Длинный фронт добычи угля: методы и технологии

Введение

Форма подземной добычи угля

Долгостенная добыча угля – это форма подземной добычи угля, при которой длинная полоса угля вынимается одним слоем (обычно мощным). Участок пласта, который разрабатывается, известный как длинная выработка, обычно имеет длину, но может достигать длины и ширины.

История

Основная идея добычи длинными забоями была разработана в Англии в конце XVII века, хотя аналогичная техника, использовавшаяся народом хопи в северо-восточной Аризоне в XIV веке, могла предвосхитить её в доиндустриальную эпоху. Шахтеры подрабатывали уголь по всей ширине забоя, извлекая уголь по мере его обрушения, и использовали деревянные крепи для контроля обрушения кровли за забоем. Этот метод был известен как шропширский способ добычи. Хотя технология значительно изменилась, основная идея осталась прежней: извлечь практически весь уголь из широкого угольного пласта и позволить кровле и вышележащим породам обрушиться в образовавшуюся пустоту, обеспечивая при этом безопасное рабочее пространство вдоль забоя для шахтеров. Начиная примерно с 1900 года, к этому методу стали применять механизацию. К 1940 году некоторые называли добычу длинными забоями «конвейерным методом», по названию основного используемого механизма. В отличие от более ранних длиннозабойных шахт, использование конвейерной ленты, параллельной забою, вынуждало разрабатывать забой по прямой линии. Другим используемым оборудованием были электрический отбойный молоток для подработки забоя и электрические буры для взрывных работ, чтобы обрушить забой. После обрушения ручной труд использовался для загрузки угля на конвейер, параллельный забою, и для установки деревянных крепей кровли для контроля её обрушения. Такие низкотехнологичные длиннозабойные шахты продолжали работать до 1970-х годов. Наиболее известным примером является шахта Нью-Гладстоун недалеко от Сентервилля, штат Айова, «одна из последних выемочных длиннозабойных шахт в Соединенных Штатах». На этой шахте не использовался конвейер, вместо этого для транспортировки вагонеток с углем от забоя к наклонному стволу, где подъемник поднимал вагонетки на поверхность, использовались пони. Длиннозабойная добыча широко использовалась в качестве заключительной стадии разработки старых камерно-столбовых шахт. В этом контексте добычу длинными забоями можно классифицировать как форму отработки запасов.

Планировка

Дороги ворот прокладываются к задней части каждой панели перед началом добычи длинным фронтом. Дорога ворот вдоль одной стороны блока называется главным или головным штреком, а дорога на другой стороне – хвостовым штреком. Если позволяет мощность угольного пласта, эти дороги ворот предварительно разрабатываются комбайнами, поскольку сам длинный фронт не способен к первоначальной выработке. Схема расположения длинного фронта может быть "продвигающейся" или "отступающей". В продвигающемся типе дороги ворот формируются по мере продвижения забоя. В более тонких пластах может применяться метод добычи длинным фронтом продвигающегося типа. В отступающем типе панель представляет собой забой, соединяющий оба штрека. Только главный штрек прокладывается перед забоем. Хвостовой штрек формируется за забоем путем выемки вышележащей породы для создания проходки, достаточно высокой для проезда техники. Конец блока, включающий оборудование длинного фронта, называется забоем. Другой конец блока обычно является одной из основных транспортных выработок шахты. Выработанное пространство за длинным фронтом называется отбой, гоф или гоб.

Вентиляция

Как правило, приточный (свежий) воздух движется вверх по главному штреку, через забой, а затем вниз по хвостовому штреку, что известно как вентиляция типа "U". После прохождения забоя воздух перестает быть свежим и становится возвратным, уносящим угольную пыль и шахтные газы, такие как метан и углекислый газ, в зависимости от геологических условий угольного пласта. Возвратный воздух извлекается вентиляторами, установленными на поверхности. Могут применяться и другие методы вентиляции, например, когда приточный воздух проходит через главный штрек и попадает в выпускной или обратный штрек, снижая выбросы газа из выработанного пространства на забой, или когда приточный воздух движется вверх по хвостовому штреку и через забой в том же направлении, что и горно-выбойная машина в гомотропной системе. Для предотвращения самовозгорания угля в выработанном пространстве может быть разрешено накопление газов за изоляционными сооружениями, чтобы исключить доступ кислорода в изолированную область. Если в выработанном пространстве может содержаться взрывоопасная смесь метана и кислорода, может использоваться азотная инертизация для исключения кислорода или для перемещения взрывоопасной смеси вглубь выработанного пространства, где отсутствуют вероятные источники воспламенения. Изоляционные сооружения должны проверяться на каждой смене сертифицированным горным мастером на предмет повреждений и утечек вредных газов.

