Udostępnienie i eksploatacja
złóż
Dr inż. Jarosław Zubrzycki
Instytut Nauk Technicznych
i Lotnictwa
Odkrywkowa eksploatacja złóż
" Udostępnienie jest to wykonanie połączenia
pomiędzy złożem a powierzchnią terenu. Złoże
na powierzchni terenu - udostępnienie
bezpośrednie.
" Aby dotrzeć do złoża, musimy zrobić
zagłębienie. Rozszerzanie będzie związane z
pobieraniem ze złoża kopaliny.
2
" Czynniki decydujące o wyborze sposobów
udostępniania złoża:
- rzez
ba terenu i warunki geologiczne złoża,
- końcowy zarys oraz graniczna głębokość
wyrobiska,
- warunki zalegania złoża,
- charakterystyka jakościowa kopaliny,
- własności fizyczne i mechaniczne kopaliny i skał
płonnych,
- zasoby kopaliny.
3
" Lokalizacja miejsca udostępnienia powinna
zapewnić:
1. Najmniejsze koszty udostępnienia złoża,
2. Najkrótszy okres udostępniania,
3. Najszybszy rozwój do wielkości docelowej.
4
Cel 1 osiąga się, gdy wkop jest zlokalizowany:
- w miejscu najmniejszej miąższości nadkładu,
- w terenie bez infrastruktury (szlaki
komunikacyjne, zakłady itp.),
- w miejscu ułatwiającym odwodnienie.
5
" Cel 2 osiąga się także przy spełnieniu
warunków celu pierwszego oraz ponadto gdy
wkop jest zlokalizowany:
- w skałach zapewniających stateczność skarp,
zboczy,
- w miejscach bez zaburzeń tektonicznych,
- w gruntach pozbawionych wkładów ze skał
litych.
6
" Cel 3 osiąga się gdy wkop jest zlokalizowany w
części złoża o najkorzystniejszym wskaz
niku
pokładu przy jednocześnie najmniejszej
miąższości nadkładu.
7
Kryteria klasyfikacji wkopów udostępniających
wyrobisk odkrywkowych i wkopów
Rodzaj stosowanego układu technologicznego:
- z transportem szynowym, samochodowym,
taśmowym, zgarniakowym, mostowym.
Lokalizacja wkopu względem granic złoża i
morfologii terenu:
- morfologia terenu: stokowe, wgłębne,
stokowo-wgłębne,
- poziomy kontur złoża: skrajne, środkowe,
- pionowy kontur złoża: początkowy,
docelowy.
8
" Sposób eksploatacji złoża i kierunki
przesuwania frontów w polu przyokopowym:
- jednostronne (jednoskrzydłowe),
- wielostronne (wieloskrzydłowe),
- przystosowane do eksploatacji kompleksowej
czy selektywnej.
9
Sposoby udostępnienia:
- za pomocą wkopów,
- tzw. bezpośrednie, za pomocą dz
wignic przy
urabianiu skał na bloki w wyrobisku
docelowym wgłębnym.
10
Udostępnienie za pomocą dz
wignic
11
Schemat wkopu udostępniającego na
transport taśmowy.
Wkop posiada:
- zbocza stałe,
- zbocza zmienne.
Zbocze, na którym urabiamy (zbocze
eksploatacyjne) przesuwa się w czasie -
zapewniamy warunki eksploatacji
(pozyskiwania kopaliny); pozostałe zbocza
są stałe. Głównym zadaniem na tym zboczu
jest urabianie, ale musimy odstawić urobek
przy pomocy transportu taśmowego.
Na zboczu musimy zapewnić warunki do
transportu nadkładu i urabianego złoża.
Każda część układu, który budujemy niesie
ze sobą ryzyko awarii. Zbocze 2b musi
zapewniać stateczność, aby nie
następowały obsuwy skał.
12
Systemy eksploatacji i wybierania
System eksploatacji, wybierania jest to zbiór
uporządkowanych i powiązanych w całość zasad
technologii, przystosowanych do konkretnych
warunków górniczo-geologicznych, których realizacja
prowadzi w praktyce do najracjonalniejszej
eksploatacji i wybierania kopaliny użytecznej
robotami odkrywkowymi.
Mówiąc o technologii urabiania należy rozróżnić
pojęcia:
- systemy eksploatacji,
- systemy wybierania,
- sposoby pracy maszyn urabiających (koparek).
13
System eksploatacji określa się przez generalny
sposób umniejszania złoża, wyrażony przez
sposób przemieszczania się linii frontów
eksploatacji w czasie.
Dzieli się na:
- równoległy - polegający na równomiernym
przesuwaniu się linii frontów eksploatacji (tras
transportowych, tras koparkowych) o jednakową
na całej długości frontu wielkość jednostkowego
przesunięcia,
14
System eksploatacji określa się przez generalny sposób
umniejszania złoża, wyrażony przez sposób
przemieszczania się linii frontów eksploatacji w czasie.
