Добыча каменного угля открытым способом способствует очистке

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

Добыча, очистка и механизация угля

Ископаемые угли, их марки и свойства

Ископаемые угли – бурые, каменные и антрациты – являются продуктом метаморфизации растительной массы, в огромных количествах накапливавшейся в благоприятных местах в прошлые геологические эпохи.

Ископаемые угли отличаются друг от друга прежде всего степенью метаморфизации или степенью зрелости. Наиболее метаморфизованы антрациты. Наименее зрелыми является бурые угли. Каменные угли занимают в этом отношении промежуточное место.

Отдельные виды ископаемых углей отличаются друг от друга и по внешним признакам и по теплотворной способности, зависящей от содержания в них углерода. Так, бурые угли содержат углерода до 75, каменные – до 90, а антрациты – до 96%.

Бурые угли представляют собой плотную или рыхлую землистую массу бурого, реже почти черного цвета, как правило, без блеска. Бурые угли имеют малую твердость. Они характеризуются сравнительно низкой теплотворной способностью. К недостаткам этих углей также относится высокое содержание в них золы (иногда до 40%),большая влажность (до 60%) и наличие серы (1-2 %).При длительном хранении в штабелях бурые угли окисляются, рассыпаясь при этом в порошок, и выделяя тепло, что ведет к самовозгоранию угля; это свойство затрудняет их хранение. Не выдерживает также бурый уголь и дальней транспортировки, которая к тому же экономически маловыгодна из-за низкой его теплотворной способности (6-15 МДж/кг).

Бурый уголь, подобно другим многозольным и малоценным видам топлива (худшие сорта каменного угля, сланцы, торф, отходы древесины), выгодно перерабатывать в газообразное топливо.

Каменные угли бывают черного, реже буровато-черного цвета, с блеском или матовые. Они отличаются хрупкостью.

Известно много различных марок каменных углей, отличающихся друг от друга различными свойствами. Одни угли при нагревании без доступа воздуха (до 950-1100 о С) спекаются в полный, твердый и пористый кокс – это коксовые угли. Другие угли слабо спекаются и их называют слабококсовыми. Так называемые тощие угли или полуантрациты, совсем не спекаются и вместо кокса дают порошок. Одни угли способны выделять большое количество светильного газа – это газовые угли. Другие тощие угли (короткопламенные) выделяют газа очень мало. Близкие к газовым угли горят ярким длинным пламенем, а поэтому их называют длиннопламенными. Тощие угли горят коротким пламенем, но дают больше тепла.

Одним из важнейших свойств многих сортов каменного угля является спекаемость, т.е. способность при соответствующих условиях превращаться в прочный кокс, применяемый в металлургическом производстве для выплавки из железной руды чугуна. Следует, однако, указать, что спекаемость не во всех случаях является положительным свойством угля. Спекающиеся угли не могут применяться, например, в газогенераторах и малопригодны для сжигания в топках, где топливо располагается слоями. Выделяющиеся при горении спекающегося угля жидкие продукты прекращают действие газогенераторной печи и затрудняют процесс горения в топке.

Различные сорта каменных углей отличаются различной степенью метаморфизации. Наиболее высокой степени метаморфизации достигли тощие, неспекающиеся угли, близкие к антрацитам. Длиннопламенные угли представляют собой наиболее низкую степень метаморфизации и в этом отношении близки к бурым углям.

От степени метаморфизации зависит другое очень важное свойство каменных углей – выход так называемых летучих веществ. Чем выше метаморфизация, тем меньше выход летучих веществ. И наоборот. Выход летучих веществ у каменных углей находится в пределах 6-50% от массы угля.

