7.5. Условия залегания, добычи и транспортировки

Угольное месторождение – пространственно обособленная площадь распространения угленосной формации, содержащая угольные пласты, разработка которых экономически целесообразна. Границы угольного месторождения обычно определяются контурами эрозионного среза угленосной формации (частей её разреза, включающих рабочие пласты), разрывными нарушениями, приводящими угленосные отложения в контакт с безугольными комплексами пород, литолого-фациальными (например выклинивание угольных пластов) и структурными особенностями залегания угленосных отложений. При наклонном и крутом залегании угленосных отложений границы угольных месторождений на глубине принимаются по горизонту, до которого технико-экономическими расчётами (кондициями) подтверждена целесообразность его разработки. Особенности угленосности угольных месторождений крайне разнообразны: совокупность месторождений охватывает диапазон от однопластовых (по рабочей мощности) до многопластовых с различной мощностью, строением и выдержанностью этих параметров для отдельных пластов.

Для угольных месторождений характерны также следующие горно-геологические условия: значительное (десятки км 2) площадное распространение угольных пластов (залежей) при преимущественно небольшой их мощности, что определяет относительно крупные размеры площадей шахтных полей, а также вскрываемых и подготавливаемых к отработке участков; резкое различие в вещественном составе и свойствах угля и вмещающих его пород (исключая локальные случаи перехода угля в углистые породы). Почти всем место

рождениям каменных и частично бурых углей повышенной степени углефикации присуща метаноносность. Газодинамические явления (интенсивное выделение метана при разрушении угольного массива, внезапные его выбросы с углём или породой) крайне осложняют ведение горных работ.

В промышленное освоение вовлекаются месторождения целиком (в их геологических границах) или частями (крупные месторождения) с запасами угля, обеспечивающими работу угледобывающих предприятий (при установленной проектной мощности) в течение нормативного срока и в перспективе.

Различное сочетание характера угленосности и степени нарушенности угольных пластов, а также сложности горно-геологических условий их разработки положено в основу установленной классификации запасов твёрдых пород и группировки угольных месторождений (частей крупных месторождений – самостоятельных объектов разработки) и используется при выборе рациональной методики геологоразведочных работ, геолого-промышленной оценке разведанных объектов.

Угольный бассейн – крупная по размерам и масштабу углепроявления площадь непрерывного или островного (территориально разобщённого) распространения угленосных формаций, образование которых явилось следствием геологического развития в определённый период истории Земли, единой тектонической структуры. Границы угольного бассейна определяются эрозионным срезом угленосных отложений или крупными разломами, приводящими эти отложения в контакт с неугленосными образованиями. Угольный бассейн подразделяется: по возрасту углеобразования в соответствии с принятым геохронологическим делением – на периоды или эпохи (палеозойские, мезозойские, кайнозойские, каменноугольные, пермские, юрские, меловые, палеогеновые и т.п.); по условиям торфои углеобразования – на паралические и лимнические; по природным типам угля – на буроугольные, каменноугольные и антрацитовые; по положению угленосных формаций относительно дневной поверхности – на открытые (обнажённые) и закрытые, в которых угленосные формации перекрыты отложениями более молодого возраста.

Первый документ о специальной разработке залежей каменных углей относится к 1239 г., когда было официально разрешено в Нью-Кестле (Англия) добывать уголь в целях снабжения им жителей Лондона для отопления жилищ. В XIII столетии начинается регулярная добыча угля для домашнего отопления в Бельгии, а в XIV в. – в Германии и во Франции.

 

Бокий Борис Иванович [11(23).7.1873 – 13.3. 1927], русский учёный в области горного дела. После окончания Петербургского горного института (1895) работал на шахтах Донбасса, где внедрил прогрессивную для того времени сплошную систему разработки (взамен столбовой), внёс коренные улучшения в технологию подземной добычи угля. В 1906 защитил диссертацию «Выбор системы работ при разработке свиты пластов» и в том же году получил звание адъюнкт-профессора, с 1908 экстраординарный, а с 1914 ординарный профессор Петербургского горного института. С 1921 состоял членом Научно-технического совета Главного горного управления ВСНХ РСФСР, а затем ВСНХ СССР, активно участвовал в восстановлении и реконструкции горной промышленности страны (тресты «Донуголь», «Югосталь» и др.). Бокий – основоположник аналитического метода проектирования горных предприятий. В трёхтомном «Практическом курсе горного искусства» (1914) дал систематическое изложение основных процессов горного дела, в 1924 издана капитальная работа Бокия «Аналитический курс горного искусства».

