Развитие добычи коксующихся углей открытым способом в условиях Заполярья


А. В. Каплан, генеральный директор, канд. экон. наук	Л. П. Лейдерман, технический директор, канд. техн. наук	В. А. Пикалов, начальник научно-методического отдела	А. И. Вовк, технический директор ОАО «Воркутауголь», канд. техн. наук

На примере разработки месторождений Печорского бассейна с применением прогрессивных технологических решений и современного оборудования обоснована целесообразность и рациональность освоения угольных объектов Заполярья открытым способом с высокой экономической эффективностью и минимизацией экологического ущерба для окружающей среды.

Ключевые слова: Печорский угольный бассейн, открытый способ разработки, шнекобурошнековая безлюдная выемка.

В пределах Республики Коми и Ненецкого национального округа Архангельской области расположен Печорский угольный бассейн, содержащий всю гамму ископаемых углей. Он является вторым (после Кузнецкого) основным угольным бассейном России и ведущей базой угольной промышленности европейской части страны. Его геологические запасы оцениваются более чем в 200 млрд т, балансовые составляют 8,5 млрд т (около 4 % разведанных запасов углей РФ). Большая часть запасов углей Печорского бассейна сосредоточена на Интинском, Воргашорском, Усинском и Воркутинском месторождениях [1]. Основные ресурсы и разведанные запасы угля сосредоточены в Воркутинском административном районе, на территории которого расположены месторождения коксующихся углей марок Ж – Воркутское, Воргашорское, Усинское, К – Юньягинское, ОС – Елецкое и энергетических углей марок Д, ДГ – Сейдинское, а также месторождения Хальмеръюского углепромышленного района – Хальмеръюское, Паэмбойское, Нижнесырьягинское и Верхнесырьягинское (рис. 1). Месторождения традиционно были предназначены для подземной угледобычи. Наиболее перспективные участки разрабатывались шахтами, входящими в состав компании «Воркутауголь».

Рис. 1. Фрагмент карты Печорского угольного бассейна с месторождениями, сосредоточенными в Воркутинском административном районе

Балансовые запасы каменного угля Воркутинского административного района на 01.01.2013 г . составляют 3,1 млрд т коксующихся углей и 2,2 млрд т энергети-ческих углей, кондиционные прогнозные ресурсы каменного угля превышают 40 млрд т.

Расчеты, проведенные Институтом экономики Уральского отделения и Коми научного центра АН России, показали, что в случае строительства новой железнодорожной магистрали и сокращения расстояния перевозок воркутинских углей на Урал и в Западное Приуралье более чем на 1000 км коксующиеся и энергетические угли Печерского бассейна по конечной стоимости продукции станут на Урале (Нижний Тагил, Челябинск, Магнитогорск) значительно экономичнее углей других бассейнов. Экономическая эффективность таких поставок определяется по приведенным затратам на расчетный грузопоток по Урало-Печорской дороге в размере 186 млн руб. (в ценах 1991 г.) против 241 млн руб. при поставках кузнецких углей [2, 3]. Таким образом, при достижении полного объема перевозок новая дорога окупится за три года.

Развитие угледобычи в Воркутинском административном районе сдерживается низкой инвестиционной привлекательностью, причины которой носят как объективный, так и субъективный характер. К объективным причинам можно отнести сложные природно-кли-матические условия, неразвитость инфраструктуры,
сложные горно-технологические условия открытой разработки месторождений, к субъективным – недостаточную проработанность технико-экономических обоснований (ТЭО) инвестиций, отсутствие сбалансированной информационной стратегии, обеспечивающей привлечение государственных и частных инвесторов.

Широкое освоение месторождений Воркутинского административного района требует создания инфраструктуры в местах ведения горных работ – в условиях низких температур, вечной мерзлоты, хрупкой экологии севера и дефицита квалифицированного персонала. Это предопределяет значительные капитальные вложения, высокие эксплуатационные затраты и затраты на транспортирование угля потребителю.

