CC BY
96
© С. А. Калиев, Г. А. Прокушев, А.М. Ткаченко, 2006
УДК 622.001
С.А. Калиев, Г.А. Прокушев, А.М. Ткаченко
КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ ПРИОРИТЕТНОЙ ГОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ - «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ РУДНИК XXI ВЕКА»
Семинар № 11
~И~Т редлагаемая концепция основы-
А-1 вается на материалах научноисследовательского отчета по теме: «Разработать концепцию и развернутое технико-экономическое обоснование для создания приоритетной горной технологии «Интеллектуальный рудник XXI века» (2004 г.), проводившейся по конкурсу инициативных и рисковых проектов в Министерстве образования и науки Республики Казахстан.
Материалы последних Всемирных горных конгрессов, международных симпозиумов по автоматизации горной промышленности, проблемные статьи в наиболее авторитетных журналах показывают, что все промышленно развитые страны - США, Англия, Германия, Швеция и др. взяли курс на технологическое перевооружение горнодобывающей промышленности путем перехода на сплошную компьютеризацию и роботизацию рудников, что позволит существенно повысить эффективность производства, снизить издержки, решить вопросы безопасности и экологии.
Наиболее решительно действует такая небольшая страна как Финляндия, провозгласив пятнадцатилетнюю (1992-2007 гг.) программу «Интеллектуальная шахта».
В настоящее время в условиях рыночной экономики главной задачей развития подземного горного производства является повышение его эффективности за счет роста производительности труда и снижения себестоимости 1 т руды с целью обеспечения конкурентоспособности сырья
(концентратов) и металлов на международном рынке. Её решение возможно за счет значительного повышения темпов технологического развития производства.
Очевидно Казахстану, у которого более 40 % экспорта цветных металлов, невозможно отставать в решении названной проблемы. При этом в себестоимости металла основная часть (51 %) падает на процесс добычи руды, поэтому для снижения издержек при производстве металла главное внимание должно быть уделено совершенствованию горно-добычных
процессов, основным направлением которых, как следует из анализа литературных источников и зарубежных материалов является комплексная автоматизация и роботизация шахт на базе сплошной компьютеризации. С учетом этого, и в соответствии с союзной программой 0.16.09 по заданию 02.05 «Создать и освоить автоматические манипуляторы», ИГД им. Д.А. Кунаева совместно с коллективом органи-заций-соисполнителей выполнил определенный объем исследовательских, конструкторских и опытно-эксперементальных работ по созданию роботизированного комплекса поточной выемки. Это позволяет утверждать, что при достаточном и своевременном финансировании, работы по созданию опытно-промышленного образца роботизированного комплекса могут быть развернуты и выполнены за 5-7 лет, ещё 5 лет потребуется на доводку и освоение его промышленного производства. Срок реализации проекта - 13 лет (20052017 гг.), стоимость ~ 30 млн долларов.
Целью проекта является - создание комплексного компьютеризированного и роботизированного рудника как эталон для перевооружения и вывода горнодобывающей отрасли Казахстана на уровень лучших мировых показателей.
Задачи проекта:
1. Разработать технико-экономическое обоснование целесообразности создания эталонного предприятия.
2. Определить кандидатуры эталонного предприятия.
3. На базе выполненных исследований создать и провести опытнопромышленную проверку всех технических автоматизированных систем и подсистем.
4. Головной организации, совместно с проектировщиками и эксплуатационниками спроектировать эталонное предприятие и обеспечить согласованную работу системы в целом. Произвести запуск интеллектуального рудника и вывод его на проектные показатели.
Потенциальные участники проекта:
ИГД им. Д. А. Кунаева - головная научная организация (г. Алматы); КазГИ-Процветмет - генеральный проектировщик (г. Усть-Каменогорск); МНТЦ «Машиностроение» - роботизированные системы (г. Алматы); КазНИИчерметавтома-тика - изготовление систем автоматики (г. Караганда); КарГТУ - подземные роботизированные системы (г. Караганда); Завод тяжелого машиностроения - проектант и изготовитель роботизированного комплекса (г. Петропавловск) и Машиностроительный завод (г. Алматы).
