Методологические основы прогнозирования подземной разработки угольных месторождений с учетом показателей сырьевой базы

Актуальность исследования. Отличительной особенностью топливно-энергетического комплекса России является то обстоятельство, что в последние три десятилетия производство электроэнергии на электростанциях работающих на угле развивается значительно более низкими темпами, чем на электростанциях работающих на природном газе. Кроме того, топливно-энергетический баланс страны является нерациональным — ориентирован преимущественно на газ. Последнее, в совокупности с взятыми Россией на себя международными обязательствами по поставкам газа, резко снижает энергетическую безопасность государства. Затянувшаяся «газовая пауза» связана с тем, что добываемый в стране уголь неконкурентоспособен по сравнению с природным газом в силу его (угля) высокой себестоимости добычи и больших затрат на транспортировку. В значительной мере это связано с весьма низкой производительностью применяемого на угольных шахтах России отечественного оборудования и технологий добычи угля.

В настоящее время, в условиях сокращения запасов природного газа, назрела необходимость определить политику государства в продвижении к более рациональной энергетике, основанной на использовании угля при выработке электричества и тепла, ресурсы которого достаточны для обеспечения потребностей экономики России более чем на 500 лет. В этой связи Энергетической стратегией России на период до 2030 года предусмотрено наращивание объемов добычи угля и замещение им значительной доли природного газа.

Угольная промышленность России является сложной производственно-экономической системой, поскольку ее функционирование оказывает влияние на электроэнергетику, производство тепловой энергии, металлургию, экологию, социальное развитие угледобывающих регионов и др. Методология прогнозирования такой системы должна учитывать все основные факторы, связанные с ее развитием. Что касается угольной промышленности России, в том числе подземной добычи угля, то к таковым относится сырьевая база с ее показателями. Кроме того, показатели сырьевой базы напрямую влияют на требования к техническому и технологическому оснащению угольного производства, а большие пределы изменения величин этих показателей обусловливают необходимость применения широкого спектра номенклатуры угледобывающей техники. Последнее связано с тем, что использование техники обладающей высокой энерговооруженностью экономически нецелесообразно при работе в относительно благоприятных условиях, и наоборот, применение легкой техники в тяжелых горно-геологических условиях приводит к снижению производительности и увеличению себестоимости добычи угля.

Следовательно, объективный прогноз развития угольной отрасли невозможно осуществить, рассматривая показатели сырьевой базы, уровень технического и технологического оснащения угольного производства в отрыве друг от друга. Осуществить достоверное прогнозирование становится возможным только при комплексном рассмотрении этих показателей.

Разработанные Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.'и Долгосрочная программа развития угольной промышленности России на период до 2030 г. не учитывают вышеобозначенных факторов, а прогнозные значения объемов добычи угля носят в этих документах скорее декларативный характер и сформированы исходя из ожидаемого спроса на уголь.

Таким образом, прогнозирование развития угольной промышленности немыслимо без методологии, основанной на системном подходе, с учетом показателей сырьевой базы, а также требований к уровню технического и технологического оснащения подземной добычи угля, а ее разработка позволит решить крупную научную проблему, связанную с прогнозированием подземной добычи угля, имеющую важное хозяйственное значение для экономики России.

В научном плане речь идет об исследовании, имеющим двоякую направленность. С одной стороны необходимо разработать методологию и средства, позволяющие прогнозировать показатели сырьевой базы и добычу угля, а с другой разработать комплекс управленческих мероприятий, направленных на повышение технического и технологического уровня подземной добычи угля, обеспечивающих требуемые объемы добычи в прогнозируемых условиях эксплуатации.

Степень научной разработанности проблемы. Вопросам прогнозирования Российской экономики и, в частности, энергетического комплекса страны посвящены научные труды таких ученых как Р. Н. Андреасяна, A.A. Арбатова, А. Б. Брагинского, Г. Г. Вахитова, А. Н Дмитриевского, В. М. Капустина, A.A. Конопляника, А.Э. Конторо-вича, Н. П. Лаверова, A.M. Мастепанова, В. А. Язева и других не менее известных ученых. Большой вклад в разработку проблем развития ТЭК России внесли известные исследователи: В. Ю. Алекперов, C.B. Алафинов, B.JI. Богданов, П. В. Семенов, Ю. П. Трутнев, H.A. Цветков и другие.

