5.2. Способы добычи угля
Уголь, как и другие твердые полезные ископаемые, добывают двумя способами: открытым и подземным.
Добычу угля открытым способом производят при помощи глубоких траншей (глубиной до 150м и более), прорезающих пласты породы, покрывающие угольный пласт. Образующийся в результате карьер называют разрезом. Угольным карьером называют также и самостоятельное предприятие, разрабатывающее угольное месторождение открытым способом.
При подготовке карьера, прежде всего, снимают и удаляют породы, покрывающие угольный пласт. Для этой цели применяют новейшие землеройные и транспортирующие машины – экскаваторы, в том числе крупнейшие роторные экскаваторы непрерывного действия, транспортно-отвальные мосты и др. Затем прямо по углю прокладывают рельсовые пути, по которым передвигают опоры транспортно-отвального моста и движутся составы, вывозящие уголь из карьера.
Экономическая эффективность открытой разработки угля тем выше, чем ниже коэффициент вскрышных работ, т.е. чем меньше объем удаляемой покрывающей породы на единицу добываемого угля.
Наиболее благоприятными условиями для открытой добычи отличаются восточные угольные бассейны России, на долю которых приходится свыше 90% добычи угля открытым способом.
Открытая добыча дает почти половину угля, добываемого в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, более половины – на Урале. Большое количество угля дают карьеры Карагандинского бассейна и Экибастуза в Казахстане. Крупные открытые разработки ведут в Канско-Ачинском (Назаровский, Ирша-Бородинский разрезы) и Иркутском бассейнах. Крупнейшие карьеры дают в год десятки миллионов тонн угля. В Экибастузе работает угольный карьер мощностью 50 млн.т.
Возможности для развития добычи угля открытым способом в Украине (г. Александрия) не велики и удельный вес открытой добычи в дальнейшем будет незначительным.
Добыча угля открытым способом имеет большие преимущества. На открытых разработках гигиенические условия для рабочих лучше, чем в шахтах (чистый воздух, меньше вредных газов, естественное освещение в дневное время и т.д.), производительность труда на открытых разработках, благодаря применению сверхмощных машин, в шесть-семь раз выше, чем в шахтах, а себестоимость тонны угля соответственно ниже.
Строительство угольных карьеров выполняют в два-три раза быстрее, чем строительство шахт, и оно обходится примерно в полтора раза дешевле. Наконец, потери угля в недрах, неизбежные при подземной добыче, на открытых разработках почти исключаются.
Подземный способ добычи угля, требующий строительства шахты, более трудоемок, чем открытый способ.
Угольное месторождение, если оно достаточно велико, делят на несколько участков – шахтных полей. Запасы угля каждого шахтного поля, предназначенного для строительства отдельной шахты, должны быть достаточны для эксплуатации в течение 40-50 лет.
Строительство шахты (рис. 5.1.) начинают с закладки стволов, что улучшает ее вентиляцию.
Ствол шахты – это обычно вертикальная, а иногда и наклонная выработка, проходящая через толщину горных пород. В отдельных случаях (в горных районах) вместо стволов проходят штольни – горизонтальные или близкие к горизонтальным выработки, выполняющие функции обычных стволов (вскрытие угольного пласта, связь подземных выработок с поверхностью, вентиляцией шахты и т.д.).
Проходка стволов глубиной в десятки и сотни метров в настоящее время механизирована. Созданы буровые машины, позволяющие проходить (пробуривать) стволы диаметром 5-6 м.
Главный, или подъемный, ствол современной крупной шахты имеет круглое, реже эллиптическое сечение. Его диаметр зависит от мощности (производительности) шахты. Ствол является капитальным сооружением, срок службы которого равен сроку эксплуатации шахты. Поэтому его прочно закрепляют бетоном и железобетоном, что обеспечивает длительность и безаварийность службы ствола.
