Technika odkrywkowej i otworowej eksploatacji złóż

1. Pojęcia podstawowe dotyczące geometrii wyrobiska odkrywkowego.

2. Proces technologiczny kopalni odkrywkowej w układzie operacji głównych i pomocniczych.

3. Definicje i rodzaje systemów eksploatacji i wybierania oraz czynniki wpływające na ich wybór.

4. Typowe układy technologiczne stosowane w górnictwie odkrywkowym węgla brunatnego i surowców skalnych.

5. Metody otworowe eksploatacji surowców stałych.

Ad.1 Pojęcia podstawowe dotyczące geometrii wyrobiska odkrywkowego.

Zbocze jest to układ skarp i poziomów lub półek nachylonych w jednym kierunku łączący dno wyrobiska kub zwałowiska z powierzchnią terenu lub z powierzchnią górną zwałowiska.



Skarpa odkrywkowa jest to nachylona powierzchnia powstająca podczas urabiania lub zwałowania pomiędzy dwoma poziomami. Rozróżnia się skarpy utworzone w caliźnie (np. skarpy nadkładowe) oraz skarpy gruntów nasypowych (np. skarpy zwałowe).



Nachylenie skarpy jest to kąt ostry zawarty pomiędzy płaszczyzną poziomą a stokiem skarpy; nachylenie skarpy wyrażane jest miarą kątową lub stosunkiem nachylenia.

Oznaczenia skarp



Nachylenie generalne zbocza jest to nachylenie linii prostej łączącej krawędź skarpy położonej najwyżej i dolną krawędzią skarpy leżącej najniżej; nachylenie generalne należy określić tylko dla zwartego systemu skarp.

Poziom roboczy jest to płaszczyzna pozioma lub nachylona w dopuszczalnych granicach, na której pracują lub mogą być ustawione maszyny do urabiania i zwałowania lub urządzenia transportowe.

Półki są to poziome lub lekko nachylone pasy powierzchni o stosunkowo małej szerokości; są one zakładane lub powstają w systemie skarp, powodując zmniejszenie nachylenia generalnego zbocza. Półek używa się także jako pasów ochronnych przed zsuwaniem się mas a ponadto wykorzystywane są do odprowadzania wód opadowych i dopływowych.

Stopień jest to poziom roboczy uzbrojony wraz z przyległymi do niego skarpami.

Front koparkowy (front roboczy) jest to długość powierzchni skarpy ruchomej urobionej w zalegających skałach. Kolejność frontów liczymy w zasadzie w kierunku od góry do dołu.

Kąt odcinkowy nachylenia zbocza jest to kąt zawarty pomiędzy płaszczyzną poziomą a płaszczyzną przechodzącą pomiędzy danymi krawędziamy sąsiednich skarp w zboczu.

Życie kopalni można określić jako sumę trzech okresów: czasu udostępniania, czasu wydobycia oraz czas likwidacji kopalni.

Współczynnik nadkładu jest to objętość nadkładu w górniczych robotach odkrywkowych przypadająca na 1m3 lub 1 tonę kopaliny użytecznej. Stanowi on podstawowe kryterium rentowności robót odkrywkowych.
Wartość współczynnika jako kryterium nie jest wielkością stałą nawet dla tego samego złoża. Jego wartość wzrasta wraz z postępem techniki i cenami surowców. Zależy on również od stosowania zasad racjonalnej gospodarki złożami.

Geologiczny wskaźnik nadkładu:
- wyraża się liniowym stosunkiem miąższości nadkładu do grubości złoża, wielkości pomierzonych w poszczególnych otworach (wyrobiskach) badawczych.
- opisuje go zależność:

gdzie:
H - grubość nadkładu [m],
m - grubość złoża kopaliny użytecznej.

- jeżeli kopalina zalega na kilku warstwach:
H - suma grubości nadkładu i przerostów,
m - suma grubości warstw.

- w celu scharakteryzowania całego pola górniczego używa się nazwy współczynnika nadkładu geologicznego jako średnio ważonego:

gdzie:
Hśr - średnia grubość nadkładu z wszystkich wyrobisk rozpoznawczych,
mśr - średnia grubośc kopaliny użytecznej z wszystkich wyrobisk rozpoznawczych.

jest to więc wielkość otrzymana ze średnich arytmetycznych.