Научные аспекты настоящего диссертационного исследования, помимо трудов вышеобозначенных ученых, формировались на основе изучения, критического анализа и переосмысления методических и практических подходов, изложенных в трудах российских ученых-угольщиков И. В. Гранина, Н. К. Гридина, В.Г., Гринько, В.Е. Зайден-варга, A.B. Корчака, Г. Л. Краснянского, Ю. Н. Малышева, Б. К. Мышляева, A.B. Хар-ченко, А. Б. Яновского и др.

Отмечая большие заслуги вышеперечисленных исследователей в разработке и развитии теории и практики прогнозирования российской угольной промышленности, вместе с тем следует отметить, что в них не учитывались факторы, связанные с показателями сырьевой базы и развитием технического и технологического уровня угольного производства, которые в существенной мере влияют на производительность подземной добычи угля, условия безопасности горных работ и, в конечном счете, на объемы добычи угля.

Таким образом, целью данного диссертационного исследования является теоретическое обоснование методологии прогнозирования развития подземной добычи угля, как подотрасли угольной промышленности, на основе оценки показателей ее сырьевой базы с учетом требований к техническому и технологическому уровню производства и, на этой основе, разработка основных управленческих мероприятий по развитию подземной добычи угля.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований:

— исследовать методологические основы отраслевого прогнозирования, как научные подходы к решению важной народно-хозяйственной проблемы, связанной с прогнозированием подземной добычи угля.

— дать общую характеристику угледобычи в России и выполнить анализ ее экономического состояния для оценки резервов отрасли;

— определить систему факторов, влияющих на формирование прогноза развития подземной добычи угля и разработать структурную схему их взаимодействия;

— выявить показатели сырьевой базы подземной разработки угольных месторождений, влияющие на эффективность добычи угля и разработать типизации угольных пластов на их основе;

— оценить технико-экономический уровень горно-шахтного оборудования;

— оценить технологический уровень подземной разработки угольных месторождений;

— разработать методики, математические модели, базы данных и информационную систему для прогнозирования технико-экономических характеристик подземной добычи углей различных марок, с учетом показателей сырьевой базы;

— разработать инструментарий для обоснованного принятия управленческих решений по техническому и технологическому оснащению подземной добычи угля с учетом показателей сырьевой базы.

Объектом исследования является угольная промышленность России, как наиболее важная и сложная производственно-экономическая система в сырьевой базе страны, связанная с подземным способом добычи угля, который по сравнению с открытым способом является более опасным и вместе с тем капиталоемким и где в настоящее время добываются наиболее ценные сорта угля, идущие на энергетику и металлургию.

Предметом исследования являются методологические подходы, используемые при прогнозировании развития различных отраслей промышленности, в том числе угольной, учитывающие систему взаимосвязанных факторов влияющих на развитие объекта исследований (подземная добыча угля), управление которыми позволит обеспечить заданные объемы добычи.

Хронологические рамки исследования включают период от 1985 года прошлого века до конца 2011 года, т. е. охватывают период реструктуризации угольной отрасли, ее кризиса и становления. При этом особое внимание уделялось периоду последнего десятилетия, когда, по сути, завершилась реструктуризация угольной промышленности.

Теоретической и методологической основой диссертационной работы явились фундаментальные и теоретические исследования отечественных ученых в области прогнозирования экономики страны и отдельных подсистем топливно-энергетического комплекса, стратегического планирования и управления, информатики и инструментариев, используемых при составлении баз данных для оперативного и долгосрочного прогнозирования, а также методы сравнительного, факторного, экономического анализов и прогнозирования. При обработке и анализе статистических и экспериментальных данных использовались методы математической статистики и регрессионного анализа.

