О фундаментальных проблемах разработки угольных месторождений Украины

В период с 1990 по 2000 г. добыча угля в Украине сократилась примерно на 50% и составляет менее 70 млн. т в год; производительность труда на многих шахтах упала до такого уровня, что стала самой низкой в мировой практике; затраты энергетических, материальных и трудовых ресурсов столь значительны, что более дорогого угля не добывает никто в мире. Вывоз угля, одного из основных экспортных товаров в 80-е годы, практически прекратился в 1995 г., а импортный уголь и другие виды энергоносителей постепенно захватывают украинский рынок. Все это неотвратимо ведет к закрытию угольных шахт, а без принятия действенных мер – к свертыванию в ближайшие годы угольной промышленности.

Вместе с тем уголь в обозримой перспективе может быть в Украине приоритетным видом энергоносителя. Для этого имеются следующие основания:

• самообеспечение топливно-энергетическими ресурсами является важнейшей задачей Украины на пути становления как самостоятельного государства;
• уголь – единственный энергоноситель, разведанные запасы которого могут обеспечить потребности энергетики и промышленности Украины в ближайшие 300 лет. Причем, если в структуре мировых запасов топлива на уголь приходится 67, на нефть – 18 и газ 15 %, то в Украине соответственно – 95,4; 2 и 3,6 %;
• для развития угледобычи в Украине есть вся необходимая инфраструктура, в том числе мощное шахтостроение, угольное машиностроение, геологоразведка, научно-исследовательские и проектные организации.

Украина располагает огромными запасами угля, но добыча его осуществляется в несоизмеримо худших горно-геологических условиях, чем в других странах мира. Это – главная объективная причина больших удельных затрат материальных, энергетических, трудовых ресурсов, а также того, что производительность труда намного ниже мировой.

Только 46 шахт (18,3 %) с общей добычей 18,2 млн. т (1994 г.) могут выдавать конкурентоспособный уголь. Эти шахты отличаются хорошим состоянием горного хозяйства и основных технологических комплексов, они имеют значительные запасы угля в выдержанных по мощности пластах. Другие шахты по мере развития рыночной экономики будут становиться все более убыточными и неперспективными даже при жесткой законодательной защите внутреннего угольного рынка.

Поиск путей поднятия эффективности неперспективных шахт усложняется тем, что добыча угля на них происходит в качественно новых условиях, которых нет в мировой практике. На этих шахтах совокупное влияние отрицательных факторов (горно-геологических, горнотехнических и социальных) сформировали условия, когда ни значительные государственные дотации, в том числе в форме технических кредитов, ни массовое внедрение даже за счет государства апробированных и эффективных для других угледобывающих регионов технических средств и технологий не могут дать существенного результата.

Мировая практика для выхода угольной промышленности из кризисной ситуации выработала единственный путь – структурную перестройку промышленности. В странах, разрабатывающих месторождения низкой конкурентоспособности (Западная Европа), реструктуризация сопровождалась снижением объемов добычи, повышением производительности труда и сосредоточением работ на лучших производствах. Поскольку повысить эффективность производства, оставив в угольной промышленности все, как было, невозможно, то этот путь принят и в Украине в качестве руководства к действию.

Что ожидает угольную отрасль по завершении реструктуризации? Во всех основных угледобывающих странах произошла или идет структурная перестройка угольной промышленности. Как правило, необходимость ее была вызвана изменением ситуации на международных рынках энергетических ресурсов и не конкурентоспособностью подземной добычи на месторождениях со сложными горно-геологическими условиями.

Вследствие падения спроса на местный уголь, расширения импорта дешевого угля в Великобритании, Германии, Франции сократилась добыча, начался отток рабочих, занятых в угольной промышленности, но возросла производительность труда на перспективных шахтах. Так, во Франции с начала 60-х годов по 1993 г. объем производства снизился с 50 до 10 млн. т и менее в год, количество работающих в угольной промышленности сократилось с 320 до 6 тыс. чел., производительность труда рабочего беспрецедентно возросла со 160 до 1300 т в год, но вместе с тем затраты на добычу угля достигают в среднем 160 дол. США за 1 т. Правительством Франции было принято решение о постепенном закрытии шахт.

