Systemy eksploatacji

Systemy eksploatacji

I. Klasyfikacja systemów wybierania pokładów węglowych

II. Ścianowy system wybierania

1. Charakterystyka ścianowego systemu wybierania.

2. Rozcięcie pól eksploatacyjnych.

3. Utrzymanie wyrobisk przyścianowych

III. Czynności robocze w ścianie zawałowej

1. Urabianie węgla w ścianach.

a. Urabianie robotą strzelniczą.

b. Urabianie kombajnami.

2. Ładowanie urobku

3. Obudowa wyrobisk ścianowych

4. Odstawa urobku

I. Klasyfikacja systemów wybierania pokładów węglowych

Systemy wybierania pokładów węglowych można podzielić:

Pod względem sposobu wybierania (według rodzaju wyrobisk wybierkowych) na:

a) systemy ubierkowe, które dzieli się na:

— systemy ścianowe (rys. 1),

— systemy ubierkowo-filarowe (rys. 2),

— systemy pośrednie ubierkowo-zabierkowe,

b) systemy zabierkowe, które dzieli się na:

— systemy filarowo-zabierkowe (rys. 3),

— systemy długich zabierek,

c) systemy komorowe.

  

Rys. 1. Systemy ścianowe a) podłużny b) poprzeczny c) przekątny

Rys. 2. Systemy ubierkowo filarowe: a) podłużny b) poprzeczny



Rys. 3. Systemy filarowo zabierkowe: a)podłużny b) poprzeczny

Pod względem usytuowania kierunku posuwania się ściany względem rozciągłości pokładu systemy dzieli się na:

— podłużne - posuwanie się frontu wybierania jest równoległe do rozciągłości pokładu (rys. 1a ),

— poprzeczne - posuwanie się frontu wybierania usytuowane jest prostopadle do rozciągłości pokładu (rys. 1b),

— przekątne (diagonalne), gdy posuwanie się frontu wybierania usytuowane jest przekątnie do rozciągłości pokładu (rys 1c).

W zależności od tego czy pokład wybiera się na całą grubością na raz czy na warstwy systemy dzieli się na:

— jednowarstwowe,

— wielowarstwowe.

I.  Ścianowy system wybierania

1.    Charakterystyka ścianowego systemu wybierania.

Ściany i ubierki różnią się między sobą tylko długością czoła przodku. Wyrobiska o znacznej długości czoła przodku nazywa się ścianami, a o niewielkiej długości (do 50 m) — ubierkami. Ściany są obecnie najbardziej rozpowszechnionymi wyrobiskami wybierkowymi w górnictwie węglowym. Z nich też pochodzi większość produkcji.

Ściana jest to wyrobisko ograniczone dwoma równoległymi do siebie wyrobiskami chodnikowymi (najczęściej nazywanymi chodnikami podścianowymi i nadścianowymi w przypadku systemu podłużnego lub pochylniami w przypadku systemu poprzecznego, albo też wyrobiskami przyścianowymi – ta nazwa może być używana w pierwszym i drugim systemie). Obramowują one pole wybierania ściany, czyli część złoża przewidzianą do wybrania daną ścianą. Czoło ściany ( nazywane też przecinką ścianową, lub potocznie przez górników dowierzchnią) ciągnie się między wyrobiskami przyścianowymi. Ma ono najczęściej przebieg prostoliniowy, ale nie zawsze (rys. 4). Węgiel urabiany jest na całym czole ściany, na skutek czego ściana przesuwa się w trakcie wybierania.

                  

 

Rys. 4. Przodek ścianowy ustępliwy schodowo-spągowy z frontem przekątnym

                      i z frontem podłużnym

Wybiegiem ściany nazywa się długość pola wybieranego przez daną ścianę, a więc odległość od jej rozpoczęcia do ukończenia. Wybiegi ścian są różne w zależności od warunków geologiczno-górniczych - najczęściej od kilkuset do ponad tysiąca metrów. Ograniczenie pola wybierania mogą stanowić uskoki, filary ochronne, granice obszaru górniczego, stare zroby itp.

Przy systemie ścianowym podłużnym pole wybierania dzieli się na piętra, niekiedy również na podpiętra, które wybiera się ścianami.

Jeżeli czoło ściany przesuwa się w kierunku od granic pola do wyrobisk udostępniających, to kierunek wybierania określa się jako kierunek od pola lub od granic(rys. 5). Jeżeli natomiast czoło ściany przesuwa się od wyrobisk udostępniających do granicy pola wybierania, mówi się o wybieraniu do pola lub do granic (rys. 6).

