Разработка научно-методического обеспечения формирования стратегии устойчивого развития горнотехнических систем угольных шахт

Характерной особенностью состояния угольной отрасли и задач научных исследований является их нетрадиционность, кардинальные перемены в содержании их, значимости и роли. В историческом плане еще не так давно (вплоть до 80-х годов) понятной и доминирующей чертой развития общественного производства страны (в том числе и угольной промышленности) наряду с неуклонным ростом его объема являлся ускоренный темп развития техники и технологии, улучшения качества продукции и снижения общественно необходимого труда на производство единицы продукции, несмотря на значительные изменения в структуре топливно-энергетического баланса страны в пользу нефти и газа (доля угля в 35%), предусматривалось и поддерживалось весьма значительное наращивание мощности угольной отрасли.

Планировалось ввести в эксплуатацию значительное количество мощных шахт и карьеров, реконструировать и перевооружить многие действующие предприятия.

Так, в 80-е годы более 40% (344 единицы) шахт предстояло реконструировать и вывести их на уровень конкурентоспособных. Огромное значение придавалось разработке научного обоснования перспективного плана оптимального развития угольных бассейнов на базе стратегически выверенной структуры топливно-энергетического баланса страны, предусматривающей (кстати) повышение участия в общей добыче наиболее перспективных восточных бассейнов и месторождений.

В, частности, намечалось освоение для подземной и открытой разработки крупного месторождения коксующихся углей в Ерунаковском районе Кузбасса, оправдывал свою роль Нерюнгрийский карьер, анализировались огромные запасы месторождения «Эльга».

Используя фундаментальные труды основоположников горной науки проф. Бокия Б. И., акад. Шевякова Л. Д., акад. Скочинского A.A., акад. Терпигорева A.M., акад. Агошина М. И., акад. Мельникова Н. В., акад. Ржевского В. В., акад. Попова A.C., акад. Байконурова O.A., проф. Борисова Д. Ф., проф. Кузнецова К. К., целое поколение крупных ученых: проф. Бурчаков A.C., проф. Курносов A.M., проф. Квон С. С., проф. Рогов Е. И., проф. Капустин H.H., чл.-корр. РАН Пучков JI.A., проф. Устинов М. И., проф. Митейко А. И., проф. Иванов Н. И., проф. Астахов A.C., проф. Петренко Е. В., проф. Малкин A.C., проф. Харченко В. А., проф. Воробьев Б. М., проф. Еремеев В. М., проф. Килячков А. П. и др. работали над сложнейшими проблемами проектирования шахт, решая задачи оптимизации, теории принятия сложных решений.

Разрабатывая научные основы создания «Шахты будущего», ученые подготовили целый ряд расчетных, оптимизационных, принципиально новых методов и методик: поэтапный подход к проектированию строительства и реконструкции шахт (проф. Бурчаков A.C., проф. Авдулов П. В. проф. Воробьев Б. М., проф. Малкин A.C., к.т.н. Грунь В. Д. и др.) — методика интегральной оценки качества проектов (проф. Малкин A.C., проф. Харченко В. А., к.т.н. Тучков E.H., к.т.н. Астров-Шумилов Г. К., к.т.н. Агафонов В.В.) — методика расчета системы вентиляции в условиях интенсивной выемки запасов (чл.-корр. РАН Пучков JI.A., проф. Ушаков К.З.).

В последние десять лет состояние шахтного фонда и научные задачи изменились кардинально.

Ухудшилась технологическая и социально-экономическая инфраструктура шахт, полностью нарушилась экономика угольной отрасли в целом. Государство не нашло другого приемлемого для угольной промышленности решения, как объявить реструктуризацию предприятий. К сожалению, реструктуризация (обновление) угольной промышленности в целом «выродилась» в процедуру закрытия шахт. Массовое закрытие шахт вызвало необходимость решения новых научных, проектных и производственных задач.

Прежде всего, возникла проблема объективной всесторонней оценки технологических систем угольных шахт и шахтного фонда в целом.

Большую долю научных, проектных, производственных задач решали и продолжают решать акад. Трубецкой К. С., чл.-корр. Каплунов Д. Р. проф. Зайденварг В. Е., проф. Малышев Ю. Н., проф. Ковальчук А. Б., проф. Фрянов В. Н., проф. Ломоносов Г. Г., д.т.н. Саламатин А. Г., д.т.н. Диколенко Е. Я., проф. Малкин A.C., проф. Резниченко С. С., проф. Краснянский Г. А., проф. Харченко В. А., чл.-корр. РАН Пучков Л. А., чл.- корр. РАН Рубан A.B., проф. Ганицкий В. И., проф. Истомин В. В., проф. Казикаев Д. М., проф. Кузнецов Ю. Н., проф. Постников В. И., проф. Красников Ю. Д., проф. Петросов A.A., проф. Борисович В. Т., проф. Васючков Ю. Ф., проф. Пономарев В. П., проф. Некрасов В. В., к.т.н. Балашов И. Б., д.э.н. Яновский А. Б., к.т.н. Носенко В. Д., проф. Сластунов C.B. и Др.

