CC BY
14
УДК 622.031.56:622.817.47:622.83.35
© В.Н. Захаров, С.С. Кубрин, В.С. Забурдяев, 2015
В.Н. Захаров, C.С. Кубрин, В.С. Забурдяев
КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СТАДИЙ И ОПЕРАЦИЙ В ЕДИНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Рассмотрены вопросы комплексирования технологических стадий и операций в единую геотехнологию технологий высокоинтенсивной отработки запасов угля комплексными механизированными забоями, промышленного извлечения метана из высокогазоностных пластов.
Ключевые слова: комплексирование, технологические стадии, уголь, метан, дегазация, контроль, информационные системы, мониторинг, управление, геотехнология.
Недра Российской Федерации богаты практически всеми видами полезных ископаемых. Минерально-сырьевая база является основой и локомотивом экономического развития России. Основы дальнейшего развития минерально-сырьевого комплекса Российской Федерации связаны с освоением месторождений, расположенных на большой глубине, в сложных горногеологических условиях. Рациональное освоение недр предполагает технологическое управление их состоянием. При этом возрастает потребность в готовых товарных продуктах высокого качества, повышаются требования к снижению себестоимости получаемых концентратов, уменьшению капиталоемкости производств и повышению экологических требований.
Основное направление повышения эффективности освоения недр является создания комбинированных технологических схем, сочетающих различные технологические процессы и технологические стадии освоения месторождений, которые совместно обеспечивают экономически выгодные и экологически безопасные условия разработки месторождений твердых полезных ископаемых. Необходимость обеспече-
ния безопасности горных работ, сокращения тяжелого труда в сложных климатических и геомеханических условиях больших глубин обусловливает повышенные требований к технологии горных работ и к освоению гибких роботизированных систем добычи угля и руды, погрузочно-разгрузочным операциям, транспортировке горной массы, информационным технологиям для управления горным производством.
Наиболее плодотворен комплексный подход при использовании автоматизации и информатизации предприятий, позволяющий реализовать концепцию настраиваемых и адаптируемых к изменяющимся условиям геотехнологий [1]. Конечной целью такого подхода (полной реализацией) является концепция «интеллектуального рудника» или «интеллектуальная шахта». Где рудник (шахта) рассматривается как часть процесса добычи и переработки минерального сырья (включающего горно-металлургическую или обогатительную фабрику) в конечный продукт, который является углем, металлом или неким обогащенным концентратом для его последующей переработки. Комп-лексирование на основе автоматизации - это объединение разнообразных
добычных и вспомогательных технологических процессов в единую информационно-управляемую технологическую цепочку последовательно и параллельно выполняемых технологических операций, работ, представляющих собой некоторые технологические стадии процесса извлечения твердых полезных ископаемых. Полное использование геоинформационных ресурсов, данных систем мониторинга природной и техногенной среды (массив горных пород, рудничная атмосфера, состояние выработок, гидросфера), аналитических систем [2] позволит повысить эффективность добывающего комплекса, снизить экономические издержки, улучшит управляемость горного производства. Реализация такого подхода представляет развитие комбинированной геотехнологий [3]. Вопросы формировании высокоинтенсивных технологий техногенного преобразования недр на основе автоматизации и информатизации обусловливаются следующим:
• необходимость объединения в единую технологию нескольких технологий, ранее применявшихся без детерминированной взаимосвязи, для достижения установленных показателей ее применения;
• преобразование объединяемых технологий в технологические стадии;
• выполнение технологических стадий в параллельном режиме;
• необходимость использования отдельных технологий в составе единой технологии в режиме «последовательная программа, параллельная подсистема».
