EFEKTY EKONOMICZNE ZAKŁADU GÓRNICZEGO WYNIKAJĄCE Z ZASTOSOWANIA SYSTEMU KRÓTKO-FRONTOWEGO Witold BIAŁY 1, Milena CYMLER 2 1 Politechnika Śląska, 2 EKOOKNA sp. z o.o Streszczenie: W artykule wskazano na możliwości wykorzystania systemu krótkofrontowego jako alternatywnego systemu eksploatacyjnego, którego zastosowanie ma pozytywny wpływ na efekty ekonomiczne zakładu górniczego. Wykonano analizę porównawczą eksploatacji resztkowej partii pokładu systemem ścianowym oraz systemem krótko-frontowym. Omówiono wyniki przeprowadzonej analizy w wyniku której wykazano, iż zastosowanie systemów eksploatacyjnych (krótko-frontowych) może być dla przedsiębiorstw górniczych ekonomicznie opłacalne, prowadzić do racjonalnego wybierania resztek pokładów. Ponadto, w wyniku zastosowania systemu krotko-frontowego dwukrotnie zwiększono wybranie analizowanej partii pokładu. Słowa kluczowe: eksploatacja pokładów węgla, systemy krótko-frontowe, analiza ekonomiczna 1. WPROWADZENIE Przemysł wydobywczy wciąż pozostaje główną siłą napędzającą rozwój gospodarki światowej i przyczynia się do wzrostu poziomu życia społeczeństwa. Obecnie, aby utrzymać wysoki poziom eksploatacji, każdy zakład wydobywczy powinien nieustannie wprowadzać innowacyjne rozwiązania w zakresie eksploatacji surowców naturalnych. Działania te powinny prowadzić do zwiększenia wydajności oraz redukcji kosztów pozyskiwania surowców. Ponadto, działania te, powinny mieć wpływ na wzrost konkurencyjności przedsiębiorstwa w sektorze wydobywczym. Jednym z problemów do rozwiązania jest stworzenie systemów produkcyjnych o większej elastyczności, które umożliwią dostosowanie systemu do zróżnicowanych warunków pracy. Kluczowe zadania stojące przed polskim górnictwem węgla kamiennego, to poprawa wykorzystania posiadanej bazy zasobowej, której wielkość ma istotny wpływ na żywotność części zakładów górniczych. Podstawowym kierunkiem działań w tym zakresie powinien być (oprócz budowy nowych kopalń, poziomów, udostępniania nowych partii złóż), rozwój technologii umożliwiających efektywne wybieranie tych partii pokładów, które z różnych przyczyn są obecnie zaniechane [1, 2, 5]. W przemyśle wydobywczym, szczególnie przy wydobyciu surowca, poza bezpieczeństwem pracy, główny nacisk kierowany jest na minimalizację kosztów eksploatacji wraz ze zwiększeniem automatyzacji produkcji, przy jednoczesnym ograniczaniu ilości wytwarzanych odpadów. Dlatego też, aktualnie poszukuje się nowych, systemowych rozwiązań dla powszechnie stosownych systemów wydobycia. Systemy te muszą pozwalać również na wybieranie pokładów o nieregularnych oraz nieforemnych kształtach. Uwzględniając kurczące się zasoby węgla kamiennego, niezbędne staje się sięganie po węgiel 1
zalegający w tzw. resztkach jak i w cienkich pokładach. Wg niektórych źródeł, zasoby węgla zalegające w resztach oraz cienkich pokładach szacuje się na blisko miliard ton, co przy obecnych możliwościach wydobywczych polskich kopalń gwarantuje im ciągłą pracę na co najmniej kilkanaście lat. Podobne tendencje można zauważyć na przykładzie niektórych krajów Europy czy Azji (Chiny, Indie, Indonezja, Kazachstan). Ze względu na systematyczne sczerpywanie zasobów węglowych, przedsiębiorstwa górnicze poszukują alternatywnych rozwiązań w tym, eksploatację tzw. resztek. Tutaj alternatywnym rozwiązaniem są zmechanizowane krótko-frontowe systemy eksploatacji. Systemy te, w pełni umożliwiają realizację celów jakim jest efektywne pozyskiwanie surowców, w tym przypadku węgla kamiennego. 2. STOSOWANE SYSTEMY EKSPLOATACYJNE Różnorodność pokładów zmusza przedsiębiorstwa górnicze do stosowania różnych systemów wydobywczych, które różnią się stopniem mechanizacji oraz kierunkiem przesuwania frontu. Systemy te powinny być dobierane zgodnie z wymiarami wyrobisk tak, aby wydobycie było jak najbardziej efektywne i istniała możliwość uzyskania wysokiej koncentracji wydobycia przy najniższych kosztach [7]. Źródło: [12] Rys. 1 Podział systemów wybierania pokładów węgla 2
