1.2 Тех. процессы при добыче угля
advertisement
ЛЕКЦИЯ 1.2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ 1 2 3 4 5 ПЛАН Общие сведения о горном деле. Основные способы добычи полезных ископаемых из недр земли. Происхождение каменного угля. Основные технологические процессы добычи угля. Общее понятие о шахте. 1 Общие сведения о горном деле Многие, очень многие материалы, из которых сделаны окружающие нас предметы: атомные ледоколы, космические корабли и многоэтажные здания,— были извлечены из земли. И поэтому большое значение для развития общественного производства имеет такая его отрасль, как извлечение полезных ископаемых из недр земли. Эта деятельность носит название — горное дело. Добыча из недр планеты полезных ископаемых всегда оказывала большое влияние на рост материального благосостояния общества. В XVI вв. для подъема руды стали применять конный привод и водяное колесо, появились насосы для откачки воды из подземных выработок. Позднее для этих работ впервые в истории применили и паровую машину. Появилась возможность вести добычу с глубин до 150 м. Тогда же был изобретен один из основных способов обогащения руд — флотация. Этот способ позволил извлекать ценные вещества даже из бедных руд. Горному делу, или, как его называли в XVI в., горному искусству, учили в горных училищах. В это время публикуются первые наставления, руководства. А основы русской горной науки заложил своими замечательными трудами «Первые основания металлургии, или рудных дел» и «О слоях земных» великий русский ученый М. В. Ломоносов. Новый этап развития горного дела начался с эпохи промышленного переворота (конец XVIII — начало XIX в.). Более совершенная техника бурения, новые взрывчатые вещества, рельсовая откатка вагонеток, стальные канаты для подъема руды — все это ставится на службу горнякам. С начала XX в. появляются более усовершенствованные методы проходки шахтных стволов, установки вентиляции и водоотлива, бурильные и отбойные молотки, работающие на сжатом воздухе. Добычу уже ведут с глубин до 1000 м. Наконец, преображение всей горной техники произошло, когда на смену воде и пару пришло электричество. Теоретический фундамент горного дела создает горная наука, которая, с одной стороны, изучает природные условия залегания месторождений полезных ископаемых, продолжая геологию как науку, а с другой, вбирает в себя достижения фундаментальных наук — математики, физики, химии, биологии и смежных технических наук для использования их в горном деле, в создании горной техники. Даже простое перечисление геологических наук показывает, как непросто постигать тайны земных недр. Но без глубоких и всесторонних познаний не обойтись – добыча полезных ископаемых и особенно каменного угля дело сложное и зачастую опасное. 2 Основные способы добычи полезных ископаемых из недр земли Добыче полезных ископаемых предшествует их разведка, необходимая для определения запасов, качества руд и экономической целесообразности эксплуатации данного месторождения, производственной мощности горного предприятия, способов разработки месторождения. Всё более широкое применение получают геофизические методы разведки, развиваются геохимические поиски и микробиологическая разведка. Данные разведочных работ и пространственно-геометрических измерений изображаются на картах, планах, разрезах и графиках методами маркшейдерии и горной геометрии. Когда выявлены достаточные запасы полезного ископаемого, а также техническая и экономическая целесообразность его использования, приступают на основе предварительно составленного проекта к разработке месторождения. Для этого проводится по определённому плану сеть подземных или открытых горных выработок или бурятся скважины; для вскрытия месторождения строятся необходимые надземные и подземные сооружения. Сегодня в арсенале горного дела есть несколько основных способов добычи, которые позволяют извлекать любые полезные ископаемые. Если они залегают вблизи поверхности Земли, то их, как правило, добывают открытым способом — из котлованов, называемых карьерами. Для добычи твердого полезного ископаемого с больших глубин применяют подземный способ, в недрах сооружают шахты. Скважинным способом извлекают жидкие полезные ископаемые (нефть и др.), природный газ. Новыми, нетрадиционными способами добычи обогатила горное дело геотехнология, которая использует всевозможные физико-химические и даже биологические методы извлечения полезных ископаемых. Разрабатывают подводный способ добычи полезных ископаемых на дне морей и океанов. 