В условиях энергетического кризиса, пришедшего в Украину в 2005 году, стратегические пути развития энергетики Украины подвергаются серьезной ревизии. Украина входит в первую десятку ведущих стран мира по объемам добычи угля, уголь - единственный вид топливного сырья, запасов которого в недрах Украины достаточно для полного удовлетворения потребностей всех секторов экономики на целые столетия. В настоящее время в структуре разведанных и доступных запасов органического топлива страны доля угля занимает 95%, а запасы нефти и газа -лишь 5%. Поэтому, вопрос использования угля в энергетике страны кажется очевидным способом решения энергетической независимости Украины, именно с добычей угля связывается энергетическая безопасность страны. Основными потребителями энергетического угля являются тепловые электростанции (ТЭС) Украины, причем доля угля в структуре потребления топлива ТЭС в настоящее время составляет 50%. В 2005 году на обслуживание тепловых электростанций Минтопэнерго потребовалось около 25 млн. тонн угля. «Энергетической стратегией Украины» прогнозируется, что до 2030 года годовое потребление угля ТЭС будет увеличено до 63 млн. тонн. Второй важный потребитель угля - коксохимическая промышленность, главный поставщик сырья для металлургии. В 2005 году металлурги закупили около 32 млн. тонн коксующегося угля, а к 2030 году предполагается, что его потребление вырастет до 39,8 млн. тонн. Имея спрос со стороны мощных потребителей, Украина должна поднимать добычу угля, прогнозные запасы которого составляют 117,5 млрд. тонн, а промышленные запасы на действующих шахтах - 6,5 млрд. тонн, из них 3,5 млрд. тонн (54%) запасов энергетического угля.

           Однако в последние годы добыча угля в Украине снижается. Общий объем угледобычи в 2005 году составил 77,9 млн. тонн, что ниже предыдущего года на 2,7%. В настоящее время Украина ввозит уголь из-за границы в значительных количествах, в основном, из России (92%) и Казахстана (3%). Угольная отрасль является и самой проблемной в промышленности Украины. Большинство угледобывающих предприятий характеризуются незначительной производственной мощностью и низким техническим уровнем. В Украине работают 164 шахты и три разреза, представляющих собой самый старый шахтный фонд среди стран СНГ: уровень износа оборудования превышает 80-90%. Более 96% шахт свыше 20 лет работают без реконструкции, поэтому не удивительно, что большинство из них убыточны. С прибылью работают два десятка предприятий, остальные существуют за счет государственных дотаций. Если по объемам добычи угля Украина входит в десятку ведущих угледобывающих стран мира, то по экономическим показателям - значительно отстает от большинства из них. Например, производительность труда рабочего по добыче угля в Украине (в 2004г. - 27,4 т/мес.) почти в 5 раз ниже, чем в России (132,9 т/мес.). При этом, после технического перевооружения, осуществляемого за бюджетные средства, шахты, за редким исключением, не становятся прибыльными, а иногда даже не снижают убытки, поскольку по своим параметрам не могут эффективно использовать современную высокопроизводительную забойную технику.[10] Среди проблем, стоящих перед угольной промышленностью Украины и напрямую влияющих на динамику добычи угля, наиболее острой остается ускорение темпов проведения подготовительных выработок. Без ее решения невозможно обеспечить своевременную подготовку фронта очистных работ. По данным института «Донгипроуглемаш», основным фактором, в наибольшей степени сдерживающим рост нагрузки на современные добычные комплексы, является отставание в подготовке нового фронта очистных работ.

           Основными способами проведения подготовительных выработок являются буровзрывной и комбайновый. Уровень механизации основных технологических операций по проведению подготовительных выработок (разрушение горного массива и погрузка горной массы) на угольных шахтах Украины составляет 80–85%. В большинстве ведущих угледобывающих стран на первый план вышла комбайновая проходка, а буровзрывным способом проходится не более 50% подготовительных выработок. В США, Великобритании и Польше комбайновый способ проведения подготовительных выработок составляет 60–80% от общего объема.

