, себестои& мости и цены реализации угля на предприятиях Кузбасса (в текущих ценах)

Главным инструментом снижения издержек производства служит рост производительности труда. Известно, что между производительностью труда и себестоимостью добычи угля существует тесная обратная нелинейная зависимость (рис. 5). В 1989 году, который предшествовал реструктуризации угольной отрасли (в процессе которой в Кузбассе было закрыто 44 шахты и 1 разрез), наблюдалась ярко выраженная группировка предприятий по способу добычи (см. рис. 5а). Все шахты бассейна попали в область графика, где производительность труда не превышала 150 т/мес. Средняя производительность труда по шахтам Кузбасса составляла в 1989 году всего 51.4 т/мес. Проведенные реструктуризация и модернизация действующих шахт и строительство новых предприятий позволили упростить инфраструктуру предприятий, повысить концентрацию горных работ и поднять максимальные нагрузки на очистные забои до 10–20 тыс. т в сутки (производительность выросла почти в 3 раза, составив 152 т/мес.). Все это позволило переломить ситуацию и обеспечить сопоставимую эффективность подземного и открытого способов добычи углей и её общий рост в бассейне.

Однако в Кузбассе до сих пор находится в эксплуатации значительная доля предприятий, показывающих низкую производительность труда. Они представлены шахтами, отрабатывающими запасы наиболее востребованных коксующихся марок углей, имеющих наиболее высокую рыночную цену. В группу наименее производительных шахт бассейна с производительностью труда ниже 50 т/мес. (см. зону А, рис. 5б) входят шахты Прокопьевско-Киселёвского района (относящиеся к 3-й группе сложности геологического строения месторождений). Кроме того, можно также выделить и группу шахт с производительностью от 50 до 150 т/мес., которые преимущественно отрабатывают участки наиболее сложной части месторождений коксующихся углей 2-й группы сложности. Остальные шахты большей частью ведут добычу энергетических марок углей имеющих, соответственно, и более низкую цену угольного товара. Именно для условий эксплуатации таких залежей требуется внедрение нетрадиционных технологий. Например, создание и внедрение экономически эффективных технологий отработки крутых угольных пластов позволили бы только на действующих предприятиях дополнительно вовлечь в эксплуатацию около 2.5 млрд.т балансовых запасов [3]. Эффект достигается ещё благодаря тому, что исключаются затраты на доразведку, освоение района и создание инфраструктуры, что обычно требует больших капитальных вложений.

В 2005–2007 гг. в Кузбассе отмечался конкурсно-аукционный «бум», вероятно обусловленный благоприятной для бизнеса тенденцией роста отношения цены угля к себестоимости его добычи. Из переданных за этот период в пользование ресурсов и запасов 5.0 млрд. т отведено для строительства новых предприятий, остальные 4.0 млрд. т – для поддержания и развития мощностей уже действующих шахт и разрезов (рис. 6). Возможности развития открытой добычи угля в Кузбассе в долгосрочной перспективе достаточно ограничены: из 9.0 млрд. т запасов и ресурсов, переданных в распределённый фонд недр в 2004–2009 гг. (для строительства новых и поддержания мощностей действующих разрезов), только 1.4 млрд. т (16%) пригодны к открытой добыче.

При этом следует иметь в виду, что в настоящее время на различных (предшествующих добыче) стадиях освоения – от геологоразведочных до шахтостроительных работ в Кузбассе находится 21 участок, предназначенный для строительства новых предприятий подземной добычи. Общие их запасы составляют 4.3 млрд. т, их большая часть (60% всех запасов и 72% запасов коксующихся углей) расположена на участках с усложнёнными горно-геологическими условиями (относящимися ко 2-й группе сложности геологического строения).

Таким образом, постепенно вводимый в освоение новый шахтный фонд мало отличается от существовавшего ранее, и его освоение, в случае сохранения текущего технологического обеспечения, будет также малоэффективным.

В утверждённой Стратегии развития Кемеровской области в долгосрочной перспективе принято, что «главным фактором интенсивного развития сырьевой базы должно стать <...> представление на рынке новых инновационных технологий извлечения запасов, залегающих в сложных горно-геологических условиях...».

На сегодняшний день, как показывает анализ литературы, разработаны и испытаны десяток нетрадиционных для Кузбасса технологий добычи, прошедших промышленное опробование, и которые можно рассматривать перспективными и эффективными при адаптации в конкретных горно-геологических условиях.

