Eksploatacja węgla kamiennego. Dr inż. Jarosław Zubrzycki Instytut Nauk Technicznych i Lotnictwa

Transkrypt

1 Eksploatacja węgla kamiennego Dr inż. Jarosław Zubrzycki Instytut Nauk Technicznych i Lotnictwa

2 Charakterystyka złóż węgla Część skorupy ziemskiej, w której skupiony jest minerał użyteczny, nazywamy złożem kopaliny użytecznej. Skały otaczające, wśród których zalegają kopaliny, a które nie stanowią przedmiotu eksploatacji nazywają się skałami płonnymi. Ze względu na kształt, złoża możemy podzielić na foremne, mające mniej więcej kształt regularny, i nieforemne, charakteryzujące się brakiem regularnych parametrów geometrycznych. Forma złóż związana jest ściśle z warunkami, jakie towarzyszyły ich powstaniu. Charakterystyczne dla skał osadowych uwarstwienie, wskazuje na ich genezę. Pokładem (rys. 1) nazywamy złoże zalegające na znacznej powierzchni w dwu prostopadłych kierunkach, ograniczone od góry i od dołu dwiema prawie równoległymi płaszczyznami, które stanowią miejsce zetknięcia się danego pokładu z warstwami sąsiednimi.

3 Rys. 1. Złoże pokładowe węgla

4 Skałę, która zalega bezpośrednio nad pokładem nazywamy stropem, natomiast zalegającą tuż pod nim spągiem. Miejsca na powierzchni ziemi gdzie znajdują się wyjścia pokładu, nierzadko przykryte warstwą nadkładu, określa się mianem wychodni. Nachylenie pokładu (rys. 2) jest to kąt zawarty między płaszczyzną spągu lub stropu a płaszczyzną poziomą. Nachylenie pokładu w górę od przyjętej płaszczyzny poziomej nazywa się wzniosem, natomiast w dół upadem. Rozciągłość, jest to kierunek linii przecięcia się płaszczyzny spągu pokładu z dowolną płaszczyzną poziomą. Linia ta jest w każdym punkcie prostopadła do kierunku nachylenia. Kąt jaki tworzy rozciągłość pokładu z południkiem magnetycznym nazywamy azymutem rozciągłości i podajemy go w stopniach.

5 Rys. 2. Rozciągłość i upad pokładu

6 Stosownie do kąta nachylenia (rys. 3) wyróżnić można pokłady: poziome lub prawie poziome, słabo nachylone, silnie nachylone i strome. Rys. 3. Podział pokładów według kąta nachylenia

7 Grubość pokładu jest to odległość od spągu do stropu mierzona w kierunku prostopadłym do nachylenia pokładu. Bywa ona różna, od kilku centymetrów do kilkudziesięciu, a nawet kilkuset metrów. Najgrubszy pokład węgla kamiennego w Polsce (pokład 510, zwany Reden) w niektórych swoich partiach charakteryzuje się grubością przekraczającą 20 m (Korman, 1978). Przyjęty jest następujący podział pokładów według grubości: pokłady cienkie o grubości do 1,5 m, pokłady średnie o grubości od 1,5 do 3,0 m, pokłady grube o grubości powyżej 3,0 m.

8 Złoża osadowe pierwotnie zalegały poziomo i na ogół posiadały stałą grubość na dużych powierzchniach. Podczas formowania się pokładów na skutek zaburzeń sedymentacyjnych mogły powstać tzw. pierwotne zaburzenia w zaleganiu złóż, takie jak: ścienienia (rys. 4a) zgrubienia (rys. 4b), przerosty (rys. 5), rozszczepienia oraz wymycia (rys. 6).

