Как происходит добыча угля: особенности, методы и оборудование

Ископаемый уголь является одним из основных видов топлива, используемый во многих отраслях промышленности. Он также служит ценным сырьём для химической, медицинской и других сфер. Технология добычи угля состоит из таких этапов, как разведка месторождений, изъятие породы, обогащение. Повсеместно применяются такие виды добычи угля, как открытый (карьерный) и закрытый (шахтный). Для каждого есть своя специфика, оборудование, меры безопасности.

Образование залежей каменного угля

Уголь — это вид осадочной породы, которая образовалась из остатков древних растений 350—250 млн лет назад. Они смывались в низины и постепенно закрывались почвой от атмосферного кислорода. С увеличением глубины повышалось давление и росла температура, под воздействием которых и образовались угольные залежи.

Чем глубже пласт, тем больше в нём углерода, и тем более калорийным и ценным является добываемое топливо. От глубины залегания зависит вид и применяемый способ добычи угля. В верхних слоях находятся залежи бурого угля, образовавшегося из торфа. Он содержит всего 65-70% углерода, имеет характерный окрас. В нём содержится до 43% воды и до 50% летучих веществ. Чаще всего используется в роли местного топлива. Средняя глубина залегания — до одного километра.

На глубине от 1 до 3 километров осуществляется добыча каменного угля. Он является более ценным топливом, поскольку содержит уже 75-95% углерода, всего 12% воды и 32% летучих веществ. Бурый и каменный уголь хорошо воспламеняются, но дают меньше теплоты, чем антрацит — самый глубоко образовавшийся вид этого минерала.

Антрацит содержит 95% углерода, низкий процент воды, летучих веществ и посторонних примесей. При сгорании даёт больше всего теплоты, поэтому используется в качестве топлива в металлургии и энергетике. Большинство залежей находятся на глубинах около 5 километров. Является лучшим сортом, отличается чистым чёрным цветом и сильным характерным блеском.

Краткая история угольной промышленности в России

В нашей стране промышленная добыча этого топлива началась в середине XIX века, что было обусловлено индустриализацией. Появлялись металлоперерабатывающие предприятия, железные дороги, пароходы, которые требовали много калорийного топлива. В начале XX века добыча угля в России стала одним из основных направлений промышленности. Открывались новые месторождения.

После Второй Мировой Войны СССР был крупнейшим производителем и потребителем каменного угля в мире. Всего за 30 лет объём добычи угля в России достигла своего пика, что вывело страну по этому показателю на третье место после Китая и США.

В 80-х годах прошлого века началась реструктуризация отрасли из-за устаревания оборудования и несоответствия технологий новым стандартам. Всё это, на фоне с общей геополитической обстановкой, привело в 90-х годах к сильной стагнации промышленности. Были ликвидированы около 2 тыс. предприятий, в некоторых регионах добыча каменного угля открытым способом вовсе прекратилась. В перспективных районах закрытая добыча угля сократилась почти наполовину.

Лишь к 2010 году отрасль оживилась, что способствовало увеличению уровня добычи угля в стране до 300 млн тонн.

Поиск угольных месторождений

Определение способа добычи каменного угля начинается с геологической разведки. Для этого сначала проводится поиск и оценка залежей. Он осуществляется по косвенным признакам. Например, над месторождениями часто встречаются обугленные остатки растений. Также прожилки характерного тёмного цвета обнаруживаются в утёсах, на берегах рек. При комплексной оценке учитывается также рельеф местности, характер растительности, состав и физические особенности верхних слоёв грунта.

После выявления потенциального месторождения производится разведка. На этом этапе определяются возможные объёмы добычи, глубина залегания, характер расположения пластов и другие важные для отрасли моменты. На способ добычи угля в России также влияет рельеф местности. Это учитывается для того, чтобы тщательно спланировать проект карьера или шахты.

В процессе непосредственной разведки месторождений специалисты роют в потенциально богатых залежами местах канавы, шурфы, штольни, скважины. На разных уровнях будущего карьера или шахты берутся пробы породы, определяется её вид, состав, чистота, сорт, зольность, теплота сгорания и другие характеристики данного вида сырья.

