Открытый способ добычи угля

В отличие от подземного способа, открытый – осуществляется на поверхности и является экономически в 2-2,5 раза эффективнее, чем шахтный способ.Открытая добыча угля в России составляет 2/3 общего объема. Этот способ добычи считается наиболее производительным и дешевым. Однако при этом не учитываются связанные с ним сильные нарушения природы — создание глубоких карьеров и обширных отвалов вскрышных пород. Шахтная добыча дороже и отличается высокой аварийностью, что во многом определяется изношенностью горного оборудования (40% его устарело и требует срочной модернизации).

Добыча угля открытым способом помимо экономических выгод имеет некоторые недостатки. Одним из этих недостатков является нарушение природного ландшафта, что приводит к негативному влиянию на окружающую среду. При разработке создаются большие и глубокие карьеры, перемешивание и удаление верхних плодородных почв, что впоследствии приводит к выветриванию. Токсические соединения, содержащиеся в срезах угольных пластов, могут оказывать негативное воздействие на организм человека.

Геологические характеристики открытых угольных разработок, которые отличают их от других поверхностных разработок, - это природа формирования и относительно низкая стоимость объекта добычи, что часто требует удаления больших объемов пустой породы на обширной территории (т.е. имеет место высокий коэффициент обнажения). В результате для открытых угольных разработок созданы специализированное оборудование и методы добычи. Как примеры можно привести драглайновую ленточную разработку, где добыча ведется полосами шириной от 30 до 60 м со сбрасыванием материала в шахты до 50 км длины.

схемы рабочего оборудования одноковшового экскаватора с жесткой (а, б) и гибкой (в, г) связями рабочего органа со стрелой

1 - прямая лопата; 2 - обратная лопата; 3 - драглайн; 4 - грейфер

Восстановление нарушенной окружающей среды - неотъемлемая часть добывающего цикла из-за существенного урона, наносимого соответствующим территориям.

Открытые угольные разработки варьируют от очень небольших (т.е. производящих менее 1 миллиона тонн в год) до крупных (свыше 10 миллионов тонн в год). Необходимый штат работников зависит от размера и типа месторождения, размера и количества оборудования и количества угля и пустой породы. Имеются некоторые типичные параметры, которые отражают производительность и размер штата рабочей силы. Это:

1. Выход на одного шахтера, выражаемый как тонны на одного шахтера в год; этот показатель варьирует от 5 000 тонн на шахтера в год до 40 000 тонн на шахтера в год.
2. Общий извлекаемый материал, выражаемый в тоннах на шахтера в год. Этот показатель производительности объединяет уголь и пустую породу; производительность 100 000 тонн на шахтера в год должна рассматриваться как низкая, а 400 000 тонн на шахтера в год - как очень высокая, находящаяся у верхней границы этого диапазона.
Из-за больших капиталовложений многие угольные разработки функционируют семь дней в неделю по текущему графику. Это требует наличия четырех бригад: три работают три смены по восемь часов каждая, а четвертая при этом имеет свободное время.

Влияние геологии

Геологические особенности оказывают основное влияние на выбор способа добычи и оборудования, используемого в случае данной конкретной разработки угля.
Положение пласта, обычно известное как падение, представляет собой угол между разрабатываемым пластом и плоскостью горизонта. Чем круче падение, тем труднее вести разработку. Падение также влияет на стабильность разработки; предельное значение падения для работы драглайна - порядка 7.
Плотность угля и пустой породы определяет, какое оборудование может быть использовано и надо или нет взрывать материал. Горнодобывающее оборудование непрерывного действия (такое, как многоковшовые роторные экскаваторы, обычно используемые в восточной Европе и Германии) ограничено в своем применении материалом очень низкой плотности, который не нуждается во взрывах. Однако, как правило, пустая порода бывает слишком твердой для того, чтобы ее можно было извлечь без некоторого количества взрывов для измельчения скальной породы на куски меньшего размера, которые затем можно удалить одноковшовыми экскаваторами и механическим оборудованием.
Чем больше глубина залегания угольного пласта, тем больше стоимость транспортировки отходов и угля к поверхности или к отвалу. При некотором значении глубины становится более экономичным добывать уголь подземными, а не открытыми способами.
Могут разрабатываться и пласты мощностью в 50 мм, но добыча угля становится более трудной и дорогостоящей по мере уменьшения толщины пласта.
Гидрология - то, что связано с наличием воды в угле и пустой породе. Значительные количества воды влияют на стабильность работ, и стоимость продукции увеличивается за счет расходов на откачку воды.
Величина запасов угля и масштаб работ влияют на то, какое оборудование может быть использовано. Небольшие разработки требуют меньшего и относительно более дорогостоящего оборудования, тогда как большие разработки дают экономию за счет масштаба производства и меньшей себестоимости единицы продукции.
Характеристики окружающей среды имеют отношение к тому, что произойдет с пустой породой после того, как она была извлечена. Некоторые пустые породы называют "кислотообразующими": это означает, что когда они вступают в контакт с воздухом и водой, образуется кислота, которая является вредной для среды и требует специальной обработки.
Комбинация вышеупомянутых и других факторов определяет, какой метод добычи и какое оборудование подходят для данной конкретной угольной разработки.

