Технико-экономические проблемы комплексного освоения угольных месторождений казахстана в условиях рыночной экономики

Комплексное освоение месторождений полезных ископаемых требует решения целого ряда взаимосвязанных научно-технических задач, направленных на повышение полноты извлечения и ис­пользования минерально-сырьевых ресурсов и тем самым на повышение эффективности эксплуата­ции недр. Промышленное освоение месторождений не должно ориентироваться на производство ка­кого-либо одного продукта. Все минеральные компоненты в продуктивной толще месторождения, а также вмещающие породы, сопутствующие шахтные воды и газы, которые могут быть извлечены в процессе ведения горных работ и затем использованы, должны рассматриваться как объекты про­мышленной эксплуатации [1—3].

В условиях рыночной экономики решение данной проблемы особенно важно для развития на­родного хозяйства Казахстана и его топливно-энергетического комплекса. Это объясняется неясными прогнозами развития атомной энергетики и нетрадиционных способов получения энергии (солнце-, ветро-, биоэнергетика). Поэтому в будущем главная роль в решении энергетических проблем отво­дится углю (особенно с учетом огромных запасов угля в республике) и сопутствующим газам.

До настоящего времени отработка угольных месторождений осуществляется в основном на базе традиционных технологий, с широкой и постоянной научно-технической координацией развития рас­сматриваемой отрасли. Однако для Карагандинского бассейна, где отработка угольных пластов ве­дется в сложных горно-геологических и технологических условиях, экологическая обстановка и тре­бования рыночной экономики диктуют необходимость широкого внедрения нетрадиционных техно­логий при отработке некондиционных (забалансовых, списанных и др.) запасов месторождений твер­дого топлива.

Карагандинский угольный бассейн является одним из наиболее высокогазоносных в странах СНГ и опасным по внезапным выбросам угля и газа. Статистика показывает, что в Карагандинском угольном бассейне, начиная с 1950-х годов, произошло 136 газодинамических явлений, в том числе 53 внезапных выброса угля и газа, 27 прорывов газа из почвы выработок с ее динамическим разло­мом и более 56 внезапных обрушений угля с повышенным газовыделением.

С углублением горных работ, с повышением горного и газового давления газодинамическая актив­ность угольных пластов возрастает, увеличивается интенсивность газодинамических явлений [4, 28].

Кроме того, в недрах Карагандинского бассейна содержатся ценные минералы, редкие и рассе­янные элементы, приуроченные к угольным пластам, вмещающим породам и шахтной воде.

Между тем накопленный научно-технический потенциал в Казахстане и государствах СНГ по­зволяет осуществить переход к комплексному освоению угольных месторождений, который включа­ет следующие направления:

-   дегазация угольных месторождений и отдельных участков через скважины, пробуренные с по­верхности либо из подготовительных выработок;

-    отработка некондиционных запасов угля нетрадиционными методами;

-   попутная добыча редких и рассеянных элементов, находящихся в угольных пластах и вме­щающих породах;

-   добыча метана, выделяющегося в горные выработки из угольных месторождений;

-    использование метана, содержащегося в исходящей вентиляционной струе;

-    использование породы в шахтах, строительстве и производстве стройматериалов;

-    очистка и использование шахтных вод;

-    получение тепловой и электрической энергии путем подземного сжигания угля;

-    применение биотехнологий добычи полезных ископаемых.

Известно, что до сих пор конкурентоспособность угля сдерживается высокими затратами при добыче, переработке, хранении и транспортировке. Поэтому энергосбережение может стать одним из главных направлений значительного сокращения затрат и, соответственно, снижения себестоимости выпускаемой продукции. Однако в угольной промышленности в последние годы уделяется недоста­точное внимание снижению энергоемкости производства, экономии топливно-энергетических ресур­сов. В отрасли слабо внедряются системы планирования и учета энергоресурсов, материального и морального стимулирования бережливых НИР и ОКР, направленные на энергосбережение. Отрасль отстает от других отраслей по разработке нормативно-методических, программных документов, про­грамм энергосбережения. Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что резервы эко­номии ТЭР в настоящее время имеются практически во всех звеньях технологического процесса угольного производства. В первую очередь это касается сокращения потерь энергии и энергоресур­сов, достигающих значительных величин. К ним относятся потери тепла с отходящими газами ко­тельных, ТЭЦ, сушильных установок обогатительных фабрик, с охлаждающей водой компрессорных установок и др.

