Технологическая цепочка угольной промышленности

По подсчетам Министерства энергетики РФ, запасы угля в России превышают 400 млрд тонн, чего хватит – при современном уровне добычи – на 350 лет. По данным Росстата, суммарная добыча угля всех марок в январе – октябре 2023 г. составила 353 млн т, что на 0,7% больше, чем за десять месяцев прошлого года. По состоянию на на январь 2023 года добычу угля в Российской Федерации осуществляло 176 угольных предприятий, в том числе 50 шахты и 126 разрезов.

Уголь – вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода.

Под воздействием давления и температур залежи торфа на протяжении веков превращались в породу. Сначала – в бурый уголь, затем – в каменный уголь, который трансформировался в антрацит. В зависимости от степени углефикации (фазы углеобразования) уголь принято делить именно на эти три вида. Каждый из них имеет свои характерные свойства, которые напрямую влияют на его качество.

Бурый уголь содержит 50–70% углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей (степень углефикации косвенным образом указывает на возраст угля; как правило, чем выше фаза углеобразования, тем древнее материал). Бурый уголь содержит много воды и большое количество летучих веществ (до 50%.), теплота его сгорания (калорийность) – низкая, составляет всего 4000–5700 ккал\кг.

Большая часть этой породы залегает неглубоко, поэтому добывают ее открытым способом. Используется бурый уголь как местное топливо – для отопления частных домов (при наличии котельной в отдельном помещении), хозяйственных построек, промышленных объектов, покупается небольшими ТЭЦ, – а также как химическое сырье.

Уголь подразделяют также на марки. В основу такого подразделения положены параметры, характеризующие поведение углей в процессе термического воздействия на них. Бурый уголь одновременно является и видом, и маркой.

Каменный уголь старше бурого угля, это более крепкое, твёрдое и тяжёлое полезное ископаемое, которое обычно залегает на глубинах от 2 км.

В этой породе содержится от 75 до 95% углерода и небольшое количество (5-6%) влаги. За счёт высокой калорийности – от 5500 до 7500 ккал/кг – каменный уголь является более качественным топливом, чем бурый.

Среди основных марок можно выделить длиннопламенный (Д), газовый (Г), жирный (Ж), коксовый жирный (КЖ), коксовый (К), отощённый спекающийся (ОС) и тощий (Т). Содержание углерода в углях последовательно увеличивается от 70 до 92% от марки Д до марки Т. Одновременно с этим уменьшается выход летучих веществ.

Главные сферы использования каменного угля – энергетика и металлургия. Коксующийся уголь – основной компонент сталелитейного производства. При производстве кокса и полукокса побочными продуктами переработки каменного угля являются многие химические продукты, на основе которых получают пластмассы, лаки, краски и другие продукты. Каменные угли пригодны для получения жидкого топлива (путем гидрогенизации или газификации).

Наивысшей степенью углефикации обладает антрацит, залегающий на глубинах около 6 км. Он практически лишен влаги примесей, но одержит около 94% углерода. Такие свойства обеспечивают очень высокую удельную теплоту сгорания – 8100-8350 ккал/кг. Выход летучих веществ колеблется от 3 до 4%.

Как и бурый уголь, антрацит одновременно является и видом, и маркой.

Антрацит широко используется как высокоэффективное бездымное топливо.

Способов угледобычи два: подземный и открытый.

Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. Самая глубокая угольная шахта в России – «Комсомольская», глубина разработки – 1100 метров.

Разработка ведется открытым способом в угольных разрезах, если угольный пласт залегает неглубоко – самым глубоким угольным карьером в России (и Евразии) является Коркинский разрез глубиной более 500 метров.

При выборе первого способа разрабатывается проект сооружения шахты; второго – определяются площадь и глубина вскрышных работ.

У каждого из способов есть преимущества и недостатки. Так, при подземным горных работах способ выработки предполагает добычу более чистого угля при незначительных объемах перемещения пустых пород, однако показатели извлечения ниже, чем при открытом способе угледобычи, а удельные капитальные затраты больше. Также подземный способ накладывает ограничения на применения высокопроизводительной техники и опасность таких работ значительно выше. Открытые горные работы в свою очередь могут предоставить более безопасные и комфортные условия труда и возможность обеспечения высокого уровня автоматизации, но необходимо учитывать необходимостью удаления значительных объемов вскрышных пород, генерирующих большую часть затрат, а также зависимость от климатических условий, отчуждение значительных площадей и нарушение водного баланса недр.

Для организации добычи угля необходима лицензия, выдача которой осуществляется Федеральным агентством по недропользованию. Обычно лицензия на разработку угольных месторождений выдается в результате проведения аукциона. На момент получения лицензии, способ разработки месторождения чаще всего уже определен и задокументирован.

Добыче угля также предшествует проведение нескольких этапов геологоразведочных работ – создание информационной базы и оценки месторождения. По результатам геологических исследований строится модель месторождения, которая позволяет планировать горные работы на протяжении всего срока разработки. Далее порядок действий разнится в зависимости от выбора.

Шахта – это комплекс горных выработок, а также сама такая выработка, имеющая выход на поверхность земли (иначе – шахтный ствол). Горная выработка – искусственная полость в земле или под землей, образующаяся в результате угледобычи.