Dzieli się na:
- wachlarzowy - polegający na nierównomiernym
przesuwaniu się linii frontów roboczych, gdzie wielkość
jednostkowego przesunięcia w czasie uzależniona jest
od odległości od jednego, stałego punktu, zwanego
punktem obrotu,
- równoległo-wachlarzowy (mieszany) - znamiona
powyższych dwóch systemów występują przemiennie
w pewnych dłuższych okresach czasu.
15
System wybierania jest sposobem umniejszania
złoża, określonym przez kierunek przesuwania się
przodków roboczych w stosunku do kierunku
eksploatacji. Kierunek eksploatacji jest to
kierunek prostopadły do linii frontu eksploatacji.
Systemy wybierania dzielą się na:
- ubierkowy (ścianowy),
- zabierkowy.
16
" System ścianowy jest to system wybierania
złoża całą długością poziomu i na całą
wysokość czoła przodka. Stosowany głównie
przy urabianiu skał zwięzłych za pomocą
materiałów wybuchowych, skał luz
nych i
miękkich koparkami wielonaczyniowymi
łańcuchowymi, a także przy urabianiu
mechanicznym skał na bloki i eksploatacji
kruszyw naturalnych ze złóż podwodnych.
17
System ścianowy
18
" System zabierkowy jest to system wybierania
złoża równoległymi pasami na całą wysokość
czoła przodka - zabierki; kierunek postępu
zabierki jest prostopadły do kierunku
eksploatacji. Stosowany głównie przy
mechanicznym urabianiu skał koparkami
kołowymi, obrotowymi koparkami
łańcuchowymi na podwoziu gąsienicowym,
koparkami łyżkowymi i zgarniakowymi.
19
System zabierkowy
20
Cechy charakterystyczne i
klasyfikacja metod otworowych
" Cechy charakterystyczne metod otworowych:
- wydobycie odbywa się za pomocą specjalnie
przygotowanych i uzbrojonych otworów.
- czynnikami wydobywczymi są media technologiczne
(rozpuszczalniki, nośniki ciepła, itd.) migrujące przez
eksploatowane złoże, przy czym wtaczanie ich do złoża
i odprowadzanie kopaliny na powierzchnię odbywa się
bardzo często tym samym otworem,
- kierowanie procesem wydobycia odbywa się przez
zmianę parametrów technologicznych (ciśnienia,
wydajności, stężenia, itp.) oraz miejsca wprowadzania
medium do złoża i miejsca odbioru kopaliny,
22
- technologia otworowa zapewnia selektywną
eksploatację złoża a także czasami przeróbkę, co
umożliwia właściwy dobór czynników wydobywczych,
- kopalina pozostaje w miejscu zalegania w stanie
pierwotnym i przemieszcza się dopiero po zmianie
stanu skupienia ze stałego na ciekły lub gazowy,
- eksploatacja rozwija się wokół otworów wydobywczych
i przemieszcza się strefami jako eksploatacja
pojedynczymi otworami, gniazdowa lub frontalna,
- metody otworowe gwarantują najkrótszy czas
udostępniania złoża a zatem także najkrótszy czas
zamrożenia środków inwestycyjnych.
23
" Technologia otworowa nadaje się także do
eksploatacji małych złóż, pozabilansowych dla
klasycznych metod eksploatacji, zalegających
w trudnych warunkach górniczo-
geologicznych.
24
" Klasyfikacja metod otworowych opiera się o
kryterium rodzaju procesu stosowanego do
eksploatacji (który zmienia stan skupienia
kopaliny lub składnika użytecznego na ciekły
lub gazowy).
25
Metody oparte na procesach
chemicznych:
- ługowanie kopalin wodą (sól kamienna, sole
potasowe, itp.),
- ługowanie roztworami kwasów: siarkowego,
azotowego, solnego,
- ługowanie roztworami zasad (boksyty i inne),
- obróbka termochemiczna przez spalanie i
prażenie (gazyfikacja łupków i węgla, ropy
naftowej, prażenie pirytów).
26
" A
ugowanie jest to strata masy ciała stałego na rzecz
rozpuszczalnika.
" Rozpatrując ograniczoną objętość "V", w której znajduje się
masa materii "M", można stwierdzić, że przy wykorzystaniu
procesu dyfuzji, przez elementarną powierzchnię zwilżoną
"dA" dopływa strumień masy "m", o który w czasie "dt"
zmniejsza się masa materii "dm
gdzie:
p -gęstość ługowanej materii.
27
" Dyfuzja jest to wyrównywanie stężeń w
roztworach wskutek cząsteczkowych ruchów
cieplnych. Strumień jest proporcjonalny do
powierzchni zwilżonej ciała stałego zwanej
graniczną powierzchnią faz.
