5. Klasyfikacja systemów podziemnej eksploatacji złóż, czynniki wpływające na wybór systemu.

1. Podział systemów ze względu na rodzaj wyrobiska eksploatacyjnego:

a) systemy ubierkowe:

• ścianowe,

• filarowo-ubierkowe,

• ubierkowe pasami,

b) systemy zabierkowe:

• długich zabierek,

• filarowo-zabierkowe,

c) systemy komorowe:

• komorowe właściwe,

• komorowo-filarowe,

• ubierkowo-komorowe,

d) systemy blokowe:

• z czołowym wypuszczeniem urobku,

• z wypuszczeniem urobku przez otwory wysypowe (leje).

2. Podział systemów ze względu na sposób kierowania stropem:

a) eksploatacja z ochroną stropu, np:

• podsadzka hydrauliczna,

• podsadzka pneumatyczna,

b) eksploatacja z zawałem stropu,

c) eksploatacja z ugięciem stropu.

3. Podział systemów ze względu na kierunek wybierania:

a) systemy podłużne,

b) systemy poprzeczne,

c) systemy przekątne.

4. Podział systemów ze względu na grubość złoża:

a) eksploatacja na całą grubość złoża,

b) eksploatacja warstwami

5. Podział systemów ze względu na zwrot eksploatacji:

a) eksploatacja do pola (do granic obszaru górniczego),

b) eksploatacja od pola (od granic obszaru górniczego).

Wybór sposobu eksploatacji złoża zależy od wielu czynników, takich jak:

• miejsce i głębokość zalegania złoża,

• budowa geologiczna górotworu,

• ukształtowanie i zagospodarowanie terenu,

• wielkość zasobów złoża,

• fizyczne i chemiczne własności złoża,

• aktualne możliwości techniczne,

• kształt wybieranej części złoża,

• grubość złoża,

• nachylenie pokładu,

• rodzaj i własności skał otaczających pokład, głównie skał stropowych,

• zaburzenia tektoniczne,

• ochrona powierzchni,

• ochrona leżących wyżej pokładów,

• usytuowanie krawędzi eksploatacji wyżej leżących pokładów,

• zagrożenia naturalne i ich profilaktyka,

• występowanie warstw wodonośnych.

Wybrany system eksploatacji złoża należy tak dostosować do istniejących warunków, aby zapewnić w nich:

• możliwie największe bezpieczeństwo pracy,

• najniższe koszty wydobycia,

• najwyższą wydajność,

• najmniejsze straty złoża,

• dużą koncentrację wydobycia,

• ciągłość produkcji,

• właściwa wentylację,

• łatwy transport materiału oraz elementów wyposażenia ściany,

• optymalnie krótki ciąg odstawy urobku,

• odpowiednie odprowadzenie wody,

• zastosowanie nowoczesnej mechanizacji,

• odpowiedni stopień zabezpieczenia obiektów na powierzchni.

Przykładowa pełna nazwa systemu eksploatacyjnego: System ubierkowy ścianowy, poprzeczny z zastosowaniem podsadzi hydraulicznej, prowadzony na całą grubość złoża do granic obszaru górniczego.

4. Kryteria podziału, rodzaje, charakterystyka i zasady doboru obudów wyrobisk korytarzowych.

Obudowa górnicza - konstrukcja, której zadaniem jest zapewnienie stateczności wyrobiska, polegającej na utrzymaniu wymiarów jego przekroju poprzecznego oraz zabezpieczenie ludzi, sprzetu i maszyn przed obrywającymi się odłamkami skalnymi ze stropu i ociosów lub przed zawałami i obwałami w ustalonym czasie istnienia wyrobiska.

