Экономические науки / 9. Экономика промышленности

Д.э.н., академик Каренов Р.С.

Карагандинский государственный университет имени Е.А. Букетова, Казахстан

НЕОБХОДИМОСТЬ ФОРСИРОВАННОГО СОЗДАНИЯ ДЛЯ ШАХТ КАРАГАНДИНСКОГО БАССЕЙНА ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ БЕЗЛЮДНОЙ ВЫЕМКИ УГЛЯ

Метаноносность угленосной толщи в Карагандинском бассейне очень высока, что обусловливает высокую газообильность угольных шахт Казахстана. В настоящее время все шахты бассейна (8 шахт угольного департамента АО «Арселор Миттал Темиртау») отнесены к сверхкатегорным или опасным по внезапным выбросам угля и газа.

Природная метаноносность интенсивно увеличивается с глубины 200 м и ниже зоны газового выветривания, достигая 15-20 м3/т и более. Формы выделения метана в шахтную атмосферу: обыкновенное выделение и выделение в виде внезапных выбросов угля и газа. Последнее стало наблюдаться по мере такого, как горные работы опустились до глубины 250 – 300 м. С ростом глубины горных работ увеличиваются число выбросов и их интенсивность.

Как правило, очистные забои шахт бассейна оборудуются механизированными крепями, которые имеют определенное сечение рабочего пространства (F). Скорость движения воздуха по очистному забою V регламентируется Правилами безопасности. Максимальная скорость не должна превышать 4 м/с. А это значит, что, применив какой-либо механизированный комплекс, мы уже имеем заранее определенное предельное количество воздуха (Qв), которое можно подать к очистному забою и пропустить его через него

Qb=FV, m3/c.                                                                                                            (1)

Правилами безопасности регламентируется и предельное содержание вредных газов в горных выработках. Самым распространенным и обязательно присутствующим в угольных шахтах газом является метан. Его содержание в очистном забое и на исходящей из него не должно превышать 1%. Отсюда можно определить объем максимально допустимого выделения метана в очистной забой (Qсh4)

Qсh4=60Qв/100, мз/мин.

Метан в угольном пласте содержится в свободном состоянии (до 10%) и его основная часть — в сорбированном состоянии. При разрушении угля, комбайновой отбойке, естественно, метан, находящийся в свободном состоянии, и часть сорбированного попадает в воздушную струю очистного забоя.

Как показывает практика работы шахт Карагандинского бассейна, при разрушении угля от 24 до 81% метана выделяется непосредственно в забой за 20-25 мин. Остальная часть метана еще долго сохраняется в угле и выделяется из него очень медленно. Метан в большом количестве находят и в углях железнодорожных вагонов, куда он был загружен после длительного хранения на открытых угольных складах. Поэтому конкретно по отдельному пласту и по его метановыделению для определения максимальной нагрузки на очистной забой необходимо использовать фактические данные конкретных условий.

В настоящее время все очистные забои шахт угольного департамента АО «Арселор Миттал Темиртау» оборудуются системой автоматического газового контроля. По Правилам безопасности, содержание метана на исходящей вентиляционной струе из лав, оборудованных автоматической газовой защитой, может достигать до 1,3%. Автоматизированная система при достижении концентрации метана более 1,3% производит отключение электроэнергии с забойных машин. Комбайн останавливается, содержание метана в исходящей из очистного забоя вентиляционной струе уменьшается, повторное включение комбайна возможно при снижении содержания метана до 1 %. Циклы отключения и включения высокогазоносных пластов повторяются многократно. Это снижает производительность, нервирует рабочих, и они «придумывают» способы борьбы с отключениями. Первый способ — датчики метана снимаются с верхних точек и завернутые в фуфайки укладываются на почву выработки, второй способ — датчики остужаются обильным поливом воды.