По степени метаморфизма, с учетом выхода летучих и других свойств, ископаемые угли разделяются на марки и группы. Бурые угли (условное обозначение Б) делятся на три группы (1Б, 2Б, 3Б) в зависимости от метаморфизма, влажности и других особенностей. Количество марок каменных углей, их наименование, показатели качества в отдельных угольных бассейнах различны. В Донбассе выделяется 12 марок, основные из них следующие: длиннопламенные (Д), газовые (Г), газовые жирные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые (К), отощенные спекающиеся (ОС), тощие (Т) и антрациты (А). Выход летучих в них снижается от 35% в марке Д до 8% в марке А. Антирацит не подвержен самовозгоранию и может поэтому длительное время храниться в штабелях. Благодаря высокой механической прочности антрацит при перевозке не образует мелочи. Содержание летучих веществ в антраците составляет менее 6%. Для коксования поставляются наиболее дефицитные и качественные угли марок К, КО, КС, КСН и Ж, частично Г, ГЖ, ГЖО и ОС. Угли не пригодные для коксования используют главным образом как котельное топливо преимущественно на электростанциях, теплоэнергетикам поставляют до 90% необогащенных углей со средней зольностью свыше 30%, предельной до 45-53%. Низкое качество угля приводит к снижению выработки и удорожанию электроэнергии. Энергетические угли делятся на классы в зависимости от размеров кусков, мм: плитный (П)-100-200 (300); крупный (К)-50-100; орех (О)-25-50; мелкий (М)-13-25; семечко (С)-6-13. После выделения этих сортов остается штыб (Ш) крупностью 0-6 мм. Нерассортированный уголь крупностью 0-200(300) называется рядовым. Угли марки Д могут применятся также и для производства жидкого топлива.

Большое разнообразие каменных углей позволяет в каждом случае употреблять наиболее подходящие сорта, лучше отвечающие требованиям производства.

Способы добычи угля

Уголь, как и другие твердые полезные ископаемые, добывают двумя способами: открытым и подземным.

Добычу угля открытым способом производят при помощи глубоких траншей (глубиной до 150м и более), прорезающих пласты породы, покрывающие угольный пласт. Образующийся в результате карьер называют разрезом. Угольным карьером называют также и самостоятельное предприятие, разрабатывающее угольное месторождение открытым способом.

При подготовке карьера, прежде всего, снимают и удаляют породы, покрывающие угольный пласт. Для этой цели применяют новейшие землеройные и транспортирующие машины – экскаваторы, в том числе крупнейшие роторные экскаваторы непрерывного действия, транспортно-отвальные мосты и др. Затем прямо по углю прокладывают рельсовые пути, по которым передвигают опоры транспортно-отвального моста и движутся составы, вывозящие уголь из карьера.

Экономическая эффективность открытой разработки угля тем выше, чем ниже коэффициент вскрышных работ, т.е. чем меньше объем удаляемой покрывающей породы на единицу добываемого угля.

Наиболее благоприятными условиями для открытой добычи отличаются восточные угольные бассейны России, на долю которых приходится свыше 90% добычи угля открытым способом.

Открытая добыча дает почти половину угля, добываемого в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, более половины – на Урале. Большое количество угля дают карьеры Карагандинского бассейна и Экибастуза в Казахстане. Крупные открытые разработки ведут в Канско-Ачинском (Назаровский, Ирша-Бородинский разрезы) и Иркутском бассейнах. Крупнейшие карьеры дают в год десятки миллионов тонн угля. В Экибастузе работает угольный карьер мощностью 50 млн.т.

Возможности для развития добычи угля открытым способом в Украине (г. Александрия) не велики и удельный вес открытой добычи в дальнейшем будет незначительным.

Добыча угля открытым способом имеет большие преимущества. На открытых разработках гигиенические условия для рабочих лучше, чем в шахтах (чистый воздух, меньше вредных газов, естественное освещение в дневное время и т.д.), производительность труда на открытых разработках, благодаря применению сверхмощных машин, в шесть-семь раз выше, чем в шахтах, а себестоимость тонны угля соответственно ниже.

