Длинный забой — это форма подземной добычи угля , при которой длинный забой угля добывается одним слоем (обычно толщиной 0,6–6,0 м (2 фута 0 дюймов – 19 футов 8 дюймов)). Участок породы, который добывается, известный как панель длинного забоя, обычно имеет длину 3–4 км (1,9–2,5 мили), но может достигать 7,5 км (4,7 мили) в длину и 250–400 м (820–1310 футов) в ширину. Метод длинного забоя сравнивают с коротким забоем, камерно-столбовой и несколькими другими .
Основная идея добычи угля длинными забоями была разработана в Англии в конце 17 века, хотя, возможно, она была предвосхищена в доиндустриальную эпоху аналогичной техникой, которую использовали хопи северо -восточной Аризоны в 14 веке. [1] Шахтеры подрезали уголь по ширине угольного забоя, удаляя уголь по мере его падения, и использовали деревянные подпорки для контроля падения кровли за забоем. Это было известно как шропширский метод добычи. [2] Хотя технология значительно изменилась, основная идея осталась прежней: удалить по существу весь уголь из широкого угольного забоя и позволить кровле и вышележащей породе обрушиться в пустоту позади, при этом сохраняя безопасное рабочее пространство вдоль забоя для шахтеров.
Начиная примерно с 1900 года к этому методу стали применять механизацию. К 1940 году некоторые называли добычу угля длинными забоями «конвейерным методом» добычи, по названию наиболее значимой задействованной части оборудования. [3] В отличие от более ранней добычи угля длинными забоями, использование конвейерной ленты, параллельной угольному забою, заставляло разрабатывать забой по прямой линии. Единственным другим используемым оборудованием был электрический резак для подрезания угольного забоя и электрические буры для взрывных работ с целью опускания забоя. После опускания забоя использовался ручной труд для загрузки угля на конвейер параллельно забою и для установки деревянных подпорок для крыши, чтобы контролировать падение крыши.
Такие низкотехнологичные шахты с длинными забоями продолжали работать до 1970-х годов. Самым известным примером является шахта New Gladstone Mine около Сентервилла, штат Айова , «одна из последних продвигающихся шахт с длинными забоями в Соединенных Штатах». [4] Эта шахта с длинными забоями не использовала конвейерную ленту, вместо этого использовались пони для перевозки угольных бадей от забоя к склону , где подъемник вытаскивал бадьи на поверхность. [5] [6]
Длинная выемка широко использовалась в качестве завершающего этапа в старых шахтах с камерами и столбами . В этом контексте длинная выемка может быть классифицирована как форма отступающей выемки .
Штреки прокладываются к задней части каждой панели до начала добычи длинным забоем. Штрек вдоль одной стороны блока называется главным или головным; дорога с другой стороны называется задним. Там, где позволяет толщина угля, эти штреки были предварительно разработаны комбайнами непрерывного действия, поскольку сам длинный забой не способен к первоначальной разработке. Схема длинного забоя может быть либо «продвигающегося» типа, либо «отступающего» типа. При продвигающемся типе штреки формируются по мере продвижения угольного забоя. На более тонких пластах может использоваться метод подвигающейся длинной выемки. При отступающем типе панель представляет собой забой, соединяющий их оба. Только главный забой формируется перед забоем. Задняя выработка формируется за угольным забоем путем удаления камня выше уровня угля , чтобы сформировать штрек, который достаточно высок для проезда. Конец блока, который включает в себя оборудование длинного забоя, называется забоем. Другой конец блока обычно является одним из основных транспортных путей шахты.Полость за длинным забоем называется выработанным пространством, выработанным пространством или выработанным пространством. [7]