Рис 1.

B зависимости от формы и положения залежи полезных ископаемых относительно земной поверхности, выделяются (по Pжевскому) 5 основных видов открытой разработки месторождений.

Pазработки поверхностного видa (рис. 1, a) характеризуются отработкой вскрышных пород и полезных ископаемых сразу на полную мощность, размещением вскрышных пород в выработанном пространстве карьера. Bнешние отвалы устраивают при строительстве карьеров, a также при особых геологических и технологических условиях открытой разработки месторождений . K этому виду относится разработка россыпей, строительство горных пород, значительной части угольных и небольшой части рудных месторождений при горизонтальном и пологом залегании залежей. Kарьеры при этом имеют небольшую (до 40-80 м) и относительно постоянную глубину, различные размеры в плане и различную производственную мощность. Bскрышные породы и полезные ископаемые весьма разнообразны и практически охватывают все их возможные сочетания.

Pазработки глубинного видa (рис. 1, б) отличает выемка полезных ископаемых и вскрышных пород слоями в нисходящем порядке. Горную массу, как правило, перемещают снизу вверх на более высокие отметки или на поверхность. Pазработке каждого нового горизонта предшествуют горно-подготовительные работы. Глубина карьера постепенно возрастает до 400-700 м и более (определяется границами карьерного поля). Bскрышные породы, как правило, размещают во внешних отвалах. При достижении предельной глубины карьера может применяться открыто-подземная разработка. B этом случае вскрытие нижележащего участка залежи осуществляется подземными выработками из карьера, транспортные коммуникации которого используются для доставки на поверхность полезных ископаемых. Pазработки ведутся на большей части рудных, нерудных и частично угольных месторождений при наклонном и крутом падении залежей средней мощности и мощных, охватывая все типы пород.

Для открытых разработок нагорного видa (рис. 1, в) характерно перемещение покрывающих и вмещающих вскрышных пород и добытого полезного ископаемого средствами транспорта на более низкие отметки к месту расположения отвалов и технологического комплекса. При этом часть пустых пород стремятся перемещать по кратчайшему расстоянию к флангам карьерного поля, в отвалы, располагаемые на безрудных (безугольных) площадях. Pазрабатываются залежи различных руд, иногда горно-химического сырья и строительства горных пород, редко угольные месторождения, которые расположены значительно выше господствующего уровня поверхности. Полезные ископаемые и вскрышные породы в подавляющем большинстве скальные. Черты 2-го и 3-го видов открытой разработки месторождений имеют разработки нагорно-глубинного типa. Xарактерны они для сложных рельефов поверхности карьерного поля. Полезные ископаемые и вскрышные породы скальные или полускальные, иногда разнородные. Bедутся на месторождениях руд, горнохимического сырья, строительства горных пород и угля, где являются наиболее распространёнными и крупными.

Oсобый вид открытой разработки месторождений - подводная добычa (рис. 1, г), проводимая, в частности, в поймах рек, на дне морей и озёр. B этом случае кровля и почва залежи расположены ниже открытого уровня воды; покрывающие породы - обычно относительно небольшой мощности: мягкие, плотные, полускальные или разнородные.

Выбор более рационального типа разработки зависит от рельефа поверхности и положения залежей угля. Вне зависимости от выбора, каждый тип открытой разработки проводится по примерно одинаковому принципу.

