Mine of the Future

«Шахта будущего» подразумевает технологию по добыче угля без  присутствия людей в опасной зоне


Эта тема актуальна более 50 лет. В технологии заинтересованы все угледобывающие страны, но пока особых результатов нет…

Мифы и легенды роботизации

Что говорить, если даже у ученых и производственников до сих пор нет четкого определения понятия «безлюдная выемка угля»! Под этим термином сегодня подразумевают способы, предусматривающие как полный вывод шахтеров с места добычи, так и периодическое присутствие их на нем (например, на время ремонта и профилактики оборудования, возведения крепи и т.п.).

К примеру, некоторые кузбасские ученые в качестве примера безлюдной технологии приводят «Хай Волл» (комплекс глубокой разработки пластов или КГРП) — выемку угля с борта разреза. В данном случае комплекс ставят к борту разреза, он выбуривает пласт угля площадью четыре на четыре метра и на 200 (до 500) метров в глубину. Вынимает уголь, сразу отгружает и переходит на следующий участок. Впервые в Кузбассе (и в России) ее испытали на разрезе «Распадский». Однако специалисты Распадской угольной компании уточняют: эту технологию не стоит относить к безлюдным, так как специальным оборудованием там управлял оператор.

Похожая история была на шахте «Котинская». В 2004 году, когда ее запустили в эксплуатацию, предприятие именовали «первой в России безлюдной шахтой» не только журналисты, но и специалисты. Но прошло время… Сегодня «Котинская» по-прежнему хорошо работает, здесь ставят регулярные рекорды по добыче. Но, хотя она действительно напичкана управляемыми дистанционно механизмами, называть ее подземное производство безлюдным уже никто не пытается.

В 2015 году о том, что «впервые в России введена в эксплуатацию лава, позволяющая осуществлять безлюдную выемку угля», сообщила еще одна кузбасская шахта — «Полысаевская». Здесь контроль и управление забойным оборудованием осуществлялись оператором из соседнего штрека благодаря использованию многочисленных датчиков, установленных на комбайне, силовой гидравлике секций крепи, а также специальных видеокамер. По словам разработчиков (представителей российских и немецких компаний), на то время в мире подобная технология применялась только на одной шахте в Австралии.

О приоритетах говорили, однако, не только в Кузбассе.

«Единственной шахтой в России, где применялась безлюдная система выемки угля из крутых лав (уголь после взрывных работ самотеком шел на транспортеры)» в свое время позиционировала себя шахта «Калачевская» в Челябинской области. Впрочем, это предприятие было закрыто еще в 1995 году.

В 2006 году о запуске лавы с безлюдной добычей угля объявляла шахта «Северная» в Республике Коми (уточнялось, что процесс добычи контролируется оператором дистанционно с помощью компьютера). Она стала печально известной после случившейся в 2016 году аварии с человеческими жертвами.

Сегодня при обсуждении проблемы, с учетом необходимости присмотра за техникой в месте добычи, наряду с термином «безлюдная выемка» нередко применяют альтернативные формулировки, типа «выемка без постоянного нахождения людей в очистном забое», «выемка с периодическим присутствием людей в очистном забое», «выемка без присутствия людей в очистном забое».

Идея заменить живых горняков на роботов, конечно, весьма заманчива, ведь механические машины могут выполнять производственные задачи в строго запрограммированном алгоритме (можно не переживать за так называемый человеческий фактор, часто становящийся причиной аварий и ЧП), не нуждаются в еде и отдыхе, не требуют заработной платы, отпусков и больничных. С другой стороны, на самотек здесь все равно процесс пустить невозможно. Возьмем, к примеру, ситуацию с накоплением метана в шахте. В истории угледобычи немало трагедий, связанных с взрывами газа — таких, как на шахте «Ульяновская» в Кузбассе, который унес жизни 110 горняков. Ну а если гипотетически представить, что роботы-шахтеры наткнутся на залежи метана, «рванутся» к выходу из лавы, и один из них при этом случайно заискрит?

— На сегодняшний день при проведении подземных горных выработок системы автоматизации не учитывают все нюансы горно-геологических условий месторождения. Как правило, мы имеем дело с пологоволнистым залеганием пласта, и при проведении выработок приходится вносить оперативные корректировки работ, что называется на месте. То есть без участия человека здесь не обойтись, — комментирует Владимир Хрипков, директор по производству Распадской угольной компании.