    

 

Rys. 5. Kierunek wybierania od pola                       Rys. 6. Kierunek wybierania do pola

 

Jeżeli przyjęto kierunek wybierania od pola, to chodniki przyścianowe i przecinka ścianowa muszą być wydrążone przed rozpoczęciem wybierania ściany, przy czym przecinka drążona jest od granicy pola wybierania.

Przy kierunku wybierania do pola chodniki przyścianowe drąży się na określoną odległość 15 do 20 m w pokładach nietąpiących, a powyżej 40 m[1] w pokładach tąpiących, po czym drąży się przecinkę, z której rozpoczyna się ścianę. Chodniki przyścianowe drążone są dalej z postępem ściany, wyprzedzając jej czoło o odległość zgodną z dokumentacją techniczną. Zaletą tego sposobu wybierania jest możliwość rozpoczęcia eksploatacji ściany bez konieczności wykonania wszystkich robót przygotowawczych, a więc szybsze rozpoczęcie eksploatacji ściany. Wadą natomiast konieczność utrzymania chodników przyścianowych w zawale.

 

Kierunek przesuwania się czoła ściany jest na ogół prostoliniowy. Istnieją jednak technologie pozwalające na skręcanie czoła ściany nawet o kąt 180°. Przez zmianę kierunku czoła ściany wydłuża się jej wybieg (rys. 7). Mogą być ściany, które na swym wybiegu zmieniają kierunek, np. z podłużnego na diagonalny lub poprzeczny.

     

 

Rys. 7. Przykłady zmiany kierunku czoła ściany.

 

2.    Rozcięcie pól eksploatacyjnych.

Na rozcięcie poszczególnych pól eksploatacyjnych przede wszystkim ma wpływ wybór systemu wybierania oraz struktura udostępnienia.

Węglowa struktura udostępnienia

Poniższy przykład przedstawia strukturę węglową przygotowaną do wybierania ścianami poprzecznymi z zawałem (rys. 8).

 

 

Rys. 8. Rozcięcie złoża dla ścian poprzecznych przy węglowej strukturze udostępnienia

         Jak nazwałbyś wyrobiska oznaczone numerem 1, 2 i 3?

 

Poziom górny jest zwykle poziomem wentylacyjnym (służy do odprowadzenia zużytego powietrza) i materiałowym.

Poziom dolny jest poziomem wydobywczym oraz służy do doprowadzenia świeżego powietrza. Od podanych zadań poziomów mogą być odstępstwa, ale bardzo rzadko.

Pochylnie łączą chodniki główne na obu poziomach i stanowią wraz z nimi główny szkielet robót przygotowawczych.

Chodniki główne oraz pochylnie wymagają ochrony za pomocą filarów.

Z chodników drąży się pochylnie przyścianowe (wyrobiska przyścianowe), które łączy się następnie przecinką ścianową,  zbroi się i następnie zaczyna eksploatację.

Kolejny przykład (rys. 9) przedstawia rozcięcie złoża dla ścian podłużnych przy węglowej strukturze udostępnienia. Szkielet robót przygotowawczych jest bardzo podobny do poprzedniego przykładu. Inaczej prowadzona jest ściana bo wzdłuż rozciągłości.

 

 

Rys. 9. Rozcięcie złoża dla ścian podłużnych przy węglowej strukturze udostępnienia

 

Kamienna struktura udostępnienia

Inaczej wygląda rozcięcie pól eksploatacyjnych przy kamiennej strukturze udostępnienia. Przedstawia to bardzo prosty poniższy przykład (rys. 10).

Przy tej strukturze udostępnienia pochylnie przyścianowe łączy się z wytycznymi polowymi za pomocą krótkich przekopów lub szybików.

Rys. 10. Rozcięcie złoża dla ścian poprzecznych przy kamiennej strukturze udostępnienia

 

 

3.    Utrzymanie wyrobisk przyścianowych

 

Wyrobiska przyścianowe obudowuje się najczęściej łukami stalowymi ŁP. W pokładach, w których wysokość ściany jest równa wysokości chodników podścianowych, korzystne jest stosowanie stalowej obudowy prostokątnej.