За последние десятилетия прекратили добычу угля Нидерланды, Дания, Бельгия, Италия. Такова же фактически судьба и шахт Великобритании. В Германии за это же время произошло падение объемов добычи с 140 до 65 млн. т в год. Количество работающих в отрасли сократилось с 400 до 90 тыс. чел., число действующих предприятий – с 139 до 17, производительность труда повысилась вдвое, а затраты на добычу 1 т все же составляют 150 дол., что более чем в 3 раза превышает стоимость импортируемого угля. Для ограничения импорта в Германии действует ряд механизмов, обеспечивающих защиту интересов местных производителей, поэтому поставки угля по импорту составляют всего 6 % от общего объема потребления. Надо отметить, что угольные компании Германии для покрытия убытков от добычи во все больших объемах диверсифицируют свою деятельность в такие области, как электроэнергетика, химия, охрана окружающей среды и др. Сейчас деятельность, не связанная с добычей, приносит более 50% прибыли от общего объема доходов.

Таким образом, поскольку добиться стабилизации развития отрасли во всех этих странах не удалось, можно утверждать, что реструктуризация – необходимый, но; как следует из опыта наиболее экономически развитых стран, явно недостаточный элемент для обеспечения конкурентоспособности угольной промышленности. Правительством Украины принято решение о первоочередном закрытии, по меньшей мере, 39 шахт с общей добычей угля 4,8 млн. т. Ликвидация только этих шахт потребует на разрешение различных технических и социальных проблем финансовых средств, эквивалентных 60 млн. дол. США. Такие огромные расходы приведут к снижению средней стоимости угля всего на 4,3%.

Какие же мероприятия необходимо выполнить для поднятия конкурентоспособности угольной промышленности Украины? Ответ на этот важный вопрос определит судьбу угольной отрасли страны. Ниже приведены соображения по этой проблеме.

Украина обладает практически неограниченными запасами угля, однако большая их часть нерентабельна при отработке существующими комплексами, т.е. суммарные затраты на добычу угля превышают его стоимость на рынке. Затраты на добычу включают в себя заработную плату и отчисления (34%), затраты на приобретение материалов и оборудования (30%), оплату за электроэнергию и тепло (25%), прочие (11%).

Совершенствование известных методов и технологий управления горным давлением, средств крепления и способов охраны выработок, внедрение современных технологий диагностики состояния горно-шахтного оборудования и поднятие коэффициента его использования и продления ресурса позволят сократить затраты не более чем на треть, что приведет к снижению до 10 % средней стоимости 1 т угля.

Рост количества убыточных шахт в Украине в последние годы, прежде всего, связан с увеличением глубины, на которой разрабатываются угольные месторождения, со снижением устойчивости боковых пород, возрастанием риска возникновения внезапных выбросов газа, угля и пород и с применением (а вернее приспособлением к изменяющимся условиям) традиционных технологий ведения горных работ, что требует различных дополнительных мероприятий.

Накопленный опыт и результаты фундаментальных исследований, выполненных ИГТМ НАН Украины, показывают, что существует возможность: создания принципиально новых технологий, которые в противовес традиционным не преодолевают, а вовлекают в полезную работу все эти "вредные" факторы; повышения безопасности и эффективности традиционных технологий ведения горных работ в сложных условиях с помощью средств и способов мало энергоемкого управления состоянием и свойствами углепородного массива за счет блокирования или деблокирования свободного разрушения приконтурных пород. Именно это дает возможность отработать более 2 млрд. т некондиционного угля, в том числе и из особо выбросоопасных пластов, на действующих горизонтах, продлить жизнь затухающим шахтам без существенных капитальных затрат.

В структуре общешахтных расходов заметное место занимает заработная плата внутришахтной надстройки. Сегодня численный состав тех, кто добывает уголь (горнорабочих очистных забоев и проходчиков), не превышает 30 % от общей численности.

Все это настоятельно диктует необходимость структурной перестройки управления угольными предприятиями. Реализация таких мероприятий не потребует значительных затрат и при широком использовании современных компьютерных технологий обработки информации, бухгалтерского учета и других служб поверхностного комплекса позволит увеличить рентабельность шахт и уменьшить среднюю стоимость добываемого в Украине угля. Резервы здесь огромные. Так, в 1993 г. в Украине на добыче 100 тыс. т угля было задействовано 1315 чел. (включая административные службы), а в Германии - 128, во Франции – 75, в Великобритании – 43 и в США – 12 чел.