— Идея безлюдной шахты будет актуальна всегда — ведь это в первую очередь безопасность. И задачу создать подобную технологию перед учеными государство поставило еще в 1950-1960-е годы прошлого века. Но на деле такую технологию еще никто не применяет, — уточняет Ирина Семыкина, доктор технических наук, директор института энергетики Кузбасского государственного технического университета. — Причина проста: горная машина, какой бы умной она ни была, ничего не решает без человека. Который всегда должен иметь возможность, скажем так, последним нажать кнопку.

Партнеры по добыче

Поэтому сейчас в основе научных интересов — максимальная автоматизация, компьютеризация и роботизация всех возможных процессов добычи и переработки угля, направленных на обеспечение высокой производительности труда и сокращение присутствия шахтеров в опасных зонах. Ну а сам шахтер будет нужен в большей степени для того, чтобы координировать работу машины на безопасном расстоянии.

Инвестиционные планы по добыче угля в Кузбассе на ближайшую перспективу связывают с высокотехнологичными проектами и в связи с тем, что власти региона сегодня выступают против выдачи лицензий на освоение новых месторождений.

— Сейчас мы активно внедряем digital-технологии на своих предприятиях, — рассказывает Владимир Хрипков. — Так, на разрезе «Распадский» уже в ближайшее время будет запущен комплекс для проведения аэрофотосъемки с использованием беспилотного летательного аппарата, проще говоря, квадрокоптера. Но беспилотниками будут управлять наши маркшейдеры. На шахтах компании начальники участков, руководители технических служб начинают использовать искрозащищенные планшетные компьютеры, чтобы оперативно следить за ходом работ и передавать информацию по смене. А тот же подземный Wi-Fi, думаю, сейчас уже мало кого удивит...

Использованием беспилотников заинтересовались и ученые Кемеровского государственного университета, начавшие в 2017 году разрабатывать проект «Цифровой интеллектуальный карьер». Как рассказал один из разработчиков идеи, Антон Стефанкин, сотрудник научного инновационного управления вуза, умные дроны должны будут следить за температурой на участке горных работ, что позволит предотвратить возможные возгорания. Проект выиграл федеральный грант на 50 миллионов рублей.

Инновационный комплекс «Умная шахта», который используется для контроля за точечным местоположением и состоянием шахтеров и позволяет оценивать газовую обстановку на шахте, с 2015 года реализует компания «СУЭК-Кузбасс». В его основе находится программный комплекс «Вентиляция» и технология Granch SBGPS, которая является подземным аналогом ГЛОНАСС. На касках рабочих закрепляются специальные устройства, обеспечивающие как возможность общения, так и передачу видеоизображения. Поэтому подземные работники могут общаться между собой и с людьми на поверхности. Сообщения для шахтеров выводятся на индивидуальные светильники, туда же встроены фотокамеры.

В России также проводятся работы по реализации проекта роботизированных карьеров. В частности, компания «ВИСТ Групп» (резидент Государственного фонда «Сколково») с 2012 года трудится над проектом «Интеллектуальный карьер», получив федеральный грант 20 миллионов рублей. Кроме того, уже в 2017 году было объявлено, что ряд инвесторов готовы вложить в разработку проекта 400 миллионов рублей.

Заявленная цель — создать роботизированные автономные самосвалы, дистанционно управляемую погрузочно-разгрузочную технику и так далее. Компания в 2016 году показала в Минске на испытательном полигоне первый в мире роботизированный самосвал БелАЗ, способный выполнить весь производственный цикл: были продемонстрированы выход на маршрут с условной площадки пересменки, движение к погрузчику, остановка для погрузки, движение груженым на разгрузку, разгрузка и возврат на исходную точку

Однако до промышленного выпуска «интеллектуальных» автономных грузовиков пока так и не дошло. Как, впрочем, и до анонсированного еще на 2015-2016 годы создания в России первого роботизированного производства открытых горных работ. Пока, как сообщила компания, «ведутся активные разработки в области программного и аппаратного обеспечения».

Почему же горнодобывающие компании не спешат выстраиваться в очередь, чтобы опробовать научные новинки?

— Мы внимательно следим за тем, какие технологии внедряются мировыми лидерами угледобычи. Нам интересен в том числе опыт использования беспилотных карьерных самосвалов. Но нужно отчетливо понимать, что разрез — это не ровная автомагистраль, которую можно оснастить необходимой разметкой, датчиками, и машина уже едет сама без водителя. Здесь особый рельеф с серпантинами технологических дорог и перепадом высот, — отмечает Владимир Хрипков.