W przypadku konieczności utrzymania wyrobisk przyścianowych w czasie wybierania ścian stosowana jest dodatkowa ochrona chodników od strony zawału ściany za pomocą:

¾      stosów drewnianych wypełnionych kamieniem (rys.11),

¾      elementów betonowych, wzmocnienia chodnika podciągami (jednym zabudowanym w osi chodnika i podpartym stojakami, drugim wzmacniającym obudowę chodnika od strony zawału podbudowanym stojakami kontrującymi (rys. 12)

¾      pasów ochronnych wykonanych z materiałów wiążących (rys. 13).Jako materiał wiążący można stosować cement z paskiem lub specjalne spoiwa górnicze np UTEX- 15. Spoiwo UTEX- 15 jest mieszaniną cementu portlandzkiego, popiołu lotnego i domieszek modyfikujących jego właściwości. Spoiwo zarabia się wodą.

Rys. 11.  Ochrona chodników przyścianowych za pomocą stosów drewnianych.

 

Rys. 12. Sposób zabezpieczenia chodników przyścianowych za pomocą podciągów podbudowanych stojakami indywidualnymi

1 — stojak indywidualny,

2 — podciąg,

3 — rozpory wykonane z podkładów,

4 — podkłady kolejowe drewniane.

 

 

Kolejnym etapem w rozwoju sposobów ochrony chodników było zastosowanie pasów ochronnych wykonanych z materiałów wiążących (rys. 10). Jako materiał wiążący można stosować cement z paskiem lub specjalne spoiwa górnicze np UTEX- 15. Spoiwo UTEX- 15 jest mieszaniną cementu portlandzkiego, popiołu lotnego i domieszek modyfikujących jego właściwości. Spoiwo zarabia się wodą.

 

Rys. 13.  Schemat ochrony chodnika pasem wykonanym ze spoiwa wiążącego.

1 - spoiwo wiążące, 2- płótno podsadzkowe i siatka metalowa, 3 – stojaki drewniane

 

II. Czynności robocze w ścianie zawałowej

Przy wybieraniu kopaliny użytecznej występuje wiele powtarzających się cyklicznie czynności (podobnie jak przy drążeniu wyrobisk korytarzowych). Są to tzw. czynności podstawowe (zasadnicze) i pomocnicze.

Do czynności podstawowych należą:

— urabianie calizny,

— ładowanie urobku,

— wykonanie obudowy,

— odstawa urobku z wyrobiska,

— przesuwanie, przekładanie lub przedłużanie urządzenia odstawczego,

— likwidacja pustki poeksploatacyjnej.

Ponadto w związku z wybieraniem złoża zachodzi konieczność wykonywania wielu czynności pomocniczych, które warunkują prawidłowy przebieg eksploatacji.

Należą do nich m.in.:

— prace związane z właściwym utrzymaniem wyrobisk w rejonie eksploatacji, w tym skrzyżowań wyrobisk chodnikowych z wybierkowymi,

— odstawa urobku poza przodkiem,

— transport potrzebnych do eksploatacji urządzeń i materiałów, w tym ewentualny transport materiału podsadzkowego,

— odprowadzenie wody,

— prace związane z wentylacją wyrobisk, zwalczaniem zagrożeń itp.

Każda z omawianych czynności (zarówno podstawowych, jak i pomocniczych) może być w różnym stopniu zmechanizowana, a część z nich może być zautomatyzowana.

 

 

1.    Urabianie węgla w ścianach.

W ścianach węgiel można urabiać:

—    ręcznie kilofami (obecnie nie stosowane)

—    robotą strzelniczą,

—    mechanicznie kombajnami lub strugami.

a.   Urabianie robotą strzelniczą.

 Rysunek 14 przedstawia rozmieszczenie otworów strzałowych ścianie urabianej materiałami wybuchowymi.

Otwory strzałowe rozmieszczone są wzdłuż linii równoległych do spągu, przy czym w pokładach grubości do 1,0 m wystarcza jedna linia otworów, przy grubości 1,0 do 2,0 m dwie, a przy grubości 2,0 do 3,0 m trzy linie otworów. Odległość otworów dolnego rzędu od spągu wynosi od 0,7 do 0,8 m. Otwory strzałowe wierci się zazwyczaj równolegle do spągu, nachylając je pod kątem 70 do 800 do linii czoła przodku w kierunku wzniosu.

 

Rys. 14. Rozmieszczenie otworów strzałowych ścianie.

 

Otwory odpala się seriami najpierw w dolnym, a potem w wyższych rzędach. Głębokość zabioru, w zależności od wytrzymałości skał stropowych, wynosi od 1,2 do 2,4 m.