Gęstość strumienia dyfuzji
28
Metody oparte na procesach
fizycznych:
- termiczne wytapianie (siarka, itd.),
- hydromechaniczne - urabianie za pomocą
strumienia wody: piasek, surowce okruchowe,
piaski szklarskie, piaski fosforytowe
wydobywane w głębi ziemi i z dna mórz i
oceanów (konkrecje manganowe),
- urabianie za pomocą wibracji.
29
Metody oparte na procesach
biochemicznych:
- bakteryjne ługowanie rud metali kolorowych.
Wykorzystuje się niektóre mikroorganizmy
czerpiące energię do procesów życiowych z
utleniania związków żelaza i siarki.
30
Eksploatacja otworowa soli
Metody otworowego ługowania soli
1. A
ugowanie pojedynczymi otworami.
2. A
ugowanie zespołem 2 do 3 otworów
ługowniczych, mających połączenie na
powierzchni.
3. A
ugowanie zespołem otworów zasilających i
odbierających, mających połączenie poprzez
złoże.
31
" Odmiany ługowania pojedynczymi otworami:
- z obiegiem prawym wody i solanki,
- z obiegiem lewym wody i solanki,
- z ochroną stropu kawerny (przy użyciu oleju),
- ługowanie wielopoziomowe (złoże wielopo-
kładowe).
32
Uzbrojenie i rozmieszczenie otworów
Na złożach antyklinarnych:
- zwykle dwie do trzech kolumn jako orurowanie
stałe (cementowane), np. f13 i 5/8", f9 i 5/8",
- dwie lub trzy rury wolnowiszące, które tworzą
kolumny eksploatacyjne zasilające (wodna i
olejowa) i kolumna solankowa, np. f5 i 1/2", f3 i
1/2",
- otwory wiercone są w siatce regularnej o module
35m, a maksymalna średnica kawerny nie może
przekraczać 25m,
- maksymalna głębokość otworów to 350-440m.
33
Uzbrojenie i rozmieszczenie otworów
" Antyklina, siodło (gr. anti  przeciw i klinein 
nachylać)  w geologii wypukły fałd, którego
wnętrze zbudowane jest ze skał starszych, na
zewnątrz zaś (na tzw. skrzydłach) występują
skały coraz młodsze. Proste normalne w
stosunku do płaszczyzn odpowiadających
poszczególnym warstwom skalnym tworzą w
antyklinie wiązkę rozbieżną. Zamknięciem
antykliny jest peryklina
34
Uzbrojenie i rozmieszczenie otworów
35
Uzbrojenie i rozmieszczenie otworów
" Na złożach wysadowych:
- zwykle trzy do czterech kolumn jako orurowanie
stałe, np. f32" (do 10m), f24 i 1/2" (do 80m),
f18 i 5/8" (do 265m) i f13 i 3/8" (do 450m),
- dwie do trzech kolumn jako uzbrojenie
wolnowiszące, np. f8 i 5/8", f5" (do 1700m),
- otwory wiercone są w siatce regularnej o module
100m, a maksymalna średnica kawerny wynosi
50m,
- maksymalna głębokość otworów sięga do 1200m,
a projektowanych do 1700m.
36
Uzbrojenie i rozmieszczenie otworów
" Podstawowe przesłanki prowadzenia
technologii:
- maksymalna wydajność ługowania,
- nie przekraczanie granicznych wymiarów
kawern,
- otrzymywanie solanki o maksymalnej gęstości
(stężenie).
37
" Spełnienie tych rygorów następuje w wyniku
procesów takich jak:
- kontrola stężenia wydobywanej solanki,
- sterowanie wydajnością zatłaczania wody do
otworu,
- manewrowanie uzbrojeniem ruchomym otworu,
- cykliczne wprowadzanie i wyprowadzanie oleju z
kawerny otworowej,
- monitorowanie kształtu kawerny w oparciu o np.
metody geofizyczne.
38
" Eksploatacja otworowa soli jest projektowana
(wymiary graniczne komór) przy założeniu aby
nie wystąpiły żadne deformacje obserwowane
na powierzchni.
39
Eksploatacja otworowa soli a) obieg prawy b) obieg lewy
40
Eksploatacja otworowa siarki
Charakterystyka metody podziemnego wytapiania siarki
Istota metody, własności siarki i rudy siarki istotne w
metodach podziemnego wytapiania:
- stosunkowo niska temperatura topnienia siarki (ok 120� C),
- prawie dwukrotnie większa gęstość siarki niż wody (1,78
Mg/m3 w temperaturze 150� C),
- nie rozpuszczanie się siarki w wodzie i nie mieszanie sie z
wodą,
- istnienie minimum lepkości siarki w temperaturze około
157� C (maksimum lepkości występuje w temp. 187� C),
- różnica we współczynnikach rozszerzalności objętościowej
siarki i szkieletu wapiennego rudy.
