Дорогая тонкость «черного золота»

Разработка тонких угольных пластов в сложных горно-геологических условиях Донбасса требует новых технологий и современной техники

Более 30 лет основной объем добычи угля в Украине обеспечивается комбайновыми и струговыми комплексами оборудования с механизированными крепями. Успешно внедренные  в начале семидесятых годов XX века очистные механизированные комплексы продолжают динамично развиваться и сейчас. В свое время создание ОМК сыграло исключительно важную роль в техническом перевооружении угольной промышленности и послужило мощным стимулом для развития шахт. Однако время и изменяющиеся условия угледобычи на подавляющем большинстве украинских шахт диктуют новые требования.

Предсказания не сбываются. Пока…

Великий ученый, фантаст-писатель и футуролог сэр Артур Кларк в своем пророческом «научно-техническом  катехизисе» предсказал, что «в 2006-м закроется последняя угольная шахта». Провидец А.Кларк не уточнил, в каком же месте планеты это свершится. То ли в его родной Англии, то ли в германском Сааре, то ли в непонятной и дальней украинской стороне — Донбассе.  В Соединенном Королевстве, точнее в Уэльсе, это действительно случилось. И в Японии шахты закрыли — «Сумитомо» и «Абаси» (северный остров Хоккайдо), особенно на последней после выброса метана из тонких пластов в 2004-м. А вот в Китае, Украине, ФРГ, США (Аппалачи) добыча угля, даже с километровых глубин на пластах толщиной менее метра, продолжается. 

Кларк покинул этот мир 20 марта нынешнего високосного года, так и не увидев церемонии закрытия последней шахты на планете. Но чуть раньше в угольном районе ФРГ — Сааре произошло неприродное землетрясение силой в 4,5 балла по шкале Рихтера. Тряхнуло неслабо: стекла побились, а в стенах шахтерских домов появились трещины. Причиной катаклизма стала взрывная отработка тонких угольных пластов толщиной менее метра на глубине более километра. Шахты  подземные работы срочно прекратили. А безработные шахтеры Рура-Саара  тут же организовали марш протеста. В ответ на это канцлер ФРГ Ангела Меркель, по образованию химик-технолог по переработке бурых углей,  безапелляционно заявила: «Углепром ФРГ будет ликвидирован до 2018 года, спустя 350 лет после его начала в Сааре–Эльзасе–Лотарингии–Руре. Будем развивать производство биотоплива!». Заметим, что сырьевой базой ГМК Германии в течение двух столетий были именно толстые пласты угля. Сейчас же благодать закончилась: пласты все тоньше, угля все меньше, а  золы и серы, увы, все больше. Поэтому для их разработки нужны новые технологии, НИОКР и современное оборудование. 

Считаю предложение тов. Рыкова по использованию механических горно-врубовых комбайнов в шахтах Донбасса дорогим и неэффективным… Кайлом и лопатой — проще и дешевле!»

«Чем больше потребность в углях, коксующихся или энергетических, тем больше заглубимся внутрь  планеты. Жирные куски — «хлебные», толстые угольные пласты —  мы уже в основном съели. Переходим на тонкие с большой механизацией и автоматизацией их разработки…» 

Авторы —  два Владимира Ильича. Первый — небезызвестный Ульянов-Ленин, второй — заведующий кафедрой подземной разработки месторождений НГУ В.И. Бондаренко, лауреат Госпремии Украины по науке и технике, автор первого открытия  в истории Горного университета.   

Донбасский пласт

Добывать «черное золото» Донбасса становится все тяжелее, значительная часть разрабатываемых пластов опасна по горным ударам и выбросам угля и газа. Глубина каждой четвертой шахты превышает 1 км. При этом в Центральном Донбассе (на шахтах Горловки, Дзержинска, Енакиево) на такие тонкие пласты приходится 70% добычи угля, а более 80% добывается на крутом падении. В таких условиях тяжело механизировать технологические процессы и обеспечивать безопасность горных работ.