Над снижением всех видов затрат на добычу угля, повышением производительности труда на основных и вспомогательных процессах горного производства трудились многие научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации различных ведомств. Внедрение результатов их работы, в том числе и отмеченные выше, могут дать положительный эффект на шахтах, отрабатывающих легкодоступную часть месторождения.

Для неперспективных же шахт традиционные решения уже не смогут в полной мере развязать их проблемы.

У горного предприятия, как и любого другого, есть свой жизненный цикл, а именно периоды развития, стабильного функционирования и затухания. У предприятий негорного профиля наличие таких циклов связано с периодами освоения новой продукции и насыщением ею рынка, они могут продолжить жизнедеятельность путем изменения вида или качества выпускаемой продукции, сокращения объема или прекращения выпуска продукции, не имеющей сбыта. У горного предприятия такого выбора нет, поскольку его жизненный цикл тесно связан с запасами легкодоступной и рентабельной части месторождения. С переходом на выемку нерентабельной части горное предприятие вынуждено либо остановить работу, либо существовать за счет государственной поддержки. А поскольку государство исчерпало свои возможности, то судьба подобных предприятий представляется очевидной.

Имеется ли альтернатива такому будущему горного предприятия? Да, это – диверсификация деятельности горного предприятия в процессе его жизненного цикла. Однако для реализации этой концепции необходимо многое изменить, в первую очередь, отношение общества, ведомств к освоению и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, проектированию горно-добывающих предприятий, которые кроме выемки угля должны вырабатывать тепло- и электроэнергию, обеспечивать попутную добычу и переработку метана, переработку пород отвалов и шламов, добычу попутных рассеянных и редкоземельных элементов. Даже такой краткий перечень направлений диверсификации указывает на возможность изменения характера и цели функционирования горного предприятия на любой стадии.

Как известно, одной из актуальных является проблема метана, который существенно осложняет ведение горных работ, требует значительных затрат на проветривание выработок и дегазацию пластов, создает реальную угрозу возникновения пожаров и взрывов в зонах его скопления. В то же время шахтный метан – ценнейший энергоноситель, который выбрасывается в атмосферу, загрязняя ее и ухудшая экологическую обстановку угледобывающих регионов.

Ежегодно системы вентиляции и дегазации угольных шахт Украины выбрасывают в атмосферу свыше 3,5 млрд. куб. м метана. Для сравнения: ежегодная добыча природного газа (а он на 90-95% состоит из метана) газодобывающими предприятиями Украины составляет 16-18 млрд. куб. м.

По подсчетам геологов ресурсы метана угольных пластов Донецкого бассейна достигают 1200 млрд. куб. м, в том числе на полях действующих шахт разведанных участков – 970 млрд. куб. м, в границах оценки ресурсов угля – 208 млрд. куб. м. Метан также находится в порах и трещинах пород в свободном виде. Общие прогнозные ресурсы свободных углеводородных газов Донбасса, подсчитанные до глубины 1800 м, составляют 164 млрд. куб. м.

Проблема добычи метана угольных месторождений может быть разрешена при комплексном развитии работ по двум направлениям: из антиклинальных структур, литологически и тектонически-экранированных ловушек в пределах шахтных полей и участков разведки; из техногенных залежей, образующихся в результате ведения горных работ.

Первое направление развивается на основе фундаментальных исследований угольной геологии и геологии нефти и газа с использованием известных закономерностей регионального изменения литологии, тектоники, катагенеза, коллекторских свойств пород в бассейнах. В результате исследований ИГТМ разработаны методы, позволяющие определять региональные границы потенциальной газоопасности угольных отложений, в пределах которых возможен поиск природных залежей метана. Детальное изучение литологии и тектоники угленосных отложений Донбасса в сочетании с анализом результатов геофизических исследований скважин дали возможность выделить локальные факторы условий накопления и сохранения залежей метана, разработать методы их прогнозирования. К ним относятся методы построения карт локальных структур, которые не отражаются на обычных гипсометрических планах; методы выделения стержневых участков палеопотоков, характеризующихся повышенными значениями показателей коллекторских свойств; методы количественной оценки изменчивости кажущихся электросопротивлений, отражающих степень газо- и влагонасыщенности пород. Применение методов и развитие работ в этом направлении позволяют провести экспертную оценку уже существующих геологоразведочных данных без дополнительного бурения, увеличить эффективность геологоразведочных работ. В Донецком бассейне к наиболее перспективным следует отнести районы северной зоны мелкой складчатости и Западный Донбасс.