Обычно всасываемый (свежий) воздух проходит вверх по главному затвору, через забой, а затем вниз по хвостовому затвору, что известно как вентиляция типа «U». Пройдя забой, воздух больше не является свежим, а обратным воздухом, уносящим угольную пыль и шахтные газы, такие как метан , углекислый газ , в зависимости от геологии угля. Обратный воздух извлекается вентиляторами, установленными на поверхности. Могут использоваться другие методы вентиляции, когда всасываемый воздух также проходит через главный затвор и в выпускной канал или обратный путь, уменьшая выбросы газа из выработанного пространства в забой, или всасываемый воздух проходит вверх по хвостовому затвору и через забой в том же направлении, что и цепь забоя в гомотропной системе. [8]
Чтобы избежать самовозгорания угля в выработанном пространстве, газам можно позволить скапливаться за уплотнениями, чтобы исключить доступ кислорода из запечатанного выработанного пространства. Если выработанное пространство может содержать взрывоопасную смесь метана и кислорода, можно использовать инъекцию азота/инертизацию, чтобы исключить кислород или загнать взрывоопасную смесь глубоко в выработанное пространство, где нет вероятных источников возгорания. Уплотнения должны контролироваться каждую смену сертифицированным руководителем шахты на предмет повреждений и утечек вредных газов. [9]
Ряд гидравлических домкратов , называемых механизированными крепями, подкладками или щитами, которые обычно имеют ширину 1,75 м (5 футов 9 дюймов) и размещаются в длинную линию, бок о бок на протяжении до 400 м (1300 футов) в длину, чтобы поддерживать кровлю угольного забоя . Отдельная подкладка может весить 30–40 тонн, выдвигаться на максимальную высоту резания до 6 м (20 футов) и иметь номинальную мощность 1000–1250 тонн каждая, и гидравлически продвигаться на 1 м (3 фута 3 дюйма) за раз.
Уголь вырубается из угольного забоя машиной, называемой комбайном (мощный погрузчик). Эта машина обычно может весить 75–120 тонн и состоит из основного корпуса, в котором размещены электрические функции, тяговые двигатели для перемещения комбайна вдоль угольного забоя и насосные агрегаты (для питания как гидравлических, так и водяных функций). На обоих концах основного корпуса установлены выдвижные рычаги, которые могут выдвигаться вертикально вверх и вниз с помощью гидравлических домкратов, и на которых установлены режущие барабаны комбайна, которые оснащены 40–60 резцами. Внутри выдвижных рычагов размещены очень мощные электродвигатели (обычно до 850 кВт), которые передают свою мощность через ряд зубчатых передач внутри корпуса и через рычаги к местам крепления барабана на крайних концах выдвижных рычагов, где находятся режущие барабаны. Режущие барабаны вращаются со скоростью 20–50 об/мин для вырубки минерала из угольного пласта.
Очистной комбайн перемещается по всей длине забоя на бронированном конвейере (AFC); с использованием бесцепной системы транспортировки, которая напоминает прочную реечную систему, специально разработанную для горнодобывающей промышленности. До появления бесцепных систем транспортировки были популярны системы транспортировки с цепью, в которых вдоль длины угольного забоя проходила мощная цепь, чтобы очистной комбайн мог тянуть себя сам. Очистной комбайн движется со скоростью 10–30 м/мин (33–98 футов/мин) в зависимости от условий резания.
AFC размещается перед механизированными крепями, и срезающее действие вращающихся барабанов, врезающихся в угольный пласт, измельчает уголь, который загружается в AFC. Уголь удаляется из угольного забоя скребковым цепным конвейером к главному затвору. Здесь он загружается на сеть конвейерных лент для транспортировки на поверхность. У главного затвора уголь обычно измельчается в дробилке и загружается на первую конвейерную ленту балочным перегружателем (BSL).