По основным свойствам углей и вмещающих пород (силикозоопасность, пыленосность, взрываемость пыли, обводненность, газоносность) Донецкий бассейн следует отнести к весьма сложным по разработке. Имеющаяся техника для добычи угля — комбайновые комплексы с широким и узким захватом, струги, скреперо-струги, агрегаты фронтальной добычи и др. — большей частью  исчерпали  свои технические  возможности  и  непригодны для разработки тонких пластов угля.

Для горнотехнических условий Донбасса характерны, кроме прочего, небольшая мощность угольных пластов, относимых по действующей классификации в основном к группе тонких и весьма тонких; достаточная устойчивость горных пород, вмещающих угольные пласты; незначительные или умеренные притоки подземных вод в горные выработки; благоприятные условия вскрытия месторождений на площади открытого Донбасса, составляющей примерно 38% всей его площади и содержащей 50% всех запасов угля, и сложные условия, требующие специальных методов проходки, на остальной площади.

Таблица наглядно показывает резкое — в 2,24 раза — снижение запасов бассейна в связи с ограничением нижнего предела мощности пласта (0,6 м) и глубины освоения (1200 м). Это обстоятельство заставляет внести существенные изменения в представления о дальнейшей роли Донбасса в промышленности и наметить пути освоения запасов до глубины 1800 м и технического решения рентабельной разработки тонких пластов мощностью 0,6—0,4 м.

Таблица. Балансовые запасы угля Донбасса в зависимости от глубины и мощности пластов

Источник: «Украинско-польский форум горняков», Краков, 2002 г.

Как отмечают специалисты Международной школы подземной разработки (Украина—Польша, 2007), за последнее десятилетие добыча из пластов мощностью более 1,2 м упала почти в два раза и более половины всей добычи сосредоточилось на пластах мощностью менее 1 м.   Отмечается тенденция к снижению разработки тонких пластов, обусловленная экономическими причинами, и все более заметному уменьшению использования пластов более 1,2 м из-за их интенсивной отработки. Во всех важнейших каменноугольных месторождениях Европы, а также в США, России и Казахстане мощность разрабатываемых пластов больше, чем в Донбассе.

По данным доцента кафедры ПРМ НГУ Р.Е. Дычковского, сегодня в Донбассе пласты мощностью более метра составляют всего 8,5% ; от 0,6 до 1 м — 41,5%; остальное приходится на тонкие, глубокозалегающие и крутопадающие пласты. Особенно сложны условия горнодобычи на некоторых шахтах Центрального Донбасса и Луганской обл. (кадиевские, макееевские шахты и др.). Условия газоопасности, пыленосности, взрывоопасности лав и штолен, обводненности горных выработок  тоже намного сложнее и гораздо выше норм. Так как же оттуда уголь брать?

Цифра

По расчетам специалистов, пласты мощностью более 1,2 м будут отработаны в течение 15 лет, 0,8—1,2 м — за 45 лет, а менее 0,8 м — за 110 лет.

Прямая речь

Почувствуйте разницу!

Профессор НГУ Владимир Бондаренко:

– Что такое тонкие пласты? В мировой теории угледобычи нет строгой их классификации по толщине-мощности. Например, в России тонкими считаются пласты, имеющие толщину  1,3 м и менее. К таковым относятся пласты на новой южноякутской шахте «Денисовская», ростовских восточнодонбасских шахтах в Гуково (?1,1 м), некоторых шахтах Кузбасса, на печорской шахте «Усинская-2» и многих других угольных копях. В соседней Польше тонкими считаются угольные залежи мощностью ниже  1,5 м, например, на шахтах «Богданка» в Любеле и Катовицкой угольной компании. То же можно сказать о шахтах ФРГ и американских в Аппалачах. У нас же принята такая градация: менее 0,7 м — очень тонкий пласт; 0,7—1,2 м — тонкие пласты; 1,2—3,5 м — пласты средней толщины. При толщине пласта более 3,5 м уголь называют «хлебным» и «толстым». 

