CC BY
2
Оригинальная статья
УДК 622.261 (571.17) © С.В. НовоселовН, 2024
Академия горных наук, 650002, г. Кемерово, Россия H e-mail: [email protected]
Original Paper
UDC 622.261 (571.17) © S.V. NovoselovH, 2024
Academy of Mining Sciences, Kemerovo, 650002, Russian Federation H e-mail: [email protected]
РГМЩК-технологии для трудноизвлекаемых запасов угля на мощных крутых пластах -стратегическая перспектива Кузбасса
Robotic hydraulic mechanized heading complexes: technologies for hard-to-recover coal reserves in thick steep seams
a strategic prospect for Kuzbass
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2024-10-100-104
éâ
НОВОСЕЛОВ С.В.
Канд. экон. наук, доцент, действительный член Академии горных наук, 650002, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
Раскрыта актуальность разработки инновационной технологии и очистной техники для подземной добычи угля на крутых пластах большой мощности. Для добычи трудноизвлекаемых углей особо ценных марок нужны эффективные новые геотехнологии роботизированных гидравлико-механизированных щитовых комплексов - РГМЩК и инновационные комплексы безлюдной добычи угля. В Кузбассе при уменьшении объемов легкодоступных промышленных запасов угля для открытой добычи неизбежно в ближайшие два десятилетия угольщикам придется разрабатывать трудноизвлекаемые запасы угля, которые находятся на глубине 500-800 м. Поэтому перед горной наукой возникает проблема исследований и проектирования данного вида технологий.
Ключные слова: трудноизвлекаемые запасы, гидравлико-механизированный щит, технологическая эффективность, роботизированный рабочий орган, безлюдная выемка.
Для цитирования: Новоселов С.В. РГМЩК-технологии для трудноизвлекаемых запасов угля на мощных крутых пластах - стратегическая перспектива Кузбасса // Уголь. 2024;(10):100-104. DOI: 10.18796/0041 -5790-2024-10-100-104.
Abstract
The article discusses the relevance ofdeveloping an innovative technology and stoping equipment for underground coal mining in steep seams of high thickness. In order to extract hard-to-recover coal of particularly valuable grades it is necessary to use effective new geotechnologies and innovative complex equipment for unmanned coal mining using robotic hydraulic mechanized heading complexes. In conditions of decreasing volumes of easily mineable industrial coal reserves for surface mining in Kuzbass, the coal miners will inevitably have to develop hard-to-recover coal reserves, which are located at the depths of 500-800m within the next two decades. Therefore, the mining science faces the challenge of studying and design of this type of technology.
MINING EQUIPMENT • ГОРНЫЕ МАШИНЫ
Keywords
Hard-to-recover reserves, hydraulically mechanized shield, technological efficiency, robotic working body, unpopulated excavation. For citation
Novoselov S.V. Robotic hydraulic mechanized heading complexes: technologies for hard-to-recover coal reserves in thick steep seams - a strategic prospect for Kuzbass. Ugol'. 2024;(10):100-104. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-202410-100-104.