Практика реформирования угольной отрасли вызвала необходимость срочного осмысления причин и динамики старения технологического и технического уровня шахт, разработки методики ранжирования и группирования шахт по стратегическим направлениям развития их технологических систем, обоснования и реализации технологических решений поддержания технологии шахт на прогрессивном и экономичном уровне.

Новый комплекс сложных задач возник в связи с проявлением геофизических, геохимических, геодинамических процессов, оказывающих негативное экологическое воздействие на окружающую среду при закрытии шахт.

Одновременно стало актуально и необходимо обеспечить нагружение технологических систем шахт, имеющих резервы по пропускным способностям транспорта-подъема и вентиляции.

Чрезмерное падение всего производственного потенциала страны поставило угольные шахты в трудное положение. Вместе с ухудшением горногеологических условий, отсутствием должного финансирования, бесконечный рост цен на транспортные перевозки, оборудование и материалы поставили шахты в экономически трудное положение.

В современный период развития шахтного фонда угольных компаний России следует вести поиск самых эффективных решений поддержания достигнутого уровня перспективных шахт, использования всех природных и технологических ресурсных потенциалов. Необходимо реально и полнее осваивать помимо основных полезных свойств, созданный объем подземного пространства. Новые взгляды на минеральное содержание угольных месторождений, на ресурсный потенциал действующих шахт необходимо формировать до закрытия шахт, при постепенном затухании горных работ. Для этого под новым углом зрения анализируются и оцениваются угольные запасы, экономичность их более полной разработки, моделируется подземное пространство.

Часть задач единого научного потенциала по комплексному использованию полезных компонентов угольных месторождений и шахт нашли свое решение. Эти задачи по своему содержанию оказались далеки от традиционных, для их решения потребовались новые оригинальные методики, методы, подходы. Выполненная диссертация в основном посвящена решению указанных научных и практических задач.

Выводы.

1. Обострение технологических и социально-экономических проблем в угольной промышленности послужило мощным толчком для изыскания и вовлечения значительных, в том числе и нетрадиционных ресурсов и источников повышения эффективности работы шахт. В качестве базового решения, позволяющего эффективно реализовать ряд некапиталоемких вариантов совершенствования технологии разработки угольных пластов, выдвинут обратный порядок ведения горных работ в шахтном поле как по отношению к простиранию, так и по отношению к падению угольных пластов.

2. Для объективного обоснования выгодности перехода на обратный порядок отработки шахтного поля разработаны аналитические модели горных работ, в основу которых были заложены новые натуральные показатели, отражающие назначение схем вскрытия, подготовки и отработки запасов шахтных полей. Основными элементами математической модели технологической схемы шахты в этом случае выступают объемы горных работ по проведению и поддержанию горных выработок, а также на транспортирование грузов.

3. Использование интегральных количественных функционалов по оценке вариантов порядка отработки шахтных полей (прямой, обратный, смешанный) убедительно доказало специфические преимущества обратного порядка отработки и прежде всего секционирования горных работ и создания более безопасных условий разработки газоносных и удароопасных угольных пластов и позволило численно обосновать преимущества обратного хода отработки запасов,.

4. Одним из способов существенного увеличения срока службы горизонта является обязательная отработка на каждом из них бремсбергового и бесступенчатого уклонного полей длиной по падению до 2000 м. Это позволяет довести срок службы горизонта до 25−30 лет и обеспечить гораздо больший резерв времени для вскрытия и подготовки новых горизонтов.

5. Анализ результатов оптимизационных расчетов с использованием критерия оптимальности ЧДД (ЫРУ) показал, что наиболее прогрессивными, надежными и экономичными для шахт индивидуального типа являются схемы вскрытия шахтных полей, основанные на применении центрально-сдвоенных стволов (с проходкой их до отметки первого горизонта в период строительства шахты и углубляемых по мере развития горных работ до отметки следующего нового капитального горизонта), отнесенными вентиляционными.

316 воздухоподающими) стволами и погоризонтными квершлагами с отработкой на каждом горизонте бремсбергового и уклонного бесступенчатого полей и с проходкой центрально-сдвоенных стволов сразу до конечной отметки ведения горных работ.

6. Наименее эффективным оказывается применение вариантов вскрытия шахтных полей с организацией одного подъемного горизонта (центрально-удвоенные стволы с проходкой их сразу до отметки конечного горизонта, отнесенные вентиляционные (воздухоподающие) стволы, капитальные квершлаги с использованием вспомогательных наклонных квершлагов).

7. Установление геомеханической и организационно-технической возможности извлечения запасов угля, отнесенных ранее к потерям по мощности (на мопщых пластах) и по площади (на пластах любой мощности), позволило поставить задачу оптимизации параметров технологии с позиции экономического критерия, предусматривающему сопоставление затрат на выемку целиков на конкретной шахте с суммарными (замыкающими) затратами, в данном регионе на добычу угля данной марки, данного качества, поставляемого конкретным потребителям и др.