Кандидатура рудника будущего эталонного предприятия будет определяться по согласованию с заинтересованными министерствами и крупными горными предприятиями Казахстана - Малеевский рудник (ОАО «Казцинк»), Артемьевский (ВостокКазмедь), Корпорация «Казахмыс», Донской ГОК. Кроме того ИГД им. Д.А.Кунаева выдвигает рудник «Чинасыл-сай», находящийся на консервации.
Экономическая эффективность. Производительность труда возрастет в 3-4 раза, в 1,5 раза снизится себестоимость добычи руды при практическом разубо-живании. Стоимость рудника увеличится примерно на 10 % и окупится не более чем за год после выхода предприятия на проектную мощность.
Ожидаемый результат. Будет создан комплексно-компьютеризированный и роботизированный рудник, как эталон для перевооружения и вывода на уровень лучших мировых показателей в горнодобывающей отрасли, полная безопасность работающих, сокращение числа подземных горнорабочих, создание предпосылок
полной автоматизации всей отрасли и отсюда - существенный рост экономики.
2. Термины и определения
- Автоматический контроль - автоматическое получение информации о состоянии процесса, агрегата или отдельного параметра и оценки его с точки зрения соответствия заранее заданным условиям.
- Автоматизированная система управления (АСУ) - совокупность экономико-математических методов, технических средств (ЭВМ, средств связи, устройств отображения информации и т. д.) и организационных комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом (процессом) в соответствии с заданной целью.
- Автоматизированный технологический процесс - технологический процесс, организованный в жесткообусловленных параметрах условий его протекания по заданной программе.
- Автоматический технологический процесс - автономно организованный технологический процесс, обладающий свойством перестройки режима в пределах установленного диапазона изменения условий.
- Базовый рудник - горнодобывающее предприятие с высокой эффектив-ностью добычи полезного ископаемого на основе применения современного самоходного, погрузочно-транспортно-го и вспомога-
тельного оборудования. Лучшее из базовых предприятий определяется в качестве эталонного рудника.
- Блок выемочный - при разработке рудных месторождений подземным способом - выемочный участок в пределах этажа, для отработки которого применена в полном комплексе та или иная система разработки.
- Буровзрывные работы - работы, заключающиеся в отделении горных пород от массива при одновременном дроблении их на куски различных размеров путем взрывания зарядов ВВ, располагаемых преимущественно в скважинах или шпурах, проведенных с помощью бурения.
- Водоотлив - удаление природных притоков подземных вод и технологической отработанной воды из горных выработок на дневную поверхность.
- Горные работы - комплекс технологических процессов по проведению, креплению и поддержания горных выработок, выемке полезного ископаемого и погашению выработанного пространства.
- Добыча полезных ископаемых - комплекс работ по извлечению полезных ископаемых из недр в результате разработки месторождения.
- Забойные горные машины - машины, обеспечивающие отбойку, погрузку, доставку, транспортирование горной массы, проведение горных выработок, возведение крепи, закладку выработанного пространства.
- Интеллект - способность мышления рационального сознания.
- Интеллектуальный рудник - рудник с высокой эффективностью производства, достигаемой его автоматизацией в рамках интегрированной технологической системы с высокой надежностью технологических процессов, энергонасыщенностью процесса разрушения гор-ных пород, без-людностью процесса очистной выемки, экологической и промышленной безопасностью, полнотой и комплексностью использования добываемого полезного ископаемого.
- Интегрированная технологическая система - комплекс технологического оборудования и процессов, функционально объединенных в единую или модульно-блочную систему для обеспечения законченного производственного цикла.
- Механизация - замена ручных средств труда, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.
- Непрерывная (поточная) технология -совокупность технологических процессов выемки руды, объединенных для своей реализации в одном технологическом агрегате.
- Подсистема - совокупность элементов (алгоритмов), объединенных единым процессом функционирования, которые при своем взаимодействии реализуют определенную программу для достижения цели, поставленной перед системой в целом.