Analiza technologii eksploatacyjnych stosowanych dotychczas w polskim górnictwie węgla kamiennego pozwala wyróżnić spośród nich następujące systemy wybierania (rys. 1) [4, 8]: systemy długo-frontowe (ścianowe), systemy krótko-frontowe (ubierkowe), systemy zabierkowe, w tym między innymi chodnikowe i komorowo-filarowe) oraz systemy specjalne (podbierkowe, podziemne zgazowanie węgla i inne). System ścianowy eksploatacja tym systemem polega na wybieraniu złoża całą długością ściany i na najczęściej całą wysokością przodka. Stosowany jest głównie przy urabianiu skał (węgla) [6]: zwięzłych za pomocą maszyn lub materiałów wybuchowych, luźnych i miękkich koparkami wielonaczyniowymi łańcuchowymi, a także przy urabianiu mechanicznym skał na bloki i eksploatacji kruszyw naturalnych ze złóż podwodnych. System krótko-frontowy może służyć do wybierania resztek pokładów, parcel o ograniczonych wymiarach oraz parcel o typowych wymiarach, zastępując tym samym systemy długo-frontowe (ścianowe). Systemy krótko-frontowe charakteryzują się dużymi postępami (wskaźnik udziału robót przygotowawczych na jednostkę wydobycia rośnie 2/3 w stosunku do systemu ścianowego) [10, 11, 12]. 3. PRAKTYCZNE ZASTOSOWANIE SYSTEMÓW KRÓTKO-FRONTOWYCH Znaczna część zasobów w polskim górnictwie węgla kamiennego zalega w pokładach gdzie eksploatacja klasycznymi systemami eksploatacyjnymi jest bardzo trudna i nieopłacalna (są to głównie pokłady resztkowe, nieforemne parcele pokładów, pokłady silnie nachylone) [3]. Jednym z takich przedsiębiorstw górniczych u którego występują tzw. resztki, jest producent węgla (głównie koksowego) w Polsce. Przedsiębiorstwo to posiada udokumentowane zasoby bilansowe w wysokości ok 193,4 mln Mg, jednak są to tylko zasoby bilansowe obejmujące pokłady przewidziane do eksploatacji. Na chwilę obecną zasoby operatywne tego przedsiębiorstwa wynoszą jedynie 20% zasobów bilansowych. Głównym powodem tych ograniczeń są obecnie wykorzystywane systemy eksploatacyjne, jak również częściowy wpływ na to mają koncesje jakimi dysponuje przedsiębiorstwo. Obecnie działania przedsiębiorstwa zmierzają do przedłużenia żywotności kopalń. Zarząd przedsiębiorstwa ubiega się o koncesje na udostępnienie nowych zasobów. Wykorzystanie alternatywnych systemów eksploatacji może pomóc przedsiębiorstwu zwiększyć zasoby operatywne w trakcie ubiegania się o koncesje. Zastosowanie systemów krótko-frontowych w eksploatacji złóż węgla kamiennego jest efektem ciągłych poszukiwań nowych oraz modyfikacji już wykorzystywanych systemów eksploatacji. Obecnie europejskie przedsiębiorstwa górnicze stosują prawie wyłącznie systemy długo-frontowe, które nie nadają się do eksploatacji nieforemnych oraz resztkowych parceli węgla. 3
Z analizy literaturowej oraz doświadczeń praktycznych wynika, iż niektóre z zakładów górniczych prowadziło próbną eksploatację pokładów tym systemem [9, 10, 11]. Eksploatację taką prowadzono w zakładach górniczych: Kazimierz-Juliusz, Borynia-Zofiówka-JasMos, Staszic, Siltech. Niestety, próby eksploatacji pokładów resztkowych nie są liczne. Przyczyną takiego stanu jest brak analizy możliwości technicznych oraz opłacalności przedsięwzięcia. Systemy krótko-frontowe charakteryzują się dużymi postępami (wskaźnik udziału robót przygotowawczych na jednostkę wydobycia rośnie 2-3 krotnie w stosunku do systemu ścianowego), cykl technologiczny nie różni się znacząco od prowadzenia typowej ściany, trwa o wiele krócej, co pozwala osiągać większe wydobycie często przy niższych kosztach eksploatacyjnych. Systemy krótko-frontowe mogą znaleźć zastosowanie przy wybieraniu: resztek pokładów, filarów oporowych, filarów ochronnych pasami w celu ochrony powierzchni, pól o małych wybiegach, pól w trudnych warunkach geologiczno-górniczych poprzez wyeliminowanie obecności ludzi w przodku. 