Строительство угольных карьеров выполняют в два-три раза быстрее, чем строительство шахт, и оно обходится примерно в полтора раза дешевле. Наконец, потери угля в недрах, неизбежные при подземной добыче, на открытых разработках почти исключаются.

Подземный способ добычи угля, требующий строительства шахты, более трудоемок, чем открытый способ.

Угольное месторождение, если оно достаточно велико, делят на несколько участков – шахтных полей. Запасы угля каждого шахтного поля, предназначенного для строительства отдельной шахты, должны быть достаточны для эксплуатации в течение 40-50 лет.

Строительство шахты (рис. 5.1.) начинают с закладки стволов, что улучшает ее вентиляцию.

Ствол шахты – это обычно вертикальная, а иногда и наклонная выработка, проходящая через толщину горных пород. В отдельных случаях (в горных районах) вместо стволов проходят штольни – горизонтальные или близкие к горизонтальным выработки, выполняющие функции обычных стволов (вскрытие угольного пласта, связь подземных выработок с поверхностью, вентиляцией шахты и т.д.).

Проходка стволов глубиной в десятки и сотни метров в настоящее время механизирована. Созданы буровые машины, позволяющие проходить (пробуривать) стволы диаметром 5-6 м.

Главный, или подъемный, ствол современной крупной шахты имеет круглое, реже эллиптическое сечение. Его диаметр зависит от мощности (производительности) шахты. Ствол является капитальным сооружением, срок службы которого равен сроку эксплуатации шахты. Поэтому его прочно закрепляют бетоном и железобетоном, что обеспечивает длительность и безаварийность службы ствола.

Шахтный ствол обычно делят по вертикали на четыре отделения. В одном отделении устанавливают две подъемные клети для спуска и подъема отдельно людей и материалов; в другом отделении монтируют подъемники для грузов – угля и пустой породы; третье отделение оборудовано лестницами с площадками, оно служит запасным выходом на случай какой-либо аварии подъемного механизма; в четвертом отделении размещают трубы для откачки воды из шахты и для подачи сжатого воздуха, электрические и телефонные кабели.

Внизу около ствола, в том месте, где от него начинаются горизонтальные выработки, сооружают большой околоствольный двор 3. Здесь перегружают добытый уголь из вагонеток или с транспортеров в загрузочные бункера подъемных машин и размещают группу выработок – подземных камер, имеющих различное назначение. В них устанавливают насосы, откачивающие воду, располагают ремонтные мастерские, депо для электровозов, электрическую подстанцию, подземный медпункт и т.п.

От околоствольного двора начинают проходку капитальных горизонтальных выработок; при этом возможны разные варианты в зависимости от того, как залегают угольные пласты, где расположены стволы шахты.

Если угольные пласты лежат горизонтально или с небольшим уклоном (пологопадающие пласты), то стволы могут быть пройдены до глубины, находящейся между верхним и нижним пластами. В этом случае для вскрытия пластов проходят капитальные горизонтальные откаточные квершлаги 4 (рис.5.1). Это горизонтальная горная выработка, пройденная вкрест простирания пласта. По простиранию угольного пласта проходит главный 5 или откаточный штрек, связывающий околоствольный двор с местами добычи угля. Вниз по падению пласта от штрека проходят наклонные выработки, которые называют уклонами; вверх по пласту от штрека идут бремсберги 7. По уклонам и бремсбергам добытый уголь соответсвенно поднимают или опускают к главному штреку, паралельно бремсбергам и уклонам проходят грузовые (для доставки грузов) и вентиляционные ходки 6,8.

