Cechy charakterystyczne metod otworowych:

1. Wydobycie odbywa się za pomocą specjalnie przygotowanych i uzbrojonych otworów.

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

3. Kierowanie procesem wydobycia odbywa się przez zmianę parametrów technologicznych (ciśnienia, wydajności, stężenia itp.) oraz miejsca wprowadzania medium do złoża i miejsca odbioru kopaliny.

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

5. Kopalina pozostaje w miejscu zalegania w stanie pierwotnym i przemieszcza się dopiero po zmianie stanu skupienia ze stałego na ciekły lub gazowy.

6. Eksploatacja rozwija się wokół otworów wydobywczych i przemieszcza się strefami jako eksploatacja pojedynczymi otworami, gniazdowa lub frontalna.

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

Technologia otworowa nadaje się także 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).

1. Metody oparte na procesach chemicznych:

- ługowanie kopalin wodą (sól kamienna, sole potasowe itp.).

- ługowanie roztworami kwasów:

* siarkowego (azuryt, kupryt i inne),

* azotowego (argentyn, bizmutyn),

* solnego (uranit, molibdenit),

- ługowanie roztworami zasad (boksyty, cynkity i inne),

- obróbka termochemiczna przez spalanie i prażenie (podziemne zgazowanie węgla, ropy naftowej, prażenie pirytów).

2. Metody oparte na procesach fizycznych:

- termiczne wytapianie (siarka..),

- hydromechaniczne - urabianie za pomocą strumienia wody(piasek, surowce okruchowe, piaski szklarskie, fosforytowe wydobywane z głębi ziemi i z dna mórz i oceanów - konkrecje manganowe),

- urabianie za pomocą wibracji.

3. 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.

Istota ługowania

Ługowanie - 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 „δA”, dopływa strumień masy „m”, o którym w czasie „δt”, zmniejsza się masa materii „δm”

Dyfuzja - wyrównywanie stężeń w roztworach wskutek cząsteczkowych ruchów cieplnych.

Ten strumień jest proporcjonalny do powierzchni zwilżonej ciała stałego zwanej graniczną powierzchnią faz.

Natomiast wyrażenie:

, jest gęstością strumienia dyfuzji,

dla którego można podać zależność:

D[m2/s]

D - współczynnik dyfuzji: jest to wielkość charakterystyczna dla każdego materiału,

c - stężenie.

Oznaczając
,
to =
:

Oznacza to wyrównanie stężeń i bezruch roztworu.

To samo wyraża wydajność rozpuszczania (wydajność na jednostkę powierzchni):

Natomiast prędkość rozpuszczania:

ponieważ ma wymiar prędkości [m/s], gdzie M1, M2 - masa soli na początku i końca ługowania.

Wymiar prędkości ma także wyrażenie:

gdzie:

β - współczynnik przejmowania masy

h_gr - grubość laminarnej warstwy przyściennej, która jest czynnikiem regulującym przepływ masy

Metody ługowania soli

1. Ługowanie natryskowe,

2. Ługowanie komór wodą w zastoju,

3. Ługowanie ciśnieniowe za pomocą otworów wiertniczych z powierzchni - z ciągłym zatłaczaniem wody i ciągłym odbiorem solanki.

1. pojedynczymi otworami,

2. zespołami 2-3 otworów połączonych ze sobą na powierzchni,

3. zespołem otworów zatłaczających wodę i odbierających solankę połączonych ze sobą poprzez złoże (hydrowręb)

Odmiany ługowania soli pojedynczymi otworami:

- z obiegiem lewym,

- z obiegiem prawym,

- z zastosowaniem hydrowręb i ochrony stropu przy użyciu cieczy izolującej,

- ługowanie wielopoziomowe

Uzbrojenie i rozmieszczenie otworów

Na złożach antyklinarnych:

- zwykle dwie do trzech kolumn jako ororowanie stałe (cementowane) np. ϕ13 5/8”, i ϕ 9 5/8”,

- dwie lub trzy rury wolnowiszące, które tworzą kolumny eksploatacyjne zasilające (wodna i olejowa) i kolumna solankowa np. ϕ5,5” i ϕ3,5”,

- otwory wiercone są w siatce regularnej o module 35 m, a maksymalna średnica kawerny nie może przekraczać 25 m, maksymalna głębokość otworów 350-440 m.