В последние годы на шахтах Карагандинского бассейна имеется тенденция увеличения суточной нагрузки на очистной забой с 1 -1,5 тыс. т до 5-6 тыс. т. По существу, это волюнтаристическое решение, основанное на экономических и коммерческих побуждениях, не обоснованное по газовому фактору, вопросы безопасности игнорируются. В конечном счете, все это приводит к катастрофам (примеры: взрывы метана на шахтах «Шахтинская», им. Ленина, «Абайская» угольного департамента АО «Арселор Миттал Темиртау»).

Поэтому необходимость повышения безопасности горного производства и снижения трудоемкости добычи угля предусматривает всемерное расширение автоматизации при поиске для этого, с одной стороны, решений, обеспечивающих переход к принципиально новым технологическим системам, к технике последних поколений, и с другой – наиболее полное использование существующих технико-технологических решений (ТТР) для реализации комплексной автоматизации угледобывающих предприятий.

Поэтапное решение этой задачи для традиционной технологии подземной добычи угля закономерно связывается в первую очередь с безлюдной выемкой (БВ) как средством осуществления добычи угля без постоянного нахождения рабочих в очистных забоях. При этом осуществляется автоматизация и сокращается число работающих на других процессах подземной добычи и среди них на горноподготовительных работах (ГПР), где травматизм, в частности, составляет 20% от общего.

Будучи средством повышения безопасности работ, безлюдная выемка открывает возможности улучшения экономических показателей подземной добычи в результате вовлечения в разработку тонких и весьма тонких (мощностью менее 0,7 м) пластов, выемка которых затруднена при обычной технологии и практически исключена на пластах мощностью ниже 0,45 м из-за невозможности нахождения людей в рабочем пространстве.

На сегодняшний день при балансовых запасах Карагандинского бассейна 7,5 млрд. т, содержащиеся в тонких пластах, забалансовые запасы составляют около 1,2 млрд. т, в том числе в пластах мощностью 0,3—0,8 м более 70 млн. т. Помимо этих запасов определяющих потенциальную область использования БВ, ее применение оценивается как целесообразное для условий, охватывающих около 700 млн. т балансовых запасов.

По мнению специалистов [1, С. 239], к проблеме безлюдной выемки (БВ) следует относить: во-первых, автоматизацию существующих и создаваемых  очистных механизированных комплексов (ОМК) и агрегатов с крепями для длинных очистных забоев, обеспечивающую выемку угля без постоянного присутствия людей; во-вторых, ТТР безлюдной выемки, полностью исключающих нахождение работающих в очистном забое; в-третьих, способы бесшахтной добычи (БШД), осуществляемой с помощью нетрадиционных технологий, которые могут использоваться в шахтных условиях (основываются на бурении скважин на пласт или использовании для этого имеющихся выработок и переводе угля посредством различных воздействий в подвижное состояние для выдачи на поверхность в виде газа, продуктов гидрогенизации и диспергирования, пульпы и т.п.).

Создание эффективных ТТР для указанных трех принци­пиальных технологических подходов предусматривает разработ­ку программы работ по решению проблемы БВ с выполнением для этого анализа и прогноза, имеющих своими задачами:

а) отбор для внедрения и продолжения работ лучших из извест­ных ТТР безлюдной выемки;

б) разработку новых ТТР безлюдной выемки, основывающихся на традиционных способах;

в) поиск принципиально новых нетрадиционных ТТР   безлюд­ной выемки и безшахтной добычи;

г) экономическое обоснование области применения различных ТТР безлюдной выемки и бесшахтной добычи;

д) установление НИОКР, необходимых для разработки ото­бранных в качестве перспективных ТТР безлюдной выемки и для создания научно-технического задела, включающего в себя способы бесшахтной добычи.

Решение указанных задач связано с оценкой запасов в рам­ках периодически уточняемой Генеральной схемы развития и размещения угольной промышленности с установлением объе­мов запасов на действующих шахтах, неизвлекаемых ныне (из-за отсутствия необходимых техники и технологии), и некондици­онных запасов (по существующим техническим возможностям) на разведанных участках.