1, 2 – главные стволы; 3 и 4 – соответственно откаточный и вентиляционный квершлаги; 5 и 6 – соответственно откаточные и вентиляционные штреки; 7 – разрезная печь; 8 – гезенк

Рис. 5.2. Схема многогоризонтального вскрытия свиты крутых пластов вертикальными стволами и этажными квершлагами

Если шахту строят для разработки наклонных и крутопадающих пластов, то капитальные горизонтальные выработки проходят иначе (рис.5.2). В данном случае ствол шахты может дойти до одного из угольных пластов, либо его закладывают в стороне от них. От ствола до угольных пластов по пустой породе прокладывают одну или на определенном расстоянии одну над другой несколько горизонтальных выработок – квершлаги. Такая система квершлагов позволяет из одного ствола открыть доступ к двум, трем и большему числу наклонных или крутопадающих пластов угля и исключает необходимость проходки отдельного ствола к каждому пласту. После вскрытия угольного пологого или наклонного пласта при помощи квершлага (рис.5.1) по нему прокладывают штрек 2, а от него – уклоны и бремсберги.

Ствол, окоствольный двор, главный откаточный штрек, квершлаги, уклоны и бремсберги являются основными капитальными сооружениями шахты и должны служить десятки лет. Они требуют прочного крепления бетоном и железобетоном, металлическими арками. Иногда для крепления капитальных выработок применяют и наиболее прочные чугунные тюбинги.

По завершению основных капитальных выработок начинают проводить ряд транспортных 9 и вентиляционных штреков 11, между которыми по пласту нарезают разрезные печи 10 для монтажа оборудования для выемки угля, работы по разделению угольного пласта на отдельные участки, с тем чтобы добычу угля можно производить одновременно с различных сторон.После этого, если одновременно завершен монтаж всех механизмов и оборудования, начинают нормальную эксплуатацию участков шахты. Уголь выбирают начисто, и поэтому такие работы называют очистными, а место, где их производят, – очистным забоем или лавой.

Технология очистных работ угля

Под технологией очистных работ следует понимать совокупность технологических процессов по добыче угля, увязанных между собой в пространстве и времени.

Основными технологическими процессами при добыче угля являются: выемка угля в очистном забое, погрузка его на транспортное средство и транспортирование по лаве, проветривание очистного забоя, возведение или передвижка крепи, управление горным давлением и др.

Выемка угля состоит из отбойки и погрузки отбитого полезного ископаемого.

Отбойкой угля называется отделение его от массива. Она выполняется механическим, буровзрывным и гидравлическим способами. Выбор способа отбойки зависит от физико-механических свойств угольного пласта, устойчивости вмещающих пород, наличия соответствующего оборудования и др.

Наибольшее распространение имеет механический способ отбойки, при котором исполнительные органы горных машин разрушают пласт посредством резцов, шарошек, коронок и др. При этом различают комбайновую и струговую выемку.

Выемочный комбайн (рис. 5.3) представляет собой машину, которая посредством резания отделяет уголь от массива и грузит его на забойный конвейер (на пологих и наклонных пластах). На крутых пластах отсутствует необходимость в погрузке угля, так как он скатывается по лаве под действием собственного веса.

Рис. 5.3. Угольный комбайн 1КУ-10:

1 – механизм подачи; 2 – левый шнек; 3, 5, 7, 9 – редукторы;
4, 10 – гидродомкраты; 6 – электродвигатели; 8 – правый шнек;
11 – погрузочный щит; 12 – электроблок; 13 – опорные лыжи

В зависимости от ширины захвата исполнительного органа выемочные комбайны делятся на узкозахватные и широкозахватные. При ширине захвата до 1м комбайны называются узкозахватными, более 1м – широкозахватными.

В отличие от выемочных комбайнов угольные струги отделяют уголь от массива не резанием, а скалыванием стружками толщиной до 0,4 м. Перемещение струга вдоль лавы обеспечиваются цепным тяговым органом. Струговая выемка позволяет улучшить сортность угля, снизить пылеобразование, механизировать выемку тонких пластов и пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа.

Гидравлический способ добычи угля позволяет перейти от многооперационных процессов добычи угля к малооперационным, выполненным без присутствия людей в забоях. Гидродобыча угля широко распространена на шахтах Кузбасса (Россия).

