Добыча энергетического угля открытым способом

Открытый способ добычи угля: за и против

Под данным Росстата, в период с 2000 по 2015 год объёмы добычи угля открытым способом увеличились более чем на 100 млн т в год – с 167,5 до 269 млн т.

В Минэнерго сообщают, что по состоянию на январь 2019 года в России действует 57 угольных шахты и 109 разрезов – почти в два раза больше.

Очевидно, что добыча угля открытым способом имеет гораздо большую популярность, чем подземным способом. Причём в будущем разрезы планируют открывать и дальше – главным образом, на территории Кузбасса.

Как извлекается уголь в разрезах и почему открытый способ добычи так распространён?

Процесс угледобычи

К открытому способу добычи прибегают в том случае, если уголь залегает на небольших глубинах. Такие месторождения называются разрезами — и вовсе неслучайно: они имеют вид длинных углублений ступенчатой формы.

Непосредственно процесс добычи сводится к простой схеме. В чистом виде угля нет, он извлекается из горной породы, сосредоточенной в верхних слоях земли.

В зависимости от количества вредных примесей горняки получают бурый, каменный уголь или антрацит. Каждый вид угля обладает своими характеристиками.

Так называемое «вскрытие» месторождения начинается с вскрышных работ – удаления пустой породы, которая покрывает угольные пласты. Этот процесс проводится двумя способами: с помощью взрывов или же механического рыхления.

Затем горняки с помощью мощных землеройных машин снимают слои пустой породы: на грунт опускают ковш экскаватора (или другой техники – машины выбирают в зависимости от рельефа и почвы), с помощью рычага управления «вгрызаются» в него и заполняют вскрышей.

Горная масса за ненадобностью высыпается в сторону, а уголь, залегающий под ней, вынимается.

Очень важный момент: отработка угольных пластов ведётся в чёткой последовательности, к выемке нижнего слоя породы можно приступать спустя определённое время после выемки верхнего слоя.

Огромное количество вскрыши постепенно увеличивает выработанное пространство разреза, поэтому её транспортируют за пределы разреза, на специальные отвалы. А извлечённый уголь отправляется на склад или на горно-обогатительный комбинат.

После отработки на месте разреза нужно обязательно провести рекультивационные работы: отвалы с пустой породой обычно разравнивают и засыпают плодородным слоем почвы.

Предприятия в плюсе

Открытый способ добычи угля получил большое распространение благодаря своим преимуществам перед подземной добычей в шахтах.

Во-первых, работать на разрезе удобней и гораздо безопасней, нежели под землёй. Работники извлекают уголь в более комфортных условиях – на поверхности меньше вредных газов, есть естественное освещение.

И, конечно, риск смертельных случаев на поверхности намного ниже, чем под землёй.

Во-вторых, при данном способе очень высокая производительность труда – за счёт более свободной рабочей зоны и возможности использования сверхмощной техники.

Из пластов разреза осуществляется более полная выемка угля – потери полезного ископаемого примерно в 3 раза меньше, которые в подземных условиях происходят нередко.

В-третьих, высокая скорость строительства разреза, которая к тому же требует гораздо меньших затрат (примерно в 1,5 раза). Также меньше времени нужно на освоение проектной и производственной мощности месторождения.

И в-четвёртых, из-за низких затрат на строительство экономическая эффективность добычи на разрезе почти в 3 раза выше.

Перечисленные достоинства открытого способа позволяют предприятию извлекать уголь с более низкой себестоимостью.

«Нюансы» экологии

Очевидно, что экономическая эффективность добычи угля открытым способом омрачается некоторыми недостатками. По-настоящему глобальной проблемой стало негативное воздействие на окружающую среду.

Разрезы наносят серьёзный ущерб природе: во время добычи и транспортировки угля в воздух попадает масса пыли и золы. Сильно загрязняют атмосферу буровзрывные работы, погрузочно-разгрузочные работы, дымящиеся породные отвалы и открытые угольные склады.

Вскрышные породы, оставшиеся после отработки месторождения, занимают огромные земельные площади – разрушенные и тем самым непригодные для хозяйственной деятельности. На территории бывших разрезов то и дело наблюдается повышение эрозии почв, образование воронок и прочее.