Чтобы добыча угля под землёй была экономически целесообразной и безопасной, попутно в ходе разведки оценивается уровень грунтовых вод, определяются возможные залежи взрывоопасных газов. Далее проводится тщательный анализ полученных данных, целью которого является оценка экономической эффективности месторождения. При положительном балансе определяется наиболее оптимальный для месторождения способ добычи бурого угля и начинается разработка карьера или шахты.

Способы добычи угля

Существует два способа добычи угля из-под земли — закрытый и открытый. Выбор технологии и оборудования зависит, в первую очередь, от выявленной в ходе разведки глубины залегания полезного ископаемого. Характерным для отрасли является то, что более ценные сорта угля находятся на большей глубине, и его добыча, как правило, более дорогостоящая, опасная и не самая продуктивная.

Закрытый (подземный способ)

Закрытый способ добычи угля используется для изъятия глубоко залегающей породы. На глубине более 100-500 метров ведётся разработка в основном каменного угля и антрацита. Для реализации метода обустраиваются шахты. Самые глубокие из них достигают полутора километров.

Подземный способ добычи угля традиционным шахтным методом позволяет реализовывать только 60% потенциала месторождения. Сегодня всё больше применяется новый метод шахтной добычи, называемый длинный забой. Эта технология сложнее и дороже, но зато позволяет извлекать значительно больший процент полезного ископаемого, что делает её экономически целесообразной и выгодной.

Шахта — это технически сложное, механизированное и автоматизированное предприятие. Она оснащается соответствующим оборудованием для измельчения породы и её доставки на поверхность. Также в состав шахты практически всегда входит оборудование для осуществления водоотлива и вентиляции. Средний ресурс угольной шахты, расположенной на богатом месторождении, составляет порядка 50-70 лет. Некоторые предприятия этого типа работают гораздо дольше.

Последствия добычи угля. В результате выработки больших объёмов осадочной породы на её месте образуется ничем не заполненная пустота. Из-за этой особенности технологии существует опасность оседания верхних слоёв под тяжестью собственного огромного веса. Эти последствия часто бывают внезапными и трудно предсказуемыми. Помимо того, что обвалы создают понятную опасность для работающих в шахте людей, они также становятся причиной провалов почвы и плодородного грунта в районе выработки.

Основные этапы и особенности добычи угля шахтным методом:

1. Проектирование. Осуществляется после разведки месторождения и оценки экономической целесообразности его разработки. На этом этапе подбирается оборудование, выбираются технологии измельчения породы и её доставки на обогатительные комбинаты. Разрабатывается общая конфигурация будущей шахты.
2. Строительство. Включает в себя создание вертикальных или наклонных скважин, подземных проходов, забоев, коридоров для коммуникаций. В шахту доставляется оборудование и техника для транспортировки.
3. Добыча угля. Осуществляется посредством специальных механизмов, которые измельчают залежи породы и извлекают её для последующего этапа.
4. Транспортировка. Добытое сырьё перемещается (перевозится) по галереям шахты, поднимается на поверхность и направляется на обогатительные комбинаты.
5. Обогащение. Добытое закрытым способом сырьё содержит слишком много воды и посторонних примесей, поэтому мало пригодно для конечного потребителя. Чтобы улучшить качество угля и повысить его энергетическую ценность, извлечённая порода проходит специальную обработку. Основные её методы вкратце рассмотрены ниже.

Основные преимущества шахтного способа добычи угля:

• возможность извлекать более ценное сырьё, залегающее на больших глубинах под землёй;
• незначительное влияние на экологическую обстановку в районе разработки месторождения;
• уменьшается сокращение площадей с плодородными почвами.

Наиболее ценные сорта угля — каменный и антрацит — в силу большой глубины залегания могут добываться исключительно закрытым шахтным методом.

Минусы добычи угля закрытым способом:

• повышенная технологическая сложность процесса;
• высокие расходы на обустройство шахт;
• сравнительно низкий процент реализации потенциала месторождений;
• более высокая себестоимость добытого топлива;
• повышенная аварийность и опасность для рабочих предприятия;
• риск загрязнения воздуха метаном и другими газами;
• загрязнение грунтовых вод и даже полное уничтожение водоносных пластов.