Мнение специалистов

Григорий Литвинский, профессор ДГТУ:

— Существующая техника и технология угледобычи, где необходимо постоянное или временное присутствие людей в очистном забое, недопустимы с позиций условий труда и по большинству показателей микроклимата (температура, влажность, шум, скорость воздуха, запыленность) должны быть исключены из практики ведения горных работ. Действительно, традиционные техники и технологии добычи угля практически исчерпали возможности совершенствования, а отдельные частные решения многочисленных  проблем не способны существенно улучшить основные технико-экономические показатели. Некоторые недостатки и технические противоречия вообще принципиально неразрешимы для комбайновой и струговой технологий добычи угля из тонких пластов. Давно назрела необходимость создания выемочных комплексов новой генерации, особенно для тонких пластов.

Роман Дычковский, доцент НГУ, директор Украинско-Польского центра по добыче угля и ПРМ:

— Для тонких пластов угля следует искать возможности создания выемочной техники нового технического уровня, стабильно работающей с нагрузками 1000—3000 т угля в сутки при обеспечении полной безопасности ведения работ. Очевидно, что выемочная техника, основанная на применении комбайнов, стругов и других горных машин, работающих на принципе перемещения вдоль лавы с целью разрушения угля на отдельном ее участке, неприемлема, так как не отвечает принципу фронтальности обработки угля в очистном забое. Как показывает анализ существующей техники и тормозящих ее развитие технических противоречий, наиболее перспективный путь решения проблемы лежит в направлении создания выемочных комплексов фронтального типа, осуществляющих выемку без присутствия людей в забое и обладающих высокой приспособляемостью к изменяющимся горно-геологическим условиям.Например, струговые комбайны для тонких угольных пластов немецкой горно-шахтной корпорации DBT имеют такие основные  характеристики и принцип действия: исполнительный орган струга протягивается вдоль угольного забоя посредством струговой направляющей, приваренной к забойному конвейеру; высокая скорость движения (до 3 м/с) при глубине захвата до 250 мм; полная автоматизация; не требуется сопровождающего лица для струга в забое; интеллектуальная система защиты от перегрузок. У немецких горных машиностроителей есть  запатентованная разработка струга скользящего типа ®.

Настрогаем по-тонкому!

Накопленный производственный опыт в Донбассе и результаты проведенных многочисленных исследований в Донбасском ГМИ (Алчевск Луганской обл.) также показывают необходимость перехода к разработке тонких и сверхтонких пластов угля, для чего нужно создавать новую технику и технологию добычи. Наиболее обещающими направлениями донбасские ученые считают геотехнологические способы добычи угля — скважинную гидродобычу, подземную газификацию и др. Однако в силу недостаточности разработки и некоторых присущих им ограничений эти технологии пока не могут применяться в широких промышленных масштабах.

Что же реально могут предложить украинские производители горно-шахтного оборудования (ГШО) в ответ на вызовы времени?

Комбайны из Горловки

Закрытое акционерное общество «Горловский машиностроитель» — один из крупнейших производителей ГШО в нашей стране. Номенклатура выпускаемых машин включает очистные угольные комбайны для полого-наклонных и крутых пластов, проходческие угольные комбайны, конвейероструги щитовых агрегатов для крутых пластов, нарезные комплексы, буровые машины, тягово-предохранительные лебедки, гидрооборудование, запчасти ГШО.

В 2004 году здесь освоено производство ряда очистных и проходческих угольных комбайнов мирового технического уровня для различных горно-геологических условий. Новые очистные комбайны современной блочно-модульной компоновки имеют высокую энерговооруженность, оснащены бесцепными системами подачи и охватывают диапазон вынимаемых пологонаклонных (до 35 градусов) пластов мощностью от 0,85 до 4,3 м. Тогда же начато серийное производство новых очистных  угольных комбайнов УКД300, КДК500 и КДК700. Специально для тонких пластов изготовлен очистной комбайн УКД 200-250. Его основные технические и эксплуатационные особенности: высокие надежность и ресурс, обусловленные конструктивными параметрами комбайна и использованием высокопрочных материалов; обеспечение минимальной вынимаемой мощности пласта 0,85—0,9 м.