Горные выработки могут быть предназначены для добычи, вентиляции, транспортировки или водоотлива, бывают вертикальными, наклонными и горизонтальными.

Все процессы подземной угледобычи можно разделить на проходческие и очистные работы.

Задача проходческих работ – провести подготовительные горные выработки для последующей добычи угля. К основным проходческим работам относятся: бурение – процесс разрушения горных пород буровым оборудованием, взрывание, выемка, транспортировка с помощью конвейера, крепление кровли.

Очистные работы – работы по извлечению полезного ископаемого при подземном способе разработки. Для проведения очистных работ необходимо установить крепь, установить очистной комбайн, смонтировать конвейер и начать отбойку – отделение от общего массива кусков полезных ископаемых.

Сегодня технологическую поддержку вышеперечисленных работ выполняет одна единица оборудования – угольный комбайн: проходческий или очистной соответственно.

Задачей проходческого комбайна является разрушение массива горных пород, а также погрузки горной массы в транспортное средство.

Очистной комбайн – комбинированная горная машина, одновременно выполняющая операции по разрушению полезного ископаемого и его погрузке на конвейер. Очистной комбайн передвигается по угольной лаве. Лава – очистная выработка большой протяженности, один бок которой образован поверхностью угольного массива, а другой – породами выработанного пространства.

Важным процессом является также дегазация и оценка состояния горного массива – в процессе выработки изменяются давление и напряжение в массиве и скорость выделения газа (сегодня для контроля состояние воздушной среды в шахте устанавливаются датчики). Для обеспечения безопасности необходимо установить за ними пристальный контроль.

После добычи уголь транспортируется из шахты на угольный склад и после сортировки может быть направлен как на обогатительную фабрику, так и конечному потребителю.

При открытой добыче весь комплекс производственных процессов делится на вскрышные работы и выемку угля.

Вскрышные работы – это удаление пустых пород, покрывающих полезные ископаемые. Если пустая порода крепкая, ее разрыхляют при помощи буровзрывных работ: бурят скважины, закладывают в них взрывчатое вещество и подрывают его. Затем следует экскавация, погрузка вскрыши в автосамосвал и транспортировка горной массы в отвал.

Коэффициент вскрыши – показатель, который отражает соотношение объема вскрышных работ к объему добычи 1 тонны угля. Величина этого коэффициента определяется глубиной залегания угольных пластов и параметрами месторождения.

Экскавацию вскрышных пород как правило выполняют экскаваторы типа механическая лопата, а выемка угля выполняется гидравлическими экскаваторами.

Уголь добывают на пластах мощностью от 1 до 30 метров. Качество угля определяется следующими параметрами: влажность, зольность, калорийность, пластический слой. При отработке пласта выполняются дополнительные операции (водоотведение, оконтуривание, зачистка), которые позволяют минимизировать потери в объеме и качестве угля.

В настоящее время основной способ транспортировки горной массы – автомобильный (на него приходится более 90% транспортировок), однако существуют альтернативные варианты: конвейерный способ, железнодорожный способ и гидромеханизация (транспортировка по воде). Они являются более затратными и требуют большей квалификации предприятия.

Из-за ведения горных работ в горном массиве изменяется давление пород и процессы движения, что может привести к оползням, поэтому техническим службам предприятия необходимо контролировать состояние массива горных пород. Датчики, измеряющие скорость и направление движения массива, устанавливаются в заранее определенных точках.

Как уже упоминали, открытый способ угледобычи менее опасен для сотрудников предприятий и более экономически выгоден, однако при этом появляются большие выработанные пространства, которые необходимо рекультивировать после окончания отработки.

Следующий этап – обогащение и переработка угля на обогатительной фабрике.

Обогащение угля – это процесс, при котором в топливе уменьшается содержание минеральных примесей и пустых пород, а также повышаются потребительские свойства, например, калорийность.

Предварительно уголь делится на сорта по размеру кусков сортировка происходит при помощи грохочения: обработки материала с помощью виброгрохотов через сита с разным размером ячеек.

Наиболее широко применяют так называемые гравитационные методы разделения угля и породы по их плотности в водной (мокрое обогащение) или в воздушной (сухое обогащение) средах.

Обогащенный уголь (концентрат) может быть подвергнут брикетированию или коксованию.

Получаемые в результате обогащения полезных ископаемых мелкие и тонкие концентраты (и другие продукты обогащения) часто бывают непригодными для дальнейшей переработки или прямого использования. Поэтому для возможности дальнейшей переработки или повышения эффективности использования применяются операции брикетирования. Брикетирование – процесс окускования мелкозернистых материалов за счет прессования под давлением с целью получения из них брикетов. Брикетированию подвергаются бурые угли, мелкие классы каменных углей и антрацитов, полукоксовая и коксовая мелочь.

Угли, применяемые для коксования, обогащаются с целью получения получения концентрата определенной и равномерной влажности, зольности и содержания серы. Путем нагревания угля необходимых свойств при температурах 950-1100°С без доступа кислорода получают кокс – твердый пористый продукт серого цвета. Каменноугольный кокс применяют в металлургии как высококачественное бездымное топливо.

После получения конечного продукта уголь поступает на транспортировку для потребителя.