Przemysłowy współczynnik nadkładu:
- odnosi się do określonych powierzchni, czyli można go obliczać dla całego złoża albo jego części (partii złoża) lub dla poszczególnych pięter (poziomów),
- wyraża on stosunek objętości nadkładu w m3 zalegającego nad przemysłowym konturem złoża lub jego częścią powiększoną o masy zawarte w układach skarp oraz eksploatacyjne straty zasobów kopaliny objętych tym konturem, do liczby ton lub m3 kopaliny pomniejszonej o jej stropowe i spągowe straty eksploatacyjne,
- można go również wyliczyć ze wzoru:

gdzie:
V - objętość skał przeznaczonych do zwałowania lub zezwałowanych (skał płonnych) [m3],
p - ilość kopaliny użytecznej, przewidzianej do wydobycia lub wydobytej.

-wskaźnik ten określa ilość m3 nadkładu jaka musi być usunięta w danej części złoża dla umożliwienia wydobycia 1 m3 lub 1 tony kopaliny.

- wyznaczenie wielkości tego wskaźnika sprowadza się do obliczenia objętości surowca zawartego w układzie skarp i objętości lub ciężaru wydobytej kopaliny ze złoża w danym polu, opisuje go zależność:



gdzie:
V - objętość nadkładu do usunięcia,
Q - zasoby kopaliny użytecznej,
n - współczynnik wykorzystania złoża.

- objętości te można obliczyć w przybliżeniu jako objętość ostrosłupa ściętego o dowolnym kształcie podstawy, co okresla znana zależność.



gdzie:
P1, P2 - powierzchnia podstaw ostrosłupa,
H - wysokość ostrosłupa.

- wzór powyższy jesty słuszny tylko przy spełnieniu warunku gdy cin>c0,
- w węglu brunatnym wartość granicznego współczynnika nadkładu waha się w dość znacznych granicach od 1:1 do 1:10,
- w kamieniu drogowym współczynnik ten musi byc znacznie mniejszy od 1,
- w kamieniu budowlanym tylko w rzadkich przypadkach osiąga on wartość 1:1.

Uwaga 1
W konkretnych warunkach określenie zmienności współczynnika nadkładu może okazać się niewystarczające dla wyznaczenia granic eksploatacji. W tych przypadkach do analizy należy wykorzystać dodatkowo mapy grubości złoża i miąższości nadkładu, np gdy w ograniczonym rejonie z grubością złoża rośnie głębokość zalegania > wymagałoby to w tych warunkach okresowego zainstalowania dodatkowych maszyn.

Uwaga 2
Wyznaczanie przemysłowego współczynnika nadkładu wiąże się z obliczeniem objętości nadkładu i zasobów kopaliny w poszczególnych, rozpatrywanych częściach złoża. Jest to czynność pracochłonna. Z tego względu wygodniej jest posługiwać się graniczną izolinią geologicznego współczynnika nadkładu. Przejście z przemysłowego wskaźnika na geologiczny, czyli liniowy wskaźnik nadkładu można dokonać za pomocą odpowiedniego współczynnika, którego wartość dla konkretnych warunków złożowych można wyznaczyć z zależności geometrycznych.

Ad2. Proces technologiczny kopalni odkrywkowej w układzie operacji głównych i pomocniczych.

Istotą eksploatacji odkrywkowej jest urabianie występujących w ziemi złóż kopalin użytecznych po uprzednim usunięciu przykrywających je skał płonnych.

Podstawowy proces technologiczny eksploatacji odkrywkowej obejmuje następujące czynności:

- w zakresie usuwania skał płonnych: urabianie, transport i zwałowanie:

- w zakresie wydobywania kopaliny użytecznej: urabianie i transport

Urabianiem określa się czynność odspajania, czyli oddzielania od calizny skały jej części, narzędziami, maszynami lub innymi środkami. Odspojenie od calizny części skały nazywane są urobkiem.

Zadaniem transportu jest przemieszczenie urabianych mas z miejsca urabiania do miejsca przeznaczenia, tj. do miejsca odbioru kopaliny użytecznej bądź miejsca zwałowania nakładu. Transport spełniający powyższe funkcje nazywany jest technologicznym transportem kopalnianym, w odróżnieniu od transportu pomocniczego, wchodzącego w skład zaplecza gospodarczo-remontowego kopalni.

