УГОЛЬ ИСКОПАЕМЫЙ Вскрытие месторождения штольней. Если пласт выходит на дневную поверхность на склоне горы, то к нему проводится горизонтальный туннель, называемый штольней. Штольню, как правило, ведут по падению (наклону) пласта. Если пласт почти горизонтален, то начинают разработку немного ниже его уровня и, уже дойдя до пласта, следуют по его падению. Если мощность пласта невелика, то извлекают часть его почвы (пород, залегающих ниже пласта) или кровли.
Для определения самой низкой и наиболее удобной точки входа в штольню бурят мелкие скважины и проводят короткие штольни, в которых осуществляются маркшейдерские измерения. Боковые стороны и верх устья штольни бетонируют, особенно вблизи поверхности. Если штольня рассчитана на несколько лет, то ограничиваются установкой деревянной крепи.
Наклонные выработки. Угольные пласты часто залегают наклонно. Угол падения пласта иногда бывает более 90? (в случае опрокинутого залегания), тогда подошва пласта становится его кровлей. Такие пласты нередко эксплуатируются на угольных месторождениях Франции.
В случаях, когда пласт круто падает от места выхода на дневную поверхность, проводят наклонные подземные выработки. Если экономически рентабельный пласт не имеет удобного выхода, то выработка ведется по простиранию пород. Как правило, вскрытие месторождения наклонными выработками экономически целесообразно при длине не более 800 м.
Шахтные стволы. Многие угольные месторождения удобнее всего вскрывать вертикальной выработкой - шахтным стволом. Стоимость строительства и эксплуатации шахтного ствола выше, чем штольни, но когда подземные водотоки пересекают угольный пласт в разных направлениях, суммарные расходы по эксплуатации месторождения могут оказаться ниже. Этот способ позволяет более рационально планировать горные работы; кроме того, шахтный ствол служит дольше, чем разрозненные штольни. Однако вентиляция и дренаж обходятся дороже, и приходится идти на затраты, связанные с подъемом угля.
Вскрытие угольных пластов шахтным стволом применяется при глубине их залегания более 45 м. В США глубина шахтных стволов редко превышает 300 м, в других угледобывающих странах она иногда достигает 1200 м, а в Индии и Южной Африке известны шахты глубиной более 4 км.
Системы подземной разработки. При подземной разработке месторождений угля используют камерно-столбовую систему и разработку лавами, или длинными очистными забоями. В США более распространена камерно-столбовая разработка (ок. 65% всей подземной угледобычи), так как бльшая часть разрабатываемых угольных пластов, особенно битуминозных углей, характеризуется значительной мощностью. В случае маломощных, сильнонарушенных и залегающих на большой глубине пластов предпочтительнее метод длинных очистных забоев. Камерно-столбовая разработка не очень экономична; обычно она обеспечивает извлечение лишь 50% имеющегося угля. Разработка длинными очистными забоями более безопасна и позволяет извлекать до 80% угля и более равномерно выдавать его на-гора.
Камерно-столбовая система разработки. При такой системе в пласте проходят ряд камер, разделенных поддерживающими кровлю пласта целиками. После того, как очистные забои данного участка подвинуты в соответствии с планом, забойщики либо оставляют этот участок, либо ведут обратную проходку, производя выемку целиков с обрушением кровли позади себя. В некоторых случаях при подготовительной проходке камер вынимается всего лишь 10-15% угля.
Пласт обычно разбивается на большие блоки основными и вторичными группами камер, иногда называемыми забойным штреком, поперек которых проходят меньшие группы камер (участки и торцевые штреки). Участками называют фактический фронт добычи, поскольку целики основных и вторичных групп камер вынимаются редко.
Целики угля оставляются на месте на неопределенный срок в тех случаях, когда необходимость их сохранения диктуется состоянием кровли и почвы пласта или экологическими нормативами. Горнонадзорные инстанции не поощряют такую систему, так как при этом велики потери угля.