9 Rys. 4. Zmiany grubości pokładów a ścienienie pokładu, b zgrubienie pokładu

10 Rys. 5. Przerosty regularne i nieregularne

11 Rys. 6. Rozszczepienie i wymycie pokładu węgla

12 Wskutek ruchów tektonicznych skorupy ziemskiej zaleganie pokładów nierzadko zakłócone było przez zaburzenia wtórne, głównie fałdy (rys. 7) i uskoki (rys. 8). Rys. 7. Zaburzenia wtórne ciągłe a fleksura, b fałd symetryczny, c fałd niesymetryczny Rys. 8. Uskok i jego elementy

13 Rys. 9. Plan warstwicowy i uskoki w pokładzie 510 w GZW

14 Baza zasobowa, wydobycie i wykorzystanie węgla kamiennego Węgiel kamienny jest obecnie największym nośnikiem energii pierwotnej na świecie a jego udział w całkowitej jej produkcji wynosi 35%. Najbardziej zasobne w złoża węgla są: Region Pacyfiku, Europa i Ameryka Północna. Rysunki 10 i 11 przedstawiają rozmieszczenie zasobów węgla kamiennego na świecie. Dużą zaletą węgla jako surowca energetycznego jest jego stosunkowo równomierne rozmieszczenie na kontynentach, co zwiększa konkurencyjność oraz zapewnia bezpieczeństwo dostaw. Złoża leżące w granicach byłego ZSRR oraz Ameryki Północnej stanowią około 50% światowych zasobów tego surowca

15 Rys. 10. Geograficzna struktura światowych zasobów węgla

16 Rys. 11. Rozkład udokumentowanych zasobów węgla na świecie [mld Mg]

17 W tabeli 1 wymieniono głównych producentów węgla kamiennego na świecie według World Coal Institiute [WCI] w 2007 roku. Z poniższych danych wynika, że zdecydowanym liderem w wydobyciu węgla kamiennego są Chiny, które w ostatnich kilku latach podwoiły produkcję. Pozostałe kraje przedstawione w zestawieniu również zwiększyły wydobycie. Wyjątkiem jest Polska.

18

19 Z danych statystycznych wynika, że około 70% produkowanego na świecie węgla jest zużywane do wytwarzania energii elektrycznej, pozostałe 30% trafia do przemysłu hutniczego żelaza i stali oraz znajduje zastosowanie w innych gałęziach przemysłu bądź spalane jest bezpośrednio w gospodarstwach domowych.

20 Rys. 12. Światowa produkcja energii elektrycznej w podziale ze względu na nośniki energii

21 Zasoby węgla na świecie Rys. 13. Zasoby węgla kamiennego w Chinach

22 Rys. 14. Wydobycie węgla oraz zasoby w poszczególnych rejonach USA

23 Rys. 15. Rozmieszczenie zasobów oraz główne centra wydobywcze w Indiach

24 Rys. 16. Polskie zagłębia węglowe

25 Techniki wybierania węgla Węgiel jako minerał użyteczny znany jest ludzkości od zarania dziejów. Już w IV w. p.n.e., Teofrast w swym dziele wspomina o kamieniach, które zapalają się od płonącego węgla drzewnego. Człowiek na przestrzeni wieków dostrzegał coraz większe możliwości w zastosowaniu węgla, co wiązało się ze stale rosnącym zapotrzebowaniem. Wraz ze wzrostem konsumpcji surowców energetycznych rozwijały się techniki ich eksploatacji. Stosowano coraz bardziej skomplikowane maszyny, mające usprawnić i ułatwić prace górników, opracowywano złożone sposoby wybierania związane z urabianiem, przewietrzaniem, transportem itp.

26 Powstała niezliczona liczba systemów eksploatacji, które można podzielić między innymi ze względu na rodzaj wyrobiska eksploatacyjnego, sposób kierowania stropem, grubość złoża itd.

