Комплексные решения для угледобычи и безопасности горных работ

1. Технологии угледобычи

1.1 Добыча угля взрывным способом

1880-е годы – начало 1960-х годов

Добыча угля взрывным способом является относительно устаревшей технологией угледобычи, официальное название – технология добычи угля с использованием взрывных работ. Её ключевой технологический процесс: отбойка угля взрывом, последующая в основном ручная погрузка угля, транспортировка угля конвейерами и крепление кровли с использованием отдельных гидравлических стоек (или металлических фрикционных стоек).

По сути, данный процесс является трудоемким и сильно зависит от ручного труда, его часто описывают формулой «отбойка угля взрывом с открытым огнем, ручная погрузка угля, транспортировка с использованием человеческой или тягловой силы».

Из-за технических ограничений добыча взрывным способом имеет три очевидные проблемы: во-первых, серьезные потери ресурсов, коэффициент извлечения на очистном забое обычно составляет всего 30–40%; во-вторых, чрезвычайно высокая интенсивность труда и тяжелые условия работы; в-третьих, высокие риски безопасности с частыми авариями, связанными с обрушением кровли и газовыделениями. В целом, данная технология имеет низкую эффективность и не обеспечивает надежную безопасность.

1.2 Обычная механизированная добыча

1960-е – 1970-е годы

Обычная механизированная добыча, сокращенно называемая обычной механизацией, относится к технологии угледобычи, при которой для отбойки и погрузки угля используется техника, для транспортировки угля – конвейеры, а для крепления кровли – отдельные гидравлические стойки (или металлические фрикционные стойки).

С внедрением угольных комбайнов процессы угледобычи вступили на этап механизации. Сформировалась типичная система оснащения: однобарабанные комбайны для отбойки угля, гибкие скребковые конвейеры для транспортировки угля и отдельные стойки для крепления кровли, что ознаменовало базовое формирование обычной механизированной добычи. По сравнению с добычей взрывным способом, обычная механизация позволила реализовать механизированную отбойку и погрузку угля, но работы по креплению все еще требовали ручного труда, относясь к частичной механизации с ограниченным уровнем механизации.

1.3 Полностью механизированная добыча

Ранние 2000-е – 2010 год

Полностью механизированная добыча, сокращенно полная механизация, относится к технологии угледобычи, при которой для отбойки, погрузки и транспортировки угля используется техника, а для автоматического крепления кровли – самоходные гидравлические крепи.

Её техническое ядро заключается в «сопряжении трех машин»: скоординированной работе угольного комбайна, скребкового конвейера и гидравлической крепи. По сравнению с обычной механизацией, полная механизация позволила реализовать автоматизацию процесса крепления – рабочие operate под защитой «железных столбов», сформированных гидравлической крепью, что значительно повысило безопасность. С внедрением технологии электрогидравлического управления полностью механизированная добыча достигла полной механизации и автоматической сопряженной работы всего процесса добычи, представляя собой современное, высокопроизводительное, высокоэффективное, безопасное и надежное направление угледобычи.

1.4 Интеллектуальная добыча

2010 год – настоящее время

Интеллектуальная добыча является новой моделью добычи с интеллектуальным диспетчерским центром в качестве ядра, интегрирующей скоординированный интеллект всей системы, включая добычу и проведение выработок. Её технологический замкнутый цикл охватывает четыре уровня:

• Интеллектуальное восприятие: сбор данных о геологических условиях, статусе оборудования и параметрах окружающей среды в режиме реального времени с помощью датчиков и связи 5G;
• Интеллектуальное принятие решений: оптимизация планов добычи и прогнозирование рисков с помощью алгоритмов искусственного интеллекта и анализа больших данных;
• Интеллектуальное управление: беспилотная работа очистного забоя на основе систем электрогидравлического управления и технологии автоматической отбойки;
• Интеллектуальное эксплуатационное обслуживание: обслуживание оборудования в течение всего жизненного цикла через прогнозирование неисправностей и управление состоянием здоровья.

Под действием технологий 5G+ИИ в сочетании с точным моделированием прозрачной геологии и концепцией зеленого низкоуглеродного развития, в конечном итоге достигается работа подземных участков с минимальным количеством персонала или полностью беспилотная эксплуатация и естественная безопасность шахты.