Obecnie w ścianach prowadzi się urabianie węgla przy pomocy MW bardzo rzadko. Wyjątkiem są wnęki ścianowe, które muszą być urabiane materiałami wybuchowymi.

Roboty strzelnicze jakie obecnie prowadzi się w ścianach mają na celu zmniejszenie naprężeń w górotworze, wywołanie zawału stropu lub wywołanie spękań w twardym węglu urabianym kombajnem.

b.   Urabianie kombajnami.

W kopalniach węgla kamiennego stosuje się obecnie kombajny węglowe, które skrawają caliznę za pomocą noży osadzonych na obracających się zwojach ślimakowych.

 Dzięki wyeliminowaniu pracochłonnych oraz uciążliwych czynności, jakimi są wiercenie otworów strzałowych i ładowanie urobku, kombajny znalazły powszechne zastosowanie jako maszyny urabiające w ścianach węglowych.

Kombajny pracują wydajnie w węglu o urabialności < 2,0. W miarę wzrostu wskaźnika urabialności wydajność maszyny zmniejsza się i awaryjność wzrasta. Można temu zapobiec stosując tzw. strzelanie wyprzedzające małymi ładunkami, powodując zruszenie (ale nie urobienie) calizny węglowej.

Urabianie, zależnie od typu kombajnu, może być prowadzone jednokierunkowo lub dwukierunkowo, przy czym starsze typy zapewniają tylko urabianie jednokierunkowe. Niektóre kombajny ramionowe, jak np. KWB-3R Famur, urabiają czoło ściany dwukierunkowo, ale nie równocześnie na całej jej wysokości. Posuwając się w jednym kierunku (z podniesionym ramieniem) urabiają górną warstwę pokładu, a w drodze powrotnej (z opuszczonym ramieniem) warstwę dolną przyspągową. Praca dwukierunkowa jest bardziej efektywna, gdyż zapewnia większy postęp ściany oraz większe wydobycie.

Stosowane obecnie nowoczesne kombajny dwuramionowe nie wymagają wykonywania wnęk kombajnowych.

Urabianie kombajnami starszych typów wymagało wykonania wnęk kombajnowych, z których kombajn rozpoczynał urabianie.

Zazwyczaj wykonywane były dwie wnęki, jedna przy chodniku podścianowym (dolna), druga przy nadścianowym (górna). Wnęki, oprócz umożliwienia rozpoczęcia urabiania, stanowiły miejsce lokalizacji napędów przenośnika ścianowego, umożliwiając przesunięcie go do czoła ściany.

Wnękę ścianową określają cztery wymiary: długość, głębokość, wysokość i rozpiętość (rys.):

—    długość wnęki a to odległość mierzona wzdłuż czoła ściany pomiędzy ociosem chodnika przyścianowego a miejscem, gdzie czoło wnęki wyprzedza czoło ściany (zwykle nie przekracza 5 m), głębokość wnęki b to odległość pomiędzy linią czoła ściany a linią czoła wnęki (najczęściej wynosi 2 do 3 m),

—    wysokość wnęki to odległość między spągiem i stropem wnęki,

—    rozpiętość wnęki to odległość między czołem wnęki a zrobami.

Przepisy bezpieczeństwa ograniczają rozpiętość wnęki do 8 m i to pod warunkiem odpowiedniego wzmocnienia obudowy.

Nowoczesne kombajny urabiające dwukierunkowo przystosowane są do samowcinania się w caliznę węglową, przy czym wcięcie może nastąpić w dowolnym odcinku ściany. Zastosowanie tego typu kombajnów, obudowy zmechanizowanej z krokiem wstecz oraz przenośników ścianowych o napędach z silnikami zabudowanymi prostopadle do osi przenośnika pozwala na uniknięcie wykonywania wnęk, co daje duże oszczędności robocizny, gdyż wnęki urabia się metodą tradycyjną, tj. robotami strzelniczymi.

2.    Ładowanie urobku

Ślimakowa budowa głowicy urabiającej kombajnu umożliwia jednocześnie urabianie i ładowanie węgla na przenośnik zgrzebłowy. Reszta urobku, który nie został załadowany jest za pośrednictwem klinów ładujących zamontowanych na przenośniku ścianowym od strony ściany przeniesiony na tenże przenośnik ( rys. 15)

Rys. 15.  pozostawiony na ścieżce kombajnowej urobek, ładowany przez kliny ładujące

3.    Obudowa wyrobisk ścianowych

Została opracowana w rozdziale 7.1 pt. obudowa ścianowa.