Так, температура отходящих газов большинства шахтных котельных достигает 160-200°С.Одна сушильная установка ОФ за 1 час работы выбрасывает до 90-100 тыс. м³ газов с температурой до 60°С. В шахтных компрессорных установках до 30 % потребляемой энергии превращается в теплоту, которая выделяется в окружающую среду в градирнях при охлаждении оборотной воды.

Наибольшие потери электроэнергии приходятся на основные энергоемкие технологические про­цессы угольного производства.

Ранее из всей расходуемой в отрасли электроэнергии более 40 % приходилось на долю угольных шахт. В последние годы это соотношение несколько изменилось в сторону других предприятий от­расли, в первую очередь угольных разрезов, в связи с закрытием ряда неперспективных и убыточных шахт.

В общем расходе электроэнергии имеется постоянная составляющая, которая определяется ра­ботой установок и не связана непосредственно с процессом угледобычи (водоотлив, вентиляция, де­газация, другие установки). Удельный вес этой составляющей в общешахтных расходах электроэнер­гии в среднем по отрасли составляет до 70 %. Именно здесь имеют место максимальные непроизво­дительные потери электроэнергии.

Велики потери и основных (первичных) энергоносителей: угля, нефтепродуктов. Значительные объемы угля теряются при хранении и транспортировке из-за несовершенства погрузочно­разгрузочных узлов и сооружений, угольных складов и нефтебаз.

Следует в то же время отметить, что в действующих производственно-технологических ком­плексах разработаны и реализуются достаточно эффективные мероприятия, направленные на энерго- и ресурсосбережение, охрану окружающей среды и рациональное использование недр. Однако эти мероприятия носят локальный характер, а получаемый экономический результат ограничивается на­личием устаревших технологии и оборудования. В связи с изложенным крупномасштабные резервы энерго- и ресурсосбережения, а также возможность достижения значительного экологического эф­фекта оказываются невостребованными.

Устранение указанных выше принципиальных недостатков действующих отраслевых техноло­гических комплексов возможно только при переходе к технологиям и технике нового поколения, что должно быть положено в основу новых Концептуальных основ энергосбережения в угольной про­мышленности Казахстана.

В дальнейшем в качестве базы поиска и разработки перспективных моделей предусматривается использовать: новые технологии; новую технику; комплексное сочетание новой техники и новой тех­нологии.

Опыт применения указанной базы в угольной отрасли известен: при разработке модели новых горных производств, основанных на комплексно-интенсивной технологии при подземной добыче уг­ля; селективной выемке полезных ископаемых открытым способом (технологии нового поколения); на агрегатах комбайновой проходки горных выработок, обеспечивающей механическое разрушение забоя, механизацию погрузки разрушенной породы в транспортные средства, крепление выработок (техника нового поколения) и др.

В Концептуальных основах, на наш взгляд, должна рассматриваться принципиально новая про­фессиональная и методологическая база, в качестве которой выступает интенсивное энергосбереже­ние. При этом следует исходить из необходимости решения основной задачи энергосбережения — достижения наиболее экономичного использования всех средств производств для оптимизации соот­ношения между потреблением энергии и экономическим ростом. В общем случае цель энергосбере­жения — снижение количества конечной энергии, приходящейся на единицу вырабатываемой про­дукции, т.е. на 1 т добычи (переработки) угля.

Интенсивное энергосбережение, потенциально обеспечивая крупномасштабное снижение расхо­дов топлива, тем самым снижая выход продуктов его сгорания в окружающую среду, стимулируя безотходное использование сырьевых материалов и конечных продуктов (снижая за счет этого отхо­ды производства), выступает как мощный фактор глубокой нейтрализации вредного воздействия угольного производства на окружающую среду.