Zwałowaniem nazywany jest całokształt czynności związanych z odbiorem rozmieszczeniem kopaliny nieużytecznej, czyli skał płonnych, na wyznaczonym miejscu.

Kopaliną nieużyteczną w górnictwie odkrywkowym są skały nadkładowe. Strukturę podstawowego procesu technologicznego kopalni odkrywkowej można również przedstawić następującym schematem:

--Zwałowanie

Urabianie -Transport

Odbiór kopaliny

Procesy składowe stanowiące poszczególne ogniwa procesu podstawowego mogą mieć różny charakter i mogą być wykonywane różnymi środkami i maszynami w zależności od szeregu czynników, a przede wszystkim od rodzaju i ilości urabianych skał, warunków zalegania złoża, dysponowanego sprzętu oraz zaplecza technicznego. W kopalniach odkrywkowych, w których urabiany ośrodek stanowią skały trzecio- i czwartorzędowe bądź skały o właściwościach umożliwiających stosunkowo łatwe odspajanie w drodze mechanicznej, stosowane jest urabianie koparkami. Proces urabiania określa się w tym przypadku często pojęciem węższym, a mianowicie jako proces kopania, czyli urabiania za pomocą koparek.

Z różnych rodzajów transportu stosowanego w górnictwie odkrywkowym obecnie zdecydowaną przewagę ma transport taśmowy, wypierając powszechny jeszcze do niedawna transport szynowy.

Do zwałowania stosowane są w przemysłowych kopalniach odkrywkowych maszyny budowane specjalnie do tego celu, a mianowicie zwałowarki.

Nowoczesny układ technologiczny kopalni odkrywkowej opierającej się na urabianiu koparkami można określić symbolem K – T - Z, czyli

Koparka – Taśmociąg - Zwałowarka

Przedmiotem pracy jest pierwsze i ostatnie ogniwo tego układu.

Struktura logiczna modelu kopalni

Udostępnienie i eksploatacja

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.

Czynniki decydujące o wyborze sposobów udostępniania złoża:
- rzeźba 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.

Lokalizacja miejsca udostępnienia powinna zapewnić:
1. Najmniejsze koszty udostępnienia złoża,
2. Najkrótszy okres udostępniania,
3. Najszybszy rozwój do wielkości docelowej.

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.

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 wkłady ze skał litych.

Cel 3 osiąga się gdy wkop jest zlokalizowany w części złoża o najkorzystniejszym wskaźniku nadkładu przy jednocześnie najmniejszej miąższości nadkładu.

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.
Sposób eksploatacji złoża i kierunki przesuwania frontów w polu przyokopowym:
- jednostronne (jednoskrzydłowe),
- wielostronne (wieloskrzydłowe),
- przystosowane do eksploatacji kompleksowej czy selektywnej.

Sposoby udostępnienia:
- za pomocą wkopów,
- tzw. bezpośrednie, za pomocą dźwignic przy urabianiu skał na bloki w wyrobisku docelowym wgłębnym.

Udostępnienie za pomocą dźwignic



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.



Zbocze 2a - zbocze transportowe
Zbocze 2b - ma za zadanie utrzymanie stateczności wyrobiska
Zbocze 2c - rozpoczynamy budowę wkopu, zagłębiamy się w ziemię, budujemy drogę, po której będzie można sprowadzić maszyny do wydobycia. Zbocze to nazywane jest też zboczem czołowym; jest to pierwsze zbocze, które jest formowane.
Zbocze 1 - największe, znajduje się tam koparka, taśmociąg, drogi; zbocze to jest najmniej nachylone (1:6).

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).

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,
- 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.

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.

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 luźnych i miękkich koparkami wielonaczyniowymi łańcuchowymi, a także przy urabianiu mechanicznym skał na bloki i eksploatacji kruszyw naturalnych ze złóż podwodnych.



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.

Charakterystyka urabiania skał

Sposoby urabiania skał:
- ręczne,
- mechaniczne,
- materiałami wybuchowymi,
- hydrauliczne,
- metodami specjalnymi.

Podatność skał na urabianie

Podział ogólny skał:
- okruchowe,
- spoiste,
- zwięzłe.