Na złożach wysadowych:

- zwykle trzy do czterech kolumn jako orurowanie stałe np. ϕ 32” (do 10m), ϕ 241/2” (do 80 m), ϕ 185/8” (do 265 m) i ϕ 133/8” (do 450 m),

- dwie do trzech kolumn jako uzbrojenie wolnowiszące np. ϕ 8 5/8” i ϕ 5” (do 1700 m),

- otwory wiercone są w siatce regularnej o module 100 m, a średnica maksymalna kawerny wynosi 50 m,

- maksymalna głębokość otworów sięga do 1200 m, a projektowanych do 1700 m.

Podstawowe przesłanki prowadzenia technologii:

- maksymalna wydajność ługowania,

- nie przekraczanie granicznych wymiarów kawern,

- otrzymywanie solanki o maksymalnej gęstości (stężeniu).

Spełnienie tych rygorów następuje w wyniku:

- kontrola stężenia wydobywanej solanki,

- sterowanie wydajnością zatłaczania wody do otworu,

- manewrowanie uzbrojeniem ruchomym otworu,

- wprowadzanie i wyprowadzanie cykliczne oleju z kawerny otworowej,

- monitorowania kształtu kawerny w oparciu o np. metody geofizyczne.

Eksploatacja otworowa soli jest projektowana (wymiary graniczne komór) przy założeniu aby nie wystąpiły żadne deformacje obserwowane na powierzchni.

Występowanie soli w Polsce

Utwory cechsztynu (perm górny):

- rejon środkowopolski (od Rogóźna przez Kłodawę, Inowrocław, Mogilno)

- obszar przedsudecki o przebiegu NW-SE od Nowej Soli, poprzez Głogów i na znacznej części LGOM,

- obszar nadbałtycki - od Łeby do Zatoki Puckiej

Zasoby geologiczne bilansowe: ok. 76,05 mld ton

Utwory miocenu (trzeciorzęd) na przedgórzu Karpat:

- od rejonu Rybnika, Żor i Orzesza poprzez Wieliczkę (Barycz), Bochnię, Siedlec, Moszczenicę (Łężkowice) aż po Tarnów (okolice Wojnicza).

Zasoby geologiczne bilansowe soli w tych utworach: ok. 4,18 mld ton.

Kryteria bilansowości dla złóż soli

Złoża pokładowe soli kamiennej:

1. Maksymalna głębokość spągu złoża 1200 m

2. Minimalna miąższość złoża wraz z przerostami 30 m

3. Minimalna średnia ważona zawartość NaCl w profilu złoża wraz z przerostami 80%

Złoża wysadowe soli kamiennej:

1. Maksymalna głębokość dokumentowania 1400 m

2. Minimalna miąższość złoża wraz z przerostami 30 m

3. Minimalna odległość stropu złoża od zwierciadła solnego (najniżej położonego punktu jego stwierdzenia) 150 m

4. Minimalna średnia ważona zawartość NaCl w profilu złoża 80%

Charakterystyka metody podziemnego wytapiania siarki

Istota metody i własności siarki i rudy siarki istotne w metodzie podziemnego wytapiania:

- stosunkowo niska temperatura topnienia siarki (ok. 120 st. C),

- prawie dwukrotnie większa gęstość siarki niż wody (1,78 Mg/m3 w temp. 150 st. C),

- nie rozpuszczanie się siarki w wodzie i nie mieszanie się z wodą,

- istnienie minimum lepkości siarki w temperaturze ok. 157 st. C (η=6,55 cP); (maksimum lepkości występuje w temp. 187 st. C - 931,6 p),

- różnica we współczynnikach rozszerzalności objętościowej siarki i szkieletu wapiennego rudy.

Te względy decydują, że temperatura wody gorącej tłoczonej ze złoża wynosi 160 st. C, a temperatura wody złożowej odbieranej ze złoża powinna być < od 120 st. C.

Kryteria bilansowości złóż siarki

A.Techniczne możliwości:

a) istnieje pokład rudy porowaty i przepuszczalny dla wody,

b) pokład jest ograniczony od stropu warstwą nieprzepuszczalną,

c) pokład jest ograniczony od spągu warstwą nieprzepuszczalną lub warstwą o zasadniczo niższej przepuszczalności niż pokład,

d) minimalna miąższość nadkładu nie może być niższa niż 75m,

B.Ekonomiczne:

e) minimalna miąższość złoża - 5m,

f) minimalne osiarkowanie - 12 %

g) minimalna zasobność winna zawierać się w przedziale od 4,3 - 5,2 Mg/m2, w zakresie głębokości 75-400 m.

