CC BY
31
УДК 622.333.001
© Г.Г. Пивняк, В.И. Бондаренко, П. И. Пилов, 2004
Г.Г. Пивняк, В.И. Бондаренко, П.И. Пилов
НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УКРАИНЫ
Пленарное заседание
Украина, по разным причинам субъективного и объективного характера поставила себя в положение энергодефицитных стран, поскольку за счет собственных источников она покрывает свои потребности в топливноэнергетических ресурсах только на 50 %. Большую часть энергоресурсов, прежде всего газ и нефть, она вынужденная импортировать. За счет собственной добычи покрывается 10-12 % потребностей в нефти и 20-25% - в природном газе. В современном топливно-энергетическом балансе Украины доля собственных энергоносителей, том числе каменного угля, снизилась до критически небезопасного уровня. В этой сложной ситуации необходим новый подход к стратегии развития топливно-энергетического комплекса страны.
Уголь для Украины - единственный собственный энергоресурс, запасов которого достаточно на сотни лет, а запасов с относительно благоприятными условиями разработки с использованием современных технологий - на 70-80 лет. Это позволяет в ближайшие десятилетия обеспечить потребности экономики в угле за счет собственной добычи при конкурентоспособности украинского угля на внутреннем рынке.
Балансовые запасы угля в Украине категорий А+В+С1 составляют 45 млрд т, в том числе коксующегося угля свыше 13 млрд т. Около 1 млрд т запасов пригодны для открытой разработке (бурый уголь). Основные запасы каменного угля сосредоточены в Донецком бассейне (до 90 %).
Готово к промышленному освоению около 23 млрд т балансовых запасов категорий А+В+С! из которых эксплуатируются и находятся на балансе действующих предприятий около 9,5 млрд т, в том числе энергетического угля - 5,5 млрд т (58 %).
Однако, угольные месторождения Украины и, прежде всего, Донбасса, характеризуются сложными горно-геологическими условиями
разработки: малая мощность угольных пластов, большая глубина залегания, слабая устойчивость вмещающих пород, высокая газоносность, склонность многих пластов к газодинамическим проявлениям - внезапным выбросам угля и газа, горным ударам. Около 77 % угольных шахт относятся к весьма газоносным.
В структуре запасов угля на долю пластов мощностью более 1,2 м приходится всего 20,4 %, на тонкие (до 1,2 м) - 74 %, в том числе на весьма тонкие (менее 0,8 м) - 33,3 %.
Угольные месторождения Украины имеют значительные запасы метана. По различным оценкам общие ресурсы метана в Донбассе составляют от 2,5 до 25 трлн м3. Таким образом, каменноугольные месторождения Украины следует рассматривать как угольно-газовые.
В Донецком бассейне 45 свободных участков могут быть рекомендованы для закладки 48 новых шахт, однако 10 из них будут иметь глубины свыше 1400 м. Проектные проработки показали, что практически все намеченные для строительства шахты относятся к глубоким или имеют весьма сложные условия залегания пластов.
В тоже время, имеется свыше 40 небольших полей для строительства высокорентабельных шахт неглубокого заложения суммарной мощностью 4-5 млн т в год.
Бурый уголь в Украине является также существенным топливным ресурсом. Однако его использование в энергетике ограничено в связи с отсутствием адаптированных котлоагрегатов.
Общая потребность Украины в товарном угле в соответствии с различными сценариями развития экономики составляет: 2005 г. - 75,989,3 млн т; 2010 г. - 78-94 млн т; 2015 г. - 80100 млн т; 2020 г. 82,2-110,5 млн т; 2025 г. -90,1-120 млн т; 2030 г. - 120-123,4 млн т.
Учитывая исключительную роль каменного угля в производстве электроэнергии, в черной металлургии, в разработанной энер-
гетической стратегии Украины важной составной частью является стратегия развития угольной отрасли.