Все эти недостатки являются общей проблемой добычи угля и причиной сокращения количества шахт по всему миру. Существуют они до сих пор только лишь потому, что нет альтернативного способа получения сырья высокого качества лучших сортов, в котором нуждаются отдельные отрасли промышленности.

Открытый способ

Открытый способ добычи угля является основным методом получения этого минерала. Он практикуется на всех крупных месторождениях, так как является более дешёвым и простым, нежели шахты. Для извлечения породы обустраиваются карьеры или так называемые разрезы. Уголь вместе с посторонними включениями дробится и измельчается разными способами, после чего извлекается из карьера при помощи мощных экскаваторов.

Открытая добыча угля подходит для получения таких сортов топлива, как бурый уголь и каменный.

Основные этапы добычи бурого угля в России:

1. Геологическая разведка. Проводится в местах, где обнаружены богатые месторождения неглубоко залегающих пластов ценного ископаемого. Определяется мощность залежей, потенциальные объёмы, качество и сорт содержимого.
2. Удаление плодородного слоя. Для получения доступа к залежам угля необходимо снять верхний слой почвы. Это делается при помощи экскаваторов, бульдозеров и тяжеловесных самосвалов.
3. Взрывные работы. Основным способом быстрого измельчения породы в карьере является взрывание пластов при помощи пиротехнических средств. Для их закладки и детонации бурятся скважины. Точечные взрывы приводят к разрушению монолитных пластов породы, после чего они могут извлекаться и транспортироваться из разреза карьерной техникой.
4. Карьерная добыча угля. В большинстве случаев осуществляется при помощи роторных экскаваторов. Сам карьер представляет собой систему уступов, которые постепенно продвигаются вниз, открывая доступ к более глубоко залегаемому сырью. Основной проблемой этого метода является повышение транспортных расходов с увеличением глубины карьера.
5. Транспортировка. Осуществляется при помощи карьерных самосвалов грузоподъёмностью от 90 до 600 тонн. Изъятая масса загружается посредством экскаваторов в грузовики и перевозится на обогатительный комбинат. Последний из экономических соображений обычно проектируется и обустраивается рядом с разрезом.

Карьерный метод является основным способом добычи угля в России и других крупных странах.

Основные преимущества:

• экономическая выгода;
• низкая стоимость добычи угля;
• конкурентоспособная цена готовой продукции;
• высокая производительность;
• безопасность труда;
• высокий процент реализации потенциала богатых месторождений.

Открытая добыча позволяет оперативно применять новые и более выгодные технические решения, своевременно корректировать план выработки с целью уменьшения себестоимости угля.

К недостаткам открытой добычи относится:

• уничтожение огромных площадей, которые могли использоваться для других целей (сельское хозяйство, земледелие, строительство населённых пунктов, промышленных зон других направлений);
• невозможность добычи более ценных сортов угля;
• изъятие из оборота больших плодородных площадей;
• значительное влияние (отрицательное) на экологическую обстановку в регионе разработки.

Несмотря на такие недостатки, карьерная добыча, всё же, имеет немало плюсов по сравнению с шахтным методом, а потому является более распространённой во многих странах. Например, добыча угля открытым способом в России по состоянию на 2022 год осуществляется в более чем 110 карьерах. Шахт, при этом, примерно в два раза меньше.

Сравнение шахтного и карьерного методов добычи угля: таблица

В таблице ниже сделано сравнение закрытого и открытого способов добычи угля по основным критериям.

При сравнении карьерного и шахтного способов добычи любых полезных ископаемых следует учитывать также затраты на консервацию и ликвидацию разработок. В этом плане открытый способ тоже значительно проще и дешевле.

Обогащение угля

Обогащение угля — это процесс улучшения характеристик полезного ископаемого, направленный на снижение влажности и увеличении тепловой эффективности. Из добытого сырья удаляется вода и посторонние примеси. Для этого используются физические, химические и термические методы.

К физическим способам обогащения относится сортировка, разделения на фракции и флотация. Первые два процесса нужны для выделения из общей массы более ценных фракций угля, что влияет на особенности его применения. Флотация используется для удаления посторонних минералов, повышающих зольность и снижающих тепловые характеристики топлива.