Зарубежный опыт показывает, что к настоящему времени один из наиболее эффективных способов отработки тонких пластов (мощностью от 0.55 до 1.8 м) – струговыми установками. Принцип струговой выемки длинными забоями заключается в снятии стружки угля толщиной до 250 мм на всю мощность пласта по всей длине лавы резцовым исполнительным органом – стругом, перемещаемым вдоль забоя с помощью бесконечной струговой цепи по направляющей забойного конвейера. По сравнению с выемочным комбайном скорость движения струга значительно выше (0.59–1.91 м/c) при меньшей глубине резания. Струг движется по лаве до штрека, а затем с помощью концевых переключателей автоматически осуществляется реверс его движения в противоположенном направлении [5, 6]. В перспективе планируются струги для отработки пластов с углом падения до 35°.

Несмотря на существенные преимущества, струговая выема имеет и ряд ограничений, поэтому область ее применения охватывает не более 20% в добыче углей (т.е. около 5% от общих балансовых запасов). В Кузбассе струговую выемку планируют применять при отработке маломощных пластов на шахтах «Берёзовская» и «Первомайская».

Гидравлический способ добычи угля успешно применялся на шахтах Кузбасса и Донбасса в 1960-х – 1980-х годах. Область применения этого способа довольно широкая: мощность пластов от 0.9 до 20 м; угол падения от 5 до 80°; крепость угля – от весьма крепких и вязких до весьма слабых; газообильность шахт – от негазовых до сверхкатегорных и опасных по внезапным выбросам угля и газа. 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.

В настоящее время ОАО «Промгаз» проектирует предприятия по отработке угольных пластов по технологии подземной газификации (пилотный проект в г. Киселёвск). Опыт работы по такой технологии в Кузбассе наработан в Южно-Абинской станции «Подземгаз» в Киселёвске, которая с 1955 г. проработала около 40 лет. Станция отрабатывала крутопадающие каменноугольные пласты мощностью от 2 до 9 м и снабжала газообразным энергоносителем 14 промышленных предприятий.

Подземная газификация представляет собой физико-химический процесс превращения угля в горючий газ с помощью свободного или связанного кислорода, непосредственно в недрах земли. Подготовка газогенератора осуществляется посредством бурения сети скважин, одни из которых служат для подачи дутья, а другие – для выдачи выработанного подземной газификацией газа. Полученный газ пригоден для использования в энергетических и технологических целях при развитии химического крыла по переработке химических продуктов, содержащихся в газе подземной газификации, и дальнейшего получения синтез газа и водорода. Эта технология может стать одной из наиболее эффективной и экологически чистой для отработки крутых и крутонаклонных пластов мощностью более 2 м. Однако на сегодня она имеет ряд недостатков: высокие потери (около 58% в энергетическом эквиваленте); низкая теплота сгорания получаемого газа (3.0–5.0 МДж/м3); трудности управления процессом горения.

Основным средством механизации угледобычи при отработке крутых пластов, особенно выбросоопасных, как показывает опыт работ на шахтах Украины, служат щитовые агрегаты (1АНЩ, 2АНЩ и АЩУ). Использование щитовых агрегатов позволяет механизировать добычу угля, крепление и управление горным давлением на крутых пластах мощностью 1.2–2.2 м, сократить расходы на вспомогательные материалы, повысить безопасность и улучшить технико-экономические показатели [6]. Перспективной для отработки пологих мощных (более 6 м) пластов представляется однослоевая технология с использованием механизированных комплексов, с выпуском угля подкровельной толщи (разупрочненной физико-химическим методом), и послойная отработка пласта с использованием короткозабойных средств механизации.

Рис. 5 Зависимость между себестоимостью добычи углей (в текущих ценах) и производительностью труда рабочего на предприятиях Кузбасса

Рис. 5 Зависимость между себестоимостью добычи углей (в текущих ценах) и производительностью труда рабочего на предприятиях Кузбасса

Рис. 5 Зависимость между себестоимостью добычи углей (в текущих ценах) и производительностью труда рабочего на предприятиях Кузбасса

Перспективной также 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, скважинную технологии, скважинную гидродобычу, комплексы глубокой отработки пластов (КГРП) и другие. Для высокопроизводительной отработки пологих и наклонных угольных пластов короткими лавами постоянной или переменной длины в сложных горно-геологических условиях на участках с ограниченными запасами угля (150–300 тыс. т и выше) предназначены комплексы 1КМКЛ и 2КМКЛ, обеспечивающие суточную добычу угля в сложных горно-геологических условиях на уровне 1000–4000 т/сутки. Область их эффективного применения: пласты, неопасные и опасные по газу и пыли, мощностью от 1.9 до 3.3 м, с углами падения до 18–35°, длина лавы 20–50 м.