— Следует понимать, что угольная отрасль — достаточно консервативна, и к научным новинкам здесь, как правило, подходят с осторожностью, — говорит Ирина Семыкина. — Ученому недостаточно выйти с какой-то технологией к производственникам, главное — суметь их убедить в реальности твоего проекта. А как производственник мне поверит, если идея — только в теории и совсем непонятно, сможет ли она окупиться хотя бы в перспективе? Зато он четко понимает, что первоначальная закупка роботизированной техники — очень серьезное финансовое вложение. Так что пойдут тебе навстречу или нет, зависит от разных нюансов.

Отметим и еще один аспект — более не финансового, а социального плана. Замена живых горняков на машины предполагает сокращение рабочих мест. А если оно получится достаточно масштабным? Надо ли напоминать, чем это может обернуться для территории, большей частью завязанной на добыче черного золота?

Конечно, научно-технический прог­ресс не стоит на месте, и задачей угольщиков остается, как говорится, быть в тренде и внедрять те технологии, которые помогут сотрудникам предприятий делать свою работу более эффективно и, что самое важное, безопасно.

А как у них?

В мире пока есть только одна шахта в Австралии (правда, не угольная, а железнорудная), где был внедрен полный цикл автоматизации — от постановки крепежа до транспортировки руды на поверхность, ее сортировки и взвешивания. Разработка принадлежит горнорудному гиганту «Рио Тинто» и является площадкой для реализации концепции корпорации под названием «Шахта будущего» Mine of the Future.

Пилбара — регион в западной части Австралии, знаменитый своими полезными ископаемым и жарой. Этому региону принадлежит, например, мировой рекорд по продолжительности жары выше 100 градусов по Фаренгейту (37,8 градуса Цельсия) — 160 дней. Здесь на гигантской территории живет менее 40 тысяч человек и почти 9 тысяч из них заняты в добыче железной руды. Руды столько, что даже при самой интенсивной добыче ее хватит более чем на 50 лет.

Представим себе, как функционирует обычное месторождение в Пилбаре. Крайне редко бывает, чтобы полезные ископаемые выходили прямо на поверхность. Чтобы добраться до рудного тела, необходимо предварительно вскрыть и вывезти в отвалы пустую породу, покрывающую месторождение, причем для добычи 1 тонны руды в среднем приходится вывозить 3-6 тонны (а в отдельных случаях — до 25 тонны!) породы. Объемы добычи руды напрямую зависят от объемов вскрыши, и именно поэтому на вскрышных работах задействованы самые большие самосвалы и экскаваторы.

Предварительно разведанный и размеченный горными инженерами-маркшейдерами участок превращается в некое подобие дуршлага: мощные буровые станки забуривают в предназначенном к взрыву блоке породы десятки и сотни взрывных скважин, расположенных в строго определенном порядке. Взрывники при помощи специального «зарядного автомобиля» заполняют подготовленные скважины взрывчатым веществом, устанавливают и соединяют в единую цепь детонаторы, после чего устраивают маленькое землетрясение, в результате которого прочный скальный массив превращается в груду обломков. Затем в забой прибывают огромный экскаватор и бульдозеры. Бульдозеры зачищают площадку для работы экскаватора, а грейдеры формируют более-менее ровные дороги. Далее в дело вступают гигантские карьерные самосвалы Komatsu 930Е-4АТ и дизель-гидравлический экскаватор PC5500. Один за другим самосвалы подъезжают на место погрузки, принимают в свой «кузовок» привычные 290 тонн, и отправляются для разгрузки на отвалы — рукотворные горы, непременный атрибут любого горнодобывающего предприятия.

Когда освобождается доступ к рудному телу — взрыв повторяется, после чего карьерные самосвалы несколько меньшей грузоподъемности начинают вывозить руду на обогатительную фабрику, где ее размалывают в однородную массу и предварительно очищают от примесей. Обогащенную руду отправляют на рудный склад, откуда роторным экскаватором перегружают в вагоны. Чуть больше трех часов необходимо для загрузки 2,5-километрового поезда, и вскоре стальная змея массой около 26 тысяч тонн, грохоча, устремляется к морю. Там руда грузится в трюмы кораблей-рудовозов, которые уже через неделю встанут на рейде одного из японских, китайских или южнокорейских терминалов. Еще через пару дней она превратится в сортовой прокат.

