Современное состояние и перспективы развития цифровых технологий в угольной промышленности России

Выполнен обзорный анализ текущего состояния использования в угольных компаниях России техники, технологий и современных инновационных разработок с цифровыми элементами промышленной стратегии «Индустрия 4.0». Для создания нового инновационного цифрового технологического базиса угольной промышленности предлагается сформировать и развивать пять групп ключевых технологических платформ. При этом предлагается перспективные возможности инновационного цифрового потенциала угольной промышленности реализовать в два этапа с осуществлением в итоге структурно-инновационной и цифровой трансформации угольной отрасли.

Технико-экономическое развитие человечества протекает в форме последовательной смены поколений (этапов, укладов, парадигм), каждое из которых характеризуется определенными первичными ресурсами, материалами, конечными продуктами, технологическими процессами, типом общественного потребления и др. Причиной прерывистого (ступенчатого) характера развития является сопряженность производственных процессов одной технологической совокупности.

На современном этапе развития выделяются шесть технологических укладов. Каждый из укладов в своем развитии проходил различные стадии эволюции, отличающиеся мерой его влияния на общий экономический рост в стране. Устаревшие уклады, теряя свое решающее влияние на темпы роста, оставляли в составе национального богатства страны созданные производственные, инфраструктурные объекты, культурное наследие, знания и т.п. [1].

Взаимосвязь технологических укладов с уровнем развития экономики можно определить следующим образом: первые четыре являются индустриальными, а пятый и шестой — постиндустриальными технологическими укладами.

Смена технологических укладов с последующим резким скачком производительности и ростом экономики приводила к промышленным (индустриальным) революциям. Опосредовано со сменой технологических укладов, сменяются и циклы развития науки. При этом эволюции мировых промышленных революций соответствуют и присущие им мировые энергетические ступени развития [2][3].

Начавшаяся в конце XX века автоматизация промышленности, несмотря на активное внедрение информационных технологий (или информационно-коммуникационных технологий — ИТ), электроники и промышленной робототехники в производственные процессы, носила преимущественно локальный характер, когда каждое предприятие или подразделения внутри одного предприятия использовали собственную систему управления (или их сочетание), которые были несовместимы с другими системами.

Развитие Интернета, ИТ, устойчивых каналов связи, облачных технологий и цифровых платформ, а также информационный «взрыв», вырвавшийся из разных каналов данных, обеспечили появление открытых информационных систем и глобальных промышленных сетей (выходящих за границы отдельного предприятия и взаимодействующих между собой), которые оказывают преобразующее воздействие на все сектора современной экономики и бизнеса за пределами самого сектора ИТ и переводят промышленную автоматизацию на новую, четвертую ступень индустриализации.

Переход к 4-й промышленной революции связан с развитием инновационных технологий, в основе которых лежат концепция промышленной стратегии «Индустрия 4.0» и соответствующие цифровые технологии.

На рисунке 1 представлена возможная систематизация основных элементов промышленной стратегии «Индустрия 4.0» по базовым процессам горного производства [2][3].

В настоящее время в угольной промышленности наиболее широко цифровизацией охвачены традиционные сферы оперативно-диспетчерского управления, бухгалтерского учета, финансовой, договорной, снабженческой деятельности, документооборота, профессионального образования и переподготовки.

Ведущие российские угольные компании продолжают активное внедрение цифровых технологий для автоматизации большинства производственных процессов с целью повышения производительности труда, снижения аварийности и травматизма, повышения конкурентоспособности своей угольной продукции.

Инновационные разработки роботизированных систем добычи и переработки полезных ископаемых уже в самое ближайшее время смогут принципиально изменить технико-технологические принципы функционирования горных предприятий и приблизить нас к созданию интеллектуального горного предприятия.

Информация по ряду внедренных на российских шахтах и разрезах инноваций с цифровыми технологиями и элементами «Индустрия 4.0» приведена в таблице 1.

В настоящее время в подземном способе добычи угля наблюдаются эволюционные процессы, связанные с совершенствованием существующих видов техники и технологий комплексно-механизированной выемки угля, принципы которой разработаны и выверены практикой десятилетия назад, включая:

• рациональное извлечение запасов угольных месторождений при создании эффективных и безопасных геотехнологий по отработке пластов угля;
• управление состоянием горного массива и технологий, обеспечивающих предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах;
• разработку технологий, обеспечивающих повышение эффективности вентиляции, дегазации угольных шахт, технологий и технических средств снижения пылевыделения и взрывозащиты, а также разработку и внедрение эффективных способов и средств подавления и локализации пылеметанно-воздушных смесей;
• разработку технологий добычи угля без постоянного присутствия людей в очистных и подготовительных забоях на базе современной комплексной механизации и автоматизации.

За последние десять лет удельный вес объемов добычи угля подземным способом снизился с 30 до 23,2% от общей добычи по отрасли, но, несмотря на технологическую сложность и опасность подземных горных работ, они продолжают играть важную роль при условии обеспечения промышленной безопасности, так как значительная часть наиболее ценных коксующихся углей может быть отработана только на шахтах.