Она предусматривает повышение объемов и эффективность использования собственного угля как средства обеспечения энергетической безопасности Украины.
Важнейшими принципами стратегии развития угольной промышленности являются:
• структура топливно-энергетичес-
кого баланса, направленная на увеличение объемов потребления каменного угля в энергетике;
• обеспечение внутреннего спроса на уголь за счет собственной угольной промышленности;
• повышение качества и уровня государственного регулирования в отрасли путем создания эффективных систем управления госсобственностью;
• стимулирование использования отечественного оборудования и технологий нового поколения;
• формирование государственной инновационной и инвестиционной политики в угольной отрасли.
Стратегия отмечает, что основными внутренними резервами обеспечения эффективности угледобывающих предприятий являются:
• уровень использования производственных мощностей;
• новая техника и адекватные ей технологии;
• повышение степени использования энергетического потенциала добытого угля за счет оптимального качества угольной продукции, получаемой путем переработки рядовых углей на обогатительных фабриках с современными технологиями;
• использование вторичных ресурсов твердого топлива накопленных в виде шламов в местах добычи и переработки углей;
• диверсификация деятельности угледобывающих предприятий, переход на многопрофильное производство.
Потенциал угольной отрасли Украины остается достаточно высоким: подготовленные запасы угля, возможности угольного машиностроения и шахтостроения, новые технологии добычи, переработки и исполь-
зования угля, развитая промышленная инфраструктура, высококвалифицированные
научные, инженерно-техничес-кие и рабочие кадры, которые имеют опыт работы в сложных горно-геологичес-ких условиях.
Из положений стратегии и анализа проблем угольной промышленности Украины следует, что новые производственные мощности будут создаваться как за счет строительства новых шахт, так и за счет реконструкции действующих путем расширения шахтных полей и адаптации существующих инфраструктур под новые мощности.
Систематизация производственно-тех-
нических задач, возникающих при освоении угольных месторождений Украины, позволила сформулировать научно-техни-ческие проблемы (рис. 1), решение которых позволит достигнуть главной цели стратегии развития угольной промышленности - повышение объемов добычи при обеспечении конкурентоспособности на внутреннем рынке.
Таким образом, горно-геологические условия угольных месторождений Донбасса, в особенности такие, как малая мощность пластов, большая глубина залегания, высокая газоносность, предопределили актуальность научно-технических проблем горной науки, основными из которых являются:
• изучение проявлений высокого горного давления, газодинамических явлений, температурного режима;
• исследование характера напряжен-но-деформируемого состояния горного массива вокруг горных выработок на больших глубинах;
• поддержание подземных горных выработок ресурсосберегающими технологиями на основе управления энергией горного массива;
• исчерпывающиеся возможности создания новой техники для разработки маломощных пластов;
• создание эффективных и безопасных технологий угледобычи с использованием новой надежной и высокопроизводительной техники;
• создание системы безопасности горных работ, адекватной современным
Научно-технические проблемы
Повышение объемов добычи при обеспечении конкурентоспособности на внутреннем рынке
условиям разработки угольных месторождений.
Нерешенность этих проблем уже сдерживает рост объемов добычи и производительности труда. Например, в Украине созданы машины и механизмы нового технического уровня (очистные механизированные комплексы, добычные и проходческие комбайны, транспортное оборудование и др.), позволяющие увеличить добычу угля в одной лаве до 2000-6000 т/сутки. Но их применение вступает в противоречие с традиционными системами подготовки и разработки угольных пластов
Имеет место и ограничение добычи по газовому фактору. Требуется предварительная дегазация угольных пластов и вмещающих пород. Для этого необходимо строительство «газовых» горизонтов, бурение скважин из горных выработок, а также с поверхности с возможностью попутной добычи метана.
В качестве примеров решения производственно-технических задач на основе достижения горной науки и горного машиностроения, приведем некоторые результаты деятельности угольной промышленности Украины.
