Zasady eksploatacji złóż kopalin użytecznych

1. Pojęcie eksploatacji górniczej i wybierania

Budowa kopalni i wszystkie prace w niej prowadzone służą jednemu celowi, którym jest pozyskiwanie kopaliny użytecznej dla potrzeb człowieka, czyli eksploatacji górniczej. Obiektem eksploatacji górniczej jest złoże.

Zależnie od głębokości zalegania złoża rozróżnia się następujące rodzaje eksploatacji:

— eksploatację naziemną, czyli odkrywkową

— eksploatację podziemną, czyli głębinową, która dzieli się na typowo górniczą i odwiertową,

— eksploatację podmorską,

Ze względu na sposób pobierania kopaliny użytecznej z calizny złoża rozróżnia się następujące metody eksploatacji złóż:

— metodę odspajania, stosowaną obecnie przeważnie do eksploatacji kopalin stałych (eksploatacja złóż węgla)

— metodę ługowania, polegającą na rozpuszczaniu minerałów stałych w wodzie np. sól,

— metodę wytapiania, czyli stapiania i rozpuszczania w wysokiej temperaturze minerałów stałych oraz wydobywanie ich w stanie ciekłym na powierzchnię (eksploatacja złóż siarki),

— metodę zgazowania, polegającą na pozyskiwaniu gazów palnych przez częściowe spalanie węgla kamiennego lub brunatnego w złożu,

— metodę czerpania kopalin ciekłych i gazowych stosowaną w górnictwie naftowym, gazu ziemnego oraz wód mineralnych.

Rozróżnia się następujące systemy wybierania pokładów węglowych:

— systemy ubierkowe, do których zalicza się systemy ścianowe, filarowo-ubierkowe i pośrednie ubierkowo-zabierkowe,

— systemy zabierkowe, do których zalicza się systemy długich zabierek i systemy filarowo-zabierkowe,

— systemy komorowe.

2. Klasyfikacja skał stropowych i spągowych

Rodzaj skał występujących w stropie i spągu pokładu ma istotny wpływ na wybór systemu wybierania. W tym przypadku w górnictwie przyjęto podział skał na trzy grupy:

— skały kruche, charakteryzujące się małą zwięzłością i spoistością (ulegające łatwo spękaniom, zluźnieniom) oraz opadaniem do wybranej przestrzeni,

— skały sztywne, charakteryzujące się dużą wytrzymałością, utrzymujące się nad wybranym wyrobiskiem i załamujące się w dużych blokach po otwarciu większej powierzchni stropu,

— skały plastyczne, charakteryzujące się niewielką wytrzymałością, lecz znaczną spójnością, co powoduje ich uginanie się za frontem wybierania.

W górotworze zalegającym nad pokładem węglowym wyróżnia się strop bezpośredni i strop zasadniczy.

Stropem bezpośrednim nazywamy skały zalegające bezpośrednio nad pokładem węglowym charakteryzujące się łatwym załamywaniem i przemieszczaniem do wybranej przestrzeni (skały kruche). Takie załamywanie i przemieszczanie się skał stropowych nosi nazwę rabowania się stropu.

Rys.1. Zawal całkowity

Stropem zasadniczym nazywamy warstwy skał sztywnych (grube warstwy piaskowca lub łupków piaszczystych) zalegające nad stropem bezpośrednim. Warstwy te nie załamują się równocześnie ze stropem bezpośrednim, lecz po obnażeniu większej powierzchni stropu, mogą się one załamywać dużymi blokami i osiadać na zawale powstałym z zarabowania się warstw stropu bezpośredniego. Załamanie się stropu zasadniczego przebiega w sposób nagły i wywołuje wstrząs.

Rys2. Strop sztywny załamujący się dużymi blokami

Rys.3. Strop uginający się

Dla umożliwienia właściwego doboru systemu wybierania należy dokonać klasyfikacji skał stropowych i spągowych. Najpopularniejsza jest klasyfikacja skał wg W. Budryka.

Klasa I — strop bezpośredni stanowią skały kruche, łatwo rabujące się o miąższości większej od 5-krotnej grubości pokładu.

Klasa II — strop bezpośredni stanowią skały kruche, łatwo rabujące się o miąższości mniejszej od 5-krotnej grubości pokładu.

Klasa III — strop bezpośredni stanowią skały sztywne, trudno rabujące się lub też nad pokładem zalega strop zasadniczy w postaci grubej warstwy skał mocnych.

Klasa IV — skały stropowe mają zdolność uginania się i osiadania na spągu bez załamania się (skały plastyczne i uwarstwione).

Podobnie przyjęto klasyfikację spągów, gdzie wyróżniono trzy klasy:

Klasa I — spąg bezpośredni stanowią warstwy skał słabych wykazujących skłonność do spełzania.

