Каменный уголь шахтный способ добычи

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 угля шахтным (закрытым) способом

Уголь шахтным (закрытым) способом добывают в специально оборудованных шахтах. Метод применяют при разработке залежей полезного ископаемого, которое находится на глубине больше 100-500 м, в пологих, наклонных и вертикальных пластах. На него приходится около 5 0-60% мировой добычи. Подземные технологии обходятся дороже, чем добыча в разрезах. Себестоимость угля выше, поэтому многие шахты в мире сейчас закрываются или консервируются.

Как устроена шахта по добыче угля

Угольная шахта – это сложный промышленный комплекс, который состоит из подземной и надземной части. В подземной добывают полезное ископаемое. Надземная обеспечивает функционирование предприятия, складирование и транспортировку угля.

Надземная часть шахты

Надземная часть шахты состоит из комплекса зданий с разным функциональным назначением.

Они обеспечивают:

• Подачу в шахту свежего охлажденного воздуха, электроэнергии, тепла, выведение вредных газов
• Спуск и подъем шахтеров, оборудования
• Подъем пустой породы и угля
• Лабораторный анализ каждой партии полезного ископаемого
• Сортировку и обогащение угля, временное складирование
• Отправку обогащенного угля потребителям
• Складирование пустой породы в отвалы
• Ремонт техники, складирование запчастей, машин и оборудования
• Бытовое обслуживание работников
• Административное управление

Все здания на территории разделяются на основные и вспомогательные. Первые непосредственно связаны с добычей угля. Они располагаются над главным или вспомогательным стволом шахты.

К основным зданиям верхней части угольной шахты относятся:

• Коперы
  Это высокие сооружения, обеспечивающие подъем людей и г р узов из ствола шахты. Высота коперов 15-40 м, в редких случаях больше.
• Надшахтное здание
  Располагается рядом с копером, непосредственно над стволом. Здесь принимают и разгружают уголь, пустую породу. В шахту спускают оборудование и другие материалы.
• Здание подъемных машин
  Здесь располагаются лифты различной конструкции, через которые спускаются и поднимаются рабочие. Также здесь могут быть машины для транспортировки из шахты угля и породы, перемещения оборудования.
• Котельная
  Предназначена для обогрева надземных зданий.
• Электроподстанция
  Служит для распределения электроэнергии в наземной и подземной части шахты, снижает напряжение с 3000-6000 Вт до рабочих величин (660, 380, 220 Вт).
• Компрессорная станция
  Закачивает свежий воздух в подземную часть шахты.
• Здание шахтного вентилятора
  Обеспечивает циркуляцию воздуха в подземной выработке.
• Дегазационная установка
  Отсасывает и собирает метан, который накапливается между угольными пластами и в пространстве шахты. В современных установках газ собирается , очищается и используется для хозяйственных нужд.
• Обогатительная фабрика
  Располагается рядом с надшахтным зданием. Здесь уголь очищается от пустой породы, измельчается при необходимости и делится на фракции.
• Разгрузочный бункер
  Предназначен для временного хранения угля и его погрузки на транспортные средства (вагоны, грузовики).
• Деревообрабатывающий цех и склад хранения древесины
  Предназначены для складирования и обработки крепежного леса. На современных шахтах деревянные крепления практически полностью заменены стальными и бетонными. Поэтому потребность в таком здании отпадает. Вместо них есть склады для хранения крепежных стальных конструкций.
• Ремонтные мастерские со складом запчастей
  Здесь проводится текущий ремонт техники, заменяются изношенные детали.

К вспомогательным относятся административно-бытовые здания. В них включены:

• Администрация
  Состоит из кабинетов инженеров и руководства шахты, зала для собраний и т.д.
• Производственные помещения
  Включают комнаты для хранения и обслуживания ламп и респираторов, телефонную станцию, диспетчерскую, лабораторию.
• Санитарно-бытовые помещения
  Включают душевую, умывальники, прачечную , столовую, помещения для обеспыливания и сушки спецодежды.
• Санитарно-медицинский центр
  Здесь работают врачи, фельдшера и медсестры. Количество и перечень специалистов зависит от размеров шахты.