Podatność skał na urabianie zależy przede wszystkim od cech fizycznych i mechanicznych własności skał.
Podatność urabiania skał zwięzłych za pomocą materiałów wybuchowych zależy także od cech masywu skalnego (calizny), który może mieć liczne nieciągłości (spękania, szczeliny, uławicenia).
Charakterystykę masywu przeprowadza się przez pomiar w nim prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych podłużnych i poprzecznych.

Klasyfikacja zwięzłości skał według Protodiakonowa



gdzie:
Rc - wytrzymałość skały na ściskanie, [kG/cm2],
(10 kategorii + r podkategorie)
(I-X, IIIa, IVa, Va, VIa)

Podatność skał zwięzłych na urabianie materiałami wybuchowymi zależy od tzw. gęstości akustycznej, szczelinowatości, bloczności, itp.

Gęstość akustyczna jest definiowana jako:



gdzie:
p - gęstość ośrodka (skały), [kg/m3],
vp - prędkość fali podłużnej, [m/s].

Przy projektowaniu odstrzału należy wziąć pod uwagę różnice w Aa dla próbek i dla calizny. Gęstość akustyczna dla różnych skał kształtuje się następująco:

Aa < 5x106 [kg/m2s]; (skały luźne, miękkie),
Aa = 5x106-15x106 [kg/m2s]; (skały spękane, twarde),
Aa > 15x106 [kg/m2s]; (skały monolityczne).

Cechy charakterystyczne transportu technologicznego w kopalniach odkrywkowych:
- zmienna lokalizacja załadunku a także często wyładunku,
- okresowe przemieszczanie tras transportowych na poziomach roboczych (nadkładowych, złożowych i zwałowych),
- zróżnicowana odległość przewożenia mas,
- konieczność działania w różnych warunkach atmosferycznych,
- konieczność pokonywania znacznych różnic wysokości na trasach (znacznych nachyleń tras).

Dobór środków transportu do zadań w kopalniach musi wypełniać te znamiona i zależy od następujących czynników:
- ilości urabianych mas,
- rodzaju transportowanych mas,
- odległości transportu,
- wymiarów geometrycznych wyrobisk i zwałowisk,
- rodzaju maszyn urabiających i zwałujących,
- żywotności odkrywki,
- podaży maszyn,
- efektywności ekonomicznej rozwiązania.

Transport dzielimy na:
Cykliczny:
- szynowy,
- samochodowy,
- linowy,
- zgarniarkami skrzyniowymi,
- spycharkami,
Ciągły:
- taśmowy,
- hydrotransport.

Zasady obliczania wydajności transportu cyklicznego:

Podstawą obliczeń wydajności jest:
- czas trwania cyklu jazdy samochodu (pociągu),
- pojemność samochodu (składu pociągu),
- wykorzystanie czasu kalendarzowego,
- wydajność współpracującej koparki.

Czas cyklu samochodu (pociągu):



Czas załadunku:



Ilość cykli jednego samochodu (pociągu):



Ilość cykli realizujących wydobycie:



gdzie:
W - wydobycie (zadania przewozowe),
Qtech - wydajność techniczna koparki.

Ilość samochodów (pociągów):



Sprawdzanie poprawności doboru:




gdzie:
nrz - ilość możliwych załadunków przez koparkę, składów, samochodów.

Odwadnianie

Odwadnianie - czynności związanie z obniżeniem poziomu zwierciadła wód podziemnych. Jest ono niezbędnym elementem procesu technologicznego umożliwiającym eksploatację złoża.

Odwadnianie możemy podzielić na:
- powierzchniowe,
- wgłębne.

Odwadnianie powierzchniowe jest to ujmowanie i odprowadzanie wód powierzchniowych i podziemnych za pomocą urządzeń odwadniających znajdujących się na powierzchni. Głównymi elementami systemu odwodnienia powierzchniowego odkrywki są rowy ziemne, rowy korytkowe, rowy betonowe wraz z piaskownikami, sprowadzenia rurowe oraz pompownie. Podstawowym elementem w odwodnieniu powierzchniowym, który ulega ciągłym ewolucjom, są nowoczesne pompownie głównego odwadniania.

Odwadnianie wgłębne jest to ujmowanie i odprowadzanie wód powierzchniowych i podziemnych za pomocą studni, otworów drenażowych i urządzeń odwadniających znajdujących się pod ziemią. Odwadnianie wgłębne polega na wykonaniu i późniejszej eksploatacji studni odwadniających rozmieszczonych w odpowiednich barierach o odmiennych funkcjach i zadaniach.