Общее число угольных бассейнов мира достигает нескольких сотен, в СНГ известны более

30. Украина обладает Донецким каменноугольным, Днепровским буроугольным, ЛьвовскоВолынским и другими угольными бассейнами. Концентрация запасов во многих угольных бассейнах обеспечивает возможность организации крупномасштабной добычи угля, достигающей десятков и сотен млн. т в год. Промышленное освоение таких угольных бас

сейнов сопровождается территориальным совмещением угледобывающих предприятий с предприятиями по переработке и использованию добываемых углей и параллельной разработкой месторождений других видов.

Угольный пласт – форма залегания ископаемых углей в виде плитои линзообразных тел с небольшой в сравнении с площадью распространения мощностью. В угленосных формациях, образовавшихся в крупных прогибах пригеосинклинальных и складчатых областей (Донецкий, Печорский, Кузнецкий, Карагандинский и другие бассейны), мощность угольных пластов колеблется от десятков сантиметров до нескольких метров (единичных – 10–25 м). При этом мощность многих пластов выдерживается на площадях в десятки и сотни квадратных километров. Внутриплатформенным месторождениям (Подмосковный, Днепровский, Южно-Уральский и другие бассейны) более свойственна линзовидная форма угольного пласта с меньшими (единицы – десятки км 2) площадями распространения и большей степенью изменчивости морфологии и мощностей, которая в залежах некоторых месторождений достигает десятков и несколько сотен метров. Угольные пласты могут быть простого (без прослоев различных горных пород) строения, представлены однородными или полосчатыми (из двух и более литотипов) углями. В большей части они имеют сложное строение с различным числом прослоев горных пород. Значительно распространены угольные пласты (залежи) очень сложного строения, представленные многократным чередованием в их разрезе слоев угля и горных пород. Контакты угля с вмещающими пластами, породами могут быть резкими с отчётливо выраженным ритмичным переслаиванием.

Весной 1888 г. по заданию министра государственных имуществ М.Н. Островского (брата драматурга А.Н. Островского) Дмитрий Иванович Менделеев совершает большую поездку по Донецкому краю. Цель командировки – выяснить причины бесхозяйственности при добыче и вывозе каменного угля. К делу Д.И. Менделеев отнесся со свойственным ему энтузиазмом, о чем свидетельствует название серии его очерков-отчетов о поездке: «Будущая сила, покоящаяся на берегах Северного Донца» («будущей силой» Менделеев образно называл каменный уголь).

В поездке Д.И. Менделеев интересовался не только вопросами организации добычи угля и промышленного транспорта, но и положением рабочих и крестьян в Донбассе, а также проблемами политической экономии. Некоторые исследователи считают, что именно в этой поездке он пришел к выводу, что каменноугольные запасы, как и другие ископаемые, должны быть не частной, а государственной собственностью.

 

Изотов Никита Алексеевич [27.1(9.2).1902–14.1.1951], рабочий-шахтёр, инициатор массового обучения молодых рабочих кадровыми рабочими, один из зачинателей стахановского движения. Работая забойщиком шахты № 1 «Кочегарка» (Горловка), Изотов добился высокой производительности труда. В 1933 г. организовал на шахте участок – школу для повышения квалификации молодых забойщиков посредством инструктажа на рабочем месте. Школы под названием «изотовских» получили широкое распространение.

На общей площади распространения почти любого угольного пласта выделяются разномасштабные (по размерам) зоны: слитного (компактного), умеренно расслоенного состояния, интенсивного расщепления и выклинивания.

