CC BY
48
УДК 622.012.2 Г.Г. Литвинский
КОНЦЕПЦИЯ ШАХТЫ ХХ1 ВЕКА ■ ПРОБЛЕМЫ И ИХ РЕШЕНИЕ
Семинар № 15
ТЪ от уже более века обобщенные
-Я-9 показатели работы отечественной горной промышленности не улучшаются. Если в начале прошлого века добыча угля на одного занятого в промышленности работника была 1-2 т/сут., то таковой она осталась и доныне, проявляя явную тенденцию к понижению [1]. Это объясняется не только существующим структурно-финансовым кризисом в стране, и даже не столько сложными горно-геологическими условиями разработки и их ухудшением с понижением глубины работ, сколько глубокими научно-техническими противоречиями, присущими горной промышленности. К сожалению, эта сторона проблемы до настоящего времени специалистами и руководством отрасли полностью не осмыслена.
В ретроспекции основными этапами развития горной промышленности следует считать периоды качественного изменения горной техники и технологии, скачком завершающие постепенное накопление изменений количественных показателей основных производственных процессов [2]. Так, за весь период своего развития угольная промышленность прошла несколько этапов: ручной технологии с применением простейших инструментов и приспособлений (доисторический начальный вплоть до конца Х1Х столетия), механизированного раз-ру-шения угля врубовыми машинами (1920-1940), широкого использования
добычных комбайнов (1940-1960) и стругов (1950-2000). В 1960 -70-х гг. была поставлена задача полной механизации подземных работ и появились первые, не всегда удачные попытки разработать безлюдную технологию добычи угля. ХХ! век на первый план выдвинул проблему создания автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) в горной промышленности и качественно нового поколения горных машин и оборудования, основанных на принципах механо-троники и передовой технологии.
В угледобывающей промышленности в последний период ее развития появилась тенденция снижения угледобычи комбайновым способом из-за исчерпания технически доступных по мощности запасов угольных пластов (более 0,8 м). Поэтому в достаточно близкой перспективе придется отрабатывать тонкие и сверхтонкие (от 0,3 м) пласты угля, балансовые запасы которых превышают 220 млрд. т до глубины 1800 м, что примерно равно 2/3 от всех балансовых запасов угля Донбасса [1]. Это заставляет пересмотреть традиционные подходы и разрабатывать альтернативные технологии добычи угля.
В настоящее время общепризнано, что развитие технологии угледобычи шло по пути механизации производственных процессов, которые копировали сущность ручной исходной технологии добычи угля. Такой „консерватизм” в
развитии горной технологии обусловлен объективными причинами ее исторического развития и весьма трудно преодолевается. Проведенный ретроспективный анализ тенденций развития горной технологии выявил следующие ее недостатки: периодичность и многоопера-ционность работ, технологические перерывы и частые остановки забоя, большой удельный объем выработок, низкое качество добываемого угля (зольность достигает 40-50 %); дискомфортность и опасность труда; низкая производительность и надежность оборудования, высокие энергозатраты, низкая экономическая эффективность, невозможность осуществления безлюдной добычи и автоматизации работ. Поэтому добыча угля из тонких и сверхтонких пластов при существующем уровне технологии оказывается экономически неоправданной и даже технически невозможной.
Существующие технические решения стационарных горных машин, а в особенности шахтного подъема и водоотлива, также накопили в себе ряд нерешенных технических противоречий, которые вылились в серьезные принципиальные недостатки. Это ставит под сомнение возможность использования существующих стационарных комплексов для горных предприятий будущего [7]. В частности для комплекса канатного подъема характерно:
- цикличный режим работы и динамические нагрузки, сложность автоматического регулирования и управления;
- неэффективность использования каната как тягового органа для больших глубин; его недостаточная несущая способность;
- высокие удельные затраты энергии на единицу поднимаемого груза, превышающие теоретически необходимые в 2,2-2,4 раза;
- большая масса и сложность конструкции, высокая стоимость оборудования и строительных работ.
Очевидно, что присущие канатному подъему недостатки уже сейчас стали серьезным препятствием для развития горной технологии. Их преодоление следует искать на пути отказа от главной составляющей вектора инерции конструирования шахтного подъема, которая до сих пор казалась незыблемой, -каната.