Главная идея энергосбережения в угольной отрасли заключается в том, что энергоресурсы должны быть использованы более эффективно путем применения мер, осуществимых технически, обоснованных экономически и целесообразных с экологических и социальных позиций. Таким обра­зом, энергосбережение представляет собой совокупность способов снижения интенсивности энерго­потребления в результате принятия любых разумных мер с целью исключения расточительного рас­ходования энергии и бесконтрольного использования ограниченного природного потенциала.

По нашему мнению, в Концептуальных основах следует рассматривать три группы энергосбере­гающих мероприятий: утилизационные; энергетической модернизации; интенсивного энергосбере­жения.

Утилизационные мероприятия решают задачу использования уже имеющихся потерь теплоты, потенциальной энергии в действующих теплотехнических установках или системах. К ним относят­ся: утилизация тепла отходящих газов котлов при закрытой системе теплоснабжения, тепла оборот­ной воды системы водоснабжения, тепла конденсата при использовании пара в качестве теплоноси­теля, низкопотенциального тепла шахтной воды и вентиляционной струи и др.

Мероприятия энергетической модернизации решают задачу снижения потерь теплоты, энергии в действующих установках и системах, но не затрагивают принципиальных основ техники и техноло­гии. К ним относятся: применение рациональных схем охлаждения шахтных компрессоров, работа насосов и вентиляторов в оптимальном режиме при максимальном КПД, синхронизация асинхрон­ных двигателей, рациональное размещение подстанций и трасс линий электропередач, переход на рациональные конструкции ЛЭП, типы, число и мощности силовых трансформаторов, оптимизация загрузки по фидерам и др.

Эти две группы энергосберегающих мероприятий решают частные задачи энергосбережения, не требующие внесения изменений в основные технологические процессы.

Интенсивное энергосбережение решает принципиально другую задачу, а именно: достижение высокого энергосберегающего эффекта путем проведения системного энергетического анализа про­изводственных комплексов, на основе которого производится изменение принципиальных основ тех­нологии, техники, управления, обусловливающее повышение качества выпускаемой продукции и полноту ее конечного использования.

Интенсивное энергосбережение базируется на мероприятиях, которые могут быть сведены в следующие четыре группы: технологические, энергетические, теплотехнические, технические.

Технологические мероприятия должны обеспечивать непрерывность всех технологических опе­раций (единый непрерывный поток): безотходность технологии; предельно полное использование теплоты; предельно глубокая технологическая регенерация теплоты.

Энергетические мероприятия включают использование энергосберегающих тепловых схем; не­традиционных автономных источников энергии (с получением экономического и экологического эф­фекта при условии повышения надежности оборудования); шахтного метана для генерирования элек­трической энергии и тепла; внедрение газотурбинных установок; кинетической энергии движущихся масс вентиляционного воздуха для генерирования электрической энергии.

Мероприятия, направленные на экономию электроэнергии при разработке угольных месторож­дений, могут быть также объединены в следующие три группы:

-    повышение степени загрузки и КПД горно-шахтного оборудования;

-   ликвидация части энергоемких операций технологического процесса и/или снижение их энер­гоемкости;

-   рационализация электропривода и электрических сетей.

В первую группу входят мероприятия по замене незагруженного технологического оборудова­ния или увеличению его загрузки. Они обычно тесно связаны с ликвидацией разбросанности горных работ и соответствующим сокращением протяженности выработок. При этом уменьшается удельный расход электроэнергии на вентиляцию за счет снижения депрессии и утечек воздуха, на транспорти­рование угля, породы и вспомогательных материалов, на передачу электрической и пневматической энергии.