Общий вид КП типа КСП-32.
(Анимация состоит из 15 кадров, продолжается 6 циклов, сделана в MP Gif Animator. Размер анимации 329 Kb)

Усложнение условий добычи, связанное с повышением газоносности пластов

           Украинские угольные месторождения характеризуются чрезвычайно сложными горно-геологическими условиями эксплуатации:

- Малой мощностью угольных пластов (в пластах мощностью более 1 м находится лишь 35% запасов угля);

- Большой глубиной разработки - средняя глубина достигает 630 м, максимальная - 1290 м, подготовительные работы ведутся на максимальной глубине 1310 м. На глубоких (свыше 600 м) горизонтах действуют 100 шахт (52% их общей численности), удельный вес которых в объеме всей добычи составляет 54%. На 38 шахтах (19,8%) горные работы ведутся на глубинах 900-1300 м. До 2005 г. средняя глубина разработки достигнет 700 м, а на отдельных шахтах - 1400-1600 м;

- Склонностью многих пластов к газодинамическим явлениям - внезапным выбросам угля и газа, горным ударам - за последние 10 лет в Донецком бассейне ежегодно происходило в среднем до 300 газодинамических явлений. На 35% шахт разрабатываются пласты, опасные внезапными выбросами угля и газа, на 9% шахт отрабатывается более 40 угольных пластов, склонных к горным ударам. До 2010 г. прогнозируется увеличение этого количества пластов до 110–115;

- На глубинах, которые сегодня освоены, температура горных пород достигает 45-52° С, а температура породного массива ежегодно повышается на 0,5-1° С;

- Высокой газоносностью - на 90% шахт работы ведутся в условиях высокого содержания метана;

В рамках данной темы мною намечено рассмотрение следующих задач:

- Постановка актуальности вопроса разработки новых технологий проведения подготовительных выработок в условиях повышенной газоносности пластов;

- Анализ проведения подготовительных работ, в т.ч. анализ горно-геологических и горно-технических условий проведения подготовительных работ (на основании данных по АП «шахта им. А.Ф. Засядько»); выбор альтернативных видов оборудования с учетом оборудования, применяемого на шахте; определение эксплуатационных характеристик КП с рассмотрением факторов, влияющих на их снижение (особое внимание требуется уделить газовому фактору, создающему специфические требования к технологии проведения) и использованием изменённой методики расчёта;

- Анализ возможности проведения мероприятий по увеличению эффективности проведения подготовительных выработок, таких как снижение газового фактора с последующей утилизацией метана, применение анкерных крепей нового поколения;

- Определение экономического и социального эффекта от внедрения новой технологии.

Pасчеты эксплуатационных параметров комплекса проходческого

          Производительность относится к числу основных макроуровневых показателей, интегрально характеризующих уровень качества и степень конкурентоспособности машин проходческих, в том числе комбайнов проходческих (далее КП). Производительность зависит от целого ряда факторов – горно-геологических условий, проектно-компоновочных решений, конструктивных и режимных параметров КП, а также взаимодействующих с ним машин (прежде всего, перегружателя, конвейера и механизированной крепи, если КП работает в составе комплекса механизированного проходческого (КМП)), технологии и организации работ в подготовительном забое, в том числе по креплению индивидуальной крепью. Рассмотрим теоретическую Qт, техническую Qтех , эксплуатационную Qэ и сменную производительности Qсм применительно к комбайну проходческому избирательного действия. В том случае, когда мощность угольного пласта (Hпл) равна или более диаметра коронки, применим подход при котором все производительности, кроме сменной, определяем отдельно для каждого участка забоя (угольного и породного).

          Теоретическая (минутная) производительность проходческого комбайна в конкретных горно-геологических и горно-технических условиях его работы определяется по выражению:

где Dk - мощность разрушаемого слоя угля или породы, соответствующая среднему диаметру коронки, м; Bk - величина заглубления исполнительного органа в массив, соответствующая захвату коронки, м.
Dk определяется по зависимости:

где Sпрод – площадь продольного сечения коронки.
          Техническая производительность проходческого комбайна определяется по выражению:

где K_тех - коэффициент технически возможной непрерывности работы комбайна в конкретных условиях эксплуатации, характеризующий степень его технического совершенства.