4. EKSPLOATACJA PARTII ZŁOŻA A-31 POKŁADU 405/1 łg Przeprowadzono analizę możliwości wykorzystania systemu krótko-frontowego oraz systemu długo-frontowego eksploatacji partii złoża A-31 (rys. 2), wchodzącej w skład zasobów jednego z polskich zakładów górniczych. W partii A-31 ustalono następujące warunki geologiczno-górnicze: grubość węgla w pokładzie 2.10-2.60 m, typ węgla 35.2 B, w pokładzie zalegają łupki ilaste z laminami węgla, średnio-twarde, kruche o podzielności płytowej lub kostkowej, nieskłonne do iskrzenia, brak podbudowy w pokładach leżących powyżej lub poniżej projektowanej ściany, zagrożenia: zagrożenie metanowe III kategoria, zagrożenie wybuchem pyłu węglowego klasa B, zagrożenie tąpaniami nieskłonny do tąpań, zagrożenie pożarowe I grupa samozapalności, zagrożenie wodne I stopień, zagrożenie wyrzutami metanu i skał pokład niezagrożony wyrzutami metanu i skał, zagrożenie klimatyczne temperatura pierwotna skał wynosi ~41 o C. 4
Pokład charakteryzujący się takimi warunkami geologiczno-górniczymi ze względu na nietypową budowę (liczne uskoki) jest trudny w eksploatacji. Szacuje się, iż zasoby węglowe w partii złoża A-31 wynoszą 164844 Mg. Partię złoża A-31 wraz z występującymi uskokami, oraz istniejącymi wyrobiskami korytarzowymi przedstawiono na rysunku 2. Eksploatacja partii złoża A-31 pokładu 405/1 łg może odbywać się w dwojaki sposób, dlatego przedstawiono dwie odrębne koncepcje. Dla każdej koncepcji sporządzono projekt zagospodarowania złoża, zaprojektowano sposób eksploatacji, dobrano park maszynowy, jak również wykonano ekonomiczną analizę opłacalności eksploatacji. Rys. 2 Partia złoża A-31 w pokładzie 405/1 4.1 Warianty zagospodarowania pola eksploatacyjnego Dla warunków panujących w pokładzie 405/1 łg w partii złoża A-31 pierwszym zaproponowanym sposobem eksploatacji pokładu, jest system ścianowy poprzeczny z zawałem stropu w kierunku od pola (od granic). Ze względu na liczne uskoki zaprojektowano pole eksploatacyjne tak, aby wybieranie urobku systemem ścianowym było jak najefektywniejsze. Dlatego partię złoża A-31 podzielono na dwie mniejsze ściany eksploatacyjne, czyli ścianę A-31 i A-31a (rys. 3). Jako alternatywny system (rozwiązanie), zaproponowano wykorzystanie systemu krótko-frontowego zabierkowego z podsadzką hydrauliczną. Ze względu na specyfikę systemu krótko-frontowego, partię złoża A-31 podzielono na sześć mniejszych pól eksploatacyjnych czyli ściany: A-31, A-31a, A-31b, A-31c, A-31d oraz A-31e (rys. 3). 5
Podziału partii złoża na ściany dwie w systemie ścianowym poprzecznym oraz pięć w systemie krótko-frontowym, dokonano po konsultacjach z pracownikami kopalni, dostosowując eksploatacje do panujących warunków geologiczno-górniczych. W wyniku eksploatacji partii złoża A-31 systemem ścianowym istnieje możliwość eksploatacji jedynie 31% zasobów, natomiast wybranie tej samej partii pokładu systemem krótko-frontowym, pozwala na wybranie ok. 60% zasobów węgla (rys. 3). System ścianowy System krótko-frontowy Rys. 3 Zagospodarowanie partii złoża A-31 systemem ścianowym oraz systemem krótko-frontowym 4.2 Dobór maszyn i urządzeń Zgodnie z obowiązującymi przepisami w rejonie projektowanej ściany zastosowane powinny być maszyny, urządzenia, instalacje, materiały oraz wyroby z tworzyw sztucznych, które spełniają wymagania określone w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. (Dz. U. nr 39 poz.1169) wraz z późniejszymi zmianami oraz w odrębnych przepisach [6]. Wyposażenie techniczne dla projektowanych ścian przedstawia tabela 1. Tabela 1 Wyposażenie techniczne ściany System ścianowy System krótko-frontowy Kombajn KSW-460 Kombajn ESA-60 L PZS RYBNIK-850 Przenośnik ścianowy BW-EKF-0V PZP COBRA Przenośniki podścianowy zgrzebłowy UiK E82/755, PZG-180/440 Sekcje Glinik 08/29 Poz W-3 BSN oraz Glinik 08/29 Obudowa zmechanizowana BW-25/36-POz Poz W-3 Przenośniki taśmowe 6