За последние годы намечен позитивный процесс роста нагрузок на комплексномеханизированные очистные забои. По данным отраслевой статистики эксплуатация 5-ти комплексов МКД90 с соответствующей проходческой техникой и транспортными средствами дает годовой прирост добычи угля не менее 1,3 млн т. Это равносильно вводу новой шахты со стоимостью строительства 1,5-2 млрд грн.
Новая техника имеет ресурс 15^20 тыс. часов, что эквивалентно 5-6 годам эксплуатации до капитального ремонта. Для своевременного обеспечения фронта подготовительных работ под новые комплексы созданы проходческие комбайны КПД и КПУ, а для обеспечения работы транспортных целей от высоконагруженных лав - конвейеры Л800Д, Л100Д, Л1200Д повышенной энерговооруженности и дальности транспортирования.
Кроме того, повышенные в 2-3 раза эксплуатационные показатели новых выемочно-доставочных машин по производительности, энерговооруженности, надежности, позволяют обеспечить переход на увеличенные до 250-450 м длины лав, вести отработку лав в тонких пластах, резко сократить трудозатра-
ты концевых операций в очистных забоях, что, в конечном счете, приведет к росту средней нагрузки на такие комплексы до 1700^1800 т в сутки.
Однако использование новой производительной техники вступает в противоречие с устаревшей технологией, которая не обеспечивает безопасного ведения горных работ. Возникает серьезная научно-техни-ческая проблема создания новых систем подготовки и разработки угольных пластов, включающих в себя строительство сети вспомогательных выработок, дегазационных, дренажных и вспомогательных горизонтов, обеспечивающих безопасное ведение горных работ и надежную ликвидацию последствий аварий.
В качестве одного из перспективных направлений повышения устойчивости горных выработок в НГУ определено упрочнение приконтурных пород для противодействия горному давлению.
Решение этой проблемы базируется на принципах оптимизации режимов взаимодействия и взаимовлияния элементов триединой системы «массив-упрочненные породы-крепь» при наиболее полном учете особенностей упрочняющего эффекта от действия анкеров и нагнетания твердеющих смесей.
Упрочнение обуславливает появление возмущений, описываемых деформационносиловыми характеристиками, как в поперечном, так и продольном сечениях выработки. Эти факторы генерируют формирование пространственных изменений размеров зоны неустойчивого равновесия пород вокруг выработки и нагрузки на крепь. В совокупности отмеченные причины вызывают существенное непостоянство режимов взаимодействия системы «массив-упрочнен-ные породы-крепь», что отрицательно сказывается на ее устойчивости.
Современная теория взаимодействия системы «массив-упрочненные породы-крепь» включает две взаимосвязанные составляющие: деформационно-силовые характеристики подсистемы «упрочненные породы-крепь» и воздействующее на нее горное давление. Взаимосвязь состоит в том, что, с одной стороны, деформационно-силовая характеристика подсистемы влияет на процесс формирования нагрузки, с другой - пространственные возмущения деформационносиловой характеристики подсистемы, отра-
зившись в эпюре горного давления, преобразуют ее саму.
Для решения этой задачи применены критерии оптимизации режимов взаимодействия системы «массив-упрочненные породы-крепь» в пространственной постановке. Это позволило установить требуемые (в конкретной горно-геологической ситуации) конструктивно-технологические параметры подсистемы «упрочненные породы-крепь» на основе ее равнопрочности, что, наряду с адаптацией к характеру проявлений горного давления, позволяет реализовать ресурсосберегающие технологии крепления и поддержания горных выработок.
Разработан принципиально новый метод прогноза проявлений горного давления, учитывающий пространственные периодические изменения параметров силового взаимодействия системы «массив-упрочненные породы-крепь». Это создало предпосылки для разработки методики расчета напряженно-деформированного состояния подсистемы, обладающей пространственной неоднородностью геометрических, механических и силовых параметров с целью определения и оптимизации ее деформационно-силовой характеристики.