          Значения К тех могут быть определены по зависимости:

где K_г - коэффициент готовности проходческого комбайна; Т_мо - затраты времени на несовмещенные маневровые операции, мин; Т'_мо - затраты времени на маневровые операции, связанные с отодвиганием комбайна от забоя для замены изношенных резцов, мин; Т_зи - затраты времени на замену резцов, мин; L - путь, пройденный исполнительным органом за рабочий цикл, м.

          Затраты времени Т_мо определяются по зависимости:

где Vм- маневровая скорость подачи комбайна, м/мин.

          Затраты времени Т'_мо определяются по зависимости:

где a - величина отодвигания комбайна от забоя для замены изношенных резцов, м; Z_y- удельный расход резцов, шт/м; n_д - допускаемый выход из строя резцов,%. При расчете рекомендовано принимать : a = 1 м; Z_y = 0,2 шт/м3; n_д = 25 %.
          Затраты времени Т_зи определяются по зависимости:

где t_p - среднее время на замену одного резца, мин;

          Определяются значения удельных энергозатрат при разрушении угольной и породной частей выработки Wу и Wп:

где P - мощность на валу двигателя в текущий момент времени.[5]

          Расчеты выполнены с помощью средств Microsoft Excel.

Представлены результаты расчёта эксплуатационных показателей КП типа КПД

          После получения значений эксплуатационных показателей КП осуществим выбор рационального режима работы. Он производится по номограмме, на которой отражаются зависимости нагрузок на валу двигателя при разрушении породной и угольной частей выработки, теоретической и технической производительностей от скорости перемещения органа, а также значения параметров, ограничивающих производительность КП

Номограмма, построенная по результатам расчёта
(Анимация состоит из 6 кадров, продолжается 6 циклов, сделана в MP Gif Animator. Размер анимации 58 Kb)

          В качестве факторов, ограничивающих производительность КП, определяющих в конечном итоге скорость перемещения органа рабочего , в общем случае могут выступать нижеприведенные факторы.

1. Максимальное значение скорости перемещения органа рабочего КП;

2. Максимальное значение усилия перемещения органа рабочего КП;

3. Радиальный вылет резцов, при этом максимальная толщина стружки должна быть не больше радиального вылета;

4. Погрузочная способность органов и их приводов системы выгрузки и навалки КП;

5. Устойчивый момент электромоторов привода органов рабочих ;

6. Тепловые возможности электрических машин (электродвигателей и электромагнитных муфт или тормозов скольжения), а также гидравлических машин;

7. Устойчивость динамического поведения корпуса;

8. Устойчивость динамического поведения гидропередач «насосы – гидроцилиндры» системы изменения положения ОР и гидропередач «насосы – гидромоторы»;

9. Теоретическая производительность транспортных средств, на которые перегружается отделенная горная масса;

10. Скорость крепления призабойного пространства крепью;

11. Газовыделение.

Обзор результатов и перспектив

           На сегодняшний день для выполнения поставленных задач на предприятии во время прохождения магистерской практики мною были исследованы данные по горно-геологическим и горно-техническим условиям, информация относительно проходческих работ, применяемого на шахте оборудования, экономические данные. Были рассмотрены альтернативные виды оборудования, рассчитаны нагрузки на привод применяемого КП, проведены расчеты эксплуатационных параметров проходческого комплекса. В данный момент нахожусь на этапе определения влияния газового фактора на производительность КП.

           Одним из условий эффективной и безопасной работы при проведении подготовительных выработок на шахтах Украины является обеспечение их устойчивости при минимальном расходе крепящих материалов. Крепи, выполненные из тяжелых профилей специального проката (арочная крепь), в условиях значительного напряженного состояния горного массива не обеспечивают необходимой устойчивости и безремонтного поддержания выработок. Их возведение является плохо поддающимся механизации трудоемким процессом. Материалоемкость крепей снижает технико-экономические показатели проходки и, в значительной степени, сдерживает темпы проведения выработок.