Административно-бытовые помещения могут располагаться в одном или нескольких зданиях, объединенных в блок.

Подземная часть шахты

Подземная часть – это основная составляющая шахты. Именно здесь добывают уголь. Она состоит из горных выработок и коммуникаций.

Горные выработки

Горные выработки – это подземные тоннели разной направленности. Они служат для спуска в шахту, перемещения людей и техники, непосредственной добычи угля и его транспортировки.

Горные выработки бывают:

• Вертикальными
• Горизонтальными
• Наклонными
• Очистными

Виды вертикальных выработок

Ствол
Вертикальный тоннель, соединенный с поверхностью земли. Стволы бывают основными, вспомогательными и вентиляционными. Через основной транспортир у ется полезное ископаемое, через вспомогательный спускаются и поднимаются в шахту люди, техника.

Гезенк
Выработка не имеет выхода на поверхность, служит для спуска угля с верхних уровней на нижние, перемещения людей и машин, проветривания.

Слепой ствол
Не имеет выхода на поверхность, нужен для обслуживающих работ.

Шурф
Короткий тоннель (50-60 м) с небольшим сечением. Он предназначен для разведки месторождения, проветривания шахты, спуска и подъема крепежных материалов, запасных частей, мелкой техники.

Скважина
Отверстие в твердой горной породе, сделанное с помощью бура. Используется для разведки залежи, отвода метана из пластов.

Виды горизонтальных горных выработок

Штольня
Горизонтальный или слегка наклоненный тоннель, чаще всего у склона горы, с выходом на поверхность. Раньше его использовали для непосредственной добычи полезного ископаемого. Сейчас штольня – это часть шахтного ствола, который используют для транспорта угля, техники и рабочих, вентиляции.

Штрек
Горизонтальная выработка без выхода на поверхность. Прокладывается по поверхности простирания угольного пласта. Чаще всего отходит от главного или вспомогательного ствола. Служит для перемещения людей и техники внутри шахты, транспортировки угля и по р оды.

Квершлаг
Тоннель без выхода на поверхность. Прокладывается сквозь пустую породу. Назначение его такое же, как и у штрека.

Просек
Тоннель идет параллельно штреку. Прокладывается по пласту с небольшим подрывом пустой породы. Основная функция – проветривание штрека и транспортировка полезного ископаемого.

Виды наклонных выработок

Бремсберг
Тоннель идет над наклонным угольным пластом, не соединен с поверхностью. Служит для спуска различных грузов.

Уклон
Выработка идет по поверхности наклонного пласта или по пустой породе. Предназначена для подъема грузов и угля с нижних уровней шахты на верхние.

Ходок
Выработка служит в качестве вентиляционной шахты или для передвижения людей и грузов.

Печь
Тоннель, который прокладывается по восстанию пласта (подъем пласта, противоположенный падению). По нему перемещаются рабочие, техника и грузы.

Очистная выработка называется забоем или лавой. Она может иметь любую направленность. Остальные тоннели тем или иным образом соединяются с лавой.

Вход в шахту – это ствол или штольня. От него отходят штреки, квершлаги и просеки, идущие к забоям. У основания ствола находится околоствольный двор. Это место, в котором обеспечивается отгрузка и транспортировка угля. Сюда по рельсам приезжают вагонетки и локомотивы. Здесь могут заканчиваться транспортные конвейеры. Дальше материалы р азгружаются в стальные клети и с помощью механизмов, размещенных в стволе и копере, поднимаются на поверхность.

Подземные коммуникации

Подземные коммуникации в шахте включают в себя:

• Транспортную систему
• Систему отведения воды
• Вентиляцию и дегазацию
• Систему электроснабжения

Транспортная система

Транспортная система в шахте прокладывается в горизонтальных, вертикальных и наклонных выработках. Она обеспечивает передвижение людей, техники, грузов, пустой породы и угля.