Оборудование

Несколько гидравлических домкратов, называемых силовыми крышными опорами, крепителями или щитами, которые обычно широкие и располагаются в длинной линии, бок о бок, на протяжении до определенной длины, чтобы поддерживать кровлю угольного забоя. Отдельный крепитель может весить 30–40 тонн, иметь максимальную высоту резания до и обеспечивать несущую способность 1000–1250 тонн каждый, при этом гидравлически выдвигаясь на определенное расстояние за один раз. Уголь извлекается из угольного забоя машиной, называемой комбайн (стрижевой комбайн). Эта машина обычно весит 75–120 тонн и состоит из основного корпуса, в котором размещены электрические компоненты, тяговые двигательные установки для перемещения комбайна вдоль угольного забоя и насосные агрегаты (для питания как гидравлических, так и водных систем). На обоих концах основного корпуса установлены выдвижные рукава, которые могут перемещаться вертикально вверх и вниз с помощью гидравлических цилиндров, и на которые крепятся режущие барабаны комбайна, оснащенные 40–60 режущими зубьями. Внутри выдвижных рукавов размещены мощные электродвигатели (обычно до 850 кВт), которые передают мощность через ряд зубчатых передач внутри корпуса и через рукава к местам крепления барабанов на крайних концах выдвижных рукавов, где установлены режущие барабаны. Режущие барабаны вращаются со скоростью 20–50 об/мин для выемки угля из угольного пласта. Комбайн перемещается вдоль забоя на бронированном конвейере (AFC) с использованием безцепочной системы тяги, напоминающей усиленную систему реечной передачи, специально разработанную для горнодобывающей промышленности. До появления безцепочных систем тяги широко использовались системы тяги с цепью, где вдоль угольного забоя прокладывалась мощная цепь, за которую комбайн мог перемещаться. Комбайн движется со скоростью в зависимости от условий резания. AFC располагается перед силовыми крышными опорами, и режущее действие вращающихся барабанов, врезающихся в угольный пласт, разрушает уголь, который загружается на AFC. Уголь удаляется из угольного забоя с помощью скребкового конвейера к основной выработке. Там он загружается на сеть конвейерных лент для транспортировки на поверхность. В основной выработке уголь обычно измельчается в дробилке и загружается на первую конвейерную ленту погрузчиком-перегружателем (BSL). По мере того как комбайн извлекает уголь, AFC опускается за комбайном, а силовые крышные опоры продвигаются вперед в образовавшуюся полость. По мере продвижения выработки и прохождения всей длинной стены через пласт увеличивается отбой. Этот отбой обрушается под весом вышележащих пород. Породы, толщина которых примерно в 2,5 раза превышает толщину выработанного угольного пласта, обрушиваются, и вышележащие слои оседают на обрушенный отбой. Это обрушение может привести к опусканию поверхности, вызывая такие проблемы, как изменение русла рек и серьезные повреждения фундаментов зданий.