Информационной базой исследований являются: Энергетические стратегии России на период до 2020 и на период до 2030 годаДолгосрочная программа развития угольной промышленности на период до 2030 годаежегодно издаваемые ООО «Росинформуголь» аналитические таблицы о работе угольной промышленности Россиипланы и паспорта горных работ, программы развития угольных шахтнаучные отчеты институтов (ННЦГП ИГД им. A.A. Скочинского, КузНИУИ, НИИОГР, ПечорНИИПроект) — экспериментальные данные, полученные автором в ходе выполнения настоящей диссертационной работы.

При подготовке данной диссертации были использованы материалы научных отчетов по теме НИР «Разработка направлений развития угольной промышленности в условиях реализации энергетической стратегии России на период до 2030 года», выполняемой в государственном университете управления по контракту с Министерством образования и науки в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры для инновационной России» на 2009;2013 годы, в которых автор являлся ответственным исполнителем.

Научной новизной проведенного исследования является обоснование и разработка методологических основ и методических подходов к прогнозированию развития подотрасли подземной добычи угля в топливно-энергетическом комплексе России на среднесрочную и долгосрочную перспективу, учитывающих:

— показатели сырьевой базы угольной промышленности, характеризующие горно-геологические условия залегания угольных пластов, их марки и качественный состав, условия безопасности ведения горных работ;

— состояние и перспективы развития подземной угледобычи с точки зрения обеспеченности ее ресурсной базы на среднесрочную и долгосрочную перспективу;

— математические модели и методики для оперативной и прогнозной оценки показателей подземной добычи углей различных марок на основе характеристик сырьевой базы и требований к техническому и технологическому обеспечению угольной отрасли.

В рамках проведения исследования получены следующие наиболее значимые научные результаты:

1. Определен теоретический смысл и значение методологии прогнозирования развития подземной добычи угля, как подотрасли угольной промышленности России.

2. Установлены взаимосвязи технико-экономических показателей работы угольных шахт.

3. Разработана структурная схема взаимодействующих между собой систем факторов, влияющих на эффективность подземной добычи угля.

4. Уточнена классификация угольных пластов по степени их технологической и экономической пригодности для разработки.

5. Разработана экономико-математическая модель для определения стоимостных затрат, связанных с уменьшением производительности добычных машин и увеличением энергоемкости добычи угля из-за отказов забойного оборудования, которая легла в основу отраслевой инструкции по определению области рационального применения различных типов исполнительных органов угледобывающих машин.

6. Разработаны технико-экономические критерии оценки горных машин, позволяющие давать сравнительную оценку эффективности применения различных вариантов комплектации добычных комплексов.

7. С помощью разработанных технико-экономических критериев впервые выполнена сравнительная оценка технико-экономического уровня отечественного и зарубежного горно-шахтного оборудования и сделаны важные в экономическом отношении выводы о целесообразности их применения на шахтах России.

8. Установлены корреляционные зависимости показателей эффективности применения угледобывающих комбайнов от характеристик, определяющих горногеологические условия их эксплуатации.

9. Уточнена методика технико-экономической оценки, позволяющая рассчитывать стоимостные показатели различных вариантов технологических схем разработки угольных пластов и обосновывать прогрессивные параметры добычного забоя.

10. Разработана математическая модель, информационная система и база данных для оперативной и прогнозной оценки объемов добычи углей различных марок, с учетом показателей сырьевой базы.

11. На базе предложенного инструментария разработаны методические рекомендации и управленческие мероприятия, направленные на эффективное инновационное развитие угольной отрасли России.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в:

— разработке базы данных показателей сырьевой базы подземной добычи углей для оперативной и прогнозной оценки условий безопасности ведения подземных горных работ, горно-геологических условий залегания угольных пластов, их характеристик разрушаемости, объемов добычи угля различных марок с учетом их качественных характеристик, на которую Роспатентом выдано Свидетельство об официальной регистрации базы данных для ЭВМ 2012;620−451 от 21.05.2012.

— создании программы для ЭВМ «Выбор средств выемки угольного пласта на основе установления характеристик его разрушаемости», на которую Роспатентом выдано свидетельство об официальной регистрации № 990 896 от 10.12.1999 г.;

— разработке направлений развития подземной добычи угля, обеспечивающих объемы его добычи, определенные Энергетической стратегией России на период до 2030 года.

