Приоритетные направления развития подземной угледобычи на шахтах РФ

УДК 622.22 В.В. Мельник

ПРИОРИТЕТНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПОДЗЕМНОЙ УГЛЕДОБЫЧИ НА ШАХТАХ РФ

Сформулированы приоритетные направления развития подземной угледобычи на шахтах РФ: совершенствование традиционных комплексно-

механизированных технологий подземной добычи угля; применение технологий добычи угля камерными, камерно-столбовыми системами и короткими забоями; развитие нетрадиционных технологий угледобычи (бурошнековой, гидравлической нового технологического уровня, скважинной гидравлической технологии и их комбинаций); строительство угледобывающих предприятий для отработки свиты угольных пластов комбинированным открыто-подземным способом на основе гидромеханизации. Ключевые слова: шахты, подземная угледобыча, напрвленияразвития.

Семинар № 16

Добыча угля в РФ, так же как и нефти и газа, своих максимальных значений достигала в 1988 г. - 425,4 млн. т (подземным способом - 192,6 млн. т). Далее объем добычи снизился на 45% - до 232 млн. т в 1998 г. и увеличился до 269,3 млн. т в 2001 г. Из анализа современного состояния подземного способа добычи в РФ следует, что объем добычи начиная с 2003 г. возрастает - на 244 предприятиях в 2008 г. добыто 328,8 млн. т угля, причем на 96 шахтах - 104,9 млн. т и на 148 разрезах - 223,9 млн. т [1]. На начало 2009 г. прекращена добыча на 203 (188 шахтах и 15 разрезах) угледобывающих предприятиях, причем на 187 работы по технической ликвидации завершены [2]. Только за период 1993-2008 гг. в отрасли произошло выбытие мощностей по добыче угля порядка 163 млн. т при вводе всего порядка 30 млн. т. Только в Кузбассе прекращена добыча на 43 шахтах с выбыванием производственных мощностей 50 млн. т угля в год [3].

Несмотря на увеличение, начиная с 1993 г. нагрузки на очистной забой с 485 до 2318 т/сут (в том числе на комплексномеханизированный с 719 до 3157 т/сут) и производительности труда рабочего по добыче с 66,3 до 168,1 т/мес, а также наличие 30 бригад, обеспечивающих нагрузку на очистной забой более 1 млн. т в год (из них 9 по 1,5 млн. т) и одной бригады, добывшей в 2006 г. 4,098 млн. т угля. Однако оснований для оптимистических про-

гнозов развития подземного способа добычи, к сожалению, весьма мало.

Доказательствами такого положения служат динамика ввода и выбытия мощностей за последние годы, объем незавершенного строительства в угольной промышленности, значительный травматизм. Следует отметить чрезмерную ориентацию в отрасли только на комплексно-механизированную добычу угля (75,1% в 2008 г.). Например, объем добычи гидравлическим способом в 2008 г. составил всего 2,1 млн т (ОАО «Прокопьевскуголь» и шахтоуправление «Прокопьевское» [1]).

Кроме того, из анализа распределения добычи из действующих очистных забоев шахт отрасли по мощности отрабатываемых пластов следует, что: весьма тонкие угольные пласты не отрабатываются вообще; добыча угля из тонких угольных пластов составляет всего 4,4%, а мощностью 1,21-1,80 м - только 16,5%; добыча из пластов мощностью 1,81-3,5 м равняется 57,3%, а более 3,5 м -21,8%.

Если рассматривать шахты Кузбасса, то на них не отрабатывают как весьма тонкие, так и тонкие пласты (0,02%). Объем добычи из пластов мощностью 1,21-1,80 м составляет всего 9,6%; 1,81-3,5 м - 57,1%; а более 3,5 м - 33,2%. Объем добычи по шахтам Кузбасса по углам падения распределяется следующим образом: до 350 - 44,9 млн. т; 36-450 - 0,914 млн. т; свыше 460 - 2,5 млн. т угля.

Следовательно, из анализа распределения добычи из действующих очистных забоев шахт отрасли в целом и по Кузбассу по мощности и углам падения отрабатываемых пластов следует, что область применения сегодняшней подземной угледобычи - это наиболее благоприятные горно-геологические и горнотехнические условия. При этом следует отметить, что объем промышленных запасов только в тонких пластах на примере ОАО «ОУК Южкузбассуголь» составляет порядка 244 млн. т, а в целиках различного назначения УК «Прокопьевскуголь» - 950 млн. т, для которых отсутствуют высокопроизводительная технология и техника.