Повышение уровня безопасности работ при добыче угля, на наш взгляд, может быть обеспечено путем создания системы защиты человека в геологической среде, адекватной современным технике и технологиям, биохимическим процессам, протекающим на больших глубинах.
Для этого необходимо решить такие задачи:
• комплексная дегазация угольных месторождений;
• научно-техническая и психологическая подготовка, а также переподготовка кадров;
• создание современных систем управления горными работами с использованием информационных технологий;
• внедрение современной безопасной техники;
• научно-техническое сопровождение высокоинтенсивных технологий угледобычи;
• усовершенствование действующей нормативно-правовой базы безопасности труда.
В качестве элемента системы безопасности, на основе научных разработок НГУ для
горноспасательных работ создана мобильная аварийно-спасательная подъемная установка АСППУ-6,3, головной образец которой изготовлен Новокраматорским машиностроительным и Донецким экспериментальным ремонтно-механическим заводами. Его приемочные испытания успешно проведены в декабре 2003 г. на шахте им. Калинина.
После испытаний установка передана оперативному военизированному горноспасательному отряду (г. Донецк) для постоянной эксплуатации.
Одним из приоритетных направлений обеспечения твердотопливной электроэнергетики каменным углем является повышение его качества до экономически целесообразного уровня. Это позволит снизить себестоимость производства электроэнергии и повысить объем ее выработки из добываемого угля, снизить экологический ущерб, повысить экономическую эффективность угольной промышленности.
Однако особенности месторождений каменных углей, расположенных на территории Украины, предопределяют относительно высокую себестоимость добычи и большую зольность горной массы. Эти особенности, а также дефицит топлива, социально-
экономические проблемы шахтерских регионов приводят к тому, что фактическая зольность горной массы колеблется в пределах 35-55 %.
Дальнейшее увеличение зольности приведет к росту себестоимости обогащенного топлива и ухудшению экономических показателей угольной промышленности и электроэнергетики.
В случае использования высокозольных углей в районе их добычи, более эффективным становится совершенствование существующих и разработка новых методов их сжигания. Данные вопросы целесообразно рассматривать в контексте современного состояния твердотопливной энергетики.
Задачей технологического цикла добычи и использования углей является производство конечной продукции - электрической энергии при минимальной ее себестоимости при данных природных свойствах энергоносителей и техническом уровне энергетики.
Вопрос обоснования качества угля должен рассматриваться с точки зрения полноты использования его энергетического потенциала, технологических возможностей ее
Показатели энергетического использования угля
Выход концентрата,%
1-зольность концентрата; 2- коэффициент энергетического использования угля при сжигании только концентрата; 3 - критерий технологической эффективности
Рис. 2
достижения и экономической целесообразности.
Если исходить из потребительских свойств топлива, то при оптимальном его качестве возможно получение максимального количества полезного тепла. Исследование выполненные в ИГУ, показали, что максимальное количество полезного тепла получается при зольности угольных концентратов, соответствующей материнской зольности чистого угля (рис. 2).
За десятилетия работы угольной промышленности вблизи шахт и обогатительных фабрик накопилось более 120 млн т (и продолжает накапливаться) угольных шламов, которые представляют собой вторичный топливный ресурс, использование которого может существенно улучшить топливноэнергетический баланс, высвободить объемы каменных углей за счет производства из отходов композиционного угольного топлива для бытовых нужд.
Таким образом, возникла проблема утилизации большого количества отходов углеобогащения и угледобычи. Зольность таких отходов составляет 60-80 % при теплоте сгорания 7,5-10 МДж/кг, что обусловлено потерями угольных фракций при добыче и для их термической переработки необходимы новые технологии и создание генерирующих мощностей в местах скопления таких отходов для избежания неоправданных затрат на их транспортирование.
