La produzione sotterranea di carbone iniziò per la prima volta con i tunnel di accesso, o cunicoli, che venivano estratti nelle giunture dai loro affioramenti superficiali. Tuttavia, i problemi causati da mezzi di trasporto inadeguati per portare il carbone in superficie e dal crescente rischio di accendere sacche di metano da candele e altre luci a fiamma libera limitavano la profondità a cui si potevano lavorare le prime miniere sotterranee.
La crescente domanda di carbone durante la rivoluzione industriale ha dato l'incentivo per l'affondamento di pozzi per accedere a riserve di carbone più profonde, e verso la metà del ventesimo secolo la percentuale di gran lunga maggiore della produzione mondiale di carbone proveniva da operazioni sotterranee. Durante gli anni '1970 e '1980 c'è stato un diffuso sviluppo di nuove capacità di miniere di carbone di superficie, in particolare in paesi come Stati Uniti, Sud Africa, Australia e India. Negli anni '1990, tuttavia, il rinnovato interesse per l'estrazione mineraria sotterranea ha portato allo sviluppo di nuove miniere (nel Queensland, in Australia, ad esempio) dai punti più profondi delle ex miniere di superficie. A metà degli anni '1990, l'estrazione sotterranea rappresentava forse il 45% di tutto il carbon fossile estratto in tutto il mondo. La percentuale effettiva variava ampiamente, da meno del 30% in Australia e India a circa il 95% in Cina. Per motivi economici, la lignite e la lignite vengono raramente estratte nel sottosuolo.
Una miniera di carbone sotterranea è costituita essenzialmente da tre componenti: un'area di produzione; trasporto di carbone al piede di un pozzo o declino; e sollevare o trasportare il carbone in superficie. La produzione include anche i lavori preparatori necessari per consentire l'accesso alle future aree produttive di una miniera e, di conseguenza, rappresenta il livello più elevato di rischio personale.
Sviluppo minerario
Il mezzo più semplice per accedere a un giacimento di carbone è seguirlo dal suo affioramento superficiale, una tecnica ancora ampiamente praticata nelle aree in cui la topografia sovrastante è ripida e i giacimenti sono relativamente piatti. Un esempio è il bacino carbonifero degli Appalachi nel sud del West Virginia negli Stati Uniti. L'effettivo metodo di estrazione utilizzato nella cucitura è irrilevante a questo punto; il fattore importante è che l'accesso può essere ottenuto a buon mercato e con il minimo sforzo di costruzione. Gli annunci sono anche comunemente usati nelle aree di estrazione del carbone a bassa tecnologia, dove il carbone prodotto durante l'estrazione dell'annuncio può essere utilizzato per compensare i suoi costi di sviluppo.
Altri mezzi di accesso includono discese (o rampe) e pozzi verticali. La scelta dipende solitamente dalla profondità del giacimento di carbone in lavorazione: più profondo è il giacimento, più costoso è sviluppare una rampa graduata lungo la quale possono operare veicoli o nastri trasportatori.
L'affondamento del pozzo, in cui un pozzo viene estratto verticalmente verso il basso dalla superficie, è sia costoso che dispendioso in termini di tempo e richiede un tempo di consegna più lungo tra l'inizio della costruzione e l'estrazione del primo carbone. Nei casi in cui i giacimenti sono profondi, come nella maggior parte dei paesi europei e in Cina, spesso i pozzi devono essere scavati attraverso rocce portatrici d'acqua sovrastanti i giacimenti di carbone. In questo caso, è necessario utilizzare tecniche specialistiche, come il congelamento del terreno o l'iniezione di malta, per impedire all'acqua di fluire nel pozzo, che viene quindi rivestito con anelli di acciaio o cemento gettato per fornire una tenuta a lungo termine.
I declini vengono generalmente utilizzati per accedere a giacimenti troppo profondi per l'estrazione a cielo aperto, ma che sono ancora relativamente vicini alla superficie. Nel bacino carbonifero del Mpumalanga (Transvaal orientale) in Sud Africa, ad esempio, i giacimenti minerari si trovano a una profondità non superiore a 150 m; in alcune zone vengono estratte a cielo aperto, in altre è necessaria l'estrazione sotterranea, nel qual caso vengono spesso utilizzati i cali per fornire l'accesso alle attrezzature minerarie e per installare i nastri trasportatori utilizzati per trasportare il carbone tagliato fuori dalla miniera.