Сущность этого способа заключается в отбойке угля сильной струей воды, подаваемой под большим давлением гидромонитором и транспортированием его вместе с водой по желобам в специальный колодец (зумпф). Оттуда эту смесь откачивают углесосами на поверхность шахты и подают на обогатительную фабрику.

К механизированным способам отделения угля от массивов относится также отбойка отбойными молотками. Отбойный молоток – ручная пневматическая машина ударного действия. Отбойный молоток применяется в очистных забоях на крутонаклонных и крутых пластах, где применение электроэнергии практически невозможно из-за исключительно опасных условий эксплуатации. Отбитый уголь транспортируется вдоль лавы самотеком.

Транспортирование отбитого угля по лаве от места отбойки до места погрузки в транспортные средства на пологих и наклонных пластах осуществляется с помощью скребковых конвейеров, на крутонаклонных (α = 36-55 о ) и крутых пластах (α = 56-90 о ) доставка под действием собственного веса по металлическим желобам, эмалированным решеткам или почве пласта.

Скребковые конвейеры разделяются на разборные и изгибающиеся (безразборные).

Разборные конвейеры имеют сравнительно легкий рештачный став и переносятся вручную. Они применяются крайне редко, преимущественно при широкозахватных выемочных машинах, а также для транспортирования горной массы по просекам, печам, подготовительным выработкам.

Изгибающиеся конвейеры используются в основном при узкозахватных выемочных машинах (комбайнах, стругах). Они передвигаются без разборки с помощью механических или гидравлических устройств.

Крепление очистных выработок выполняется с целью предотвращения обрушения кровли, поскольку в результате очистной выемки угля она теряет устойчивость. Крепи очистных выработок разделяют на индивидуальные и механизированные.

Индивидуальная крепь состоит обычно из отдельных строек и верхняков, установленных совместно и разбираемых полностью или частично при переноске.

Верхняк и стойки образуют раму, располагаемую параллельно или перпендикулярно забою. Расстояние между соседними рамами изменяется обычно от 0,8 до 1,2 м и определяется паспортом крепления очистной выработки.

Индивидуальная призабойная крепь может быть деревянной и металлической. В настоящее время индивидуальную деревянную крепь в очистных выработках применяют в ограниченном объеме.

Металлические стойки призабойной крепи выпускают двух типов: стойки трения и гидравлические.

Стойка трения – стойка, у которой фиксация ее выдвижной части в рабочем положении и создание сопротивления обеспечиваются с помощью клинового замка.

Гидравлическая стойка – стойка, выполненная в виде цилиндра и трубчатой выдвижной части, являющейся плунжером. В качестве рабочей жидкости в ней применяется минеральное масло или водомасляная эмульсия. Различают гидравлические стойки с внутренней гидросистемой и с внешним питанием.

По мере подвигания очистного забоя увеличивается площадь обнажения вмещающих пород, а следовательно, и их давление на призабойную крепь и угольный массив. Совокупность мероприятий по регулированию горного давления в рабочем пространстве очистного забоя в целях обеспечения безопасности и необходимых производственных условий называют управлением горным давлением.

Основные способы управления горным давлением:

а) полное обрушение;

б) частичная закладка;

в) полная закладка выработанного пространства;

г) плавное опускание кровли.

Управление горным давлением полным обрушением заключается в том, что по мере подвигания очистного забоя на границе между рабочим и выработанным пространством кровлю обрушают на специальную обрезную крепь. Расстояние, через которое осуществляют посадку кровли, называют шагом посадки (обрушения) кровли. При установившемся режиме работы лавы, закрепленной индивидуальной крепью, шаг посадки кровли кратен ширине захвата комбайна. При использовании механизированных крепей он равен шагу передвижки крепи.

В качестве специальной крепи, создающей режущую опору и предотвращающей распространение обрушения на рабочее пространство лавы, применяют металлические посадочные стойки, металлические или деревянные костры, одно – или двухрядную крепь из деревянных стоек.