2. Технологии проведения горных выработок

2.1 Этап 1: Ручной и ранний взрывной этап (до 1950-х годов)

Раннее проведение выработок в основном зависело от ручной выемки отбойными молотками. Небольшое количество пород обрабатывалось бурением и взрывом с помощью фитилей. В первые годы образования Китайской Народной Республики широко использовались электрические и пневматические бурильные молотки, началось проведение выработок в полутвердых и твердых породах. Технология взрывных работ постепенно совершенствовалась, например, был внедрен метод котлового взрыва. Погрузка полностью зависела от ручной лопатной работы, интенсивность труда была чрезвычайно высокой.

2.2 Этап 2: Механизированный взрывной этап (1950-е – 1970-е годы)

Данный этап имел в качестве ядра буро-взрывной метод, технологии проведения выработок постоянно совершенствовались. С 1953 года широко использовались мгновенные детонаторы и взрывные машинки, внедрялись методы забоя, такие как клиновой забой и параллельный щелевой забой, а также бурение несколькими бурильными машинами. В 1970-х годах успешно апробирована миллисекундная взрывка, что позволило реализовать одновременную взрывку полного сечения выработки и значительно повысило безопасность и эффективность. Появилась механизированная погрузка. В 1951 году были внедрены советские погрузчики угля и породы, а после 1970 года основным оборудованием стали скребковые погрузчики породы, что значительно повысило уровень механизации погрузки. В области крепления деревянные и цементные крепи постепенно заменялись металлическими крепями и анкерной крепью. В 1968 году была апробирована технология анкеровки с торкретированием.

2.3 Этап 3: Начальный этап комплексной механизации (конец 1970-х – 1990-е годы)

Для соответствия полностью механизированной добыче угля с 1979 года были внедрены проходческие комбайны для угольных выработок, такие как австрийский AM-50 и продукция японских производителей, что позволило заменить буро-взрывной метод фрезерной технологией и начать комплексно-механизированное проведение горных выработок. Параллельно широко внедрялись механизированные линии работ со скребковыми погрузчиками породы, сформировались различные режимы механизированных работ для горизонтальных выработок, наклонных стволов и других типов выработок. К 1985 году уровень механизации проведения выработок и погрузки возрос до 64%, но буро-взрывной метод оставался базовой технологией.

2.4 Этап 4: Этап быстрой проходки и готового комплекта оборудования (ранние 2000-е – 2020-е годы)

Для устранения несоответствия между темпами добычи и проведения выработок были достигнуты прорывы в технологии быстрой проходки. Сформировались четыре основных типа систем быстрой проходки, во главе которых стоят непрерывные комбайны, комбайны-анкеровщики, проходческие комбайны и щитовые проходческие комплексы полного сечения для угольных шахт. К технологическим инновациям относятся проведение двух выработок параллельно, совмещение проходки и анкерирования, пространственно-временное многомерное синхронное быстрое проведение выработок, что сломало традиционный режим «сначала пройти, потом закрепить». Оборудование для анкерного крепления эволюционировало от отдельных бурильных машин к бурильным машинам с одно按键ным управлением и бурильным комплексам, что значительно повысило безопасность работ. Средняя скорость формирования выработок щитовыми проходческими комплексами полного сечения для твердых пород превысила 400 метров в месяц, в технологии механического разрушения пород были достигнуты прорывные успехи.

2.5 Этап 5: Этап интеллектуальной проходки (2020-е годы – настоящее время)

В настоящее время отрасль движется в направлении интеллектуальной проходки с минимальным количеством персонала и полностью беспилотной эксплуатации. К ключевым технологиям относятся точное позиционирование оборудования (компьютерное зрение + инерциальная навигация), направленная проходка, автономная отбойка, интеллектуальное крепление, скоординированное управление группой оборудования и системы интеллектуального управления на основе цифрового двойника. В 2025 году в отрасли была реализована рутинная беспилотная интеллектуальная отбойка в глубокозалегающих угольных выработках большого сечения. Комбайны-анкеровщики могут работать автономно в течение всего процесса, погрешность отбойки контуров выработки контролируется в пределах 3 см. Интеллектуальные роботы для анкерирования интегрируют отбойку, погрузку, транспортировку и бурение с анкерированием для реализации удаленной автоматической отбойки, месячный проход увеличен более чем на 20% по сравнению с традиционной технологией. Под действием технологий 5G+ИИ в сочетании с точным моделированием прозрачной геологии проведение выработок на угольных шахтах постоянно развивается к цели «естественная безопасность, безопасность с минимальным количеством персонала».