В связи с вышеизложенным особую значимость приобретает совершенствование существующих, создание новых геотехнологических процессов, способных обеспечить безопасность ведения горных работ, высокую интенсивность и экономическую эффективность в особо сложных условиях
разработки месторождений и вопросы включения их в единую комбинированную геотехнологию, расширение списка задач, решаемых в рамках геинформационного обеспечения работы горнодобывающего комплекса, необходимость проведения синтеза разнородных наблюдаемых данных с помощью различных систем мониторинга техногенной среды и технологических процессов на геоинформационной платформе. Поставленная задача решается на основе комплексной модернизации технологического оборудования шахт и рудников, направленной на повышение производительности труда путем автоматизации технологических процессов, повышения комплексности освоения месторождений, за счет увеличения глубины переработки руд и расширения спектра извлекаемых полезных компонентов, использования отходов переработки в качестве закладочных материалов, повышения интенсивности разработки за счет применения новых методов управления геомеханическими процессами, реализуемых в едином детерминированном комплексе «сквозной, поточной», единой геотехнологии.
Из-за невысокой рентабельности особенно актуальный такой подход в угольной промышленности. Уголь, как свидетельствуют долгосрочные тенденции мирового энергетического рынка, является одним из основных компонентов мирового топливно-энергетического баланса, наряду с нефтью и природным газом, что крайне важно для России с ее огромными угольными ресурсами. Уголь останется одним из самых надежным и востребованных источников энергоснабжения человечества в обозримом будущем. Россия является одним из мировых лидеров по производству угля. В ее недрах сосредоточена треть мировых ресурсов угля (733 млрд т) и пятая часть разведанных его запасов. Запасы энер-
Рис. 1. Динамика среднесуточной нагрузки на комплексно-механизированный забой
гетических углей составляют около 80%. Промышленные запасы действующих предприятий составляют почти 19 млрд т, в том числе коксующихся углей - около 4 млрд т. Добыча угля за последний месяц 2014 г. составила 35 398 тыс. т [4]. За последние десятилетие более чем в 3 раза возросли нагрузки на очистные забои (рис. 1).
Российские угольные шахты являются рентабельными при добыче угля не менее 2-3 млн т из комплексно-механизированного забоя в течение года, или не менее 8-15 тыс. т угля в сутки, что при разработке высокоме-таноносных угольных пластов без специальных мероприятий не достижимо по газовому фактору. Вместе с тем, наиболее перспективным направлением технологического развития подземного способа освоения углегазовых месторождений является комплексное освоение их энергоресурсов, предусматривающее высокоинтенсивную разработку угольных пластов и попутное промышленное извлечение метана, обеспечивающее повышение метано-безопасности и конкурентоспособности угольных шахт, за счет вовлечение в хозяйственный оборот нового вида полезного ископаемого - угольного метана и сокращение выбросов высокоактивного парникового газа-метана.
Введение в действие с 01 марта 2007 г. «Методических рекомендаций о порядке дегазации угольных шахт» [5] и с 01 декабря 2012 г. «Инструкции по дегазации угольных шахт» [6]
привело к снижению числа выявленных нарушений газового режима в газовых шахтах на 17% и общего числа простоев очистных и подготовительных забоев по газовому фактору соответственно в 2,73 и 2,41 раза.
Вскрытие и подготовку выемочных участков шахтного поля к интенсивной отработке метаноносных угольных пластов следует осуществлять с учетом горнотехнологических решений. Выбор схемы подготовки или ее отдельных элементов осуществляется применительно к конкретным горногеологическим и горнотехническим условиям действующей или проектируемой шахты в соответствии с принятой на газовой шахте схемами вскрытия и подготовки шахтного поля и его параметрами: длина лавы; выемочного столба; газоносность дегазируемого пласта к моменту выемки - не более 13 м3/т с.б.м. Подготовка пластов на проектируемых и вновь строящихся шахтах осуществляется с геологических условий месторождений и нормативных документов.
Комплексное аналитическое информационное обеспечение и управление комбинированной геотехнологией извлечения угля и метана выполняется в следующем порядке:
• с использованием линеаментно-го анализа производится дешифрирования аэрофото- и космофотомате-риалов для получения геолого-тектонического строения и нарушенности массива в виде зон повышенной тре-щиноватости;
Рис. 2. Трехмерные линеаменты шахтного поля
• в результате строится карта тектонически-активных зон, на основе которой с помощью литотектонического
анализа строится трехмерная модель линеаментной тектоники (рис. 2).