Kryteria podziału obudów wyrobisk korytarzowych:

• ze względu na sposób oddziaływania obudowy na górotwór:

• obudowy podpierające

• obudowy podtrzymujące

• obudowy odgradzające

• obudowy izolujące

• obudowy kotwiące

• obudowy sklejające

• ze względu na sposób współpracy z górotworem:

• obudowa sztywna (monolityczna lub złożona z elementów sztywnych, pozbawiona elementów opodatniających, wykazująca podatność na obciążenia jedynie w granicach odkształceń materiałowych)

• obudowa podatna (w której na skutek działania okreslonego obciążenia występuje wzajemne przemieszczenie jej elementów konstrukcyjnych, ale bez trwałych odkształceń)

• obudowa podatna o ograniczonej podporności (obudowa podatna o złożonej granicznej wartości ezajemnego przemieszczania się jej elementów konstrukcyjnych, po osiągnięciu której obudowa pracuje jako sztywna)

• obudowa sztywna upodatniona (obudowa sztywna wyposażona w elementy upodatniające, wykonane z materiału o odkształcalności znacznie większej od odkształcalności nośnej elementów konstrukcyjnych obudowy)

• ze względu na czas istnienia obudowy:

• tymczasowa (obudowa zabezpieczająca wyrobisko w czasie jego drążenia i usuwana przed wykonaniem obudowy ostatecznej, np. obudowa przecinek ścianowych)

• wstępna (wykonywana w przodku wyrobiska i stanowiąca część obudowy ostatecznej, np. obudowa kotwiowa w obudowie mieszanej)

• uzupełniająca (wykonana poza przodkiem wyrobiska i stanowiąca część obudowy ostatecznej)

• ostateczna (przeznaczona do zabezpieczenia wyrobiska górniczego podczas całego okresu jego użytkowania)

• ze względu na rodzaj materiału, z którego wykonano obudowę oraz konstrukcję obudowy:

• obudowę drewnianą

• obudowę murową (z cegły lub betonitów)

• obudowę betonową

• obudowę torkretową

• obudowę stalową prostą

• obudowę stalową łukową

• obudowę kotwiową

• obudowę mieszaną (murowo-stalowa, stalowo-betonowa, stalowo-drewniana)

• obudowę kombinowaną

Wybór rodzaju obudowy uzależniony jest od następujących czynników:

• warunków górniczo-geologicznych (rodzaj skał, ciśnienie górotworu, głębokość)

• wymiarów poprzecznych wyrobiska

• przeznaczenia wyrobiska (np. transportowe, wentylacyjne, itp.)

• czasu trwania (istnienia) wyrobiska

• warunków ekonomicznych

Obudowa drewniana - stosowana jest w coraz mniejszym zakresie (jako samodzielna obudowa) ze względu na szereg wad, jak: palność, szybkie butwienie i próchnienie, stosunkowo (w porównaniu z innymi materiałami) niska wytrzymałość drewna oraz duży koszt, a także ochronę środowiska. Znajduje ona zastosowanie szczególnie jako obudowa wzmacniająca inne typy obudów. Zalety - lekka, łatwa obróbka drewna, obciążona trzeszczy, dzięki czemu ostrzega o niebezpieczeństwie zawału.

Obudowa murowa (lub betonowa) - wszystkie ważniejsze wyrobiska korytarzowe udostępniające, jak: przekopy, przecznice, komory oraz połączenia tych wyrobisk wykonuje się w obudowie kamiennej murowanej z cegły lub betonitów lub obudowie betonowej.

Obudowy te posiadają sztywną konstrukcję, najlepiej współpracują z górotworem nienaruszonym eksploatacją lub z górotworem odprężonym. W wykonaniu są bardzo pracochłonne, są jednak bardzo trwałe oraz szczelne. Z uwagi na gładkość ścianek zmniejszają opory przepływającego powietrza.

Obudowa stalowa (metalowa) - najczęściej stosowana w kopalniach węgla kamiennego. Wykonana jest z elementów stalowych lub ze stopów metali lekkich. Do jej zalet należą:

• duża wytrzymałość

• trwałość i możliwość wielokrotnego stosowania

• łatwość oraz szybkość montażu i demontażu

• mała pracochłonność wykonywania

• możliwość regeneracji

• niepalność.

Do jej wad można zaliczyć:

• dużą wagę

• brak odporności na korozję

• brak szczelności.

Z uwagi na charakter pracy obudowy te można podzielić na:

• podwieszane

• odrzwiowe: sztywne, podatne, przegubowe

• kotwiowe

• zmechanizowane.