Система включает в себя:

• Железнодорожные рельсы
• Монорельсы
• Канатные дороги
• Подъемники
• Конвейеры
• Погрузочные и разгрузочные пункты

В горизонтальных и наклонных выработках чаще прокладывают рельсы. В вертикальных стволах – канатные дороги и подъемники. Конвейерные ленты идут через наклонные и го р изонтальные тоннели. О видах транспорта в шахтах вы прочитаете в следующих частях статьи.

Система отведения воды

Подземные воды – одна из основных проблем шахты. Если их своевременно не откачивать, они могут затопить все пространство. Для водоотвода делают специальные каналы. Из них вода насосами откачивается на верхние уровни. Там она собирается в водосборники из которых выкачивается наружу. Чем глубже шахта, тем больше в ней уровней сбора воды. Ведь насос может откачать ее только на определенную высоту.

За пределами подземной части шахты вода собирается в отстойники. Там она очищается от вредных примесей. Дополнительно жидкость можно пропустить через сорбенты (например, фильтры из активированного угля). Такая вода может в дальнейшем использоваться для технических нужд на самой шахте и на металлургических предприятиях. При гидравлическом методе добычи ее используют для извлечения полезного ископаемого из пластов и транспортировки. Из подземных вод также можно добывать некоторые химические элементы – гелий, хлор, магний, серу и др.

Вентиляция и дегазация

Газообмен в шахтах проводится через вентиляционные стволы. В них проложены специальные трубопроводы.

Существуют три основные схемы вентиляции:

1. Центральная
   Воздух отводится и подается через один центральный ствол.
2. Фронтальная
   Возд у х подается через центральный ствол, а отводится через боковые.
3. Комбинированная
   Имеет особенности первой и второй схем.

Вентиляционная система может обслуживать всю шахту (общая) или только ее часть (местная). Обмен воздуха происходит пассивно (через горные выработки – штольни, скважины и т.д.) или активно. При активной подаче воздух чаще всего нагнетается в шахту насосами. Если под землей есть большое скопление газов, воздух высасывают. Свежий поступает самотеком из-за разницы давления. Иногда обе схемы комбинируют. Это делают в крупных шахтах и длинных забоях.

Вместе с вентиляцией проходит дегазация пространства. Но при большом скоплении метана в пластах ее проводят отдельно. Еще при закладке шахты проделывают скважины, через которые выходит газ. В процессе эксплуатации опасные пласты отгораживают от основного пространства шахты. Метан выводят наружу вакуумными насосами. Иногда газ собирают и используют для хозяйственных нужд.

Система электроснабжения

Электроснабжение шахты обеспечивают автономные источники питания, собственные электростанции, связанные или не связанные с общей энергосистемой района. В саму шахту через главный и вспомогательный стволы, скважины спускаются кабели. Возле каждого входа на поверхности устанавливаются трансформаторы.

Внутри шахты перераспределение энергии идет через передвижные или стационарные подстанции. В их состав входят трансформаторы, преобразовательная аппаратура, средства коммуникации. Энергия в выработки и забои подается через кабели. Она обеспечивает работу насосов для отведения воды, электротранспорта, угольных комбайнов и д р угой техники. Отдельно идет проводка для освещения.

Оборудование для добычи угля

Для подземной добычи угля используется два типа оборудования:

1. Техника для выемки пластов
2. Транспортное оборудование

Читайте дальше, чтобы подробнее узнать об этом оборудовании.

Техника для выемки пластов

В современных шахтах практически не используется ручное оборудование для выемки пустой породы и угля. Единственное приспособление такого типа – пневматический отбойный молоток. Его применяют на сверхтонких пластах и в труднодоступных для большой техники местах. Использование молотка допускается лишь в тех случаях, если помогает добыть ценные марки угля.

При добыче более современным методом (буровзрывным) используются специальные буровые машины. Они проделывают отверстия в породе, куда закладывается взрывчатка.

