Основные инновационные решения в области технического перевооружения предприятий угольной промышленности Казахстана

В статье обосновываются основные направления использования современных инновационных решений и модернизации горного оборудования. Анализируется эффективность применения очистного оборудования на угольных шахтах Карагандинского бассейна. Раскрываются технико-экономические возможности и преимущества новой технологии подземной добычи угля крупными блоками. Уделяется особое внимание изучению состояния рынка наиболее востребованного оборудования для открытых горных работ. Рассматривается эффективность внедрения безлюдной технологии при ведении открытых горных работ на угольных разрезах, которые бы обеспечили минимальное присутствие людей непосредственно в забоях.

Приоритетные направления в области применения современных инновационных решений и модернизации горных машин и оборудования

В последние годы угольная промышленность Республики Казахстан (РК) сталкивается c системными ограничениями интенсивного роста производства, основными из которых являются:

• недостаточные мощности предприятий угольного машиностроения;
• необходимость воспроизводства новой горной техники на уровне, обеспечивающем инновационное развитие отрасли.

Во многих случаях используемое оборудование по параметрам энерговооруженности и производительности не позволяет отечественнымугледобывающим предприятиям «выходить» даже на проектную мощность. Более того, отечественное оборудование не всегда возможно использовать в сложных горно-геологических условиях отработки запасов угля. Подобное отставание не только негативно сказывается на экономике угольных компаний, но и тормозит их техническое перевооружение.

В сложившихся условиях основные инновационные решения в области технического перевооружения угольных предприятий Казахстана предусматривают создание и внедрение современного инновационного отечественного оборудования, а при его отсутствии - приобретение импортного.

Как полагают специалисты [1; 14], инновационные решения, используе-мые импортными производителями горных машин и оборудования, направлены на:

• повышение управляемости, маневренности и проходимости - для экскаваторов и технологического транспорта разрезов;
• создание комфортной обстановки для машиниста (кондиционирование и обогрев кабины, удобное место машиниста, повышение эргономики) - для экскаваторов и прочего транспорта;
• повышение уровня роботизации и автоматизации, в том числе управление бортовым компьютером, а также возможность удаленного управления - для надземного транспорта, очистных и проходческих комбайнов, шахтных электровозов, конвейеров и др;
• оснащение системами навигации - для экскаваторов и технологического транспорта разрезов;
• увеличение надежности и достижение более высокой производительности - для очистных и проходческих комбайнов, бурильных установок, технологического транспорта, в том числе для самосвалов - увеличение грузоподъемности, для экскаваторов - увеличение объема ковша.

Приоритетные направления в области использования современных инновационных решений и модернизации горного оборудования отражены на рис. 1.

Помимо этого, перспективным направлением в развитии оборудования является массовое применение композиционных материалов, а также использование вместо гидравлического регулирования высокочастотного регулирования в кинематических процессах используемого оборудования.

Применение высокочастотного регулирования приведет к повышению энергоэффективности оборудования.

Анализ эффективности применения очистного оборудования на угольных шахтах

При подземной угледобыче технология очистных работ во многом определяет уровень безопасности и эффективности отработки угольных пластов. Поэтому сейчас делается ставка на концентрацию очистных работ за счет внедрения более надежной и высокопроизводительной горной техники, включая механизированные комплексы третьего поколения и импортные.

В последние годы на шахтах Угольного департамента (УД) АО «АрселорМиттал Темиртау» широкое применение нашли механизированные комплексы зарубежных фирм. В табл. 1 приведены фактические данные о среднесуточной добыче угля из лав, оборудованных различными типа комбайнов зарубежного производства.

Анализируя приведенные в табл. 1 данные, видим, что в среднем по условиям эксплуатации среднесуточная нагрузка на забой по лавам, оборудованным комбайнами зарубежного производства, в 1,6 раза выше по сравнению с комбайнами украинского производства ив 1,2 раза по сравнению с комбайнами российского производства.

Сравнивая комбайны производства России и Украины, видим, что среднесуточная производительность лав, оборудованных первыми, в 1,34 раза выше, чем вторыми.

В настоящее время компания Cat Global Mining (США) занимает лидирующую позицию на рынке горной техники для подземных работ, перекрывая большинство позиций по номенклатуре горношахтного оборудования (табл. 2).

Известно, что подземная добыча угля в РК относится к числу наиболее опасных для жизни и наиболее вредных для здоровья человека среди других отраслей промышленности. Закрытие ряда шахт Карагандинского бассейна, опасных по травматизму и низкоэффективных, не позволило в значительной мере повысить безопасность работ по подземной добыче угля.

