Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Вугільне родовище – просторово обмежена площа розповсюдження вугленосної формації, що вміщує вугільні пласти, розробка яких економічно доцільна. Межі вугільних родовищ звичайно визначаються контурами ерозійного зрізу вугленосної формації (частин її розрізу, що містять робочі пласти), розривними порушеннями, які приводять вугленосні відкладення у контакт з безвугільними комплексами порід, літолого-фаціальними (наприклад виклинювання вугільних пластів) і структурними особливостями залягання вугленосних відкладень. При похилому та крутому заляганні вугленосних відкладень межі вугільних родовищ на глибині приймаються за горизонтом, до якого техніко-економічними розрахунками (кондиціями) підтверджена доцільність їх розробки.

Особливості вугленосності вугільних родовищ надто різноманітні: сукупність родовищ охоплює діапазон від однопластових (за робочою потужністю) до багатопластових з різною потужністю, будовою та витриманістю цих параметрів для окремих пластів.

Для вугільних родовищ характерні також такі гірничо-геологічні умови: значне (десятки км²) площове розповсюдження вугільних пластів (покладів) при переважно невеликій їх потужності, що визначає відносно великі розміри площ шахтних полів, а також розкриваних і підготовлених до відробки дільниць; різка різниця в речовинному складі та властивостях вугілля і порід, які вміщують його (виключаючи локальні випадки переходу вугілля у вуглисті породи). Майже всім родовищам кам'яного і частково бурого вугілля підвищеного ступеня вуглефікації властива метаноносність. Газодинамічні явища (інтенсивне виділення метану при руйнуванні вугільного масиву, раптові його викиди з вугіллям чи породою) вкрай ускладнюють провадження гірничих робіт. До промислового освоєння залучаються родовища цілком (в їх геологічних межах) або частинами (великі родовища) із запасами вугілля, які забезпечують роботу вуглевидобувних підприємств (при встановленій проектній потужності) протягом нормативного терміну та в перспективі.

Різне поєднання характеру вугленосності та ступеня порушення вугільних пластів, а також складності гірничо-геологічних умов їх розробки покладені в основу встановленої класифікації запасів твердих порід і групування вугільних родовищ (частин великих родовищ – самостійних об'єктів розробки) і використовується при виборі раціональної методики геологорозвідувальних робіт, геолого-промисловій оцінці розвіданих об'єктів.

Вугільний басейн – велика за розміром і масштабом вуглепроявлення площа безперервного чи острівного (територіально роз'єднаного) розповсюдження вугленосних формацій, утворення яких стало наслідком геологічного розвитку в певний період історії Землі єдиної тектонічної структури. Межі вугільного басейну визначаються ерозійним зрізом вугленосних відкладень або великими розломами, які приводять ці відкладення у контакт з невугленосними утвореннями. Вугільний басейн підрозділяється: за віком вуглеутворення у відповідності з прийнятим геохронологічним розподіленням – на періоди або епохи (палеозойські, мезозойські, кайнозойські, кам'яновугільні, пермські, юрські, крейдові, палеогенові тощо); за умовами торфоі вуглеутворення – на паралічні та лімнічні; за природними типами вугілля – на буровугільні, кам'яновугільні та антрацитові; за місцезнаходженням вугленосних формацій відносно денної поверхні – на відкриті (оголені) та закриті, в яких вугленосні формації перекриті відкладеннями молодшого віку.

Перший документ про спеціальну розробку покладів кам'яного вугілля відноситься до 1239 року, коли було офіційно дозволено у Ньюкастлі (Англія) видобувати вугілля з метою постачання його мешканцям Лондону для опалення помешкань. У ХІІІ сторіччі розпочинається регулярне видобування вугілля для домашнього опалення в Бельгії, а в XIV ст. – в Німеччині та Франції.