ВВЕДЕНИЕ
Значимость проблем, связанных с топливно-энергетическим комплексом и угольной отраслью, отмечалась руководством России на всех уровнях. Президент России В. Путин отмечал: «...Россия - один из ключевых участников глобального энергетического рынка. По добыче и экспорту нефти и газа, по объемам выработки электроэнергии и добыче угля наша страна входит в число мировых лидеров» [1], а также «...Вопрос логистики критически важен и для угольной отрасли. Сейчас наряду с расширением Восточного полигона железных дорог - БАМа и Транссиба - прорабатывается целый ряд проектов. Они позволят нам гибко маневрировать угольными поставками как через порты Дальнего Востока, так и через северо-запад и юг России» [2]. Соответственно, в этом аспекте Председатель Правительства РФ М. Мишустин отметил: «...Последовательно решаются задачи по расширению пропускной способности Восточного полигона, реализуются проекты БАМа и Транссиба, строятся портовые терминалы на перспективных направлениях, возводятся и модернизируются объекты генерации в Сибири и на Дальнем Востоке» [3]. На региональном уровне на юбилейной международной конференции «МНПК Развитие производительных сил Кузбасса - 2023» губернатором Кузбасса С.Е. Циви-левым также были определены стратегические приоритеты развития угольной отрасли в Кузбассе, и утверждалось, что современные технологии - залог устойчивого развития Кузбасса [4]. Следовательно, тематика инновационного развития технологий и техники для угольной отрасли является весьма актуальной.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Современные темпы и объемы угледобычи в России и в Кузбассе составляют соответственно 438,7 млн т и 212,6 млн т в 2023 г. [5, с. 19], при этом открытым способом добыто 341 млн т, или 77,7% по России, и 66,8% по Кузбассу - 143,1 млн т [6]. Очевиден факт значительного превышения открытого способа добычи над подземным, но это бесконечно продолжаться не может, так как площади угольных месторождений сокращаются интегрально каждый год в течение 300 лет.
Очевидно, в Кузбассе, при существующих ограничениях по территории горных отводов и легкодоступных эффективных промышленных запасах угля, неизбежно в ближайшие два десятилетия (возможно и раньше) угольщикам придется разрабатывать трудноизвлекаемые за-
пасы угля, которые находятся на глубине 500-800 м. Для этого потребуются эффективные новые геотехнологии и инновационные комплексы желательно при безлюдной добыче угля типа РГМЩК, которые пока находятся в стадии идей.
В Кузбассе имеется много запасов, и часть из них - трудноизвлекаемые. Они имеют отличное качество, особо ценные марки коксующихся углей, залегают в мощных пластах, т.е. более 3,5 м мощности и углам залегания 5590°, находятся на глубине 500 м и более, эффективно добывать их возможно только подземной разработкой.
Состояние минерально-сырьевой базы Кузбасса достаточно полно раскрыто кузбасскими учеными в источнике [7], где однозначно определено, что основная часть запасов коксующихся углей (86%) может отрабатываться только подземным способом. Поэтому актуальным научным направлением является разработка технологий подземной добычи механизированным способом на больших глубинах без прямого присутствия людей в опасных зонах очистных забоев и с дистанционным управлением всем процессом выемки, тем самым обеспечивая эффективность и безопасность.
На современном этапе (пока балансовых запасов хватает) есть временной резерв для разработки инновационных технологий и очистной техники для подземной добычи угля на крутых пластах большой мощности. Предлагаемые технологии должны быть просты, прямоточ-ны и эффективны, как технологически так технически, при достаточном уровне рентабельности производства. Кроме того, для обеспечения промышленной безопасности они должны максимально соответствовать требованиям времени: безлюдные, видеомониторинг в режиме онлайн [8, 9, 10, 11].
При изучении и анализе прошлого опыта отработки пластов крутого залегания отечественными щитами и комплексами [12, 13] было определено, что они малоэффективны, имеют большую долю ручного труда, высокий травматизм, низкий уровень механизации (буровзрывные работы, скреперные установки) и большие потери угля до 45-50%, характеристика некоторых систем разработки по основным показателям приведена в табл. 1.
В целом вышеприведенные старые технологии не давали значительной добычи, например рекорд на щитах ЩЧ (щит Н.А. Чиканала) - 2808 т/сут., на агрегате 1АЩМ - 1273 т/сут. Причины низкой эффективности разработки крутых пластов репрезентативно раскрыты в источнике [14]. Поэтому автором была поставлена цель - предложить радикально-инновационный проект механизированной добычи на крутых пластах, как в обычной лаве, но с отработкой пласта на всю мощность горизонтальными полосами, при опускании гидравлико-механизированного щита вниз на высоту щита и с последующей передвижкой на величину подрезки.
На международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» в рамках международной специализированной выставки технологий горных разработок «Уголь России и Майнинг» на секции: «Гео-
Таблица 1
Характеристика систем разработки отечественными щитами и комплексами по основным показателям
Characteristics of the mining systems that use Russian-made haeding machines and complexes according to the main indicators
Система отработки Мощность пластов, м Длина лав, блоков, высота этажей, м Угол падения, градус Механизация Суточная добыча, т/сут.
Система разработки длинными столбами До 4,5 Не менее 30 20-55 БВР, Комплексы КПК-1, Агрегаты АК-3 -
Самопередвигающаяся щитовая крепь (КС) 1,2-10 40-55 БВР, скреперы -
Система разработки поэтажными штреками (ПШО) 3,5-10 Не более 40 40-90 БВР -
Мерлибах (опытная технология) До 400 - Комбайн Д-11 -
Щитовая система разработки 1,2-10 24-30 40-90 БВР, скреперы 260-280
Система отработки узкими полосами по восстанию (УПВ) 2-8 45-90 150 БВР 300
технологии комплексного освоения недр» в авторском выступлении и докладе [15], при дискуссии была предложена технология роботизированного гидравлико-механизированного щитового комплекса для отработки крутых пластов, управляемого дистанционно с диспетчерского пульта, как наиболее современная, безопасная в эксплуатации и обещающая значительные экономические эффекты и доказана ее состоятельность.
В данном проекте аналитические расчеты велись с использованием общеизвестных методов (формул) по горным машинам: А.В. Топчиева, В.И. Солода, В.П. Плотникова и ГОСТ 31557-2012; по горному давлению: Л.Д. Шевя-кова, А.А. Борисова и ГОСТ Р 52152-2003; по организации: Н.Я. Лобанова, Ф.Г. Грачева; по проектированию шахт: А.С. Малкина, В.М. Еремеева; по экономике: А.С. Астахова, Г.Л. Краснянского. Расчеты приведены для условного месторождения (месторождения специфичны). Основная идея функционирования технической конструкции робота (комбайна) - конвейера, заключалась в том, что конвейер находится в центре щита внизу (не жестко подвешен к перекрытию секций щита) и находится по центру самого робота (комбайна), а робот как бы насажен на конвейер и двигается над ним по рейке, а сверху грузит отбитый уголь (на подобие снегоуборочной машины, но только уголь идет целенаправленным рассчитанным грузопотоком на конвейер благодаря конструкции перегружателя). Были проведены ориентировочные расчеты, и понятно, что еще требуется громадная работа по конструированию и проектированию.
Следующий важный момент - надо ориентироваться на месторождение, на горный отвод, угол залегания, пласты могут быть более 10 м мощности (работают два щита или отработка слоями) и т.д. Поэтому каждое конкретное месторождение должно иметь свой технико-технологический проект. Проект предполагает самое простое - шит опускается за цикл вниз на 1 м (максимальный диаметр шнека-барабана) при углах залегания 55-75°, транспортировка угля - под собственным весом по углеспускной печи, далее через бункеры и по конвейерному уклону на поверхность. По горизонтали щит пе-
редвинется за две стружки примерно на 0,5 м. Надо только учитывать проявление горного давления над щитом, периодически, как обычно, могут зависать породы, но высота щита до 2 м создаст небольшой свод естественного обрушения, а вынимаемый слой в 1 м, в принципе, не опасен, и опускание щита должно производиться плавно и дистанционно с видеонаблюдением - безлюдно. Кроме того, вследствие передвижки в течение суток РГМЩК выйдет из опасной зоны опорного давления, и процесс повторяется.