Использование традиционных технологий углеобогащения, наиболее распространенных на Украине и в СНГ, приводит к повышенным потерям горючей массы из-за повышающегося содержания в горной массе мелких классов углей и их шламов в связи с интенсификацией процессов добычи.
Решение этой проблемы для повышения степени использования энергетического потенциала добываемых углей возможно, с одной стороны, за счет выделения промежуточных продуктов с зольностью до 60-65 % на существующих обогатительных фабриках и сжигания их на месте добычи с использованием ЦКС-технологий. С другой стороны - путем применения технологий углеобогащения, адаптированных к современному гранулометрическому составу.
Применение в углеобогащении довольно простых гравитационных аппаратов, таких как винтовые и конусные сепараторы, исследованных в НГУ, создание в Украине обогатительного комплекса с тяжелосредными гидроциклонами, организация собственного производства винтовых сепараторов, открывают новые технологические возможности. Уже реальным становится применение технологий углеобогащения с использованием четырех или даже пяти машинных классов. На основе многолетних исследований синтезирована эффективная технология обогащения каменных углей. Она включает раздельную переработку четырех машинных классов: >13 мм - в тяжелосредных сепараторах со статическими условиями разделения, 2-13 мм в тяжелосредных гидроциклонах, 0,35-2 мм - на винтовых сепараторах с перечисткой тяжелой фракции и <0,35 мм - флотацией с перечисткой камерного продукта, а при зольности этого класса >70 % от может считаться отходами.
Окускованные угольные шламы и бурые угли представляют собой существенный топливный ресурс для коммунально-бытового потребления. С этой целью в НГУ разработана новая технология их окускования без применения связующих. В ее основе лежат адгезионно-химические процессы, проте-
кающие в вязкопластических системах, образованных тонкодисперсными частицами ископаемых углей, которые вызывают вяжущие свойства.
Используя эти свойства можно изготавливать композиционное топливо, компонентами которого является смесь каменноугольных и антрацитовых шламов, бурых углей, различного рода отходы, содержащие органические вещества.
Окускованное топливо обладает высокими теплоэнергетическими и механическими свойствами, в частности, достаточной механической прочностью, водостойкостью, термостойкостью. Слой такого топлива при сжигании имеет хорошую газопроницаемость, что обеспечивает достаточно полную степень сгорания даже при высокой зольности.
Технология окускования не энергоемка. На тонну готовой продукции расходуется до 10 кВт-ч. Сушка осуществляется в естественных условиях или при обдуве горячим воздухом в осенне-зимний период. Себестоимость предела составляет 5-6 долл. США за тонну.
Готовое топливо, даже при использовании высокозольных каменных шламов имеет теплотворную способность не менее 3500 ккал/кг, а при окусковании бурого низкозольного угля достигает 4500 ккал/кг.
Готовый продукт имеет вид цилиндрических стержней диаметром 30 мм и длиной до 200 мм.
Установки, реализующие эту технологию, уже изготавливаются малыми сериями по заказу потребителей.
Таким образом, для повышения полноты использования энергетического потенциала добытого угля целесообразно:
• производство на обогатительных фабриках малозольных угольных концентратов для эффективного сжигания на существующих ТЭС, которое позволит получить больше полезного тепла и существенно снизить транспортные расходы;
• строительство в угледобывающих регионах со значительным объемом накопленных углесодержащих отходов энергоблоков, которые используют ЦКС-технологии.
Такая идеология позволит более полно реализовать энергетический потенциал горючей массы угля, сэкономить топливные ресурсы страны, удешевить производство электроэнергии на основе твердого топлива.
Эффективность современного горного производства может быть достигнута только при широком использовании информационных технологий и автоматизации на основе интеллектуальных систем. Существенным резервом повышения объемов добычи каменных углей повышение является сокращение простоев технологических комплексов, потери добычи от которых оцениваются в 20 млн т/год. Снижение расхода и потерь электроэнергии на всех участках горного производства также является существенным фактором повышения экономических показателей производства. Потенциал энергосбережения в угольной промышленности составляет примерно 450 млн кВт-ч в год.