I cali differiscono dagli ingressi in quanto di solito sono scavati nella roccia, non nel carbone (a meno che il giacimento non si abbassi a una velocità costante) e vengono estratti a una pendenza costante per ottimizzare l'accesso di veicoli e nastri trasportatori. Un'innovazione dagli anni '1970 è stata l'uso di nastri trasportatori che corrono in discesa per trasportare la produzione in miniera profonda, un sistema che presenta vantaggi rispetto al tradizionale sollevamento dell'albero in termini di capacità e affidabilità.
Metodi di estrazione
L'estrazione sotterranea del carbone comprende due metodi principali, di cui molte varianti si sono evolute per affrontare le condizioni minerarie nelle singole operazioni. L'estrazione di stanze e pilastri comporta l'estrazione di tunnel (o strade) su una griglia regolare, lasciando spesso pilastri sostanziali per il supporto a lungo termine del tetto. L'estrazione di Longwall raggiunge l'estrazione totale di gran parte di un giacimento di carbone, provocando il crollo delle rocce del tetto nell'area minata.
Estrazione di stanze e pilastri
L'estrazione di stanze e pilastri è il più antico sistema di estrazione del carbone sotterraneo e il primo a utilizzare il concetto di supporto regolare del tetto per proteggere i minatori. Il nome mining room-and-pillar deriva dai pilastri di carbone che vengono lasciati su una griglia regolare per fornire on-site sostegno al tetto. È stato sviluppato in un metodo meccanizzato ad alta produzione che, in alcuni paesi, rappresenta una parte sostanziale della produzione sotterranea totale. Ad esempio, il 60% della produzione sotterranea di carbone negli Stati Uniti proviene da miniere a camera e pilastri. In termini di scala, alcune miniere in Sud Africa hanno capacità installate superiori a 10 milioni di tonnellate all'anno da operazioni di sezione multi-produzione in giacimenti fino a 6 m di spessore. Al contrario, molte miniere a camera e a pilastri negli Stati Uniti sono piccole, operano con spessori di giunzione di appena 1 m, con la possibilità di interrompere e riavviare la produzione rapidamente in base alle condizioni del mercato.
L'estrazione di stanze e pilastri viene tipicamente utilizzata in giacimenti meno profondi, dove la pressione applicata dalle rocce sovrastanti sui pilastri di supporto non è eccessiva. Il sistema presenta due vantaggi chiave rispetto all'estrazione a parete lunga: la flessibilità e la sicurezza intrinseca. Il suo principale svantaggio è che il recupero della risorsa di carbone è solo parziale, la quantità precisa dipende da fattori quali la profondità del giacimento sotto la superficie e il suo spessore. Sono possibili recuperi fino al 60%. Il recupero del XNUMX% è possibile se i pilastri vengono estratti come seconda fase del processo di estrazione.
Il sistema è anche capace di vari livelli di sofisticazione tecnica, che vanno da tecniche ad alta intensità di manodopera (come il "basket mining" in cui la maggior parte delle fasi dell'estrazione, compreso il trasporto del carbone, sono manuali), a tecniche altamente meccanizzate. Il carbone può essere scavato dal fronte del tunnel utilizzando esplosivi o macchine per l'estrazione continua. Veicoli o nastri trasportatori mobili forniscono il trasporto meccanizzato del carbone. Per sostenere la copertura della carreggiata e le intersezioni tra le carreggiate dove la luce aperta è maggiore, vengono utilizzati bulloni del tetto e reggette metalliche o in legno.
Un miner continuo, che incorpora una testa di taglio e un sistema di caricamento del carbone montato su cingoli, pesa tipicamente da 50 a 100 tonnellate, a seconda dell'altezza operativa a cui è progettato per lavorare, della potenza installata e della larghezza di taglio richiesta. Alcuni sono dotati di macchine per l'installazione di rockbolt a bordo che forniscono supporto al tetto contemporaneamente al taglio del carbone; in altri casi, vengono utilizzate in sequenza macchine separate per l'estrazione continua e per il roofbolter.
I trasportatori di carbone possono essere alimentati con energia elettrica da un cavo ombelicale o possono essere alimentati a batteria o con motore diesel. Quest'ultimo offre una maggiore flessibilità. Il carbone viene caricato dalla parte posteriore del minatore continuo nel veicolo, che quindi trasporta un carico utile, tipicamente compreso tra 5 e 20 tonnellate, a breve distanza da una tramoggia di alimentazione per il sistema di trasporto a nastro principale. Un frantoio può essere incluso nell'alimentatore della tramoggia per rompere il carbone o la roccia di grandi dimensioni che potrebbero bloccare gli scivoli o danneggiare i nastri trasportatori più avanti lungo il sistema di trasporto.