Когда комбайн извлекает уголь, AFC змеится за комбайном, а механизированные крепи продвигаются вперед в новообразованную полость. По мере продвижения добычи и продвижения всего длинного забоя через пласт выработанное пространство увеличивается. Это выработанное пространство обрушается под тяжестью вышележащих слоев. Слои, примерно в 2,5 раза превышающие толщину удаленного угольного пласта, обрушаются, и слои выше оседают на обрушившемся выработанном пространстве. Это обрушение может снизить высоту поверхности, вызывая такие проблемы, как изменение русла рек и серьезное повреждение фундаментов зданий. [10]
Оба метода добычи — длинная забойная и камерно-столбовая — могут использоваться для добычи подходящих подземных угольных пластов. Длинная забойная система обеспечивает лучшее извлечение ресурсов (около 80% по сравнению с 60% при камерно-столбовой системе), [11] требуется меньше расходных материалов для крепи, более объемные системы очистки угля, минимальное ручное управление, а безопасность шахтеров повышается за счет того, что они всегда находятся под гидравлическими крепями, когда извлекают уголь. [11]
Традиционно добыча в длинных забоях была ручным процессом, в котором выравнивание оборудования забоя производилось с помощью струнных линий. Были разработаны технологии, которые автоматизируют несколько аспектов работы в длинных забоях, включая систему, которая выравнивает забой отступающей панели длинных забоев перпендикулярно штрекам.
Вкратце, выходные данные инерциальной навигационной системы используются в расчетах счисления пути для оценки положений комбайна. Оптимальные фильтры Калмана и сглаживатели могут быть применены для улучшения оценок счисления пути до повторного позиционирования оборудования длинного забоя по завершении каждого сдвига. [12] Алгоритмы максимизации ожидания могут быть использованы для оценки неизвестных параметров фильтра и сглаживателя для отслеживания положений комбайна. [13]
По сравнению с ручным управлением оборудованием шахты автоматизированная система обеспечивает более высокие показатели производительности. Помимо повышения производительности, автоматизация оборудования для длинных забоев обеспечивает преимущества в плане безопасности. Угольный забой является опасной зоной, поскольку в нем присутствуют метан и оксид углерода, при этом в этой зоне жарко и влажно, поскольку вода распыляется по забою, чтобы свести к минимуму вероятность возникновения искр при ударе резца о породу. Благодаря автоматизации ручных процессов рабочие забоя могут быть удалены из этих опасных зон. [ необходима цитата ]
Как и при использовании многих других методов добычи полезных ископаемых, важно учитывать локальное и региональное воздействие на окружающую среду при разработке месторождений длинными забоями.
Просадка шахты длинными забоями (LWMS) — это антропогенный процесс, который имеет множество экологических и природоохранных последствий, особенно для здоровья почвы и движения воды в регионе, где LWMS широко применяется. Это важно учитывать, поскольку некоторые участки шахты длинными забоями могут охватывать длину в несколько километров. При этом гидрологические системы потока, корневые системы деревьев и растительные виды могут страдать от количества почвы, удаляемой из-под них, и эти стрессы приводят к поверхностной эрозии. [14]
Заброшенные шахты также представляют собой проблему в районах, где ведется жилая застройка. Дома, возведенные вблизи заброшенных шахт с длинными забоями, сталкиваются с угрозой будущего ущерба от провалов и плохого качества почвы , даже в течение тридцати лет после закрытия шахты. [15]
Поскольку добыча длинными забоями является очень длинной, она может затрагивать площади более 200 акров (81 га). На этих самых больших участках было замечено, что длинные забои, расположенные под склонами гор, демонстрируют более заметное проседание в горных ландшафтах, чем в равнинных ландшафтах. [15]
Были случаи, когда оседание поверхности изменяло ландшафт над шахтами. На угольной шахте Ньюстан в Новом Южном Уэльсе , Австралия, «поверхность местами опускалась на пять метров» над многоуровневой шахтой. [16] В некоторых случаях оседание наносит ущерб природным объектам, таким как дренаж в водотоки [17] или искусственным сооружениям, таким как дороги и здания. « Douglas Park Drive был закрыт на четыре недели, потому что панели длинного забоя ... дестабилизировали дорогу. В 2000 году правительство штата прекратило добычу, когда она приблизилась на 600 метров к мостам-близнецам. Год спустя появились сообщения о 40-сантиметровых зазорах, появляющихся на дороге, и мост пришлось поддомкрачивать вбок, чтобы выровнять его». [17] : 2 Геотехнический отчет 2005 года, заказанный Управлением дорог и дорожного движения, предупреждал, что «оседание может произойти внезапно и продолжаться в течение многих лет». [17]
Однако существует несколько шахт, которые были успешно отработаны с незначительным или отсутствующим измеряемым проседанием поверхности, включая шахты под озерами, океанами, важными водосборами и экологически уязвимыми территориями. [ требуется ссылка ] Проседание минимизируется за счет увеличения ширины прилегающих к блоку цепных целиков, уменьшения ширины и высоты извлекаемых блоков, а также за счет учета глубины покрытия, а также прочности и толщины вышележащих слоев.