Комбайны КА200 и КА80 предназначены для выемки угля в очистных забоях, подвигающихся по простиранию пластов мощностью 0,8—1,25 м с углом падения до 35°, а также по восстанию или падению с углом до 10°. Эти комбайны могут применяться в составе механизированных комплексов, оснащенных скребковыми конвейерами различных модификаций.

Образцы новой техники горловских машиностроителей неизменно имеют успех на международных специализированных выставках «Уголь/Майнинг», которые ежегодно проходят в сентябре в  Донецке.

«Свет шахтера» ярко светит!

 Харьков славится не только танками, турбинами, станками, но и современным горным оборудованием. Причем особенно важно, что ГШО приспособлено именно для нужд украинских горняков, которые в основном работают на тонких пластах и в очень сложных горно-геологических условиях.

Завод «Свет шахтера», отметивший в 2006 году свой 115-летний юбилей, на протяжении десятилетий был монопольным производителем мощных шахтных скребковых конвейеров в бывшем СССР, накопил уникальный опыт в области проектирования ГШО и разработки технологии его изготовления. Сегодня основной продукцией предприятия являются забойные скребковые конвейеры для работы на пластах средней мощности (СП326, СП330), скребковые перегружатели, шахтные дробилки, взрывобезопасные головные аккумуляторные светильники, в том числе оснащенные метаносигнализаторами. Продукция завода также неоднократно отмечалась на  выставках «Уголь/Майнинг».

Одна из последних разработок — шахтный скребковый разборный переносной конвейер новой серии 1СК38М-10, который является облегченной модификацией серийного конвейера 1СК38М. В агрегате используется горизонтально замкнутый тяговый орган. Его достоинства: малые габариты; высокая степень надежности и долговечности; удобный доступ к тяговому органу;  удобство наращивания или укорачивания по длине. Конвейер незаменим для работы в тонких пластах, малогабаритных выработках и в других стесненных и взрывоопасных условиях.

Точка зрения
Чья техника лучше?

Борис Покрас, председатель правления группы компаний Lubel Coal Company  (Украина—Польша):

— Когда мы готовили бизнес-план, в техническом задании генеральному проектировщику, институту Луганскгипрошахт, заложили использование максимально высокопроизводительного оборудования — американских комбайнов фирмы «Джой» и струговых комбайнов немецкой корпорации DBT. Проектная добыча из одной лавы  6000 тонн в сутки. Для сравнения: сегодня среднесуточная норма выемки угля для одного угольного комбайна составляет в стране около тысячи тонн. Достоинством новой технологии выемки является способность работать с тонкими угольными пластами. Струг захватывает только пласт угля, почти не задевая породу. Значит, уголь будет более высокого качества, с меньшей зольностью. В Германии один из стругов уже долго работает на пласте толщиной 0,7 метра. Такая техника есть везде в мире, включая российский Кузбасс и Польшу. В целом это уже совершенно иной уровень производства. К сожалению, украинского оборудования подобного уровня производительности и надежности просто не существует. Положение с отечественной техникой лучше всего демонстрирует тот факт, что владельцы «Павлоградугля»  собираются в 2009—2012 годах закупить для четырех своих шахт немецкие струги DBT. И это при том, что они же владеют пакетами акций предприятий горно-шахтного оборудования. Мы готовы к использованию отечественной техники там, где она конкурентоспособна, но считаем, что покупать низкопроизводительное оборудование — значит заранее сводить к нулю все вложенные в экономику шахты средства. Да и на государственных шахтах никто не горит желанием получать морально устаревшую технику. Ведь экономику не обманешь…

Автор благодарит профессора НГУ В.И.Бондаренко и доцента НГУ Р. Дычковского за помощь в подготовке материала.