Вопросы стратегического развития и шахтного проектирования рассматривались автором в работах [16, 17]. Понятно, что для реализации такого проекта, как минимум, необходимы ствол глубиной 500 м, главный квершлаг 5000 м на всю длину шахтного поля и конвейерный уклон до 15° и длиной около 2000 м (как вариант, можно вскрыть шахтное поле двумя наклонными стволами, это еще экономичнее относительно ар-мировки и скорости проходки стволов). Капитальные затраты значительные (ориентировочно 5 млрд руб.), но если посчитать грубо в шахтном поле 5 кмх5 км, будет 3 пласта и 3 этажа по 300 м, то с нормативным учетом технологических потерь при подземной угледобыче они значительно меньше, чем при открытой добыче. Если мы будем иметь прогнозную добычу порядка 22,5 млн т на весь производственный цикл, то ориентировочно имеем 225 млрд руб. валового дохода, что сравнимо с годовой доходной частью бюджета Кемеровской области. Далее, эти условные 22,5 млн т угля шахта при одном щите выработает за 28 лет, в принципе, это неплохой срок службы. Главное, очевидны возможный радикальный доход и рентабельность проекта за весь производственный цикл.
Кроме того, внедрение РГМЩК дает необъятное поле научной деятельности для проектных и научно-исследовательских институтов. Следует учесть, что одной из главных задач для Кузбасса является достоверная оценка фактического качества и объема минерально-сырьевой базы (МСБ) как для шахтного поля (участка), так и всего Кузнецкого угольного бассейна, и это главное
MINING EQUIPMENT • ГОРНЫЕ МАШИНЫ
P
Таблица 2
Технико-экономические показатели подземной добычи угля в Кузбассе
Technical and economic indicators of underground coal mining in Kuzbass
Показатель Старая отечественная Современная зарубежная РГМЩК 2024
техника (1970-1980-е годы) техника DBT (2017 г.) (проект)
Мощность пласта, м 6-14 3,86 3,5-5 и более
Крепость угля, по шкале М.М. Протодьяконова 1-1,5 0,8 1,5
Угол залегания пласта, градус 48-70 11 65-75
Масса секций, т 29 10
Длина щита (лавы), м - 400 100
Глубина залегания пласта, м 200-500 260 500
Предел прочности на сжатие угля, МПа 6-7 8 15
Максимальная суточная добыча, т 247-2808 46867 7536
Максимальная мощность электродвигателя робота - 2104 643
(комбайна), кВт
Скорость подачи, м/мин 18 1
Теоретическая производительность, т/мин - 74,5 13,4
Потребление электроэнергии при резании угля - 37494 6028
кВт-ч/сут.
Масса робота (комбайна), т - 115 28
Передвижка за цикл - 0,8 0,5/2
(горизонтальная/вертикальная) м, м/м
Принятые запасы, млн т - 30 30
Срок отработки запасов, лет 2 12,8
Ориентировочный валовой доход, млрд руб. - 145,3 23,4
Ориентировочный валовой доход - 290,6 299,5
в пределах жизненного цикла шахты, млрд руб.
условие, которое будет иметь проектируемый горный участок для обеспечения рентабельности проекта при использовании оптимально спроектированного РГМЩК. Без максимальности результатов проекта РГМЩК приведена сравнительная характеристика его с действующими комплексами подземной добычи (табл. 2).
Из табл. 2 следует, что даже в первом приближении, без фактической оптимизации процессов, ориентировочно получены высокие доходы, без учета того, что скорость подачи робота (комбайна) может быть увеличена с 1 м/мин в разы (2, 3 м/мин), в зависимости от ширины и диаметра рабочего органа.
ВЫВОДЫ
Актуальность стратегической разработки инновационных технологий и очистной техники для подземной добычи угля на крутых пластах большой мощности очевидна. Ввиду неизбежной будущей смены стратегических приоритетов с открытой добычи на подземную в Кузбассе, ввиду ограниченности территории бассейна предлагается проведение проектных и исследовательских работ по определению оптимальных параметров РГМЩК-технологий и созданию высокоэффективной очистной техники для трудноизвлекаемых запасов. Рекомендуется применение инновационных материалов и конструкций, уменьшающих материалоемкость и повышающих прочность конструктивных элементов.
