Zasady założenia kopalni

Udostępnianie złoża kopaliny użytecznej oznacza całokształt robót przedsięwzięć, mających na celu połączenie złoża z powierzchnią ziemi i umożliwienie przygotowania go do eksploatacji górniczej. Wykonywane jest według szczegółowo opracowanych projektów technicznych, wchodzących w skład dokumentacji projektowo-kosztorysowej budowy nowej kopalni lub rekonstrukcji kopalni istniejącej.

Zależnie od głębokości zalegania złoża rozróżnia się:

— kopalnie naziemne (odkrywkowe), których złoże zalega wprost na powierzchni ziemi albo płytko pod jej powierzchnią; udostępnienie takich złóż polega na zdjęciu nadkładu przykrywającego złoże (odkryciu złoża przykrytego nadkładem); nowoczesne metody zdejmowania nadkładu zezwalają obecnie na prowadzenie eksploatacji sposobem odkrywkowym nawet do 300 m głębokości,

— kopalnie podziemne (głębinowe), których złoża zalegają na większych głębokościach i dostęp do nich może być otwarty za pomocą wyrobisk udostępniających odpowiednio dobranych oraz wykonanych w górotworze zawartym w granicach obszaru górniczego.

Złoża niektórych minerałów użytecznych, np. ropy naftowej, gazu ziemnego, soli, siarki, wód mineralnych, mogą być eksploatowane za pomocą odwiertów. Wszelkie zagadnienia związane z tego rodzaju eksploatacją górniczą wchodzą w zakres górnictwa odwiertowego.

Na układ wyrobisk udostępniających mają wpływ następujące czynniki:

— zasoby kopaliny użytecznej i czas eksploatacji złoża;

— ukształtowanie powierzchni ziemi, kształt i tektonika złoża;

— zagrożenia wodne, metanowe i inne;

— skłonność do samozapalenia (węgla, rud, skał płonnych).

Projekt udostępnienia złoża musi być oparty na wnikliwej analizie wymienionych czynników.

Wyrobiska udostępniające powinny być tak zlokalizowane, aby:

— udostępniały złoże w najdogodniejszym miejscu;

— nie były narażone na zwiększone ciśnienie, zagrożenia wodne, gazowe i inne.

Pod względem ekonomicznym i technicznym projekt powinien zapewniać:

— udostępnienie możliwie największych zasobów o najlepszych parametrach jakościowych kosztem minimalnych nakładów finansowych, możliwość szybkiego wykonania wyrobisk udostępniających i uruchomienia produkcji;

— możliwie najmniejsze koszty odstawy, przewozu, transportu materiałów, odwadniania, przewietrzania i innych czynności niezbędnych do normalnej eksploatacji złoża;

— bezpieczną i bezawaryjną ciągłość produkcji.

Udostępnienie złoża powinno być dokonane w miejscu łatwo dostępnym dla komunikacji (koleje, drogi, kanały), o możliwościach łatwego zaopatrzenia w wodę i energię. Położenie wylotów szybów lub sztolni powinno gwarantować bezpieczeństwo przed wdarciem się do nich wód powierzchniowych.

Zgodnie z przepisami bezpieczeństwa każda kopalnia musi mieć, co najmniej dwa zdatne do użytku wyjścia z wyrobisk podziemnych na powierzchnię. Każde z tych wyjść powinno być dostępne ze wszystkich poziomów i oddziałów wydobywczych.

Przepis ten zapewnia możliwość przewietrzania kopalni obiegowym prądem powietrza, gdyż jednym dojściem doprowadza się powietrze świeże, a drugim odprowadza się powietrze zużyte, jak również zapewnia możliwość wyjścia załogi na powierzchnię w przypadku awarii jednego dojścia.

II. Sposoby udostępnienia złoża.

Wyrobiskami udostępniającymi łączącymi podziemne złoże z powierzchnią ziemi mogą być:

— sztolnie;

— upadowe lub szyby pochyłe;

— szyby pionowe.

1. Udostępnienie sztolnią.

Stosuje się je w terenach górzystych przy stromym zaleganiu pokładów lub żył. Obecnie sposób ten używany jest bardzo rzadko, ale w dawnych czasach stosowany był powszechnie.

Sztolnie drąży się od wylotu z małym wzniosem dla zapewnienia spływu wód i ułatwienia transportu. Wylot sztolni powinien być tak usytuowany, aby:

— sztolnia udostępniała możliwie największe zasoby kopaliny użytecznej;

— była możliwość łatwego zwałowania skały płonnej urobionej w czasie drążenia sztolni;

— była zabezpieczona przed zalewem wodami powierzchniowymi.

