Основная часть (170 минут) Вопрос №1 – «Значение горного дела в экономике и жизни общества». (20 минут)
Мировой спрос на минерально-сырьевые ресурсы растёт из года в год. Вместе с тем, добыча полезных ископаемых сопровождается огромными капиталовложениями, большими энергетическими затратами на добычу, длительными сроками разработками, изменчивыми и, зачастую, труднопредсказуемыми условиями работы и значительной, а, иногда и необратимой, нагрузкой на окружающую среду.
Задачи горного дела являются прикладными и призваны решать как требования отраслевого производства (разработка конкретного месторождения), так и определять перспективные направления технологий добычи, создания механизмов и оборудования, исследования закономерностей поведения горного массива.
Для современной промышленности требуется энергия - газ, нефтепродукты, уголь, торф, различный металл - руды металлов (железные, медные, марганцевые, хромовые, никелевые и другие руды, глинозём), редкоземельные элементы (17 элементов), благородные металлы (золото, серебро, платина, палладий, иридий, рутений, родий, осмий), драгоценные и полудрагоценные камни и минералы.
Для строительства необходимо сырьё (песок, щебень, цемент, отделочные и теплоизоляционные материалы, керамические изделия). Это сырьё называют нерудными полезными ископаемыми. Нерудные полезные ископаемые не имеют общепринятой классификации и под н.п.и. часто понимают горные породы, не содержащие руду, добываемые открытым способом.
Практически ни одна цивилизованная страна без этих ископаемых не может существовать. Страны либор импортируют полезные ископаемые, либо их экспортируют.
Добыча полезных ископаемых определяет влияние на экономику не только добывающей страны, но и на экономику и даже политику других стран.
В течении XX в. численность населения земного шара увеличилась в четыре раза и достигла к июлю 2012 г. около 7 млрд. чел., при этом потребление первичной энергии увеличилось в восемнадцать раз. Среднестатистический житель планеты потреблял в конце XX в. почти в сто раз больше энергии, чем его первобытный предок, научившийся пользоваться огнем. В этом многократном увеличении в XX в. ведущее место принадлежало ископаемому углю.
В связи с процессами энергосбережения, диверсификации топливного потребления, ужесточения экологических требований к сохранению окружающей среды, во второй половине XX в. начался так называемый процесс декарбонизации топливно-энергетического баланса. Суть его состоит в вытеснении и замещении ископаемого угля с его большими отходами при потреблении менее отходными жидкими и газообразными видами топлива, атомной энергией, альтернативными возобновляемыми источниками энергии (энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и т.д.).
Сокращение энергопотребления стало результатом двух противоположных тенденций: значительного роста потребления энергии в нескольких развивающихся странах, в частности в Азии (+4%) и Китая, который стал одним из крупнейших мировых потребителей энергии (18% от общего объема), увеличив его на 8% в 2009 году. Нефть осталась важнейшим энергоресурсом с долей 33%, несмотря на то, что его доля постоянно уменьшается. Уголь опять приобретает всё большую роль в мировом потреблении энергии: в 2009 году его доля составила 27% от общего объема.
Большая часть энергии потребляется в странах-производителях, поскольку дешевле транспортировать конечную продукцию, чем сырьё. В 2008 году доли экспорта в общем производстве энергии по видам топлива: нефти — 50% (1,952/3,941 Мт), газа — 25% (800/3,149 млрд. м³), каменного угля — 14% (793/5,845 Мт) и электроэнергии — 1% (269/20,181 ТВт·ч).
Если в 1900 г. доля угля в мировом потреблении первичных источников энергии составляла 94,4%, то к 2008 г. она снизилась до 27%. В топливно-энергетическом балансе России доля ископаемого угля с 60% в середине XX в. снизилась до 20% в конце века.
В настоящее время, несмотря на неблагоприятные для потребления угля ископаемого угля тенденции, он продолжает оставаться одним из основных первичных топливных ресурсов в мировом энергопотреблении. В конце XX в. почти 37% электроэнергии производилось во всем мире за счет энергетического угля. Около 20% мирового производства ископаемого угля приходится на добычу коксующегося угля, без которого не может работать черная металлургия.