Основные требования к ТТР безлюдной выемки всех ее трех видов (выемки угля без постоянного присутствия людей в забое, безлюдная выемка и бесшахтная добыча) могут быть сведены к трем группам (табл.1).

 

Таблица 1

Основные группы требований к безлюдной выемке

Группы требований

Основное содержание

Технико-технологические

Условия, определяющие принципиальную возможность создания технико-технологических решений (ТТР) безлюдной выемки и их работоспособность.

Социальные

Требования к ТТР безлюдной выемки в части улучшения условий труда, его безопасности и повышения привлекательности.

Экономические

Экономическая целесообразность создания и применения средств выемки в определенных горнопроизводственных и региональных условиях при необходимой охране окружающей природной среды.

Примечание – данные работы [1, С. 245]

 

Для первых двух видов БВ эти требования в их технико-технологических аспектах представлены в табл. 2.

Для способов БШД, отнесенных к третьему виду БВ, технико-технологические требования связаны с обеспечением управляемости и надежности процесса извлечения угля и предполагают на данной стадии разработанности проверку технических возможностей, относящихся к этим способам решений.

Социальные требования для всех трех видов БВ являются по своей направленности общими и предусматривают макси­мальное освобождение работающих от тяжелого и непривлека­тельного труда при повышении его безопасности.

Таблица 2

Требования к технико-технологическим решениям безлюдной выемки

Требования

Критерии

Выемка угля без постоянного присутствия людей в забое

1. Надежное обеспечение рабочего пространства

1.1. Допускаемая по горно-геологическим условиям (ГГУ) площадь обнажения кровли в зоне работы выемочной машины

1.2. Допускаемая в ГГУ площадь незакрепленного пространства в очистной выработке

1.3. Коэффициент затяжки кровли (при работе с крепью)

1.4. Критическая скорость подвигания очистного забоя, по достижению которой практически исключаются опасные нажимы и обрушения кровли

2. Полная механизация и автоматизация всех операций технологического цикла в забое

2.1. Уровень механизации

2.2. Уровень автоматизации

2.3. Виды и трудоемкость работ в забое, требующих присутствие людей

3. Достаточная приспосабливаемость технологического оборудования к изменяющимся горно-геологическим условиям 

3.1. Вероятность соответствия изменяющихся параметров ГГУ диапазону регулируемого изменения параметров технологического оборудования 

4. Достаточная надежность технологического оборудования (системы машин)

4.1. Коэффициент готовности системы машин

4.2. Продолжительность наработки на отказ системы машин

4.3. Вероятность посылки людей в забой в период рабочей смены

5. Обеспечение направленности выемки в плоскости и профиле пласта

5.1. Величина отклонения от заданного направления (при отсутствии дизъюнктивных и непереходимых по углю пликативных нарушений), см/м длины очистной выработки

6. Соблюдение требований Правил техники безопасности по газу и пыли

6.1. Нормативы безопасного ведения горных работ

Безлюдная выемка угля (без присутствия людей в забое)*

7. Возможность вывода технологического оборудования из забоя для профилактических осмотров (ремонтов) и устранения аварийных отказов

7.1. Вероятность вывода возможна

7.2. Вероятность вывода исключения

8. Обеспечение продолжительности наработки на отказ, превышающей время технологического цикла (до вывода технологического оборудования в подготовительную выработку)

8.1. Вероятность наработки на отказ в течение заданного времени

9. Создание взрывобезопасной рудничной атмосферы в очистном забое

9.1. Допустимая (а также необходимая при работе в нейтральной среде) концентрация метана в очистном забое

*С учетом требований 1-5 (при уточненных критериях).

Примечание – данные работы [1, С. 247 - 248] 

 

Прежде всего должно быть исключено нахождение людей в опасных зонах, соблюдены во всех случаях установленные правила безопасного ведения работ и санитарные нормы (по содержанию в воздухе пыли, углекислого газа, метана, влажности, допустимому уровню шума, вибрации и т. п.)