Как уже отмечалось, одним из недостатков существующей практики горного дела является чрезмерная ориентация подземной технологии угледобычи на применение в шахтах длинно-столбовой системы разработки с использованием механизированных комплексов.

Существовавшие в 70-х годах альтернативные традиционная коротко-забойная и гидравлическая технологии были практически полностью ликвидированы. В то же время объем добычи из коротких забоев в США составляет 63%, Австралии - 50%, ЮАР и Индии - 90% [3].

В горной практике в последние годы расширяется область применения открыто-подземного способа разработки особенно рудных месторождений полезных ископаемых. За счет использования инфраструктуры разрезов можно существенно сократить затраты на строительство таких шахт и снизить эксплуатационные расходы на 30-50% по сравнению с действующими шахтами-аналогами. Значительный опыт проектирования и эксплуатации таких шахт накоплен в институте «ВНИИгидроуголь» и МГГУ [3-6].

С учетом предложений ученых ведущих институтов и произ-водствен-ников отрасли сформулированы следующие приоритетные направления развития подземной угледобычи на шахтах РФ [37].

1. Совершенствование традиционных комплексномеханизированных технологий подземной добычи угля. При

этом годовая добыча из длинного очистного КМЗ должна составлять 3-5 млн. т, производительность труда рабочих должна быть не ниже 400-450 т/мес [3, 4]. Этого возможно добиться в соответствующих горно-геологических и горнотехнических условиях при инженернопроработанных пространственно-планировочных решениях и применении надежного и высокопроизводительного очистного оборудования.

В настоящее время на кафедре «Подземной разработки пластовых месторождений» МГГУ успешно развиваются девять основных направлений научных исследований одно из которых посвящено разработке вариантов гибких технологий интенсивной отработки шахтных полей с использованием высокопроизводительного оборудования нового технического уровня (руководитель -проф., докт. техн. наук Ю.Н. Кузнецов).

В рамках этого научного направления выполнены следующие исследования:

1. Разработаны базовые варианты технологий интенсивной отработки запасов высокоугленосных участков шахтных полей при рациональном интегрировании длиннозабойных и камерностолбовых систем.

2. Разработаны базовые варианты интегрированных технологий интенсивной добычи угля с нагрузкой 3-5 тыс. т в сутки на перспективных шахтах.

3. Разработаны варианты интенсивных технологий монтажнодемонтажных работ при эксплуатации высокопроизводительных комплексов в очистных забоях с нагрузкой более 1 млн. т угля в год.

4. Разработаны научно-методические основы геомеханическо-го обоснования устойчивости и эксплуатационной надежности транспортных выработок высокой пропускной способности.

5. Разработаны варианты технологий интенсивной и безопасной добычи угля в сложных горно-геологических условиях с рациональным управлением геомеханическими процессами и использованием адаптивных средств механизации горных работ.

6. Разработаны методические рекомендации по обоснованию параметров технологии интенсивной отработки запасов шахт модульного типа.

7. Разработаны методические рекомендации по обоснованию вариантов и параметров интенсивной технологии очистных работ с изменяющейся траекторией движения механизированного комплекса.

8. Созданы и внедрены очистные механизированные комплексы ОКС-1 и ОКС-2 на шахтах «Покровская» ПО «Тулауголь», «Казахстанская» ПО «Карагандауголь», «Новокузнецкая» ПО «Южкузбассуголь» (руководитель работ - проф., докт. техн. наук А.Б. Ковальчук).

9. Создан и прошел испытания автоматизированный струговой агрегат «Ф-1» на шахтах «Юбилейная» ПО «Гидроуголь», «Распадская» ПО «Южкузбассуголь» (руководитель работ - проф., докт. техн. наук О.В. Михеев).

10. Внедрены новые способы вскрытия, подготовки и отработки Антоново-Есаульского месторождения Кузбасса (авторское свидетельство №1259008 положено в основу строительства шахт «Антоновская», «Есаульская» ПО «Южкузбассуголь».

11. Созданы и внедрены механизированные комплексы, агрегаты с гидромониторными органами разрушения и проходческие комбайны для гидрошахт (агрегаты типа АФГ, АФГ-2, АВГ, комбайн КПА - шахты «Полосухинская», «Юбилейная», «Инская» ПО

«Гидроуголь» (руководитель работ - проф., докт. техн. наук

О.В.Михеев).

12. Созданы и внедрены технологии непрерывной отработки выемочных столбов с разворотами очистных забоев с комплексами типа ОКП, 4КМ-30, КМТ, «Пиома» на шахтах: «Распадская», «Новокузнецкая», «Капитальная» ПО «Южкузбассуголь», «Октябрьская» ПО «Ленинскуголь» (руководитель работ - проф., докт. техн. наук А.С. Бурчаков).