Разведанных мировых запасов угля хватит при нынешних объемах его потребления всеми странами мира хватит более чем на 400 лет. На Российскую Федерацию приходится 18,2% мировых запасов угля.
Китай, США и Индия в 2011 году являлись крупнейшими потребителями угля. Стремительное развитие энергоемкой промышленности в Китае привело к интенсивному увеличению спроса на уголь в 2006-2011 гг. Объем потребления угля за этот период увеличился почти на 40%, в Индии объем потребления топлива увеличился на 51,2%. Аналитики компании прогнозируют рост спроса на уголь в этих двух азиатских странах до 2030 года.
В совокупности на пять крупнейших стран в 2011 году приходилось около трех четвертей потребления угля. Доля Китая в мировом потреблении данного вида топлива вплотную подошла к 50%; в США его потреблялось 13,5% и в Индии - 7,9% от мирового уровня.
Мировые запасы угля многократно превышают запасы других видов первичных энергоносителей. На долю угля приходится более 80% мировых ресурсов ископаемых энергоносителей, на долю нефти и газа – 17%. Поэтому энергетический потенциал ископаемого угля далеко не исчерпан.
В странах западной Европы (Франция, Великобритания и др.) главной целью было постепенное снижение угледобычи из-за небольших запасов угля и в соответствии с техническими возможностями и рыночным спросом, и повышение импорта угля.
Такие страны как США, КНР, ЮАР, Австралии и Индии, имеющие богатые запасы угля, основные усилия реструктуризации сосредоточили на повышении темпов научно-технического прогресса и наращивании объемов добычи угля.
В конце XX века, когда мир вступил в постиндустриальную эпоху и энергопотребление неизмеримо увеличивалось, современная энергетическая модель должна учитывать такие факторы, как энергетическая безопасность, экономическая эффективность (цена этой безопасности), охрана здоровья людей, окружающей среды и т.д.
Энергетическая безопасность подразумевает бесперебойное энергоснабжение в текущий момент, краткосрочной и долгосрочной перспективах. Экономическая эффективность подразумевает обеспечение энергетической безопасности с наименьшими издержками и наибольшей отдачей. Повышение энергопотребления должно находиться в гармонии с окружающей средой и способствовать улучшению качества жизни населения.
Ископаемый уголь с долгосрочных и глобальных позиций мировой энергетической безопасности остается самым надежным и первичным энергетическим ресурсом. Уголь остается энергоносителем, способствующим научно-техническому прогрессу и в XXI веке.
Общие геологические ресурсы углей мира оценены в 14810 млрд. т. Причем 5 стран – Россия, США, КНР, Австралия, Канада – обладают 80% мировых ресурсов и 65% запасов угля.
На земле насчитывается более 3600 угольных бассейнов и месторождений. 7 из них относятся к бассейнам-гигантам, геологические запасы каждого из них превышают 500 млрд.т.: Ленский, Тунгусский, Таймырский, Канско-Ачинский, Кузнецкий (Россия), Алма-Амазона (Бразилия) и Аппалачский (США).
Ископаемый уголь подразделяется на два типа – энергетический и коксующийся. Он необходим для производства тепловой и электрической энергии, для выплавки чугуна и стали, а так же уголь используется как сырья для глубокой химико-технологической переработки и получения новых полезных для общества продуктов. В настоящее время существуют технологии по созданию из угля синтетического бензина (искусственное жидкое топливо, ЮАР «Сасол»), подземной газификации угля. Так же существуют разработки по применению нанотехнологий при добычи угля, к примеру еще в 70-х гг. XX века были созданы бактерии способные поглощать метан в угольных пластах.
США стали мировым лидером по добыче газа в 2011 году, достигнув цифры в 658 млрд. кубических метров. При этом 234 млрд. кубометров приходится на сланцевый газ. По прогнозам самих США, к 2035 году доля добываемого сланцевого газа в стране может приблизиться к 50%.
«Сланцевая революция» привела к тому, что в США одновременно с добычей газа растет и добыча нефти на тех же месторождениях. По мнению аналитиков Goldman Sachs, рост добычи американской нефти пока влияет на мировой рынок через сокращение спроса со стороны США. Добыча сланцевой нефти началась чуть позже, и ее бурный рост стал сюрпризом для рынка. Согласно оценке того же Goldman Sachs, добыча нефти в США выросла с 7 млн. баррелей в сутки в 2008 году до более чем 12 млн. баррелей в сутки в 2012 году.