Для решения данной проектно-изыскательской деятельности в Кузбассе рекомендуется объединение усилий научных организаций: АГН, СО РАН, кафедр горных машин и комплексов ведущих горных вузов России: Горного института НИТУ МИСИС, Санкт-Петербургского гор-
ного университета, а также в Кузбассе: СибГИУ, КузГТУ, способных разрабатывать проектную документацию для РГМЩК, и, конечно же, при взаимодействии с проектными институтами и горно-машиностроительным бизнесом, который в будущем будет заинтересован выпускать отечественную высокопроизводительную очистную технику для угольных компаний, разрабатывающих мощные пласты крутого залегания углей особо ценных марок, не уступающую западным аналогам.
Список литературы • References
1. Пленарное заседание международного форума «Российская энергетическая неделя» 12 октября 2022 года. URL: http://www. kremlin.ru/events/president/transcripts/69584 (дата обращения: 15.09.2024).
2. Пленарное заседание международного форума «Российская энергетическая неделя» 11 октября 2023 года. URL: http://www. kremlin.ru/events/president/transcripts/69584 (дата обращения: 15.09.2024).
3. Мишустин отметил вклад шахтеров в развитие экономики России, 27 августа 2023 года. URL: https://tass.ru/obschestvo/18596643 (дата обращения: 15.09.2024).
4. Цивилев С.Е. Современные технологии - залог устойчивого развития Кузбасса // Уголь. 2023. № 8. С. 7-8. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/082023pdf (дата обращения: 15.09.2024). Tsivilev S.E. Modern technologies are the key to the sustainable development of Kuzbass coal enterprises. Ugol. 2023;(8):7-8. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/082023pdf (accessed 15.09.2024). (In Russ.).
5. Мешков Г.Б., Петренко И.Е., Губанов Д.А. Итоги работы угольной промышленности России за 2023 год // Уголь. 2024. № 3. С. 18-29. DOI: 10.18796/0041-5790-2024-3-18-29.
Meshkov G.B., Petrenko I.E., Gubanov D.A. Russia's coal industry performance for 2023. Ugo2024;(3):18-29. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041 -5790-2024-3-18-29.
6. В Кузбассе в 2023 году добыча угля снизилась почти на 5%. URL: https://tass.ru/ekonomika/19749807 (дата обращения: 15.09.2024).
7. Шаклеин С.В., Писаренко М.В. Оценка балансовых запасов сырьевой базы коксующихся углей // Геология и минеральные ресурсы Сибири. 2023. № 2. С. 60-67.
Shaklein S.V., Pisarenko M.V. Estimation of the balance reserves for raw material base of coking coals. Geologiya i mineral'nye resursy Sibiri. 2023;(2):60-67. (In Russ.).
8. Артемьев В.Б., Лисовский В.В., Кравчук И.Л., Галкин А.Вал., Перя-тинский А.Ю. Производственная травма и производственный травматизм: явление и сущность, случайность и закономерность // Уголь. 2020. № 5. С. 4-11. DOI: 10.18796/0041 -57902020-5-4-11.
Artemiev V.B., Lisovskiy V.V., Kravchuk I.L., Galkin A.Val., Peryatinskiy A.Yu. Work-related injuries and work-related traumatism: phenomenon and essence, randomness and regularity. Ugol'. 2020;(5):4-11. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2020-5-4-11.
9. Совершенствование системы управления промышленной безопасностью в угольной отрасли / Ю.Ю. Костюхин, Д.Ю. Савон, А.Е. Сафронов и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. № 6. С. 184-192. Kostyukhin Yu.Yu., Savon D.Yu., Safronov A.E., Zhaglovskaya A.V. Improvement of industrial safety control in the coal sector. Gornyj informatsionno-analiticheskij byulleten. 2019;(6):184-192. (In Russ.).