На втором этапе производится уточнение зон повышенной трещиноватости на основе данных геолого-геофизических исследований в пределах горного отвода шахты. Сначала производятся наземные сейсмо-разведочные работы, устанавливаются структура и глубина простирания тектонических нарушений, прогнозируются зоны сбросов, зоны надвигов, зоны
I
Рис. 3. Результаты выявления и оконтуривания зон повышенной трещиноватости
Рис. 4. План горных работ с нанесением результата томографического восстановления по скоростям продольных волн
серий мелко амплитудных разрывов (по уменьшению скорости сигнала, уменьшению амплитуды сигналов и уменьшению частоты). Затем с помощью шахтной сейсморазведки выполняется детальное картирование выемочного столба, оценка локальных тектонических нарушений, трещиноватых зон (рис. 3) производится томографическое восстановление и выявление локальных коллекторов метана [7]. На рис. 4 представлен выемочной участок пласта Поленовский шахты им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», на котором более светлыми тонами изображены нарушенные зоны, черной линией - тектоническое нарушение. В итоге полученная и обработанная информации представляется на трехмерной геопространственной модели (рис. 5) горного предприятия и определяется газоносность углепо-родного массива, метанообильности выемочных участков.
Далее, разрабатываются проектные решения по предварительной пластовой дегазации в пределах выемочного участка. Определяется число и схемы расположения дегазационных скважин, которые необходимо пробурить: по пласту, над куполом обрушения пород и при необходимости на
нижележащий пласт из участковых выработок, с земной поверхности. Кроме этого, выясняется необходимость дегазации массива горных пород скважинами направленного бурения из участковых выработок. Определяются параметры каптируемой метано-воздушной смеси (МВС), расстановку оборудования контроля содержания и физических параметров МВС, оборудования управления потоками МВС автоматизированной системы контроля и управления подземной дегазационной сетью (автоматизированная система контроля шахтной дегазационной системы АСК ШДС) [8].
Процесс дегазации выемочного участка контролируется и управляется с помощью АСК ШДС (рис. 6). Контроль за параметрами МВС осуществляется с помощью разработанной специализированная станция контроля параметров дегазации (СКПД), позволяющей измерять концентрация метана СН4 во всем диапазоне от 0 до 100% об. (установлено два датчика), концентрация оксида углерода (СО) в пределах от 0 до 200 ррт, содержание кислорода (О2) в диапазоне от 0 до 25% об., давление МВС от 400 до 1200) мм рт.ст.; дифференциальное давление в диапазоне от 0 до 200) мм вод.ст. На осно-
Рис. 6. Мнемосхема автоматизированной системы контроля шахтной дегазационной системы
ве полученных данных производится расчет объемного расхода МВС, проходящей через точку контроля. В автоматизированную систему управления технологических процессов шахты интегрируются подсистема контроля и управления дегазационными установками и подземной дегазационной сетью. Такое решение обеспечивает контроль и управления рассмотренной комбинированной геотехнологии очистных работ и промышленного извлечения метана. При этом используются несколько стадий, основными из которых являются - разработка про-
ектных решений, предварительная управляемая пластовая дегазация выемочного столба и сближенных пластов для обеспечения высокоинтенсивной и безопасносной отработки запасов с последующей дегазацией погашенного пространства. Основными инструментами, позволяющих выполнить комплексирование технологических стадий и операций в единую геотехнологию являются информационно-аналитические системы, системы мониторинга и системы контроля и управления технологическими процессами.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кубрин С.С. Теоретико-информацион- работкой с учетом конкурентной способности ный анализ систем управления запасами и их от- углей. - М.: Энергоатомиздат, 2002. - 182 с.
2. Кубрин С.С. Математические модели и методы информационно-аналитических систем. - М.: Энергоатомиздат, 2002. - 132 с.