Второе направление развивается на основе фундаментальных исследований геомеханики, газоаэродинамики, горной и угольной геологии. Учитывая, что в процессе отработки угольных пластов над и под выработанным пространством формируются зоны обрушения, вспучивания, разупрочнения и уплотнения, которые изменяют коллекторские и физико-механические свойства горных пород, углей пластов-спутников и целиков, видоизмененный горный массив можно рассматривать как среду, благоприятную для образования техногенной залежи. Такой массив является одновременно и источником генерации метана, и трещинопористым коллектором его аккумуляции. Функции структуры и покрышки выполняют вышележащие породы, не подвергшиеся влиянию очистных работ или уплотнившиеся вследствие перераспределения напряжений.

Исследования по изменению параметров напряженно-деформированного состояния пород в процессе ведения горных работ и связанных с ним параметров газовыделения позволили разработать ряд методов расчета формирования зон, благоприятных для скопления свободного метана. Эти методы с учетом данных по газоносности, сорбционной метаноемкости углей и пород, природной пористости, влажности и газонасыщенности массива способствуют выполнению прогнозной оценки запасов шахтного метана в техногенных залежах. Следует отметить, что из-за сложного характера изменения напряженно-деформированного состояния горного массива, неоднородности распределения трещиноватости, литологического строения, влажности формы техногенных ловушек существенно отличаются от природных. В процессе ведения горных работ положение техногенных ловушек в пространстве изменяется во времени, только на закрытых шахтах оно стабилизируется.

Эффективность добычи метана из техногенных залежей обусловлена рядом геологических, геотехнических и геомеханических факторов, оценка которых является необходимым условием для начала работ на конкретном шахтном поле. Ряд научных положений по попутной добыче метана уже нашел практическое применение в Донецкой и Луганской областях. Опыт подтверждает целесообразность преобразования предприятий по добыче угля в предприятия по добыче угля и метана. На наш взгляд, это в значительной мере решит проблемы рентабельности горных предприятий.

Еще большие возможности открываются при преобразовании шахты из чисто добычного предприятия в перерабатывающий комплекс. В структуре затрат на добычу угля первоочередными вопросами остаются расходы на электро- и теплоснабжение шахты, управлять этими затратами в условиях монопольного положения энергетики не удается.

Некоторыми организациями изучены вопросы выработки электрической энергии на действующих промышленных котельных. Установлено, что превращение их в малые ТЭЦ технически возможно и экономически целесообразно в широком диапазоне тепловых и электрических нагрузок. При этом доказано, что дооборудование котельных энергоагрегатами повышает надежность и эффективность как тепло-, так и энергоснабжения предприятия, увеличивая его рентабельность. Однако такой путь решения вопроса для шахт, как правило, неприменим, поскольку шахтные котельные вырабатывают пар с начальными параметрами, существенно меньшими, чем 1,3 МПа и 191°С, которые являются нижними границами паровых турбин.

Разработана и нашла распространение прогрессивная технология сжигания твердого топлива в «экологически чистых» котлах, оснащенных топками с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС). Такие технологии позволяют улучшить технико-экономические показатели работы тепловой электростанции, снижают выбросы оксидов азота, пыли и других вредных веществ.

ЦКС обеспечивает эффективную и устойчивую работу котлов на широкой гамме твердого топлива, причем в качестве топлива, сжигаемого в котлах, может применяться широкий спектр низкоэнергетических углей и высокозольных отходов обогащения газовых и коксующихся углей. Допускается снижение теплотворной способности топлива до 3500 ккал/кг. Применение котлов ЦКС решает проблему тепло- и электроснабжения шахты.

Эффективность работы шахтного теплоэнергетического комплекса обусловливается использованием дешевого местного топлива (отходы добывающих предприятий и рядовой необогащенный уголь шахты); комбинированной выработкой электроэнергии и тепла в так называемом режиме «электроэнергия на тепловом потреблении». В этом случае себестоимость тепла в 4-5 раз ниже, чем выработанного в котельных на импортном природном газе, а электроэнергии – в 5-10 раз ниже, чем на больших ГРЭС.