41
Te względy decydują, że temperatura wody
gorącej tłoczonej do złoża wynosi 160� C, a
temperatura wody złożowej odbieranej od
złoża powinna być mniejsza od 120� C.
42
Kopalnie siarki w Polsce
Odkrywkowe:
- KS "Piaseczno" (1958-1971),
- KS "Machów" (1969-1992),
Otworowe:
- KS "Grzybów" (1966-1996).
- KS "Jeziórko" (1967-2001),
- KS "Basznia" (1977-1993),
- KS "Machów II " (1985-1993),
- KS "Osiek" (1993-nadal).
Wydobycie siarki w Polsce metodą otworową:
102,47 mln Mg w kopalniach likwidowanych,
8,566 mln Mg w kopalni "Osiek".
43
Kryteria bilansowości złóż siarki
Techniczne możliwości:
- istnieje pokład rudy porowaty i przepuszczalny dla wody,
- pokład jest ograniczony od stropu warstwą nieprzepuszczalną,
- pokład jest ograniczony od spągu warstwą nieprzepuszczalną lub
warstwą o zasadniczo niższej przepuszczalności niż pokład,
- minimalna miąższość nadkładu nie może być mniejsza niż 75m.
Ekonomiczne:
- minimalna miąższość złoża - 5m,
- minimalne osiarkowanie - 12%,
- minimalna zasobność powinna zawierać się w przedziale od 4,3
Mg/m2, w zakresie głębokości 75-400m.
44
Do złoża doprowadza się za pomocą otworu,
wodę pod ciśnieniem o odpowiedniej
temperaturze, a następnie po zatrzymaniu
dopływu gorącej wody i określonym czasie
wygrzewania złoża doprowadza się do złoża
powietrze pod dużym ciśnieniem. Płynna
siarka z bańkami powietrza, która ma mniejszy
ciężar objętościowy aniżeli siarka płynna bez
powietrza, wypływa na powierzchnię.
45
46
Podziemne zgazowanie węgla
Przebieg zgazowania
Zgazowanie węgla w podziemnym generatorze zaczyna się od zapalenia węgla na
początku otworu. Po utworzeniu się przodku ogniowego następuje właściwy
proces zgazowania z przemieszczaniem się frontu ognia wzdłuż kanału.
Przestrzeń powstała po zgazowanym węglu wypełnia się skałą stropową, żużlem i
popiołem.
Węgiel, który jest poddany zgazowaniu występuje nie w formie rozdrobnionych
kawałków, lecz jako zwięzła masa, którą tlen może atakować na ograniczonej i
przeważnie jednostronnie odkrytej powierzchni.
Obmywając rozżarzoną powierzchnię węgla, środek utleniający reaguje jedno- lub
wielostopniowo z węglem zawartym w złożu. Im gaz przeniknie dalej, tym większą
ma w sobie zawartość węgla, aż do momentu osiągnięcia równowagi
odpowiadającej temperaturze reakcji.
47
Podziemne zgazowanie węgla
48
W związku z tym, że materiał zgazowujący zawiera tlen, to na
początku strefy reakcji tworzy się dwutlenek węgla:
C+O2 CO2
Jeżeli temperatura reakcji jest wysoka, wówczas z
dwutlenku węgla tworzy się, aż do ustalenia się równowagi
odpowiadającej temperaturze, tlenek węgla:
C+CO2 2CO
Energia cieplna wydzielana w tych egzotermicznych
reakcjach podtrzymuje niezbędną temperaturę
warunkującą przebieg procesu zgazowania.
49
Reakcje te są również z
ródłem ciepła zużywanego na przebieg reakcji
endotermicznych, w tym na odparowanie wilgoci, podgrzanie i
odgazowanie węgla, a także na straty cieplne z otoczenia.
Z pary wodnej zawartej w materiale zgazowującym powstają wodór
oraz tlenek węgla:
C+H2O CO+H2
a w przypadku wzrostu ciśnienia z doprowadzanego, względnie z
tworzącego się wodoru, tworzy się metan:
C+2H2 CH4
przy czym zawartość węgla w strefie reakcji stale maleje.
50
W podziemnym zgazowaniu
występuje:
- konieczność sterowania ciśnieniem i wydatkiem
powietrza (tleniu i pary), kierowanych do
gazogeneratora,
- konieczność kontroli rozpływów gazów w złożu,
- konieczność wykorzystania naturalnej
kierunkowej zmienności parametrów złoża,
- konieczność wykonywania połączeń w złożu dla
wspomagania procesu spalania oraz jego kontroli,
- możliwość kierowania produkcją poprzez dobór
siatki otworów oraz ilość eksploatowanych
jednocześnie gazogeneratorów.
51