Długie sztolnie łączy się z powierzchnią szybikami zapewniającymi obiegowy przepływ powietrza, a zarazem stanowiącymi drogę ucieczkową dla załogi.

2. Udostępnienie szybami pochyłymi lub upadowymi.

Stosuje się je wówczas, gdy pokład lub żyła wychodzi na powierzchnię lub gdy ich wychodnie są przykryte niezbyt grubym nadkładem.

Zaletą tego sposobu udostępnienia jest uzyskanie kopaliny użytecznej od razu w czasie głębienia szybu lub upadowej. Wadami są duże koszty utrzymania i mała przepustowość przewozowa tych wyrobisk.

3. Udostępnienie szybami pionowymi.

Najczęściej stosowanym sposobem udostępnienia głęboko zalegających złóż są szyby pionowe. W obszarach górniczych o bogatych zasobach złożonych z wielu pokładów systematyczna eksploatacja wymaga podziału złoża na poziomy wydobywcze i piętra.

Podział złoża dokonany jest płaszczyznami poziomymi w ten sposób, aby zasoby kopaliny użytecznej na każdym poziomie były mniej więcej równe i wystarczały na okres 20 do 30 lat planowanego rocznego wydobycia. Poziomy z kolei dzieli się na piętra. W obrębie pięter przygotowuje się pola eksploatacyjne, w których lokalizuje się oddziały wydobywcze.

Podział złoża na poziomy i piętra pokazano w uproszczeniu na rys. 1. Odległość pionowa między dwoma kolejnymi poziomami nazywa się pionową wysokością poziomu. W polskich kopalniach węgla wynosi ona od 40 do 200 m, najczęściej ok. 100 m. Podział złoża na poziomy i piętra określony jest w dokumentacji projektowo-kosztorysowej budowy kopalni.

Podział złoża na poziomy i piętra

Rys. 1. Podział złoża na poziomy i piętra

Przestrzenny podział złoża w granicach obszaru górniczego na poziomy, piętra i pola eksploatacyjne, a również odpowiadający mu układ wyrobisk udostępniających wykonanych w kamieniu (szybów, szybików, przekopów) i wyrobisk przygotowawczych wykonanych w złożu (chodników, pochylń, upadowych) nosi nazwę modelu kopalni.

III. Wyrobiska udostępniające złoże.

1. Charakterystyka i podział wyrobisk górniczych.

Wyrobiskami górniczymi nazywa się puste przestrzenie powstałe w kopalinie użytecznej lub w skale płonnej w wyniku prowadzenia robót górniczych.

W kopalniach węgla wyrobiska górnicze mogą znajdować się:

— w węglu i wtedy noszą nazwę wyrobisk węglowych;

— w kamieniu (skale płonnej) i wtedy nazywają się wyrobiskami kamiennymi;

— częściowo w węglu, a częściowo w kamieniu i wtedy nazywa się je węglowo-kamiennymi.

W zależności od tego, czy znajdują się na powierzchni ziemi czy pod powierzchnią, wyrobiska górnicze dzielą się na:

— odkryte (odkrywki);

— podziemne.

Wyrobiska podziemne mają kształty zbliżone do brył geometrycznych — sześcianów, prostopadłościanów, graniastosłupów, walców lub ich połączeń — a ich przekroje poprzeczne stanowią najczęściej prostokąty, kwadraty, trapezy, koła, elipsy lub ich odcinki i połączenia.

W kształcie większości wyrobisk górniczych można wyróżnić powierzchnie boczne, czyli ociosy, powierzchnię górną, zwaną stropem i dolną zwaną spągiem (rys. 2.a). W przypadku, gdy strop i spąg prowadzone są w pokładzie mówimy wtedy o pułapie i spodku (rys. 2.b).

Powierzchnia wyrobiska, która wskutek urabiania przesuwa się w głąb calizny stanowi czoło wyrobiska, a przestrzeń wyrobiska przyległa do niego nazywa się przodkiem.