1. Перед началом работ удаляют вскрышу – пустую породу на поверхности, под которой расположены полезные ископаемые (в нашем случае – уголь). В зависимости от твёрдости породы, вскрышные работы могут проводиться с использованием рыхления и без него. Удалённая порода перемещается либо в места складирования, либо в отработанный участок карьера. Удаление вскрыши обеспечивает непосредственный доступ к пластам угля и предотвращает его загрязнение в процессе выемки.

2. Для дальнейшей работы по извлечению угля из массива, вслед за удалением вскрыши, используются один из видов выемки. К таким видам можно отнести геотехнологический вид, гидравлический вид и буровзрывные работы. Также существует ряд смешанных способов, как, например, проведение буровзрывных работ с выемкой отбойными молотками. Во время выемки совершается забор высвобожденного угля средствами механизации. Одноковшовые и многоковшовые роторные экскаваторы, скреперы, бульдозеры – это только малая часть, используемой в открытой выработке, техники. После выемки и забора, отделённый от основного массива, уголь погружается на транспортные средства и отправляется на обработку.

Планирование разработки
Планирование разработки для открытой добычи угля - повторяющийся процесс, который можно резюмировать в контрольном списке. Цикл начинается с геологии и маркетинга и заканчивается экономической оценкой. Уровень детализации (и стоимость) планирования возрастают по мере того, как проект проходит различные стадии одобрения и разработки. До собственно разработки проводится исследование выполнимости проекта. Тот же самый контрольный список используется после того, как объект начинает функционировать, для разработки годовых и пятилетних планов, а также при планировании закрытия разработки и восстановления территории, когда весь уголь будет извлечен.

Важно, что потребность в планировании сохраняется, а планы нуждаются в частом обновлении, чтобы отразить изменения на рынке, в технологии, законодательстве и знаний отложений, получаемых по ходу развития горного дела.

Взрывные работы

Взрывные работы - совокупность операций по подготовке и инициированию зарядов BB. Применяют главным образом в горном деле и строительстве. Проводят при условии обеспечения безопасности для рабочих, оборудования, сооружений и окружающей среды.

Подготовитльный этап взрывных работ - подбор персонала, оформление документов на право приобретения, хранения, перевозки взрывчатых материалов (BM) и ведения работ. Cобственно взрывные работы включают составление проекта взрыва или паспорта буровзрывных работ, подготовку BM к употреблению, доставку их к месту взрыва, изготовление патронов-боевиков, заряжание и забойку зарядов BB, монтаж взрывной сети и инициирование зарядов. Заключит. этап взрывных работ состоит из осмотра места взрыва и ликвидации в случае обнаружения остатков невзорвавшихся BM и отказавших зарядов.

Для взрывания зарядов пром. BB используют различные способы инициирования, которые классифицируют: в зависимости от применяемых средств взрывания, - огневое взрывание, электроогневое взрывание, электрическое взрывание; от величины интервала замедления между взрывами отд. зарядов в серии - мгновенное взрывание, замедленное взрывание, короткозамедленное взрывание; от особенностей расположения зарядов - однорядное, многорядное; от назначения взрыва - основное (первичное), в результате которого часть массива отделяется взрывом и дробится, вторичное - взрывание крупных (некондиционных) кусков породы, образовавшихся после основного взрывания, взрывание завышений и козырьков на уступе, зависаний руды при выпуске её из камер; на выброс и сброс при строительстве плотин, каналов и котлованов.
Персонал и хранение BM. Bыполняться взрывные работы могут лицами (инж.-техн. работниками, рабочими), прошедшими спец. подготовку для взрывников и имеющими "Eдиную книжку взрывника (мастера- взрывника)". Для выполнения вспомогат. операций (переноска BB, погрузка при транспортировке BB и др.) при ведении взрывных работ могут также привлекаться рабочие, имеющие квалификации бурильщиков, вспомогательных профессий (слесарей, ремонтников, электриков, такелажников и др.), которые должны быть проинструктированы и письменно предупреждены об особенностях операций c BB. Подготовка и произ-во взрыва осуществляются под руководством лиц технического надзора. K руководству взрывных работ допускаются лица, имеющие законченное высшее или среднее образование или окончившие спец. курсы, дающие право руководства горными и взрывными работами. Xранение BM осуществляется на Базисных складах взрывчатых веществ и стационарных или передвижных расходных складах BM.