Zwałowanie

Zwałowanie jest to całość czynności związanych ze składowaniem nadkładu na zwałach.

Zwał jest to planowo utworzone sztuczne usypisko (składowisko) mas nadkładowych.

Zwałowarka jest to maszyna przeznaczona do formowania zwałów materiałów masowych.

Zwałowarka A2RsB 12500



Zwał wewnętrzny jest to zwał położony wewnątrz wyrobiska, w którym został zwałowany urobiony nadkład (zwały wewnętrzne jednej odkrywki mogą stanowić zwały zewnętrzne dla drugiej).

Zwał zewnętrzny jest to zwał położony poza wyrobiskiem, w którym został urobiony zwałowany nadkład.


Panorama KWB Bełchatów: widoczne zwałowisko wewnętrzne odkrywki, w tle Elektrownia Bełchatów.



Zwał nadpoziomowy jest to zwał usypany powyżej zwałowanego poziomu roboczego.

Zwał podpoziomowy jest to zwał usypany poniżej zwałowanego poziomu roboczego.

Rekultywacja

Rekultywacja terenów poeksploatacyjnych jest to całość czynności prowadzących do rekultywacji wyrobisk, zwałowisk oraz innych terenów i obiektów poddanych działalności górniczej.


Fazy i rodzaje rekultywacji gruntów i terenów poprzedzające ich zagospodarowanie

Fazy i rodzaje	Wyszczególnienie
Faza przygotowawcza	rozpoznanie czynników warunkujących prawidłowość wykonania rekultywacji, ustalenie kierunku rekultywacji i zagospodarowania oraz wprowadzenie postulatów rekultywacyjnych do dokumentacji projektowej zakładu górniczego
Faza podstawowa (techniczna)	kształtowanie rzeźby rekultywowanego terenu, regulacja stosunków wodnych (w tym budowa niezbędnych obiektów i urządzeń hydrotechnicznych), rekonstrukcja lub budowa dróg dojazdowych, rozścielenie (w skrajnych przypadkach) warstwy gleby urodzajnej
Faza biologiczna (szczegółowa)	ulepszenie fizyko-chemicznych i biologicznych właściwości gruntów i wód, budowa techniczno-biologiczna skarp, wprowadzenie na rekultywowane tereny roślinności odtwarzającej warunki biologiczne i zabezpieczającej przed erozją powierzchniową
Rodzaj rekultywacji - kierunek:	przygotowanie gruntów i terenów
- rolny	do zagospodarowania rolniczego: grunty orne, użytki zielone, sady, ogrody
- leśny	do zagospodarowania leśnego: lasy produkcyjne, lasy ochronne
- komunalny	do celów komunalnych: parki, zieleńce, obiekty sportowe, wypoczynkowe
- wodny	pod zbiorniki wodne oraz budowę tych zbiorników
- specjalny	do zagospodarowania na inne cele niż rekultywacji rolnej, leśnej, komunalnej i wodnej

Przykład rekultywacji:

Zrekultywowane zwałowisko zewnętrzne KWB Bełchatów (Góra Kamieńsk):
- na Górze Kamieńsk znajduje się elektrownia wiatrowa składająca się z 15 turbin o mocy 2 MW każda,
- na północno-wschodnim stoku góry znajduje się ośrodek sportu i rekreacji wyposażony między innymi w sztucznie naśnieżaną i oświetloną trasę narciarską,
- powierzchnia zwałowiska wynosi 1480 ha,
- zwałowisko powstało z nadkładu o objętości 1350 mln m3.

Ad 3. Definicje i rodzaje systemów eksploatacji i wybierania oraz czynniki wpływające na ich wybór

Czynniki decydujące o wyborze sposobów udostępniania złoża:
- rzeźba 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.

Lokalizacja miejsca udostępnienia powinna zapewnić:
1. Najmniejsze koszty udostępnienia złoża,
2. Najkrótszy okres udostępniania,
3. Najszybszy rozwój do wielkości docelowej.

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.

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 wkłady ze skał litych.

Cel 3 osiąga się gdy wkop jest zlokalizowany w części złoża o najkorzystniejszym wskaźniku nadkładu przy jednocześnie najmniejszej miąższości nadkładu.