Przekrój poprzeczny wyrobiska górniczego

Rys. 2. Przekrój poprzeczny wyrobiska górniczego

Ze względu na przeznaczenie wyrobiska dzieli się na:

- poszukiwawczo-rozpoznawcze, omówione w poprzednim rozdziale;

- udostępniające, otwierające dostęp do złoża i umożliwiające jego górniczą eksploatację, użytkowane są przez długi czas, są to wyrobiska łączące złoże z powierzchnią ziemi (szyby, szybiki, sztolnie, przecznice), wyrobiska udostępniające wykonuje się prawie wyłącznie w skałach płonnych, a złoże tylko przecinają;

- przygotowawcze, przysposabiające złoże do najbardziej korzystnego sposobu wybierania, mają charakter krótkotrwały i ich użytkowanie ogranicza się do czasu wybrania określonego pola eksploatacyjnego;

- wybierkowe, w których dokonuje się wybierania kopaliny użytecznej, i które po jej wybraniu ulegają likwidacji.

Wyrobiska przygotowawcze i wybierkowe noszą wspólną nazwę wyrobisk eksploatacyjnych. Wykonuje się je głównie w kopalinie użytecznej.

Pod względem kształtu i wymiarów górnicze wyrobiska podziemne dzielą się na:

- wyrobiska korytarzowe, cechujące się nieznacznym przekrojem poprzecznym w stosunku do ich długości (szybiki, sztolnie, przecznice oraz chodniki);

- wyrobiska komorowe, stanowiące obszerne wyrobiska górnicze cechujące się większymi wymiarami poprzecznymi niż wyrobiska korytarzowe. Za typowe komory uważa się wyrobiska o przekroju powyżej 20 m (podszybia, różne komory maszynowe, elektryczne, warsztaty dołowe itp.;

- otwory wiertnicze;

- wyrobiska wybierkowe, mające różne kształty zależne od grubości i nachylenia złoża (pokłady, żyły) oraz od stosowanego systemu wybierania.

Zależnie od położenia w górotworze wyrobiska górnicze dzielą się na wyrobiska poziome, pionowe i pochyle, a w stosunku do rozciągłości pokładu na biegnące po rozciągłości, po wzniosie, po upadzie lub przekątnie, czyli diagonalnie.

2. Wyrobiska udostępniające

a. Pionowe wyrobiska udostępniające

Do pionowych wyrobisk udostępniających należą szyby, szybiki, dukle, studnie i nadsięwłomy.

Szyby. Stanowią one najczęściej stosowane połączenie podziemne go złoża z powierzchnią. Szybem nazywa się wyrobisko korytarzowe o nachyleniu większym od 45⁰, głębokości większej od 200 m i przekroju poprzecznym większym od 15 m² łączące złoże z powierzchnią.

Szyby mogą być pionowe lub pochyłe (o nachyleniu od 45⁰ do 90⁰). Ze względu na koszty utrzymania i eksploatacji w górnictwie polskim stosowane są szyby pionowe.

Szyby w zależności od przeznaczenia mogą być:

- wydobywcze, przeznaczone do wyciągania kopaliny skały płonnej na powierzchnię;

- zjazdowe, przeznaczone i przystosowane do zjazdu i wyjazdu ludzi;

- materiałowe, przeznaczone do opuszczania materiałów;

- drzewne, mające specjalne urządzenia do opuszczania drewna;

- podsadzkowe, z zainstalowanym rurociągiem do opuszczanie podsadzki hydraulicznej;

- oraz inne, zależnie od pełnionego zadania.

Pod względem wentylacyjnym szyby dzielą się na:

- wdechowe;

- wydechowe.

W praktyce szyby mają kilka przeznaczeń np. szyby wydobywczo-zjazdowe, materiałowo-podsadzkowe itp.

Szyby mogą mieć przekrój poprzeczny kołowy, eliptyczny lub prostokątny.

Szybiki. Szybikiem pionowym nazywa się pionowe wyrobisko korytarzowe głębokości mniejszej od 200 m, o przekroju poprzecznym mniejszym od 14 m² mające wlot na powierzchni i prowadzące w głąb ziemi.

W kopalniach węgla stosuje się często szybiki ślepe, o przekrojach kołowych lub prostokątnych, do różnych celów komunikacyjnych, najczęściej do opuszczania urobku z piętra na poziom, wyciągania materiałów, przejścia dla ludzi na poziom (drabinami) oraz do celów wentylacyjnych.

Dukla. Jest to niegłęboki (do 30 m) szybik o małym przekroju poprzecznym, wykonany w skałach twardych bez obudowy.

Studnia. Jest to pionowe wyrobisko podziemne głębokości do kilkudziesięciu metrów, mające ujście na powierzchni ziemi i przeznaczone do wydobywania kopalin ciekłych (wody, solanek, ropy naftowej).

b. Pochyłe wyrobiska udostępniające

Stanowią je szyby pochyłe lub upadowe drążone z powierzchni.