К основным научно-техническим противоречиям и нерешенным проблемам современной горной промышленности следует отнести:
- технологические схемы вскрытия, подготовки и добычи узкофункциональны, плохо адаптированы к изменению горно-геологических условий, требуют большого разнообразия горных машин и механизмов, предусматривают большую долю ручного труда;
- выемочные машины и комплексы оборудования (комбайны, струги, механизированные крепи, забойные конвейеры) непригодны для тонких пластов угля, не отвечают принципам фронтального воздействия на забой, поточности организации работ и автоматизации;
- низкий уровень безопасности работ: необходимость пребывания рабочих в очистном забое, высокая температура, выбросы угля, породы и газа, пожароопасность, неэффективность проветривания, частые катастрофы (взрывы газа и пыли, обрушения пород) и др.
- высокая экологическая вредность производства: загрязнение поверхности шахтными водами, выбросами метана, породой в терриконах, большие площади отчуждения земли и пр.
Как доказывает история развития техники и подтверждает мировой опыт, попытки решить эти проблемы на основе традиционных подходов не могут
увенчаться успехом. Следует изменить основные принципы создания шахты будущего, перейти к горной технике и технологии нового уровня. Особенно это относится к добыче угля на тонких и сверхтонких пластах, где сосредоточено более 80 % всех запасов угля в Донбассе. Это доказывает актуальность проблемы формулирования и разработки новой научной доктрины развития горной техники и технологии «Шахта ХХ1 века».
К основным научным направлениям развития горной промышленности согласно новой концепции [4] следует отнести разработку:
- фронтального проходческого комбайна, способного обеспечить поточную технологию и проходить горизонтальные и наклонные выработки со скоростью 50-100 м/сут по породам произвольной прочности с параметрическим регулированием и оптимизацией, отвечающих принципам механотроники [3];
- очистного фронтального агрегата, исключающего пребывание человека в лаве, обеспечивающего в автоматическом режиме выемку тонких и сверхтонких угольных пластов (от 0,4 до 1,4 м) произвольного угла падения со скоростью 50-70 м/сут при поточной схеме организации работ и добыче 4-6 тыс. т/сут из лавы [5];
- стационарных горных машин нового поколения, в первую очередь объединенного комплекса бесканатного подъема и беструбного водоотлива, непрерывно работающих независимо от глубины рабочего горизонта с производительностью 700 - 1000 т/час в автоматическом режиме с использованием роторных линий загрузки и разгрузки сыпучего или рудничной воды [6];
- системы энергообеспечения подземных потребителей, основанной на новой идее использования индивиду-
альных двигателей внутреннего сгорания на метане («метан-дизель») для каждой единицы оборудования при отказе от центрального электроснабжения [7];
- системы безопасности и комфортности труда на рабочем горизонте в условиях искусственного создания нейтральной газовой среды (метан) при индивидуальном обеспечении воздухом и охлаждением каждого из горняков и отказе от обычной схемы вентиляции, основанной на устаревшей идее разбавления поступающего метана до безопасных концентраций [7];
- новой комбинированной системы подготовки и выемки высокогазоносных тонких и сверхтонких угольных пластов, пригодной для большинства горно-геологических условий, предусматривающей совмещение проходческих и очистных работ, полное оставление породы в шахте, работу в нейтральной газовой среде, использование гравитационных сил в транспорте, сокращение длины и числа подготовительных выработок в 1,5-2 раза;
- околоствольного двора новой конфигурации с уменьшенным строительным объемом горных выработок в 2-3 раза, с упрощенными схемами транспорта, подъема, водоотлива, энергообеспечения и газообмена;
- генерального плана поверхности шахты в виде одного блока площадью до 0,2 га, с отказом от внешнего водо- и электроснабжение, с автоматической непрерывной загрузкой угля в ж/д вагоны, выдачей из шахты и использованием излишков газа метана для энергетических целей, очисткой воды фильтрами для ирригации окружающей территории (500-1000 га и более).