Таблица 2

Основные мировые производители и номенклатура оборудования для подземных горных работ

Кроме того, одним из основных недостатков комплексной механизации очистных работ на шахтах УД АО «АрселорМиттал Темиртау» является небоснованное разнообразие типов и типоразмеров машин. Это исключает для большей части оборудования качественное и квалифицированное сервисное обслуживание и снижает надежность работы, повышая затраты на техобслуживание и ремонт, создавая опасность возникновения пожара или взрыва.

Между тем дальнейшее наращивание объемов добычи угля и снижение его себестоимости немыслимы без технического и технологического перевооружения угольных шахт. Для этого необходима стратегия ускорения научно-технического прогресса угольной промышленности. В ее основе должны стоять прорывные технологии и новейшие достижения мировой науки в создании горного оборудования. Последнее жизненно необходимо для повышения конкурентоспособности угля перед нефтью и газом.

В будущем применительно к очистному оборудованию создание безопасных условий должно быть связано, в первую очередь, с обеспечением высокой надежности работы машин очистного комплекса и электрооборудования за счет высокого уровня качества разработки, изготовления, технического обслуживания и сервиса.

Основными условиями обеспечения безопасности подземной добычи угля, эффективности применения очистного оборудования на отечественных угольных шахтах могут стать:

• выпуск и комплектная поставка оборудования шахтам, включая поставку комплексов одним поставщиком, при его полной ответственности за качество изготовления и квалифицированную увязку этого оборудования;
• шеф-монтаж этого оборудования поставщиком и его пуск со сдачей «под ключ» потребителю, сервисное обслуживание при его эксплуатации, а также проведение ремонта этого оборудования;
• организация работ по проведению дегазации шахт, которая является профилактической мерой защиты от взрывов и пожаров;
• повышение уровня зарплаты горнорабочим для создания заинтересованности в сохранении своего рабочего места за счет высокой дисциплины труда и обеспечения правил и требований безопасности ведения горных работ;
• снижение численности занятых на подземных работах за счет создания высокопроизводительной техники нового поколения, максимально соответствующей условиям эксплуатации на шахтах страны.

В перспективе нужно восстановить в Казахстане производство современных отечественных крепей и очистных комплексов на их базе. Это позволит, по нашему мнению, приостановить захват рынка страны по очистному оборудованию дорогой западной техникой.

Технико-экономические преимущества новой технологии подземной добычи угля крупными блоками

В работах [4–5] описывается суть новой технологии добычи угля крупными блоками, позволяющая достигать производительности очистными забоями на порядок выше, чем при комбайновой выемке без нарушений ПБ по угольной пыли и газу. Высокая производительность достигается не за счет больших скоростей подачи комбайнов, а путем увеличения шага подвигания забоя за цикл. При этой технологии в лаве не используются комбайны и скребковые конвейеры, а на транспортной выработке не используются ленточные конвейеры. Расчетами установлено, что при такой технологии производительность очистного забоя возрастает десятикратно. Происходит значительное удешевление угледобычи. Исключается возможность загазирования горных выработок и взрывов газа метана. Создается возможность достижения норм ПДК по угольной пыли согласно ПБ в очистной и примыкающих выработках. Производительность труда рабочего по добыче превышает лучшие мировые показатели, достигая 3000 т/мес. Производительность очистных забоев достигает 70-80 тыс. т/сут.

Это становится возможным по следующим причинам:

• при добыче угля крупными блоками объем разрушаемого угля по сравнению с комбайновой добычей уменьшается в 13,3 раза;
• подвигание лавы за цикл при добыче угля крупными блоками составляет 2,8 м, что в 3,5 раза больше по сравнению с шириной захвата (0,8 м) зарубежных угледобывающих комбайнов;
• производительность лавного пластинчатого конвейера при добыче угля блоками равна 114 т/мин., что в 9,5 раз больше, чем производительность скребкового конвейера, например СПЦ —271 (12 т/мин.);
• производительность поперечной углережущей машины, определяю-щей производительность очистного забоя, при добыче угля блоками составляет 87 т/мин. в пересчете на добычу;
• продолжительность погрузки одного угольного блока в спецвагонетку составляет 6 с; число блоков загружаемых за минуту — не менее 7, поэтому производительность погрузки составит 12,4 т х 7 = 87 т/мин.