3. Предотвращение и контроль пожаров

Сформирована полноцикловая технологическая система «Теоретический анализ – Динамический мониторинг – Инженерные меры предотвращения и контроля – Передовые инновации», поддерживаемая профессиональной командой по реализации инженерных проектов для обеспечения эффективного внедрения технических решений от проектирования до строительства, создавая основной технический барьер для контроля катастроф на шахтах. Благодаря зрелым технологиям и возможностям по реализации проектов, в последние годы было успешно выполнено более десяти крупных проектов по предотвращению и контролю пожаров, накоплен богатый практический опыт.

4. Контроль пыли

Сформирована полноцикловая интеллектуальная комплексная технологическая система контроля пыли на шахтах. Сосредоточившись на ключевых производственных участках, таких как проведение выработок, добыча и транспортировка, мы занимаемся научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими разработками и инженерным внедрением передовых технологий, включая пенное обеспыливание, интеллектуальный контроль пыли и высокоэффективное подавление пыли, предоставляя системные решения для предотвращения и контроля пыли на шахтах.

5. Вентиляция шахт

Сформирована полноцикловая система технических услуг «Точное обследование – Научный анализ – Интеллектуальная оптимизация». Основной бизнес охватывает ключевые области, такие как измерение сопротивления вентиляционной сети, полное тестирование производительности главных вентиляторов и разработка технологии интеллектуальной вентиляции. Благодаря профессиональному преимуществу индивидуальных решений, в последние годы было эффективно выполнено ряд ключевых проектов, создав надежный и проверенный технический барьер для безопасности вентиляции на шахтах.

6. Контроль газа

Сформирована полноцикловая технологическая система для газа угольных пластов, охватывающая «Базовые параметры – Закономерности залегания – Эффективность извлечения – Предотвращение и контроль катастроф». Бизнес охватывает ключевые этапы, такие как измерение параметров, оценка эффективности извлечения, идентификация степени опасности и разработка технологий. Благодаря систематическому техническому развитию был достигнут ряд знаковых результатов, создан прочный технический бастион для предотвращения и контроля газовых катастроф на шахтах. В последние годы было эффективно выполнено более десяти ключевых проектов по контролю газа.

7. Предотвращение пожаров при хранении и транспортировке угля

Самопроизвольное возгорание угля является типичной катастрофой при хранении и транспортировке угля, вызванной окислением угля при определенных условиях. Оно легко приводит к потере угольных ресурсов, снижению качества угля, авариям в области безопасности и охраны окружающей среды. Как поставщик комплексных решений для предотвращения самопроизвольного возгорания угля в течение всего жизненного цикла, мы создаем полноцикловую технологическую систему предотвращения и контроля по принципу «активное раннее предупреждение + точное предотвращение и контроль». Благодаря системам мониторинга на основе самоорганизующихся сетей обеспечивается круглосуточное восприятие в режиме реального времени, раннее обнаружение и раннее определение местоположения очагов возгорания. На основе ингибиторов окисления угля и герметизирующих материалов создан двойной механизм предотвращения: внутреннее химическое ингибирование и поверхностная физическая изоляция. С учетом требований к управлению качеством угля формируются индивидуальные решения для реализации интеграции предотвращения пожаров при хранении и транспортировке угля и поддержания стабильности качества угля, помогая клиентам создать безопасную, экологичную и экономичную систему хранения и транспортировки угля и действительно реализовать принцип «стабильное хранение, надежное сохранение, эффективное управление» углем.