 

4.    Odstawa urobku

Metody odstawy urobku w ścianach uzależnione są od nachylenia wyrobisk ścianowych. Przy nachyleniu do 250 stosujemy przenośniki zgrzebłowe, a przy nachyleniach większych przenośniki hamujące. Można również wykorzystać zjawisko samostaczania się węgla po spągu, które zachodzi przy nachyleniu powyżej 450.

O wyborze przenośników zgrzebłowych do odstawy urobku w ścianach zadecydowały następujące zalety:

- możliwość wykorzystania ich jako toru jezdnego dla maszyny urabiającej,

- mała wysokość, która ułatwia ładowanie urobku,

- istnieje możliwość znacznego chwilowego gromadzenia urobku (rys. 2.),

- duża odporność na uderzenia mechaniczne ( urabianie MW, opad skał),

- możliwość współpracy przenośnika z obudową zmechanizowaną i kombajnem.

 

Rys. 2 Przekroje transportowe przenośnika ścianowego bez przystawek i z przystawkami.

 

Rys. 3. Przekładka przenośnika zgrzebłowego w ścianie.

 

Przenośniki zgrzebłowe w ścianach buduje się jak najbliżej calizny węglowej, dążąc do prostoliniowej  ich zabudowy. Odporne są na niewielkie skrzywienia trasy przenośnika spowodowane jego dosuwaniem do czoła ściany w ślad za urabiającym kombajnem (rys. 3.). W przypadku stosowania wnęk ścianowych nie ma problemu ze zmieszczeniem napędów przenośnika w ścianie. Przy eksploatacji bezwnękowej napędy muszą znajdować się w chodnikach przyścianowych, aby umożliwić dojechanie organem urabiającym kombajnu do samego chodnika. Newralgicznym miejscem odstawy jest miejsce przesypu urobku z przenośnika ścianowego na przenośnik podścianowy zabudowany w chodniku przyścianowym. Na skrzyżowaniu tym następuje zagęszczenie obudowy oraz koncentracja maszyn i urządzeń.

Przesuwanie przenośników zgrzebłowych do czoła ściany odbywa się przy wykorzystaniu siłowników hydraulicznych obudowy zmechanizowanej. Przy ścianach z obudowa indywidualną (ten typ ścian przechodzi do historii) wykorzystuje się przesuwniki hydrauliczne zabudowane co kilka metrów wzdłuż trasy przenośnika.

 Węgiel ze ściany jest odstawiany na przenośnik zgrzebłowy podścianowy (rys. 4), a następnie ciągiem przenośników taśmowych na ładownię gdzie jest ładowany do wozów i transportowany pod szyb. Lepszym rozwiązaniem jest transport węgla bezpośrednio przenośnikami taśmowymi pod szyb. Najlepszym rozwiązaniem pozwalającym na maksymalne wydobycie ze ściany jest transport węgla przenośnikami taśmowymi bezpośrednio na powierzchnię (w tym celu wykorzystuje się upadowe) prosto do zakładu przeróbczego. W ten sposób likwidujemy „wąskie gardło” jakim jest urządzenie skipowe. Dodatkową zaletą powyższego sposobu transportu jest uzysk większych sortymentów węgla, co ma istotny wpływ na cenę węgla.

         

Rys. 4. Fragment odstawy w chodniku przyścianowym.

 

Zebrał i opracował: Czesław Zając

 

Bibliografia:

- Bielewicz. T, Prus B., Honysz J.: Górnictwo część II, Wydawnictwo Śląsk 1994 r.

- Chudek M., Wilczyński S., Żyliński R.,: Podstawy górnictwa, Wydawnictwo Śląsk 1977 r.

- Ostrihansky R.: Eksploatacja podziemna złóż węgla kamiennego Katowice 1996 r.

 - Piechota S.: Technika podziemnej eksploatacji złóż. Część I   Kraków 2004

 - Katalog systemów podziemnej eksploatacji węgla w Polsce  Katowice 1966 r.

- Dzienniki Ustaw

 

 

 

 

 

[1] Powyżej tej odległości ciśnienie eksploatacyjne ma wartość na tyle małą, że nie stanowi zagrożenia dla czoła przodka drążonego chodnika. Aby uniknąć maksymalnych wartości ciśnienia eksploatacyjnego można także drążyć chodnik przyścianowy z wyprzedzeniem względem frontu ściany nie większym niż 2 m.