Американские газовые компании мотивированы наращивать поставки излишков газа на зарубежные рынки, где цены выше. Цена на газ в США 80-90 долларов, в Японии - она превышает 600 долларов, в Европе она выше в 4-5 раз, в странах АТР - в среднем в 8 раз. Готовятся проекты по строительству в США заводов по производству сжиженного природного газа (СПГ), а терминалы, появившиеся на побережье в расчете на импорт СПГ из Катара, могут перепрофилироваться в экспортные. К 2018-2020 годам США могут занять первое место в мире по экспорту сжиженного газа.
Проблемы сбыта угля на американском внутреннем рынке в свою очередь подтолкнули экспортеров США к стремительному наращиванию поставок угля на внешний рынок, и в первую очередь в Европу. Так, страны ЕС в 2011 году завезли американского энергетического угля 17,8 млн. тонн, или на 10 млн. тонн больше по сравнению с 2010 годом. Общий же объем экспорта угля из США вновь, как и в 1990 году, приблизился к отметке в 100 млн. тонн. В Европу поставки американского угля выросли на 14,4 млн. тонн, достигнув объема 48,9 млн. тонн.
Таким образом, в США формируются экономические условия для получения дешевой электроэнергии, как следствие - реиндустриализация. Второе: США превращаются в нетто-экспортера топливных ресурсов. И третье: новые технологии добычи газа и нефти из сланцевых залежей могут получить широкое распространение в мире. Все это вместе взятое приводит к мысли о возможных изменениях мировых топливных потоков и всей структуры международной торговли энергоресурсами.
За последние пять лет, несмотря на значительные темпы роста производства угля в мире, доля его использования в выработке электроэнергии начала сокращаться (с 42% до 40%).
Эксперты незаслуженно забывают, что уголь хоть и замыкающий вид топлива в ТЭБе, но имеющий самые очевидные перспективы прежде всего для динамично развивающихся экономик (Китая, стран Юго-Восточной Азии и Индии).
Именно новым мировым тенденциям и было посвящено очередное совещание ведущих угольных экспертов в совете по углю при Международном энергетическом агентстве.
МЭА предложило к рассмотрению три версии развития событий одна из которых, заключается в том, что при реализации текущей политики рост спроса на уголь к 2035 году может вырасти на 70%. Этот сценарий может существовать только на основе реализации использования угля по новым технологиям.
Каково же мнение экспертов-угольщиков на этот счет? Грегори Бойс, руководитель крупнейшей американской компании "Пибоди" (Peabody), считает, что спрос на уголь, несомненно, будет расти, в том числе за счет Китая и Индии. Китай к 2030 году увеличит потребление угля на 2,4 млрд. тонн, Индия - на 600 млн. тонн. Не потерян потенциал использования угля и в самих Соединенных Штатах. Главное - обеспечить широкое внедрение чистых технологий при использовании угля в выработке электроэнергии.
Эксперты считают, что повышение энергоэффективности использования угля с точки зрения затрат на порядок выше, чем техническое улавливание и хранение СО2 и к 2050 году потребность или спрос на уголь может удвоиться, однако проблема состоит в том, что 50% строящихся ТЭЦ на угле не учитывают новых технологий генерации.
Угольщики не должны оставаться в стороне от освоения новых технологий в электроэнергетике. Уголь сегодня - основной фактор энергетики, и его позиции можно усилить за счет технологического прорыва в его использовании как сырья для производства целой гаммы продуктов углехимии.
Конкуренцию углю составляет природный газ. Российский газ, оставаясь на внутреннем рынке, может серьезно ограничить дальнейшее потребление угольного топлива внутри страны. Как следствие, топливный баланс России станет еще более газоориентированным. За последние 20 лет доля газа в ТЭБе страны увеличилась с 43,9% до 53,4%, а доля угля снизилась с 18,2% до 15,8%.
