MODEL KOPALNI

Modelem kopalni nazywamy przestrzenny podział złoża - w granicach obszaru górniczego - płaszczyznami pionowymi i poziomymi na poziomy wydobywcze i pomocnicze, skrzydła, piętra, pola eksploatacyjne, a więc sposób rozmieszczenia wyrobisk udostępniających (szyby, przecznice, przekopy) wykonanych w kamieniu i przygotowawczych (chodniki, pochylnie, upadowe) wykonane w złożu, jak też względem siebie.

Model zależy przede wszystkim od kształtu obszaru górniczego, od naturalnych warunków zalegania złoża, od zasobności, od liczby i wzajemnego układu pokładów oraz ich nachylenia.

Na model kopalni wpływają naturalne warunki górnicze takie jak :

- stopień gazonośności złoża i samozapalność węgla ;

- wielkość występujących ciśnień w górotworze ( zależna od głębokości ) ;

- skłonność do tąpań pokładów węgla ;

- warunki klimatyczne ( temperatura ) ;

- ukształtowanie stropu karbonu ;

- rodzaj i zawodnienie skał nadkładowych.

W zależności od w/w czynników konieczne jest zastosowanie właściwej struktury udostępnienia złoża na danym poziomie, a mianowicie :

- struktury złożowej ( węglowej ) ;

- struktury kamiennej ( geometrycznej ) ;

- struktury mieszanej.

Struktura złożowa ( węglowa )

Struktura złożowa polega na udostępnieniu wiązki pokładów przecznicami drążonymi z szybu wydobywczego na każdym poziomie, prostopadle do rozciągłości.

Główne przecznice wykonuje się na wszystkich poziomach w tej samej płaszczyźnie pionowej dla otrzymania wspólnych filarów i prostszego schematu wentylacyjnego.

W miejscu przecięcia się przecznicy ze złożem (pokładem) zostaje założony chodnik podstawowy, który wykonuje się wzdłuż rozciągłości złoża na dwa przeciwległe skrzydła, aż do granic obszaru górniczego.

Jeżeli wysokość pionowa poziomu jest dość duża, a nachylenie złoża jest nieznaczne (kilka do kilkunastu stopni), to długość pochyła pokładu między chodnikiem podstawowym na poziomie wydobywczym, a chodnikiem podstawowym na poziomie wentylacyjnym może dochodzić od 1500 do 3000 m.

Zachodzi wówczas potrzeba, tak ze względów technicznych jak i ekonomicznych podziału długości pochyłej poziomu na piętra.

W razie potrzeby z przecznicy wykonuje się szybiki w górę lub w dół dla dalszego udostępnienia pokładów lub podziału partii pokładów na piętra.

Przy peryferyjnym rozmieszczeniu szybów wentylacyjnych zużyte powietrze odprowadza się w pokładzie pochylniami wentylacyjnymi.

W przypadku centralnego rozmieszczenia szybów wydobywczych wykonuje się przekop zbiorczy dla powrotu powietrza zużytego.

Zalety :

- mały koszt inwestycyjny udostępnienia złoża ;

- krótki czas udostępnienia.

Wady :

- bardzo duże kosztu utrzymania wyrobisk ;

- mała pewność ruchu ( zaciskanie wyrobisk ) ;

- trudności izolacji rejonu w przypadku pożaru.

Rys. 1. Schemat struktury z pokładowym rozcięciem złoża (struktura złożowa) [2]

Rys. 2. Schemat eksploatacji podziemnej złoża pokładowego [4]

Struktura kamienna ( geometryczna )

Struktura kamienna udostępnienia złoża polega na wykonaniu szybu wydobywczego przecznicy transportowej, kończącej się przekopem kierunkowym założonym 20 do 30 m pod pokładem. Z przekopu kierunkowego wykonuje się prostopadle do rozciągłości przekopy polowe w odległości od siebie 500 do 1000 m, przy czym dolna granica odnosi się do pokładów grubych i samozapalnych. Pokłady udostępniane są z przekopów polowych szybikami wydobywczymi (zsypczymi) czasem pochylniami (niższe piętro do 40 m w pionie).

Szybiki o średnicy 5 m wyposażone są w przedział drabinowy, klatkę z przeciwwagą i zsypnię.

Czasem można najniższe piętro udostępnić wprost z przekopu polowego.

Szybiki wydobywcze zakładane są w odległości od siebie 250 do 500 m, przy czym mniejsze odległości stosuje się przy wybieraniu pokładów grubych na trzy i więcej warstw.

Dla odprowadzenia powietrza zużytego i doprowadzenia podsadzki płynnej projektuje się analogiczną sieć wyrobisk kamiennych nad pokładem lub pokładami. Powietrze zużyte jest odprowadzane szybikami wentylacyjnymi (odległości jak przy szybikach zsypczych) do pochylń kamiennych wentylacyjnych wykonanych zwykle około 20 m nad najwyższym pokładem w płaszczyźnie pionowej przekopu polowego.