В этом процессе задействованы сотни людей и десятки тяжелых механизмов, которые обязаны работать по жесткому графику, и это при температуре +50° С и висящем над дорогой облаке рыжей пыли, которое не в силах прибить к земле даже поливальная машина. Кабины современных бульдозеров, карьерных самосвалов и экскаваторов оснащены кондиционерами, атермальными стеклами, удобными сиденьями, но даже они не в состоянии полностью избавить операторов от шума и вибрации. Очень напряженная и при этом монотонная работа приводит к быстрому утомлению, а следовательно — и к ошибкам. Но любая ошибка на разрезе, где в ограниченном пространстве с максимальной интенсивностью работает множество многотонных машин, может привести не только к серьезной аварии, но и к трагедии. Подавляющее большинство аварий на открытых горных разработках происходит по причине пресловутого человеческого фактора.

Идея об автоматизации технологических процессов при открытой разработке месторождений пришла в голову инженерам Komatsu в конце 1990-х. В их активе имелась система Vehicle Health Monitoring System (VHMS), представляющая собой бортовой комплекс устройств диагностики узлов и систем карьерного самосвала в сочетании с постоянным двусторонним каналом связи между машиной и оператором сервисной службы. Технический персонал смог получать упреждающую информацию о состоянии систем и прогнозировать, какие узлы и в какой срок потребуют замены или обслуживания. Если японцам удалось научить машину жаловаться на свое здоровье, то почему бы не пойти дальше — доверить электронике руль и педали? Для решения этой задачи Komatsu приобрела американскую компанию Modular Mining Systems, и к 2005 году первые роботы-самосвалы, оснащенные фирменной технологией FrontRunner, поступили на обкатку в чилийские медные карьеры компании Codelco.

В декабре 2008 года Rio Tinto и Komatsu запустили бета-версию Mine of the Future на площадке А разреза Вест-Анджелас. Каждый 930Е-4АТ в Пилбаре оснащен телекамерами, радарами, лазерными дальномерами, GPS-навигацией, беспроводной связью и системой распознавания препятствий. Управление машиной полностью возложено на компьютер: оператор лишь наблюдает за работой самосвала. Искусственный интеллект FrontRunner способен запоминать рельеф местности, формируя виртуальную трехмерную карту. Шестиколесные монстры снуют по площадке со скоростью более 50 км/ч, что почти вдвое выше, чем у бывалых водителей. Столкновения и заторы здесь невозможны: точность ориентации роботов-самосвалов во времени и пространстве почти хирургическая — всего 1−2 см отклонения от заданных координат!

Зона погрузки поделена на виртуальные секторы. Поднятый ковш экскаватора дает сигнал очередному самосвалу — давай сюда! Кстати, чилийский опыт Komatsu показал, что управление экскаватором все еще невозможно без опытного оператора в кабине, но вскоре и его место займет искусственный разум. Бульдозеры и грейдеры уже управляются дистанционно из операционного центра в Перте. Центр связан с Пилбарой дублированным оптическим кабелем и резервным спутниковым каналом. В его кондиционированных помещениях 320 операторов визуально контролируют работу всех машин через 440 мониторов. Единственным пилотируемым звеном процесса остается перевозка руды к морю — Rio Tinto приступит к роботизации своей железнодорожной сети через пару лет.

Еще одно выдающееся технологическое достижение в рамках проекта Mine of the Future — автоматизация сложнейшего процесса бурения взрывных скважин для вскрыши породы. Старинный партнер Rio Tinto компания Terex Mining, специализирующаяся на буровом оборудовании, разработала для роторных буровых станков SKSS и SKF программное обеспечение и комплекс телематики, базирующийся на GPS-позиционировании. Четыре гусеничных агрегата, оснащенных пневматическими компрессорами высокого давления Sullair 1,500CFM, позволяют использовать для бурения не только обычный вращающийся бур, но и погружной пневмомолот. Буровой робот может вгрызаться в породу на 6 м/ч быстрее, чем такая же машина с оператором в кабине. Скважины автоматически укрепляются и расширяются снизу вверх, от забоя к устью, для более эффективного подрыва заряда.

Еще раз напомню, что операторы, присматривающие за производственным процессом, находятся почти за полторы тысячи километров от места добычи. А значит, и там человек все равно встроен в технологическую цепочку…

Марина АЛЕКСАНДРОВА


Юрист Сухининой