Наиболее эффективно выемка полезного ископаемого проходит с помощью проходческих и очистных комбайнов.

Проходческие комбайны разделяют на:

• Врубные
  На овальное основание прикреплена цепь со стальными зубьями. Она врезается в породу или пласт угля наподобие пилы. Используется при разработке новых забоев.
• Избирательного разрушения
  Снабжен стрелой, на конце которой есть стальная коронка с зубьями. Такой комбайн подходит для работы в забоях любой формы. Работа механизма цикличная , в течение смены его можно перемещать в разные места.
• Сплошного разрушения
  Комбайн оснащен роторной коронкой бурового типа. Ее диаметр от 4 м до 10 м (чаще 5-6 м). Коронка врезается в породу или угольный пласт и проходит его насквозь по всему диаметру. Действие машины непрерывное, ее нельзя перемещать, пока не закончится работа в одном забое.

К очистным относятся такие виды комбайнов:

• Струги
  Рабочий орган этого комбайна оснащен острыми резаками, которые срезают уголь с пласта слой за слоем. Струги бывают отрывного и скользящего типа. Первая разновидность машин предназначена для добычи мягкого угля с небольших залежей. Они могут срезать породу только с части пласта. Скользящие струги добывают уголь по всей высоте пласта, предназначены для мощных залежей твердого угля.
• Фланговые комбайны
  Предназначены для добычи угля в длинных забоях с пологими или крутыми пластами. Передвигаются по раме конвейера, снабжены мобильной крепью и механизмом для погрузки угля. В зависимости от габаритов разделяются на широкозахватные и узкозахватные.
• Фронтальные
  Используются в коротких и подготовительных забоях. Передвигаются по почве, снабжены рабочим органом циклического или поточного действия. Цикличные коронки или барабаны размещены на конце подвижной рукоятки. Барабан периодически врезается в породу, в зависимости от заданной программы. Поточный роторный рабочий орган проделывает в пласте концентрические щели, а затем скалывает перегородки между ними.

При добыче полезного ископаемого под землей очень важно правильно укрепить крышу и обеспечить ее безопасное обрушение после завершения выемки. В рабочих лавах сейчас используются мобильные установки (механизированные крепи) на гидравлической тяге. Некоторые из них входят в единый комплекс с проходческими комбайнами.

Механизированная крепь состоит из основания, верхнего перекрытия и оградительной части, защищающей механизм от попадания породы из обрушившейся крыши. Она стоит на гидравлических опорах, которые оказывают плавное сопротивление обрушению крыши. Передвигается с помощью механических домк р атов вместе с конвейером для сбора угля. Крепь состоит из нескольких секций, длина комплекса в среднем 80-200 м.

Транспортное оборудование

Добытый уголь перемещается из забоя по системе тоннелей к главному стволу шахты. Оттуда его поднимают на поверхность.

Для работы используют:

• Конвейеры
• Вагоны с локомотивами
• Самоходные машины разного механизма действия (пневматические, гравитационные, скреперные, гидравлические)

В шахтах работают конвейеры нескольких типов:

• Ленточные
  В конвейерах погрузочная лента одновременно служит тяговым механизмом. По ней перемещают большие объемы породы, но только в прямой выработке, без поворотов. На ленту можно погружать материалы с размерами частиц до 500 мм.
• Ленточно-канатные
  Лента служит только для погрузки материалов. Тяга осуществляется системой канатов. Конвейеры отличаются высокой надежностью, служат до 10 лет. Транспортировать по ним породу можно по прямой или под небольшим углом. Частицы материала не должны превышать 300 мм.
• Скребковые
  Груз перемещается по неподвижному желобу благодаря перегородкам (скребкам). Конвейеры используются для транспортировки угля и породы из забоев. Они могут являться частью комплекса, в который входят механизированные крепи и комбайн для добычи.
• Пластинчатые
  Конвейер состоит из отдельных пластин для погрузки материала. Они приводятся в движение несколькими тягловыми цепями. Устройство у станавливают в тоннелях с поворотами.

