Подземная добыча угля сначала началась с подъездных туннелей или штольней, которые добывались в пластах из их выходов на поверхность. Однако проблемы, вызванные неадекватными транспортными средствами для доставки угля на поверхность и растущим риском возгорания очагов метана от свечей и других источников открытого огня, ограничивали глубину, на которой можно было работать в первых подземных шахтах.
Увеличение спроса на уголь во время промышленной революции послужило стимулом для проходки шахт для доступа к более глубоким запасам угля, и к середине двадцатого века гораздо большая часть мировой добычи угля приходилась на подземные разработки. В 1970-х и 1980-х годах широко развивались новые мощности открытых угольных шахт, особенно в таких странах, как США, Южная Африка, Австралия и Индия. Однако в 1990-х годах возобновившийся интерес к подземной добыче привел к разработке новых рудников (например, в Квинсленде, Австралия) из самых глубоких точек бывших открытых рудников. В середине 1990-х годов на подземную добычу приходилось примерно 45% всего добываемого в мире каменного угля. Фактическая доля широко варьировалась: от менее 30% в Австралии и Индии до примерно 95% в Китае. По экономическим причинам лигнит и бурый уголь редко добываются под землей.
Подземная угольная шахта состоит в основном из трех компонентов: производственной зоны; транспортировка угля к подножию шахты или склону; и либо подъем, либо транспортировка угля на поверхность. Производство также включает в себя подготовительные работы, которые необходимы для обеспечения доступа к будущим производственным зонам шахты и, следовательно, представляют собой самый высокий уровень личного риска.
Разработка шахты
Простейшим способом доступа к угольному пласту является слежение за ним с его выхода на поверхность, что до сих пор широко практикуется в районах с крутым рельефом вышележащего пласта и относительно плоским залеганием пластов. Примером может служить угольное месторождение Аппалачи на юге Западной Вирджинии в Соединенных Штатах. Фактический метод добычи, используемый в пласте, на данный момент не имеет значения; важным фактором является то, что доступ можно получить дешево и с минимальными затратами на строительство. Штольни также широко используются в районах низкотехнологичной добычи угля, где уголь, добытый при разработке штольни, может быть использован для компенсации затрат на ее разработку.
Другие средства доступа включают склоны (или пандусы) и вертикальные шахты. Выбор обычно зависит от глубины разрабатываемого угольного пласта: чем глубже пласт, тем дороже обходится разработка градуированного пандуса, по которому могут двигаться транспортные средства или ленточные конвейеры.
Проходка шахты, при которой шахта добывается вертикально вниз от поверхности, является дорогостоящей и трудоемкой, а также требует более длительного времени между началом строительства и добычей первого угля. В случаях глубокого залегания пластов, как в большинстве европейских стран и в Китае, часто приходится проходку стволов через водоносные породы, залегающие над угольными пластами. В этом случае необходимо использовать специальные методы, такие как замораживание грунта или заливка цементным раствором, чтобы предотвратить попадание воды в шахту, которая затем облицовывается стальными кольцами или литым бетоном для обеспечения долговременного уплотнения.
Уклоны обычно используются для доступа к пластам, которые слишком глубоки для открытой разработки, но все еще находятся относительно близко к поверхности. Например, на угольном месторождении Мпумаланга (Восточный Трансвааль) в Южной Африке извлекаемые пласты залегают на глубине не более 150 м; в некоторых районах их добывают открытым способом, а в других необходима подземная добыча, и в этом случае уклоны часто используются для обеспечения доступа для горнодобывающего оборудования и для установки ленточных конвейеров, используемых для выноса отрезанного угля из шахты.
Откосы отличаются от штолен тем, что они обычно выкапываются в горной породе, а не в угле (если только пласт не падает с постоянной скоростью), и отрабатываются с постоянным уклоном для оптимизации доступа транспортных средств и конвейеров. Нововведением с 1970-х годов стало использование ленточных конвейеров, работающих на склонах, для транспортировки продукции из глубоких шахт, система, которая имеет преимущества перед традиционным шахтным подъемом с точки зрения производительности и надежности.
Методы добычи
Подземная добыча угля включает два основных метода, многие из которых были разработаны для учета условий добычи в отдельных операциях. При камерно-столбовой выемке выемки туннели (или штреки) проходят по регулярной сетке, часто оставляя прочные столбы для долгосрочной поддержки кровли. При разработке длинными забоями достигается полное извлечение больших частей угольного пласта, в результате чего породы кровли обрушиваются в выработанную зону.
Комнатно-столбовая добыча
Комнатно-столбовая разработка является старейшей системой подземной добычи угля и первой, в которой для защиты горняков используется концепция регулярной крепи. Название «камерно-столбовая добыча» происходит от угольных столбов, которые оставляются на регулярной сетке, чтобы обеспечить на месте опора на крышу. Он превратился в высокопроизводительный механизированный метод, на долю которого в некоторых странах приходится значительная часть общего объема подземной добычи. Например, 60% подземной добычи угля в США приходится на шахты камерно-столбового типа. С точки зрения масштаба, некоторые шахты в Южной Африке имеют установленные мощности, превышающие 10 миллионов тонн в год, за счет операций с несколькими эксплуатационными секциями в пластах мощностью до 6 м. Напротив, многие камерно-столбовые шахты в Соединенных Штатах являются небольшими, они работают с пластами толщиной всего 1 м и могут быстро останавливать и возобновлять добычу в соответствии с рыночными условиями.