Технология подземной добычи угля крупными блоками позволяет [6; 20]:

а) попутно без дополнительных затрат извлекать для целей утилизации до 90% метана, содержащегося в угольных пластах; это ориентировочно дает 20 куб. м/т х 0,9 х 26 млн. т/год = 0,47 млрд. куб. м метана в год, где 20 куб. м/т — газоносность пласта; 0,9 — коэффициент извлечения метана; 26 млн. т в год — годовая добыча угля шахтой; важно также учитывать удобство и дешевизну его получения, так как полмиллиарда куб. м метана шахта получит через одну скважину, пробуренную в районе ее промплощадки в дробильную камеру; скважина будет интенсивно выдавать метан, пока не будет отработан весь этаж шахтного поля с размерами по простиранию 8-10 км и по падению до 400 м; поступление метана через скважину при этом хорошо управляемо, поскольку интенсивность его поступления прямо пропорциональна интенсивности подземной угледобычи в шахте;

б) отказаться от закупки зарубежных комбайнов, скребковых и ленточных конвейеров;

в) поднять производительность труда рабочего по добыче на самый высокий в мире уровень до 3000 т/мес.;

г) ликвидировать запыленность в очистной и примыкающих к ней горных выработках, выйти на нормы ПДК по угольной пыли согласно ПБ.

Как отмечается в работе [6; 22], применение технологии подземной добычи угля крупными блоками создает возможность уменьшить себестоимость подземной добычи 1 т угля до 4-5 долл. США. Это позволяет максимально уменьшить стоимость тепла, получаемого из угля для нужд энергетики Казахстана, а также получить большие конкурентные преимущества на мировом топливном рынке.

Состояние рынка наиболее востребованного оборудования для открытых горных работ

Дальнейшее развитие угольных разрезов в Казахстане должно сопровождаться увеличением их среднегодовой производственной мощности, что не может быть осуществлено без коренного обновления существующего парка горнодобывающей техники, в первую очередь за счет внедрения в эксплуатацию более мощного выемочно-транспортного, бурового и вспомогательного карьерного оборудования.

Анализ рынка карьерной техники позволяет отметить наличие большого количества практически равноценных ее производителей, что обеспечивает, как правило, высокое качество продукции и конкурентно обоснованный уровень цен.

По мнению автора статьи [3; 54], на сегодняшний день наиболее популярные и востребованные в мире поставщики горного оборудования для открытых работ следующие:

• - бульдозеры, скреперы и грейдеры (Caterpillar, Komatsu, Volvo, ЧЕТРА, ЧТЗ-УРАЛТРАК);
• буровые станки для открытых работ (Caterpillar, Р&Н, Sandvik, Atlas Сорсо, Schramm);
• драглайны (Caterpillar, Р&Н, Уралмаш, НКМЗ);
• гидравлические одноковшовые экскаваторы (Caterpillar, Komatsu, Hitachi, Liebherr);
• канатные карьерные одноковшовые экскаваторы (P&H, Caterpillar, TZ (Taiyuan Heavy Industry), H3-KΛPTEKC, Уралмаш);
• карьерные самосвалы (Caterpillar, Komatsu, Hitachi, Liebherr, БЕЛАЗ, Volvo);
• колесные погрузчики (Caterpillar, P&H, Komatsu, Volvo);
• ленточные конвейеры (Caterpillar, Joy, Sandvik, Thyssen-Krupp Fordertechnik, Tenova TΛKRΛF);
• фрезерные комбайны (Caterpillar, Wirtgen, Vermeer, Tenova TΛKRΛF);
• комбайны типа «Highwall» для выемки угля из под высоких забоев (Caterpillar).

Усложняющиеся природно-климатические условия разработки месторождений открытым способом и ведение добычи на больших глубинах требуют от разработчиков и производителей горного оборудования создания надежной и высокоэффективной техники высокой единичной мощности, обеспечивающей высокую производительность при малых удельных затратах.