С помощью конвейеров уголь можно выгружать на поверхность. Их устанавливают в наклонных выработках. Но чаще материал перегружается в вагоны или на самоходные машины. Дальше он пересыпается в стальные клети и поднимается наверх.

Кроме транспорта, который используется для перевозки угля и породы, используются средства для транспортировки людей и оборудования. Чаще всего это пассажирские и грузовые вагоны с локомотивами. Также применяются монорельсовые и подвесные канатные дороги. Иногда рабочие перемещаются на самоходных пневматических машинах или специальных конвейерах, предназначенных для людей.

Неотъемлемой частью транспортной системы шахты является пункт управления. На современных шахтах работа конвейеров, поездов и других транспортных средств регулируется автоматически. Даже локомотивы ездят без машинистов, их движением управляет компьютер. Но такие системы в российских шахтах встречаются редко. С помощью автоматов управляются конвейеры, некоторые виды комбайнов.

Методы добычи угля

Существует несколько методов добычи угля. Их выбор зависит от мощности пласта, твердости полезного ископаемого и окружающих пород, газоносности месторождения, объема подземных вод. Немаловажное значение имеет технический уровень угледобывающего предприятия, наличие соответствующей техники.

При выборе метода стараются обеспечить максимальное извлечение угля из пластов. При этом ведение р абот должно быть безопасным, а экономические расходы – минимальными.

Для добычи угля из пластов используются такие методы:

• Взрывной
• Камерно-столбовой
• Лавовый
• Гидравлический
• Сжатым воздухом
• Виброимпульсным

Дальше мы детальнее опишем каждый из методов.

Взрывной

Это один из самых старых методов добычи угля. Его еще называют буровзрывным. Для закладки взрывчатых веществ в породе или угольном пласте проделывают шпуры или скважины – цилиндрические отверстия небольшого диаметра. Длина их может быть в пределах 2-3 м, в зависимости от размеров взрывной капсулы. Затем в них закладываются снаряды.

Взрыв проводят с помощью разных методик – огневой, электрогенной, электрической. В подземных выработках чаще используется электрическая, когда детонацию запускают с помощью тока. Работам предшествует тщательная подготовка. Специалисты определяют строения пластов угля и пустой породы, их твердость и другие характеристики. Затем выбирается вид вз р ывчатого вещества, мощность снарядов, планируется размещение.

После взрыва порода разрыхляется. Ее уборку проводят разной самоходной техникой, грузят в вагоны или на конвейер. Один из главных недостатков метода – опасность, особенно в пластах с большим содержание метана. После взрыва уголь требует тщательной очистки, так как в разрыхленной массе он перемешивается с пустой породой.

Камерно-столбовой

Метод используется уже несколько столетий и не утратил своей актуальности. Подходит для пологих и наклонных пластов (с углом падения до 45°). Выемка проводится в забоях камерного типа. Они формируются с помощью проходческих комбайнов или буровыми машинами. Длина забоя – от 30-50 м до 100-150 м, а ширина – около 5 м. Камеры разделены между собой перегородками (целиками), шириной 15-18 м. От них отходят транспортные и вентиляционные штреки.

Добыча полезного ископаемого в камерах проводится с помощью комбайнов избирательного разрушения с циклическим действием. Реже здесь используют машины для сплошной выемки или струги. Крыша поддерживается перегородками, дополнительно ее укрепляют анкерами. Иногда для крепления используются стальные щиты на пневматических стойках. Уголь после добычи вывозится из камеры самоходными машинами, вагонами или по конвейеру.

Себестоимость добычи угля камерно-столбовым методом относительно низкая. Нет необходимости тратить значительные средства на крепление крыши. Но потери полезного ископаемого значительные – от 20% до 35%. Поэтому метод используется лишь в 30-40% случаев.