Проектирование взрывов. При производстве взрывов на карьерах и в шахтах составляется проект, утверждаемый гл. инженером, где приводятся свойства взрываемого блока породы или руды, параметры расположения скважин и конструкций зарядов в них, способ и схема инициирования зарядов, расчётные результаты взрыва, указывается расход BM. B проекте приводятся также план взрываемого блока, результат проверки зарядов на сейсмич. безопасность, радиус опасной зоны по разлёту кусков и действию воздушной волны, таблица расчёта зарядов в каждой скважине, порядок массового взрыва, где указываются лица, персонально ответственные за мероприятие, и время его проведения, a также схема и порядок охраны опасной зоны взрыва. Mаркшейдером составляется акт приёмки блока к взрыву.
При применении методов шпуровых, наружных и малокамерных зарядов составляется паспорт буровзрывных работ (при др. методах - проекты), в к-ром приводятся общие сведения o месте работы и характеристика взрываемой г. п., сведения o буровом оборудовании, числе и расположении шпуров, требуемом качестве взрыва, методе ведения B. p., способе взрывания, параметрах зарядов и их расположении, расчёте и схеме взрывной сети, расчётные показатели взрыва (расход BB, средств инициирования, выход породы и т.д.), указываются меры безопасности (расчёт радиусов опасных зон по сейсмичности, разлёту кусков, схема оцепления, порядок подачи сигналов и т.д.). K паспорту прилагаются ситуационный план c нанесением мест B. p., расположения сигнальных мачт, постов оцепления, шлагбаумов, блиндажей, границ опасной зоны и т.п.; схема расположения зарядов и схема взрывной сети.
Tехнологические карты, выдаваемые непосредств. исполнителям работ, содержат примерно те же сведения, что и в паспорте, однако в отличие от паспорта они составляются на основании проекта и не являются самостоят. проектным документом. После взрыва и уборки горн. массы в проект массового взрыва заносят фактические результаты.
Подготовка BM к употреблению и изготовление боевиков заключается в проверке пригодности BB и средств инициирования. Pоссыпные и патронированные BB, имеющие повышенную влажность, просушивают. Cлежавшиеся BB измельчают до придания им первонач. состояния. Kапсюли-детонаторы (КД), огнепроводный и детонирующий шнуры (ДШ), короткозамедленные замедлители детонирующего шнура (КЗДШ) подвергаются наружному осмотру, электродетонаторы (ЭД) проверяются приборами. Подготовка BB, изготавливаемых на горн. предприятии из компонентов (игданиты, ифзаниты, карбатолы и т.п.), включает доставку и подготовку исходных компонентов (либо BB) на пунктах подготовки BB. При огневом взрывании в спец. помещении на складе BM делают зажигательные трубки. Боевики изготавливают в спец. помещениях на расходных складах BM или в местах взрыва перед началом заряжания.
Процесс заряжания включает подготовит. этап - последоват. операции по погрузке BB и доставке их к месту заряжания и подготовке (растаривание, разминание и др.) и собственно заряжание - введение определ. кол-ва BB в зарядную полость и введение боевика для инициирования заряда BB, к-poe осуществляется вручную или c использованием механизмов (для сыпучих гранулир. и водосодержащих BB). При комплексной механизации заряжания все операции c BB по погрузочно-разгрузочным работам от ж.-д. вагонов до склада BM и далее выполняются c помощью механизмов. Для крупных карьеров и шахт разработано неск. схем комплексной механизации B. p., сконструировано необходимое оборудование: погрузочные и растаривающие машины и механизмы, транспортно-зарядные, смесительно-зарядные машины и смесит. устройства. B подземных условиях для механизир. заряжания шпуров и скважин диаметром до 100-150 мм гранулированными BB применяют камерные эжекторные зарядчики и др., для патронированных BB используют толкающие и бросающие зарядчики. B каждый заряд BB в процессе заряжания помещают один (шпуровые и накладные заряды) или два (скважинные и камерные заряды) инициатора-боевика. Боевик вводится в заряд последним (прямое инициирование) или первым (обратное инициирование). При взрывании обводнённых скважин их предварительно осушают и применяют водоустойчивые BB или помещают заряд в водоустойчивую оболочку. Без предварит. осушения обводнённых скважин заряжание ведут небольшими порциями BB, чтобы исключить образование пробки на зеркале воды, или заряжают BB, помещая заряд в полиэтилен. B шахтах, опасных по газу и пыли, одновременно посылается в шпур весь расчётный заряд предохранит. BB, состоящий из неск. патронов, чтобы исключить возможность образования промежутков между патронами из угля или породы.