Szyby pochyłe lub upadowe stosowane są wówczas, gdy złoże wychodzi na powierzchnię ziemi lub gdy ich wychodnie przykryte są niezbyt grubym nadkładem. Obecnie istnieje tendencja poprowadzenia odstawy urobku z wyrobisk eksploatacyjnych przenośnikami taśmowymi bezpośrednio do zakładu przeróbczego z wykorzystaniem upadowych. W ten sposób likwiduje się „wąskie gardło”, jakim jest szyb wydobywczy.

c. Poziome wyrobiska udostępniające

Do poziomych wyrobisk udostępniających należą:

- sztolnie;

- przecznice i przekopy;

- podszybia.

Wyrobiska te drążone są przeważnie z niewielkim nachyleniem w kierunku szybu w celu ułatwienia pracy lokomotyw ciągnących urobek i odpływu wody odprowadzanej ściekami do odwadniania głównego kopalni lub na powierzchnię (w sztolniach).

Przecznice i przekopy. Złoże powinno być wybierane od najwyżej położonych jego części. Dzieli się je płaszczyznami poziomymi na poziomy, które udostępnia się z szybu wyrobiskami korytarzowymi zwanymi przecznicami i przekopami.

Przecznicą nazywa się poziome wyrobisko korytarzowe udostępniające, wydrążone w skałach płonnych od szybu poprzecznie (prostopadle) do linii rozciągłości pokładów.

Przekop jest to poziome wyrobisko korytarzowe udostępniające, wydrążone w skałach płonnych od przecznicy - równolegle do linii rozciągłości pokładów.

Rozróżniamy przekopy i przecznice kierunkowe oraz polowe. W pierwszej kolejności prowadzimy wyrobiska kierunkowe, a od nich w rejonie złoża wyrobiska polowe. I tak np.: przecznica kierunkowa prowadzi od podszybia w kierunku złoża, a przekop kierunkowy biegnie od przecznicy kierunkowej w celu udostępnienia złoża przecznicami polowymi.

Podszybie, szyb z przecznicą połączony jest za pośrednictwem podszybia to jest zespołu wyrobisk znajdujących się w bezpośrednim sąsiedztwie szybu na danym poziomie. Stanowią je: wlot do szybu, komora przyszybowa i inne wyrobiska usługowe dla danego poziomu takie jak komory pomp, zajezdnie lokomotyw, składy materiałów wybuchowych, komory przeciwpożarowe, sanitarne, magazyny, warsztaty itp.

3. Wyrobiska przygotowawcze

Udostępniony pokład (lub inne złoże) przygotowuje się do wybierania dzieląc go na pola wybierania. Podziału tego dokonuje się za pomocą wyrobisk korytarzowych zwanych przygotowawczymi, które w czasie wybierania pola będą służyć do odstawy urobku, dostawy materiałów, ruchu ludzi, doprowadzenia powietrza, energii, podsadzki itd.

Do wyrobisk przygotowawczych należą chodniki, pochylnie, dowierzchnie, upadowe, przecinki itp.

Chodniki są to górnicze wyrobiska korytarzowe prowadzone poziomo lub prawie poziomo (do 5⁰ nachylenia), niemające bezpośredniego wyjścia na powierzchnię ziemi. Drążone są w złożu i w zależności od przeznaczenia mogą być podstawowe, podścianowe, nadścianowe itp.

Dowierzchnią jest każde pochyłe wyrobisko korytarzowe łączące dwa lub więcej punktów znajdujących się na różnych poziomach, wydrążone mniej więcej równolegle do linii nachylenia pokładu.

Dowierzchnię dostosowaną do transportu w niej urobku nazywa się:

— pochylnią, jeżeli urobek opuszczany jest z góry w dół;

— upadową, jeżeli urobek jest wyciągany z dołu do góry.

Ze względu na przeznaczenie rozróżnia się chodniki i pochylnie:

— przewozowe, którymi przewozi się urobek;

— transportowe do transportu materiałów;

— dojazdowe dla przejścia ludzi;

— wodne do odprowadzenia wody;

— podsadzkowe do doprowadzenia podsadzki itp.

4. Wyrobiska wybierkowe

Wyrobiska, w których dokonuje się wybierania kopaliny użytecznej, noszą nazwę wyrobisk wybierkowych. Po wybraniu kopaliny wyrobiska te ulegają likwidacji.

W wyrobiskach wybierkowych zasadniczymi czynnościami wybierania są urabianie złoża oraz ładowanie i odstawa urobku.

Do wyrobisk wybierkowych należą: zabierki, komory, ubierki i ściany.