Внедрение и апробация результатов исследования. Научные и практические результаты выполненных исследований нашли свое отражение при выполнении в Государственном университете управления шести этапов научно-исследовательской работы «Разработка направлений развития угольной промышленности в условиях реализации энергетической стратегии России на период до 2030 года», выполняемой по контракту с Министерством образования и науки в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры для инновационной России» на 2009;2013 годы.

Результаты исследований легли в основу разработанной и внедренной на шахтах России отраслевой инструкции по выбору исполнительных органов очистных комбайнов, которая была утверждена Генеральным директором компании «Росу-голь».

Материалы выполненных исследований используются Министерством образования и науки Российской Федерации для определения приоритетных направлений при финансировании научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, а также ООО «Управляющая компания «Шахтострой» для стратегического планирования работ по строительству шахт в России.

Результаты исследований, полученные при выполнении данной работы, использованы в Государственном университете управления при корректировке учебных программ для студентов, обучающихся по специальности «Международный топливно-энергетический бизнес» и чтении лекций по дисциплинам «Технологические основы топливно-энергетического комплекса» и «Разведка и использование топливных ресурсов», а также при разработке новой образовательной программы «Менеджмент организации топливно-энергетического комплекса» для подготовки бакалавров по учебному курсу «Основы добычи, транспорта и использования угля».

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на совещаниях, круглых столах, конференциях и семинарах, посвященных проблемам ТЭК, а также опубликованы в сборниках статей международных и всероссийских научно-практических конференций, в том числе: международной конференции «22nd World Mining congress and expo», 26-й Всероссийской конференции молодых ученых «Реформы в России и проблемы управления — 2011, 16-й Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления», Всероссийская научно-практическая конференция «Неделя горняка».

Публикации. Результаты диссертационной работы и основные ее положения изложены автором в 32 публикациях, в том числе в трех монографиях, общим объемом 34 п.л. и в 24 научных статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией (ВАК), общим объемом 21 п.л.

Структура работы определяется целью и поставленными задачами исследований. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Работа общим объемом 385 страниц включает 7 приложений, 92 таблицы, 36 рисунков, 107 формул, список литературы из 115 наименований использованных источников.

Выводы по главе 6.

1. Прогнозирование горно-геологических условий разработки угольных месторождений подземным способом следует осуществлять с помощью разработанной модели и базы данных с учетом ввода и выбытия мощностей (шахт). Установлено, что к 2030 году условия отработки угольных пластов будут в основном (60%) высокотехнологичными. Однако в Кузнецком и Печорском бассейнах из-за увеличения количества шахтопластов с природной газоносностью более 15 м3/т, необходимо будет уделять особое внимание вопросам дегазации пластов для борьбы с внезапными выбросами и горными ударами, а также безопасной отработке самовозгорающихся углей.

2. Прогноз динамики развития подземной добычи угля, выполненный с использованием предложенной в работе модели и базы данных, а также проработка изменения баланса производственных мощностей, показал, что удовлетворение потребности экономики страны в углях для энергетики и коксования будет связано, прежде всего, с развитием добычи угля в Кузнецком угольном бассейне. Некоторое увеличение добычи угля будет на шахтах Восточной Сибири и антрацитов в Донецком бассейне. Добыча угля на месторождениях Урала уже в ближайшей перспективе будет прекращена.

3. Обеспечение спрогнозированных объемов добычи угля не возможно без кардинального обновления технической базы подземной разработки угольных месторождений. С этой целью в работе предложены мероприятия и управленческие решения, направленные на эффективное инновационное развитие угольной отрасли России и обеспечивающие прогнозные значения объемов добычи угля подземным способом. Их реализация позволит значительно повысить технический и технологический уровень горного производства на шахтах России.

Заключение

.