2. Применение технологий добычи угля камерными, камерно-столбовыми системами и короткими забоями [3-8]. Оптимальное сочетание высокопроизводительных КМЗ с короткозабойной и гидравлической технологиями нового уровня позволит достичь «порога рентабельности» и обеспечить конкурентоспособность шахт с открытыми горными работами. Практическое подтверждение оптимальному сочетанию таких технологий было получено еще в 60-е годы на шахте им. В. И. Ленина в Кузбассе. Так, на этой шахте весьма эффективно сочетались длинные комплексномеханизированные забои, камерно-столбовая и гидравлическая технологии, а также участок открытых горных работ.

3. Развитие нетрадиционных технологий угледобычи, а именно: бурошнековой, гидравлической нового технологического уровня, скважинной гидравлической технологии и их комбинаций [5-9]. В настоящее время бурошнековая технология находит все большее применение за рубежом. Например, на шахте «Саутленд» компании «Тиссен Майнинг Групп Австралия» [9] для отработки участков пластов, непригодных для применения КМЗ, применяется бурошнековый агрегат СА4 со шнековыми штангами диметром 1,5 м, длинной скважин до 50 м и расстоянием между осями скважин 2,2 м.

На кафедре ПРПМ в этой области успешно развиваются два направления научных исследований, а именно:

- создание комплексов скважинной гидравлической добычи (СГД), переработки и транспортировки угля потребителям (руководитель - проф., докт. техн. наук В.В. Мельник);

- создание углеэнергетических комплексов СУГЭК для разработки угольных месторождений с получением сверхчистого газового топлива (руководитель - проф., докт. техн. наук Васючков Ю.Ф.).

В рамках научного направления (руководитель - проф., докт. техн. наук В.В. Мельник) выполнены следующие исследования:

1. Разработана и реализована методологическая база создания комплексов СГД, первичной переработки и транспортировки угля потребителю.

2. Разработаны приоритетные технологические и технические решения, обеспечивающие высокую производительность и безопасность скважинной гидротехнологии при вскрытии и предварительной подготовке запасов выемочного блока, выемке угля рекомендуемыми гидромониторными (АСГ), тонкоструйными (АФТ, ГВМ) и механогидравлическими (АСМ-1 и АСМ-2) агрегатами с последующей первичной переработкой и транспортировкой угля потребителю.

3. Разработаны базовые варианты тонкоструйнных агрегатов АФТ и ГВМ для добычи угля из подземных горных выработок.

4. Обоснованы рациональные параметры механогидравличе-ской технологии отработки запасов тонких пластов агрегатом АСМ-1 и АСМ-2.

5. Разработана и реализована методика геомеханического обоснования параметров скважинной гидротехнологии (параметры блоков, отрабаты-ваемых полос, заходок, расстояние между целиками различного назначения и их размеры).

6. Предложена методика расчета производительности основных подсистем скважинной гидродобычи, а именно, разрушения угольного массива, безнапорного транспорта пульпы и напорного транспорта.

В рамках научного направления (руководитель - проф., докт. техн. наук Васючков Ю.Ф.) выполнены следующие исследования:

- установленная тепловая мощность блока скважинного комплекса, которая для условий Кузбасса может быть принята на уровне 130 МВт. Коэффициент полезного действия процесса преобразования тепловой энергии в электрическую составит 0,46, установленная электрическая мощность 60 МВт. Исходя из таких показателей, выбраны оборудование и типы технологических установок СУГЭК;

- определена эффективность функционирования СУГЭК.

4. Строительство угледобывающих предприятий для отработки свиты угольных пластов комбинированным открытоподземным способом на основе гидромеханизации. В НПО

«Гидроуголь» и МГГУ [5-7] накоплен значительный опыт проектирования, строительства и эксплуатации угледобывающих предприятий на основе механогидравлических технологий как для подземной угледобычи (шахты «Нагорная-1», «Нагорная-2», «Анжерская-Южная-3»), так и открыто-подземным способом (разрезы «Лист-вянский», «Кедровский»). Имеется и зарубежный опыт открытоподземного способа добычи угля. Так, в Австралии на угледобывающем предприятии «Улан» добыча угля осуществляется открытым, подземным и комбинированным способом.

На кафедре ПРПМ в этой области успешно развиваются следующее направление научных исследований, а именно:

- создание комбинированных технологий добычи угля на основе гидромеханизации (руководитель - проф., докт. техн. наук В.А. Атрушкевич).