Ко второй группе относятся мероприятия по экономии электроэнергии за счет ликвидации части энергоемких операций технологического процесса или снижения их энергоемкости. Они наиболее эффективны и к ним относятся: сокращение объемов получаемой в шахте породы и выдачи ее на по­верхность; ликвидация или сокращение утечек воздуха в пневматических и вентиляционных сетях, утечек воды и др.; сокращение объемов работ за счет выбора оптимальных типов и конструкций кре­пи, сечения выработки, способов их охраны и др.; выбор оптимальных паспортов крепления и средств механизации в очистных забоях, исключающих загрязнение угля породой и необходимость ее дальнейшей транспортировки и подъема на поверхность.

В третью группу входит экономия электроэнергии путем замены незагруженных двигателей, си­ловых трансформаторов, увеличения сечения проводов и кабелей, напряжения, коэффициента мощ­ности, а также за счет сокращения протяженности электрических сетей.

В качестве одного из важнейших рычагов экономии электроэнергии предлагается ориентация на правильную организацию учета, контроля и регулирования режимов электропотребления, внедрение на предприятиях отрасли автоматизированных систем, коммерческого и технического учета, созда­ние технических средств, обеспечивающих контроль за расходом электроэнергии на основных при­соединениях в поверхностных и подземных сетях. Автоматизированные системы контроля и учета энергопотребления являются составной частью управления процессами энергосбережения.

Для энергетического хозяйства Казахстана наиболее перспективным сырьем является газовое топливо. Благодаря экологичности и высокой транспортабельности, а также широкому использова­нию в качестве энергоносителя и химического сырья значимость газового топлива возрастает. Считая вопросы добычи и утилизации метана как теплоносителя приоритетными, следует отметить, что в Казахстане работы по эффективному использованию шахтного метана пока ведутся недостаточно активно.

Между тем опыт работы зарубежных стран подтверждает целесообразность добычи и утилиза­ции метана на угольных месторождениях. Так, в США разработаны технологические схемы заблаго­временного извлечения метана из угольных пластов в пределах разрабатываемых участков, а также за пределами угледобывающих предприятий. Здесь более чем из 2 тыс. скважин непрерывно извлекает­ся метан. При этом максимальный объем его извлечения в процессе выемки угля на одном угледобы­вающем предприятии достиг 1 млн. м³ в сутки. В ФРГ объем извлечения метана в угольной промыш­ленности составляет около 1,5 млрд. м³ в год.

Широко ведутся разработки по использованию метана, выносимого из шахты с вентиляционной струей. Дегазация на шахтах уже на современном этапе должна рассматриваться не только как сред­ство борьбы с газовыделением в выработки, но и как один из методов добычи в промышленных мас­штабах ценного газообразного топлива. Однако организация работ по дегазации на большинстве га­зообильных шахт не соответствует современным требованиям устойчивости добычи метана, по­скольку лишь 12-15 % метана, содержащегося в массиве, используется в хозяйственных целях. Не­маловажным носителем дополнительного источника тепла может стать и метан, содержащийся в ис­ходящей струе шахтного воздуха и выбрасываемый в атмосферу.

Необходимо отметить, что метан может использоваться как по прямому назначению — в виде потока смеси воздуха в процессе каталитического сжигания, так и в биотехнологии получения кор­мового белка. Кроме того, исходящая струя шахтного воздуха может служить теплоносителем, на­пример, в тепличном хозяйстве. В такой же степени требуется использовать и тепло шахтных вод, откачиваемых из глубоких горизонтов. Источником топлива может быть и метан, выделяющийся из закрытых, отработанных газообильных шахт. В Германии, например, таким путем добывают до 100 тыс. м³ метана в сутки.

После выемки всех доступных запасов угля в шахтах остается значительное его количество — до 30 % и более. Это прежде всего уголь, находящийся в зонах геологической нарушенности пластов, технологических целиков, уголь в пластах, выходящих под наносы карбона, а также запасы угля в весьма тонких прослоях, которые с углублением горных работ попали в зону обрушения. Указанные запасы можно извлечь путем сжигания угля на месте залегания, с получением на поверхности тепло­вой и электрической энергии.