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.
Sposób eksploatacji złoża i kierunki przesuwania frontów w polu przyokopowym:
- jednostronne (jednoskrzydłowe),
- wielostronne (wieloskrzydłowe),
- przystosowane do eksploatacji kompleksowej czy selektywnej.

Sposoby udostępnienia:
- za pomocą wkopów,
- tzw. bezpośrednie, za pomocą dźwignic przy urabianiu skał na bloki w wyrobisku docelowym wgłębnym.

Udostępnienie za pomocą dźwignic



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.



Zbocze 2a - zbocze transportowe
Zbocze 2b - ma za zadanie utrzymanie stateczności wyrobiska
Zbocze 2c - rozpoczynamy budowę wkopu, zagłębiamy się w ziemię, budujemy drogę, po której będzie można sprowadzić maszyny do wydobycia. Zbocze to nazywane jest też zboczem czołowym; jest to pierwsze zbocze, które jest formowane.
Zbocze 1 - największe, znajduje się tam koparka, taśmociąg, drogi; zbocze to jest najmniej nachylone (1:6).

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).

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,
- 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.

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.

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 luźnych i miękkich koparkami wielonaczyniowymi łańcuchowymi, a także przy urabianiu mechanicznym skał na bloki i eksploatacji kruszyw naturalnych ze złóż podwodnych.



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.

Ad4. Typowe układy technologiczne stosowane w górnictwie odkrywkowym węgla brunatnego i surowców skalnych.

Procesy składowe stanowiące poszczególne ogniwa procesu podstawowego mogą mieć różny charakter i mogą być wykonywane różnymi środkami i maszynami w zależności od szeregu czynników, a przede wszystkim od rodzaju i ilości urabianych skał, warunków zalegania złoża, dysponowanego sprzętu oraz zaplecza technicznego. W kopalniach odkrywkowych, w których urabiany ośrodek stanowią skały trzecio- i czwartorzędowe bądź skały o właściwościach umożliwiających stosunkowo łatwe odspajanie w drodze mechanicznej, stosowane jest urabianie koparkami. Proces urabiania określa się w tym przypadku często pojęciem węższym, a mianowicie jako proces kopania, czyli urabiania za pomocą koparek.

Z różnych rodzajów transportu stosowanego w górnictwie odkrywkowym obecnie zdecydowaną przewagę ma transport taśmowy, wypierając powszechny jeszcze do niedawna transport szynowy.

Do zwałowania stosowane są w przemysłowych kopalniach odkrywkowych maszyny budowane specjalnie do tego celu, a mianowicie zwałowarki.

Nowoczesny układ technologiczny kopalni odkrywkowej opierającej się na urabianiu koparkami można określić symbolem K – T - Z, czyli

Koparka – Taśmociąg - Zwałowarka

Przedmiotem pracy jest pierwsze i ostatnie ogniwo tego układu.

Ad5. Metody otworowe eksploatacji surowców stałych.

Do sposobów eksploatacji kopalin podziemnych zaliczamy:

- podziemną,

- odkrywkową,

- otworową.

Cechy charakterystyczne metod otworowych:

1.Wydobycie odbywa się za pomocą specjalnie przystosowanych uzbrojonych otworów.

2.Czynnikami wydobywczymi są media technologiczne (rozpuszczalniki, nośniki ciepła itd.) migrujące przez eksploatowane złoże, przy czym wtłaczanie ich do z łoża i odpowiednio kopaliny na powierzchnię odbywa się bardzo często tym samym otworem.

3.Kierowanie procesem bardzo często odbywa się przez zmianę parametrów technologicznych (ciśnienia, wydajności, stężeń itp.) oraz miejsca wprowadzenia medium do złoża i miejsca odbioru kopaliny.

4.Technologia otworowa zapewnia selektywną eksploatację złoża, a także czasami przeróbkę co uniemożliwia właściwy dobór czynników technologicznych.

5.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.

6.Metody otworowe gwarantują najkrótszy czas udostępniania złoża, a zatem także najkrótszy czas zamrożenia środków inwestycyjnych.

Technologia otworowa nadaje się również do eksploatacji małych złóż pozabilansowych dla klasycznych metod eksploatacji zalegających w trudnych warunkach górniczo – geologicznych.