Решение этой проблемы в НГУ базируется на выявлении ценологических свойств энергетических показателей горных машин и установок в виде гиперболических распределений. Это позволяет перейти от нормирования энергопотребления к энергоконтролю, что повышает уровень электроиспользования.
Для реализации такого подхода необходимы информационно-аналитическое обеспечение и соответствующие системы контроля и автоматизации управления отдельными звеньями технологического процесса добычи.
Объективная информация о режимах работы горного оборудования и систем энергообеспечения позволяет быстрее и точнее выявить и локализовать повреждения в горнотехнологических комплексах, что значительно сокращает их простой, что предопределяет рост объемов добычи. Одновременно повышается технический уровень эксплуатации и безопасность работ.
Исходя из требуемой глубины энергоконтроля и рассредоточенности энергетических и технологических объектов на горных предприятиях, информационные технологии наиболее эффективно реализуются в распределенных децентрализованных системах с интеллектуальными контролерами и многоуровневой архитектурой управления. Наличие подобных систем создает основу для оперативного решения задач энергосбережения, управления технологическими процессами и сокращения простоев во всех звеньях производства.
На основе такого подхода и разработанных алгоритмов в НГУ создан ряд готовых к внедрению компьютерных систем.
Прогресс в угольной промышленности невозможен без современной экономической горной науки. Особый интерес представляют вопросы, связанные с привлечением инвестиций в угольную промышленность.
Инвестиционные проблемы угольной отрасли НГУ рассматривает с позиций инвестиционной привлекательности шахт, а не стоимости их активов. Высокая стоимость основных активов шахты отнюдь не свидетельствует о ее прибыльности. Прибыльность добычи уголь как бизнеса зависит от перспективы разработки именно пластов в границах шахтного поля. Вторая и тоже важнейшая сторона поддержки мощности шахт -адресность инвестирования (инвестиционная привлекательность).
Эффективное развитие шахтного фонда предусматривает использование предложенного механизма количественной оценки (интегрированный показатель) состояния каждой шахты (технический, экономический, обеспеченность запасами) учитывая восприимчивость к инвестициям (инвестиционная привлекательность шахт). От уровня инвестиционной надежности зависит объем капитальных вложений для прироста 1 т производственной мощности.
Заключение
Разработанная стратегия развития угольной промышленности Украины ориентирована на увеличения объемов использования каменного угля в энергетике.
Ее реализация потребует увеличения производственных мощностей за счет освоения новых месторождений, как за счет строительства новых шахт, так и за счет реконструкции действующих. При этом должны соблюдаться принципы комплексности, корректного недропользования и максимального использования существующей промышленной инфраструктуры.
Вместе с тем, кроме создания условий для привлечения инвестиций в угольную промышленность Украины, требуется и серьезный вклад горной науки для решения тех научных проблем, которые выдвигаются горно-геологическими условиями подземной добычи и современной экономикой.
Приведенные примеры свидетельствуют о наметившемся прогрессе в создании новых технологий разработки тонких угольных пластов и комплексной переработки горной массы.
Это подтверждает правильность научных приоритетов, вытекающих из необходимости решения научно-технических задач угольной промышленности на современном уровне.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------------------
Пивняк Геннадий Григорьевич - доктор технических наук, профессор, академик Национальной академии наук Украины, заведующий кафедрой систем электроснабжения, ректор,
Бондаренко Владимир Ильич - технических наук, профессор, заведующий кафедрой подземной разработки месторождений, проректор по научной работе,
Пилов Петр Иванович - технических наук, профессор, заведующий кафедрой обогащения полезных ископаемых, первый проректор,
Национальный горный университет, г. Днепропетровск, Украина.
