УДК 622.232.8+622.285.061
А.А. ШРАЙБЕР, д-р техн. наук, В.Б. РЕДЬКИН, канд. техн. наук (Институт общей энергетики НАН Украины, Киев)
СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ
Представлен обзор современных и перспективных технологий добычи угля, кратко рассмотрены особенности угледобычи в Украине, приведены характеристики нового горнотехнического оборудования.
Уголь - единственный вид органического топлива, запасов которого в недрах Украины достаточно для удовлетворения потребностей всех секторов экономики в течение нескольких столетий. Вместе с тем украинские месторождения характеризуются чрезвычайно сложными геологическими условиями эксплуатации, а большинство угледобывающих предприятий -незначительной производственной мощностью и довольно низким уровнем технического обеспечения. Добыча каменного угля ведется подземным способом, и лишь небольшой объем бурого угля (~500 тыс. т/год) добывается в трех разрезах (для сравнения: в России открытым способом извлекается примерно две трети всей добычи угля)
Основная часть промышленных запасов каменного угля в Украине сосредоточена в пластах мощностью до 1,2 м, которые во многих странах не разрабатываются. Большинство пластов отличается сильной газоносностью и опасно ввиду взрывчатости угольной пыли, а свыше трети - склонно к внезапным выбросам угля и газа и к самовозгоранию. Средняя глубина разработки составляет более 700 м, а каждая шестая шахта ведет горные работы на глубине от 1000 до 1400 м.
Если по объемам добычи угля (80,3 млн. т в 2006 г.) Украина входит в десятку ведущих стран мира, то по экономическим показателям значительно отстает от многих из них. Например, месячная производительность труда рабочего очистного забоя в Украине (27,4 т) почти в пять раз ниже, чем в России (132,9 т), и в десятки раз - чем в США, Канаде, Австралии и Южно-Африканской Республике [1]. Это обусловлено несколькими причинами: сложными горно-геологическими условиями, что не позволяет эффективно использовать современную высоко-производительную технику, старением шахтного фонда и ухудшением состояния горного хозяйства.
Возможны два способа разработки месторождений: открытый и подземный. В первом случае все производственные процессы, необходимые для извлечения полезного ископаемого из недр, совершаются на поверхности. При этом применяются три основных способа выемки: механический, гидравлический и комбинированный. При механической выемке в зависимости от способа перемещения вскрышных пород различают три класса систем открытой разработки: бестранспортные, транспортные и комбинированные. Транспортные системы разработки являются более сложными, чем бестранспортные, и менее экономичными. Однако их важное достоинство состоит в возможности применения в произвольных условиях залегания полезных ископаемых. Именно поэтому они получили широкое распространение.
При подземной разработке угольных месторождений выбор способа выемки зависит от свойств пласта и вмещающих пород, а также от требований, предъявляемых к качеству угля. Применяются следующие способы выемки: ручной, буровзрывной, механический, гидравлический, геотехнологический, - а также комбинированные способы: механогидравлический, взрыво-гидравлический и механовзрывной.
При буровзрывном способе для осуществления основного процесса - отбойки некоторой части горной породы от ее тела используются взрывчатые вещества (ВВ). Вначале бурят специальные (опережающие забой) выработки -шпуры. Для разрушения горной породы применяют механический, гидравлический, динамический, электрический, электрогидравлический и термический способы бурения. Последние три способа используются для магматических и скальных пород, а для песчаников, глинистых и песчанистых сланцев, известняков и других осадочных пород небольшой крепости - механические способы бурения. На угольных шахтах применяют аммониты (аммиачно-селитренные ВВ), динамиты (нитроглицериновые) и победиты (смесь аммиачно-селитренных ВВ с нитроглицериновыми). Наиболее распространено электрическое взрывание заряда. При этом патроны помещают в полиэтиленовую оболочку, наполненную водой, которая гасит пламя при взрыве и одновременно подавляет пыль. Глухую выработку, загазованную продуктами взрыва, интенсивно проветривают с помощью вентиляторов [2].