Rodzaje obudowy kotwiowej:

• kotew wklejana

• kotew mechaniczna - rozprężna

• kotew rurowo-cierna

• kotwy linowe i strunowe (kotwie długie)

Obudowa mieszana - jest wykonana z różnego rodzaju materiału, np.: stropnice metalowe i stojaki drewniane lub mury wykonane z cegły. Stosuje się ją w warunkach dużych ciśnień stropowych, przy większych szerokościach wyrobisk lub w miejscach wykonania skrzyżowań wyrobisk. Do ważniejszych typów tej obudowy zaliczany obudowę stalowo-drewnianą i stalowo-murową.

Obudowa kombinowana - odmiana obudowy mieszanej, wykonana zazwyczaj z więcej niż dwóch rodzajów materiałów (obudów) i stosowana jest w bardzo trudnych warunkach górniczo-geologicznych.

Metody wzmocnienia wyrobisk za frontem eksploatacji ścianowej (nadgorliwość):

• stosowanie pasów podsadzkowych ze spoiwa wiążącego, suchego lub skał płonnych

• stosowanie słupów betonowych

• stosowanie kasztów drewnianych

• stosowanie rzędów stojaków drewnianych lub stalowych

• stosowanie podciągów podpartych stojakami

• stosowanie przykatwiania obudowy długimi kotwiami strunowymi

• pozostawianie filarów oporowych przy zrobach

• pozostawianie filarów oporowych między chodnikami oporowymi.

2. Analiza porównawcza elementów technologicznych procesu wydobywczego eksploatacji złóż rud metali i węgla kamiennego

Eksploatacja (pozyskiwanie urobku)

W kopalniach podziemnych węgla kamiennego podstawowymi systemami eksploatacji są systemy ścianowe, w których caliznę urabia się kombajnami bębnowymi (węgiel kamienny łatwo daje się urobić mechanicznie). Kombajny skrawają caliznę za pomocą noży osadzonych na obracających się zwojach ślimakowych. Stosuje się je w pokładach (warstwach) grubości 0,7-3,5 m (do cieńszych pokładów używa się strugów węglowych - trochę inna technologia, szybsze, ale cieńsze skrawy, za to technologia dużo droższa). Zabiór przeciętnie wynosi 0,6-0,8 m, praca przy kątach nachylenia do 12 stopni. Kombajny wyposażone są w potężne silniki elektryczne (napięcie zasilania w Polsce 1000-6000 V), ciągnik, głowicę, organy urabiające i ich ramiona, sanie (dokładniejszy opis w maszynach górniczych). Wyrobisko ścianowe wymaga zabezpieczenia sekcjami obudowy zmechanizowanej; urobek (węgiel) odspojony od calizny węglowej opada na przenośnik zgrzebłowy, który jest składową częścią uzbrojenia ściany wydobywczej i który realizuje pierwszy etap odstawy urobku.

W polskich kopalniach węgla kamiennego wykonuje się przeciętnie kilka skrawów w ciągu doby, a średnie postępy wynoszą 3,2 m/dobę. Maksymalne postępy dobowe wynoszą 17 m/dobę. W USA przeciętne postępy ścian wynoszą 16 m/dobę, a maksymalne 40 m/dobę (w Polsce warunki eksploatacji są o wiele trudniejsze).

W kopalniach złóż rud metali najczęściej stosowanym systemem eksploatacji jest system komorowo-filarowy (np. KGHM Polska Miedź S.A.). Z racji dużej twardości skał zastosowanie urabiania za pomocą materiałów wybuchowych jest najlepszym sposobem na pozyskiwanie urobku. Wykorzystując wiertarki ręczne lub samojezdne wozy wiercące (SWW) (przy dużej ilości wykonywanych otworów strzałowych) na przodku wierci się zespół otworów strzałowych zgodnie z opracowaną i zatwierdzoną metryką strzałową. Następnie do otworów ładuje się materiał wybuchowy zatwierdzony do stosowania w danej kopalni (ręcznie lub mechanicznie), łączy się przewody strzałowe i po wycofaniu się w bezpieczne miejsce następuje odpalenie ładunków MW. Po wybraniu urobku z danego przodka proces powtarza się.

Najczęściej stosowaną obudową przy systemie komorowo-filarowym jest obudowa kotwiowa (kotwie wklejane lub rozprężne), które wymagają zastosowania samojezdnych wozów wiercąco-kotwiących (np. SWK, SWKF).