Wyposażenie techniczne dobrano analizując park maszynowy będący w posiadaniu przedsiębiorstwa oraz po konsultacji z pracownikami działu Przygotowania Produkcji. 4.3 Proces eksploatacji W celu pokazania zakresu czynności jakie zachodzą w danym etapie procesu eksploatacji, sporządzone zostały karty procesu. Głównym zadaniem kart procesu jest przedstawienie procesów, które występują częściej, który system jest bardziej zmechanizowany, który jest bardziej pracochłonny. Przeprowadzona analiza kart procesu umożliwiła zaproponowanie zmian usprawniających przedstawiany jako alternatywny, system krótko-frontowy. Zestawienie operacji z kart procesowych zarówno dla systemu ścianowego jak również dla systemu krótko-frontowego przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2 Zestawienie operacji z kart procesowych Operacje karta WK1 karta WK2 karta SŚ karta KCH karta LŚ karta PH 5 5 5 3 7 2 5 6 8 6 7 5 3 2 4 3 5 1 5 4 3 6 19 5 3 4 3 4 0 2 3 4 5 3 3 3 4.4 Wyniki przeprowadzonej analizy W wyniku przeprowadzonej analizy można sformułować następujące wnioski: Drążenie wyrobisk korytarzowych w obu wariantach odbywa się w analogiczny sposób. Wyrobiska korytarzowe ze względu na pełnione funkcje muszą być dobrze zabezpieczone, uzbrojone w odpowiednie materiały oraz urządzenia, pozwalające prowadzić dalszą eksploatację. Jest to proces stosunkowo mało zmechanizowany. Różnice w eksploatacji analizowanymi systemami są znaczące. System ścianowy ze względu na zmechanizowany kompleks ścianowy wydaje się być sprawniejszy. Jednak w trakcie prac eksploatacyjnych występuje duża pracochłonność, co przyczynia się do zaangażowania większej liczby pracowników. Ponadto, z uwagi na technologię eksploatacji, znaczną część operacji w systemie ścianowym pochłaniają czynności związane z uzbrojeniem ściany oraz jej zabezpieczaniem. W systemie krótko-frontowym istotnym problemem jest ilość prac wykonywanych ręcznie. Zakres oraz ilość operacji mechaniczno-ręcznych wynika z przyjętego systemu eksploatacji. Ilość operacji technologicznych wynika bezpośrednio z przyjętej technologii wydobycia poszczególnych systemów. Należy rozpocząć prace badawcze związane z mechanizacją niektórych czynności np. zabezpieczanie wyrobisk. 7
Likwidacja ściany w systemie ścianowym (długo-frontowym), wiąże się z licznymi operacjami ręcznymi oraz jest ściśle powiązana z końcowym etapem eksploatacji pokładu. W systemie krótko-frontowym likwidacja ściany stanowi proces niezależny, co znacząco wpływa na zmniejszenie pracochłonności prac. 4.5 Analiza ekonomiczna eksploatacji wyniki analizy Na potrzeby analizy ekonomicznej dwu systemów, przyjęte zostały następujące (uśrednione) dane: Długość frontu eksploatacyjnego 50 m Wybieg ubierki 200 m Wysokość furty eksploatacyjnej 3,1 m Przyjęto ceny zbytu węgla energetycznego średnio 349 zł/t Przyjęto koszt roboczodniówki 480,00 zł netto Czas (okres) zbrojenia, eksploatacji i likwidacji ubierki 90 dni Współczynnik strat przeróbczych s = 0,23 Współczynnik czystości wybierania α = 0,95 W tabeli 3 przedstawiony został postęp dobowy ścian w dwu systemach oraz liczba pracowników w ścianie na zmianę wydobywczą. Tabela 3 Postęp dobowy oraz liczba pracowników System ścianowy System krótko-frontowy Postęp dobowy 5,0m (1050 t/dobę) 8,0m (1650 t/dobę) Ilość pracowników 9 pracowników/zmianę 8 pracowników/zmianę W tabeli 4 przedstawiono wyniki analizy ekonomicznej jakie uzyskano dla dwu systemów eksploatacyjnych: ścianowego oraz krótko-frontowego. Tabela 4 Wyniki analizy ekonomicznej Dane System ścianowy System krótko-frontowy Wydobycie dobowe [Mg/doba] 1050 1650 Nadwyżka finansowa 126,62 185,58 