Для увеличения п р одуктивности при камерно-столбовой добыче используют отводный метод. Постепенно от дальнего конца камеры разрушаются целики. Крыша самовольно обрушается. Способ довольно опасный, поэтому его применение требует большого опыта от инженеров и рабочих.

Лавовый

Метод еще называют добычей в длинных забоях. Само название «лавовый» произошло от украинского слова «лава». Впервые его начали употреблять на шахтах Донбасса. В позапрошлом веке, когда уголь добывался вручную, шахтеры сидели на скамьях и отбивали породу кирками. Похожая этимология названия есть также в немецком языке.

Суть метода – прокладка длинных выработок (до 200-300 м). Крыша в них поддерживается передвижными механическими крепями. В старину это были леса, сейчас – установки на гидравлических опорах.

Для разрушения пласта и получения угля используются комбайны непрерывного действия и струги. Они перемещаются вдоль стены, режущие инструменты слой за слоем разрушают пласт. Полученный материал отгружается в струговый конвейер. После выемки угля с определенного участка механические крепи передвигаются, и крыша самовольно разрушается. Пласт разрабатывают с конца, постепенно передвигаясь к выходу из забоя.

Метод достаточно безопасный. Он позволяет извлечь от 70% до 100% полезного ископаемого из пласта. Поэтому его используют всюду, где это позволяет геология.

Гидравлический

Метод основан на разрушении пластов мощными струями воды.

Различают две разновидности:

1. Чистый гидравлический
2. Гидромеханический

Чистая гидравлическая добыча эффективна для угольных пластов низкой прочности. Вода подается через гидромониторы. Пульпа из жидкости и полезного ископаемого подается желобами к гидроприемнику. Там она транспортируется на поверхность и сливается в бассейны-отстойники. Когда пустая порода осядет на дно, а уголь всплывет на поверхность , его отгружают на обогатительные заводы. После сушки, дополнительной очистки и разделения на фракции полезное ископаемое готово к продаже.

Гидромеханический метод используется на плотных и твердых пластах, которые невозможно разрушить только струей. Порода измельчается комбайном, а затем смывается водой в желоба. Дальнейший процесс такой же, как и при чистом гидравлическом способе добычи.

В шахтах чаще всего используют воду, которую откачивают из подземных горизонтов. Она подается мощными насосами. Гидравлический метод в 2-3 раза производительнее, чем другие. Его недостаток – большие потери угля при добыче, сильное загрязнение поверхностных и подземных вод. Поэтому таким способом в мире добывают лишь 7,5% угля. В России гидравлические шахты есть в Кузнецком, Донецком и Карагандинском бассейнах.

Сжатым воздухом

Метод напоминает буровзрывной, но он более безопасный. Взрывчатые вещества не используются, пласт угля разрушается воздухом, который подается под высоким давлением.

В породе просверливают шпур или скважину. Туда закладывается пневмопатрон. В него подается сжатый воздух. Когда давление в патроне возрастает, с тыльного конца срывается металлический срезной диск. Струя под высоким давлением попадает в скважину. В пласте появляются трещины, которые расширяются и заполняются сжатым воздухом. Порода разрушается пока давление воздуха не сравняется с атмосферным.

Уголь с помощью сжатого воздуха пока добывают нечасто. Это связано с несовершенством технологии. Невозможно одновременно заложить большое количество патронов в пласт, что замедляет его разработку. Наиболее перспективен метод п р и добыче антрацита и коксующего угля, богатых метаном. Они с трудом разрушаются механическим способом, а взрывные устройства при высокой загазованности применять опасно.

Виброимпульсный метод

Порода разрушается за счет колебаний низкой частоты. Их генерируют вибраторы, заложенные в шпуры и скважины. Недостаток метода – слабый контакт устройства со стенками. В результате разрушение пласта идет медленно и только частично.

Сейчас разрабатываются передвижные вибраторы. Они скользят вдоль стенок забоя и плотнее прилегают к породе. Метод может использоваться как базовый или вспомогательный, особенно в пластах с высоким содержанием метана.