Длинные забои могут привести к геологическим нарушениям в скальном слое, что в свою очередь может повлиять на движение воды и привести к перемещению воды с поверхности через зону разработки в водоносный горизонт . Возникающая в результате потеря поверхностной воды может негативно повлиять на прибрежные экосистемы. [18]
Вдобавок ко всему, если рядом с местом добычи угля длинными забоями имеются плотины, это может оказать двойное воздействие на прибрежные экосистемы , поскольку это приведет к снижению скорости притока, а также к потерям из-за трещиноватости подстилающей породы. [18]
По состоянию на 2014 год австралийское правительство приняло меры по смягчению воздействия воды от добычи угля длинными забоями. Законодательные собрания призвали к действиям по улучшению инфраструктуры шахты, чтобы минимизировать нарушения. [19]
В результате растрескивания коренной породы при добыче под водами, такими как озера или реки, произошли потери грунтовых вод различной степени. Шахты в пределах нескольких сотен метров от поверхности подвержены получению больших объемов воды из этих тел. Более того, после вмешательства в горнодобывающую деятельность, нарушающего естественный ландшафт вблизи шахт, естественные пути потока воды могут быть перенаправлены, что приводит к дополнительной эрозии через ручей или берег реки. Дополнительная добыча в концентрированных районах непрерывно перемещает эти пути потока воды, которые восстанавливаются в исходное состояние годами. [20]
Многие экосистемы зависят от ежегодной последовательности поступления и оттока воды, и нарушение этих закономерностей может привести к неустойчивым условиям для видов, воспроизводство которых зависит от воды. Длинная добыча может также привести к локальному изменению температуры воды, стимулируя цветение водорослей, которое может использовать доступный кислород, необходимый для здоровья других видов. [20]
Длинные забои имеют ограниченные доступные исследования о влиянии близлежащих лесов, однако новые исследования спутниковых снимков показали возможные связи с более сухой поверхностью почвы вблизи регионов, где недавно велась длинная добыча. В дополнение к более сухим почвам, было замечено снижение влажности лесного полога. [21]
Было замечено, что шахты с длинными забоями выделяют в окружающую среду метан , распространенный парниковый газ , однако увеличение типичного забоя шахты с длинными забоями с 200 до 300 метров (с 660 до 980 футов) не привело к значительному увеличению выброса метана. [22] [23] Выбросы метана из закрытых шахт с длинными забоями могут продолжаться до пятнадцати лет, однако можно измерить объем потенциальных выбросов метана на основе потока воды в закрытых шахтах. [22]
Канада обладает одними из крупнейших запасов угля в мире, [24] и до 2013 года в Канаде не было шахт с длинными забоями в течение более 25 лет. В 2015 году компания HD Mining открыла шахту в Британской Колумбии, что вызвало споры из-за найма иностранных рабочих вместо канадцев и из-за ее потенциального воздействия на окружающую среду. [25] [26] Ожидается, что эта шахта будет иметь выбросы углекислого газа в размере 17 мегатонн в год; однако канадское федеральное правительство установило для нее ограничение на выбросы углерода , чтобы удерживать выбросы на уровне 500 000 тонн в год. [26]
Разработка шахт длинными забоями, при которой из земли выбуриваются широкие пласты угля высотой в несколько метров и шириной в сотни метров, приводит к проседанию грунта над шахтами.
Длинные забои уже нанесли значительный ущерб руслам рек, болотам и водосборам в этом районе.