27 Rys. 17. Uproszczona klasyfikacja technik wybierania pokładów węgla

28 Technika podziemna W ujęciu ogólnym w eksploatacji podziemnej wyróżnia się trzy główne operacje, których celem jest udostępnienie złoża, jego rozcięcie, a następnie eksploatacja. Wyrobiska udostępniające mają za zadanie otworzyć dostęp do złoża lub jego części, co w praktyce najczęściej osiąga się poprzez budowę szybów lub sztolni (rys. 18a,b). Następnym krokiem jest podział złoża na mniejsze partie dogodne do eksploatacji. Układ wyrobisk przygotowawczych, uzależniony jest głównie od przewidywanego systemu eksploatacji, który to związany jest ściśle z ostatnią fazą działalności górniczej. Wspomniana wyżej klasyfikacja wyróżnia trzy grupy systemów wybierania kopalin techniką podziemną: ścianowy, zabierkowy i komorowo filarowy.

29 Rys. 18. Sposoby udostępnienia złóż pokładowych węgla a udostępnienie szybami, b udostępnienie sztolnią

30 System ścianowy Polega na wybieraniu części pokładu o kształcie najczęściej prostokątnym, ograniczonej wyrobiskami chodnikowymi, za pomocą jednego długiego przodku. W systemach podłużnych (rys. 19) czoło ściany posuwa się wzdłuż rozciągłości, zaś w systemach poprzecznych prostopadle do niej (po upadzie lub po wzniosie). Po wybraniu pokładu techniką ścianową należy powstałe pustki poeksploatacyjne zlikwidować. Ta część procesu wydobywczego realizowana może być poprzez pełny lub częściowy zawał skał stropowych bądź wypełnienie materiałem podsadzkowym.

31 Rys. 19. Rodzaje systemów ścianowych a podłużny, b poprzeczny po wzniosie

32 System zabierkowy Zabierka jest to wyrobisko o wąskim przodku, zwykle kilka metrów szerokości, w którym likwidacja zrobów następuje po wybraniu części złoża objętej wyrobiskiem eksploatacyjnym. Systemy te stosowane są w różnych odmianach np. filarowej, komorowej, długich zabierek, o kierunku wybierania podłużnym i poprzecznym a pod względem sposobu kierowania stropem z zawałem lub z podsadzką.

33 Systemy te są mniej korzystne niż systemy ścianowe, co spowodowane jest głównie większą ilością robót przygotowawczych oraz niższą wydajnością. Jednak dzięki swojej specyfice nadają się do wybierania części pokładów poprzecinanych uskokami oraz resztek pól i filarów oporowych. Urabianie węgla odbywa się przy zastosowaniu materiałów wybuchowych bądź za pomocą kombajnów. To właśnie wprowadzanie wysokiej klasy maszyn pozwala na prowadzenie bardziej wydajnej oraz bezpieczniejszej eksploatacji tym systemem. Na rysunku 4 pokazano przykład rozcięcia złoża oraz zestaw urządzeń do zdalnej eksploatacji cienkich pokładów węgla.

34 Rys. 20. Przykład rozcięcia złoża oraz eksploatacji systemem zabierkowym

35 Innym ciekawym sposobem wybierania pokładów o małych miąższościach, z zastosowaniem długich i wąskich wyrobisk, jest technika wiertnicza. Pierwsze prace nad tą metoda miały miejsce na początku lat sześćdziesiątych XX wieku i dały owoc w postaci urządzenia Collins Miner. Kilka lat temu powstała, bardzo podobna do wcześniej wymienionej, ukraińska maszyna BShK-2DM (rys. 21), która przeznaczona jest do eksploatacji pokładów o grubości poniżej jednego metra. Zaopatrzona w silnik o mocy 260 kw daje możliwość prowadzenia szerokich na 2 m i długich na 85 metrów zabierek. Wadą tego rozwiązania jest niska wydajność, wynosząca około 100 Mg na godzinę.