           За последние годы все большее распространение в угольной и горно-рудной промышленности получает анкерная крепь, повышающая устойчивость горных выработок и позволяющая увеличить темпы ведения подготовительных работ при экономии средств на их поддержание. Для существенного снижения трудоемкости возведения анкерной крепи, обеспечения устойчивых темпов проходки 600–800 м/месяц создаются проходческие комплексы с возможностью анкерного крепления проводимых выработок.

          Применение анкерной крепи на шахтах стран с развитой угледобывающей промышленностью позволило в 5–10 раз уменьшить расход металлопроката, бетона, леса; в 3–5 раз повысить производительность работ при креплении выработок; в 2–3 раза повысить темпы проходки; вдвое сократить затраты на крепление и поддержание крепи в рабочем состоянии во время эксплуатации. Химическое анкерование позволяет пересмотреть технологию очистных работ и перейти от цикличной выемки угля в длинных комбайновых забоях к практически непрерывной, поточной добыче и тем самым снизить трудоемкость очистных работ на 25–35%. Внедрение вышеуказанных прогрессивных средств проведения подготовительных выработок с анкерным креплением, прежде всего при техническом перевооружении лав новыми комплексами, позволит существенно повысить технико-экономические показатели работы шахт и снизить себестоимость добываемого угля на 10–15 %.

           Около 90% шахт на сегодня являются опасными из-за метана. Поэтому с одной стороны, очень актуален вопрос предупреждения взрывов, а с другой - не менее важно обеспечить рациональное использование каптируемого метана, как важного промышленного сырья.

           Количество метана, поступающего в атмосферу в результате производственной деятельности угольных шахт Украины, складывалось из его объема удаленного из шахт с отработанным вентиляционным воздухом и дегазационными установками за вычетом объема утилизированного газа и составляло в 1997 годы -1869,5 млн.м³, что составляет 10% потребного количества в год для народного хозяйства Украины.

           Увеличение глубины разработки и повышение нагрузок на забои приводит к возрастанию метановыделения. На высокогазообильных участках газовый фактор может ограничивать величину нагрузки на очистные и подготовительные забои. Одним из весьма эффективных способов обеспечения безопасных атмосферных условий на участках и снятия ограничений газового фактора является дегазация источников метановыделения.

           Шахтный метан можно собирать и использовать для нужд энергетики. Такой опыт есть - в 2005 году на базе газопоршневых двигателей фирмы «Йенбахер» в г.Донецке на шахте им.Засядько построена пилотная когенерационная станция, использующая в качестве топлива шахтный метан. Запасы шахтного метана только в Донбассе оцениваются в 13 трлн. м³. По приближенной оценке объем метана, содержащегося в угольных пластах шахт Украины в среднем составляет 11 м /т. По запасам шахтного метана Украина находится на 8 месте в мире. В США, например, годовой объем используемого шахтного метана составляет 40 млрд. м³, т.е. 7-8% потребления газа в стране. Работы по извлечению метана из угольных пластов ведутся в Австралии, Китае, Канаде, Великобритании, Польше, России (Кузбасс). При этом, извлечение метана из угольных пластов не только снижает газоопасность, но и повышает производительность шахт, уменьшает загрязнение окружающей среды.

Принципиальная схема газоподготовки, использующейся на ш. им. А.Ф. Засядько. описание

           Добыча метана, который сопутствует месторождениям угля, дает не только гарантии безаварийной работы шахтеров, но и возможность получения дополнительных финансовых ресурсов, которые, в свою очередь, можно направить на обеспечение безопасных технологий угледобычи. Таким образом, внедрение технологий добычи метана в сочетании с дегазацией позволит обеспечить получение значительного количества нетрадиционного топлива, улучшить микроклимат в горных выработках и экологическую обстановку в регионе.