A number of hydraulic jacks, called powered roof supports, chocks or shields, which are typically wide and placed in a long line, side by side for up to in length in order to support the roof of the coal face. An individual chock can weigh 30–40 tonnes, extend to a maximum cutting height of up to and have yield rating of 1000–1250 tonnes each, and hydraulically advance itself at a time. The coal is cut from the coal face by a machine called the shearer (power loader). This machine can weigh 75–120 tonnes typically and comprises a main body, housing the electrical functions, the tractive motive units to move the shearer along the coal face and pumping units (to power both hydraulic and water functions). At either end of the main body are fitted the ranging arms which can be ranged vertically up down by means of hydraulic rams, and on to which are mounted the shearer cutting drums which are fitted with 40–60 cutting picks. Within the ranging arms are housed very powerful electric motors (typically up to 850 kW) which transfer their power through a series of lay gears within the body and through the arms to the drum mounting locations at the extreme ends of the ranging arms where the cutting drums are. The cutting drums are rotated at a speed of 20–50 revs/min to cut the mineral from coal seam. The shearer is carried along the length of the face on the armoured face conveyor (AFC); using a chain less haulage system, which resembles a ruggedised rack and pinion system specially developed for mining. Prior to the chainless haulage systems, haulage systems with chain were popular, where a heavy duty chain was run along the length of the coal face for the shearer to pull itself along. The shearer moves at a speed of depending on cutting conditions. The AFC is placed in front of the powered roof supports, and the shearing action of the rotating drums cutting into the coal seam disintegrates the coal, this being loaded on to the AFC. The coal is removed from the coal face by a scraper chain conveyor to the main gate. Here it is loaded on to a network of conveyor belts for transport to the surface. At the main gate the coal is usually reduced in size in a crusher, and loaded on to the first conveyor belt by the beam stage loader (BSL). As the shearer removes the coal, the AFC is snaked over behind the shearer and the powered roof supports move forward into the newly created cavity. As mining progresses and the entire longwall progresses through the seam, the goaf increases. This goaf collapses under the weight of the overlying strata. The strata approximately 2.5 times the thickness of the coal seam removed collapses and the beds above settle on to the collapsed goaf. This collapsing can lower surface height, causing problems such as changing the course of rivers and severely damaging building foundations.

Сравнение с методом комнат и столбов

Для добычи угля в подходящих подземных пластах можно использовать как метод длинных выемок, так и камерно-столбовую систему разработки. Метод длинных выемок обеспечивает более полное извлечение ресурсов (около 80% по сравнению с примерно 60% для камерно-столбовой системы), требует меньше расходных материалов для крепления кровли, использует более производительные системы выемки угля, минимизирует ручной труд и повышает безопасность шахтеров благодаря постоянному нахождению под гидравлическими опорами кровли во время выемки угля. Алгоритмы максимизации ожиданий могут быть использованы для оценки неизвестных параметров фильтра и сглаживания при отслеживании положения комбайна длинных выемок. По сравнению с ручным управлением горнодобывающим оборудованием, автоматизированная система обеспечивает повышение производительности. Помимо увеличения производительности, автоматизация оборудования для длинных выемок повышает безопасность. Угольный забой является опасной зоной из-за присутствия метана и монооксида углерода, а также высокой температуры и влажности, обусловленных распылением воды для снижения вероятности образования искр при контакте комбайна с породой. Автоматизация ручных процессов позволяет вывести рабочих из этих опасных зон.

Влияние на окружающую среду

Как и при многих способах добычи полезных ископаемых, важно учитывать локальное и региональное воздействие на окружающую среду при механизированной добыче длинными забоями.