8. Оставление предохранительных целиков больших размеров, чем необходимо по геомеханическим требованиям, предопределяет техническую и экономическую целесообразность их последующей выемки. Целики, оставляемые между основными наклонными выработками, сохранившими свое функциональное назначение, как правило, выгодно отрабатывать даже при обычных размерах, если себестоимость добычи на шахте ниже региональных замыкающих затрат.

9. Россия располагает достаточным объемом подземного технологического пространства, находящегося в разнообразных геологических условиях и характеризующихся многообразием физико-механических, пространственных свойств. Проведенная инвентаризация технологического подземного пространства шахт и рудников показала, что широкая гамма существующих видов производственных отходов (шлаки, зола, порода, остатки от переработки бытовых и строительных отходов и пр.) могут быть надежно размещены под землей без осуществления специальной подготовки вмещающего массива.

10. Освоенные в научном и промышленном плане способы воздействия на массив пород, окружаюнщх горные выработки (инъекция твердеющих и вяжущих смесей), делают возможным размещать в подземном технологическом пространстве отходы различной степени вредности.

Заключение

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технологические решения по повышению уровней прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ на базе реализации стратегических направлений поэтапного развития технологических систем угольных шахт и шахтного фонда, имеющих важное значение для теории и практики проектирования горнодобывающих предприятий.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. В результате анализа теоретических предпосылок, причинно-следственных связей, практики структурной и технологической перестройки технологических систем действующих угольных шахт установлено, что среди основных факторов, предопределивших начало процесса реформирования угольной отрасли, особое место в теоретическом плане отводится игнорированию поэтапности обновления и развития шахтного фонда, поэтапного подхода к проектированию параметров шахт, поэтапного инвестирования и развития горных работ, технического перевооружения и модернизации.

2. В ходе исследований установлено, что одним из решающих принципов проведения реформирования технологических систем явился необоснованный подход к закрытию шахт в силу отсутствия общеметодологических основ, нормативной базы и проверенных типовых решений, позволяющих количественно обосновать процедуру их закрытия, что подтверждается примерами реанимации и возвращения в действуюнщй шахтный фонд ряда шахт, закрытых во время реструктуризации.

3. Показано, что теоретической основой принятия стратегических решений по повышению уровней прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ должны служить методы квалиметрической интегральной оценки, позволяющее объективно ранжировать шахты по технологичности условий разработки, эффективности результатов работы, техническому уровню схем вскрытия и подготовки, основных технологических подсистем, уровню научно-технического прогресса и экологического состояния с последующим группированием их по стратегическим направлениям поэтапного развития технологических систем.

4. На базе методов квалиметрии и теории принятия сложных решений разработаны концепция, механизм и принципы интегральной оценки технологических систем угольных шахт и шахтного фонда, обоснованы комплексы точных показателей-критериев оценки природных, технологических, социальных условий работы шахт, технологического и экономического ресурсного потенциалов, технического уровня схем вскрытия и подготовки, основных технологических подсистем, научно-технического прогресса и экологического состояния, обеспечивающие соответствующую надежность, объективность и достоверность.

5. Осуществлена интегральная оценка шахтного фонда угольных компаний России, результаты которой позволили разработать основные стратегические направления их форм развития (поддержание мощности на достигнутом уровне, техническое перевооружение и модернизация, реконструкция, закрытие и консервация) и сгруппировать шахты по целевой направленности стратегии.

6. В условиях перманентного выбывания убыточных шахт необходимо восполнять потерю добычи соответствующим нагружением перспективных, причем пределы такого нагружения зависят от большого количества горногеологических, технологических и экономических факторов, учет которых обеспечивается путем применения разработанного современного метода расчета мопщости шахты и процедуры принятия рациональных решений в условиях риска. Оригинальность и достоинство предложенной аналитической модели для решения поставленной программой исследований задачи состоит в том, что она адекватно отражает влияние основных горно-геологических условий и технического оснащения очистных забоев шахт с известной долей неопределенности и неоднозначности исходных данных.

7. Разработан комплекс научно-обоснованных прогрессивных структурно-технологических решений по повышению эффективности функционирования технологических систем угольных шахт в конкурентной среде. В качестве эффективных резервов повышения конкурентоспособности и инвестиционной привлекательности действующих шахт обоснованы технологические схемы отработки запасов шахтных полей обратным ходом, технологические решения в области вскрытия новых горизонтов, обеспечивающих увеличение сроков службы и сокращение сроков их строительства, технологические схемы оставления и последующего извлечения охранных и предохранительных целиков, технологические схемы использования подземного пространства шахт для размещения отходов производства и устранения экологически негативных последствий,.

8. Сформулирована и разработана стратегическая концепция развития шахтного фонда угольных компаний России, основанная на стремлении повышения доли угля в ТЭ балансе, соответствующего финансирования, а также использованию решений по повышению конкурентоспособности добычи и потребления угля. Доказано, что современное структурное, ресурсное, технологическое и экономическое состояние технологических систем угольных шахт и шахтного фонда требует необходимости поиска и использования нетрадиционных структурно-технологических решений для повышения конкурентоспособности и инвестиционной привлекательности в условиях рыночной экономики.