Klasyfikacja metod otworowych opiera się o kryterium rodzaju procesu stosowanego do eksploatacji (który zmienia stan skupienia kopaliny lub składnika użytecznego na ciekły lub gazowy).

Metody oparte na procesach chemicznych:

- ługowanie kopalin wodą,

- ługowanie roztworami kwasów,

- siarkowego,

- azotowego,

- solnego,

- ługowanie roztworami zasad,

- obróbka termiczna przez spalenie i prażenie

Metody oparte na procesach fizycznych:

- termiczne wytapianie,

- hydromechaniczne – urabianie za pomocą strumienia wody,

- wydobywanie z głębi Ziemi i ż dna oceanu,

- urabianie za pomocą wibracji,

Metody oparte na procesach biochemicznych:

- bakteryjne ługowanie rud metali kolorowych.

Wykorzystuje się niektóre mikroorganizmy czerpiące energię z procesów życiowych z utleniania związków żelaza i siarki.

Eksploatacja siarki metodą otworową:

1. Własności siarki i rudy siarki istotne w metodzie podziemnego wytapiania,

2. Kryteria bilansowości złóż siarki rodzimej dla eksploatacji otworowej,

3. Budowa i zasada działania otworu wydobywczego siarki

Ad1.

• stosunkowo niska temperatura topnienia siarki (ok.160˚C)

• prawie dwukrotnie większa gęstość siarki iż wody (1,73Mg/m³) w temp. 150˚C

• nie rozpuszczanie się siarki w wodzie i nie mieszanie się z wodą

• istnienie minimum lepkości siarki w temp. 157˚C; (η=6,55cP); maksimum lepkości wystpuje w temperaturze 187˚C

• różnica w współczynnikach rozszerzalności objętościowej siarki szkieletu wapiennego rudy.

• Te względy decydują, że temperatura wody gorącej tłoczonej do złoża wynosi 160˚C,

• a temperatura wody złożowej odbieranej ze złoża powinna być większa od mniejsza od 120 ˚C

• Ponadto decydują o konstrukcji i funkcjach uzbrojenia otworu.

Minimalna miąższość nadkładu wynika z koniecności równoważenia ciśnienia złozowego (P_z) przez ciśnienie geostatyczne P_geos z uwzględnieniem wsp. bezpieczeństwa (kb).

Jako ciśnienie wody złożowej przyjmowane jest minimalne ciśnienie słupa wody technologicznej (Pwmin) na poziomie rzędnej złoża. To minimalne ciśnienie wynosi:

Ciśnienie geostatyczne wynosi:

Pgeos=P_at+H_nρg

Porównywanie tych dwóch ciśnień pozwala obliczyć miąższość nadkładu równoważące ciśnienie złożowe przez ciśnienie geostatyczne.

H_n =

Stąd minimalna miąższość nadkładu wynosi Hnmin = KB *Hn

Kryteria bilansowości złóż siarki:

A.)Możliwości techniczne:

• istnieje pokład rudy porowaty i nieprzepuszczalny dla wody,

• pokład jest ograniczony od stropu warstwą nieprzepuszczalną

• pokład jest ograniczony od spągu warstwą nieprzepuszczalną lub warstwą zasadniczo niższej przepuszczalności niż nadkład,

• minimalna miąższość nadkład może być niższ niż 75 m

B) Ekonomiczne

• minimalna miąższość złoża 5m

• minimalne osiarkowanie 12 %

• minimalna zasobność winna zawierać się w przedziale od 4,3 do 5,2 [Mg/m³] w zakresie głębokości 75-400m

Zasobność jednostkowa:

Z_j = ρ_r*h_r*S

Zasoby przemysłowe:

Zp = Fw*Zj

Kostrukcja otworu wiertniczego:

-Orurowanie stałe:cementowane w nadkładzie

1.kolumna wstępna φ14’’ sięgająca od powierzchni do głębokości kilkunastu metrów w trzeciorzędowe warstwy nieprzepuszczalne

2.kolumna techniczna φ 8 5/8’’ sięgająca od powierzchni do głębokości ok. 2m w strop serii złożowej

-Orurowanie ruchome:

3.kolumna eksploatacyjna zasilająca-wodna, φ 5’’ sięgająca około 0,5-5 m w strop utworów podłużnych mająca w końcowej części dwa sektory perforacji( dolną – siarkową, i górną – wodną)

4.kolumna eksploatacyjna wydobywcza (siarkowa) φ 3, 5’’ sięgająca do spągu złoża.