Odstawa (transport urobku)

Przy eksploatacji węgla kamiennego proces odstawy urobku zaczyna się na przenośniku zgrzebłowym, na który spada urobek po odspojeniu z calizny węglowej. Następnie jest on kierowany na przenośnik taśmowy na skrzyżowaniu wyrobiska ścianowego z wyrobiskiem przyścianowym (korytarzowym). Później systemem przenośników taśmowych węgiel jest transportowany do podszybia szybu wydobywczego, a stamtąd skipem jest wywożony na powierzchnię.

Przy eksploatacji złóż rud metali proces odstawy urobku jest bardziej skomplikowany. Po urobieniu calizny materiałami wybuchowymi należy usunąć urobek z przodka wykorzystując do tego ładowarkę (np. bocznie sypiącą, zasięrzutną, łyżkową). Ładowarka podaje rudę albo na przenośnik taśmowy (dalszy proces podobny jak przy węglu kamiennym) albo do samojezdnego wozu odstawczego, który często jest ładowany przez więcej niż jedną ładowarkę. Następnie wóz odstawczy kieruje rudę do miejsca odstawy urobku (zwanym czasami „kratą” ze względu na budowę - jeśli urobek tworzy zbyt duże bryły, które nie przechodzą przez „kratę”, specjalny młot rozbija je na mniejsze kawałki), gdzie spada na przenośnik taśmowy, później jest transportowany w rejon podszybia szybu wydobywczego, a stamtąd skipem jest wywożony na powierzchnię.

Likwidacja zrobów

Przy eksploatacji węgla kamiennego najczęstszym sposobem likwidacji pustki poeksplatacyjnej jest zawał stropu, który nie wymaga stosowania zaawansowanych technologii. Czasami strop jest zbyt sztywny do samoistnego zawału, dlatego stosuje się strzelania wymuszające zawał. Innym sposobem likwidacji zrobów w kopalniach węgla kamiennego jest podsadzka (np. hydrauliczna, pneumatyczna, itp.), która jednak jest kosztowna i kopalnie za wszelką cenę starają się unikać tej metody. Wysokie koszty wynikają z potrzeby stosowania materiału podsadzkowego (np. piasku), zabudowy instalacji podsadzkowej do transportu piasku i wody, zabudowy instalacji do odprowadzanie wody (przy podsadzce hydraulicznej).

Przy eksploatacji rud metali stosowane są różnorodne sposoby likwidacji zrobów. Obok zawału stropu oraz podsadzki hydraulicznej stosuje się ugięcie stropu (w różnych wariantach, np. łagodne ugięcie stropu). Przed likwidacją zrobów w przestrzeni poeksploatacyjnej lokuje się czasami „kamień” - urobek nie spełniający wymogów jakościowych, którego wydobycie na powierzchnię generowałoby bardzo duże koszty. Likwidując zroby zaczyna się od „przybierania” filarów - z filarów podtrzymujących strop uzyskuje się urobek (mechanicznie, np. przy zastosowaniu ładowarki łyżkowej), a filar po „przybraniu” posiada pewną wytrzymałość resztkową (rezydualną), która sprawia, że filar przez pewien czas przenosi jeszcze obciążenia wynikające z nacisku górotworu. Następnie strop ugina się lub ulega zawałowi (czasami wymuszonemu przez strzelanie).

Udostępnianie (nie jestem pewien, czy to także należy ujać):

W kopalniach wegla kamiennego najczęściej stosuje się strukturę kamienno-złożową lub złożowo-kamienną udostępniania złoża - wyrobiska udostępniające prowadzi się zarówno w skałach płonnych, jak i w złożu. Czasami kopalnie decydują się na strukturę kamienną, jednak generuje ona bardzo duże koszty na etapie inwestycyjnym.

W kopalniach rud metali również stosuje się strukturę mieszaną, złożowo-kamienną. Ewenementem są kopalnie rud miedzi należące do KGHM Polska Miedź S.A.. Złoże zalega w formie pseudopokładu (charakteryzuje się bardzo dużą zmiennością miąższości w zależności od rejonu), dlatego zdecydowano się na strukturę złożową - wszystkie wyrobiska udostępniające prowadzi się w złożu.

---