Расположение аппаратуры управления комплексами за пределами выемочного столба или на расстоянии 300–400 м от лавы, применение способа зарубки комбайном в «лоб» забоя позволяют существенно снизить трудоемкость и повысить безопасность работ на сопряжениях [7].

Технология бурошнековой выемки угля, как один из вариантов выемки без присутствия человека, известна с 1960-х годов. Как основная технология для отработки запасов угля месторождения, она, по нашему мнению, малоэффективна, но в качестве дополнительной и для отработки «неудобных» запасов, она вполне перспективна. На сегодняшний день в Украи не, на шахтах «Добропольская» и «Космонавтов», работают бурошнековые комплексы типа БШК-2ДМ, предназначенные для отработки запасов в тонких пластах [8].

Бурошнековая машина создана для выемки маломощных пластов полезного ископаемого с углом падения до 22° (в перспективе до 45°) бурением скважин диаметра 0.5–2.7 м на глубину 40–70 м (в перспективе – до 200 м), погрузки в транспортные средства. Машина механизирует процессы добычи, повышает производительность труда и безопасность очистных работ, позволяет выборочно извлекать полезное ископаемое из пластов сложного строения, с меньшим разубоживанием. При отработке пласта между скважинами остаются участки невыбранного полезного ископаемого, шириной до 0.3 м, что приводит к его потерям в недрах, доходящих до 40–50%. Производительность труда на бурошнековом комплексе составляет порядка 100–300 т/мес., в зависимости от мощности пласта. [8]. Кроме того, пробуренные при этом скважины можно использовать в технологии утилизации шахтного метана.

Рис. 6 Запасы и ресурсы угля, переданные в пользование

В представленном обзоре приведён не весь перечень возможных перспективных технологий добычи угля подземным способом.

Следует отметить, что наблюдаемое ныне трёхкратное превышение объёмов погашаемых запасов угля над добываемыми на действующих предприятиях и рост затрат на добычу представляет собой «плату» за несовершенство используемых горных технологий. Совершенствование технологий добычи в направлении обеспечения возможности отработки запасов в сложных условиях позволит увеличить количество пригодных к эксплуатации запасов на полях действующих предприятий и на возможных к освоению новых участках месторождений, а также повысить эффективность их отработки. Интенсивный путь развития и освоения минерально-сырьевой базы России особенно привлекателен в горно-геологических условиях угольных месторождений Кузбасса.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Угольная база России. Том II. Угольные бассейны и месторождения западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский, бассейны: Месторождения Алтайского края и Республика Алтай). - М.: ООО «Геоинформоцентр», 2003. -804 с.

2. Баланс запасов углей каменных и бурых Кемеровской области по состоянию на 01.01.2004. –Новокузнецк. 2004, с.-201.

3. Баловнев В.П., Шаклеин С.В., Ярков В.О. Состояние минерально-сырьевой базы угольной промышленности Кузбасса. // Горная промышленность. - 2000. - №2 . c.4–8.

4. Храмцов В.И. Особенности подземной добычи угля шахтами Кузбасса в 2008 году// ТЭК и ресурсы Кузбасса. -2009. - №2. C- 40-43.

5. Артемьев В.Б. Перспективы струговой выемки угля. // Уголь.- 2004. - №3. c.9–12.

6. Шрайбер А.А., Редькин В.Б. Современные и перспективные технологии добычи угля. // www.ienergy.kiev.ua

7. http://igds.ru/rus/production/pd/kmkl/

8. Генсхема (модель) развития угольной промышленности на 1980, 1985, 1990 и прогноз на 2000 г. Сибгипрошахт, 1975 г

9. Материалы ПГО «Забсибуглегеологии» геологической разведки 1979 г.

Журнал "Горная Промышленность" №4 (92) 2010, стр.22