Резкого сокращения удельных капитальных вложений и существенного повышения инвестиционной привлекательности проектов развития угледобычи Печерского бассейна можно достичь за счет применения малозатратного открытого способа добычи, а также новых технологий отработки месторождений на наиболее подходящих для этих целей участках недр [4, 5] (рис. 2). Такие участки имеются на Юньягинском, Усинском месторождениях, а также в составе месторождений Хальмеръюского углепромышленного района. Обобщенные горно-геологические условия перспективных участков открытых работ Воркутинского района приведены ниже.

Мощность пластов, м ................................................ 0,5–5,0
Коэффициент вскрыши, м3/т .................................... 10–20
Углы падения угольных пластов, градус ..........Более 35
Доля вечномерзлых пород, % ...................................До 10
Площади под внешние отвалы .................... Ограничены
Гидрогеологические условия .............................Сложные
Зольность угля, % ....................................................... 10–35
Обогатимость углей ........Средне- и труднообогатимые

Успешный опыт открытой разработки угля в условиях Печорского бассейна имеется на Юньягинском разрезе, введенном в эксплуатацию в июле 2000 г. и до настоящего времени являющемся единственным в мире предприятием, добывающим уголь открытым способом в условиях Крайнего Севера. Несмотря на сложные климатические условия и риски, разрез стал одним из самых высокорентабельных предприятий в Воркуте.

Рис. 2. Области эффективного применения способов добычи угля

Разработанная ОАО «НТЦ-НИИОГР» в 2000–2001 гг. концепция отработки списанных запасов угля ликвидированной шахты «Юнь-Яга» до настоящего времени поэтапно реализуется в проектах ООО «НТЦ-Геотехнология» (г. Челябинск).

На первом этапе, в условиях значительных рисков было принято решение провести геологическое изучение участка под открытую разработку с одновременным ведением опытно-промышленной добычи угля на уровне 140 тыс. т/год. В январе 2001 г. ООО «Юнья-гинское» приступило к строительству разреза, и несмотря на все трудности, к концу года удалось освоить проектную мощность. В июне 2002 г. РКЗ, рассмотрев геологический отчет ООО «Юньягинское» по результатам работ, установила целесообразность открытой разработки угля и рекомендовала продолжить работы по геологическому доизучению. Было утверждено 533 тыс. т запасов угля марки К по категориям В+С1. По состоянию на 01.01.2003 запасы угля поставлены на государственный баланс. Рассмотрев материалы по геологическому доизучению площади Юньягинского месторождения, Межведомственная комиссия по недропользованию Министерства природных ресурсов (МПР) Республики Коми приняла решение о продолжении работы по оценке запасов всей площади возможной открытой разработки. В марте 2003 г. Главное Управление природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР Республики Коми выдало ООО «Юньягинское» свидетельство об установлении факта открытия месторождения полезных ископаемых.

В результате проведенных в 2001–2005 гг. работ в пределах Юньягинской мульды оконтурена площадь с ресурсами до 10 млн т особо ценных углей марки К, запасы поставлены на баланс и ведется их промышленная отработка. К настоящему времени производственная мощность разреза доведена до 600 тыс. т угля в год, а за 12 лет его эксплуатации добыто около 5,5 млнт угля. В последние годы при стабилизации объемов добычи объем вскрышных работ превысил 14 млн м3/год, что связано с практически двукратным увеличением текущего коэффициента вскрыши: с 10–15 м3/т в 2001-2009 гг. до 22–23 м3/т в 2011–2012 гг. (рис. 3).

Рис. 3. Динамика объемов добычи и вскрышных работ и текущего коэффициента вскрыши на Юньягинском разрезе

Несмотря на столь значительное ухудшение горнотехнических условий разработки, экономические показатели работы разреза удалось удержать на достаточно приемлемом уровне: себестоимость добычи остается ниже 1000 руб/т, а удельные затраты на производство 1 м3 горных работ снизились с 25 до 17 руб/т (рис. 4).

Рис. 4. Динамика себестоимости добычи угля и горной массы

Главные факторы, обеспечивающие повышение эффективности горных работ:

– техническое перевооружение производства на базе современного высокопроизводительного оборудования;

– инновационные технологические решения, обеспечивающие минимизацию объемов горнотранспортной работы и вспомогательных операций.