- Роботизированный технологический
комплекс - совокупность технологического оборудования, средств роботизации и вспомогательных средств, автономно
функционирующая и осуществляющая многократные производственные циклы.
- Система - множество структурных элементов, находящихся в определенных соотношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство.
- Система автоматического контроля -совокупность технических средств, выполняющих функции автоматического контроля.
- Система разработки - порядок выемки полезного ископаемого и погашения образующегося выработанного пространства, обеспечивающий экономичную и безопасную эксплуатацию месторождения при рациональном использовании запасов.
- Технологический модуль - автономно функционирующая подсистема единого производственного комплекса.
- Циклично-поточная технология -технология, обеспечиваемая совокупностью автономных технологических модулей, работающих циклично и включенных в единую систему через промежуточные накопительные и загрузочные устройства.
- Эталонный рудник - комплексноавтоматизированное подземное горное предприятие (интеллектуальный рудник), которое выполняет следующие цели:
а) служит образцом (эталоном) для создания последующих интеллектуальных рудников;
б) служит школой для обучения своих работников и работников последующих интеллектуальных шахт;
в) осуществляет попутную добычу руды для расчета с государством и различными организациями, финансировавшими проектирование, строительство и пуск эталонного рудника.
3. Оценка состояния работ в области создания «Интеллектуального рудника» в странах дальнего зарубежья, в государствах СНГ и в Казахстане (в целом, и в разрезе отдельных систем и подсистем предприятия)
Как следует из докладов на XVI и XVII Всемирных горных конгрессов, Международных симпозиумов по механизации и автоматизации горных работ, исходя из анализа других материалов, все промышленно-развитые страны - США, Англия, Германия, Швеция и др. - развернули широкомасштабные исследования по роботизации и автоматизации подземных горных работ. Наиболее решительно действует такая небольшая страна как Финляндия, где на пятнадцатилетнюю (1992-2006 гг.) программу “Интеллектуальная шахта” (т.е. комплексно-автоматизированный
рудник) ее правительство ассигновало на первые пять лет (1992-1996 гг.) - 6 млн. долл., столько же дали частные фирмы. Очевидно, что Казахстану, а также другим потенциальным участникам проекта из
стран СНГ, имеющим крупное горнодобывающее производство - отставать в решении названной проблемы нельзя, потому что недостаточный темп роста производительности труда в решающих отраслях - глубинная причина инфляции и падения доходов страны. Кроме повышения производительности труда и снижения издержек, автоматизация производства позволит решить проблему безопасности подземных горных работ, вопросы экологии, охраны недр, конверсии оборонных предприятий, т. е. основные проблемы национальной экономики.
Рассмотрим, насколько современные подземные рудные шахты в своем техническом развитии подготовлены к переходу на сплошную автоматизацию и роботизацию и что необходимо сделать, чтобы этот переход совершился.
Технологии подземной добычи руды можно разделить на два больших класса: традиционные, выдачные (т.е. с выдачей руды для переработки на дневную поверхность) и безвыдачные (с частичной или полной переработкой руды под землей). Подземная переработка целесообразна не для всех типов руд. Поэтому в перспективе придется заниматься проблемами автоматизации для обоих классов шахт. Однако, для выдачных шахт многие этапы по разработке прогрессивных технологий в автоматизированном варианте уже пройдены, в то время как для безвы-дачных шахт недостаточно отработаны даже неавтоматизированные варианты. Поэтому рассмотрим укрупненную структуру интеллектуальной шахты для выдач-ных технологий и состояние работ в области автоматизации производственных процессов в смысле возможности начать их промышленное освоение.
Упрощенно структура интеллектуальной шахты (рудника) выглядит следующим образом: электронный мозг шахты -центральная система управления ресурсами и производством в реальном масштабе времени и всеми подсистемами рудника (ЦСУРП).