Klasa II — spąg bezpośredni stanowią warstwy skał mocnych.

Klasa III — spąg bezpośredni stanowią warstwy skal plastycznych, pęczniejących i łatwo wyciskanych do wyrobiska.

Klasyfikacji skał stropowych i spągowych dokonują rzeczoznawcy.

3. Sposoby kierowania stropem

1. Cel i sposoby kierowania stropem

Pustka poeksploatacyjna (zwana zrobami) powstała po wybraniu złoża musi być w sposób systematyczny likwidowana. Sposób jej likwidacji ma istotny wpływ na wielkość zaburzeń w górotworze, a w efekcie na

1. wzrost ciśnień w otoczeniu wyrobisk górniczych,

2. powstawanie tąpań, wstrząsów i zawałów,

3. spękania skał, które mogą spowodować wdarcie się wód i gazów do czynnych wyrobisk górniczych,

4. wielkość szkód górniczych.

Prawidłowy dobór sposobu likwidowania zrobów, czyli tzw. kierowanie stropem, powinien zapewniać możliwie największe bezpieczeństwo dla wyrobisk górniczych oraz wymaganą ochronę obiektów powierzchniowych.

Rozróżnia się następujące sposoby (systemy) kierowania stropem:

• system zawałowy polegający na zawaleniu warstw stropowych w pustce poeksploatacyjnej,

• system podsadzkowy polegający na wypełnieniu pustki poeksploatacyjnej podsadzką suchą lub hydrauliczną,

— system z całkowitym ugięciem się stropu polegający na łagodnym obniżeniu się
warstw stropowych nad zrobami bez przerwania ciągłości tych warstw.

Sposób likwidacji zrobów dobiera się w zależności od:

— własności warstw skalnych otaczających pokład, a zwłaszcza skał stropowych,

— grubości pokładu,

— skłonności węgla do samozapalenia,

• wymagań, jakie stawia ochrona powierzchni.

2. System zawałowy

Stosując system zawałowy możemy osiągnąć zawał pełny przy stropach klasy I. Załamujące się skały stropowe krusząc się zwiększają swoją objętość, przez co następuje samopodsadzanie pustek po wybranym węglu.

Nad tą przestrzenią, zwaną również I strefą zawału, wypełnioną rumoszem skalnym powstaje strefa II, zwana strefą spękań, której warstwy skalne mają znacznie ograniczone możliwości przemieszczania się. Skały te pękają i osiadają na rumoszu skalnym strefy I. Wyżej leżące warstwy uginają się, osiadając na warstwach stref poprzednich, tworząc tzw. strefę osiadania, czyli strefę III. Obejmuje ona górotwór od strefy spękań aż do powierzchni ziemi, powodując jej deformację (rys1).

Przy płytkim zaleganiu pokładu strefa II, a nawet strefa I może sięgać powierzchni ziemi, powodując powstanie zapadlisk.

Należy pamiętać, że w ubierkach i ścianach zawał wywołuje się systematycznie w ślad za posuwającym się frontem wybierania natomiast zawał w zabierce lub komorze wywołuje się po całkowitym jej wybraniu.

Jeżeli po usunięciu obudowy nie nastąpi samoczynny zawał, to należy wywołać go za pomocą strzelania MW w stropie.

Przy stropie klasy II możemy osiągnąć tylko zawał częściowy. Wymaga on wykonania pasów podsadzkowych z kamienia uzyskanego ze zrobów (rys. 4). Z tej przyczyny może być stosowany tylko w pokładach cienkich i średnich (do 2 m). Odległości pasów podsadzkowych muszą być tak ustalone, aby wywołany między nimi zawał stropu bezpośredniego nie dochodził do stropu zasadniczego nie spowodował jego spękania. Szerokość pasów podsadzkowych wynosi zazwyczaj 4 do 6 m, a odległość między nimi — do 20 m lub więcej w zależności od charakteru skał stropowych.

Rys. 4. Zawał częściowy

Ze względu na dużą pracochłonność i koszty unika się stosowania tego typu podsadzki.

3. System podsadzkowy

Wypełnienie zrobów podsadzką może być pełne (podsadzka pełna) lub częściowe (podsadzka częściowa).

1. Podsadzka pełna

Polega na całkowitym wypełnieniu zrobów materiałem dostarczonym z zewnątrz w postaci suchej bądź w stanie ciekłym za pośrednictwem wody, jako tzw. podsadzka hydrauliczna. Podsadzka pełna wypełnia wybraną przestrzeń przez co ogranicza deformacje górotworu. Wielkość deformacji zależy od ściśliwości podsadzki. Stosując podsadzkę dążymy do tego aby warstwy stropowe łagodnie osiadały na podsadzce (skały nie pękały). Unikamy w ten sposób tąpań, obwałów i wstrząsów górotworu.