В некоторых случаях угольные целики под тяжестью огромного собственного веса и веса кровли вдавливаются в размягчающуюся глиняную почву пласта, вспучивая ее. Если почва и кровля сложены из твердых пород, то осадка кровли может приводить к раздавливанию целиков с выкрашиванием их в камеры. Иногда целики, находящиеся в таком состоянии, разрушаются мгновенно с выделением большой механической энергии (горный удар). Массовое разрушение целиков происходит редко, но если оно начинается, то его трудно остановить. Такой разрушительный процесс может охватить большую площадь и даже привести к полному обрушению шахты, в которой остаются засыпанными люди, уголь, материалы и оборудование. Правда, современные технические нормативы на целики в общем гарантируют предотвращение их массового разрушения.
Извлечение междукамерных целиков - вторая стадия выемки - ведется короткими заходками в обратном направлении. При правильном проведении не возникает опасности для жизни шахтеров, оказываются незначительными потери угля и материалов и снижается себестоимость добычи. Правда, если выемка целиков проводится на большой площади, то возможно оседание толщи горных пород над шахтным полем.
Разработка длинными очистными забоями. При такой системе разработки ведется выемка большого блока угля с перемещением оборудования вдоль широкой поверхности забоя под непрерывной линией секций крепи. Целики не оставляются. Выемка производится либо прямым, либо обратным ходом. В том и другом случаях очистное пространство (у забоя) крепится стальными секциями по всей длине и крепь снимается после извлечения угля по всей выемочной панели. В процессе выемки кровля пласта обрушивается позади механической крепи.
Первоначально длинными забоями разрабатывались неглубоко залегающие пласты либо нарушенные пласты на глубине более 300 м, особенно на угольных шахтах Европы. В случае же умеренно глубоких горизонтальных пластов предпочтение отдавалось камерно-столбовой системе разработки. Затем в США для умеренно глубоких горизонтально залегающих пластов начали широко применять разработку длинными очистными забоями, поскольку она более безопасна для шахтеров и позволяет в 4-5 раз увеличить добычу угля.
Добыча антрацита. В случае крутопадающих пластов антрацита проводят горизонтальные, часто извилистые, откаточные и вентиляционные выработки и непосредственно к пласту подводят подземные выработки, называемые углескатами. Антрацит после отбойки скатывается в направлении падения пласта самотеком. На узком конце углеската оставляется такое количество угля, чтобы его поверхность находилась на уровне, необходимом для работы шахтеров-взрывников. Шахтеры работают, стоя на поверхности размельченного угля, часть которого отбирается каждый раз по мере продвижения забоя. Таким образом, поверхность разрыхленного угля все время поддерживается на удобном расстоянии от забоя. Отбойка ведется пневматическими бурильными молотками или взрывным способом. Уголь столь тверд, что при прохождении зоны магазинирования (хранения) в камере мало крошится. При небольшом падении (наклоне) пласта шахтеры работают на подошве из твердых пород. Стальной желоб, по которому "течет" уголь, в нижней части снабжен секцией, подвешенной на шарнирах, при поднятии которой поток угля прерывается. Там, где из-за большой крутизны пласта размельченный уголь течет вниз слишком быстро, в почве и кровле вблизи воронкообразного устья углескатной выработки закрепляют стойки, сдерживающие напор. Если пласт недостаточно крут, то стальной желоб можно довести вверх почти до рабочей поверхности. Ранее уголь вручную проталкивали вниз; теперь же применяются вибрационные и другие конвейеры.
При малом наклоне пласта, где уголь не идет самотеком, шахтеры стоят на почве и зона магазинирования не нужна. Если же магазинирование необходимо, то по обе стороны камеры делают проходы с деревянной крепью. Один из них предназначен для людей, а другой служит обратным вентиляционным каналом и аварийным выходом. Когда камера полностью выработана, выемку целиков осуществляют буровзрывным способом, при котором уголь скатывается в нижнюю часть камеры.