Наиболее распространен механический способ выемки, когда пласт угля разрушается с помощью комбайнов, стругов, скреперостругов, конвейеростругов, бурошнековых или врубовых машин и т.д. При механической выемке угля системы разработки месторождений классифицируют по нескольким признакам:
Подготовку выработки производят с помощью буровзрывных работ или проходческими комбайнами [3, 4]. При этом используют проходческие комбайны легкого и тяжелого типов [4-6].
Использование комбайнов легкого типа предусматривает проведение подготовительных выработок сечением до 22 м2 с разрушением горных пород прочностью до 6 ед. по шкале М.М. Протодьяконова с преодолением участков прочностью до 8 ед. К указанному типу проходческих комбайнов относятся комбайны П-110, 1ГПКС, 1ГПКС-04, КП-25, ГПК-8, КСП-22.
Комбайны тяжелого типа (П-220, КСП-32, КСП-33, УПП-2, УПП-2М) позволяют проводить выработки сечением до 30 м2 и выше с разрушением пород прочностью свыше 6 ед. по шкале М.М. Протодьяконова с преодолением участков прочностью до 10-12 ед. Комбайны КСП-32, П-110 и П-220 соответствуют мировому уровню и позволяют резко повысить темпы проведения выработок [7]. По своим параметрам и техническим характеристикам комбайн П-110 конкурентоспособен, а по компоновочным решениям -превышает иностранные аналоги КН-22 и МК-2В (Великобритания), АМ-65 (Австрия), ЕТ-10 (Германия), которые используются в различных угледобывающих странах. Среди новейших базовых моделей можно выделить комбайны легкого класса - КПД, тяжелого класса - КПУ и комплекс КПА для выработок с анкерным креплением [5].
Основным направлением комплексной механизации очистных работ является внедрение механизированных комплексов (КМ87, КМ88, КМ103, КМС98, КМД80, КМД90) и расширение области их применения. В комплект оборудования комплекса входят узкозахватный комбайн, изгибающийся скребковый конвейер, гидродомкраты передвижения конвейера и индивидуальная металлическая крепь. Эффективная работа комплексов (особенно нового технического уровня) обеспечивается при нагрузке на забой 1000 т/сут. на пластах мощностью 1 м, 1500-2000 т/сут. - мощностью 1,5 м, 2000-3000 т/сут. - мощностью 2 м. Впрочем, меньше половины из введенных в эксплуатацию механизированных комплексов достигли указанных нагрузок, поскольку высокопроизводительная техника использовалась на неподготовленных к этому шахтах, где не были своевременно ликвидированы "узкие" места в технологических звеньях, особенно в работе транспорта и стационарного оборудования. Комплексы нового технического уровня дороже старых, однако они имеют значительно меньшие эксплуатационные расходы и большинство из них эксплуатируется в двух-трех забоях без подъема на поверхность для капремонта [3, 8].
В последние годы разработаны и освоены промышленностью более современные комплексы МКДД, МДМ, МДТ (предназначенные для угольных пластов мощностью 0,8-2,5 м и с углом падения до 35°) с расчетным ресурсом 15-40 тыс. часов (втрое большим, чем у предыдущих аналогов) и сроком службы без капитального ремонта не менее 8 лет при общем сроке эксплуатации до 15 лет. Очистной комбайновый комплекс МДМА предназначен для отработки пологих и наклонных пластов мощностью 0,85-1,5 м с боковыми породами до неустойчивых включительно. Некоторые типы комплексов имеют до 30 вариантов комплектации [7, 9].
В последнее время в Украине был разработан новый очистной комбайн УКД300 с повышенной в два-три раза надежностью приводов исполнительных органов, двумя механизмами бесцепной системы подачи, частотно-регулируемым электроприводом и современными системами управления, диагностики и контроля. Комбайн может работать на пластах с углом падения до 35°С при подвигании забоя по простиранию и до 10°С при подвигании по падению или восстанию [9]. Технические характеристики комбайна УКД300 в сравнении с традиционными конструкциями и двумя комбайнами производства Германии приведены в табл. 1.