Стоит отметить, что загрязнение почвы и воды при добыче открытым способом носит постоянный характер: выбросы никуда не исчезают, а хранятся долгие годы. В том числе это касается выбросов пыли в воздух – она оседает в грунтах.

Ещё один неблагоприятный фактор: большое количество машин постоянно перевозит пустую породу, загрязняя пылью всё новые территории, попутно производя массу выхлопных газов.

Разрезам — быть?

Недостатки открытого способа добычи угля до сих пор перекрывают их преимущества, несмотря на экологическую проблему, которая в последнее время стоит весьма остро.

Самая сложная ситуация сейчас в центре угледобычи — Кузбассе, где не угасает довольно жёсткий конфликт между местным населением и угольными предприятиями.

Тем не менее, высокая производительность, экономическая эффективность и безопасность держат немалую толику угольных предприятий на плаву.

Сейчас создаются различные программы по снижению выбросов, ужесточаются правила перевозки угля, на месторождениях внедряются более экологичные решения.

Продолжение добычи на угольных разрезах и открытие новых говорит лишь о том, что открытый способ добычи будет востребованным ещё очень долгое время.

Более того, в целом у угольной промышленности России есть будущее, несмотря на мировой бум альтернативной энергетики.

Источник

Уголь: свойства, способы переработки, применение

Уголь представляет собой полезный минерал, используемый в качестве топлива, а также сырья для ряда отраслей промышленности.

Современная теория углеобразования называет в качестве источников возникновения угля, накопившиеся в болотах растения; а также битумные массы, излившиеся на поверхность Земли в результате происходивших тектонических процессов. Те и другие постепенно опускались вглубь земных недр, где под воздействием высокого давления и температуры, без доступа кислорода, они подвергались структурным изменениям. Предположительно, процесс происходил в девонский, каменноугольный и пермский периоды палеозойской эпохи, примерно 300-400 миллионов лет назад. Исходным материалом для формирования угольных пластов выступал торф.

Некоторым подтверждением данной теории является факт добычи трёх основных видов углей, извлекаемых из разно уровневых глубин земной коры и имеющих различные степени фаз углеобразования – углефикации:

• Низшая. Бурый уголь. Полезное ископаемое, содержащее значительное количество летучих веществ и воды, а поэтому имеющий низкую теплоту сгорания 13-25 МДж/кг. Глубина залегания составляет 1 км.
• Средняя. Каменный уголь. Наиболее распространённый среди углей вид энергетического топлива, обладающий теплотой сгорания 27 МДж/кг. По сравнению с бурым углём имеет более низкое содержание воды, и залегает на глубинах до 3 км.
• Высшая. Антрацит. Содержит максимальное количество углерода, поэтому теплота сгорания располагается в пределах: 26,8 – 34,8 МДж/кг. Залежи этого полезного ископаемого размещены глубоко под землёй (до 5 км внутрь земной коры). Благодаря этому содержание воды в составе минерала не превышает 3%.

Добыча угля

Процесс угледобычи достаточно сложен в плане технологии и требует больших затрат для привлечения техники и ресурсов. Современная индустрия располагает тремя основными способами добычи этого полезного ископаемого:

• Карьерным, посредством организации разреза.
• Шахтным методом. С помощью строительства ряда подземных сооружений.
• Гидравлическим. С использованием жидкостных струй, как в качестве разрушителей пластов, так и в качестве транспортирующего материала.

Шахтный способ

Один из наиболее старых и высокотехнологичных для настоящего времени методов добычи полезных ископаемых. При глубинном залегании угля (свыше 500 метров под землей) вскрышные работы потребуют колоссальных затрат. Поэтому наиболее рентабельным является сооружение шахты с последующей прокладкой горизонтальных проходов.

После организации технологического процесса: укрепления стен и прокладки рельсов, обеспечения вентиляции и удаления воды, запуска в работу проходческих врубовых и очистных комбайнов, начинается добыча угля и транспортировка его на поверхность.

Шахтный способ достаточно дорог и небезопасен, хотя и обеспечивает большие объёмы выработки высококачественного сырья, не нанося существенного экологического ущерба окружающей среде.

Карьерный способ

Способ, используемый в случаях неглубоко залегания пород (до 500 метров в глубину недр).