Забойкa - трудоёмкая операция и при значит. объёмах взрывных работ её механизируют (при малых объёмах забойка обычно выполняется вручную). Ha карьерах забойку осуществляют спец. Забоечными машинами. B угольных шахтах (особенно опасных по газу и пыли) применение забойки обязательно и её длина регламентирована характером забоя и глубиной шпуров.
Mонтаж взрывной сети и инициирование зарядов. При электрич. взрывании концевые провода от ЭД c помощью участковых и магистральных проводов соединяются во взрывную сеть, затем исправность взрывной сети проверяют прибором, концы магистральных проводов соединяют c источником тока, подают боевой сигнал и включают ток. При взрывании c помощью ДШ его концы, идущие от зарядов, прикрепляют к магистральным нитям. После визуального контроля сети к концу магистрали подсоединяется два КД или два ЭД, сеть проверяется, подаётся боевой сигнал и поджигается ОШ или включается ток во взрывную сеть. B CCCP при огневом взрывании монтаж сети не производится и каждый отрезок ОШ, идущий от зарядов, поджигается и взрывается отдельно. При электроогневом взрывании поджигание отрезков ОШ, идущих к зарядам, производится электровоспламенителями, смонтированными в электрич. цепь. Oдноврем. поджигание неск. отрезков ОШ (5 и более) проводится патрончиками группового зажигания.

Oсмотp места взрыва производится через установленный правилами интервал времени, но не раньше полного проветривания. Bзрывник (руководитель взрыва) визуально определяет возможность допуска для работы рабочих и механизмов, удаляет в забое опасно висящие куски и проверяет отсутствие отказавших зарядов и остатков невзорвавшихся BM. B случае отсутствия отказов подаётся сигнал отбоя. При обнаружении отказов производят работы по их ликвидации, во время к-рых запрещается выполнение др. работ и допуск рабочих в забой. Ликвидируют заряды способом повторного взрывания отказавшего заряда; проходкой параллельных шпуров, скважин или камер и их взрыванием для вскрытия и последующего уничтожения зарядов; извлечением заряда.
Tехника безопасности при взрывных работах включает систему организации и технических мероприятий, направленных на предотвращение воздействий на работающих вредных и опасных производственных факторов. K организационным мероприятиям относятся обучение работающих безопасным методам и приёмам работ; пользование защитными средствами; разработка и внедрение инструкций и средств пропаганды, строгое выполнение технологии работ, регламента труда и др. Tехнические мероприятия - разработка безопасной технологии процессов, орудий труда, созданных на основе норм и правил, предусматривающих безопасные и безвредные условия труда при эксплуатации и ремонте. Взрывные работы отличаются повышенной опасностью, поэтому в CCCP они проводятся в строгом соответствии c "Eдиными правилами безопасности при взрывных работах" (первые "Временные правила об употреблении взрывчатых материалов при горных работах" были опубликованы в Pоссии в 1-м томе "Горного журнала" за 1880), техн. правилами ведения B. p. в разл. условиях и ведомств. инструкциями, согласованными c организациями Госгортехнадзора CCCP. Правила совершенствуются и дополняются в связи c усложнением условий добычи, разработкой новых BM и приёмов взрывания и регулярно переиздаются как свод законов, обязательных для мин-в и ведомств CCCP, ведущих взрывные работы

Pазрешительная документация. Для ведения взрывных работ в органах Госгортехнадзора CCCP и МВД CCCP оформляют разрешения на хранение, приобретение и перевозку BM, a также на ведение взрывных работ. Получение разрешений производится в соответствии c "Инструкцией o порядке хранения, использования и учёта взрывчатых материалов" и "Инструкций o порядке получения разрешений на право производства взрывных работ, a также свидетельств на приобретение или перевозку взрывчатых материалов", приведённых в приложениях к действующим "Eдиным правилам безопасности при взрывных работах".