CC BY
53
УДК 622.012; 622.33;
622.337.2; 622.001.18
А.В. Федаш
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИНЯТИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ГИБКИХ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГОРНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Исследование, направленное на научное обоснование прогрессивных технологических и технических решений при проектировании, строительстве и эксплуатации рентабельных горных и энергетических предприятий, интегрированных в структуру гибких гео-технологических комплексов и обеспечивающих эффективное освоение угольных месторождений с ограничениями по требованиям промышленной и экологической безопасности и с учётом стохастичности рынка угля.
Ключевые слова: угольная промышленность, горное предприятие, модель, гибкий гео-технологический комплекс, комплексное освоение недр.
дея создания геотехнологиче-ских систем и комплексов не является новой. Методы оптимального комплексного проектирования и оптимизации вариантов развития угольных бассейнов впервые были разработаны в начале 60-х годов А.Г. Аганбегяном, А.С. Астаховым, А.С. Бурчаковым, А.С. Малкиным, В.С. Мучником и др. Результаты исследований в указанных работах успешно применялись при разработке схем развития и размещения предприятий угольной промышленности бывшего
СССР.
Совпадение периодов перехода России к рыночной экономике и реструктуризации угольной отрасли привело к разрушению установившейся системы проектирования угледобывающих предприятий и комплексного освоения недр, сокращению объёма геологоразведочных работ и научных исследований, замещению отечественного оборудования импортным.
Несмотря на достигнутые с использованием на отдельных угледобываю-
щих предприятиях России и Кузбасса импортных технологий и технических устройств, в настоящее время нерешёнными для угольных шахт и разрезов остаются следующие проблемы:
1) Отсутствие эффективной технологии проведения и эксплуатации вертикальных стволов привело к вскрытию угольных месторождений глубиной более 300 м наклонными стволами, что существенно ограничивает возможность проветривания шахт по бремсберговой схеме (требования п. 241 Правил безопасности) и выход людей в аварийной ситуации.
2) Низкие темпы проведения подготовительных выработок по сравнению с темпами подвигания очистного забоя. В настоящее время возможность отработки на шахтах выемочных столбов длиной до 6 км ограничена темпами проведения подготовительных выработок, временем действия изолирующих самоспасателей (50-60 минут) при выходе людей из подготовительного забоя в аварийных ситуациях, техническими
параметрами вентиляторов местного проветривания, что приводит к замораживанию инвестиций и увеличению периода их окупаемости.
3) Область эффективного применения системы разработки длинными столбами с полным обрушением пород кровли ограничена пластами мощностью 1,2 - 4,0 м. Запасы угля пластов мощностью меньше 1,2 м, как правило, временно консервируются или переводятся в забалансовые.
4) Серьёзной проблемой является отсутствие эффективной, пожаробезопасной технологии отработки мощных, склонных к самовозгоранию, угольных пластов. Вскрытие и подготовка таких пластов согласно требованиям "Правил безопасности в угольных шахтах" (ПБ 05618-03) должны осуществляться полевыми выработками, фактически эти требования нарушаются. Эффективность слоевой системы разработки мощных пластов весьма низкая, после отработки верхнего слоя уголь в нижних слоях временно консервируется. Ширина барьерных и профилактических противопожарных целиков между выемочными столбами составляет 20-40 м, что приводит к снижению коэффициента извлечения угля и росту вероятности возникновения эндогенных пожаров.
5) Не решены проблемы отработ-
ки высоко газоносных пластов с природная метаноносностью более 10 м3/т. Существующие способы и средства дегазации весьма не эффективные, трудоёмкие и существенно ограничивают техническую производительность
очистных механизированных комплексов.
Рост стоимости перевозок угольной продукции и участившиеся аварии при транспорте и использовании в быту и на производстве природного газа требуют создания системы проектирования и ис-
пользования недр в угледобывающих регионах с реализацией на рынке нетрадиционных для шахт и разрезов видов энергии: электрической и тепловой.
В этой связи актуальными являются исследования, направленные на научное обоснование прогрессивных технологических и технических решений при проектировании, строительстве и эксплуатации рентабельных горных и энергетических предприятий, интегрированных в структуру гибких геотехнологических комплексов и обеспечивающих эффективное освоение угольных месторождений с ограничениями по требованиям промышленной и экологической безопасности и с учётом стохастичности рынка угля. Основной идеей указанного исследования является повышение эффективности и безопасности рационального использования природных ресурсов разработки угольных месторождений посредством создания и внедрения гибких геотехнологических комплексов взаимодействующих угледобывающих, углеперерабатывающих и энергетических предприятий, адекватно реагирующих на стохастические изменения внутренней и внешней сред, обеспечивающих решение стратегических организационных и технологических задач, направленных на повышение конкурентоспособности угольной продукции и энергии предприятий на внутреннем и внешнем рынках.
Г ибкий геотехнологический комплекс является сложной системой, включающей множество упорядоченных подсистем, элементов и процессов, которые во времени и пространстве осуществляют полный организационнотехнологический цикл от поиска и разведки полезных ископаемых до реализации на рынке угольной продукции или энергии.
Структурно ГГТК включает организации и предприятия, осуществляющие поиск и разведку перспективных участков угольных бассейнов, технологоэкономическую оценку участков угольных месторождений, подготовку и получение лицензионных документов на право отработки угольных пластов в пределах горных отводов, проектирование предприятий и инфраструктуры, строительство и реконструкцию горных и энергетических предприятий, разработку угольных месторождений открытым, открыто-подземным, подземным, гидравлическим способом и по нетрадиционным технологиям. Отдельно включены в состав ГГТК предприятия по добыче угольного метана, производству металла, химических продуктов и других товаров, при производстве которых используется уголь.
В структуру ГГТК необходимо включить энергетические предприятия для получения тепловой и электрической энергии при сжигании угля, метана, водоугольной суспензии (водоугольного топлива) в рамках программы развития локальной энергетики России.
Основные функции и цели ГГТК следуют из его миссии, которую для угледобывающих регионов можно сформулировать, в соответствии с «Энергетической стратегией Российской федерации на период до 2030 года», как максимально эффективное использования природных ресурсов угля для устойчивого роста российской и региональной экономики и повышения качества жизни населения региона и страны.
В соответствии с результатами исследований, анализа состояния и перспектив развития технологии проектирования и строительства предприятий, добычи, переработки и использования угля выделяются следующие основные
функции гибкого геотехнологического комплекса:
• комплексное освоение недр посредством применения современных технологий добычи, переработки и использования угля;
• устойчивый рост российской и региональной экономики;
• повышение качества жизни населения региона и страны;
• обеспечение промышленной и экологической безопасности в регионе посредством снижения вредного воздействия опасных производственных объектов, техногенных процессов и рисков на людей, животных и окружающую среду.
Стратегия создания и развития ГГТК формируется не условными сценариями, а в модели поэтапного перспективного развития топливно-энерге-тического сектора угледобывающего региона в базовом прогнозном поле с учётом рисков. Базовое прогнозное поле идентифицируется результатами работы ГГТК в предыдущие периоды, наличием ресурсов и ограничений, в том числе ёмкости рынка и бюджета продаж. На каждом этапе оптимизации применяются методы и локальные модели, базирующиеся на когнитивном подходе, нечёткой логики и др.
Ресурсы и ограничения в разные периоды функционирования ГГТК могут быть представлены детерминированными или стохастическими величинами, зависимостями и характеристиками. В этой связи одним из принципов создания, эксплуатации и интеграции структурных элементов в структуру ГГТК является учёт в методологии принятия и реализации технологических и организационных решений результатов мониторинга и возможности оперативного изменения траектории развития комплекса в стохастической среде.
Таким образом, ГГТК рассматривается как динамически развивающийся в стохастической среде объект, для прогнозирования параметров и выбора оптимальной стратегии развития которого можно применить научные основы теории управления сложными организационными системами.
Основными принципами создания и развития горных и энергетических предприятий и гибкого геотехнологиче-ского комплекса в целом как любой сложной системы являются: многовариантность, неравномерность, спрямление путей, ускорение темпов, усложнение структуры, стохастичность информации и параметров процессов, циклический характер. На базе основных принципов разработаны адаптивные к условиям гибкого геотехнологического комплекса принципы и правила, необходимые для динамичного развития гибкого геотех-нологического комплекса, в том числе гибкость, иерархичность, неразрывность проектирования и управления, поэтапное проектирование и развитие подсистем гибкого геотехнологического комплекса.
Принцип многовариантности
структуризации гибкого геотехнологи-ческого комплекса может быть реализован в соответствии с теорией развития сложных систем, движущей силой которых являются интегрированные процессы с непрерывным порождением, отбором и объединением разнообразных вариантных структур.
Из теории экономического развития следует, что в ходе прогрессивной динамики экономики многовариантность сложных структур увеличивается. Следовательно, чем больше вариантов горных и энергетических предприятий будет включать ГГТК, тем больше вероятность повышения его эффективности за счёт модификации и диверсификации
производства и адаптации его к внешней среде, например за счёт глубокой переработки угля и реализации его по высоким ценам.
В качестве примера можно привести вариант синтеза технологий подземной и открытой угледобычи на предприятии, добывающем уголь открыто-подземным способом, то есть из двух вариантов структур формируется вариант новой уникальной структуры; в пределах отдельного шахтного поля возможны варианты отработки части запасов угольных пластов длинными или короткими забоями и др.
В соответствии с указанной закономерностью повышения конкурентоспособности множества вариантов гибких геотехнологических комплексов разработана методология формирования вариантов локальных структур (шахты, разрезы, обогатительные фабрики, котельные, тепловые станции, транспортные системы) и на их базе создание единой глобальной структуры ГГТК. Каждый объект в процессе проектирования, как правило, приходится рассматривать с нескольких сторон.
Другим принципом структуризации ГГТК является неравномерность его развития, тесно связанная с многовариантностью. Неравномерность развития, присущая всем сложным системам, является обязательной для горных и энергетических предприятий ГГТК как стимул для поступательного развития системы и её элементов, так как простое воспроизводство предприятий в неизменном виде равнозначно застою. Такой застой в российской угольной промышленности стал одной из причин её реструктуризации в конце прошлого века. Неравномерность развития горных предприятий следует из технологических периодов и циклов: проектирование, строительство, освоение проектной
мощности, реконструкция, затухание производства и ликвидация предприятия. В пределах отдельного периода выделяются циклы неравномерного развития, связанные с изменением горногеологических условий, внедрением новых прогрессивных технологий и технических устройств, ограничениями ёмкости угольного рынка, авариями и инцидентами и т.д. В процессе неравномерного развития отдельных предприятий возникает необходимость модернизации производства наиболее отсталых предприятий с целью повышения уровня рентабельности выше передовых предприятий. Такая конкуренция является мощным стимулом развития всего ГГТК.
Принцип спрямления направлений развития ГГТК обеспечивает развитие отдельных предприятий и их элементов посредством перехода к новым технологиям, техническим устройствам, минуя этапы последовательного их совершенствования, опытного и промышленного освоения. Характерным примером спрямления пути развития угольной промышленности России является внедрение импортных технологий и технических устройств на угольных предприятиях в период реструктуризации отрасли. Анализ технического уровня заводов горного машиностроения, технологических и технических решений, принятых в проектах строительства и реконструкции угольных шахт, подтверждает, что без реструктуризации угольной отрасли показатели работы шахт, с учётом экономического кризиса и ограничения государственных дотаций, вложения в настоящее время были бы на уровне 1980-1985 гг.
В качестве примера спрямления путей развития шахт и разрезов России можно выделить следующие основные технологические, технические и организационные решения, принятые и реали-
зованные без предварительных опытнопромышленных испытаний:
- применение импортного оборудования, привело к увеличению нагрузки на очистные комплексномеханизированные забои за период 2000-2009гг. в 2,56 раза;
- изменение структуры управления производством, позволило снизить численность персонала 370,3 до 170,5 тыс. человек.
Принцип ускорения темпов развития является общим на всех этапах исторического развития человечества. В угольной промышленности темпы роста объёмов производства и производительности труда резко увеличивались после каждого цикла научно-технического прогресса при циклическом переходе от ручного труда к механизированному, комплексно-меха-низированному, автоматизированному и роботизированному.
Принцип усложнения структуры гибкого геотехнологического комплекса сопровождается нарастанием структурных элементов, включающих не простое увеличение элементов, но качественного изменения компонентов гибкого геотех-нологического комплекса. Принцип усложнения может реализовываться посредством переделов угольной продукции по схеме недра, горная масса, концентрат, тепловая и электрическая энергия, кокс, металл, строительные материалы, синтетическое топливо. Реализация этого принципа позволит существенно увеличить рыночную цену угольной продукции или получаемого на её основе продукта после каждого передела. Соответственно угледобывающие регионы могут не сырьевым придатком России, а базой для развития наукоёмких производств и выпуска наукоёмкой энергоёмкой продукции.
t
Основные принципы развития горных и энергетических предприятий гибкого геотехнологического комплекса: Э -
эффект; t -время
Принцип стохастичности информации и параметров процессов включает статистический учёт оценок достоверности всех видов информации. Стоха-стичность (случайность, вероятность, риски, непрогнозируемые колебания процессов) возникает в горном производстве по двум основным причинам: внешние и внутренние. Случайность
внешних воздействий возникает под влиянием угольного рынка: кризисы, конкуренция газа и нефти, объёмы инвестиций и др. Стохастичность внутренних факторов и параметров возникает при изменении непрогнозируемых ранее физико-механических свойств пород, аварии и инцидентов (например, возникновение эндогенного пожара приводит к остановке участка, блока или всей шахты), человеческий фактор и др.