Сущность способа плавного опускания кровли заключается в опускании на почву кровли за счет ее прогиба. При этом используют специальную крепь – деревянные костры треугольной или прямоугольной формы. Костры располагают в один или два ряда и переносят по мере подвигания забоя. Плавное опускание применяют при недробящихся породах кровли.

При удержании кровли на кострах, которое практикуется наряду с плавным опусканием, применяют также специальную крепь из костров, которые, однако, не переносятся. Эти костры выкладываются через каждые 4-6 м по падению и 1,8-2,7 м по простиранию.

При управлении горным давлением частичной закладкой выработанного пространства для поддержания кровли в выработанном пространстве возводят бутовые полосы, располагаемые на определенном расстоянии друг от друга. Породу для возведения бутовых полос получают в специально проводимых бутовых штреках.

Управление горным давлением полной закладкой выработанного пространства предусматривает заполнение его закладочным материалом (горной породой).

Из лавы уголь поступает на транспортерный 9 (откаточный) штрек (рис.5.1), по которому его доставляют к грузовому стволу для подъема на поверхность. Подъем угля производят в скипах, куда уголь поступает из загрузочных бункеров. В бункера уголь поступает из конвейерных линий или опрокидывателей вагонеток.

Все описанные операции – выемка угля, транспортирование, крепление, управление горным давлением составляют один цикл работы. По завершении его механизмы перемещают, и очередной цикл вновь начинают с выемки угля. Таким образом, рабочее место в шахте не является постоянным, а постепенно перемещается, что, естественно, усложняет производственный процесс и затрудняет полную его механизацию.

На каждой шахте ежегодно проходят многие километры подземных выработок различного поперечного сечения: трапециевидного, арочного, прямоугольного, круглого. А на всех шахтах Украины протяженность ежегодно проходимых подземных выработок достигает нескольких тысяч километров.

Скорость проведения подготовительных выработок достигает 300-400 м в месяц при применении проходческих комбайнов и до 50м при применении буровзрывных работ и машинной погрузке породы.

Комплексная механизация добычи угля

На основе передвижных механизированных крепей созданы и широко применяются в очистных забоях механизированные комплексы оборудования и агрегаты, в которые помимо крепей входят узкозахватные комбайны или струговые установки, безразборные передвижные конвейеры, крепи сопряжения лавы с выемочными выработками и другие машины, и механизмы, обеспечивающие механизацию всех процессов и операций по выемке полезного ископаемого. Очистные забои, оборудованные такими комплексами, называются комплексно-механизированными, и их нагрузка достигает от 500 до 3000 т в сутки.

Типичная технологическая схема выемки угля очистным механизированным комплексом на пластах пологого и наклонного падения заключается в следующем (рис.5.4). Вдоль очистного забоя на всем его протяжении устанавливается механизированная передвижная крепь 1, которая, как указывалось, предохраняет призабойное пространство от завала породой. Под крепью вдоль забоя располагается изгибающийся скребковый конвейер 2. На раме конвейера устанавливается узкозахватный угольный комбайн 3, который на опорных лыжах может перемещаться по раме конвейера туда и обратно вдоль забоя. Перемещение комбайна достигается с помощью специальной цепи, связанной с механизмом подачи комбайна или бесцепной системы подачи. Цепь растянута по лаве и прикреплена концами к натяжному устройству и натяжному домкрату, установленным на концевых частях забойного конвейера. Каждая секция механизированной крепи с помощью гидродомкрата связана с конвейером.

Рис.5.4. Технологическая схема выемки угля очистным механизированным
комплексом:

1 – механизированная
подвижная крепь;

2 – скребковый конвейр;

3 – угольный комбайн;

4 – исполнительные органы;

Комбайн перемещается по конвейеру и своими рабочими (исполнительными) органами 4 (шнеками) разрыхляет полоску угля шириной до 1 м. Погрузочное устройство комбайна выполнено в виде щитков, шарнирно закрепленных по обе стороны рабочего органа. С его помощью уголь оказывается на конвейере, который скребками перемещает его к конвейеру штрека 5 (просек, углеспускные печи, целики угля на схеме не показаны).