При этом мы имеем серьезные ограничения и в использовании угля на внутреннем рынке. Топливный баланс страны гипертрофически ориентирован в основном на газ, цены которого для отечественных потребителей значительно ниже экспортных. Как следствие, угольная генерация развивается по принципу замыкающей, а продолжающаяся газификация территорий сокращает использование угля на коммунальные нужды.
К сожалению, потребители на внутреннем рынке (прежде всего электростанции и котельные) экономически не готовы активно использовать обогащенный энергетический уголь, который практически весь поставляется на внешний рынок. За последние 20 лет внутреннее потребление угля сократилось более чем на 40%, а экспорт угля с 1997 года вырос почти в 6 раз.
Сохраняются внутренние проблемы отечественной угольной промышленности. А это усложняющиеся горно-геологические условия разработки и ориентированность в основном на использование зарубежной техники. Производительность труда российских шахтеров (около 2000 тонн на одного занятого в год) более чем в 5 раз ниже уровня производительности труда в развитых угледобывающих странах мира.
В угольной отрасли за последние 10 лет на четверть обновились мощности предприятий по добыче и обогащению угля, главным образом в Кузнецком бассейне, добыча в котором в ушедшем 2012 году впервые за всю 70-летнюю историю превысила 200 миллионов тонн, крупнейшие угольные компании практически полностью заменили изношенное горное оборудование. Объем инвестиций в основной капитал угольных компаний вырос за 2000-2011 годы в 7 раз (в текущих ценах).
На базе инновационных решений совершенствуется технология ведения горных работ. Так, при подземном способе добычи угля все больше внедряется технологическая схема «шахта-лава», которая позволяет увеличить концентрацию горных работ и снизить затраты на производство. Доля таких шахт в настоящее время около 64% (54 из 85 действующих шахт), и именно они обеспечивают наибольшие нагрузки на очистной забой. Как результат, в 2011 году среднесуточная добыча угля из одного очистного забоя превысила 3600 тонн.
Растет доля наиболее экономичного открытого способа добычи. На разрезах с целью повышения эффективности горного производства все шире реализуется прогрессивная циклично-поточная технология (ЦПТ) ведения вскрыши, что позволяет снизить трудоемкость работ по транспортированию пород вскрыши на 35-40%.
Необходимо значительно расширить использование угля в местах его добычи, как можно полнее задействовать не только энергетический и металлургический потенциал ископаемых углей, но и их пригодность для получения продуктов углехимии, а также углеродных и композитных материалов.
Путь, позволяющий не только экспортировать уголь, но и расширить границы его использования на внутреннем рынке страны, определяется логикой развития угольной отрасли - более глубокая переработка угля в местах его добычи.
Регионализацию углепотребления можно реализовать на основе технологической реструктуризации угольных компаний в виде газификации энергетических углей, производства термококса, синтетического жидкого топлива, метанола и минеральных удобрений. Экспортно-убыточные «отсевы» энергетических углей целесообразно сжигать на тепловых модульных станциях малой мощности (12-24-36-48 МВт).
Производство термококса можно осуществлять по технологии когда уголь разделяется на две части - газовое топливо и углеродный остаток (термококс). Газ сжигается для получения тепловой энергии. Термококс поставляется на рынок металлургического сырья вместо традиционного кокса, а также на крупные электростанции и экспорт.
Из одной тонны угля марки Д калорийностью 5500-6000 ккал/кг получается до 0,5 тонны термококса с калорийностью 6500-7000 ккал/кг и около 2 Гкал горючего газа. Теплотворная способность газа достаточна для обжига кирпича, известняка и других термических процессов, в том числе для перевода газомазутных котлов на газ из угля. Перевозка 1 тонны термококса замещает транспортировку 2 тонн энергетического угля. Возить надо не тонны, а калории!
За счет использования эффекта обращенного дутья получаемый газ не содержит даже следов смолистых веществ. Экологическая безопасность технологии подтверждена заключениями природоохранных органов. Удельные вредные выбросы при сжигании генераторного газа в котлах-утилизиторах на порядок ниже действующих нормативов и в 20 раз ниже предельно допустимых. Его производство отличается экологической чистотой в сравнении с производством традиционного кокса. Использование термококса в большой энергетике - решение проблемы дефицита углей марок СС и Т на внутреннем рынке.