Un'alternativa al trasporto veicolare è il sistema di trasporto continuo, un trasportatore sezionale flessibile su cingoli che trasporta il carbone tagliato direttamente dal minatore continuo alla tramoggia. Questi offrono vantaggi in termini di sicurezza del personale e capacità produttiva, e il loro uso si sta estendendo ai sistemi di sviluppo di gateroad a parete lunga per gli stessi motivi.
Le carreggiate vengono estratte fino a una larghezza di 6.0 m, normalmente l'intera altezza della linea di giunzione. Le dimensioni dei pilastri dipendono dalla profondità sotto la superficie; Pilastri quadrati di 15.0 m su centri di 21.0 m sarebbero rappresentativi del progetto di pilastri per una miniera poco profonda e con giunzioni basse.
Miniere a parete lunga
L'estrazione mineraria di Longwall è ampiamente percepita come uno sviluppo del ventesimo secolo; tuttavia, si ritiene in realtà che il concetto sia stato sviluppato oltre 200 anni prima. Il progresso principale è che le operazioni precedenti erano principalmente manuali, mentre, dagli anni '1950, il livello di meccanizzazione è aumentato al punto che una parete lunga è ora un'unità ad alta produttività che può essere gestita da una squadra molto piccola di lavoratori.
Il longwalling ha un vantaggio fondamentale rispetto all'estrazione di stanze e pilastri: può ottenere la completa estrazione del pannello in un solo passaggio e recuperare una percentuale complessiva più elevata della risorsa totale di carbone. Tuttavia, il metodo è relativamente poco flessibile e richiede sia una grande risorsa estraibile che vendite garantite per essere praticabili, a causa degli elevati costi di capitale coinvolti nello sviluppo e nell'equipaggiamento di una moderna parete lunga (oltre 20 milioni di dollari in alcuni casi).
Mentre in passato le singole miniere spesso gestivano contemporaneamente più fronti a parete lunga (in paesi come la Polonia, in un certo numero di casi, più di dieci per miniera), la tendenza attuale è verso il consolidamento della capacità mineraria in un numero inferiore di unità pesanti. I vantaggi di ciò sono la riduzione del fabbisogno di manodopera e la necessità di sviluppo e manutenzione di infrastrutture sotterranee meno estese.
Nell'estrazione mineraria a pareti lunghe il tetto viene deliberatamente crollato mentre la giuntura viene estratta; solo le principali vie di accesso sotterranee sono protette da pilastri di sostegno. Il controllo del tetto è fornito su una parete lunga da supporti idraulici a due o quattro gambe che sopportano il carico immediato del tetto sovrastante, consentendone la parziale distribuzione al fronte non minato e ai pilastri su entrambi i lati del pannello, e proteggono l'attrezzatura del fronte e personale dal tetto crollato dietro la linea di supporti. Il carbone viene tagliato da una cesoia elettrica, solitamente dotata di due tamburi di taglio del carbone, che ad ogni passaggio estrae una striscia di carbone spessa fino a 1.1 m dal fronte. La tosatrice scorre e carica il carbone tagliato su un trasportatore corazzato che avanza serpeggiando dopo ogni taglio grazie al movimento sequenziale dei supporti frontali.
All'estremità anteriore, il carbone tagliato viene trasferito a un nastro trasportatore per il trasporto in superficie. In una parete in avanzamento, la cintura deve essere allungata regolarmente all'aumentare della distanza dal punto di partenza della parete, mentre in ritirata a parete lunga vale il contrario.
Negli ultimi 40 anni, ci sono stati sostanziali aumenti sia della lunghezza del fronte a parete lunga estratto sia della lunghezza del singolo pannello a parete lunga (il blocco di carbone attraverso il quale avanza il fronte). A titolo esemplificativo, negli Stati Uniti la lunghezza media della parete lunga è passata da 150 m nel 1980 a 227 m nel 1993. In Germania la media della metà degli anni '1990 era di 270 m e sono in programma lunghezze della parete superiori a 300 m. Sia nel Regno Unito che in Polonia, vengono estratte pareti lunghe fino a 300 m. Le lunghezze dei pannelli sono in gran parte determinate dalle condizioni geologiche, come le faglie, o dai confini della miniera, ma ora superano costantemente i 2.5 km in buone condizioni. Negli Stati Uniti si sta discutendo la possibilità di pannelli lunghi fino a 6.7 km.