Комнатно-столбовая разработка обычно используется в более мелких пластах, где давление, оказываемое вышележащими породами на опорные столбы, не является чрезмерным. Система имеет два ключевых преимущества по сравнению с разработкой длинными забоями: ее гибкость и присущая ей безопасность. Его основным недостатком является то, что извлечение угольных ресурсов является лишь частичным, а точное количество зависит от таких факторов, как глубина пласта под поверхностью и его мощность. Возможно восстановление до 60%. XNUMX-процентное извлечение возможно, если столбы извлекаются на втором этапе процесса добычи.
Система также может работать на различных уровнях технической сложности, начиная от трудоемких методов (таких как «корзинная добыча», при которой большинство этапов добычи, включая транспортировку угля, выполняется вручную) и заканчивая высокомеханизированными методами. Уголь можно добывать из забоя туннеля с помощью взрывчатых веществ или машин непрерывного действия. Транспортные средства или передвижные ленточные конвейеры обеспечивают механизированную транспортировку угля. Кровельные болты и металлические или деревянные стропы используются для поддержки крыши проезжей части и пересечений между проезжими частями, где открытый пролет больше.
Комбайн непрерывного действия, который включает в себя режущую головку и систему загрузки угля, установленную на гусеничном ходу, обычно весит от 50 до 100 тонн, в зависимости от рабочей высоты, на которой он предназначен для работы, установленной мощности и требуемой ширины проходки. Некоторые из них оборудованы бортовыми анкерными анкерами, обеспечивающими крепь кровли одновременно с выемкой угля; в других случаях последовательно используются отдельные комбайн непрерывного действия и анкероустановщик.
Углевозы могут получать электроэнергию от шлангокабеля или могут работать от аккумуляторной батареи или дизельного двигателя. Последний обеспечивает большую гибкость. Уголь загружается из задней части комбайна непрерывного действия в транспортное средство, которое затем перевозит полезную нагрузку, обычно от 5 до 20 тонн, на короткое расстояние к загрузочному бункеру для системы основного ленточного конвейера. В бункерный питатель может быть включена дробилка для дробления крупногабаритного угля или породы, которые могут заблокировать желоба или повредить конвейерные ленты дальше по транспортной системе.
Альтернативой автомобильному транспорту является система непрерывной транспортировки, гибкий секционный конвейер на гусеничном ходу, который транспортирует уголь непосредственно из комбайна непрерывного действия в бункер. Они дают преимущества с точки зрения безопасности персонала и производственных мощностей, и по тем же причинам их использование распространяется на системы разработки штреков длинными забоями.
Выработки разрабатываются до ширины 6.0 м, обычно на всю высоту пласта. Размеры столбов зависят от глубины под поверхностью; Квадратные столбы площадью 15.0 м с шагом 21.0 м представляют собой конструкцию столбов для неглубокой шахты с низким пластом.
Лонгволл майнинг
Добыча длинными забоями широко воспринимается как разработка двадцатого века; однако на самом деле считается, что эта концепция была разработана более 200 лет назад. Главный прогресс заключается в том, что раньше операции выполнялись в основном вручную, а с 1950-х годов уровень механизации возрос до такой степени, что теперь лава представляет собой высокопроизводительную установку, с которой может работать очень небольшая бригада рабочих.
Выемка длинными забоями имеет одно существенное преимущество по сравнению с камерно-столбовой выемкой: при этом можно добиться полного извлечения панели за один проход и извлекать более высокую общую долю от общего запаса угля. Однако этот метод относительно негибок и требует как больших извлекаемых ресурсов, так и гарантированных продаж, чтобы быть жизнеспособным из-за высоких капитальных затрат, связанных с разработкой и оснащением современной лавы (в некоторых случаях более 20 миллионов долларов США).
В то время как в прошлом отдельные шахты часто одновременно эксплуатировали несколько лав (в таких странах, как Польша, в ряде случаев более десяти на шахту), в настоящее время наблюдается тенденция к объединению горных мощностей в меньшее количество мощных единиц. Преимущество этого заключается в снижении потребности в рабочей силе и необходимости менее масштабного развития и обслуживания подземной инфраструктуры.
При разработке длинными забоями кровля преднамеренно обрушивается при отработке пласта; только основные пути доступа под землей защищены опорными столбами. Управление кровлей в лаве обеспечивается двух- или четырехопорными гидравлическими опорами, которые принимают на себя непосредственную нагрузку вышележащей кровли, позволяя частично распределять ее на неразрабатываемый забой и целики по обе стороны от панели, и защищают забойное оборудование. и личный состав от обрушившейся кровли за линией опор. Разрубка угля осуществляется комбайном с электроприводом, обычно оснащенным двумя углевыемочными барабанами, который за один проход вынимает из забоя полосу угля толщиной до 1.1 м. Комбайн движется вперед и загружает срезанный уголь на бронированный конвейер, который змеится вперед после каждого разреза за счет последовательного движения забойных крепей.