3 Происхождение каменного угля Каменный уголь известен человечеству с незапамятных времен. К примеру, в Древнем Китае уголь использовали для обжига фарфоровых изделий и для выпаривания соли. Углем древние римляне отапливали многоэтажные дома и общественные бани – термы. И все-таки универсальным топливом уголь стал лишь к середине XVIII века, когда началось техническое перевооружение промышленности, а вместо ручного труда стали применяться машины. Уголь – это минерализовавшиеся остатки растений, пролежавшие в толще земной коры миллионы лет. Образование угля происходило в низменной заболоченной местности, где древесина разлагалась и превращалась в топливо с низким, не более 50-60 процентов, содержанием углерода – в торф. Засыпанный осадочными породами торф постепенно превращался в бурый уголь, содержание углерода в котором выше, чем в торфе, а затем и в каменный уголь, содержащий от 76 до 92 процентов углерода. Торф, бурый и каменный угли относятся к гумолитовым, или гумусовым, полезным ископаемым. Кроме углерода, в каменном угле содержатся летучие и минеральные вещества. Каменный уголь залегает пластами, перемежающимися осадочными породами. Глубина залегания достигает километра, но встречаются месторождения, где пласты угля поднимаются к самой поверхности. Каменный уголь – самое распространенное полезное ископаемое на планете. На его долю приходится до 87,5 процентов ископаемого топлива, включая нефть и природный газ. Как добывается каменный уголь? Существует три способа добычи угля: Первый – открытый, или карьерный, когда угольный пласт залегает неглубоко, а его мощность (то есть толщина) достаточно велика. Второй способ – добыча при помощи штолен – горизонтальных или пологих скважин, по которым добытый уголь доставляют на поверхность. Штольни применяются при неглубоком залегании угольного пласта небольшой мощности, при которой обустройство карьера экономически невыгодно. Наконец, третий способ угледобычи – подземный. Самым старым способом добычи угля являются штольни, а самым экономически выгодным карьеры. Правда, угольные карьеры, или, правильней, разрезы, применяются редко. Чаще карьерным способом добываются металлосодержащие руды. Мощность угольного пласта редко превышает 3 метра, а магнитный железняк может залегать многометровыми пластами. Добыча этих ископаемых ведется огромными шагающими экскаваторами. А глубина вскрытия карьера может достигать сотни метров. 4 Основные технологические процессы добычи угля Правила технической эксплуатации шахт требуют, чтобы из подземных выработок было не менее двух выходов на земную поверхность: по одному из них поступает свежий воздух, по другому выходит отработанный. Такими выходами обычно являются вскрывающие месторождение и соединённые между собой выработки: вертикальные или наклонные шахтные стволы, штольни. Глубина вертикальных стволов превышает в некоторых случаях 2000 м. Способы проходки стволов, как и др. горных выработок, зависят от характера и обводнённости пересекаемых ими пород. По мере выемки породы стенки горных выработок крепятся для предотвращения их обрушения. После того как месторождение вскрыто, проводят выработки по полезному ископаемому, назначение которых - подготовить месторождение к очистным работам (так называемые подготовительные работы). После проведения подготовительных выработок приступают к очистным работам для извлечения полезного ископаемого. Забои для производства очистных работ носят название очистных, а выработки, образующиеся при этом,очистных выработок. Установленный для данных естественногеологических и технико-экономических условий порядок проведения во времени и пространстве подготовительных и очистных работ называется системой разработки месторождения. Проходка подготовительных выработок и очистные работы по добыче полезных ископаемых производятся, как правило, машинами: буровыми, породопогрузочными, комбайнами и др. Добытое полезное ископаемое доставляется от очистного забоя к земной поверхности рудничным транспортом: транспортировка грузов и людей по шахтному стволу осуществляется шахтным подъёмом. Все подземные горные выработки снабжаются свежим воздухом вентиляторными установками. В подземных выработках устанавливается стационарное электрическое освещение, а рабочим выдаются переносные рудничные лампы. Скопляющаяся в подземных выработках вода постоянно удаляется системой рудничного водоотлива. Специальные службы следят за правильностью и безопасностью подземных работ (Государственный горнотехнический надзор), принимают меры для предотвращения и ликвидации пожаров, аварий, катастроф и их последствий. 5 Общее понятие о шахте Ша́хта (нем. Schacht) — это промышленное предприятие, осуществляющее добычу пластовых полезных ископаемых подземным способом и отгрузку их потребителю или на горнообогатительную фабрику. Традиционно шахтой называется предприятие по подземной добыче каменного угля или горючих сланцев. При добыче подземным способом руды шахту называют рудни́к. Шахта включает наземные сооружения: копры, надшахтные здания, главные вентиляторные установки, дробильно-сортировочные фабрики, склады и совокупность подземных горных выработок, предназначенных для разработки месторождения в пределах шахтного поля. Шахта — механизированное и автоматизированное предприятие, оснащенное производительными машинами и механизмами для добычи и транспортировки полезного ископаемого, проведения горных выработок, водоотлива и вентиляции. Срок службы шахт, отрабатывающих мощные месторождения, достигает 50-70 лет и более. Обычная глубина угольной шахты – 200-300 метров. Но бывают и очень глубокие шахты – более километра. На таких глубинах уже чувствуется нагрев от земной мантии. Глубина отдельных шахт по добыче золота и алмазов достигает 4-х километров. В равнинной местности чаще всего вскрытие производится вертикальными стволами, реже — наклонными, от которых на разных горизонтах (этажах) проводятся квершлаги до встречи