Весомую часть электроэнергии и тепла для собственных нужд можно получать путем создания электро-технологических комплексов в местах непосредственной добычи угля. Такие комплексы могут быть интегрированы с технологическим процессом по получению термококса. Здесь же появится возможность сжигания на мини-ТЭС метана от дегазации разрабатываемых угольных пластов, а также промышленных и бытовых горючих отходов. При этом целесообразно было бы организовать проектирование и создание типовых мини-ТЭС на базе современных технологий.
Рост потребления угля внутри страны - это не только вопрос оптимизации энергобаланса. Это вопрос энергетической безопасности и экономической целесообразности. Ведь сбалансированное развитие угольных технологий в энергетике позволит лучше адаптироваться к внешней конъюнктуре.
Минеральные ресурсы, извлеченные из недр используют около 200 видов минерального сырья. Широко используется классификация полезных ископаемых на основе технологии их использования: топливно-энергетическое сырье (нефть, уголь, газ, уран), черные, легирующие и туго-плавкие металлы (руды железа, марганца, хрома, никеля, кобальта, вольфрама и др.), цветные металлы (золото, серебро, платиноиды), химическое и агрономическое сырье (калийные соли, фосфориты, апатиты и др.), техническое сырье (алмазы, асбест, графит и др.), флюсы и огнеупоры, цементное сырье.
К категории топливно-энергетического сырья относят полезные ископаемые, используемые для производства энергии: нефть, каменные и бурые угли, горючий газ, уран, битумные сланцы.
Мировые прогнозные геологические запасы минерального топлива превышают 12,5 трлн.т. При современном уровне добычи этих ресурсов должно хватить на 1000 лет. Эти запасы состоят из угля (до 60%), нефти и газа (около 27%), а также сланцев и торфа.
Уголь
Среди топливно-энергетических ресурсов наибольшие запасы в мире приходятся на уголь. Мировые разведанные запасы каменного и бурого углей составляют 5 трлн. т, а достоверные - около 1,8 трлн.т.
Угольные ресурсы разведаны в 75 странах мира. Крупнейшие месторождения угля сосредоточены в США (445млрд. т), Китае (272 млрд. т), России (200млрд. т), ЮАР (130 млрд. т), Германии (100 млрд. т), Австралии (90 млрд. т), Великобритании (50 млрд. т), Канаде (50 млрд. т), Индии (29 млрд. т), Польше (25млрд. т).
Мировые ресурсы угля обильны. Обеспеченность ими значительно больше, чем другими видами топлива. При современном уровне мировой добычи (4,5 млрд. т в год) разведанных к настоящему времени запасов может хватить примерно на 400 лет.
Нефть
Большая часть нефтяных месторождений рассредоточена по семи регионам мира и приурочена к внутриматериковым территориям и окраинам материков: 1) Персидский залив - Северная Африка; 2) Мексиканский залив - Карибское море (включая прибрежные районы Мексики, США, Колумбии и о. Тринидад); 4) Западная Сибирь; 5) северная Аляска; 6) Северное море (главным образом норвежский и британский секторы); 7) Сахалин с прилегающими участками шельфа.
Мировые запасы нефти составляют более 132,7 млрд.т. Из них 74% приходится на Азию, в том числе на Ближний Восток (более 66%). Наибольшими запасами нефти обладают Саудовская Аравия, Ирак, Кувейт. Иран, Объединенные Арабские Эмираты, Венесуэла, Россия.
Обеспеченность мировой экономики разведанными запасами нефти при современном уровне добычи (около 3 млрд. т в год) составляет 45лет. При этом страны - члены ОПЕК могут сохранить нынешний объем нефтедобычи в течение 85 лет, в том числе Саудовская Аравия - примерно 90 лет, Кувейт и ОАЭ - около 140 лет. В то же время в США данный показатель не превышает 10-12лет. В России обеспеченность разведанными запасами нефти - 23 года.
Практикой неоднократно опровергались предположения о скором исчерпании запасов нефти в мире. За вторую половину ХХ века были открыты гигантские месторождения ее в странах Персидского залива, Северной Африки, Западной Сибири, на Аляске, в Северном и Каспийском морях, в Северном Ледовитом океане.