36 Rys. 21. Urządzenie BShK-2DM w chodniku widok z góry i z boku

37 System komorowo-filarowy Stosowany jest do wybierania poziomych lub słabo nachylonych pokładów węgla. Charakteryzuje się sposobem rozcięcia złoża polegającym na prowadzeniu wyrobisk wielonitkowych (rys. 22) oraz naprzemiennym ułożeniem krótkich komór eksploatacyjnych i filarów (rys. 23). Zapewnia wykorzystanie złoża na poziomie od 40 do 60% (eksploatacja bez przybierania filarów) przy kosztach relatywnych wynoszących średnio około 20%

38 Rys. 22. Przykład rozcięcia złoża dla systemu komorowo filarowego

39 Rys. 23. System komorowo filarowy

40 Operację urabiania calizny węglowej realizować można w dwojaki sposób: stosując klasyczną technikę strzelniczą lub przy użyciu kombajnów typu continuous miner. Podkreślić należy, że wprowadzanie wysokowydajnych maszyn zespołowych realizujących jednocześnie kilka operacji zapewnia większe bezpieczeństwo oraz komfort pracy dla załogi. System ten jest najszerzej stosowany w górnictwie amerykańskim, gdzie około 48% wydobywanego metodą podziemną węgla eksploatuje się właśnie tą techniką. Jednak z danych statystycznych wynika, że metoda ta jest stale wypierana przez technikę ścianową.

41 System ścianowy w górnictwie węgla kamiennego W kopalniach ścianowy przodek wydobywczy udostępniany jest najczęściej dwoma chodnikami, które stanowią drogi transportu dla załogi, materiałów, świeżego i zużytego powietrza oraz urobionego węgla.

42 Schemat wyrobiska ścianowego

43 Na rysunku przedstawiono standardowe wyposażenie ścianowego kompleksu w skład którego wchodzą urządzenia takie jak: obudowa zmechanizowana, maszyna urabiająca (w tym przypadku kombajn), przenośnik zgrzebłowy ścianowy, przenośnik zgrzebłowy podścianowy, aparatura elektryczna i hydrauliczna.

44 Sposoby likwidacji zrobów Pustki w górotworze, będące skutkiem wydobycia, naruszają pierwotnie panującą w nim równowagę, co może niekorzystnie wpływać na dalszą eksploatację, a także na powierzchnię terenu. Aby temu zapobiec wolne przestrzenie wypełnia się w różny sposób. Do najczęściej na świecie stosowanych metod należy likwidacja zrobów poprzez zawał skał stropowych, czyli świadomy zabieg technologiczny prowadzący do opadnięcia stropu w ślad za przodkiem. Istotą tego procesu jest jak najlepsze wypełnienie zrobów gruzowiskiem skalnym, które pod naciskiem rozpadających się wyższych warstw stropu uszczelnia się

45 Ściana z zawałem stropu

46 W przypadku, gdy własności skał stropowych, miąższość eksploatowanego złoża czy konieczność ochrony obiektów powierzchniowych, nie pozwalają na prowadzenie wybierania z zawałem stosuje się wtedy podsadzanie, czyli wprowadzanie w miejsce wyeksploatowanego węgla materiału z zewnątrz. Wyróżnia się trzy główne typy podsadzek: hydrauliczną, suchą i utwardzaną

47 Podział podsadzek

48 Wyrobiska przyścianowe Drążenie wyrobisk korytarzowych w kopalniach podziemnych jest zagadnieniem trudnym i skomplikowanym z uwagi na występujące znaczne ograniczenia natury geologiczno-górniczej, jak i technicznej. Na ostateczny kształt i charakter budowanego chodnika wpływ mają warunki naturalne w których to wyrobisko jest drążone, a także: długość, przekrój, rodzaj obudowy oraz przeznaczenie.

49 Prędkość wykonywania wyrobisk przygotowawczych jest bezpośrednio związana z czasem udostępnienia ściany do eksploatacji, dlatego też bardzo istotną kwestią dla każdej kopalni jest prowadzenie odpowiedniej ilości chodników. Według danych z ostatnich lat na każde wydobyte w Polsce 1000 Mg węgla drąży się ok. 4,4 metra wyrobisk korytarzowych, co w skali kraju daje niecałe 400 kilometrów chodników rocznie.