К химическим методам обогащения относится карбонизация и промывка. В процессе карбонизации сырьё нагревается без доступа воздуха, в результате чего значительно увеличивается доля содержания углерода и уменьшается количество загрязняющих примесей. Промывается уголь в специальных реагентах, что дополнительно позволяет отделить от топлива ненужные минералы.

Термическая обработка угля осуществляется с целью уменьшения содержания влаги, что повышает тепловую эффективность топлива.

Типы угля и способы их добычи: таблица

Как уже упоминалось выше, открытый и закрытый способ добычи угля определяется в зависимости от типа, полученного в ходе разведки месторождения.

Оборудование для добычи угля

Применение оборудования для добычи угля зависит от того, каким способом ведётся разработка месторождения. В целом, для изъятия породы используются дробильные установки или технологии, а для транспортировки самосвалы, конвейерные линии и железнодорожный транспорт.

При подземной добыче угля используются проходческие комбайны, которые подразделяются на врубные, избирательного и сплошного разрушения. Также в шахтах эксплуатируются очистные комбайны, которые вынимают измельчённую породу. Они бывают фланговыми (забирают сырьё по боковым стенам галереи, забоя) и фронтальными (извлекают уголь по ходу движения перед собой). Для транспортировки на обогатительные комбинаты применяются конвейеры, вагоны, вагонетки, самоходные машины.

Для добычи угля в карьерах открытым способом используются следующие виды техники:

1. Машины для выемки измельчённой породы — роторные, гидравлические и другие.
2. Техника для транспортировки — большегрузные самосвалы, железнодорожный транспорт, ленточные конвейеры.
3. Вспомогательная техника — бульдозеры, буровые установки, погрузчики, грейдеры, внедорожники для рабочих.

Важно! Из-за повышенной сложности работ по добычи угля, часто машины приходят в неисправное состояние. Некоторые компании предлагают услуги по разработке оборудования для ремонта горнодобывающей техники. Так часто получается экономить – не приходится закупать новые машины.

Опасность производства и риски для здоровья сотрудников

Угольная промышленность относится к опасным отраслям с повышенными требованиями к соблюдению мер безопасности.

Основные риски:

• несчастные случаи;
• вредное воздействие веществ на рабочих;
• плохая видимость;
• высокая вероятность обвалов;
• проведения взрывных работ;
• эксплуатация тяжёлой техники с ограниченным обзором;
• высокий уровень шума;
• ионизирующая радиация;
• высокие температуры;
• горная болезнь;
• удалённость средств оказания первой помощи.

Для горных и шахтных объектов разрабатываются особые правила безопасности, нацеленные на снижение перечисленных рисков.

Экологические проблемы добычи угля

Экономическая выгода добычи угля неизбежно сопровождается экологической проблемой. В особенности это касается открытого способа разработки.

Основные проблемы:

1. Загрязнение атмосферного воздуха угольной пылью.
2. Сокращение зелёных насаждений.
3. Уничтожение плодородных почв.
4. Загрязнение природных водоёмов и водоносных слоёв под землёй.
5. Эрозия почв.
6. Образование воронок.

Также немалой проблемой является пустая порода, которая остаётся после обогащения полезных ископаемых. Их транспортировка и утилизация также имеет существенное влияние на экологию.

Несмотря на экологический вопрос, который особенно остро стоит в последние десятилетия, преимущества добычи угля перекрывают этот недостаток. Для снижения вредного воздействия на природу постоянно разрабатываются различные программы на государственном уровне, ужесточаются правила перевалки, перевозки сырья, внедряются новые экологические нормы.

Конечно, эффективность этих мер никак не может конкурировать с полным отказом от разработки месторождений угля. Тем не менее, добыча продолжается и, судя по всему, будет востребованной ещё очень долгое время.

Перспективы угольной промышленности в России в 2025 году

По прогнозам экспертов в 2025 году спрос на уголь останется неизменным по сравнению с 2024 годом и сохранится на уровне около 9 млрд тонн. Крупнейшим потребителем этого вида топлива по-прежнему останется металлургическая отрасль. Также специалисты прогнозируют увеличение объёмов производства электричества за счёт энергии угля. Росту угольной промышленности способствуют не только внутренние нужды страны, но и постоянно растущий спрос в таких странах, как Китай, Индия, Вьетнам.