Следует также учитывать, что при ныне существующей технике добычи на поверхность извлекается в среднем лишь 30-35% нефти, залегающей в недрах.
Природный газ
Разведанные запасы природного газа выросли за последние 15 лет со 100 до 144 трлн. м3. Прирост объясняется как открытием ряда новых месторождений (в частности, в России - в Западной и восточной Сибири, на шельфе Баренцева моря), так и переводом части геологических запасов в категорию разведанных.
Крупнейшие разведанные запасы природного газа) сосредоточены в России (33,06%), Западной Азии (32%), Северной Америке (6,9%), Латинской Америке (5,1%), Западной Европе (3,8%). В последнее время выявлены значительные запасы природного газа в Центральной Азии.
Обеспеченность природным газом при современном уровне его добычи (2,2 трлн. м3в год) составляет 71 год. В пересчете на условное топливо запасы газа приблизились к разведанным запасам нефти (270 млрд.т).
Металлические руды
Мировые прогнозные ресурсы железной руды достигают примерно 600 млрд. т, а разведанные запасы - 260 млрд. т. Крупнейшие в мире месторождения железной руды находятся в Бразилии, Австралии, Канаде, России, Китае, США, Индии, Швеции. Добыча железной руды в мире составляет 0,9-1,0 млрд. т в год. Обеспеченность мирового хозяйства этим видом сырья - 250 лет.
Из сырья для производства цветных металлов на первом месте находятся бокситы. Их прогнозные запасы составляют 50 млрд. т, в том числе - разведанные - 20 млрд.т. Крупнейшие месторождения бокситов сосредоточены в Австралии, Гвинее, Бразилии, Венесуэле, на Ямайке. Добыча бокситов достигает 80 млн. т. в год. Современных запасов бокситов должно хватить на 250 лет. В России запасы бокситов сравнительно невелики.
Геологические запасы медных руд оцениваются в 860 млн. т в том числе разведанные запасы составляют - 450 млн. т (Индия, Зимбабве, Замбия, Конго, США, Россия, Канада). При современном объеме добычи (8 млн. т в год) разведанных запасов медных руд хватит примерно на 55 лет.
Общий объем добычи золота в мире составляет 2200 т. Первое место в мире по добыче золота занимает ЮАР (522т), второе - США (329т).
Серебро
Почти 2/3 мировых ресурсов серебра связано с полиметаллическими медными, свинцовыми и цинковыми рудами. Серебро извлекается попутно из галенита (сульфида свинца). Месторождения преимущественно жильные. Наиболее крупные производители серебра - Мексика (2323 т), Перу (1910 т), США (1550 т), Канада (1207 т), Чили (1042т).
Уран
Наибольшими разведанными запасами урана обладают Австралия (более 20% мировых запасов), Казахстан (18%), Канада (12%), Узбекистан (7,5%), Бразилия и Нигерия (по 7%). Крупное месторождение уранита находится в демократической Республике Конго. Значительные его запасы в Китае, Германии, Чехии.
Неметаллические полезные ископаемые
Поваренная соль
Поваренную соль получают из месторождений каменной соли и путем выпаривания воды соленых озер и морской воды. Мировые ресурсы поваренной соли практически неисчерпаемы. Почти каждая страна обладает либо залежами каменой соли, либо установками по выпариванию соленой воды. Первое место по добыче поваренной соли занимают США (21%), Китай (14%), Канада и Германия (по 6%). Значительная добыча соли ведется во Франции, Великобритании, Австралии и Польше.
Алмазы
Алмазы имеют большую ценность как драгоценные камни, а также играют важную роль в промышленности благодаря их исключительно высокой твердости. Мировая добыча алмазов составляет 107,9 млн. каратов (200 мг); в том числе технических алмазов было добыто 91,2 млн. каратов (84,5%), ювелирных - 16,7 млн. каратов (15,5%). В Австралии и Конго доля ювелирных алмазов составляет всего 4-5%, в России - около 20%, в Ботсване - 24-25%, ЮАР - более 35%, в Анголе и Центральноафриканской республике - 50-60%, в Намибии - 100%.