История электрификации горной промышленности

Борис Заварыкин, 2014

Рассмотрены основные этапы развития теоретических основ электротехники и создания электрической техники. Приведены краткая характеристика горного производства и сведения из истории электрификации горного производства. Рассмотрена энергосистема и элементы, входящие в нее. Изложены основные принципы электроснабжения и схемы электроснабжения горных предприятий, особенности эксплуатации и требования, предъявляемые к элементам электроснабжения на горных работах. Описаны основные электросетевые устройства, входящие в эти схемы, их достоинства и недостатки. Рассмотрены новые электросетевые устройства, которые находят широкое применение на горных работах в настоящее время. Приведена краткая характеристика основных потребителей электроэнергии. Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки (специальности) «Горное дело» (специализация «Электрификация и автоматизация горного производства»).

1. Краткие этапы развития электрификации и горной промышленности

1.1. История электрификации

История электрификации берёт начало в древности, а вернее, начинается в первый день сотворения мира, поскольку первые слова Бога были: «Да будет свет!» Что есть свет? Свет — это форма существования материи в виде электромагнитных колебаний волн. Таким образом, уже первые слова в истории мира утверждали важнейшую роль электрификации не только в существовании отдельно взятого живого организма, но и в глобальном плане ‒ от молекулы до Вселенной.

Начало электрификации относится к концу ХIХ в., когда были созданы электрические генераторы для производства электроэнергии и освоена ее передача на значительные расстояния.

В 1879 г. в Петербурге построена ТЭС для освещения Литейного моста, несколькими годами позже в Москве — для освещения Лубянского пассажа. Одна из первых ТЭС общего пользования была построена Т.А. Эдисоном в 1882 г. в Нью-Йорке. В 1913 г. Россия занимала 8-е место в мире по выработке электроэнергии. Электростанции принадлежали главным образом иностранному капиталу. Крупнейшее акционерное «Общество электрического освещения 1886» контролировалось немецкой фирмой «Сименс и Гальске», строившей ТЭС в Петербурге, Москве, Баку, Лодзи и других городах. Мощность электростанций в России в 1900 г. составляла 80 МВт, а в 1913-м — 1141 МВт; они производили 2 млрд кВт ч электроэнергии.

Появление системы трехфазного тока послужило мощным импульсом для широкого использования электрической энергии в промышленности вместо пара, воды и сжатого воздуха.

Горная промышленность явилась фактически первой отраслью, где было положено начало практическому применению электрической энергии.

Вслед за горной промышленностью электричество стало применяться и в других отраслях.

В конце ХIХ и начале ХХ в. важнейшей производственной задачей выступила задача экономного энергосбережения промышленных предприятий, которые приобретали все более крупные масштабы. Наиболее гибкой, транспортабельной и легко трансформируемой формой энергии является электрическая энергия, поэтому на первый план выдвигается задача экономического энергоснабжения. Именно этим объясняется тот широко известный факт, что наиболее бурно развивавшейся и качественно ведущей отраслью промышленности в рассматриваемый период становится электропромышленность. В.И. Ленин указывал, что электрическая промышленность была самой типичной для новейших успехов техники, для капитализма конца ХIХ — начала ХХ вв.

Перевод народного хозяйства на техническую базу современного крупного производства, связанный с широким внедрением электричества в производство, транспорт, сельское хозяйство и другие отрасли, т.е. тот комплекс мероприятий, который называется электрификацией, составил техническую основу социально-экономических преобразований рассматриваемого периода.

В России наиболее бурно электротехническая промышленность начала развиваться после Великой Октябрьской революции. В эти годы началось восстановление и реконструкция электроэнергетического хозяйства страны, разрушенного в годы Первой мировой (1914–1918) и Гражданской (1918–1920) войн. В декабре 1917 — июне 1918 гг. были национализированы крупнейшие электростанции страны. Одновременно началась подготовка к строительству крупных ГЭС и районных ТЭС. В 1920 г. по инициативе В.И. Ленина был разработан первый план электрификации России — план ГОЭЛРО, в основу которого была положена ленинская формула « Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны». В 1922 г. введены в строй Каширская ГРЭС и Уткина заводь (ныне 5-я ГРЭС Ленэнерго); в 1924 г. — Кизеловская ГРЭС на Урале, в 1925 г. — Горьковская и Шатурская ГРЭС. 8 ноября 1927 г. состоялась торжественная закладка Днепровской ГЭС. К 1931 г. основные задания плана ГОЭЛРО по наращиванию мощности районных электростанций и по производству электроэнергии были выполнены. В годы предвоенных пятилеток (1929–1940) созданы крупные энергосистемы на территории Украины, Белоруссии, Северо-Запада и др.