Заседание

Оседание грунта над выработками длинных стен (LWMS) – это антропогенный процесс, оказывающий значительное экологическое воздействие, особенно на здоровье почвы и движение воды в регионах интенсивной разработки таким способом. Это важно учитывать, поскольку протяженность отдельных выработок может достигать нескольких километров. Гидрологические потоки, корневые системы деревьев и растительность могут страдать от удаления значительного объема почвы, что приводит к поверхностной эрозии. Заброшенные шахты также представляют проблему в районах с развивающейся жилой застройкой. Дома, построенные вблизи заброшенных выработок длинных стен, подвергаются риску повреждений из-за провалов и низкого качества почвы, даже спустя тридцать лет после закрытия шахты. Учитывая значительную протяженность выработок длинных стен, наблюдается, что под горными склонами оседание грунта более заметно, чем в долинах. В некоторых случаях оседание повреждает естественные водотоки и искусственные сооружения, такие как дороги и здания. "Движение по Дуглас Парк Драйв было приостановлено на четыре недели из-за дестабилизации дороги панелями длинных стен. В 2000 году правительство штата прекратило добычу, когда работы приблизились к двум мостам на расстояние 600 метров. Спустя год в дороге появились трещины шириной 40 сантиметров, и мост пришлось поднять, чтобы восстановить его положение". Кроме того, наличие плотин вблизи участка разработки длинными стенами может усугубить воздействие на прибрежные экосистемы, снижая приток воды и вызывая разрушение горных пород. Трещинообразование в коренных породах, вызванное разработкой под водоемами, такими как озера и реки, приводит к потерям подземных вод различной степени. Шахты, расположенные на небольшой глубине (в пределах нескольких сотен метров от поверхности), подвержены значительному поступлению воды из этих водоемов. Более того, нарушение естественного ландшафта вблизи шахт может изменить направление естественного стока воды, вызывая дополнительную эрозию берегов ручьев и рек. Продолжающаяся добыча в концентрированных районах постоянно меняет пути стока воды, восстановление которых до первоначального состояния может занять годы. Исследования влияния разработки длинными стенами на близлежащие леса ограничены, однако новые данные, полученные с помощью спутниковой съемки, указывают на возможную связь между разработкой и повышенной сухостью поверхностного слоя почвы. Наряду с более сухой почвой, наблюдается снижение влажности лесного полога.

Longwall mine subsidence (LWMS) is an anthropogenic process that has many ecological and environmental impacts, particularly on soil health and water movement in a region where LWMS is heavily done. This is important to consider as some longwall mine sites can span lengths of several kilometers. That being said, hydrological flow systems, root systems from trees, and vegetative species can suffer from the amounts of soil being removed beneath them, and these stresses lead to surface erosion. Abandoned mines are also an issue with regards to areas where residential development has moved in. Houses erected near abandoned longwall mines face the threat of future damage from sinkholes and poor soil quality, even up to thirty years after mine abandonment. Since longwall mining is namely, very long, it can effect areas of over Over these largest spans, it has been observed that longwall mines underlying mountain sides demonstrate more visible subsidence in mountain landscapes than it does for valley landscapes. In some cases the subsidence causes damage to natural features such as drainage to water courses or man made structures such as roads and buildings. "Douglas Park Drive was closed for four weeks because longwall panels destabilised the road. In 2000, the State Government stopped mining when it came within 600 metres from the twin bridges. A year later there were reports of 40 centimetre gaps appearing in the road, and the bridge had to be jacked sideways to realign it." On top of this, if there are present dams near to the longwall mining site, this could doubly impact the riparian ecosystems as it would have a reduced inflow rate as well as the loss to the underlying rock fracturing. As a result of bedrock cracking from mining beneath waters such as lakes or rivers, there have been groundwater losses of varying extents. Mines within a few hundred meters of the surface are susceptible to receiving great inputs of water from these bodies. Moreover, after mining interference disturbing the natural landscape near the mines, the natural water flow paths can be redirected which results in additional erosion across a stream or river bank. Additional mining in concentrated areas continuously move these water flow paths, which take years to return to their original states. Longwall mining has limited available research on the impacts of nearby forests, however emerging satellite imagery studies have shown possible relations to drier surface soil near regions where longwall mining has recently occurred. In addition to drier soils, forest canopy moisture has been observed to be reduced.

Выбросы газов

Было замечено, что шахты с длинными забоями выделяют в окружающую среду метан, распространенный парниковый газ, однако увеличение длины забоя типичной шахты с длинными забоями не приводило к значительному увеличению выбросов метана. Выбросы метана из закрытых шахт с длинными забоями могут продолжаться до пятнадцати лет, однако объем потенциальных выбросов метана можно оценить по объему водяного потока в закрытых шахтах. И до 2013 года в Канаде не работало шахт с длинными забоями более 25 лет. В 2015 году компания HD Mining открыла шахту в Британской Колумбии, что вызвало споры из-за найма иностранных рабочих вместо канадских и из-за потенциального воздействия на окружающую среду. Ожидалось, что эта шахта будет выбрасывать 17 мегатонн углекислого газа в год, однако федеральное правительство Канады установило лимит на выбросы в 500 000 тонн в год.