На многих месторождениях Кузнецкого, Канско-Ачинского и других бассейнов, месторождениях Забайкалья на выходах угольных пластов развиты зоны древнего выгорания угля, которые распространены на глубину от десятков до сотни метров и простираются от сотен метров до десятков километров.

В практике подземной разработки углей и соответственно разведки и геолого-экономической оценки угольных месторождений угольные пласты по углу падения и мощности подразделяются на следующие группы: по углу падения – пологие (до 18°), наклонные (19–35°), крутонаклонные (36–55°) и крутые (56–90°); по мощности – весьма тонкие (до 0,7 м), тонкие (0,71–1,2 м), средней мощности (1,25–3,5 м), мощные (более 3,51 м). В разработке каменных углей значительная доля подземной угледобычи приходится на тонкие пласты. Нижний предел рабочей мощности угольных пластов (каменные коксующиеся угли) в Донбассе – до 0,5–0,55 м для пластов, содержащих угли особо ценных марок (Ж, К, ОС), и до 0,6 м для пластов, содержащих угли других используемых для коксования марок. Для подсчёта запасов бурых углей наименьшая мощность угольного пласта устанавливается в пределах 1–1,3 м. В общем числе угольных пластов мощностью более 1 м, заключённых в 163 разведанных месторождениях СНГ с мощными и сверхмощными угольными пластами, количество пластов с мощностью более 10 м составляет 9,6%, более 30 м – 2,3% (1985). Содержащиеся в таких пластах запасы угля составляют около 30% общих разведанных в СНГ балансовых запасов. Эти угольные пласты являются объектами эффективной открытой разработки. Самые уникальные по мощности угольные пласты заключены в Экибастузском бассейне (до 160 м), в месторождениях Коркинском, Ангренском (до 200 м), Бабаевском (до 125 м) и Хабаровском (100 м) Южно-Уральского бассейна, Кзыл-Тальском (до 165 м) Тургайского бассейна. В других странах наибольшей мощности угольные пласты достигают на месторождении Фушунь в КНР, в бассейне Латроб-Валли в Австралии, на месторождении Хат-Крик в Канаде (соответственно 200, 340 и 450 м).

Бахмутский Алексей Иванович (1893–25.09.1939), советский изобретатель, создавший первый в мире промышленный образец угольного комбайна, практическое применение которого началось в 1932 г. В 1939 г. Горловский завод им. Кирова выпустил серию комбайнов (5 машин), которые работали на шахтах Донбасса.

Рис. 7.14. Схема разработки Экибастузского месторождения (Казахстан)

Угол падения и мощность угольного пласта в значительной степени определяют системы его разработки и способы управления кровлей в очистных забоях, механизацию очистных работ и т. п.

Уголь добывается из недр Земли с помощью либо открытых горных выработок, либо шахтных. Каждое угледобывающее предприятие имеет земельные и горные отводы, вскрытые и подготовленные к выемке кондиционные запасы, обеспечивающие нормальное развитие горных работ на длительный период.

Основными горными выработками открытой разработки угля являются капитальные траншеи, обеспечивающие доступ к угольному месторождению, и разрезные траншеи, подготавливающие карьерное поле к вскрышным и добычным работам.

Открытая разработка месторождений обеспечивает более высокую степень извлечения угля из недр, большую производительность труда и мощность предприятия, улучшение условий труда по сравнению с шахтной добычей. Применение открытой системы разработки предпочтительнее, когда пласты угля имеют большую мощность и залегают на сравнительно малой глубине.

Рис. 7.15. Бестранспортная схема разработки нижнего уступа на Березовском разрезе (Кузбасс, Россия)

Работа угольной промышленности связана с ухудшением экологической обстановки в районах добычи и переработки угольной продукции. Только в угольных районах Украины имеются более 1200 породных отвалов, около 200 шламовых отстойников и илонакопителей, содержимое которых не только занимает огромные территории, но и загрязняет водные и воздушные бассейны районов расположения шахт, углеобогатительных фабрик, коксохимических заводов.