Бокій Борис Іванович
[11(23).7.1873–13.3.1927] – російський вчений в галузі гірничої справи. Після закінчення Петербурзького гірничого інституту (1895) працював на шахтах Донбасу, де впровадив прогресивну для того часу суцільну систему розробки (замість стовпової), вніс докорінні поліпшення у технологію підземного видобутку вугілля. У 1906 р. захистив дисертацію «Вибір системи робіт при розробці світи пластів» і у тому ж році отримав звання ад'юнктпрофесора, з 1908 р. екстраординарний, а з 1914 р. ординарний професор Петербурзького гірничого інституту. З 1921 р. був членом Науково-технічної ради Головного гірничого управління ВРНГ СРСР, брав активну участь у відновленні та реконструкції гірничої промисловості (трести «Донвугілля», «Південсталь» тощо). Б.І. Бокій – основоположник аналітичного методу проектування гірничих підприємств. У трьохтомному «Практичному курсі гірничого мистецтва» (1914) він дав систематичний виклад основних процесів гірничої справи, у 1924 р. видана капітальна праця Б.І. Бокія «Аналітичний курс гірничого мистецтва».

Загальне число вугільних басейнів світу досягає кількох сотень, в СНД відомі більш 30. Україна володіє Донецьким кам'яновугільним, Дніпровським буровугільним, Львівсько-Волинським та іншими вугільними басейнами. Концентрація запасів у багатьох вугільних басейнах забезпечує можливість організації великомасштабного видобутку вугілля, який сягає десятків і сотень млн.т на рік. Промислове освоєння таких вугільних басейнів супроводжується територіальним суміщенням  вуглевидобувних підприємств з підприємствами по переробці та використанню видобутого вугілля та паралельною розробкою родовищ інших видів.

Вугільний пласт – форма залягання викопного вугілля у вигляді плитоі лінзоподібних тіл з невеликою в порівнянні з площею розповсюдження потужністю. У вугленосних формаціях, які утворилися у великих прогинах пригеосинклінальних і складчастих областей (Донецький, Печорський, Кузнецький, Карагандинський та інші басейни), потужність вугільних пластів коливається від десятків сантиметрів до декількох метрів (одиничних – 10–25 м). При цьому потужність багатьох пластів витримується на площах у десятки і сотні квадратних кілометрів. Внутрішньоплатформним родовищам (Підмосковний, Дніпровський, ПівденноУральський та інші басейни) більш властива лінзоподібна форма вугільного пласта з меншими (одиниці – десятки км2) площами розповсюдження та більшим ступенем змінювання морфології і потужностей, яка в покладах деяких родовищ досягає десятків і декількох сотень метрів. Вугільні пласти можуть бути простої (без прошарків різних гірничих порід) будови, представлені однорідним чи смужкуватим (з двох чи більше літотипів) вугіллям. У більшій частині вони мають складну будову з різним числом прошарків гірничих порід. Значно поширені вугільні пласти (поклади) дуже складної будови, які представлені багаторазовим чергуванням в їх розрізі шарів вугілля та гірничих порід. Контакти вугілля з вміщуючими пластами, породами можуть бути різкими з чітко вираженим ритмічним перешаруванням.

Весною 1888 року за завданням міністра державного майна М.М. Островського (брата драматурга О.М. Островського) Дмитро Іванович Менделєєв здійснює велику подорож Донецьким краєм. Мета відрядження – з'ясувати причини безгосподарності при видобутку і вивозі кам'яного вугілля. До справи Д.І. Менделєєв поставився з властивим йому ентузіазмом, про що свідчить назва його нарисів-звітів щодо поїздки: «Майбутня сила, яка покоїться на берегах Сіверського Донця» («майбутньою силою» Менделєєв образно називав кам'яне вугілля). У поїздці Д.І. Менделєєв цікавився не лише питаннями організації видобутку вугілля та промислового транспорту, але й станом робітників і селян в Донбасі, а також проблемами політичної економії. Деякі дослідники вважають, що саме у цій подорожі він прийшов до висновку, що кам'яновугільні запаси, як й інші копалини, повинні бути не приватною, а державною власністю.

Ізотов Микита Олексійович
[27.1(9.2).1902–14.1.1951] – робітник-шахтар, ініціатор масового навчання молодих робітників кадровими робітниками, один із зачинателів стахановського руху. Працюючи вибійником шахти № 1 «Кочегарка» (Горлівка), Ізотов досяг високої продуктивності праці. У 1933 р. організував на шахті дільницю – школу для підвищення кваліфікації молодих вибійників шляхом інструктажу на робочому місці. Школи під назвою «ізотовських» знайшли широке розповсюдження.

На загальній площі розповсюдження майже будь-якого вугільного пласта виділяються різномасштабні (за розмірами) зони: суцільного (компактного), помірно розшарованого стану, інтенсивного розщеплення та виклинення.