50 Technologie wykonywania chodników Wprowadzenie klasyfikacji technologii wykonywania chodników jest bardzo trudne. Wynika to z wzajemnego przenikania i łączenia poszczególnych technik w dziedzinach takich jak: urabianie, odstawa urobku, dobór obudowy itp. W światowym górnictwie węgla kamiennego wyróżnić można trzy najczęściej stosowane i najbardziej wydajne technologie drążenia wyrobisk.

51 Dwie pierwsze dają możliwość wykonywania chodników o różnorodnych kształtach i najczęściej aplikowane są do rozwiązań opartych na obudowie łukowo-podatnej. Ostatnia, stosowana głównie w kopalniach amerykańskich i australijskich, dotyczy chodników o przekroju prostokątnym zabezpieczanych obudową kotwiową.

52 Urabianie za pomocą materiałów wybuchowych Jedyną racjonalną i opłacalną technologią urabiania skał przy użyciu materiałów wybuchowych jest połączenie klasycznej techniki strzelniczej z nowoczesnymi maszynami pozwalającymi mechanizować poszczególne czynności. Przykładem takiego sposobu prowadzenia wyrobisk jest technologia stosowana w niemieckich kopalniach np. w RAG Antrazit Ibbenbüren. O sile tego rozwiązania stanowi mocno zróżnicowany park maszynowy, w skład którego wchodzą: wóz wiercąco-kotwiący, ładowarka bocznie sypiąca, platforma robocza i manipulator. Zaznaczyć należy, że jest to mocno rozbudowana technologia, w której zastosowano tzw. obudowę Kombinationsausbau składającą się z klasycznych łuków podatnych, obudowy kotwiowej i wykładki w postaci pianobetonu

53 Etapy stawiania obudowy oraz maszyny pracujące w przodku kopalni RAG Antrazit Ibbenbüren

54 Urabianie przy zastosowaniu kombajnu chodnikowego urabiającego punktowo Jest to metoda, przy której zastosowaniu drąży się około 90% wyrobisk korytarzowych w polskich kopalniach węglowych. Urabianie realizowane jest przy użyciu kombajnu chodnikowego, który ponadto wykorzystywany jest do wykonywania takich operacji jak ładowanie i odstawa urobku na dalsze środki transportu.

55 Schemat kombajnu AM-50 oraz maksymalny przekrój wyrobiska jaki można uzyskać z jednego ustawienia maszyny

56 Urabianie przy użyciu kombajnu typu Continuous Miner Kombajny urabiające liniowo wykonują wyrobisko o przekroju prostokątnym zazwyczaj w górotworze pozwalającym stosować obudowę kotwiową. Na przestrzeni ostatnich lat konstrukcja tych urządzeń poddawana była drobnym modyfikacjom np. napęd instalowano bezpośrednio w bębnie połączonym w wielu punktach z resztą konstrukcji.

57 W kopalniach całego świata można znaleźć wiele podtypów tychże maszyn, jednak najbardziej zaawansowane technicznie, a co się z tym wiąże wydajne, są kombajny wyposażone w zespoły kotwiące i tymczasowo podtrzymujące strop. Przykładem takiego urządzenia jest Integrated Mining Machine (IMM) firmy JOY. Mniej zaawansowane, ale równie dobre i często używane są kombajny serii 12CM (JOY) czy MB (SANDVIK).

58 Integrated Mining Machine produkcji firmy JOY

59 Wyrobisko zabezpieczane jest obudową kotwiową składającą się z kotwi stalowych instalowanych w stropie i urabialnych kotwi ociosowych. Prawie wszystkie kopalnie w Australii, z wyjątkiem jednej, wykonują otwory pod obudowę z zastosowaniem płuczki wodnej.

60 Odstawa urobku prowadzona jest przy użyciu wozów typu: shuttle car, ram car, scoop itp. Technologia ta jest najczęściej stosowana w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej i Australii, ponadto wiele aplikacji tego systemu funkcjonuje w Europie np. w Wielkiej Brytanii. Kopalnie Daw Mill i Ricall osiągają postępy na poziomie metrów tygodniowo

61