10. О мерах радикального повышения взрывобезопасности при современных технологиях подземной добычи угля / Н.О. Каледина, В.Н. Кутузов, В.В. Мельник и др. // Горный журнал. 2010. № 7. С. 98-100.
Kaledina N.O., Kutuzov B.N., Mel'nik V.V., Gorinov S.A. On the measures of radical increase of explosion safety of up-to-date technologies of underground coal mining. Gornyjzhurnal. 2010;(7):98-100. (In Russ.).
11. Оценка проектных решений технологических систем угольных шахт с учетом риска / А.Е. Ютяев, Е.Н. Якунчиков, А.С. Оганесян и др. // Уголь. 2019. № 7. С. 52-57. DOI: 10.18796/0041-5790-20197-52-57.
Yutyaev A.E., Iakunchikov E.N., Oganesyan A.S., Agafonov V.V. Evaluation of design solutions and technological systems of coal mines taking into account the risk. Ugol'. 2019;(7): 52-57. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2019-7-52-57.
12. Егошин В.В., Кухаренко Е.В. Системы разработки крутопадающих пластов Кузбасса. Кемерово: Кузбасский политехнический институт, 1991. 80 с.
13. Опыт отработки крутых угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения / В.И. Ефимов, Т.В. Корчагина, А.И. Попов и др. // Уголь. 2018. № 6. С. 12-20. DOI: 10.18796/00415790-2018-6-12-20.
Efimov V.I., Korchagina T.V., Popov A.I., Muzafarov G.G. Experience working off of steep coal seam Prokopevsko-Kiselevskiy deposit. Ugo'. 2018;(6):12-20. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-20186-12-20.
14. Опыт отработки крутых угольных пластов / В.В. Мельник, В.И. Ефимов, Т.В. Корчагина и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 11. С. 18-38.
Melnik V.V., Efimov V.I., Korchagina T.V., Popov A.I., Muzafarov G.G. Experience of steeply dipping coal seam mining. Gornyj informatsi-onno-analiticheskij byulleten'. 2018;(11):18-38. (In Russ.).
15. Новоселов С.В. Инновационные подходы к добыче угля роботизированными гидравлико-механизированными щитовыми комплексами на мощных крутых пластах на больших глубинах // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2024. № 9. С. 49-51.
Novoselov S.V. Innovative approaches to coal mining using robotic hydraulic mechanized heading complexes on thick steep seams at great depths. Naukoemkie tekhnologii razrabotki i ispol'zovaniya mineral'nykh resursov. 2024;(9):49-51. (In Russ.).
16. Новоселов С.В. Горная доктрина Российской Федерации как один из базовых элементов формирования энергетической безопасности страны // Уголь. 2022. № 8. С. 92-94. DOI: 10.18796/00415790-2022-8-92-94.
Novoselov S.V. The Mining Doctrine of the Russian Federation as one of the basic elements of the formation of the Country's Energy Security. Ugol'. 2022;(8):92-94. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-57902022-8-92-94.
17. Новоселов С.В. Альтернативные подходы и дискуссионные вопросы при проектировании шахт нового поколения уровня 2035 года // Уголь. 2019. № 1. С. 37-39. DOI: 10.18796/0041-5790-20191-37-39.
Novoselov S.V. Alternative approaches and controversial issues in the design of new mines generation level 2035. Ugol. 2019;(1 ):37-39. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2019-1-37-39.
Authors Information
Novoselov S.V. - PhD (Economic), Associate Professor, Full-Fledged Member of the Academy of Mining Sciences, 650002, Kemerovo, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Информация о статье
Поступила в редакцию: 9.07.2024 Поступила после рецензирования: 16.09.2024 Принята к публикации: 26.09.2024
Paper info
Received July 9,2024 Reviewed September 16,2024 Accepted September 26,2024