В начале Великой Отечественной войны (1941–1945 гг.) оборудование многих электростанций было эвакуировано в тыловые районы, где в рекордные сроки вводились в эксплуатацию новые энергетические мощности. За 1942–1944 гг. введено 3,4 ГВт, главным образом на Урале, в Сибири, Казахстане и Средней Азии. За годы войны разрушена 61 крупная электростанция общей мощностью около 5 ГВт, вывезено в Германию 14 тыс. котлов, 1,4 тыс. турбин и свыше 11 тыс. электродвигателей.

В послевоенные годы электрификация страны развивалась быстрыми темпами. К 1947 г. СССР вышел на 2-е место в мире (после США) по производству электроэнергии, а в 1975 г. производил электроэнергии больше, чем ФРГ, Великобритания, Франция, Италия, Швеция и Австрия вместе взятые. Увеличился среднегодовой прирост производства электроэнергии. Введены в строй Братская, Усть-Илимская, Усть-Хантайская, Красноярская, Саяно-Шушенская ГЭС и др. В 2013 г. начала выдавать энергию Богучанская ГЭС. Создана мощная единая энергосистема страны. В последние годы наблюдается наиболее мощный подъём в данной отрасли.

Электрификация предполагает изменения не только в области энергии, но и общую реконструкцию народного хозяйства с широким применением механизации и автоматизации производственных процессов, с внедрением на всех участках производства новейшей техники. Электрификация производит такие коренные сдвиги в системе производительных сил, которые по своим последствиям равнозначны новому промышленному перевороту. Непосредственное использование энергии в производственных целях выступает лишь заключительным этапом энергетических преобразований. Прежде чем попасть к потребителю, энергия должна быть получена в ее первичной форме, преобразована в наиболее удобную для передачи и распределения форму, т.е. в форму электрической энергии, и доставлена при помощи различных линейных устройств к месту потребления.

Следовательно, процесс энергоснабжения, составляющий техническую сущность электрификации, состоит из трех основных частей: производства, распределения и использования электроэнергии. В соответствии с этой схемой энергоснабжения и для удобства изучения разделим рассмотрение многогранного и взаимообусловленного развития электрификации на три части: развитие электростанций, развитие техники электропередачи и развитие электропривода и электротехнологии.

Электрификация позволяет использовать природные энергетические ресурсы, более эффективно размещать производительные силы, механизировать и автоматизировать производство, увеличивать производительность труда.

1.2. История горной промышленности

Горная промышленность — это комплекс производств по разведке месторождений, добыче из недр земли и обогащению полезных ископаемых. Все отрасли горной промышленности делятся на следующие основные группы:

‒ топливодобывающая (угольная, нефтяная, сланцевая, торфиная, добыча естественного газа);

‒ рудодобывающая (железнорудная, марганцевая, добыча цветных и благородных металлов и др.);

‒ горнохимическая (добыча калийных солей, апатита, нефелина, бокситов, фосфоритов, селитры, серного колчедана и др.);

‒ отрасли по добыче минералов для строительства и селикатно-керамической промышленности (мрамор, гранит, известняк, глина, гипс, асбест и др.).

Возникновение и развитие горной промышленности тесно связано с развитием горного дела.

Горное дело — это отрасль техники и промышленности, а также соответствующие прикладные науки, охватывающие процессы, необходимые для извлечения из недр земли (добычи) полезных ископаемых в твердом или газообразном состоянии. Скопление их, приуроченное к определенной части земной поверхности, называется месторождением полезных ископаемых. Добыче полезных ископаемых предшествует разведка, которая необходима для определения целесообразности эксплуатации данного месторождения, производственной мощности и способа разработки. Данные разведки наносят на карты, планы, разрезы в виде графиков методом маркшейдерии.

Далее на основе предварительного составленного плана после выявления этих данных приступают к разработке месторождения. Для этого при помощи горных работ по определенному плану осуществляется сеть подземных или открытых горных выработок; для вскрытия месторождения строят необходимые подземные и надземные сооружения.

После вскрытия месторождения проводят выработки по полезному ископаемому, назначение которых состоит в непосредственной подготовке месторождения к извлечению полезного ископаемого (подготовительные работы). После проведения подготовительных выработок приступают к очистным работам.

Установленный для данных естественно-геологических и технико-экономических условий порядок проведения во времени и пространстве подготовительных и очистных работ называется системой разработки месторождения.