Подсистемы интеллектуальной шахты включают:
- подсистему управления механизацией и автоматизацией забойными процессами с соответствующим автоматизированным забойным оборудованием;
- автоматизированную подсистему геомеханического обеспечения и безопасности горных работ с сетью датчиков и оборудования для передачи их показаний на пункт управления;
- подсистему управления автоматизированным рудничным транспортом и вспомогательным оборудованием;
- подсистему управления автоматизированными стационарными установками -рудничным подъемом с руддвором, водоотливом, вентиляцией, закладочным комплексом с сетью датчиков и КИП для передачи их характеристик в ЦСУРП;
- другие подсистемы, необходимость в которых может возникнуть в процессе проектирования шахты для разработки конкретного месторождения.
Анализируя возможность комплектации интеллектуальной шахты системами автоматического управления и автоматизированным технологическим оборудованием, следует отметить, что серийное оборудование и программное обеспечение для системы управления рудником, в целом, и специализированными подсистемами, в частности, имеются; из технологического оборудования серийно выпускаются и используются на шахтах автоматизированные подъемные, водоотливные и вентиляторные установки, а также оборудование автоматизированного рудничного транспорта для откаточных горизонтов; испытано в промышленных образцах, технологическое оборудование для обеспечения работы подсистемы управления горным давлением, несколько меньшее (и у нас и за рубежом) продвижение достигнуто в области создания автоматизированного забойного оборудования, поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее.
Забойное оборудование для выдачных технологий можно разделить на две груп-
пы: 1 - с самоходными комплексами (цикличная выемка) и 2 - с лавными самопе-
ремещающимися комплексами (поточная выемка).
Наиболее перспективным с точки зрения создания поточной технологии является вариант сплошной системы разработки с выемкой слоев лавой и закладкой выработанного пространства , которое позволяет совместить во время выполнения несколько технологических операция. Этот вариант и принимаем за основу.
В принципе, достижения современной электроники и машиностроения достаточны, чтобы создать роботизированные комплексы обоих видов, однако трудности, которые надо преодолеть, и затраты, которые нужно сделать, для самоходного оборудования на порядок выше, чем для лавных самопередвигающихся комплексов (в какой-то мере похожих на угледобывающие комплексы), потому, что в первом случае, требуется применить робототехнические средства третьего поколения - интегральные (интеллектуальные) роботы; во втором, достаточны средства второго поколения (адаптивные роботы) (подробнее - см. п. 5). К тому же, комплексы поточной выемки значительно более производительны, чем цикличные. Поэтому, начиная с 1981 г., по заданию 02.05 союзной программы 0.16.09 «Создать и освоить автоматические манипуляторы», ИГД им. Д.А. Кунаева совместно с коллективом организаций-соисполнителей выполнен значительный объем исследовательских, конструкторских и опытно-
экспериментальных работ по созданию роботизированного комплекса поточной выемки. Это позволяет утверждать, что при достаточном и своевременном финансировании, работы по созданию опытно-промышленного образца роботизированного комплекса могут быть развернуты и выполнены, как и ранее планировалось, за 5 лет. Еще 5 лет потребуется на доводку и освоение его промышленного производства.
Следует отметить, что создать “Интеллектуальный рудник” можно, как на действующем предприятии, путем его последовательной реконструкции, так и на новом, строящемся. Оба варианта имеют свои преимущества и недостатки, хотя в целом, второй вариант практически легче реализовать, поскольку действующее предприятие останавливать на реконструкцию дорого. Кроме того, на новом предприятии все подсистемы можно отрабатывать параллельно и независимо друг от друга.
4. Требования к руднику будущего для добычи крепких руд, выдвигаемые в авторитетных литературных источниках и в различной нормативно-технической документации, условия, источники и методы осуществления этих требований
4.1. Общие требования к горным технологиям на перспективу (по материалам Всемирного горного конгресса, г. Барселона, 1994):
- высокая производительность труда;
- низкая себестоимость добычи руды;
- минимальные потери и разубожива-ние руды;
- комплексное использование выработанного пространства;
- экологическая чистота;
- максимальная безопасность с выводом рабочих из забоя и минимизацией числа подземного персонала.
4.2. Условия, источники и методы осуществления требований к горным технологиям на перспективу будут дополняться по мере реализации проекта.