Порядок разработки шахты

Разработка шахты начинается с поиска и разведки залежей угля. О них вы можете подробнее прочитать в статье «Добыча угля». Когда запасы полезного ископаемого выявлены и оценены, определяют шахтное поле. На нем в дальнейшем будет вестись разработка. Шахтное поле ограничивается условными линиями, связанными с падением, восстанием и простиранием пластов. Оно может изменять конфигурацию, если в залежах есть существенные р азрывы или рядом расположены другие шахты.

Дальнейшие работы по разработке шахты включают:

1. Вскрытие шахтного поля
2. Подготовку шахтного поля
3. Разработку залежей
4. Ликвидацию забоев и шахт

О каждом этапе подробнее вы можете прочитать в продолжении текста.

Вскрытие шахтного поля

Вскрытие – прокладка выработок, которые соединяют угольные пласты с поверхностью. Главная цель работы – обеспечение транспортировки угля и породы из забоев на поверхность, перемещение людей и оборудования, обеспечение вентиляции и откачки воды.

Вскрытие проводят разными видами выработок. Выбор зависит от направления и мощности пластов, количества вскрышной породы над ними, рельефа местности. Учитываются вопросы безопасности и финансовые расходы.

По функциональному предназначению они делятся на:

• Главные – имеют выход на поверхность.
• Вспомогательные – без выхода на поверхность, соединяют разные участки подземной части шахты с главными стволами.
• Подготовительные – штреки и скважины, которые идут по пласту. Их проделывают для вентиляции и дополнительной оценки качества залежи.

Вскрытие чаще всего проводят вертикальными стволами, проложенными сквозь пустую породу. От них к пластам пойдут наклонные выработки (кваршлаги, бремберги, уклоны) или горизонтальные штреки. Через ствол внутрь шахты проходят коммуникации (подъемники, вентиляция, система откачки воды и т.д.).

Обособленные пласты, которые залегают близко к поверхности, вскрывают наклонными выработками. Параллельно начинается выемка угля , ствол постепенно углубляется. Нередко наклонные выработки комбинируются с вертикальными стволами.

В горной местности шахты вскрывают с помощью штольни. Ее прокладывают от подножья горы или холма. В некоторых участках штольня может переходить в вертикальный ствол.

Подготовка шахтного поля

После вскрытия шахтного поля проводят подготовку забоев к очистке. Для этого прокладывают серию выработок – штреков, квершлагов, бремсбергов и уклонов. Они открывают доступ к пластам, в которых будет производится выемка угля. Выработки бывают капитальными (соединяются с главным стволом) и этажными (соединяют между собой разные уровни шахты).

Существует несколько методов подготовки шахтного поля:

• Панельный
  Пространство шахты в пределах одного уровня делится на участки длиной 800-1000 м. Этот метод применяется, если в дальнейшем разработка забоев будет проводится камерно-столбовым методом.
• Погоризонтный
  Применяется на наклонных пластах. Шахтное поле делится на выработки шириной 120-150 м, вытянутые по падению. Метод используется при лавовом способе разработки залежей.
• Этажный
  Поле в пределах одного горизонта делится на полосы с наклонной высотой 100 м и больше. Используется при разработке наклонных и крутых пластов.

Выбор метода зависит от мощности и направления пластов, количества и уровня водоносных горизонтов.

Параллельно с подготовкой шахтного поля п р окладываются коммуникации. Оборудуется сеть электроснабжения, система вентиляции и отведения воды, транспортные коммуникации.

Разработка залежей

Разработка – это непосредственная добыча угля из залежей, его транспортировка внутри шахты и на поверхность. Вместе с полезным ископаемым из-под земли вынимается пустая порода, которая складывается в отвалы вблизи шахты. Методы разработки были описаны в предыдущем разделе.

Ликвидация забоев и шахт

После того, как весь уголь или большая его часть из забоя выбрана, его засыпают породой из обрушившейся крыши. В длинных лавах это происходит параллельно с выемкой. Когда механизированная крепь перемещается, крыша обрушается сама собой.