По мере движения комбайна конвейер 2 с помощью гидродомкратов механизированной крепи вслед за комбайном (с отставанием на 12-15 м) передвигается к призабойному пространству, при этом он плавно изгибается.

Затем поочередно к конвейеру подтягиваются секции крепи. Одновременно происходит обрушение пород в выработанном пространстве (т.е. осуществляется управление кровлей).

Комбайн работает по выемке в обоих направлениях, без холостых перемещений.

Комплексы позволяют полностью устранить ручной труд в забое, резко повысить производительность труда шахтеров.

Примерная расстановка рабочих в добычную смену, когда занято 13-15 чел.: машинист комбайна и его помощник управляют комбайном, двое или четверо рабочих в (зависимости от состояния кровли) зачищают основания секций крепи впереди комбайна; двое передвигают секции крепи за комбайном; двое передвигают конвейер с отставанием от комбайна на 12-15 м, один занят на расштыбовке нижней приводной головки конвейера, двое или трое подготавливают верхнее сопряжение и задвигают конвейерную головку. Трое или четверо выполняют аналогичные работы на противоположном сопряжении лавы с подготовительной выработкой.

Производительность труда рабочего очистного забоя на маломощном пласте свыше 44 т/смену, что в 5-6 раз выше, чем при широкозахватной выемке угля комбайном “Кировец-2К”.

Вспомогательные технологические процессы

При строительстве и эксплуатации шахты приходится откачивать воду, проникшую в подземные выработки. Мощные насосы за сутки откачивают из шахты тысячи кубических метров воды. Из отдельных выработок вода по отдельным канавкам стекает в центральный водосборник, расположенный вблизи околоствольного двора, откуда насосами откачивается на поверхность.

Для нормальной работы шахты требуется наличие в ней хорошо действующего подземного транспорта, бесперебойной вентиляции и хорошего освещения.

Кроме сложного подземного оборудования, каждая шахта имеет также многочисленные сооружения и механизмы на поверхности. К ним относится надшахтное здание с высокой металлической вышкой –копром, подъемные машины, компрессоры, вентиляторы, электроподстанции, электромеханические мастерские, склады готовой продукции и др., без которых невозможна нормальная работа шахты.

Во многих случаях при шахте работает и обогатительная фабрика, на которой с помощью воды (отсадкой, промывкой) уголь освобождают от примеси пустой породы (обогащают). Обогащение угля имеет большое экономическое значение: оно улучшает его качество и удешевляет перевозку. Обогащение угля приобретает особенно большое значение в связи с механизацией угледобычи, приводящей к некоторому повышению засоренности угля породой (из-за породных прослоек, а также вследствие попадания породы из пластов, подстилающих и покрывающих разрабатываемый угольный пласт) и, следовательно, повышению его зольности. При современных масштабах добычи угля повышение его засоренности даже на 1% приводит к увеличению транспортировки балласта (породы) почти на 0,7 млн.т в год. Обогащение повышает качество угля, улучшает также технико-экономические показатели его использования.

Использование угля

Ископаемый уголь является, прежде всего важнейшим энергетическим топливом. Огромные количества его (в Украине – более 25 миллионов тонн) ежедневно сжигают в топках электростанций, отопительных установок и т.д. Но уголь – не только энергетическое топливо. Получаемый из соответствующих марок каменного угля кокс служит технологическим топливом для металлургии и некоторых других отраслей промышленности. Уголь – ценное сырье для химической переработки, для производства сотен самых разнообразных продуктов, применяемых во всех отраслях народного хозяйства, в повседневном быту и для обороны страны.

Существует несколько основных направлений технологического использования ископаемого угля: коксование, полукоксование, газификация и гидрогенизация.

Источник