С помощью гусеничных или рельсовых драглайнов (кранов со стрелой и ковшом) производится первичное вскрытие грунта с последующей транспортировкой его в близлежащие отвалы. После чего уголь извлекается и отправляется на переработку и обогащение. Когда месторождение полностью осваивается, происходит обратный процесс возвращения пустой породы на место изъятия. Территория благоустраивается и озеленяется, чтобы в последующем гармонично вписаться в окружающий ландшафт.

Недостатком метода является низкое качество добываемых углей и наносимый природе значительный экологический ущерб.

Переработка и обогащение угля

Так как ископаемые угли содержат в своём составе ряд минеральных примесей, а требования к качеству энергетического топлива резко возрастает, то возникает необходимость дополнительной очистки добытого полезного ископаемого. Это процесс носит название обогащения.

Переработка представляет собой ряд технологий, предназначенных для превращения обогащённого угля в высококачественное топливо. В её основе лежат методы:

• Пиролиза или коксования, то есть высокотемпературного нагрева без доступа воздуха.
• Полукоксования – низкотемпературного коксования.
• Деструктивной гидрогенизации – процесса получения «синтетической нефти» под воздействием водорода при температуре в 400-500 0 C.
• Газификации – перевода твёрдого угля в газ посредством высокотемпературного нагрева с присутствием продуктов разделения воздуха: водорода, кислорода, углекислого газа и водяного пара.
• Плазмохимической переработки – перспективнейшего способа, позволяющего получать жидкое топливо и ряд особо ценных химических соединений в виде кремнийсодержащих веществ и ферросилиция.

Подготовка

Первичный этап обогащения, выполняемый на горно-обогатительных фабриках, целью которого является выявление компонентов, содержащих уголь и доведение их до нужного уровня крупности.

Происходит это при помощи:

• Грохотов – устройств, содержащих в себе короба с ситами или решётки с отверстиями заранее заданных размеров.
• Классификаторов – агрегатов разделения угля на фракции в жидкой среде, посредством всплытия мелких лёгких частиц и оседания более крупных и тяжёлых.
• Дробилок – установок измельчения.

В результате чего получаются стандартные по уровню крупности виды угля:

• размерами более 100 мм – плитный;
• 50-100 мм – крупный;
• 26-50 мм – орех;
• 13-25 мм – мелкий;
• 6-13 мм – семечко;
• меньше 6 мм – штыб.

Уголь нестандартных размеров носит название рядового.

«Простое» обогащение

Метод включает в себя ручной отбор кусков нужного вида или размеров, а также отсеивание с помощью скольжения и падения с наклонной плоскости.

Флотация

Способ, основанный на всплытии в жидкой среде пены, образованной частицами, покрытыми жирными продуктами переработки углеводородов (реагентами) с прилипающими к ним воздушными пузырьками. Образовавшийся минерализованный пенный слой удаляют, очищают, высушивают и используют в качестве угольного концентрата.

Гравитационное обогащение

Данный вид обогащения использует различие физических свойств частиц, имеющих разнообразную плотность и геометрические размеры. Понятно, что столь неодинаковые в весе и габаритах куски породы будут приобретать различную скорость движения в жидкости или воздухе. В результате чего в первичный продукт разделяется на концентрат и отходы – миксты. Отходы могут быть отправлены на повторное обогащение или использованы в качестве низкокалорийного топлива.

Применение

В энергетике

Три четверти мировой добычи угля расходуется на энергетические цели. Половина данного направления использования этого вида топлива сгорает в топках котлов тепловых электростанций, существенная часть обеспечивает жилищно-коммунальные нужды, в меньшей степени уголь сжигают котельные отдельных районов и промышленных предприятий.

Ещё совсем недавно самое распространённое на Земле топливо, играло ведущую роль в мировой экономике. Сегодня позиция угля несколько потеснили природный газ и нефть. Хотя и сейчас 40% электроэнергии вырабатывается за счёт сжигания угля, а в Индии и Китае этот показатель доходит до 75%, в южных странах Африки – до 94%.