1. Разработаны методологические основы прогнозирования угольной промышленности России как сложной производственно-экономической системы, учитывающие все основные факторы, связанные с развитием подземной добычи угля. Объективный прогноз развития угольной отрасли невозможно осуществить без учета показателей сырьевой базы и зависящих от них уровня технического и технологического оснащения угольного производства. При этом необходимо учитывать систему факторов, отражающую группы: входных параметров, характеризующих показатели сырьевой базы (горно-геологические условия залегания пластов и характеристики их разрушаемости, условия, характеризующие безопасность ведения горных работ и качественные характеристики угля) — регулирующих параметров, описывающих технический уровень оборудования для добычи углярегулирующих воздействий, описывающих технологический уровень ведения добычных и подготовительных работвыходных параметров, формирующих прогнозные данные по объемам добычи углей различных марок в типовых условиях эксплуатации. Выходные параметры, определяющие объемы добычи угля различных марок, должны-быть функционально увязаны с соответствующими показателями, характеризующими сырьевую базу и показателями, характеризующими технический и технологический уровень горного производства, последние из которых в свою очередь, должны рассматриваться в функции от горно-геологических условий разработки пластов (входные параметры).

2. За последнее десятилетие отмечается стабильный рост добычи угля в России с темпами, превышающими добычу нефти и газа. Темпы роста угледобычи на шахтах и разрезах зависят от состояния экономики страны и угольной отрасли в частности, от уровня их комплексной механизации. С ростом производительности шахт и разрезов увеличивается уровень заработной платы, при этом себестоимости добычи угля и цены на уголь возрастают. Основными регионами добычи угля являются Западная и Восточная Сибирь, которые и в перспективе будут обеспечивать экономику России угольным топливом.

3. Сырьевая база России характеризуются чрезвычайным разнообразием показателей, характеризующим как горно-геологические условия залегания пластов и характеристики их разрушаемости, так и условия безопасности ведения горных работ и качество угля. Установлено, что большинство пластов (69,6%) приходится на пологонаклонные, из которых вынимается 95,4% всего объема добываемого подземным способом угля. На пологонаклонных пластах, доля пластов средней мощности (1,8−3,5 м) составляет 40,6%, 38,2% мощных (более 3,5 м) и лишь 4,3% тонких пластов. Доля крутопадающих (более 45 град.) и крутонаклонных (36−45 град.) пластов в общем объеме разрабатываемых подземным способом составляет 30,4% и на них приходится всего 4,6% добываемого угля. Максимальная глубина разработки пластов на шахтах России колеблется от 45−70 метров в Дальневосточном районе до 1200 метров в Восточном Донбассе.

4. В целом по России угольные шахты представлены всеми 6-ю категориями по газовой опасности: негазовые, I, II и III категории, сверхкатегорные и опасные по внезапным выбросам угля и газа. Негазовыми являются 13,3% шахт, 17,8% отнесены к I категории, и 12,2% - ко П-й. Суммарная доля шахт, отличающихся высокой степенью метаноопасности (III категория и сверхкатегорийные) составляет 56,7%. Очень высоким уровнем газовой опасности характеризуются шахты Кузбасса, на территории которого действуют 19 из 25 в целом по России шахт, опасных по выбросам угля и газа (76,0%), 15 из 19 сверхкатегорных шахт (79,0%). Большинство удароопасных пластов (75,8%) также разрабатывается в Кузбассе. При этом абсолютно все шахты опасны по газу.

5. Оценку угольных пластов по степени их пригодности к эффективной отработке следует производить по предложенной в работе уточненной типизации.

6. Выбор угледобывающих машин необходимо осуществлять применительно к работе в типовых условиях на основе предложенной классификации угольных пластов, которая базируется на типизациях пластов по особенностям их геологического строения и разрушаемости. При этом оценка эффективности их применения и их конкурентоспособность должна производиться с использованием предложенного в работе обобщенного стоимостного показателя, который позволяет обоснованно.

279 выбрать состав очистного оборудования из условия обеспечения намечаемых технико-экономических показателей и минимизации удельных затрат при добыче угля.