Таблица 1. Технические характеристики узкозахватных угольных комбайнов
Параметры |
Марка комбайна |
||||||
УКД300 |
К103М |
1К101У |
1К101УД |
КЛ80 |
EDW-170LN |
EDW-300LN |
|
П роизводительность, т/мин |
4,0—10,0 |
2,0—3,2 |
до 2,6 |
2,7-4,5 |
2,2-3,3 |
|
|
Применимость по мощности пласта, м |
0,85-1,3 |
0,70-1,40 |
0,95-1,30 |
0,95-1,30 |
0,85-1,20 |
0,90-1,20 |
1,10-1,70 |
Суммарная мощность привода, кВт, в т.ч. — привода исполнительного органа |
360 2x150 |
290 2x90 |
110 |
290 180 |
290 180 |
170 170 |
335 300 |
Диаметр исполнительного органа, мм |
800; 900; |
710; |
800 |
800 |
950 |
750; |
1000 |
Номинальная ширина захвата, м |
0,7 |
0,8 |
0,63; 0,8 |
0,8 |
0,8 |
0,75 |
0,8 |
Максимальная скорость подачи, м/мин |
13 |
5 |
4,4 |
5 |
5 |
4,8/2,4 |
5,4/8,6 |
Максимальное тяговое усилие подачи, кН |
300 |
200 |
200 |
200 |
200 |
192/384 |
280/180 |
Длина по осям исполнительных органов, м |
6,7; 7,3 |
4,66 |
|
5,4 |
5,9 |
|
|
Высота корпуса в зоне крепи, мм |
620—720 |
420-636 |
740 |
740 |
520 |
605-800 |
740 |
Масса, т |
18,5 |
17,5 |
11 |
18,5 |
17,5 |
24 |
24 |
Многолетний отечественный и зарубежный опыт показывает [9], что одним из наиболее эффективных способов отработки тонких пластов является струговая выемка, состоящая в отделении угля от массива путем его скола (снятия стружки). Эта технология имеет следующие преимущества перед комбайновой выемкой:
- конструкция, принцип работы и компоновка позволяют работать без постоянного присутствия людей в забое.
Технические характеристики некоторых струговых и скрепероструговых установок приведены в табл. 2.
Таблица 2. Технические характеристики струговых и скрепероструговых установок
Параметры |
Новые струговые и скрепероструговые установки |
Серийные струговые и скрепероструговые установки |
||||||
УСТ26 |
УСМ3 |
УСТ30 |
УВТ |
УСТ2М |
СО75 |
УСТ4 |
УС3 |
|
Завод-изготовитель |
Красно-лучский машзавод |
Луганск-тепловоз |
Красно-лучский машзавод |
Луганск-угле-ремонт |
Харьковский завод |
Шахтин-ский маш-завод |
Горлов-ский машзавод |
Горлов-ский машзавод |
Мощность пласта, м |
0,55—1 |
0,55—1,2 |
0,55—1,2 |
0,4—0,8 |
0,55—1 |
0,6—1,2 |
0,55—1,2 |
0,4—0,8 |
Угол падения пласта, град. |
до 25 |
до 25 |
до 25 |
0—90 |
до 25 |
до 25 |
до 25 |
0—90 |
Сопротивляемость угля резанию, кН/м |
до 250 |
до 300 |
до 250 |
230 |
до 200 |
до 200 |
до 250 |
200 |
Мощность привода, кВт: |
2x110 2x110 |
2x160 |
2x160 |
1 x160 |
4x55 |
2x110 |
2x110 |
1x160 |
Скорость движения цепей, м/с: |
0,58;1,16 0,4;1,03 |
0,62; 1,55 |
0,58;1,16 |
1,75 |
0,65;1,48 0,54;1,07 |
0,71; 1,73 0,56; 1,38 |
0,58;1,3 |
1,62 |
Калибр: |
26x92 18x64 |
30x108 24x86 |
30x108 24x86 |
26x72 |
24x86 18x64 |
26x92 18x64 |
26x92 24x86 |
26x92 |
Тип цепи |
разнесенная |
сдвоенная |
разнесенная |
|
разнесенная |
разнесенная |
сдвоенная |
|
Ресурс до кап. ремонта, тыс. т |
500 |
650 |
800 |
200 |
200 |
250 |
600 |
150 |
Среднесуточная производительность, т |
480 |
650 |
750 |
150 |
320 |
550 |
650 |
120 |
Наибольший экономический эффект от внедрения струговой технологии благодаря улучшению сортности могут иметь шахты, добывающие антрациты. В то же время струговая технология выемки не рекомендуется к применению при наличии ложной или несамо-обрушающейся кровли, крепкого угля или крепких прослоев в зоне работы струга, а также при отработке пластов с высокой степенью выбро-соопасности. Поэтому область применения струговой выемки составляет не более 20% от общего числа пластов мощностью до 1,6 м. В последнее время промышленностью освоен очистной струговый комплекс МДМС, разработанный Донгипроуг-лемаш'ем, для механизированной выемки угля в пластах мощностью 0,85-1,35 м при длине лавы до 300 м.