L'estrazione mineraria in ritiro sta diventando lo standard del settore, sebbene comporti una spesa in conto capitale iniziale più elevata nello sviluppo della carreggiata fino all'estensione massima di ciascun pannello prima che possa iniziare la costruzione di pareti lunghe. Ove possibile, le carreggiate vengono ora estratte in cucitura, utilizzando minatori continui, con supporto rockbolt che sostituisce gli archi e le capriate in acciaio utilizzati in precedenza per fornire un supporto positivo alle rocce sovrastanti, piuttosto che una reazione passiva ai movimenti delle rocce. L'applicabilità è limitata, tuttavia, a rocce per tetti competenti.
Misure di sicurezza
Le statistiche dell'ILO (1994) indicano un'ampia variazione geografica nel tasso di decessi che si verificano nell'estrazione del carbone, sebbene questi dati debbano tenere conto del livello di sofisticazione mineraria e del numero di lavoratori impiegati su base nazionale. Le condizioni sono migliorate in molti paesi industrializzati.
I principali incidenti minerari sono ora relativamente rari, poiché gli standard ingegneristici sono migliorati e la resistenza al fuoco è stata incorporata in materiali come i nastri trasportatori e i fluidi idraulici utilizzati nel sottosuolo. Tuttavia, permane la possibilità di incidenti in grado di causare danni sia personali che strutturali. Le esplosioni di gas metano e polvere di carbone si verificano ancora, nonostante le pratiche di ventilazione notevolmente migliorate, e le cadute dei tetti rappresentano la maggior parte degli incidenti gravi a livello mondiale. Gli incendi, sia sulle apparecchiature che per autocombustione, rappresentano un pericolo particolare.
Considerando i due estremi, l'attività mineraria ad alta intensità di manodopera e quella altamente meccanizzata, vi sono anche ampie differenze sia nei tassi di incidenti che nei tipi di incidenti coinvolti. I lavoratori impiegati in una miniera manuale su piccola scala hanno maggiori probabilità di subire lesioni a causa della caduta di rocce o carbone dal tetto della carreggiata o dai muri laterali. Rischiano anche una maggiore esposizione a polvere e gas infiammabili se i sistemi di ventilazione sono inadeguati.
Sia l'estrazione di stanze e pilastri che lo sviluppo di strade per fornire l'accesso a pannelli a parete lunga richiedono il supporto del tetto e delle rocce della parete laterale. Il tipo e la densità del supporto variano a seconda dello spessore del cordone, della competenza delle rocce sovrastanti e della profondità del cordone, tra gli altri fattori. Il luogo più pericoloso in qualsiasi miniera è sotto un tetto non supportato e la maggior parte dei paesi impone rigidi vincoli legislativi sulla lunghezza della carreggiata che può essere sviluppata prima dell'installazione del supporto. Il recupero del pilastro nelle operazioni di stanza e pilastro presenta rischi specifici attraverso il potenziale di crollo improvviso del tetto e deve essere programmato attentamente per prevenire un aumento del rischio per i lavoratori.
Le moderne pareti lunghe ad alta produttività richiedono una squadra da sei a otto operatori, quindi il numero di persone esposte a potenziali pericoli è notevolmente ridotto. La polvere generata dalla cesoia a parete lunga è una delle principali preoccupazioni. Il taglio del carbone è quindi talvolta limitato a una direzione lungo la faccia per sfruttare il flusso di ventilazione per allontanare la polvere dagli operatori della tosatrice. Il calore generato da macchine elettriche sempre più potenti nei confini della faccia ha anche effetti potenzialmente deleteri sui lavoratori della faccia, specialmente quando le miniere diventano più profonde.
Aumenta anche la velocità con cui i tosatori lavorano lungo il fronte. Velocità di taglio fino a 45 m/minuto sono prese in considerazione alla fine degli anni '1990. La capacità fisica dei lavoratori di stare al passo con la tagliatrice di carbone che si muove ripetutamente su un fronte lungo 300 m per un intero turno di lavoro è dubbia, e l'aumento della velocità della cesoia è quindi un incentivo importante per la più ampia introduzione di sistemi di automazione per i quali i minatori agirebbero come monitor piuttosto che come operatori pratici.
Il recupero dell'attrezzatura per il viso e il suo trasferimento in un nuovo cantiere offre rischi unici per i lavoratori. Sono stati sviluppati metodi innovativi per la messa in sicurezza del tetto a parete lunga e del rivestimento in carbone al fine di ridurre al minimo il rischio di caduta massi durante l'operazione di trasferimento. Tuttavia, i singoli elementi del macchinario sono estremamente pesanti (oltre 20 tonnellate per un supporto frontale di grandi dimensioni e molto di più per una cesoia) e, nonostante l'uso di trasportatori progettati su misura, permane il rischio di lesioni personali da schiacciamento o sollevamento durante il recupero di pareti lunghe .