с залежью ископаемого. В гористой местности основные вскрывающие выработки — штольни. Устроена шахта следующим образом. От вертикального или наклонного ствола отходят магистральные штреки, которые ведут к угленосным пластам. Подьем грузов и рабочих по вертикальному стволу выполняется тросовым лифтом, а по наклонному – специальными рельсовыми вагонетками, также приводимыми в движение тросом. От магистральных штреков отходят уклоны и бремсберги – нисходящие и восходящие туннели, которые ведут к штрекам. Штреки – верхний и нижний – это два параллельных горизонтальных туннеля, один из которых пробит в верхней части угольного пласта, а другой в нижней его части. Угольная шахта в разрезе: 1 — штреки; 2 — угольный пласт; 3 — бремсберг; 4 — ходки; 5 — надшахтные здания стволов; 6 — административно-бытовой комбинат; 7 — склад; 8 — угольный склад; 9 — террикон Угольный пласт может иметь самую различную форму, но шахтеры стараются разрабатывать такие участки пласта, которые расположены с наклоном. Получается, что между верхним и нижним штреками на всем их протяжении располагается толща угольного пласта. Подготовка пласта к отработке. После того как месторождение вскрыто, проводят выработки по полезному ископаемому, назначение которых - подготовить месторождение к очистным работам (так называемые подготовительные работы). Эти работы осуществляются с помощью проходческой техники. Кроме добывающих комплексов, в угольной шахте применяются и другие механизмы. Важнейшим из них является проходческий комбайн. Он более похож на привычные нам самоходные машины. По сути, проходческий комбайн – это гусеничный трактор, оснащенный выдвинутой вперед стрелой с мощной шарообразной фрезой. Проходческий комбайн имеет электрический привод, а его стрела управляется гидравлическими механизмами. Предназначен проходческий комбайн для пробивания подземных тоннелей вспомогательного назначения – верхнего и нижнего штреков, магистральных штреков, уклонов и так далее. В отличие от угольного комбайна, проходческий комбайн врезается в пустую породу, имеющую большую степень твердости, чем пластичный, мягкий уголь. Разработка пласта – то есть собственно добыча угля – производится от тупиковой дальней части штреков. Участок угольного пласта – короткий туннель, пробитый в толще пласта от верхнего штрека к нижнему – называется лавой. Добыча ведется механизированным способом при помощи стругов или комбайнов, которые перемещаются вдоль угольного пласта мощными лебедками. Струг похож на большой рубанок, он срезает угольную стружку неподвижным лезвием, а комбайн – вращающейся фрезой, снабженной острыми стальными зубьями. Струги применяются на пластах малой мощности, где высота лавы, которая не может превышать толщину угольного пласта (иначе вместе с углем будет идти и пустая порода), меньше 1метра. На более мощных пластах применяются производительные угольные комбайны. Струг обычно срезает уголь при движении от верхнего к нижнему штреку, а комбайн – при проходе в оба конца. Срезанные с пласта куски угля попадают на металлический скребковый конвейер и транспортируются к нижнему штреку. Там уголь пересыпается на длинный ленточный конвейер (бесконечную резиновую ленту на металлических роликах) и транспортируется сначала к уклону, затем при помощи такого же конвейера или рельсовыми вагонетками и тросовыми лебедками – к магистральному штреку. По магистральному штреку уголь вывозится к стволу – либо ленточным конвейером, либо при помощи подземных рельсовых электровозов. По мере прохождения комбайном лавы длина угольного пласта сокращается. Горнорабочие останавливают комбайн и придвигают к лаве стойки крепи. Отработанная часть лавы, а также тупиковые участки верхнего и нижнего штреков обрушиваются. Эта часть отработанного подземного пространства называется завалом. Крепь передвигается не вручную, а при помощи гидравлических механизмов. Совокупность металлической крепи, скребкового конвейера и комбайна называется угледобывающим комплексом и представляет собой сложнейшую систему горных механизмов с электрогидроприводом. Что происходит с каменным углем дальше? Его вывозят по стволу на поверхность и отправляют на обогатительную фабрику. На фабрике разбивают слишком большие куски угля на мелкие фрагменты (для облегчения транспортировки) и обрабатывают мощными струями воды, вымывая куски пустой породы. Потом уголь грузят в вагоны и отправляют на теплоэлектростанции или на металлургические предприятия. В любом автомобиле, в любом изделии из металла, в тепле, что обогревает наши дома, в свете электрической лампочки есть часть труда людей тяжелой и мужественной профессии – шахтеров. Постараемся об этом не забывать. Контрольные вопросы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Что называется горным делом? Какие существуют способы добычи полезных ископаемых? Что представляет из себя каменный уголь? Каковы основные технологические процессы добычи угля? Какое промышленное предприятие называется шахтой? Как устроена шахта? Как осуществляется подготовка пласта к отработке? Как осуществляется добыча угля? Что происходит с углем дальше? Литература: А.П. Килячков, А.В. Брайцев Горное дело / Учебник для студентов горных техникумов: М., Недра, 1989. с. 3-8.