Powietrze zużyte płynie tymi pochylniami do zbiorczego przekopu wentylacyjnego łączącego się z szybem wentylacyjnym wprost lub przecznicą wentylacyjną w zależności od jego położenia. Tak zaprojektowana sieć wyrobisk udostępniających dzieli złoże na bloki o wielkości zależnej od wzajemnej odległości przekopów polowych i szybików wydobywczych.

W ten sposób każdy blok jest niezależną samodzielną jednostką wydobywczą (osobny transport urobku, dostawa materiałów, transport ludzi, odrębna wentylacja i doprowadzenie podsadzki).

Struktura ta ma zastosowanie dla bardzo trudnych warunków górniczo-geologicznych przy jednym grubym pokładzie oraz dla wiązki grubych pokładów silnie samozapalnych, pyłowych i gazowych, tąpiących itd.

Rys. 3. Schemat struktury z kamiennym rozcięciem złoża [2]

Zalety :

- niskie koszty utrzymania wyrobisk udostępniających założonych w zwięzłych skałach płonnych;

- możliwość utworzenia większej ilości niezależnych rejonów i pól eksploatacyjnych w danym pokładzie ;

- możliwość łatwiejszej izolacji wentylacyjnej poszczególnych pól eksploatacyjnych oraz ograniczenie ilości pożarów w grubych pokładach skłonnych do samozapalenia (właściwy dobór wymiarów geometrycznych pól i pięter w poszczególnych pokładach realizowany poprzez dobór właściwej wzajemnej odległości przekopów polowych i odległości szybików) ;

- praktycznie wyeliminowanie możliwości powstawania pożarów endogenicznych na głównych drogach transportowych i wentylacyjnych ;

- prosta organizacja transportu głównego na poziomie (możliwość pełnej automatyzacji) oraz

duża przepustowość głównych dróg transportowych ;

- możliwość czystego wybierania pokładów i nie pozostawiania filarów oporowych w złożu

wokół głównych przekopów transportowych.

Wady :

- długi okres udostępniania poziomu ;

- wysoki koszt inwestycyjny w czasie budowy poziomu.

Rys. 4. Kamienna struktura udostępnienia złoża [4]

Struktura mieszana

Struktura mieszana udostępnienia złoża powstaje w wyniku wykorzystania w konstrukcji szkieletu głównych wyrobisk udostępniających złoże pewnych elementów struktury kamiennej i złożowej.

Literatura :

1. Jawień M., Jura Z.: Wpływ modelu kopalni i sposobu udostępnienia złóż węglowych na układ sieci wentylacyjnej oraz czynniki decydujące o jej bezpieczeństwie. Krajowy zjazd BHP na temat: Nauka i technika w walce o bezpieczeństwo w górnictwie. Katowice 1963 r.

2. Parysiewicz W. : Struktura kopalni węgla. Wydawnictwo "Śląsk", Katowice 1970 r.

3. Jawień M., Suchan S. : Zasady projektowania kopalń głębinowych. Część I. Skrypt AGH nr 737. Kraków 1980 r

4. Piechota S.: Podstawowe zasady i technologie wybierania kopalin stałych. Część 1. Wyd. PAN IGSMiE, Kraków 2003.

Typy kopalń

Podział kopalń na poszczególne typy dokonuje się w oparciu o analizę modelu kopalni istniejących lub w oparciu o ustalenie modelu kopalń projektowanych oraz organizację całokształtu procesu produkcyjnego związanego z wydobyciem kopaliny i jej przeróbką mechaniczną do określonego stadium.

Analiza obejmuje drogę urobku z pojedynczych przodków eksploatacyjnych na dole kopalni do wydobycia go na powierzchnię i skierowanie do zakładu przeróbczego, a także wywóz produktu gotowego ( węgiel lub koncentrat rudy ) poza zakład górniczy.

Oprócz drogi urobku analizuje się również organizację transportu materiałów, ludzi i doprowadzenie powietrza.

W polskim górnictwie kopalnie eksploatujące kopaliny użyteczne sposobem podziemnym dzieli się na trzy zasadnicze typy :

- kopalnie typu jednostkowego ;

- kopalnie typu zespołowego ;

- kopalnie typu zespolonego.

Kopalnia jednostkowa

Przez kopalnie jednostkową rozumie się kopalnię samodzielną, która w obrębie swojego obszaru górniczego posiada szyb wydobywczy i szyby pomocnicze (zjazdowo materiałowe, podsadzkowe), zakład przeróbczy i wszystkie obiekty powierzchniowe (przemysłowe i usługowe) niezbędne do prowadzenia procesu produkcyjnego przy wydobyciu i przeróbce kopaliny do określonego stadium jej uszlachetniania (węgiel wzbogacony i przesortowany lub koncentrat rudy uzyskany na drodze wzbogacenia rudy metodami fizycznymi lub chemicznymi).

Ilość szybów w kopalni jednostkowej 2 do 4, a w wyjątkowych przypadkach 5.

Organizacja procesu wydobywczego w kopalni jednostkowej jest podporządkowana jednej powierzchni głównej, w obrębie której skupione są wszystkie obiekty powierzchniowe związane z prowadzeniem ruchu kopalni.