В рамках этого научного направления выполнены следующие исследования:

1. Разработана и реализована концепция создания интегрированной технологии на основе декомпозиции технологических схем открытой, подземной и гидравлической технологий на элементы, интеграции элементов в группы, научного обоснования новых технических и технологических решений, позволяющих объединить группы элементов в единую технологическую систему.

2. Конструирование новых вариантов технологических схем рекомендуется осуществлять с использованием разработанных технологических и технических решений. 3. Разработана адаптивная математическая модель прогноза деформаций массива горных пород в двумерном и трехмерном пространствах при взаимодействии открытых и подземных горных работ.

3. Установлены закономерности изменения геомеханических параметров в коротких очистных забоях при отработке крутых пластов от основных горно-геологических и горнотехнических факторов.

4. Разработаны многофункциональные элементы технической базы интегрированной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок.

5. Разработаны логическая и экономико-математическая модели синтеза вариантов и оценки эффективности интегрированной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок.

6. Проведена опытно-промышленная проверка варианта интегрированной технологии отработки запасов выше дна траншеи. Схемы вскрытия и подготовки с использованием диагональных горных выработок обеспечивают непрерывность технологических процессов выемки, транспорта и переработки угля. Экономическая эффективность реализации данного варианта технологии в условиях действующего разреза составила в 1996 г. 1229 млн. руб. при объеме добычи 98 тыс. т.

7. Подтверждена эффективность и установлена работоспособность технологической схемы: выемка угля ^ самотечный гидротранспорт ^ транспорт с переработкой горной массы ^ подъем.

Однако не следует забывать, что около 40% запасов высококачественного угля залегают в сложных горно-геологических условиях, для которых, к сожалению, не разработана высокопроизводительная техника и технология.

Анализируя приоритетные направления подземной добычи угля, следует отметить, что оптимальное сочетание подземной, (с длинными и короткими очистными забоями), открыто-подземной угледобычи, гидротехнологии нового уровня, обеспечат повышение полноты извлечения запасов угольных пластов и эффективность угольной отрасли в целом.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Таразанов И.Г. Итоги работы угольной отрасли за 2008 г. Уголь, 2009, № 3. - С. 23-29.

2. Агапов А.Е. Итоги работы государственного учреждения «ГУРШ» по реализации программы ликвидации особо убыточных шахт и разрезов. Уголь, 2007, № 3, - С. 3-7.

3. Пугачев Е.В., Фрянов В.Н. Проблемы развития угольной промышленности Кузбасса. Уголь, 1999, № 4. - С. 33-35.

4. Мазикин В.П., Вылегжанин В.Н. Перспективы развития горнодобывающей промышленности. Уголь, 1999, № 6. - С. 14-17.

5. Пучков Л.А, Михеев О.В., Атрушкевич В.А. Атрушкевич О.А. Интегрированные технологии добычи угля на основе гидромеханизации. - М.: МГГУ, 2000. - 296 с.

6. Атрушкевич В.А. Разработка интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок. - Дис. докт. техн. наук. - М: МГГУ, 1997. - 423 с.

7. Пучков Л.А., Михеев О.В, Атрушкевич В.А., Атрушкевич О.А. Создание высокопроизводительных угледобывающих предприятий на основе механо-гидравлической технологии. - М.: Горная пром., 2000, №6. -С. 2-5.

8. Михеев О.В. Интенсификация подземной добычи угля на основе создания малооперационных технологий и автоматизированных процессов. - Дис. докт. техн. наук. - М.: МГИ, 1986. - 609 с.

9. Мельник В.В. Разработка технологических решений скважинной гидравлической добычи угля. - Дис. докт. техн. наук. - М.: МГТУ, 2005, - 327 с. ЕШ

V. V. Melnik, a Dr.Sci. Tech.

PRIORITY DIRECTIONS OF DEVELOPMENT OF UNDERGROUND COAL OUTPUT ON MINES RUSSIAN FEDERA TIONS

In article following priority directions of development of underground coal output on mines Russian Federations are formulated: perfection of the traditional complexly-mechanised technologies of an underground coal mining; application of technologies of a coal mining by chamber, chamber-and-pillar systems and short working faces; development of nonconventional technologies of coal output (бурошнековой, hydraulic new technological level, downhole hydraulic technology and their combinations); building of the coal-mining enterprises for working of retinue of coal seams by the combined is opened-underground way on the basis of hydromechanization.

Key words: mines, underground coal output, evelopments

— Коротко об авторе ---------------------------------------------

Мельник В.В. - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Подземная разработка пластовых месторождений», Email: msmu-prpm@yandex. ru

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru