Обоснование оптимальной стратегии и оценки предельных объемов добычи угля открытым и подземным способами в Кузбассе Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.И. К. iiiiiiiiii, А.А. Ордин, В.А. Федорин, 2009

УДК 622.33.013.3

В.И. Клишин, А.А. Ордин, В.А. Федорин

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СТРАТЕГИИ И ОЦЕНКИ ПРЕДЕЛЬНЫХ ОБЪЕМОВ ДОБЫЧИ УГЛЯ ОТКРЫТЫМ И ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБАМИ В КУЗБАССЕ

Поставлена стратегическая задача оценки предельно-оптимальных объемов добычи угля в бассейне открытым и подземным способами с учетом основных ограничений. Приведены сведения об использовании в проектных организациях разработанных в ИГД СО РАН моделей оптимизации проектной мощности шахты и глубины перехода от открытых работ к подземным.

Ключевые слова: Кузнецкий угольный бассейн, предельные объемы добыча угля, оценка сырьевых ресурсов, развитие открытых и подземных горных работ.

1ТЛ узнецкий угольный бассейн - один из самых крупных -»V бассейнов России по запасам угля и объемам добычи. Кондиционные геологические запасы каменного угля в Кузбассе составляют 693 млрд т, из них 207 млрд т - коксующихся углей. Балансовые запасы угля в Кузбассе по состоянию на 2006 г. составляют 57,0 млрд т, из них промышленные запасы угля - 12,2 млрд т. Это позволяет рассматривать Кузбасс как наиболее перспективную сырьевую базу для энергетики и металлургии России, а также для экспорта высококачественных отечественных углей.

В настоящее время добыча угля в Кузбассе интенсивно развивается. Ежегодный прирост объемов добычи угля в бассейне открытым и подземным способами составляет 9,25 млн.т. В 2007 г. добыто более 181,8 млн т, из них 58,4 млн т коксующегося угля. Всего в Кузбассе работают 115 угольных предприятий: из них 75 шахт, 40 разрезов и 17 обогатительных фабрик. В угольной промышленности Кузбасса трудится 125 тыс. человек.

Вместе с тем развитие угольной промышленности Кузбасса сопровождается ухудшением ряда показателей: увеличением глу-

бины горных работ и снижением уровня их безопасности, негативным воздействием горных работ на окружающую среду, снижением численности работоспособного населения, недостаточной пропускной способностью железных дорог и станций, нехваткой электроэнергии в ряде регионов Кемеровской области и др.

В существующей стратегии социально-экономического развития Кемеровской области предусматривается значительное увеличение добычи угля в бассейне, которую в 2025 г. планируется довести до уровня 250 - 270 млн т.

Такое интенсивное увеличение добычи угля в сравнительно короткий период потребует решения ряда комплексных, взаимосвязанных между собой, технико-экономических, транспортных, экологических, энергетических и демографических задач. Поэтому поставленная руководством Кемеровской области фундаментальная проблема оценки предельных объемов добычи угля по ряду указанных ограничений может быть успешно решена только с привлечением ряда специалистов из смежных областей знаний. Решение поставленной проблемы имеет особо важное государственное значение в развитии топливно-энергетической базы Кузбасса и всей страны.

В России и за рубежом в такой крупной глобальной постановке задача оценки предельных, а точнее предельно-оптимальных нагрузок на угольный бассейн с учетом множества взаимосвязанных ограничений не ставилась. Известны лишь решения фрагментов подобных задач по отдельным ограничениям. Например, известно принятие решений по закрытию угольных шахт в Европе из-за низких технико-экономических показателей и высокой степени загрязнения окружающей среды и наоборот, в последние годы происходит резкое увеличение добычи угля в США, Китае, Австралии, Индии в связи с ростом конъюнктурного спроса на коксующиеся угли на международном рынке.

Для решения поставленной Администрацией Кемеровской области задачи оценки предельных объемов добычи угля в Кузбассе с учетом ограничивающих факторов привлечены специалисты из институтов СО РАН: Института горного дела, Института угля и Угле-химии, Института экономики и организации промышленного производства, Института почвоведения и агрохимии, Института систем энергетики, а также сотрудники Сибирского университета путей со-

общения и проектных организаций: «Сибгипрошахт», «Гипро-уголь», «Кузбассгипрошахт».

ИГД и ИУУ СО РАН имеют значительный опыт в области создания и развития технологий открытого и подземного способа добычи угля [1-5].

В качестве приоритетных направлений исследований в области оценки предельных объемов открытой и подземной угледобычи планируется провести анализ возможности увеличения объемов добычи угля на действующих предприятиях и за счет строительства новых шахт и разрезов. При этом одновременно предусматривается решение ряда ресурсосберегающих и экологических задач таких как разработка методов целенаправленного формирования выработанного пространства карьеров, обеспечивающих максимальное размещение вскрышных пород во внутренних отвалах, значительное снижение энерго- и землеемкости горных работ; анализ возможности развития комбинированного, открыто- подземного способа добычи угля и др.

Целью разработки является установление предельных объемов добычи угля открытым и подземным способами в Кузбассе по ряду факторов, сдерживающих развитие угледобычи, и оценки потенциальной возможности и экономической целесообразности преодоления существующих ограничений.

К числу основных этапов и задач поставленной проблемы относятся:

• оценка сырьевых ресурсов - геологических разведанных запасов угля по категориям, а также балансовых и промышленных запасов угля на действующих угледобывающих предприятиях,

• анализ геодинамических ограничений с учетом наведенной сейсмичности,

• оценка ряда геотехнологических ограничений, преодоление которых позволит увеличить добычу угля на действующих шахтах и разрезах, а также за счет строительства новых угледобывающих предприятий в неосвоенных регионах бассейна,

• оценка энергетических ограничений, связанных с недостаточным производством электроэнергии в ряде районов Кемеровской области,

• оценка экологических ограничений, связанных с ущербом окружающей среды (почвы, воздушных и водных ресурсов) от эксплуатации шахт, разрезов и обогатительных фабрик,

• анализ транспортных ограничений, вызываемых недостаточной пропускной способностью действующих железнодорожных путей и станций по вывозу угля внутри и за пределами Кемеровской области,

• анализ демографических ограничений, связанных с недостаточным количеством трудоспособного населения в Кемеровской области,

Завершающим итогом данной работы планируется выработка научно-обоснованных рекомендаций к генеральной схеме и стратегии развития угледобычи в Кузбассе до 2025 г. с учетом всех действующих ограничительных факторов.

В ИГД и ИУУ СО РАН работают специалисты в области оптимизации параметров горнодобывающих предприятий. Здесь выполнен ряд исследований в области оптимизации проектных мощностей шахт и обосновании предельной глубины перехода от открытых горных работ к подземным. В этом направлении установлен ряд новых закономерностей, имеющих фундаментальное значение в области проектирования горнодобывающих предприятий. Например, нами установлено существование предельно-оптимального, конечного значения проектной мощности шахты при неограниченных запасах угля с учетом строительного лага, учитывающего экономический ущерб от замораживания инвестиций в период строительства шахты (рис. 1) [3]. Определена закономерность и получена зависимость нелинейного роста оптимальной проектной мощности шахты от глубины залегания угольного месторождения (рис. 2). Разработанная нами методика оптимизации глубины перехода от открытых горных работ к подземным по критерию максимума чистого дисконтированного дохода успешно реализована в проектном институте «Якутнипроалмаз» на примере кимберлитовых трубок «Нюрбинская» и «Ботуобинская» (рис. 3) [4]. Эти и другие закономерности нами предполагается использовать при дальнейшем развитии данного направления в области установления предельно-оптималь-ных нагрузок на угольный бассейн.

Указанные работы успешно апробированы и внедрены в проектных организациях: «Кузбассгипрошахт», «Гипроуголь», «Якут-нипроалмаз» при проектировании подземного участка на разрезе «Сибиргинский», шахты «Котинская», а также при анализе оптимальных глубин перехода от открытых горных работ к подземным на трубках «Нюрбинская» и «Ботуобинская» [4,5].

Глубина,м

□ Чистый дисконтированный доход карьера, млн.руб.

----Чистый дисконтированный доход рудника от отработки остаточных

запасов руды, млн.руб.

О Суммарный чистый дисконтированный доход карьера и рудника, млн.руб.

Рис. 3. Зависимость ЧДД от глубины отработки кимберлитовой трубки «Ботуобинская» открытым и подземным способами

В общей постановке задача обоснования оптимальной стратегии развития открытых и подземных горных работ заключается в поиске максимума чистого дисконтированного дохода (ЧДД), получаемого от эксплуатации действующих и строящихся горнодобывающих предприятий за расчетный период времени Т:

max {£ +±5Ш'

I S' t tf(1 + E)' £(1 + E)' J

при выполнении ограничений:

NP К ___ ___

ZAP + ZA s Ae, (j = 1,7), (' = 1,Г)

i=1 i=1

где Ftf, FO - чистый дисконтированный доход от эксплуатации соответственно i-го разреза и i-ой шахты в t-й год, A, A -соответственно оптимизируемые производственные мощности

9000 8000

ю

=£7000 х

¡¡6000 -0

И5000

Ю 5

с4000

К

си

^3000 си

Ш

о2000

I-

<51000 и

^ 0

0123456789 10

Мощность шахты,млн.т/год

Рис. 2. Зависимость дисконтированной прибыли от мощности шахты и глубины залегания месторождения

разрезов и шахт, - ограничения по суммарной добыче угля в ^й

год соответственно по j-ым факторам - сырьевым, геотехнологиче-ским, геомеханическим, транспортным, энергетическим, экологическим, демографическим, Е - норма дисконта.

В ИГД и ИУУ СО РАН установлен также ряд новых закономерностей в области оптимизации транспортных сетей угледобывающих предприятий (со свойствами сетей, известных в экономической географии как сетей Штейнера-Вебера), разработан ряд алгоритмов для оптимизации транспортных сетей, использующих градиентные стратегии и динамическое программирование. Разработанные методы оптимизации транспортных сетей успешно использованы при проектировании сети главных квершлагов шахты

«Жерновская», сети подъездных дорог к Караканскому угольному разрезу, шахте «Чульманская», руднику «Скалистый». Результаты исследований по оптимизации транспортных сетей внедрены в проектных институтах «Сибгипрошахт», «Кузбассгипрошахт», «Норильскпроект», «Эрцпроект» (г.Лейпциг, Германия) [6].

В Институте почвоведения и агрохимии СО РАН накоплен большой опыт по изучению плодородных почв в Новосибирской и Кемеровской областях, который будет полезен при анализе загрязнения почв горными подземными и открытыми работами в Кузбассе. Одной из задач, поставленных перед этим институтом, является оценка качества рекультивационных работ на разрезах Кузбасса и выработка рекомендаций по их улучшению.

В Сибирском Университете путей сообщений на кафедре железнодорожных станций и узлов имеется значительный опыт и ведется большой объем научных исследований и проектных работ по изучению пропускных способностей железнодорожных путей и станций, а также возможности их расширения. Проектные организации «Сибгипрошахт», «Гипроуголь» и «Кузбассгипрошахт» имеют большой опыт работы по проектированию шахт и разрезов Кузбасса. Выполнение отдельных этапов научных исследований, связанных с проектами действующих и строительства новых горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, невозможно без привлечения практического опыта проектировщиков.

Совокупность теоретических и практических результатов, полученных в институтах Сибирского отделения РАН, Сибирском университете путей сообщения и проектных организациях создает необходимую основу для успешного выполнения данного проекта.

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

1. Клишин В.И., Филатов А.П. Поземная разработка алмазоносных месторождений Якутии //Новосибирск, СО РАН, 2008. - 337 с.

2. Курленя М.В., Ордин А.А. Об убывающей предельной эффективности разработки месторождений полезных ископаемых // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, № 4. Новосибирск, 1998.

3. Ордин А.А. Динамические модели оптимизации проектной мощности шахты// Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1991. - 160 с.

4. Клишин В.И., Ордин А.А., Зельберг А.С. Оптимизация глубины перехода от открытого к подземному способу разработки кимберлитовых месторождений. М., «Г орный журнал», № 9, 2003.

5. Кодола В.В., Ордин А.А. Оптимизация технологических параметров при проектировании участка подземных горных работ на действующем разрезе «Си-биргинский» // «Уголь», № 8, 2000.

6. Стрекачинский Г.А., Ордин А.А., Федорин В.А. Оптимальное размещение транспортных сетей на поверхности шахт.//Новосибирск, ИГД СО АН СССР. 1981. -90 с.ЕШ

V.I. Klishin, A.A. Ordin, V.A. Fedorin

THE JUSTIFICATON OF THE OPTIMAL STRATEGY AND THE ESTIMATION OF THE COAL EXTRACTION LIMIT BY THE OPEN-CUT AND UNDERGROUND TECHNOLOGIES IN THE KUZBASS

There is the statement of the strategic problem to estimate most-optimum volumes opened and underground coal mining in deposits with provision for the main restrictions. The information about design using of optimization models of the mine power and depths of the transition from opened work to underground mining presents in this article.

Key words: Kuznetskiy coal basin, limiting volumes of coal extraction, raw materials resources estimation, open pit and underground development.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------

Клишин Владимир Иванович - Институт горного дела СО РАН, зав. лаб. подземной разработки угольных месторождений, доктор технических наук, профессор, [email protected],

Ордин Александр Александрович - Институт горного дела СО РАН, ведущий научный сотрудник, доктор технических наук, [email protected],

Федорин Валерий Александрович - Институт Угля и Углехимии СО РАН, зав. лаб. геотехнологии освоения угольных месторождений, доктор технических наук, [email protected]