Базовыми элементами в системах обеспечения твёрдым топливом удаленных потребителей Республики Саха (Якутия) являются несколько разрезов, имеющих небольшую производственную мощность и расположенных как в заполярной зоне, так и в центральных районах региона. Количество добываемого и поставляемого ими каменного («Зырянский», «Джебарики-Хая», «Харбалахский») или бурого («Кангаласский», «Кировский», «Кемпендяйский») угля предопределяется сложившимся ограниченным спросом, слабо изменяющимся в динамике. Общей тенденцией в последние годы является снижение объёмов добычи, что вызвано в основном расширяющимся использованием первичных углеводородов и продуктов их переработки. Потребительские свойства добываемого угля зависят в первую очередь от природного уровня качества минерального сырья и во вторую от используемых систем разработки и подходов к организации и управлению существующими технологическими и бизнес-процессами. Применяемые на этих разрезах системы разработки угля представляют собой определённую очерёдность выполнения горно-подготовительных, вскрышных и добычных работ. Последние из них можно свести к ряду основных моделей взаимодействия горных выработок и оборудования, формирования в границах горных отводов потоков полезного ископаемого.

Для идентификации процессов, происходящих на упомянутых выше разрезах, и изучения характера трансформации угольных потоков при прохождении ими от геологического ресурса к отгружаемому товарному углю использована методика В.В. Ершова [1], адаптированная и дополненная применительно к цепочкам добычи и поставки угля. В проанализированных и формализованных технологических схемах (рис. 1), представленных в порядке роста сложности от 1.1 к 1.5, выделяются следующие процессы: выемка, погрузка, транспортировка, складирование, первичная переработка и сортировка, отгрузка потребителям.

Условные обозначения к текущей схеме и всем последующим приведены на рис. 2. При этом авторские обозначения, представленные в [1], дополнены и откорректированы с учётом изменений, вытекающих из более глубокого изучения вопроса качественно-количественной трансформации потоков угля. В их числе, например: рассмотрение цепочки «забой – отгрузка продукции потребителю» как единого технологического пространства с самостоятельными процессами предварительной подготовки сырья к поставкам для потребления в последующих переделах [2–3 и др.]; влияние сегрегации на однородность качественных характеристик минерального сырья при взрывании угля в забоях или при формировании складов различного назначения [4]; потенциальное воздействие, оказываемое на минеральное сырьё сезонными знакопеременными температурными процессами в забоях и на складах [5]; развитие теоретических и практических представлений об интегрированном управлении качеством угля при разработке сложноструктурных месторождений [6, 7].

Представленные технологические схемы разрезов можно рассматривать как систему потоков угля различной интенсивности, которые перемещаются разнообразными механизмами (экскаватор, погрузчик, бульдозер, автосамосвал и др.) или под действием силы тяжести. На пути угольного потока имеются подвижные транспортирующие элементы Тп и неподвижные Тн, емкости подвижные Ед и неподвижные Ен для временного хранения угля, дозирующие устройства Д3, играющие подчиненную роль при формировании и движении потоков. Ряд элементов сочетает несколько функций, после идентификации у них двух функций ведущие на структурной схеме показаны первыми (рис. 3).

Рис. 3. Схемы идентификации угольных потоков

Рис. 4. Схемы трансформации угольных потоков на разрезах

Производимые в рамках единого технологического пространства объёмно-качественные трансформации угля в потоке сводятся к следующим физическим процессам (рис. 4): перестановка П, аккумуляция А, деление Д, смешивание С, классификация К. Для более адекватного понимания происходящих явлений необходимо дополнительно рассматривать ранее не включавшиеся в анализ процессы сегрегации Г, смерзаемости М и разубоживания полезного ископаемого Р, которое помимо традиционного горно-технологического может включать ещё конструктивное, геолого-экономическое и природное разубоживание [8]. В совокупности всё это даёт возможность полнее учесть специфику отработки сложноструктурных угольных месторождений на Севере и точнее подойти к рассмотрению процессов формирования качества добываемого и поставляемого потребителям угля.

Существующие схемы в основном можно отнести к классу комбинированных моделей формирования потоков полезного ископаемого со сложными внутренними связями, когда имеется несколько входов и выходов, наблюдается параллельное следование ветвей потоков с последовательным качественно-количественным преобразованием в каждой ветви, слияние ветвей в один поток, последующее разделение на несколько новых потоков.

В процессе перехода от статического состояния угля в запасах или забоях в динамическое в потоках возникают различного вида потери, включающие геологические (при оконтуривании и подсчёте запасов по заданным кондициям) Гл, геотехнологические Т (оставление целиков различного типа, потери в почве, кровле пластов, «треугольниках», зонах нарушений), в «подушке» или «рубашке» складов Рб, в просыпях (при работе различных механизмов) Пр, при выдувании с пылью В (рис. 5, а). Рассмотрение порядка их формирования позволяет более наглядно представить по отдельным процессам этапы ранжирования всех видов возникающих потерь по экономической и экологической значимости с последующей разработкой мероприятий, направленных на обоснование их рационального уровня.

При добыче и подготовке угля к поставкам также происходит изменение и его качества. Это касается рабочей влажности W (из-за воздействия атмосферных осадков, влияния солнца); зольности A (вследствие попадания или исключения пустой породы или высокозольной угольной массы в добываемое сырьё); теплотворной способности Q и степени окисления угля Ox (из-за соответствующих окислительных процессов при длительном нахождении угля во вскрытых и подготовленных к выемке запасов в забоях или добытого твёрдого топлива на складах); гранулометрического состава угля γ (из-за дробления и измельчения при воздействии механизмов или при многочисленных перевалках в забоях, на складах) (рис. 5, б).

Суммируя, можно говорить о комплексном рассмотрении и декомпозиции основных процессов, происходящих с углем в разрезах центральных и северных районов Якутии, начиная от добычи и заканчивая отгрузкой угля потребителям в труднодоступные районы. Поэлементное и поэтапное изучение позволило более точно и наглядно идентифицировать все используемые на малых разрезах технологические схемы, показать физическую суть трансформации угольных потоков, определить порядок количественной и качественной трансформации добываемого твёрдого топлива.

Полученные результаты планируется использовать при развитии методологических подходов к выявлению дополнительных резервов, направленных на совершенствование работы существующих цепочек поставок угля в труднодоступные регионы и самих разрезов в их составе, создание новых более эффективных, ресурсосберегающих и безопасных с точки зрения экономики и экологии угледобывающих производств.