Необходимость создания мощной мобильной выемочно-погрузочной техники предопределила в последние 20-25 лет бурное развитие конструкции и рост объемов производства карьерных гидравлических экскаваторов. Широкое внедрение гидравлических экскаваторов в технологии открытой добычи полезных ископаемых связано с целым рядом ее очевидных технологических преимуществ перед канатными электрическими экскаваторами [7; 32]:

1. Автономный дизельный привод дает большую мобильность и независимость от внешних источников питания, обеспечивает более высокие скорости передвижения экскаватора.
2. Конструкция рабочего оборудования обеспечивает более широкую область траектории копания, что позволяет эффективно вести селективную выемку при разработке сложноструктурных залежей и экскавацию горной массы ниже уровня стояния экскаватора.
3. При одинаковой вместимости ковша гидравлические экскаваторы обладают практически в 2 раза меньшей эксплуатационной массой и на 30-40% меньшим удельным давлением на грунт, что позволяет использовать экскаваторы на слабонесущих грунтах.
4. Гидравлические экскаваторы отличаются повышенными энергосиловыми показателями и способны создавать большие усилия резания уже в начале фазы черпания ковша, что создает наилучшие возможности по его внедрению в поверхность забоя и заполнению.
5. Конструкция гидравлических экскаваторов позволяет предлагать заказчику модели в комплектации с дизельным или электрическим приводом.

Гидравлические экскаваторы получают все большее распространение в мировой и казахстанской горной промышленности.

Современный рынок карьерных гидравлических экскаваторов контролируют четыре мировых лидера: Caterpillar (США), Komatsu и Hitachi (Япония), Liebherr (Германия). Серийно выпускаемые ими карьерные гидравлические экскаваторы оснащаются ковшами вместимостью от 4,5 до 45 м³. Компания Caterpillar уже разработала модель Cat-6120B с ковшом вместимостью 46-65 м³ [7; 33].

Особенно экскаваторы и самосвалы под брендом HITACHI показали себя в мире как надежное и высокопроизводительное оборудование. Достигнутый уровень продаж в мире экскаваторов Hitachi класса Mining эксплуатационной массы от 200 до 800 т составляет более 40% [8; 31].

Модельный ряд экскаваторов на дизельном и электрическом приводе с рабочим оборудованием типа прямая и обратная лопата представлен серией ЕХ-6, который обеспечивает эффективную работу в любых горнотехнических условиях и климатических зонах.

На территории Казахстана многие недропользователи эффективно эксплуатируют выемочно-транспортные комплексы на основе экскаватора ЕХ3600 - 6 LD и самосвала EH3500ACII (табл. 3).

Таблица 3

Условия применения в Казахстане экскаваторов и самосвалов HITACHI

Рыночные тенденции последних лет, а также спрос, проявляемый со стороны горных предприятий, показывают, что в настоящее время наиболее востребованным и перспективным оборудованием при ведении горных работ открытым способом в Казахстане и СНГ являются экскаваторы с объемом ковша 20-25 куб. м.

В продуктовой линейке ИЗ-КАРТЭКС (Россия) этот класс экскаваторов представлен моделями ЭКГ-18Р/20К и ЭКГ-18РМ/20КМ,которые являются современными высокотехнологичными экскаваторами, отвечающими всем современным требованиям эргономики и безопасности горного производства. Технические характеристики экскаваторов ЭКГ- 18Р/20К и ЭКГ-18РМ/20КМ позволяют им успешно конкурировать с электрическими и гидравлическими экскаваторами зарубежного производства с полезной нагрузкой в ковше (англ. — payload) 40-45 т [9; 75].

Анализ достигнутых показателей и интерес, проявляемый со стороны угольных разрезов Казахстана, позволяют сделать вывод, что экскаваторы класса 20-25 куб. м производства ИЗ-КАРТЭКС являются современным производительным оборудованием, удовлетворяющим всем требованиям рынка и горной промышленности.

Проблемы внедрения безлюдной технологии при ведении открытых горных работ

В последние годы добыча полезных ископаемых ведется во все более усложняющихся горно-геологических условиях: углубление карьеров (разрезов), вследствие чего борта их становятся круче; сложные климатические условия - все это существенно затрудняет присутствие человека в зоне ведения горных работ.

Одним из возможных путей решения вышеназванных проблем может стать внедрение безлюдной технологии при ведении открытых горных работ, которые бы обеспечили минимальное присутствие людей непосредственно в забоях.

В настоящее время в ведущих горнодобывающих предприятиях наметилась тенденция создания и внедрения в рабочей зоне карьера дистанционно-управляемой техники и систем автономных грузоперевозок на основе роботизированных самосвалов. Система автономных грузоперевозок снижает влияние человека на режим управления самосвалом, обеспечивает не только движение по технологической дороге между пунктами загрузки и разгрузки, но и маневрирование в местах разгрузки. Внедрение системы позволяет существенно повысить производительность горнотранспортного комплекса, сократить расходы на техобслуживание, уменьшить энергозатраты. Роботизированные самосвалы уже успешно эксплуатируются в горнодобывающих компаниях Чили и Австралии. По оценкам зарубежных экспертов, автоматизированное управление работой автотранспорта позволяет повысить его производительность более чем на 20 % [10; 8].