В отличие от подземной газификации углей (ПГУ), направленной на получение горючих газов, технология ПСУ ориентирована на получение экологически чистого газообильного энергоносителя, используемого для получения горячей воды, пара, электрической энергии и других продуктов непо­средственно на месте его производства. Технология ПСУ может успешно использоваться для сжига­ния оставленных в недрах запасов угля на закрытых шахтах.

Угольные месторождения должны служить и для попутного получения других ценных продук­тов, используемых в народном хозяйстве. Рассматривая угли как потенциальное сырье для получения редких и рассеянных элементов, следует отметить, что в Японии, Германии, США, Канаде и других странах реализованы в промышленных масштабах либо доведены до стадии отработанных техноло­гических схем способы попутного извлечения более десяти редких и рассеянных элементов (Эе, Са, РЬ, Zn, Ва, Аи, Ве, А§, Бс, Бе и др.). На переработку поступает пыль газогенераторных установок, аммиачные воды коксохимической промышленности. Во многих случаях сырьем служат непосредст­венно добытый уголь и вмещающие породы после предварительной подготовки.

В Казахстане значительный интерес к извлечению редких и рассеянных элементов из отходов угольной промышленности проявляется научными и промышленными предприятиями энергетиче­ского комплекса. Установлена перспективность переработки золошлаковых отходов, особенно золь­ных уносов, для получения сырьевой базы редких элементов. Так, учитывая уровень концентрации редких элементов в углях и конъюнктуру потребления, целесообразно провести технологические ис­следования на группу элементов: висмут, галлий, лантан, иттерий, церий, скандий, кобальт, золото, серебро, ванадий, никель.

Исходя из больших потенциальных возможностей Карагандинского угольного бассейна в части использования сырья для получения чистых «малых» элементов, возникает необходимость опробо­вать в промышленных условиях переработку углей бассейна как сырья, содержащего редкие и рассе­янные элементы. В этом качестве угли Карагандинского бассейна не используются из-за отсутствия проверенных и эффективных технологий выявления и определения концентраций различных элемен­тов и получения перспективного сырья. Заслуживает внимания разработка технологии селективной выемки угольных пластов, которая позволит вынимать раздельно смежные с породой пачки угля, яв­ляющиеся обычно наиболее обогащенными редкими и рассеянными элементами.

Горная масса непосредственно не может быть использована в качестве сырья для получения редких и рассеянных элементов. Вначале ее нужно специально подготовить, причем не всю, а лишь ту часть, которая приурочена к наиболее перспективным районам. Теоретические предпосылки такой подготовки для некоторых элементов разрабатываются, и лабораторным путем подтверждается пра­вильность теоретических выводов. Однако только опытно-промышленные испытания дадут основу определения параметров и технико-экономических показателей технологии извлечения редких и рас­сеянных элементов из горной массы шахт Карагандинского бассейна.

Комплексное освоение ресурсов угольных месторождений, повышение полноты использования запасов угля путем снижения потерь и вовлечения в эксплуатацию забалансовых, законсервирован­ных и бросовых запасов во многих случаях будут связаны с дополнительными затратами на горные работы, обогащение, охрану земной поверхности, на усовершенствование планировки горных работ и производства. Для ряда условий необходимо создавать новую технику. Однако эти затраты будут компенсированы увеличением объема добычи угля и повышением извлечения из недр ценных ком­понентов для производства дополнительной продукции.

Список литературы

1. Каренов Р.С. Перспективы снижения негативного воздействия угольной промышленности на экологию Карагандин­ской области // Вестник КарГУ. Сер. Экономика. — 2006. — № 2(42). — С. 23-32.
2. Каренов Р.С. Эколого-экономические проблемы в условиях рынка: (на материалах горной промышленности). — Алма­ты: Ғылым, 1998. — 304 с.
3. Красавин А.П. Защита окружающей среды в угольной промышленности. — М.: Недра, 1991. — 221 с.
4. Баймухаметов С.К. Результаты промышленных испытаний нового способа подготовки особо выбросоопасного мощно­го пласта d₆ на шахтах Карагандинского бассейна // Уголь. — 2005. — № 12. — С. 28-30.