Программой технического перевооружения, осуществляемого на угольном разрезе «Юньягинский», предусмотривается приобретение мощных гидравлических экскаваторов, бульдозеров, буровых станков и карьерного автотранспорта производства компаний Caterpillar и Komatsu. Применение современной техники обеспечило не только увеличение объемов производства, но и улучшение условий труда персонала. Итог – в 2011 г. разрез «Юньягинский» был признан лучшим предприятием по организации условий и охраны тру-да. Полностью парк основного технологического оборудования разреза планируется обновить к 2015 г. К этому времени он будет состоять из 15 единиц 90-тонных автосамосвалов, 5 единиц 10-кубовых гидравлических экскаваторов, шести бульдозеров и буровой установки производства передовых мировых машиностроительных гигантов.

Применение современного высокопроизводительного оборудования сопровождалось реализацией новых технологических решений, разработанных «НТЦ-Геотехнология», обеспечивающих снижение транспортной составляющей и трудоемкости угледобычи. В частности, предусмотрена система разработки, обеспечивающая среднее расстояние транспортирования вскрышных пород в диапазоне 400–600 м, а также использование отработанных участков при разработке внутреннего отвалообразования и параллельной рекультивации (рис. 5). Согласно предложенной технологической схеме добычи с однобортовой системой разработки с продольным перемещением вскрыши во внутренние отвалы, рабочая зона разделена на три части: верхнюю, где отрабатываются вскрышные породы до глубины выхода угольного пласта, среднюю, где осуществляется выемка вскрышных пород с параллельной добычей основной части угольного пласта, и нижнюю, где разработка угольного пласта ведется при помощи экскаваторов с рабочим оборудованием типа «обратная лопата» в забоях с нижним черпанием. Протяженность всей системы, вне зависимости от глубины карьера, составляет 600–800 м. Вскрышные породы транспортируются по концентрационным горизонтам внутри карьерной выработки и складируются во внутренний отвал вслед за продвижением добычного фронта. За счет компактной схемы обеспечивается значительное сокращение расстояния транспортирования вскрышных пород. При интенсивной отработке срок стояния бортов разреза в напряженном состоянии (до момента засыпки их внутренним отвалом) сокращается до нескольких месяцев, и за счет этого появляется возможность увеличить угол откоса борта, уменьшая при этом общие объемы вскрышных работ.

Рис. 5. Технологическая схема добычи при однобортовой системе разработки с продольным перемещением вскрыши во внутренние отвалы

В результате внедрения разработанных ООО «НТЦ-Г еотехнология» технологических схем на Юньягинском разрезе коэффициент землепользования составил 0,35 м2/т – это самый низкий показатель для угольных предприятий России, ведущих добычу открытым способом.

Эксплуатационные потери при добыче варьируются от 15 до 30 % в зависимости от мощности и угла падения пласта. Их нельзя назвать низкими, однако надо учитывать, что такой уровень потерь образуется при отработке пластов с углом падения от 20 до 50 мощностью от 0,5 до 1 м при отработке запасов, ранее списанных с баланса как неэффективные. Фактически, с точки зрения рационального использования недр, здесь уместно говорить не столько о потерях, сколько о вовлечении в отработку запасов, традиционно считавшихся экономически неэффективными.

В дальнейшем, когда разработка месторождения открытым способом становится экономически нецелесообразной, наличие инфраструктуры создает предпосылки для продолжения добычи выбуриванием пластов комплексами глубокой разработки или шнекобуровыми машинами [6]

Шнекобуровую безлюдную выемку ведут на пологих тонких и средней мощности пластах с помощью комплекса для выемки маломощных пластов полезного ископаемого путем бурения скважин относительно большого диаметра (преимущественно 0,5–1,2 м, экспериментально – до 3 м). Рабочий орган бурошнековой машины представляет собой буровую коронку, закрепленную на шнеке, который выдает из скважины глубиной до 150–200 м разбуренное полезное ископаемое. Выемка осуществляется путем последовательного бурения скважин диаметром, несколько меньшим, чем мощность пласта, с оставлением между ними угольных целиков, не извлекаемых или извлекаемых частично [7]. Технология обеспечивает выборочную отработку полезного ископаемого из пластов сложного строения и меньшее засорение по сравнению с экскаваторной добычей, а также добычу угля из бортов карьера, недоступных для экскаваторной выемки.