Иногда уголь срывается с забоя без буровзрывной отбойки, после чего дальнейшая эксплуатация пласта невозможна. В таких случаях к забою через другую камеру или на большей высоте проводится новая выработка. Выемка целиков ведется без отбойки, так как они сами обрушиваются под давлением кровли. Однако при этом обрушивается и порода кровли, иногда в таком количестве, что эксплуатация становится убыточной, поскольку бльшая часть добытого угля должна идти на обогатительную фабрику, где порода отделяется вручную или механически.
Добыча битуминозного угля. Подземная разработка месторождений мягкого и рыхлого битуминозного и полубитуминозного углей может вестись с использованием сплошной системы, длинными очистными забоями. Для отбойки часто применяется буровзрывной способ. Каждый из них предусматривает определенный цикл операций выемки, погрузки, откатки угля и крепления кровли. Когда-то первой операцией была нижняя зарубка, выполнявшаяся ручными кайлами по всей ширине забоя. В настоящее время вруб производят машины, затем в забое бурят скважины для заложения в них взрывчатых веществ (ВВ).
Сплошная выемка. Мощный горный комбайн отбивает уголь от массива на поверхности забоя, сваливает его на почву рабочего горизонта для погрузки другой машиной либо выгружает непосредственно в шахтные вагонетки, перемещающие уголь к месту погрузки на конвейер. После того, как выемка произведена по всей площади, комбайн подвигается к новой поверхности забоя; прежнее призабойное пространство крепится штангами анкерной крепи. Иногда используется и дополнительная крепь, если того требует состояние кровли пласта. Такой цикл повторяется от четырех до 12 раз за рабочую смену в зависимости от эффективности общей системы добычи. Стандартный участок сплошной выемки обслуживается в основном одним комбайном, одной машиной для монтажа анкерной крепи и двумя вагонетками. Возможен также расширенный вариант, в котором на участке работают два комбайна, одна или две машины анкерной крепи и три или четыре вагонетки. Такой метод весьма производителен и часто дает 2000-2500 т угля за смену.
Выемка длинными очистными забоями. В механизированной системе длинного очистного забоя добычной комбайн с рабочим органом (баровым, барабанным) перемещается по ставу скребкового конвейера вдоль забоя. Отбиваемый уголь погружается лемехом комбайна непосредственно на конвейер, транспортирующий его через перегружатель к основной конвейерной системе. При производстве очередного вруба забойный конвейер прижимается к массиву угля гидравлическими домкратами, прикрепленными к стальным опорам механической крепи с перекрытием. Когда давление, прижимающее перекрытия крепи к кровле пласта, падает, домкраты передвигаются к подвинувшейся линии забойного конвейера и прижимаются к кровле на новом месте, а незакрепленная кровля позади перекрытия обрушается. Такая последовательность операций повторяется в прямом и обратном направлениях вдоль забоя, который может иметь протяженность до 300 м. Вся выемочная панель длинного забоя длиной до 3000 м может быть полностью разработана за полгода. При выемке длинными очистными забоями в среднем за смену добывается до 5000 т угля. Такая система может работать с применением программного управления, при этом требуются лишь два-три оператора на забой.
Буровзрывная выемка. Последовательность операций состоит из собственно выемки (создание вруба, бурение и взрывная отбойка) и следующих за ней операций погрузки, откатки угля и крепления кровли. Сначала по площади забоя врубовый комбайн делает вруб шириной ок. 50 см на глубину 2-2,7 м, чтобы образовалась свободная поверхность. Вруб может быть проведен вверху, внизу, посредине или сбоку забоя; возможны также любые парные сочетания этих вариантов. Как правило, вруб, бурение, взрывная отбойка, погрузка угля и крепление кровли выполняются параллельно не менее чем в пяти забоях. Отдельные операции циклически повторяются в забоях участка.