7. Из-за низкого технического уровня угледобывающего оборудования, выпускаемого российскими заводами большинство забоев на угольных шахтах России оборудованы техникой импортного производства. Установлено, что при практически равных удельных затратах на добычу угля по крепям и сопоставимых затратах по комбайнам, из-за высоких удельных затрат при применении отечественных конвейеров суммарные удельные затраты по всему комплексу российского угледобывающего оборудования существенно выше по сравнению с оборудованием ведущих зарубежных производителей и ниже по сравнению с украинским.

8 Узким местом в системе горных работ шахт являются горноподготовительные работы. Основная причина — отсутствие новых крупных технических и технологических решений сопоставимых по своей эффективности с комплексной механизацией очистных работ на пластах пологого падения. Для достижения объемов добычи угля, предусмотренных Энергетической стратегией России на период до 2030 года необходимо при мощности пласта 1 м и 4 м и нагрузке на лаву 1,0 и 3,0 млн. т./год обеспечить темпы проведения горных выработок не менее 300 м/мес., а выемочных штреков — 70−80 м/сут. Достижение таких показателей возможно лишь путем создания новых технологий комбайновой проходки выработок, темпы которой в 2,5−3,0 раза превышают темпы при буровзрывной технологии и обеспечивают увеличение в 1,5−2 раза производительности труда рабочих.

9. Технологический уровень подземной угледобычи существенно отстает от уровня передовых угледобывающих стран, где в отличие от шахт России, наметился переход на лавы длиной более 400 м и выемочных столбов длиной до 5500 м при их почти 13-ти кратном соотношении. На Российских шахтах увеличение кратности длин столбов до 10-ти и более раз ограничивается горно-геологическими условиями эксплуатации.

Установлено, что коэффициент машинного времени (КМВ) в комплексномеханизированных лавах России в зависимости от их длины в среднем составляет всего 0,41−0,44. Основными причинами низких КМВ на шахтах России являются за.

280 траты на прием-сдачу смены (до 5% рабочего времени) и на концевые операции в лаве (13−15% времени), а также простои комплекса составляющие 56−59% рабочего времени. Для снижения удельных затрат при добыче угля из лав длиной 200−250 м необходимо повысить КМВ до 0,52 — 0,65.

10. Прогнозирование подземной добычи угля необходимо осуществлять на основе предложенных в работе базы данных и модели, где в качестве входных параметров приняты показатели сырьевой базы, а выходных — объем добычи угля на заданную перспективу с учетом действующих ограничений по глубине прогноза. На базу данных и информационную систему Роспатентом выданы свидетельства об официальной регистрации № 2012;620−451 и № 990 896.

11. Установлено, что удовлетворение потребности экономики страны в углях для энергетики и коксования будет связано, прежде всего, с наращиванием объемов добычи угля в Кузнецком угольном бассейне и в меньшей мере на шахтах Восточной Сибири и в Донецком бассейне.

12. Выполненный с помощью разработанной базы данных прогноз показателей сырьевой базы подземной разработки угольных месторождений показал, что на период до 2030 г. не следует ожидать улучшения горно-геологических условий с точки зрения эффективности выемки угольных пластов традиционным способом. В Кузнецком и Печорском бассейнах из-за увеличения количества шахтопластов с природной газоносностью более 15 м3/т, необходимо будет уделять особое внимание вопросам дегазации пластов для борьбы с внезапными выбросами и горными ударами, а также безопасной отработке самовозгорающихся углей.

13. Разработана информационная система, которая позволит управлять информацией о показателях сырьевой базы и тем самым своевременно принимать управленческие решения, связанные с комплектацией очистных и подготовительных забоев оборудованием, технические характеристики которого в максимальной степени соответствуют характеристикам угольного пласта, а также своевременно принимать соответствующие меры для обеспечения безопасных условий ведения горных работ на шахтах.

14. Обеспечение требуемых объемов подземной добычи угля в условиях изменяющихся в перспективе показателей сырьевой базы не возможно без кардинального обновления технической и технологической базы угольной промышленности. С этой целью в работе разработаны мероприятия и управленческие решения, направленные на эффективное инновационное развитие угольной отрасли России и обеспечивающие прогнозные значения объемов добычи угля подземным способом. Их реализация позволит значительно повысить технический и технологический уровень горного производства на шахтах России.