Minimalna miąższość nadkładu

Wynika z konieczności równoważenia ciśnienia złożowego (Pz) przez ciśnienie geostatyczne (P_geos.) z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa (Kb).

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

Ciśnienie geostatyczne wynosi:

Porównanie tych dwóch ciśnień pozwala obliczyć miąższość nadkładu równoważącą ciśnienie złożowe przez ciśnienie geostatyczne.

Stąd minimalna miąższość nadkładu wynosi:

gdzie:

P_gmin. - minimalne ciśnienie wody technologicznej na głowicy otworu, gwarantujące utrzymanie temp. 160 st. C i pozostawanie w fazie ciekłej,

ρ_n - średnia gęstość skał nadkładu,

ρ_w - gęstość wody technologicznej czyli o temp. 160 st. C.

Przyjmując następujące wartości: ρ_n=1930 kg/m3, ρ_w=905 kg/m3, P_gmin.=505500 Pa wstawiając do wzoru otrzymujemy:

Konstrukcja i zasada działania otworu wydobywczego

Uzbrojenie otworu wydobywczego stanowi 5 kolumn rur o różnej średnicy.

Orurowanie stałe, cementowane w nadkładzie:

- kolumna wstępna (d=14”) - sięgająca od powierzchni do głębokości kilkunastu m w trzeciorzędowe warstwy nieprzepuszczalne (iły krakowieckie),

- kolumna techniczna (d= 8 5/8”) - sięgająca od powierzchni do głębokości ok. 2 mw strop serii złożowej.

Orurowanie ruchome:

- kolumna eksploatacyjna zasilająca (wodna, d=5”) - sięgająca 0,5 - 5,0 m w strop utworów podłożowych, mająca w końcowej części dwa sektory perforacji; dolną-siarkową, górną-wodną.

- kolumna eksploatacyjna wydobywcza (siarkowa, d=3,5”) - sięgająca do spągu złoża,

- kolumna eksploatacyjna powietrzna (d+1”) - sięgająca do głębokości kilkunastu metrów nad tzw. zamkiem

Fazy pracy otworu

I okres

Przygotowanie otworu do eksploatacji

Okres ten obejmuje:

- sprawdzenie drożności rurociągów doprowadzających media technologiczne do otworu,

- sprawdzenie szczelności połączeń spawanych i kołnierzowych oraz zamontowanie armatury w głowicy powierzchniowej (więźbie otworowej),

- usuwanie płuczki i resztek zanieczyszczeń z okresu wierceń w otworach eksploatacyjnych przez płukanie otworu zimną wodą i przedmuchiwanie sprężonym powietrzem poszczególnych kolumn aż do uzyskania pełnej cyrkulacji i wypływu czystej wody ze wszystkich kolumn uzbrojenia otworu.

II okres

Wstępne grzanie otworu

Celem wstępnego grzania jest:

- wygrzanie złoża wokół otworu eksploatacyjnego w najniższych jego partiach,

- wytopienie siarki z tej części złoża w ilości umożliwiającej podjęcie wydobycia (pompowania siarki, przez otwór włączany do eksploatacji.

Realizacja wstępnego grzania rozpoczyna się przez:

- podaż gorącej wody technologicznej tylko przez kolumnę siarkową,

Fazy pracy - Wstępne grzanie i odprężanie otworu

• Po ok. 48 godz. następuje podaż wody równocześnie przez górną perforację przez ok. 24 godz. (kolumną wodą).

• Po tym czasie następuje przerwanie podaży wody kolumną siarkową (dolną perforacją) i przystąpienie do operacji odprężania otworu.

Odprężanie otworu - polega na opróżnieniu kolumny siarkowej z wody podawanej w czasie wstępnego grzania, które może być wykonane przez:

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

- wepchnięcie wody z kolumny siarkowej do złoża przez wtłoczenie do mniej 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.

Fazy pracy otworu - Właściwa eksploatacja

Po zakończeniu odprężania 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 - ma miejsce wtedy jeśli wydajność pompowania siarki jest </= wydajności topienia 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 wodą gorącą (dostanie się wody gorącej do kolumny wydobywczej). Jest to zjawisko niekorzystne gdyż jego częste występowanie podnosi energochłonność wytopu siarki i prowadzi do korozji i uszkodzenia kolumny wydobywczej i zasilającej powietrznej.