8. Контроль горного давления

Сосредоточившись на сложных геологических условиях работы на угольных шахтах, мы занимаемся тремя основными направлениями: закономерности проявления горного давления, мониторинг и раннее предупреждение, скоординированное предотвращение и контроль, решая проблемы управления горным давлением в сложных сценариях, таких как сверхмощные угольные пласты, проведение выработок по границе выработанного пространства, глубокая добыча и разорванные вмещающие породы. К основным исследованиям относятся измерение и анализ естественных напряжений, динамика проявления горного давления в процессе добычи, предотвращение ударов породы и катастроф, связанных с обрушением кровли, а также исследования технологии снижения давления путем гидравлического разрезания кровли. Посредством сочетания мониторинга на месте, численного моделирования и теоретического моделирования мы точно определяем закономерности распределения, тенденции развития и механизм разрушения горного давления при различных геологических условиях, предоставляя научную основу для оптимизации схем крепления. Благодаря исследованиям закономерностей проявления горного давления мы оптимизируем параметры крепления и корректируем технологию крепления для реализации скоординированной адаптации мер по предотвращению и контролю горного давления и крепления шахт, эффективно снижая риски, связанные с горным давлением, вызванные высокими напряжениями и сильными деформациями, и уменьшая частоту катастроф, связанных с горным давлением.

9. Интеллектуальное строительство

Мы сосредоточены на трех основных областях интеллектуальной вентиляции шахт, скоординированного предотвращения и контроля катастроф и интеллектуального предотвращения и контроля пожаров, занимаемся ключевыми техническими направлениями, такими как создание и оптимизация систем интеллектуальной вентиляции, точное регулирование расхода воздуха, интеллектуальный контроль газа и пыли, а также интеллектуальное управление в чрезвычайных ситуациях. На основе ряда инженерных практик реализовано точное раннее предупреждение и эффективное предотвращение и контроль катастроф, что не только способствует двойному повышению надежности шахтных систем и безопасности эксплуатации, но и является локомотивом трансформации и модернизации управления безопасностью на шахтах в направлении интеллектуализации и детализации.

10. Крепление шахт

Сосредоточившись на ключевых целях стабильности вмещающих пород и предотвращения и контроля рисков в сложных сценариях угледобычи, мы занимаемся ключевыми техническими областями, такими как оптимизация крепления сложных геологических очистных забоев, управление вмещающими породами выработок и скоординированная защита. Основываясь на проблемах производственных площадок угольных шахт, мы преодолеваем технические ограничения крепления в различных сложных условиях работы. Мы сосредоточены на решении проблем крепления в сложных условиях работы, таких как сверхмощные угольные пласты, проведение выработок по границе выработанного пространства, глубокая добыча и разорванные вмещающие породы, формируем дифференцированные технические решения для различных геологических условий. В области оптимизации параметров оставки угольных целиков посредством сочетания численного моделирования и полевых испытаний мы оптимизируем размер и расположение угольных целиков для реализации двойного повышения коэффициента извлечения ресурсов и стабильности вмещающих пород. В области укрепления вмещающих пород выработок с малым угольным целиком мы разрабатываем высокоадаптируемые армирующие материалы и технологии строительства для эффективного подавления деформации выработок и предотвращения обрушения вмещающих пород. В области адаптации схем крепления в сложных геологических условиях мы разрабатываем целевые системы крепления с учетом данных геологических изысканий для повышения эффективности добычи и снижения затрат на крепление, предоставляя надежную техническую поддержку по креплению для безопасной, эффективной и экологичной добычи угля.

11. Контроль геологических водных катастроф

Мы специализируемся на предотвращении и контроле геологических водных катастроф на угольных шахтах, включая скопление воды в выработанных пространствах, водные катастрофы в зонах расслоения горных пород, напорные воды в подошве угольного пласта и оседание земной поверхности. Мы ведем углубленную разработку ключевых технологий: точное обследование выработанных пространств, высокоточная герметизация каналов прорыва воды, тампонажная реконструкция водоносных горизонтов, тампонажное укрепление водоупорных слоев подошвы пласта, а также тампонаж изоляции надлежащих пород для снижения оседания поверхности. При комплексном обследовании скрытых факторов риска катастроф мы уделяем особое внимание систематическому изучению геологических проблем, таких как геологическая неоднородность, зоны обогащения газом, скрытые опасности прорыва воды и участки концентрации напряжений. Опираясь на сбор в реальном времени и совместную обработку данных наблюдения по принципу «четырех синхронизаций» (синхронизация с процессами бурения, проходки выработок, добычи угля и обрушения горных пород), мы значительно повышаем эффективность оперативного восприятия и обработки геологической информации, способствуем созданию динамических геологических моделей и ускоряем внедрение платформ прозрачной геологии на шахтах.