В особенности следует остановиться на проблеме подземного энергообеспечения. Высокие скорости подготовительных и очистных забоев на
шахте ХХ1 века, достигающие 100 м/сут, порождают сложную проблему энергоснабжения, требующую частых подключений и смены длины силовых кабелей, что не поддается автоматизации. Эта проблема решается лишь за счет применения автономного энергообеспечения с помощью метан-
дизелей, у которых в качестве топлива служит газ метан, до 100 % заполняющий горные выработки. Метан, как газообразное топливо, обладает целым рядом ценных свойств: он полностью безопасен при кон-центрации более 16-17 % и обладает высокой теплотворной способностью, равной 36 МДж/кг (около 20 МДж/м3), что превышает энергию антрацита примерно в два раза.
Предварительные подсчеты показывают, что при одновременной работе всех подземных потребителей новой шахты (около 2000 кВт) потребуется 300-360 м3/с метана из шахтной атмосферы. При суточной добыче угля 6 Гг/сут (1 Гг = 1 тыс. т) достаточно, чтобы метанообильность месторождения была более 0,9-1,2 м3/т. Этому условию удовлетворяет подавляющее число угольных пластов, у которых выход метана доходит до 10-15 и более м3/т. Излишек метана, не использованный метан-дизелями в шахте, будет выдан на поверхность для утилизации. Этот вариант подземного энергоснабжения является наиболее безопасным, технически эффективным, экономически выгодным и экологически чистым. Для негазовых шахт следует перейти на обычные дизели (предпочтительно на биотопливе).
Следовательно, концепция использования метана для энергоснабжения в шахте имеет вполне реальную основу, дает значительные экономические выгоды и позволяет исключить многие сложные, небезопасные и дорогостоящие процессы, сопровождающие использование электроэнергии в шахте.
Эти основные требования были реализованы в разработанной в ДонГТУ научной доктрине «Шахта ХХ! века» [7], которая обладает рядом принципиальных отличий от традиционных подходов, что позволило обеспечить следующие прогнозные параметры новой горной технологии (таблица).
Приведенные сопоставительные данные по основным технико-экономическим показателям работы сравниваемых вариантов шахт доказывают неоспоримое преимущество предлагаемой научной доктрины подземной разработки угля, основанной на принципиально новых технических решениях. Некоторые из этих решений нуждаются в конкретизации и более тщательной конструкторской проработке, большинство из них требует дополнительных исследований и опытно промышленных испытаний, что может быть под силу большому и нетрадиционно мыслящему творческому коллективу ученых, проектировщиков и производственников, работающих в рамках будущей государственной программы, которая, по мнению автора настоящей статьи, должна быть неотложно принята как приоритетное научно-производствен-ное направление для горной промышленности.
До настоящего времени господствовала (не всегда вполне осознанная) научная доктрина консерватив-
Показатели технического уровня шахты Шахта ХХ в. Шахта ХХІ века
Горно-геологические 1. Средневзвешенная мощность пластов, м 0,7-1,5 0,5-1,5
2. Угол падения пластов, град до 25 до 50-60
3. Газоносность пластов, м3/т сут. д. до 10 любая
4. Глубина разработки, тыс. м до 1 до 3-5
5. Водообильность, м3/час до 500 любая
6. Размеры шахтного поля, км 4х2 4х2
Общешахтные 7. Суточная мощность шахты, Гг.*) 1-3 5-10
8. Нагрузка на очистной забой, Гг/сут 0,5-1 4- 7
9. Длина горных выработок, м/Гг добычи 12-15 6-8
10. Срок строительства шахты, мес. 48-70 12-16
11. Энерговооруженность, кВт/чел 5-7 50-100
12. Срок службы шахты, лет 30-50 10-15
13. Производительность труда, т/чел-см 1-3 60-80
14. Всего персонала в смену, чел/см 300-400 15-20
15. Приведенные затраты, грн/т 30-50 4-6
16. Себестоимость, грн/т 200-250 25-30
17. Зольность угля, % 40-50 5-15
Технические участковые 18. Скорость очистного забоя, м/сут 2-4 70-90
19. Персонал на добыче угля, чел/см 20-25 2-3
20. Число проходческих забоев, шт 3-5 1
21. Персонал на проходке, чел/см 20-25 3-4
22. Скорость проходки, м/сут 5-10 70-90
23. Срок окупаемости оборудования, лет 2-4 0,3-0,5
24. Стоимость оборудования лавы, млн. грн 5-15 1-2
25. Стоимость прох. Оборудования, млн. грн 5-9 1-2
26. Проветривание общее нет
27. Участковый транспорт рельс ПТА
28. Энергоснабжение Электр. Метан
29. Подъем канат ГДПВ
30. Водоотлив Труб. ГДПВ
31. Уровень экологии, безопасности и комфортности работ - +
Примечание: 1 Гг = 10л9 г = 1 тыс. т
ного направления развития горной технологии, которая опиралась на концепцию экстенсивного развития каждого из элементов горного производства, не затрагивая их сути (увеличение мощности, массы, размеров и т.д.). В целом старая док-
трина в свое время не получила концептуально четкой формулировки и исторически представляет собой совокупность поэтапных усовершенствований традиционных технических решений, направленных
в большинстве своем на экстенсивное развитие техники и технологии.