Koszt wydobycia [zł/mg] 111,19 80,39 Zasoby węgla [Mg] 51942 90420 Ilość pracowników/zmianę 9 osób 8 osób WNIOSKI W wyniku przeprowadzonej analizy dwu systemów eksploatacyjnych można stwierdzić, że: Wydobycie dobowe systemu krótko-frontowego (ze względu na specyfikę systemu), jest wyższe niż w systemie ścianowym jest to spowodowane czasem jaki potrzebny jest do uzbrojenia ściany klasycznym systemem ścianowym. Koszt jednostkowy wydobycia jednej tony węgla jest wyższy w systemie ścianowym ze względu na strukturę kosztów, czyli: koszt pracochłonności, amortyzacji oraz zbrojenia ścian. 8
W projekcie zagospodarowania złoża dla systemu krótko-frontowego (rys. 3) widoczne jest to, iż ze względu na możliwości jakie ma system krótko-frontowy (czyli możliwość wybierania resztkowych parceli), liczba pól eksploatacyjnych jest większa, tym samym zasoby węglowe jakie można wyeksploatować są dużo większe. Zastosowanie systemu krótko-frontowego pozwala na jednoczesną eksploatację ściany z drążeniem chodnika odstawczo-transportowego wraz z postępem ubierki na bazie wyposażenia technicznego kompleksu, co skutkuje zmniejszeniem ilości pracowników w ścianie, a tym samym zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych. Nadwyżka finansowa jaką uzyskano w wyniku zastosowania systemu krótko-frontowego wynosi 60 zł/tonę węgla. Zaproponowany system krótko-frontowy, pozwala na wybieranie resztkowych oraz nieforemnych parceli. Eksploatacja analizowanej partii systemem ścianowym pozwala na eksploatację jedynie 31% zasobów, natomiast wybranie partii złoża A-31 systemem krótko-frontowym, pozwala na wybranie ok. 60% zasobów węglowych pokładu. LITERATURA 1. Badura H., Biały W.: Górnictwo perspektywy i zagrożenia. Wydawnictwo PKJS, Gliwice 2012. ISBN 978-83-62652-37-2. 2. Biały W.: Zasoby węgla kamiennego. Urabialność pokładów węglowych. Wydawnictwo PA NOVA SA. Gliwice 2014. ISBN 978-83-937845-5-4. 3. Biliński A., Bagiński W., Kostyk T., Trojnar A.: Doświadczenia w zakresie krótkofrontowego systemu sposobu eksploatacji pokładu grubego silnie zagrożonego tąpaniami. Konferencja nt. Czy ścianowy system eksploatacji pokładów węgla kamiennego ma pozostać monopolistą?. GIG Katowice, 1994. 4. Korzeniowski W., Piechota S., Rak Z., Poborska-Młynarska K., Sepiał J., Stasica J.: Rozwój technologii eksploatacji złóż w kopalniach głębinowych i działalność naukowa Katedry Górnictwa Podziemnego w okresie dziewięćdziesięcioletniej historii AGH. Przegląd Górniczy: Nr 5-6/2009. 5. Olkuski T.: Ocena wystarczalności krajowych zasobów węgla kamiennego energetycznego w świetle perspektyw jego użytkowania. Gospodarka Surowcami Mineralnymi Mineral Resources Management. Tom 29, Zeszyt 2. 2013. 6. Piechota S., Stopyra M., Poborska-Młynarska K.: Systemy podziemnej eksploatacji złóż węgla kamiennego, rud i soli. Wydawnictwo AGH, Kraków, 2009. 7. Probierz K., Strzałkowski P.: praca zb. pod redakcją. Zarys podziemnego górnictwa węgla kamiennego. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2007. 8. Przybyła H., Chmiela A.: Organizacja i ekonomika w projektowaniu wybierania węgla. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2007. 9. Turek M.: Eksploatacja podziemna pokładów węgla kamiennego współczesne wyzwania. Cz. 12, Wybieranie pokładów węgla systemami krótko-frontowymi. Wiadomości Górnicze nr 3 Katowice, 2010. 10. Strzemiński J.: Możliwości mechanizacji przy stosowaniu krótkofrontowych systemów wybierania węgla cz. I. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa: Nr 12/1999. 9
11. Strzemiński J.: Możliwości mechanizacji przy stosowaniu krótkofrontowych systemów wybierania węgla część II. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa: Nr 1/2000. 12. Turek M.: Podstawy podziemnej eksploatacji pokładów węgla kamiennego. Główny Instytut Górnictwa, Katowice, 2010. 10