Принцип цикличности является основой поступательного развития сложных систем. На отдельных этапах развития предприятий возможно замедление темпов развития с резким ростом эффективности на следующем этапе. Типичным для угледобывающих предприятий примером циклического развития является снижение объёмов добычи перед реконструкцией и рост производства после окончания реконструкции.
Адаптация приведённых на рисунке основных принципов к условиям ГГТК позволила выявить следующие новые принципы и правила Принцип гибкости состоит в динамическом изменении структуры и параметров ГГТК в соответствии с требованиями рынка, достижениями научно-технического прогресса, изменением горно-
геологических и горнотехнических и других условий. В соответствии с принципом гибкости траектория развития предприятий гибкого геотехнологиче-
ского комплекса принимается на основе результатов оптимизации производственной мощности по схеме спрос
- объём и ассортимент продукции предприятия - предложения объёма и качества продукции - издержки производства - прибыль (рентабельность).
Принцип блочной иерархичности структуризации ГГТК состоит в выделении внутренней иерархической структуры. Подсистемы ГГТК как сложной системы являются объектами или блоками, распределёнными по иерархическим уровням и типам. Альтернативные объекты и блоки разных иерархических уровней не могут сравниваться между собой, например нельзя сравнивать шахты и обогатительные фабрики, разрезы и энергетические предприятия и др. Внутренние связи элементов объектов или блоков одного уровня сильнее, чем связи подсистем разных иерархических уровней. Следовательно, иерархичность всего ГГТК и совокупность элементов и объектов разных уровней иерархии порождает множество альтернатив развития горных и энергетических предприятий. В иерархии ГГТК любая функционирующая подсистема является результатом развития более простой подсистемы, блока, объекта.
Основу блочно-иерархического подхода структуризации ГГТК составляют декомпозиция и иерархическое упорядочение, базирующиеся на принципах: непротиворечивости и согласованности элементов между собой; полноты для исключения лишних элементов; формализации; повторяемости с выделением одинаковых блоков; локальная оптимизации в пределах уровня иерархии.
Принцип неразрывности проектирования и управления на этапах, строительства и эксплуатации объектов ГГТК базируется на корректировке проектных решений в соответствии с по-
требностями угольного рынка по количеству и качеству угольной продукции, а также изменения прогнозных параметров угольных месторождений, необходимости устранения последствий крупных аварий, изменений требований нормативных документов и др.
Принцип поэтапности проектирования горных предприятий обеспечивает обновление шахтного фонда в пределах 10-20 лет. Научные основы поэтапного проектирования горных предприятий в условиях плановой экономики разработаны в фундаментальных работах отечественных учёных, основоположниками теории проектирования. Однако в условиях рыночной экономики, непрогнозируемых периодических экономических кризисов понятие этапа проектирования и эксплуатации шахты следует пересмотреть. Действительно, в зависимости от потребностей угольного и энергетического рынков спрос на угольную продукцию стохастический. Период между экономическими кризисами составляет 5-11 лет. В начальный период кризиса при сокращении ёмкости угольного и энергетического рынков происходит перепроизводство угольной продукции, предприятия сокращают её производство посредством временной консервации или снижения объёмов. Однако в период увеличения спроса на угольном рынке возникает необходимость развития производства. В этих условиях длительность периода проектирования, строительства (или временной консервации) должна соответствовать динамике спроса угольной продукции на рынке. Это подтверждается динамикой фактического развития процессов проектирования и реализации проектов.
Таким образом, длительность этапа проектирования, строительства или консервации горного предприятия должно соответствовать не только конкретным
параметрам значительной части шахтного поля (блок, горизонт, панель и др.), но и динамики спроса угольной продукции на рынке. Учитывая, что погрешность прогноза динамики угольного рынка в рыночных условиях достигает 15-20%, при определении длительности этапов проектирования и реализации проектов элементов гибкого геотехнологического комплекса, а также объёмов инвестиций и угольной продукции, следует учитывать стохастический характер изменения этих показателей (индикаторов).