Шахтный ствол обычно делят по вертикали на четыре отделения. В одном отделении устанавливают две подъемные клети для спуска и подъема отдельно людей и материалов; в другом отделении монтируют подъемники для грузов – угля и пустой породы; третье отделение оборудовано лестницами с площадками, оно служит запасным выходом на случай какой-либо аварии подъемного механизма; в четвертом отделении размещают трубы для откачки воды из шахты и для подачи сжатого воздуха, электрические и телефонные кабели.
Внизу около ствола, в том месте, где от него начинаются горизонтальные выработки, сооружают большой околоствольный двор 3. Здесь перегружают добытый уголь из вагонеток или с транспортеров в загрузочные бункера подъемных машин и размещают группу выработок – подземных камер, имеющих различное назначение. В них устанавливают насосы, откачивающие воду, располагают ремонтные мастерские, депо для электровозов, электрическую подстанцию, подземный медпункт и т.п.
От околоствольного двора начинают проходку капитальных горизонтальных выработок; при этом возможны разные варианты в зависимости от того, как залегают угольные пласты, где расположены стволы шахты.
Если угольные пласты лежат горизонтально или с небольшим уклоном (пологопадающие пласты), то стволы могут быть пройдены до глубины, находящейся между верхним и нижним пластами. В этом случае для вскрытия пластов проходят капитальные горизонтальные откаточные квершлаги 4 (рис.5.1). Это горизонтальная горная выработка, пройденная вкрест простирания пласта. По простиранию угольного пласта проходит главный 5 или откаточный штрек, связывающий околоствольный двор с местами добычи угля. Вниз по падению пласта от штрека проходят наклонные выработки, которые называют уклонами; вверх по пласту от штрека идут бремсберги 7. По уклонам и бремсбергам добытый уголь соответсвенно поднимают или опускают к главному штреку, паралельно бремсбергам и уклонам проходят грузовые (для доставки грузов) и вентиляционные ходки 6,8.
1, 2 – главные стволы; 3 и 4 – соответственно откаточный и вентиляционный квершлаги; 5 и 6 – соответственно откаточные и вентиляционные штреки; 7 – разрезная печь; 8 – гезенк
Рис. 5.2. Схема многогоризонтального вскрытия свиты крутых пластов вертикальными стволами и этажными квершлагами
Если шахту строят для разработки наклонных и крутопадающих пластов, то капитальные горизонтальные выработки проходят иначе (рис.5.2). В данном случае ствол шахты может дойти до одного из угольных пластов, либо его закладывают в стороне от них. От ствола до угольных пластов по пустой породе прокладывают одну или на определенном расстоянии одну над другой несколько горизонтальных выработок – квершлаги. Такая система квершлагов позволяет из одного ствола открыть доступ к двум, трем и большему числу наклонных или крутопадающих пластов угля и исключает необходимость проходки отдельного ствола к каждому пласту. После вскрытия угольного пологого или наклонного пласта при помощи квершлага (рис.5.1) по нему прокладывают штрек 2, а от него – уклоны и бремсберги.
Ствол, окоствольный двор, главный откаточный штрек, квершлаги, уклоны и бремсберги являются основными капитальными сооружениями шахты и должны служить десятки лет. Они требуют прочного крепления бетоном и железобетоном, металлическими арками. Иногда для крепления капитальных выработок применяют и наиболее прочные чугунные тюбинги.
По завершению основных капитальных выработок начинают проводить ряд транспортных 9 и вентиляционных штреков 11, между которыми по пласту нарезают разрезные печи 10 для монтажа оборудования для выемки угля, работы по разделению угольного пласта на отдельные участки, с тем чтобы добычу угля можно производить одновременно с различных сторон.После этого, если одновременно завершен монтаж всех механизмов и оборудования, начинают нормальную эксплуатацию участков шахты. Уголь выбирают начисто, и поэтому такие работы называют очистными, а место, где их производят, – очистным забоем или лавой.