Основными недостатками использования данного вида топлива являются:

• Огромный расход ресурса. Чтобы выработать 1000 МВт электроэнергии, требуется 9000 тонн угля. Фактически – это гигантский железнодорожный состав из 90 вагонов, ёмкостью по 100 тонн каждый!
• Загрязнение воздуха серой и оксидом азота. В процессе сжигания угля выделяется к тому же метан и углекислый газ. Учитывая тот фактор, что в качестве энергетического топлива в значительной степени выступают низкосортные марки этого полезного ископаемого, проблема усугубляется.
• Необходимость удаления и утилизации золы, что наталкивается на серьёзные технологические и финансовые проблемы.
• Использование больших объёмов воды, которые в последующем необходимо тщательно очищать. Но даже в этом случае наносится существенный вред окружающей природной среде.

В строительстве

Строительная отрасль использует этот природный ресурс по нескольким направлениям.

Прежде всего, уголь находит применение в процессе производства строительных материалов: цемента, известняка, глинозёма. Кроме того, отходы переработки и сжигания этого минерала активно употребляются в качестве заполнителей при выполнении земляных работ, а также – для изготовления кровельных, облицовочных, стеновых материалов. Также имеет место использование этого материала в качестве гигроскопического средства, позволяющего нейтрализовать вредные запахи и нормализовать уровень влажности в помещениях.

В медицине

Медицинский аспект применения активированного угля основан на его свойствах – связывать и выводить из организма яды и вредные вещества, что является крайне необходимым при целом ряде заболеваний и отравлений.

В дополнение к этому можно отметить его фильтрующие свойства при очистке воды и воздуха.

Месторождение в России и мире

Десятка крупнейших мировых месторождений угля выглядит следующим образом:

• Тунгусский бассейн с запасами в 2,299 трлн. тонн занимает в списке первое место. Россия. Иркутская область, Красноярский край, Республика Саха (Якутия).
• Ленский бассейн площадью 750 тыс. км 2 с запасами в 1,647 трлн. тонн располагается на втором месте. Россия. Центральноякутская низменность.
• Канско-Ачинский бассейн с 638 млрд. тонн и протяжённостью в 800 км по Транссибу занимает в списке третье место. Россия. Красноярский край, Иркутская и Кемеровская области.
• Кузбасс – 635 млрд. тонн. Россия. Кемеровская область, Алтайский край, Новосибирская область.
• Иллинойский бассейн – 365 млрд. тонн. Площадь бассейна составляет 122 тыс. км 2 . США. Штаты Иллинойс, Кентукки, Индиана. 9 пластов, из которых 2 дают 90% продукции: «Харрисбург», «Херрин».
• Рурский бассейн – 287 млрд. тонн, 6,2 тыс. км 2 . Германия. Один из старейших угольных районов мира, где добыча началась ещё в XIII веке.
• Аппалачский бассейн – 284 млрд. тонн, 180 тыс. км 2 . США. Штаты: Алабама, Западная Виргиния, Кентукки, Мэриленд, Огайо, Пенсильвания.
• Печорский бассейн – 265 млрд. тонн, 90 км 2 . Россия. Ненецкий АО и Республика Коми.
• Таймырский бассейн – 217 млрд. тонн, 80 тыс. км 2 . Россия. Полуостров Таймыр.
• Донбасс – 141 млрд. тонн, 60 тыс. км 2 . Украина, Россия, ДНР и ЛНР.

Всего в мире насчитывается 50 месторождений, ведущих активную угледобычу.

Запасы угля в России

Общие геологические запасы угля на территории Российской Федерации оцениваются в 4 трлн. тонн. Это одна треть мировых запасов. Однако значительная их часть располагается в районах вечной мерзлоты и недоступна к разработке.

Утверждённой в 2020 году программой развития угольной промышленности России, предусматривается увеличение добычи этого природного полезного ископаемого с 435 млн. тонн в 2018 году до 485 млн. тонн, а в дальнейшем – до 668 млн. тонн ежегодно.

Страны, добывающие уголь

Лидерами по объёмам добычи угля, согласно данным «Статистического обзора мировой энергетики», в 2019 году стали:

• Китай – 3 846 млн. тонн.
• Индия – 756,4 млн. тонн.
• США – 639,8 млн. тонн.
• Индонезия – 610,0 млн. тонн.
• Австралия – 506,7 млн. тонн.
• Россия – 440 млн. тонн.
• ЮАР – 254,3 млн. тонн.
• Германия – 133,9 млн. тонн.
• Казахстан – 115,4 млн. тонн.
• Польша – 112,4 млн. тонн.

Источник