Предлагаемая здесь новая научная доктрина «Шахта XXI века» основана на использовании концепции интенсивного развития горной техники и технологии, основанной на кардинальном изменении давно сложившихся и повсеместно ставших общепринятыми воззрений. Методологически это требует выявления главных технических противоречий, вычленения и формулирования важнейших проблем и по-
иска их нетрадиционных решений. Реализация доктрины «Шахта XXI века» позволит отечественной горной промышленности не только выйти на достойное место в мировой системе разделения труда, но и заметно изменить сложившиеся стереотипы развития технических систем, существенно улучшить показатели работы народного хозяйства, что благоприятно скажется на социально-экономических условиях жизни всего общества.
Автор выражает благодарность Министерству просвещения и науки Украины за предоставление гранта на выполнение исследований в 2002-2004 гг., проф. М.П. Зборщику, проф. З.Л. Финкельштейну, проф. В.Г. Гуляеву, проф. А.К. Семенченко и другим ведущим ученым-горнякам - свою признательность за проявленный интерес к работе, а г. Онтеро Хакапаа (Финляндия) - за его оригинальные идеи о принципах автоматизации горной промышленности.
1. Garry G. Litvinsky. Problem eksploatacji cienkich pokladow w ukrainskich kopalniach wegla kamiennego Zaglebia Donieckiego. Proceeding of the School of Underground Mining 2002/ - Intern. Mining Forum. - Polish Academia of Science. - Krakow: Nauka-Technica, 2002. -343-363 pp.
2. Литвинский Г.Г. Настоящее и будущее проходческой техники. Proceeding of the School of Underground Mining 2003/ - Intern/ Mining Forum. - Polish Academia of Science. - Krakow: Nauka-Technica, 2003. - 234-243 pp.
3. Литвинский Г.Г. Комбайн проходческий фронтальный КПФ “MIR”. - Уголь Украины, 2005, № 7. - С. 16-19.
4. Литвинский Г.Г. О методике и критериях оценки технического уровня горной техники. В сб.: Технология проектирования
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
подземного строительства/ - Вестник академии строительства Украины. - Донецк: Норд-
Пресс, 2003, с. 62-67.
5. Литвинский Г.Г. Новая техника для поточной технологии добычи угля на тонких пластах. /Сб. науч. тр. ДГМИ: Перспективы развития угольной промышленности в 21 в. -Алчевск: ДГМИ, 2002. - С. 54-61.
6. Garry Litvinsky. Development Trends in Mine Hoisting and Drainage/ Proceeding of the Fifth Int. Mining Forum 2004. February 24-29/ -Cracow: A.A. Balcema, London, pp. 11-19.
7. Литвинский Г.Г. Научная доктрина «Шахта XXI века» / Сб. науч. тр. ДонГТУ: Исторические и футурологические аспекты горного дела. - Алчевск, 2005. - С. 190-231.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------
Литвинский Г.Г. - доктор технических наук, профессор, Донбасский государственный технический университет.