Эффективность технологии сжигания в кипящем слое возрастает при сжигании твердого топлива под давлением (КСД). Однако аппараты КСД – весьма дорогое сооружение, поскольку представляют собой котлы КС, циклоны, емкости для хранения слоя, сборники донной золы и другое оборудование. Они расположены внутри цилиндрического прочного корпуса высокого давления, изготовленного из низкоуглеродистой стали. Например, размеры корпуса высокого давления для ТЭЦ «Вартан» (Швеция): диаметр 13,42 м, высота 20,74 м и толщина стенок 73 мм. Именно поэтому большой эффективности сжигания твердого топлива можно достичь при подземном размещении котельного оборудования и при повышении давления воздуха в тонкостенных котлах, которые расположены в подземных камерах с геометрическими параметрами, обеспечивающими заданную прочность системы «камера – котел» при любых технологически необходимых величинах давления. Исследования ИГТМ совместно с другими организациями подтвердили целесообразность создания теплоэнергетических комплексов малой мощности на базе шахт.

Рассмотрены два варианта его размещения – под землей и на поверхности. Размещение котлов в подземных камерах позволит органично соединить и увязать последовательность горных (очистные и подготовительные работы, транспорт угля, энергоснабжение и водоотлив) и теплоэнергетических (подготовка и подача топлива в топку котла, утилизация отходов сжигания) процессов, а также выдачу на дневную поверхность электроэнергии и утилизируемого вторичного тепла для дешевого теплоснабжения шахтерских городов и поселков. Вместе с тем такие решения требуют проведения ряда НИР и ОКР, согласования со всеми заинтересованными ведомствами, на что понадобятся значительные затраты времени и средств. Поэтому в настоящее время целесообразно строительство наземного варианта шахтного теплоэнергетического комплекса.

ИГТМ выполнено технико-экономическое обоснование строительства наземного энергетического комплекса на базе шахты "Кировская-Западная" объединения Макеевуголь. Показано, что строительство малого энергетического комплекса (24 МВт электрической и 122 Гкал/ч тепловой энергий) на базе шахты «Кировская-Западная» позволит вырабатывать электроэнергию и тепло себестоимостью в 5 и 3,5 раза соответственно ниже действующих тарифов, уменьшить себестоимость добываемого угля на 20 %, получать ежегодно 6,9 млн. дол. США прибыли и окупить капитальные затраты за 3,8 года. Расчеты валовых загрязняющих веществ и максимальных предельных концентраций свидетельствуют о повышении экологических характеристик в районе ведения работ.

Шахта «Кировская-Западная» добывает 300 тыс. т коксующего угля в год, стоимость которого 11,4 млн. грн. После введения в эксплуатацию комплекса «Уголь – Энергия» стоимостная доля товарного угля (255 тыс. т) в совокупном продукте, который будет производиться комплексом, составит 9,7 млн. грн. (30 %) тепловой (326 тыс. Гкал) и электрической (90 млн.кВт.ч.) энергии – 21,9 млн. грн. Это означает, что комплекс, добывающий уголь и вырабатывающий электроэнергию на тепловом потреблении, способен функционировать в режиме самообеспечения, дотируя добычу угля из собственной прибыли.

После отработки рентабельной части запасов комплекс сможет продолжительное время добывать уголь лишь для собственных нужд (50-100 тыс. т), поскольку затраты на топливо для теплоэнергетического комплекса не превысят 10 % суммарной стоимости, отпускаемых тепловой и электрической энергии.

Таким образом, можно отметить следующее. Угольное производство при существующих подходах к освоению месторождений затратно, неэффективно, направлено на выемку только легкодоступной его части. Для обеспечения конкурентоспособности украинских углей, добываемых в очень сложных горно-геологических условиях, необходимо в программе реструктуризации угольной промышленности предусмотреть направления, связанные с перепрофилированием шахт из чисто добычного предприятия в комплексы по переработке угля в тепловую и электрическую энергии и по извлечению всех попутных полезных ископаемых. Такая концепция позволит снять острую социальную проблему шахтерских поселков.

Источники:

1. Волков О.И., Скляренко В.К. Экономика предприятия: Курс лекций. – М.: ИНФРА-М, 2002. – 280 с. – (Серия «Высшее образование»).
2. Головнин С.Д. Оценка результатов хозяйственной деятельности промышленных предприятий. – М.: Финансы и статистика, 1986. – 64 с., ил.
3. Грибов В.Д., Грузинов В.П. Экономика предприятия: Учебник. Практикум. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика, 2006. – 336 с.
4. Смирницкий Е.К. Экономические показатели промышленности. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Экономика, 1980. – 432 с.