Проведенный анализ показал, что для реализации каждого из требований п. 4.1 имеются свои, собственные специфические условия, но, в целом, указанные требования могут быть выполнены только при главном условии - комплексной автоматизации всех забойных процессов.
5. Условия, при которых для основных классов систем разработки возможно осуществление комплексной автоматизации и роботизации забойных
работ и других производственных процессов
5.1. Классификация промышленных роботов, включая горные, по поколениям
I - с жесткой программой (возможна ее переналадка при изменении задания);
II - адаптивные роботы - могут частично приспосабливаться к изменению обстановки, например, при изменяющейся крепости пород;
III - интеллектуальные (интегральные) роботы - могут ориентироваться в пространстве забоя, имеют элементы искусственного интеллекта.
5.2. Основные классы систем разработок и требуемые поколения роботов
1. Системы с открытым очистным пространством - наиболее трудные для роботизации, поскольку необходимы ориентация и анализ обстановки по 6 координатам, требуют использования роботов III поколения.
2. Системы с обрушением, в том числе, с отбойкой руды из подэтажных штреков (рудник Кируна) - необходимы роботы III поколения.
3. Системы с закладкой - I, II и III поколения (в зависимости от варианта) - при варианте, предложенном ИГД им. Д.А. Кунаева - слоевая выемка длинным забоем-лавой - достаточно применение роботов I и II поколений.
Из представленного анализа следует, что наименьшие требования к системам автоматизации забойных процессов, предъявляет слоевой вариант системы разработки с забоем-лавой и закладкой, он же удовлетворяет всем требованиям к горной технологии на перспективу (для этого варианта требуются роботизированные средства I и II поколений, уже работающие в разных отраслях промышленности и относительно легко приспособляемые для горного дела). Для остальных двух классов систем разработки (открытого забоя и с обрушением), потребуются роботизированные средства III поколения, разработка которых, из-за их технической
сложности и дороговизны в обозримый период времени проблематична.
6. Требования по изменению законодательства о недрах, о недропользовании и в области экологии и безопасности в целях стимулирования применения на рудниках наиболее прогрессивных систем разработки
В современном законодательстве о недрах и поправках к нему нет ранжирования систем разработки по потерям и разубоживанию, наносимому экологическому ущербу, и по безопасности работающих. Отсутствие обоснованной оценки величины штрафа, компенсирующего
ущерб от применения недостаточно эффективного и ресурсосберегающего варианта системы разработки, побуждает предпринимателей, особенно иностранных, применять наиболее хищнические варианты. Поэтому, очевидно, что горное законодательство нуждается в дальнейшем совершенство-вании.
7. Подготовка кадров для обслуживания первого и последующих комплекс-но-автоматизирован-ных (интеллектуальных) рудников
Переход к комплексной автоматизации, применение сложной техники потребует существенного качественного изменения отношения к подготовке и перепод-
готовке кадров, поэтому эталонный рудник должен быть еще и учебным центром.
8. Заключение - механизмы реализации концепции
Изложенное позволяет сделать вывод о технической возможности создания Интеллектуального рудника на базе предлагаемой концепции. Но для того, чтобы концепция заработала, необходимы соответствующие механизмы ее осуществления и устойчивое финансирование, включающее поддержку Правительства, так как данный проект относится к «Стратегии индустриально-инновационного развития РК на период до 2015 г.».
Обычным механизмом осуществления крупных проектов является создание консорциума заинтересованных предприятий. При этом является совершенно очевидным (по опыту других стран), что необходимо активное финансовое участие государства, особенно на первом этапе - создания консорциума и опытно-промышленной проверки данного проекта.
С учетом этого положения, а также, принимая во внимание, что государством провозглашена Стратегия индустриальноинновационного развития, созданы «Инновационный фонд», «Инвестиционный фонд», «Банк развития» и другие институты, поставленная задача представляется вполне разрешимой.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------
Калиев С.А., Прокушев Г.А., Ткаченко А.М.
Министерство индустрии и торговли Республики Казахстан.
РГП «Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан».
ДГП «Институт горного дела им. Д.А. Кунаева».