Kopalnia zespołowa

Kopalnia zespołowa charakteryzuje się tym, że w obrębie obszaru górniczego tej kopalni, zwanego często obszarem produkcyjnym, wyodrębnia się tzw. obszary elementarne, które są obsługiwane przez oddzielne kompleksy zjazdowo-wentylacyjne, złożone przeważnie z dwóch szybów bliźniaczych ( jeden szyb zjazdowo-materiałowy jest szybem wdechowym, a drugi szyb jest szybem wentylacyjnym). Każdy z tych kompleksów charakteryzuje się samodzielnym ruchem ze względu na zjazd załogi, dostawą materiałów oraz doprowadzenie świeżego powietrza i odprowadzenie powietrza zużytego z robót przygotowawczych i eksploatacyjnych prowadzonych w obrębie obszaru elementarnego.

Obszar produkcyjny kopalni zespołowej jest obsługiwany jednym kompleksem wydobywczo-przeróbczym, zlokalizowanym centralnie w obszarze produkcyjnym. Często przy kompleksie wydobywczo-przeróbczym lokalizuje się jeden kompleks zjazdowo-wentylacyjny, zmniejszając w ten sposób ilość filarów ochronnych dla szybów i obiektów powierzchniowych z nimi związanych.

Urobiony węgiel lub rudę w obrębie obszarów elementarnych transportuje się na poszczególnych poziomach wydobywczych systemem głównych przekopów transportowych do centralnego szybu wydobywczego, wydobywa na powierzchnię i kieruje się wprost do zakładu przeróbczego zlokalizowanego przy tym szybie.

Kopalnia zespołowa traktowana jest jako całość (kompleks wydobywczo-przeróbczy i kompleksy zjazdowo-wentylacyjne stanowi kopalnię samodzielną, natomiast same obszary elementarne obsługiwane przez poszczególne kompleksy zjazdowo-wentylacyjne lub kompleks wydobywczo-przeróbczy są jednostkami niesamodzielnymi.

W kopalni typu zespołowego organizacja procesu wydobywczo-przeróbczego i procesów pomocniczych jest przyporządkowana określonym szybom i elementom wyrobisk wchodzących w skład struktury udostępnienia złoża na poziomie wydobywczym.

Umownie przyjmuje się, że ilość szybów w kopalni zespołowej może wynosić 5 - 12, natomiast wielkość obszaru górniczego w zależności od zasobności złoża, od kilkunastu do kilkudziesięciu km², w szczególnych przypadkach może przekraczać nawet 100 km².

Kopalnia zespolona

O kopalni typu zespolonego mówimy wówczas, jeśli kopalnia posiada kilka szybów wydobywczych i zjazdowo-wentylacyjnych zlokalizowanych w różnych miejscach obszaru górniczego, a tylko jeden centralny zakład przeróbczy, do którego transportuje się wydobytą kopalinę użyteczną drogami powierzchniowymi z poszczególnych szybów wydobywczych.

Kopalnia zespolona ujmowana jako całość ( jednostki wydobywcze i zakład przeróbczy) jest kopalnią samodzielną, natomiast same jednostki wydobywcze - jeżeli wydobyta kopalina wymaga wzbogacenia - nie są samodzielne, gdyż nie posiadają w obrębie swej powierzchni głównej ( przy szybie wydobywczym ) zakładu przeróbczego.

Kopalnie typu zespolonego projektuje się dla złóż odosobnionych, ale niezbyt oddalonych od siebie, kiedy łatwiejsze i tańsze są rozwiązania transportu urobku z poszczególnych złóż drogą powierzchniową niż pod ziemią. Kopalnie tego typu powstają również w wyniku scalania małych jednostek wydobywczych w duże kopalnie z równoczesną modernizacją i centralizacją przeróbki kopaliny oraz gospodarski magazynowej, usługowej i administracyjnej przy zakładzie przeróbczym.

Ilość jednostek wydobywczych kierujących urobek do zakładu przeróbczego może być różna - może wynosić od 2 do 4. Natomiast ilość szybów w obrębie pojedynczych jednostek wydobywczych wynika z warunków naturalnych zalegania złoża i jego zasobności oraz wielkości wydobycia.

Literatura :

1. Jawień M., Suchan S.: Zasady projektowania kopalń głębinowych. Część I. Skrypt AGH nr 737. Kraków 1980 r.

2. Jawień M.: Metoda wyznaczania optymalnej wielkości obszaru produkcyjnego i wydobycia kopalni zespołowej. Zeszyty Problemowe Górnictwa PAN. T.I z.2, 1963 r.

3. Jawień M.: Metoda wyznaczania optymalnej wielkości kopalni jednostkowej. Zeszyty Naukowe AGH. Rozprawy nr 62. Kraków 1965 r.

4. Jawień M.: Optymalna wielkość kopalni typu jednostkowego w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Projekty - Problemy. Biuletyn BPPW nr 2. 1966 r.

5. Krupiński B.: Zasady projektowania kopalń. Część II. WGH. Katowice 1960 r.

8

---