При столбовом методе добычи убирают крепежные анкеры и разрушают целики. Чаще всего для этого используют взрывной метод. При щитовидном креплении крыши постепенно опускают платформу, и разрушение идет медленно.

Если крыша состоит из прочных пород, ее разрушают искусственно.

Используются такие методы:

• Тепловой (горячим воздухом, водой или паром)
• Взрывной
• Гидроразрыв
• Электрохимический (с помощью электролиза)

Выбор зависит от вида породы и технических возможностей в шахте.

Если порода из обрушенной крыши не до конца заполнила выработанный забой, его засыпают пустой породой, которую получают при разработке новых забоев или после разрушения перемычек.

Ликвидация шахты проводится, если на всей ее территории исчерпаны запасы угля или добывать его уже не рентабельно. Во втором случае предприятие мог у т законсервировать, чтобы через некоторое время возобновить выемку.

Перед началом работ составляется и утверждается план. Существует два метода ликвидации:

1. Сухой, когда сохраняется откачка воды.
2. Мокрый, когда пространство шахты затапливается.

Первый метод используют чаще при консервации. Незатопленную шахту легче опять ввести в эксплуатацию. Часть подземных выемок засыпают пустой породой. Устанавливают перемычки в местах скопления метана, чтобы предотвратить проникновение воздуха, пожары и взрывы. Газ через трубопроводы и скважины выводится на поверхность. Все стволы, которые выходят наружу, закладываются кирпичной кладкой или заливаются бетоном.

Затапливают шахты, в которых мало шансов возобновить работу. Такой метод ликвидации также выбирают при высокой опасности возникновения пожаров. Учитывают, что вода будет вытеснять из пластов метан. Поэтому предварительно проделывают скважины и проводят трубы, через которые газ будет выходить на поверхность. Как и при сухом методе, входы замуровывают.

Метан из шахты выделяется приблизительно 5 лет. В это время зона считается опасной, ее огораживают. Существуют технологии, которые позволяют собирать метан для хозяйственных нужд. Реализация газа может частично покрыть расходы по ликвидации.

При мокрой ликвидации обязательно проводят анализ воды на содержание токсических веществ. Если оно значительно превышает доп у стимые нормы, частично сохраняют откачку, ограждают водоносные горизонты от проникновения воды из шахты.

Через 5-6 лет после ликвидации территорию над шахтой можно рекультивировать. Здесь не рекомендуют возводить высотные здания, так как возможны провалы грунта. Решение использовать землю под сельское хозяйство принимается лишь тогда, когда проведен анализ почвы и грунтовых вод. При высоком загрязнении территорию засаживают лесом или кустарниками.

Преимущества и недостатки подземной добычи угля

От 30% до 60% мирового угля добывается закрытым способом. В России эта цифра составляет 35%. У подземной добычи есть свои преимущества и недостатки.

К достоинствам метода относят:

• Возможность добывать уголь из глубоких пластов
• Возможность получать уголь ценных марок
• Незначительное сокращение площади земельных угодий
• Меньшее загрязнение воздуха угольной пылью

Недостатки подземной добычи:

• Высокие затраты на оборудование шахт
• Низкая или средняя продуктивность добычи
• Высокая себестоимость угля
• Высокая аварийность и опасность работы для шахтеров
• Загрязнение воздуха метаном
• Загрязнение грунтовых вод

Низкая рентабельность закрытого способа добычи, по сравнению с открытым, приводит к закрытию шахт во всем мире. Но уголь высокого качества часто находится только на большой глубине, его невозможно добыть в разрезах. Поэтому подземные методы б у дут использоваться еще много лет. Если в энергетике и металлургии не найдут достойной замены полезному ископаемому, через несколько десятилетий спрос на него вырастет. Шахты с большими запасами стоит консервировать, а не полностью ликвидировать.

Источник