В соответствии с указанными принципами при разработке алгоритмов и компьютерного программного обеспечения для моделирования процессов проектирования, строительства и эксплуатации структурных элементов гео-технологического комплекса в стохастической среде должны реализовываться следующие ограничения и правила:
- прогноз развития отдельного предприятия в структуре ГГТК следует рассматривать как составную часть прогноза развития всего ГГТК;
- прогноз развития ГГТК должен быть комплексным и отражать основные стороны развития всех горных и энергетических предприятий;
- прогнозы развития горных и энергетических предприятий ГГТК должны разрабатываться на основе единой методологии, то есть не только посредством согласования прогнозов и проектных решений отдельных предприятий, но и комплексное использование угля в технологической схеме от извлечения из недр до получения и реализации наукоёмкой угольной продукции и энергии;
- модель поэтапного перспективного развития ГГТК в угледобывающем регионе должна формироваться в базовом прогнозном поле с учётом рисков;
- стратегическим ориентиром ГГТК является энергетическая безопасность, экономическая (бюджетная) эффективность, экологическая безопасность энергетики и энергетическая эффективность экономики региона и России.
Для создания теоретических основ системы управления проектами ГГТК необходимо разработать методологию, алгоритмы и пакеты компьютерных программ, реализация которых должна обеспечить конструирование альтернативных вариантов, выбор оптимальных вариантов горнотехнических систем горных предприятий. Характерной особенностью функционирования ГГТК является распределение во времени и пространстве процессов разработки и реализации проектов множества предприятий и их структурных элементов. Стохастический характер внешних воздействий на систему, а также внутренних событий (аварии, изменение сведений о запасах угля в недрах, неритмичное финансирование и др.) предъявляет особые требования к системе управления проектами, алгоритмам и компьютерным программам, что существенно усложняет методологию системы управления проектами гибкого геотехнологического комплекса. Сложность прогнозирования траектории оптимального развития гибкого геотехнологического комплекса, а соответственно, и разработкой и реализацией проектов, подтверждается структурно-функциональной схемой системы управления проектами гибкого геотех-нологического комплекса.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антонов А.А. Варианты развития гор- участков/ А.А. Антонов// Уголь. - 2000. № 12. -
ных работ на шахтах при наличии резервных C. 20-21.
2. Астахов А.С. Геоэкономика (системная экономика промышленного недропользования)/ А.С. Астахов. - М.: ООО «МИГЭК», 2004. - 488 с.
3. Бурков В.Н. Механизмы управления эколого-экономическими системами / В.Н. Бурков, Д.А. Новиков, А.В. Щепкин. - М.: Изд-во физ.-мат. лит., 2008. - 244 с.
4. Каплунов Д.Р. Развитие теории проектирования и реализации идей комплексного освоения недр/ Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльнико-ва// Г орный информационно-аналитический бюллетень. Изд-во Московского государственного горного университета, 2008, №4. - С.20-41.
5. Малкин А.С. Проектирование шахт: Учеб. для вузов/ А.С. Малкин, Л.А. Пучков, А.Г. Саламатин, В.М. Еремеев - М: Изд-во Академии горных наук, 2000. - 375 с.
6. Мазикин В.П. Углеэнергетическая модель комплексного предприятия с мини-ТЭС
/ В.П. Мазикин, В.Н. Вылегжанин, Г.П. Гладышев. // Вестник ТЭК Кузбасса. - 2000. - № 2.
- С. 18-20.
7. Новиков Д.А. Теория управления организационными системами/ Д.А. Новиков- М.: МПСИ, 2005. - 584 с.
8. Сагинов А.С. Методы анализа и оптимизации технологических схем угольных шахт/ А.С. Сагинов, С.С. Квон, К.Н. Адилов. - М.: Недра, 1974. - 296 с.
9. Экономические и правовые основы природопользования/ А.С. Астахов, В.Е. Зай-денварг, М.Е. Певзнер, В.А. Харченко. - М.: МГГУ, 2002. 527 с.
10. Энергетическая стратегия Российской федерации на период до 2030 года. Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. №1715-р. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Федаш Анатолий Владимирович - доцент, кандидат технических наук, проректор, Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
ДИССЕРТАЦИИ
Автор
Название работы
Специальность Ученая степень
ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АВДЕЕВ Научное обоснование эффективных
Павел ресурсосберегающих технологий от-
крытой разработки рудных место- 25.00.22 д.т.н.
Борисович рождений в сложных геокриологиче-
ских условиях Забайкалья