К относящимся сюда критериям принадлежат эргономические показатели системы «человек—машина» и в их числе психоэмоциональная и физическая напряженность труда, которые могут быть оценены при прогнозировании с использованием метода аналогий.

Экономические требования ко всем трем видам БВ исходят из необходимости обеспечения большей их эффективности по сравнению с альтернативными ТТР для тех же условий с учетом достигаемого социального и природоохранного эффекта. В случае отсутствия таких ТТР для условий, в которых могут быть внедрены способы БВ, экономическая целесообразность их применения в конкретных бассейнах и месторождениях устанавливается по результатам оценки использования привозных углей, принимая во внимание транспортные расходы.

По данным исследований [2, С. 227], использование возможностей, открываемых безлюдной выемкой, позволит согласно прогнозным оценкам значительно (в два-три раза) повысить нагрузку на забой и тем самым снизить или даже во многом исключить отрицательное влияние малой мощности пласта и высокой газоносности на производительность труда, фондоемкость и производственную мощность шахты.

Для целенаправленного эффективного решения проблемы безлюдной выемки прогнозирование в этой области необходимо вести на основе:

-    отбора лучших из существующих (предложенных) решений безлюдной выемки; 

-    разработки новых технико-технологических решений, основывающихся на традиционной технологии;

-    поиска принципиально новых и создания нетрадиционных решений безлюдной выемки;

-    экономического обоснования области реализации различных решений безлюдной выемки;

-    составления с учетом решения этих задач научно-технической программы работ по данной проблеме, включающей необходимые научные исследования.

В законченном виде логическая последовательность разработки конкретных прогнозных решений безлюдной выемки, выполняемая с использованием различных методов прогнозирования, включает в себя (рис.1):

-    выбор группы горно-геологических условий (соответственно предполагаемой области применения);

-    анализ и прогноз возможностей реализации различных решений, открываемых развитием науки и техники, для разработки основных подсистем и элементов структурно-функциональной модели безлюдной выемки;

-    выбор схемы безлюдной  выемки  соответственно  способу управления горным давлением;

-    прогнозирование средства (способа) выемки с установлением основных его параметров, набор которых определяется видом технического средства (способа) и возможностями прогнозирования, зависящими от степени новизны (разработанности) объекта и периода упреждения;

-    прогнозирование средства (способа) доставки;

-    уточнение схемы выемки  и определение пространственно-планировочных решений системы разработки и их линейных параметров; в том числе выбор порядка и способов подготовки (воспроизводства) фронта очистных работ;

-    выбор средств транспортирования угля и породы до основной транспортной магистрали;

-    обоснование режима функционирования технологической схемы по фактору обеспечения максимального полезного времени ее функционирования (по добыче) при необходимой надежности;

-    оптимизацию основных параметров технологической схемы по принятым критериям;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 1 – Логическая последовательность прогнозирования                          технико-технологических решений безлюдной выемки

(Примечание – данные работы [2, С.240])

 

-    оценку возможного времени и области практической реализации спрогнозированных решений в границах принимаемых периодов упреждения (2010-2014 гг.; 2015-2020 гг.; 2021-2030 гг.);

-    оценку экономической эффективности реализации отдельных спрогнозированных решений в границах («единичный» эффект) и целесообразной области их реализации во времени.

Обеспечение единой технической политики в разработке технологии и средств безлюдной выемки, направленной на улучшение условий труда, более полное извлечение запасов угля и продление срока службы шахт при снижении за счет этого удельных капитальных вложений на поддержание мощности и развитие шахтного фонда, позволит при ее успешном осуществлении практически решить главные вопросы научно-технического прогресса в подземной добыче угля на длительную перспективу.

 

Литература:

1. Архипов Н.А., Ельчанинов Е.А., Горбачев Д.Т. Добыча угля и рациональное природопользование. – М.: Недра, 1987. – 285 с.

2. Докукин А.В., Архипов Н.А. Прогнозирование научно-технического прогресса в угольной промышленности: Проблемы, теория, методы. – М.: Недра, 1981. – 280 с.