Podsadzka sucha (rys. 5) może być wykonana mechanicznie lub ręcznie. Stosowana jest w pokładach cienkich lub średniej grubości. Ściśliwość jej wynosi od 20 do 60%. Może być stosowana jako podsadzka pełna (przy stropach klasy III) lub jako podsadzka częściowa przy stropach klasy II lub III i przy niewielkiej grubości stropu bezpośredniego.

Rys. 5 Podsadzka sucha pełna

Podsadzka hydrauliczna (rys. 6) wykonana z piasku wykazuje ściśliwość od 5% do 15%. Domieszki części ilastych oraz dodatki kruszonego kamienia, żużli, pyłów dymnicowych oraz cementu zwiększają jej ściśliwość.

Rys. 6. Podsadzka hydrauliczna.

Podsadzkę suchą częściową wykonuje się zazwyczaj pasami szerokości 4 do 6 m, oddalonymi od siebie 6 do 12 m (rys.4). Materiał podsadzkowy może być dostarczany z zewnątrz lub uzyskiwany na dole z przybierki stropu lub spągu.

4. System z całkowitym ugięciem się stropu

Uginanie się stropu aż do jego zetknięcia się ze spągiem i układania się na nim w miarę postępu wybierania pokładu wykorzystuje się przy stropach klasy IV w pokładach cienkich do 1,2 m (rys. 3). Eksploatację z uginaniem się stropu można prowadzić tylko przy ubierkowym systemie wybierania pokładu.

4. Wybór systemu wybierania

Na wybór systemu wybierania mają wpływ zasady eksploatacji złoża oraz czynniki geologiczne i organizacyjno-techniczne.

1. Zasady eksploatacji złoża wynikają z:

—zasad ekonomicznych,

— zasad bezpieczeństwa.

Zasady ekonomiczne nakazują prowadzenie eksploatacji złoża w taki sposób, aby:

• kopalnia była rentowna,

• złoże wybierane było czysto, z minimalnymi stratami kopaliny użytecznej pozostawionej w zrobach^[1].

• Inaczej - nie wolno dopuścić do gospodarki rabunkowej złożem,

• zapewniona była ochrona środowiska naturalnego oraz powierzchni.

Względy bezpieczeństwa wymagają, aby proces eksploatacji nie dopuszczał do powstawania tąpań, zawałów, nie stwarzał innych zagrożeń górniczych oraz zapewniał optymalne warunki pracy załogom górniczym.

5. Czynniki geologiczne i organizacyjno-techniczne.

Najważniejsze z tych czynników to:

— kształt złoża,

— grubość pokładu,

— nachylenie pokładu,

— własności skał otaczających pokład, głównie skał stropowych,

— głębokość zalegania,

— ochrona powierzchni,

— występowanie warstw wodonośnych,

— rodzaj i stopień mechanizacji,

• zagrożenie naturalne

• profilaktyka przeciwpożarowa.

Analizując powyższe zasady i czynniki dochodzimy do wniosku, że każdy system wybierania złoża powinien być tak dostosowany do istniejących warunków, aby zapewniał:

—bezpieczeństwo pracy,

—dużą koncentrację robót,

— największą wydajność i najmniejsze koszty własne wydobycia,

— dobrą wentylację,

— łatwą dostawę materiałów,

— ciągłość produkcji,

— właściwe odprowadzenie wody,

— małe straty substancji złożowej,

— możliwość stosowania nowoczesnej mechanizacji.

Pytania kontrolne

1. Jakie rozróżniasz metody eksploatacji złóż?

2. Wg głębokości zalegania złoża rozróżniamy następujące rodzaje eksploatacji:

3. Wymień znane ci systemy wybierania pokładów węglowych.

4. Dokonaj klasyfikacji skał stropowych.

5. Dokonaj klasyfikacji skał spągowych.

6. Zdefiniuj pojęcie stropu bezpośredniego i zasadniczego.

7. Wymień i omów klasy stropu.

8. Wymień i omów klasy spągu.

9. Gdy nad pokładem węgla będzie zalegał bezpośrednio strop zasadniczy jaki zastosujesz sposób kierowania stropem?

10. Jakie znasz sposoby (systemy) kierowania stropem?

11. Przy jakiej klasie stropu zastosujesz podsadzkę hydrauliczną, a przy jakiej podsadzkę suchą częściową?

12. Jakie muszą być spełnione kryteria, aby powstał pełny zawał?

13. Omów zasady eksploatacji złoża.

14. Omów czynniki geologiczne i organizacyjno-techniczne mające wpływ na dobór systemy eksploatacji.

^[1] straty węgla z zasobów bilansowych w procesie eksploatacji nie powinny przekraczać od 10% do 25%.

---