Рис. 7.16. Шагающий экскаватор, применяемый для вскрышных работ

Рис. 7.17. Роторный экскаватор для добычных работ на разрезах

Рис 7.18. Схемы вскрытия свиты пластов при шахтной разработке месторождения: а – отдельными вертикальными стволами на каждый пласт; б – отдельными наклонными стволами по каждому пласту; в – вертикальным стволом с квершлагом; г – наклонным стволом с квершлагом; д – наклонным стволом по одному из пластов с гезенком; ж – вертикальным стволом с самостоятельным подъемным горизонтом на каждом пласте; з – наклонным стволом по породе с самостоятельным подъемным горизонтом на каждом пласте

Рис. 7.19. Схема шахты, разрабатывающей пологие угольные пласты, вскрытые стволами и капитальным квершлагом при наличии третьего (вентиляционного) ствола: 1 – вентиляционный штрек; 2 – очистной забой; 3 – откаточный штрек; 4 – бремсберг; 5 – ходки; 6 – сооружение ствола; 7 – здание сортировки; 8 – сооружение вспомогательного ствола; 9 – административное здание; 10 – электроподстанция; 11 – лесной склад; 12 – породный бункер; 13 – аварийный склад угля; 14 – сооружение второго вентиляционного ствола

Рис. 7.20. Общий вид шахтной поверхности со сблокированными зданиями и сооружениями: 1– блок главного ствола; 2 – административно3бытовой комбинат; 3 – блок вспомогательного ствола; 4 – главный корпус обогатительной фабрики; 5 – корпус сортировки и погрузки угля; 6 – резервные бункера

Открытый способ добычи природных каменных материалов применялся еще в глубокой древности. На протяжении нескольких тысячелетий его развитие сдерживалось мускульным характером труда, примитивностью орудий. Изобретение пороха, а затем взрывчатых веществ позволило механизировать наиболее трудоемкий процесс – отделение скальных горных пород от массива, но отсутствие эффективных погрузочно-транспортных средств сдерживало широкое применение открытых разработок, и только с началом создания карьерной техники, способной механизировать основные производственные процессы (выемку, погрузку, транспортирование горной массы, отвалообразование), стало возможным развитие этого прогрессивного способа добычи. В конце XIX века в карьерах появились экскаваторы, ставшие основным классом машин для открытой разработки месторождений.

В ХХ веке разработка и освоение необходимой высокопроизводительной техники позволили полностью механизировать разработку угольных месторождений открытым способом. В настоящее время открытая система разработки угля и других полезных ископаемых широко применяется в мире. В Украине путем открытой разработки добываются бурые угли Днепровского месторождения.

Основные технологические процессы открытой разработки угля включают подготовительные работы (создание фронта вскрышных и добычных работ), добычу, транспортировку, складирование и отгрузку угля потребителям.

На рис. 7.14–7.17 представлены схемы разработки открытым способом двух месторождений, а также образцы техники, применяемой при вскрышных работах добычи угля.

Несмотря на интенсивное развитие в ХХ веке разработки залежей угля открытым способом, шахтный способ к концу столетия обеспечивал около 70% добычи каменных и 10% добычи бурых углей. В связи с отработкой вышестоящих горизонтов глубины угольных шахт в настоящее время доходят до отметок 1300–1500 м.

На рис. 7.18 изображены варианты схем вскрытия свиты пластов на шахтном поле вертикальными и наклонными стволами.

Шахта представляет собой производственное предприятие, имеющее подземное хозяйство и поверхностный технологический комплекс (рис. 7.19).

Подземное хозяйство шахты состоит из сети вертикальных или наклонных стволов, капитальных подземных выработок (уклонов, бремсбергов), подготовительных и очистных забоев (штреков откаточных, вентиляционных, добычных лав), добычной техники (очистные комплексы), транспортных устройств перемещения угля, породы и грузов, а также выдачи их на поверхность и др.

Поверхностный комплекс шахты включает здания и сооружения, обеспечивающие ее энергоснабжение, вентиляцию горных выработок, приемку угля и породы, выдаваемых из шахты, обогатительную установку или фабрику, породное и шламовое хозяйство.

Общий вид шахтной поверхности со сблокированными зданиями и сооружениями представлен на рис. 7.20.