Odprężanie złoża

Odprężanie 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 złożowego i dla obniżenia zagrożenia erupcyjnego.

Odprężanie prowadzone jest najczęściej na samo wypływ, rzadziej jako wymuszone (depresyjne).

W tym celu wykorzystywane są otwory:

- na przedpolu eksploatacji, które w późniejszym czasie będą otworami eksploatacyjnymi,

- we froncie eksploatacji, które zostały już wyłączone z eksploatacji,

- na zapleczu eksploatacji, wyłączone z eksploatacji,

- na skrzydłach eksploatacji, wyłączone z eksploatacji lub specjalne bariery.

Istotą odprężania w zamkniętym obiegu wód technologicznych i złożowych jest maksymalne zbliżenie strefy odprężania do strefy nagrzewania złoża. W tym przypadku temperatura odbieranych wód złożowych powinna być jak najwyższa lecz mniejsza niż temperatura topnienia siarki.

Wskaźnik odprężania definiowany jako Q_o/Q_tech=K_o, waha się w granicach od 0,4 - 0,6.

Schemat technologiczny kopalni otworowej

Główne ogniwa technologiczne:

- do wytwarzania wody technologicznej i pary (zbiorniki, SU, kotłownia),

- do wytwarzania sprężonego powietrza (kompresorownia),

- do transportu mediów technologicznych i siarki (rurociągi),

- wydobycia siarki (pola górnicze),

- do przeróbki, składowania, konfekcjonowania i wysyłki (z. granulacji, zbiorniki płynnej siarki, stanowiska nalewu cystern, załadunku siarki granulowanej, bocznica kolejowa).

W procesie eksploatacji występują następujące media technologiczne transportowane rurociągami:

- gorąca woda technologiczna,

- para wodna,

- sprężone powietrze,

- płynna siarka,

- woda zimna dla celów pożarowych i pitnych,

- woda złożowa.

Pole górnicze - jest to miejsce gdzie znajdują się wszystkie rodzaje otworów niezbędne do prowadzenia eksploatacji, wraz z urządzeniami do transportu, rozdziału i pomiaru parametrów (sterownie i rurociągi, AKP) i urządzeniami pomocniczymi (przepompownie, grogi dojazdowe itd.)

Zakres stosowania technologii eksploatacji podwodnej

1. Eksploatacja kruszyw naturalnych dla potrzeb budownictwa,

2. Gospodarka wodna i melioracja (budowa i utrzymanie dróg wodnych, regulacja rzek i potoków, budowa obwałowań rzek, melioracja),

3. Pogłębiarstwo w portach morskich (przedsiębiorstwa robót czerpalnych i podwodnych)

Klasyfikacja kruszyw i rozmieszczenie bazy złożowej w Polsce

Europejski podział kruszyw:

1. Naturalne

- żwirowe

- łamane

2. Sztuczne

3. Z recyklingu

Klasyfikacja kruszyw

1. Skalne

a) naturalne

- kruszone (piasek kruszony, grys z otoczaków, mieszanka z otoczaków)

- niekruszone (piasek zwykły, żwir, pospółka, mieszanka, otoczaki)

b) łamane

- zwykłe (miał, kliniec, tłuczeń, niesort, kamień łamany)

- granulowane (piasek, grys, mieszanka)

2. Sztuczne

1. kruszywo z surowców mineralnych poddawanych obróbce termicznej (keramzyt, glinoporyt, inne)

b) kruszywo z odpadów przemysłowych poddawanych obróbce termicznej (grafit, łupkoporyt, popiołoporyt, pumeks hutniczy, żużel, inne)

c) kruszywo z odpadów przemysłowych nie poddawanych dodatkowej obróbce termicznej (elporyt, łupkoporyt ze zwałów, żużel wielkopiecowy, żużle paleniskowe, inne żużle hutnicze, popiół lotny, inne)

d) kruszywo organiczne (kruszywa z tworzyw sztucznych, inne)

Rozmieszczenie bazy złożowej w Polsce

Analiza wielkości produkcji kruszyw naturalnych łamanych pozwala stwierdzić, że:

- dominujące znaczenie w ich produkcji utrzymuje województwo dolnośląskie

- wzrasta udział w tym zakresie województwa świętokrzyskiego oraz śląskiego

- województwo małopolskie utrzymuje swój znaczny udział i charakteryzuje się wraz z województwem śląskim dużym wewnętrznym zużyciem