Начало горных работ можно отнести к ранней стадии развития человечества. Уже в период родового строя для подземной добычи кремния проводились горные выработки, иногда с деревянным креплением. Для горных работ применялись каменные орудия и кайлы из оленьего рога. В рабовладельческом обществе начинается систематическая разработка медных и оловянных руд, добыча серебра и золота. Возникает огненный способ добычи, при котором для разрушения породы нагретую огнем поверхность охлаждают водой, начинают применять примитивное обогащение полезных ископаемых. На территории России археологами обнаружены рудники этого периода; в Центральной Европе ‒ выработки со следами крепления, лестниц и т.п., относящиеся к бронзовому и железному периоду развития человечества.

Главным фактором развития производительных сил в античном обществе было освоение железа. На горных работах использовался труд рабов и осужденных преступников. С развитием феодальных отношений в горном деле происходят значительные сдвиги. В начале II тысячелетия н.э. происходит подъем горного дела и в Центральной Европе. Не позднее ХII в. началось применение бурения горных пород.

В ХV‒ХVI вв. в Европе в горном деле были впервые применены важные усовершенствования. Применение конного привода и водного колеса на подъеме, а также для водоотливных устройств позволило вести горные работы на глубине до 150 м, хотя еще повсеместно применялась штольневая разработка. Взрывные работы начали вытеснять огневые работы, возникло мокрое обогащение, что позволило вести разработку бедных руд. В 1512 г. в Саксонии была выдана привилегия на мокрую толчею. В это время на рудниках начинают устраивать деревянные настилы для перемещения по ним тележек с полезным ископаемым. Появляются первые горные училища и руководства по горному делу. В горном деле раньше, чем в других отраслях, нашли применение паровые машины первоначально для откачивания воды, а затем и для рудничного подъема.

С эпохи промышленного переворота (конец ХVIII − начало ХIХ в.) осуществлен переход к широкому применению в горной промышленности машин. В 1815 г. англичанин Г. Деви изобрел безопасную рудничную лампу. Совершенствуется техника бурения, все шире применяются взрывчатые вещества, вводится рельсовая откатка. В 30-х гг. ХIХ в. стали применять стальные канаты для рудничного подъема и откатки. В 1866 г. появились первые врубовые машины.

В конце ХIХ — начале ХХ в. в связи с увеличением спроса на полезные ископаемые изменяются условия развития горного дела. Интенсивно развивается техника проходки стволов шахт и бурения на нефть. Усовершенствованные методы проходки, вентиляции и водоотлива позволяют увеличить глубину горных выработок до 1000, а иногда и до 2000 м. Создаются высокопроизводительные системы отработки угольных и рудных месторождений. Вводится электрический привод подъемных машин, водоотлива, вентиляции, электрифицируется рудничный транспорт, осуществляется механизация зарубки с помощью врубовых машин, широко применяются отбойные молотки, работающие на сжатом воздухе. Возникают самостоятельные научно-технические дисциплины, занимающиеся вопросами добычи отдельных видов полезных ископаемых.

До середины ХХ в. во всех промышленных странах мира важнейшей задачей горного дела было значительное повышение эффективности труда. Это привело к интенсивным поискам новых систем разработки месторождений, в частности таких, которые позволили бы исключить ступенчатый рельсовый транспорт и дали возможность применять конвейеры как на горизонтальных, так и на наклонных выработках, а также более широко использовать гидравлическую добычу. В угольных шахтах все больше механизируются отбойка и погрузка угля и породы в подготовительных выработках посредством горных комбайнов и погрузочных машин. Постепенно расширяется автоматизация и дистанционное управление машинами и механизмами. Отмечается применение в промышленной практике металлической крепи и передвижных механизированных крепей.

Во второй половине ХХ в. во всех странах мира широко используют открытый способ добычи угля и совершенствуют способы добычи нефти с применением высокопроизводительной горно-добывающей техники, автоматизированных систем управления как отдельными этапами, так и всем процессом.

Таким образом, в современных условиях горная промышленность производит добычу полезного ископаемого в зависимости от нахождения его в недрах земли открытым (рис. 1.1−1.5) или подземным способом (рис. 1.6−1.8).

Рис. 1.1. Карьер «Восточный»

Рис. 1.2. Добыча угля (угольный разрез «Назаровский»)

Рис. 1.3. Вскрышные работы комплексом непрерывного действия (разрез «Березовский»)

Рис. 1.4. Отвальные работы

Рис. 1.5. Добыча золота дражным способом

Рис. 1.6. Подземные работы (г. Норильск)

Рис. 1.7. Подземная выработка

Рис. 1.8. Буровая установка