5.kolumna eksploatacyjna powietrza φ 1’’ sięgająca do głębokości kilkunastu metrów nad tzw. zamkiem

Konstrukcja i zasada działania otworu wydobywczego.

Na powierzchni orurowanie zwieńczone jest głowicą powierzchniową, natomiast orurowanie ruchome w końcowej części zwieńczone jest tzw. zamkiem.

Fazy pracy otworu:

1. Przygotowanie do eksploatacji

2. Wstępne grzanie

- dolną perforacją przez ok.48-72 godz.

-dolną i górną perforacją przez kolejne 24-48 godz.

3. Odprężenie otworu

4.Właściwa eksploatacja

Po 72 godz. przerwanie tłoczenia dolną perforacją.

Po 48 godz. następuje podaż wody równocześnie prezz górną perforację przez ok24 godz (kolumną wodną)

Po tym czasie następuje przerywanie podaży wody kolumną siarkową (dolną perforacją) i przystąpienie do operacji odprężenia otworu.

Odprężenie otworu – polega na opróżnieniu kolumny siarkowej z wody podawanej w czasie wstępnego grzania, które może być wykonywane przez:

- rozprężenie wody do atmosfery (otwarcie zaworu na głowicy otworu)

- wepchnięcie wody z kolumny siarkowej do złoża przez wtłoczenie do niej sprężonego powietrza.

W trakcie operacji odprężania następuje zmniejszenie ciśnienia w kolumnie wydobywczej (siarkowej) w wyniku czego następuje równoważenie ciśnienia i napływ siarki do tej kolumny poprzez dolną perforację

Podnoszenie słupa siarki w kolumnie wydobywczej odbywa się dotąd aż nastąpi zrównoważenie ciśnienia jej słupa z ciśnieniem złożowym.

Właściwa eksploatacja:

Po zakończeniu odprężenia następuje zapuszczenie do otworu kolumny rur powietrznych.

Właściwa eksploatacja polega na równoczesnym tłoczeniu wody technologicznej kolumną zasilającą i sprężonego powietrza kolumną powietrzną oraz wydobyciu mieszaniny płynnej siarki i powietrza kolumną eksploatacyjną wydobywczą. Wydatek tłoczonego powietrza powinien być tak ustalony aby gwarantować ciągłą pracę otworu (ciągłe pompowanie siarki – na miejsce wtedy jeśli wydajność pompowania siarki jest <lub= wydajności topnienia i napływu siarki do otworu).

Przy nie zachowaniu tego warunku następuje wyczerpanie zapasu płynnej siarki na zewnątrz orurowania i odsłonięcie dolnej perforacji efektem czego jest tzw. przebicie otworu gorącą wodą (dostanie się wody gorącej do kolumny wydobywczej). jest to zjawisko niekorzystne gdyż jego częste występowanie podnosi energochłonność wytopu siarki i prowadzi do korozji uszkodzenia kolumny wydobywczej i zasilającej powietrznej.

Odprężenie złoża:

Odprężeni złoża – jest to odprowadzenie nadmiaru wód złożowych w celu:

• ukierunkowania przepływu wody gorącej w złożu,

• stworzenie gradientu ciśnienia między frontem eksploatacji, a przedpolem

• zmniejszenia ciśnienia żłożowego dla obniżenia zagrożenia erupcyjnego

Odprężenia – prowadzone jest najczęściej na samo wypływ rzadziej jako wymuszone (depresyjne),

W tym celu wykorzystywane są otwory:

- na przedpolu eksploatacji,;na zapleczu eksploatacji; wyłączone z eksploatacji;na skrzydłach eksploatacji lub specjalne bariery.

Istota odprężenia w zamkniętym obiegu wód technologicznych i złożowych jest maksymalne zbliżenie strefy odprężenia do strefy magazynowania złoża. W tym przypadku temperatura odbierających wód złożowych powinna być jak najwyższa lecz mniejsza niż temp. siarki. Wskaźnik odprężenia definowany jest jako Q₀/Q_tech=K₀ i waha się w granicach od 0,4 – 0,6