Инновационные разработки в подземной угледобыче с цифровыми технологиями:

• технологии динамического 3D-моделирования — от уточнения запасов на лицензионных участках, проектирования шахты до полной рекультивации после завершения горных работ;
• технологии геоинформационного обеспечения, сейсмического мониторинга и системы автоматического управления на горных предприятиях, включая информационно-измерительные системы обеспечения шахтной безопасности (внедрены на шахтах АО «СУЭК-Кузбасс», ХК «СДС-уголь», «Евраз Груп»);
• технологии мониторинга и управления любым технологическим процессом и оборудованием в шахте на основе единых информационно-управляющих систем (комплексы «Умная шахта»);
• автоматизация и роботизация проведения горных выработок на основе создания нового класса горнопроходческих машин — геоходов (создан и испытан опытный образец в ОАО «КОРМЗ», г. Кемерово);
• автоматизация и роботизация выемки угля роботизированными комплексами — наибольшее развитие работы по шахтной робототехнике получили в Великобритании, Японии, США, Германии, Чехии. В августе 2015 года впервые в России на шахте «Полысаевская» АО «СУЭК-Кузбасс» была введена новая лава № 1767 по пласту Бреевский вынимаемой мощностью 1,6 м, в которой применена технология, позволяющая вести безлюдную выемку угля [3].

Анализ данных таблицы 1 позволяет сделать следующие основные выводы в отношении цифровизации подземных горных работ.

Большинство применяемых в настоящее время в России программно-аппаратных комплексов 3D-моделирования участков месторождений и прогнозирования результатов производственной деятельности являются зарубежными разработками или созданы в партнерстве с зарубежными фирмами. Появились российские разработки, предназначенные для решения достаточно узкого круга задач, имеющие ограниченное применение. Наиболее широкое распространение получили системы промышленной безопасности, в которых интегрированы разработки российских и зарубежных фирм. Следует отметить, что на шахтах и разрезах угольных компаний внедрены системы безопасности нескольких разработчиков.

В части инновационных техники и технологий имеются научные разработки российских и советских ученых, патенты, результаты лабораторных испытаний, опытные образцы, однако отсутствует информация о результатах испытаний опытных образцов или начале промышленного производства.

Появился практический опыт безлюдной выемки угля при подземном способе добычи с использованием добычного комплекса и аппаратуры автоматизации импортного производства.

В открытом способе добычи угля практически достигнут предел роста единичной мощности выемочно-погрузочного оборудования, связанный как с возможностями машиностроения, так и технологическими особенностями вскрышных, добычных и транспортных работ. Принципиально новая техника для открытых работ, например кранлайны, комбайны послойного фрезерования, комплексы глубокой разработки пластов — не нашли широкого применения.

Инновационные разработки в открытой угледобыче с цифровыми технологиями:

• технологии динамического 3D-моделирования — от процесса проектирования горного предприятия до полной рекультивации после завершения горных работ;
• ИТ с применением спутниковых навигационных систем диспетчеризации технологического транспорта разреза, мониторинга деформации карьерных выработок, техногенных и природных откосов и насыпей;
• технологии промышленной электроники (системы дистанционного управления оборудованием на разрезах, промышленный видеоконтроль и пр.);
• технологии полной информатизации и автоматизации основных производственных процессов (комплексы «Умный разрез», «Интеллектуальный карьер»), основанные на единой информационно-управляющей инфраструктуре, предназначенной для мониторинга и управления любым технологическим оборудованием на разрезе при вскрышных и добычных работах (компания «Rio Tinto» эксплуатирует с 2009 года два полностью автоматизированных карьера в Австралии, в Канаде компания «Alberta Mining Corporation» создала восемь автоматизированных горных производств [3]).

Крупнейшим отечественным поставщиком систем автоматизации и информатизации открытых горных работ в России является резидент Сколково компания «Вист Майнинг Технолоджи». Горно-металлургическими компаниями России и СНГ (СДС, СУЭК, УГМК, МЕЧЕЛ, МЕТАЛЛОИНВЕСТ, СМР, ММК, НЛМК, ПОЛЮС, Полиметалл, ДГК, ЕВРАЗ, РУСАЛ, АРСЕЛОР, МЕТИНВЕСТ, ENRC, ЭРДЭНЭТ и др.) в настоящее время с успехом применяются системы диспетчеризации «КАРЬЕР» и бортовые программно-аппаратные комплексы, состоящие из большого количества функциональных подсистем с использованием навигационных технологий «ГЛОНАСС/GPS» [3].

Анализ данных таблицы 1 позволяет сделать следующие основные выводы в отношении цифровизации открытых горных работ.

Открытые работы находятся в несколько лучшем положении в части применения цифровых инноваций по сравнению с подземными работами. Так, накоплен практический опыт в эксплуатации системы управления горнотранспортными комплексами «Карьер» ООО «ВИСТ Групп» в АО «СУЭК» и ХК «СДС-уголь», идет продвижение в направлении реализации роботизации по проекту «Интеллектуальный карьер» (по экспертной оценке, соответствует уровню «Индустрия 4.0»).