На багатьох родовищах Кузнецького, Кансько-Ачинського та інших басейнів, родовищах Забайкалля на виходах вугільних пластів розвинені зони давнього вигоряння вугілля, які розповсюджуються на глибину від десятків до сотень метрів і простягаються від сотень метрів до десятків кілометрів.

У практиці підземної розробки вугілля і відповідно розвідки і геолого-економічної оцінки вугільних родовищ вугільні пласти за  кутом падіння і потужністю підрозділяються на наступні групи: за кутом падіння – пологі (до 18°), нахилені (19–35°), крутонахилені (36–55°) та круті (56–90°); за потужністю – дуже тонкі (до 0,7 м), тонкі (0,71–1,2 м), середньої потужності (1,25–3,5 м), потужні (більше 3,51 м). При розробці кам'яного вугілля значна частка підземного вуглевидобутку припадає на тонкі пласти. Нижня межа робочої потужності вугільних пластів (кам'яне коксівне вугілля) в Донбасі – до 0,5–0,55 м для пластів, які містять вугілля особливо цінних марок (Ж, К, ОС), і до 0,6 м для пластів, які містять вугілля інших марок, що використовують для коксування. Для підрахунку запасів бурого вугілля найменша потужність вугільного пласта встановлюється в межах 1–1,3 м. У загальній кількості вугільних пластів потужністю більше 1 м, наявних в 163 розвіданих родовищах СНД з потужними й надпотужними вугільними пластами, кількість пластів з потужністю більш 10 м складає 9,6%, більш 30 м – 2,3% (1985). Запаси вугілля, які містяться в таких пластах, складають біля 30% загальних розвіданих в СНД балансових запасів. Ці вугільні пласти є об'єктами ефективної відкритої розробки. Найунікальніші за потужністю вугільні пласти знаходяться в Екибастузькому басейні (до 160 м), в родовищах Коркинському, Ангренському (до 200 м), Бабаєвському (до 125 м) і Хабаровському (100 м) Південно-Уральського басейну, Кзил-Тальському (до 165 м) Тургайського басейну. В інших країнах найбільшої потужності вугільні пласти досягають в родовищі Фушунь в КНР, в басейні Латроб-Валлі в Австралії, в родовищі Хат-Крик в Канаді (відповідно 200, 340 и 450 м).

Бахмутський Олексій Іванович (1893–25.09.1939) – радянський винахідник, створивший перший в світі промисловий зразок вугільного комбайну, практичне застосування якого почалося у 1932 р. У 1939 р. Горлівський завод ім. Кірова виготував серію комбайнів (5 машин), котрі працювали на шахтах Донбасу. 

Мал. 7.14. Схема розробки Екибастузького родовища (Казахстан)Кут падіння та потужність вугільного пласта в значній мірі визначають системи його розробки і способи керування покрівлею в очисних забоях, механізацією очисних робіт тощо.

Вугілля видобувається з надр Землі за допомогою або відкритих гірничих виробок, або шахтних. Кожне вуглевидобувне підприємство має земельні та гірничі відводи, розкриті та підготовлені до виймання кондиційні запаси, які забезпечують нормальний розвиток гірничих робіт на тривалий період.

Основними гірничими виробками відкритої розробки вугілля є капітальні траншеї, які забезпечують доступ до вугільного родовища, і розрізні траншеї, які готують кар'єрне поле задля розкривних і видобувних робіт.

Відкрита розробка родовищ забезпечує більш високий ступінь видобутку вугілля з надр, більшу продуктивність праці та потужність підприємства, поліпшення умов праці в порівнянні з шахтним видобутком. Застосування відкритої системи розробки краще, якщо пласти вугілля мають більшу потужність і залягають на порівняно малій глибині.