В забое отрубленный уголь подается на ленточный конвейер для транспортировки на поверхность. В наступающем забое лента должна регулярно удлиняться по мере увеличения расстояния от начальной точки забоя, в то время как при проходке длинным забоем применяется обратное.
За последние 40 лет значительно увеличилась как длина выработанного лавы, так и длина отдельной панели лавы (блока угля, через который проходит лава). Например, в Соединенных Штатах средняя длина лавы увеличилась со 150 м в 1980 г. до 227 м в 1993 г. В Германии средняя длина лавы в середине 1990-х гг. Как в Соединенном Королевстве, так и в Польше отрабатываются забои длиной до 270 м. Длина панелей в значительной степени определяется геологическими условиями, такими как разломы или границы шахт, но в настоящее время в хороших условиях постоянно превышает 300 км. В США обсуждается возможность панелей длиной до 300 км.
Откатная добыча становится отраслевым стандартом, хотя она требует более высоких первоначальных капитальных затрат на разработку выработок до самого дальнего участка каждой панели, прежде чем можно будет начать проходку длинными забоями. Там, где это возможно, выработки теперь отрабатываются в пласте с использованием комбайнов непрерывного действия, при этом стальные арки и фермы, которые использовались ранее, заменяются анкерными крепями, чтобы обеспечить положительную поддержку вышележащим породам, а не пассивную реакцию на движения горных пород. Однако его применимость ограничена подходящими породами кровли.
Меры предосторожности
Статистические данные МОТ (1994 г.) указывают на большие географические различия в количестве смертельных случаев при добыче угля, хотя эти данные должны учитывать уровень сложности горных работ и количество рабочих, занятых в каждой стране. Условия улучшились во многих промышленно развитых странах.
Крупные несчастные случаи на горных работах в настоящее время происходят относительно редко, поскольку инженерные стандарты улучшились, а такие материалы, как конвейерные ленты и гидравлические жидкости, используемые под землей, стали огнестойкими. Тем не менее, вероятность инцидентов, способных привести к повреждению людей или структурным повреждениям, сохраняется. Взрывы метана и угольной пыли все еще происходят, несмотря на значительно улучшенные методы вентиляции, а падение крыш является причиной большинства серьезных аварий во всем мире. Особую опасность представляют пожары на оборудовании или возникающие в результате самовозгорания.
Принимая во внимание две крайности, трудоемкую и высокомеханизированную добычу полезных ископаемых, также существуют большие различия как в частоте несчастных случаев, так и в типах связанных с ними происшествий. Рабочие, занятые в небольшой шахте с ручным управлением, чаще получают травмы в результате падения камня или угля с крыши или боковых стенок проезжей части. Они также подвергаются большему риску воздействия пыли и легковоспламеняющихся газов, если системы вентиляции неадекватны.
Как при камерно-столбовой разработке, так и при разработке выработок для обеспечения доступа к панелям лавы требуется поддержка пород кровли и боковых стенок. Тип и плотность крепи варьируются в зависимости от мощности пласта, способности вышележащих пород и глубины пласта, среди прочих факторов. Самое опасное место в любой шахте находится под неподдерживаемой крышей, и большинство стран налагают строгие законодательные ограничения на длину выработки, которая может быть разработана до установки крепи. Восстановление колонны при камерно-столбовых операциях представляет особую опасность из-за возможности внезапного обрушения крыши и должно быть тщательно спланировано, чтобы предотвратить повышенный риск для рабочих.
В современных высокопроизводительных лавах требуется бригада из шести-восьми операторов, поэтому количество людей, подвергающихся потенциальной опасности, заметно сокращается. Пыль, образующаяся при работе комбайна, представляет серьезную проблему. Таким образом, выемка угля иногда ограничивается одним направлением вдоль забоя, чтобы использовать вентиляционный поток для отвода пыли от операторов комбайна. Тепло, выделяемое все более мощными электрическими машинами в пределах забоя, также оказывает потенциально вредное воздействие на рабочих, особенно по мере того, как шахты становятся глубже.
Скорость, с которой комбайны работают вдоль забоя, также увеличивается. Скорость резания до 45 м/мин активно рассматривается в конце 1990-х годов. Способность рабочих физически не отставать от комбайна, неоднократно перемещающегося по забою длиной 300 м в течение полной рабочей смены, сомнительна, и, таким образом, увеличение скорости комбайна является основным стимулом для более широкого внедрения систем автоматизации, в которых будут действовать горняки. как мониторы, а не как практические операторы.
Восстановление забойного оборудования и его перемещение на новую рабочую площадку сопряжено с уникальными опасностями для рабочих. Были разработаны инновационные методы крепления кровли лавы и забоя, чтобы свести к минимуму риск обвала горных пород во время операции по перемещению. Тем не менее, отдельные единицы техники очень тяжелые (более 20 тонн для крупной забойной крепи и значительно больше для комбайна), и, несмотря на использование специально разработанных транспортеров, остается риск защемления или травм во время подъема лавы. .