В части роботизированных автосамосвалов в России ближе всего к цели ООО «ВИСТ Групп» КАМАЗ, который построил опытный образец. Планируется обкатка на разрезах АО «СУЭК» и холдинга «СДС-уголь» пяти роботизированных 130-тонных самосвалов БелАЗ под управлением разработанного программно-аппаратного комплекса «Интеллектуальный карьер».

При этом нельзя не отметить, что наиболее современное, надежное и производительное оборудование на российских разрезах пока импортное и количество его растет вместе с ростом объемов добычи угля открытым способом.

В обогащении угля продолжается развитие модульного подхода к проектированию и строительству ОФ, переход на замкнутые водно-шламовые системы и увеличение глубины обогащения до нуля. Современные обогатительные фабрики — высокомеханизированные и автоматизированные предприятия. Автоматизации в обязательном порядке подлежат обеспечение сигнализации и контроля, блокировки и защиты, регулирование и управление конкретными технологическими процессами и обогатительной фабрики в целом.

В глубокой переработке угля проблема заключается не в научно-технологическом обеспечении, а в экономической целесообразности ее решения в России в условиях жесткой конкуренции с нефтью и природным газом в обозримом будущем. Поэтому в ближайшей перспективе следует ожидать только малотоннажного производства продуктов углехимии: синтетического жидкого моторного топлива, синтез-газа и др.

Проведенный обзорный анализ текущего состояния российских угольных компаний в части используемой техники, технологий и современных инновационных разработок, внедряемых в угольной промышленности России и мира с элементами промышленной стратегии «Индустрия 4.0», направленных на повышение эффективности угольного бизнеса, выявил основные направления, которые могут быть положены в основу формирования инновационных технологических платформ и стратегических направлений технологического развития отрасли [10—12].

Для создания нового инновационного технологического базиса угольной промышленности предлагается сформировать и развивать пять групп ключевых технологических платформ, представляющих в целом новую парадигму инновационной деятельности в угольной промышленности (табл. 2).

Основные задачи новых инновационных технологических платформ угольной промышленности России:

• формирование стратегического видения реализации промышленной стратегии «Индустрия 4.0»;
• определение основных требований и функциональных свойств отечественной угольной промышленности на базе стратегии «Индустрия 4.0» и принципов их осуществления;
• определение основных технологических направлений по основным секторам (процессам) технологического развития угольной отрасли: поисковые и разведочные работы; подземная и открытая добыча угля; обогащение, переработка угля и отходов производства; транспортировка угля;
• определение основных компонентов, технологий, информационных и управленческих решений во всех вышеуказанных процессах;
• диверсификация деятельности угледобывающих компаний при создании продуктов с высокой добавленной стоимостью за счет реализации направлений действующей технологической платформы «Экологически чистая тепловая энергетика высокой эффективности» и новой инновационной платформы «Технологии обогащения, переработки угля и отходов производства»;
• преодоление технологического разрыва и импортозависимости путем реализации поэтапного импортозамещения и инновационного развития российской угольной промышленности и отечественного горного машиностроения.

Заключение

Таким образом, речь может идти о необходимости реализации новой парадигмы развития угольной промышленности России на базе инновационных технологических платформ с элементами «Индустрии 4.0» и реализации государственной политики импортозамещения. При этом необходимо создать на принципах государственно-частного партнерства единую сеть научно-образовательных центров для разработки и доведения до промышленного использования прорывных инновационных технологий в угольной промышленности, а также подготовки высококвалифицированных кадров.

При этом возможности инновационного цифрового потенциала угольной промышленности могут быть реализованы в два этапа.

На 1-м этапе шахты (разрезы) и обогатительные фабрики со средними технико-экономическими показателями (стабильная группа) поднимают свой уровень до уровня передовых по технико-экономическим показателям отечественных предприятий по добыче и обогащению угля (перспективная группа), а уровень передовых по технико-экономическим показателям шахт (разрезов) и обогатительных фабрик повышается в соответствии с мировыми трендами технико-технологического развития угольной промышленности.

На 2-м этапе на всех шахтах (разрезах) и обогатительных фабриках осуществляется структурно-инновационная и цифровая трансформация для перехода на высокий технологический и технический уровень в соответствии с основными направлениями мирового инновационного процесса.

Таким образом, анализ технологических трендов в мире показывает, что даже в такой традиционной отрасли, как угольная промышленность, происходит активная технологическая модернизация и связанные с этим структурные изменения. Начало таких изменений положено и в российской угольной промышленности с переводом в цифровую форму процессов проектирования технологических систем, контроля их состояния и управления ими — трансформационный переход к цифровой экономике означает повышение скорости, наблюдаемости, точности и управляемости всеми производственно-технологическими процессами добычи и переработки угля.

Результаты исследования позволят эффективно использовать при создании на принципах государственно-частного партнерства единой сети научно-образовательных центров для разработки и доведения до промышленного использования прорывных инновационных технологий в угольной, горной и геолого-разведочной отраслях промышленности, а также при подготовке высококвалифицированных кадров на базе МГРИ.