Сегодня мировым лидером в разработке и внедрении роботизированных самосвалов является компания Komatsu. Другой ведущий мировой производитель карьерной техники - компания Caterpillar - в настоящее время ведет активные работы по созданию автономной системы грузоперевозок при проведении горных работ. В сентябре 2012 г. японская компания Hitachi также объявила о планах разработки системы автономных грузоперевозок полного технологического цикла к 2017 г., наоснове карьерных самосвалов Hitachi с электроприводом переменного тока.

Анализ реализованных проектов роботизированных карьерных самосвалов ведущих мировых производителей позволяет выделить общую архитектуру программного обеспечения, которая в общем виде состоит из следующих операций [10; 8]:

• получение и обработка данных с датчиков;
• объединение и согласование полученных данных;
• обработка изображений;
• определение характеристик препятствий, дорожных условий и транспортных средств в направлении движения;
• определение характеристик дорожного полотна;
• построение цифровой карты;
• позиционирование самосвала и определение текущего состояния системы;
• принятие решений;
• управление исполнительными устройствами и системами;
• ведение журнала полученных данных для последующего их анализа.

В системах управления роботизированных карьерных самосвалов программное обеспечение имеет два уровня: нижний, который отвечает за взаимодействие с датчиками и исполнительными устройствами; верхний - отвечает непосредственно за реализацию алгоритма управления машиной.

В будущем для обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции горнодобывающей отрасли, предприятия вынуждены искать пути повышения эффективности производства, в том числе и на основе мирового опыта внедрения безлюдных технологий открытых горных работ с применением роботизированной карьерной техники.

Причем следующим шагом в автоматизации и повышении производителыюсти горных работ должно стать внедрение роботизированных систем управления всем горнотранспортным комплексом, включающим погрузочную технику (экскаваторы, одноковшовые погрузчики), а также другое технологическое оборудование (бульдозеры, буровые станки, грейдеры, вспомогательный транспорт). Полная автоматизация открытых горных работ станет фактической реализацией концепции «Интеллектуального карьера».

ЛИТЕРАТУРА

1. Плакиткина Л. С., Дьяченко К. И. Инновационное оборудование в угольной промышленности: современное состояние и перспективы развития // Горная промышленность. - 2015. - № 1 (119). - С. 14-16.
2. Линник В. Ю. Сравнительный анализ эффективности применения очистного оборудования угольных шахт // Уголь. - 2011. - № 7. - С. 16-18.
3. Подэрни Р. Ю. Анализ современного состояния рынка карьерной техники в мире // Горная промышленность. – 2013. – № 4 (110). – С. 48-54.
4. Кариман С. А. Добыча угля и метана путем выемки и транспортирования угля крупными блоками до мельничной камеры. Технические возможности неограниченны // Уголь. – 2013. – № 6. – С. 3436.
5. Кариман С. А. Добыча угля и газа на мощных и средней мощности пологих угольных пластах с применением технологии выемки и транспортировки угля крупными блоками до дробильной камеры. Технические возможности неограниченны // Уголь. – 2014. – № 7. – С. 1925.
6. Кариман С. А. О создании шахты с высокими техникоэкономическими показателями // Уголь. – 2015. – № 7. – С. 18-23.
7. Самолазов А. В., Костюкович Н. И. Перспективная линейка отечественных карьерных гидравлических экскаваторов производства ОАО «Уралмашзавод» // Горная промышленность. – 2015. – № 2 (120). – С. 32-34.
8. Исаков А. Г. Экскаватор Hitachi EX3600-6 – лидер мировых продаж! // Горная промышленность. – 2014. – № 2 (114). – С. 31-33.
9. Ганин А. Р., Донченко Т. В., Шибанов Д. А. Развитие ряда экскаваторов класса 20-25 куб. м производства ИЗ-КАРТЭКС для горной промышленности // Уголь. – 2015. – № 8. – С. 75-77.
10. Клебанов Д. А., Кузнецов И. В., Бигель Н. В. Принципы построения системы дистанционного и автономного управления карьерным самосвалом // Горная промышленность. – 2013. – № 4 (110). – С. 8-13.