- województwa dolnośląskie i świętokrzyskie wykazują znaczną nadwyżkę produkcji nad zużyciem wewnętrznym

- cztery województwa (dolnośląskie, świętokrzyskie, śląskie i małopolskie), wytwarzają ponad 90% całej ich produkcji

Produkcja kruszyw naturalnych w latach 2000-2006

Analiza wielkości produkcji pozwala stwierdzić, że:

- w okresie 2000 do połowy 2003 miał miejsce istotny spadek zapotrzebowania na kruszywa naturalne łamane oraz nieco mniejszy wobec kruszyw naturalnych żwirowych

- od połowy 2003 roku zapotrzebowanie rośnie znacznie szybciej w odniesieniu do kruszyw naturalnych łamanych niż kruszyw naturalnych żwirowych (powód - program przedakcesyjny UE w zakresie przebudowy dróg),

- trend wzrostu zapotrzebowania ma charakter trwały i będzie tak co najmniej w okresie kilku lat,

- należy zwrócić uwagę, że w zaspokojeniu wzrostu zapotrzebowania kruszyw jest coraz wyższy udział produkcji wytwarzanej przez zakłady przemysłu cementowo-wapienniczego, które dotychczas zajmowały się tym w znacznie mniejszym zakresie,

- wzrost zapotrzebowania powoduje niestety również wzrost nielegalnej eksploatacji kopalin; nieomal wyłącznie dotyczy to produkowanych kruszyw naturalnych żwirowych.

Ogólna klasyfikacja metod eksploatacji podwodnej

I. Wg kryterium lokalizacji kopaliny (rodzaju osadów mineralnych), granic poziomych i pionowych złoża:

- morska (morskie),

- lądowa (lądowe), w zbiornikach zamkniętych i rzekach,

- odkrywkowa z bezpośrednim kontaktem kopaliny z wodą lub przy niewielkiej miąższości nadkładu,

- podziemna podwodna (podmorska).

II. Wg sposobu wyniesienia kopaliny nad powierzchnię wody:

- hydrauliczny,

- hydropneumatyczny,

- mechaniczny

III. Wg sposobu urabiania (rozluzowania) urobku:

- metodą hydrauliczną,

- mechaniczną,

- bez wstępnego rozluzowania.

IV. Wg sposobu poboru kopaliny przez zespół wydobywczy:

- przez zasysanie strumieniem wlotowym,

- mechanicznie, przez skrawające urządzenia czerpalne.

V. Wg rodzaju transportu kruszywa z akwenu na ląd:

- rurociągami tłocznymi (hydrauliczny),

- transport mechaniczny przenośnikami taśmowymi odwadniającymi i przenośnikami taśmowymi na pontonach pływających,

- wodny - statkami (jako jednostkami nasiębiernymi), barkami, szalandami.

Rodzaje urządzeń eksploatacyjnych (pogłębiarek) i zasada działania:

I. Hydrauliczne:

- strumieniowe,

- hydropneumatyczne,

- ssące

II. Mechaniczne

- wieloczerpakowe,

- zgarniakowe,

- chwytakowe.

Techniczne środki do podwodnej eksploatacji w przedziałach głębokości stosowania

Głębokość zalegania od lustra wody	O - 5 m	5 - 20 m	5 - 50 m	50 - 100 m	Powyżej 100 m
Rodzaj złoża	Okruchowe śródlądowe	Śródlądowe i morskie	Śródlądowe i morskie	Morskie i oceaniczne	Oceaniczne
Sposób wydobycia i środki techniczne	Koparki lądowe i pogłębiarki mechaniczne	Pogłębiarki wieloczerpakowe, ssąco-tłoczące, strumieniowe	Chwytakowe hydropneumatyczne, ssąco-tłoczące z obniżoną pompą	Urządzenia pływające z agregatami hydropneumatycznymi, strumieniowe	Urządzenia specjalne - łodzie podwodne z aparaturą wydobywczą

Pogłębiarki hydropneumatyczne

Głębokość urabiania [m]	Wydajność efektywna [m3/h]	Wskaźnik zużycia energii [kW/m3]
12 - 15	120	1,44
15 - 20	120	1,66
20 - 25	150	1,50
25 - 30	150	1,66
30 - 40	180	1,47
40 - 60	180	1,72
60 - 80	180	1,88

Ogólna zależność wydajności wskaźnika jednostkowego zużycia energii od głębokości urabiania dla pogłębiarek hydropneumatycznych z głowicą frezującą

---