Вместе с тем способ имеет и недостатки: большие потери угля, сильное его измельчение, во многих случаях необходимость предварительного рыхления пласта и др.
Возможности и перспективы использования техники и технологии добычи угля на больших глубинах, применяемые в настоящее время, нуждаются в глубоком анализе и переосмыслении с целью существенного изменения ситуации в отрасли. Одним из возможных альтернативных решений может быть переход на более эффективные нетрадиционные геотехнологические способы отработки угольных месторождений (подземная газификация, гидрогенизация, пластификация, гидродобыча с помощью скважин) с земной поверхности или из действующих горизонтов глубоких шахт.
Геотехнологические (бесшахтные) способы добычи основаны на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние посредством осуществления на месте его залегания тепловых, массообменных, химических или гидродинамических процессов. В настоящее время применяются три вида геотехнологических способов добычи угля: подземная газификация; прямое получение электроэнергии из химической энергии угля в недрах; перевод угля в недрах в подвижное состояние и извлечение его на поверхность через скважины.
Подземная газификация угля в естественном залегании представляет собой термохимический процесс превращения угля в горючий газ, пригодный для энергетических или технологических целей. Эта технология может стать одним из наиболее действенных и экологически чистых способов добычи [21], однако она имеет и серьезные недостатки: высокие потери энергии в недрах (более 30% тепла расходуется на разогрев пород); низкая теплота сгорания получаемого газа (3-5 МДж/нм3 на воздушном дутье); трудности управления процессом горения и, как следствие, нестабильные характеристики извлекаемого газа.
В последнее время ОАО «Промгаз» (Россия) разработаны новые технологические приемы и технические решения, позволяющие:
Недостатки способа подземной газификации диктуют необходимость разработки альтернативной технологии подземной термохимической переработки угля. Подобная технология была разработана в 2004-2006 гг. Донбасским государственным техническим университетом [22, 23]. Ее основным моментом является управление процессами горения и теплообмена при переработке угля на месте залегания.
Участок пласта оконтуривают выработками, формируя заданные размеры энергетического блока (ЭБ). Из этих выработок в почву пласта пробуривают скважины, в которых размещают стальные трубы, связанные с входной и выходной магистралями. С поверхности к ЭБ бурят воздухоподающую и газоотводящую скважины, сопряженные с каналами в пласте. В подземной камере располагаются электрогенерирующие агрегаты. Тепло, выделяющееся при горении (газификации) угля в ЭБ, расходуется на нагрев воды в стальных трубах, которая и обеспечивает работу электрогенерирующих агрегатов (например, модульных геотермальных агрегатов «Туман-2», работающих на воде с температурой ~200°С).
Расчеты показывают, что при размерах ЭБ 300x100 м и мощности пласта 0,8 м дополнительно к продуктам газификации можно получить до 30 млн. кВт-ч электроэнергии. Существенным достоинством этой технологии является также повышение теплотворной способности горючего газа, т.к. в замкнутом блоке возможно эффективное регулирование параметров процесса газификации (температуры, давления, скорости подачи дутья и т. д.) [23].
Еще один перспективный геотехнологический способ выемки - это скважинная гидродобыча угля, т.е. превращение угля на месте залегания в гидросмесь и ее откачка на поверхность. Гидросмесь можно откачивать эрлифтом, гидроэлеватором, погружным насосом и т.д.