3. Каплунов Д.Р., Калмыков В.Н., Рыль-никова М.В. Комбинированная геотехнология. - М.: Руда и металлы, 2003. - 560 с.
4. http://www.minenergo.gov.ru/activity/ coalindustry/
5. Рубан А.Д., Артемьев В.Б., Забурдя-ев В.С., Подображин С.Н. и др. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). Серия 05. Вып. 14. - М.: ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность», 2007. - 256 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
6. Рубан А.Д., Забурдяев В.С., Артемьев В.Б., Подображин С.Н. и др. Инструкция по дегазации угольных шахт 2012. Серия 05. Вып. 22. - М.: ЗАО «НТЦ Исследование проблем промышленной безопасности». - 2012. - 250 с.
7. Захаров В.Н., Забурдяев В.С., Артемьев В.Б. Углепородные массивы: прогноз устойчивости, риски, безопасность. - М.: Горное дело, 2013. - 277 с.
8. Захаров В.Н., Кубрин С.С. Автоматизация процессов дегазации и утилизации метана при отработке метаноносных угольных пластов // Уголь. - 2010. - № 7. - С. 28-30. ЕТН
Захаров Валерий Николаевич - доктор технических наук, профессор, директор, Кубрин Сергей Сергеевич - доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, e-mail: [email protected],
Забурдяев В.С. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук.
UDC 622.031.56:622.817.47:622.83.35
INTEGRATION OF PROCESS STEPS AND OPERATIONS
IN A SINGLE PROCESS ON THE INFORMATION TECHNOLOGIES BASIS
Zakharov V.N.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Director, Kubrin S.S.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory, e-mail: [email protected],
Zaburdaev V.S.1, Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, 1 Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
The problems of integration of process steps and operations into a single high-intensity Geotechnology technologies mining of coal complex mechanized faces, industrial extraction of methane from gas seams.
Key words: integration, process steps, coal, methane degassing, control, information systems, monitoring, management, geotechnology.
REFERENCES
1. Kubrin S.S. Teoretiko-informatsionnyi analiz sistem upravleniya zapasami i ikh otrabotkoi s uchetom konkurentnoi sposobnosti uglei (Information-theoretic analysis of inventory management systems and perfecting given the competitive ability of coal), Moscow, Energoatomizdat, 2002, 182 p.
2. Kubrin S.S. Matematicheskie modeli i metody informatsionno-analiticheskikh sistem (Mathematical models and methods of information-analytical systems), Moscow, Energoatomizdat, 2002, 132 p.
3. Kaplunov D.R., Kalmykov V.N., Ryl'nikova M.V. Kombinirovannaya geotekhnologiya (Combined Geotechnology), Moscow, Ruda i metally, 2003, 560 p.
4. http://www.minenergo.gov.ru/activity/coalindustry/
5. Ruban A.D., Artem'ev V.B., Zaburdyaev V.S., Podobrazhin S.N. Metodicheskie rekomendatsii o po-ryadke degazatsii ugol'nykh shakht (RD-15-09-2006). Seriya 05. Vyp. 14 (Guidelines on the procedure for decontamination of coal mines (RD-15-09-2006). 05 Series, Vol. 14), Moscow, OAO «NTTs «Promyshlen-naya bezopasnost'», 2007, 256 p.
6. Ruban A.D., Zaburdyaev V.S., Artem'ev V.B., Podobrazhin S.N. Instruktsiya po degazatsii ugol'nykh shakht 2012. Seriya 05. Vyp. 22 (Instructions degasification of coal mines, 2012. 05. Series, Vol. 22), Moscow, ZAO «NTTs Issledovanie problem promyshlennoi bezopasnosti», 2012, 250 p.
7. Zakharov V.N., Zaburdyaev V.S., Artem'ev V.B. Ugleporodnye massivy: prognoz ustoichivosti, riski, bezopasnost' (Coal rock mass: the forecast stability, risks, safety), Moscow, Gornoe delo, 2013, 277 p.
8. Zakharov V.N., Kubrin S.S. Ugol'. 2010, no 7, pp. 28-30.