IV. Wyznaczanie granic obszaru górniczego

1. Granice obszaru górniczego

Jednostką gospodarczą eksploatującą złoże jest kopalnia. Kopalnia eksploatuje złoże w ściśle określonej partii nazywanej obszarem górniczym. Granicami obszaru górniczego są linie na powierzchni ziemi i przechodzące przez nie płaszczyzny pionowe. O wyborze granic obszaru górniczego decydują następujące podstawowe czynniki:

- granice naturalne, którymi mogą być duże uskoki, zaburzenia, wymycia utworów karbońskich itp.;

- granice czynnych już kopalń, przy czym należy uwzględniać możliwości rozwojowe, kopalń istniejących jak i projektowanych;

- granice znacznych zmian zasobności złoża;

- jednorodność złoża pod względem geologiczno-górniczym, jak np. te same typy węgla, jednakowe grupy stratygraficzne itp.

Przy projektowaniu nowych obszarów górniczych dąży się do tworzenia dużych jednostek produkcyjnych, w miarę możności osiągających wielkość wydobycia od 10 do 25 tys. ton/dobę i więcej.

2. Lokalizacja zakładu górniczego

Lokalizacja zakładu górniczego polega na wyznaczaniu miejsca usytuowania wszystkich jego obiektów i urządzeń na powierzchni niezbędnych dla prowadzenia procesu produkcyjnego.

Właściwa lokalizacja zapewnia funkcjonalność przyjętego przestrzennego układu obiektów i wpływa w znacznym stopniu na: czas budowy kopalni, pewność ruchu zakładu, efektywny czas pracy załogi, koszty transportu, efektywność systemu wentylacyjnego i bezpieczeństwo pracy.

Na lokalizację szybów i obiektów na powierzchni wpływają warunki terenowe powierzchni, rodzaj warstw podłoża i warunki górnicze.

Warunki terenowe dla założenia zabudowań i urządzeń na powierzchni kopalni wymagają, aby zapewnić najmniejszy ruch mas ziemnych w toku budowy, umożliwiać odprowadzenie ścieków, przeprowadzać najmniej wyburzeń i zapewnić możliwość doprowadzenia bocznicy kolejowej.

Rodzaj warstw podłoża powinien zapewniać możliwość budowy zakładu przeróbki węgla, maszyn wyciągowych, nadszybi itp.,

Warunki górnicze powinny zapewniać:

— uzyskanie minimum transportu dołowego;

— uzyskanie najkrótszych dróg udostępniających złoże;

— minimum zasobów uwięzionych w filarze ochronnym zakładu głównego, a w szczególności głównych podszybi i objazdów.

V. Modele przestrzenne kopalń węgla kamiennego.

Czynnikami decydującymi o jego strukturze są:

— kształt obszaru górniczego;

— naturalne warunki zalegania - złoża (zasobność złoża, liczba i rozmieszczenie wzajemne pokładów, nachylenie pokładów, tektonika itp.);

— zagrożenia naturalne.

W polskim górnictwie węglowym stosowane są modele:

— węglowy (złożowy, przecznicowy);

— kamienny (geometryczny);

— kamienno-węglowy (mieszany).

Model węglowy złożony jest z szybów i przecznic wydrążonych od szybów w kierunku prostopadłym do rozciągłości pokładów (rys.3). Zakres robót kamiennych jest tu minimalny. Model ten stosuje się najczęściej w obszarach górniczych o kształcie wydłużonym po linii nachylenia.

Model węglowy

czek.eu

Rys. 3. Model węglowy

Model kamienny złożony jest z szybów, przecznic i przekopów kierunkowych wydrążonych w skałach płonnych równolegle do rozciągłości pokładów. Z przekopów tych udostępnia się pola eksploatacyjne za pomocą przecznic polowych lub przecznic polowych i szybików.

Model kamienny

Rys. 4. Model kamienny

VI. Podstawowe obiekty i urządzenia powierzchniowe

Zadanie domowe.

Narysuj rozmieszczenie obiektów na powierzchni kopalni.

Zebrał i opracował: Czesław Zając marzec2007r, luty 2015r, styczeń 2017, grudzień 2017

Bibliografia:

-Bielewicz. T, Prus B., Górnictwo, Wydawnictwo Śląsk 1984 r.

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

- Poradnik górnika, Wydawnictwo Śląsk 1972 r.

- Bielewicz. T, Prus B., Honysz J. Górnictwo, Wydawnictwo Śląsk 1993 r.

- Korman J. Górnictwo Wydawnictwo Śląsk 1972 r.