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 lub 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 kątow 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.

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.

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.

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 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.
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.
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.

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.

Projekt układu technologicznego kopalni surowców skalnych

• Wiercenie otworów strzałowych

Wiercenie :udarowe, obrotowe, udarowo-obrotowe

Średnice otworów:76 Ⴘ 150 m

Postępy wiercenia:20 Ⴘ 60 m/h

• Roboty strzałowe

Strzelanie: długimi otworami, krótkimi otworami, pomocnicze, inne

Załadunek MW: ręczny mechaniczny

Sposób inicjacji ładunków MW: elektryczny ,nieelektryczny

• Załadunek urobku

Koparki: nadsiębierne ,podsiębierne

ładowarki

• Transport urobku do miejsca odbioru

Ad5. Metody otworowe eksploatacji surowców stałych.

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 złoża 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.

---