Бурошнековая установка, приобретенная для эксплуатации на разрезе «Юньягинский» (ОАО «Воркутауголь»), способна осуществлять выемку угля из пластов мощностью от 0,6 м до 1 м с углом залегания по падению до 18 выбуриванием на глубину до 260 м. Это особенно актуально в горнотехнических условиях «Юньягинского» разреза при пологих пластах мощностью до 1 м.

Ведение горных работ на разрезе «Юньягинский» с использованием современной техники

Добычные скважины, пройденные бурошнековой машины

Бурошнековый комплекс на разрезе «Юньягинский»

Конструкция соединительных элементов шнеков предотвращает самопроизвольное их размыкания в скважине, обеспечивает быстроту и легкость монтажа и демонтажа бурошнекового става в процессе работы, а конструкция шнекового става – строгую направленность бурения. Все работы по доставке элементов става, его наращиванию или сокращению механизированы. Конструкция самой машины выполнена по модульному принципу, что позволяет осуществлять ее полный монтаж или демонтаж в течение нескольких рабочих смен.

Имеющихся запасов Юньягинского месторождения хватит еще примерно на четыре года добычи открытым способом, после чего горные работы должны быть пе-ренесены на новый участок. В 2013 г. компания «Воркутауголь» выиграла аукцион на право разведки и добычи угля на Нижнесырьягинском месторождении. Разведанные запасы этого месторождения – от 3 млн т, а по неподтвержденным данным здесь залегает около 7 млн т угля ценной марки КЖ. Глубина разработки, согласно условиям лицензии, может достигать 150 м. Разрабатывать месторождение будет персонал угольного разреза «Юньягинский», используя весь ранее накопленный опыт. Нижнесырьягинское имеет выгодное географическое расположение: в 8 км от него находится шахта «Северная», которая может служить базой для персонала, и железнодорожная станция Аяч-Яга – для отгрузки горной массы.

Таким образом, существуют объективные предпосылки для активного развития добычи коксующихся углей открытым способом в условиях Заполярья. Для решения задач освоения Печорского бассейна необходимо создать систему геологического, консалтингового и проектного обеспечения на уровне Республики Коми, что будет первым шагом в созда-нии условий для эффективного бизнеса при освоении месторождений Печерского угольного бассейна открытым способом. Для успешной реализации намеченных планов требуется комплексный подход, включающий поддержку на федеральном и региональном уровне, а именно:

– разработку долгосрочной программы формирования инвестиционной привлекательности освоения новых месторождений, включая программу региональной поддержки освоения этих месторождений;

– разработку программ многоуровневого формирования положительного имиджа региона имеющего привлекательные условия для ведения бизнеса в области угледобычи.

Список литературы:

Угольная база России. В 6 т. – Т. I. Угольные бассейны и месторождения европейской части России (Северный Кавказ, Восточный Донбасс, Подмосковный, Камский и Печорский бассейны, Урал). – М. : Геоинформмарк, 2000. – 483 c.
Оценка возможностей использования углей Печерского бассейна на Урале : препринт. – Екатеринбург: Ин-т экономики УрО РАН, 1998.
Технико-экономический доклад о промышленной ценности запасов угля под открытую разработку на Усино-Сейдинской угленосной площади Печорского бассейна. – Челябинск : ОАО «НТЦ-НИИОГР», 2006. – 135 с.
Возможность развития открытой угледобычи на месторождениях Печорского бассейна / А. В. Соколовский, А. В. Каплан, В. П. Бортников, Р. Р. Галеев //Уголь. 2008. № 11. С.21–24.
Каплан А. В., Соколовский А. В. Необходимые и достаточные условия привлечения инвестиций для угледобывающего предприятия // Проблемы реструктуризации угледобывающих предприятий : Тр. НИИОГР. – Челябинск: Рекпол, 1997. – Вып. 2. – С.65–68.
Соколовский А. В., Лапаев В. Н., Каплан А. В. Формирование высокопроизводительных технологических цепочек при проектировании карьеров // ГИАБ МГГУ. 2003. № 5.
Крючков В. В. Бурошнековая выемка угля на карьерах США. – М. : ЦНИИИТЭИУП, 1963. – Сер. Механизация и автоматизация добычи и обогащения угля.