Відкритий спосіб видобутку природних кам'яних матеріалів застосовувався ще в далекій давнині. Протягом декількох тисячоліть його розвиток стримувався мускульним характером праці, примітивністю знаряддя. Винахід пороху, а потім вибухових речовин дозволив механізувати найбільш трудомісткий процес – відділення скельних гірничих порід від масиву, але відсутність ефективних вантажно-транспортних засобів стримувала широке застосування відкритих розробок, і тільки з початком створення кар'єрної техніки, здатної механізувати основні виробничі процеси (виймання, завантаження, транспортування гірничої маси, відвалоутворення), став можливим розвиток цього прогресивного способу видобутку. Наприкінці XIX століття в кар'єрах з'явились екскаватори, які стали головним класом машин для відкритої розробки родовищ.Мал. 7.15. Безтранспортна схема розробки нижнього уступу на Березівському розрізі (Кузбас, Росія)

Робота вугільної промисловості пов'язана з погіршенням екологічної ситуації в районах видобутку і переробки вугільної продукції. Тільки у вугільних районах України є більше 1200 породних відвалів, біля 200 шламових відстійників і мулонакопичувачів, вміст яких не лише займає величезні території, але і забруднює водні й повітряні басейни районів розташування шахт, вуглезбагачувальних фабрик, коксохімічних заводів.

Мал. 7.16. Крокуючий екскаватор, який використовується для розкривних робіт

Мал. 7.17. Роторний екскаватор для видобувних робіт на розрізах

Image 244 Мал. 7.18. Схеми розкриття світи пластів при шахтній розробці родовища:
а – окремими вертикальними стволами на кожний пласт; б – окремими похилими стволами по кожному пласту; в – вертикальним стволом з квершлагом; г – похилим стволом з квершлагом; д – похилим стволом по одному із пластів з гезенком;
ж – вертикальним стволом із самостійним підйомним горизонтом на кожному пласті;
з – похилим стволом по породі із самостійним підйомним горизонтом на кожному пласті

Мал. 7.19. Схема шахти, яка розробляє пологі вугільні пласти, розкриті стволами і капітальним квершлагом за наявності третього (вентиляційного) ствола:
1 – вентиляційний штрек; 2 – очисний вибій; 3 – відкатний штрек; 4 – бремсберг; 5 – ходки; 6 – спорудження ствола; 7 – будівля сортування; 8 – спорудження допоміжного ствола; 9 – адміністративна будівля;
10 – електропідстанція; 11 – лісовий склад; 12 – породний бункер; 13 – аварійний склад вугілля;
14 – спорудження другого вентиляційного стволаМал. 7.20. Загальний вид шахтної поверхні зі зблокованими будівлями і спорудами:
1 – блок головного ствола; 2 – адміністративно/побутовий комбінат; 3 – блок допоміжного ствола; 4 – головний корпус збагачувальної фабрики; 5 – корпус сортування і навантаження вугілля; 6 – резервні бункери

У ХХ столітті розробка і освоєння необхідної високопродуктивної техніки дозволили повністю механізувати розробку вугільних родовищ відкритим способом. У теперішній час відкрита система розробки вугілля та інших корисних копалин широко застосовується у світі. В Україні шляхом відкритої розробки добувається буре вугілля Дніпровського родовища.

Основні технологічні процеси відкритої розробки вугілля включають підготовчі роботи (створення фронту розкривних і добувних робіт), видобуток, транспортування, складування та відвантаження вугілля споживачам.

На мал. 7.14–7.17 представлені схеми розробки відкритим способом двох родовищ, а також зразки техніки, яка застосовується при розкривних роботах видобутку вугілля.

Незважаючи на інтенсивний розвиток у ХХ столітті розробки покладів вугілля відкритим способом, шахтний спосіб на кінець століття забезпечував біля 70% видобутку кам'яного і 10% видобутку бурого вугілля. У зв'язку з відпрацюванням вищих горизонтів глибини вугільних шахт зараз доходять до відміток 1300–1500 м.

На мал. 7.18 зображено варіанти схем розкриття світи пластів на шахтному полі вертикальними та похилими стовбурами.

Шахта являє собою виробниче підприємство, яке має підземне господарство та поверхневий технологічний комплекс (мал. 7.19).

Підземне господарство шахти складається з мережі вертикальних або похилих стволів, капітальних підземних виробок (уклонів, бремсбергів), підготовчих і очисних забоїв (штреків відкатних, вентиляційних, добувних лав), добувної техніки (очисні комплекси), транспортного обладнання переміщення вугілля, породи і вантажів, а також видачі їх на поверхню тощо.

Поверхневий комплекс шахти містить будівлі та споруди, які забезпечують її енергопостачання, вентиляцію гірничих виробок, приймання вугілля і породи, що видаються з шахти, збагачувальну установку або фабрику, породне і шламове господарство.

Загальний вигляд шахтної поверхні із зблокованими будівлями і спорудами представлено на мал. 7.20.