Діючи атомні електростанції (АЕС) України

 

Рис.2.2. Технологічна схема атомної електростанції (АЕС)

 

У реакторі відбувається керована ядерна реакція. Вона відрізняється від ланцюгової реакції в атомній бомбі тим, що за допомогою спеціальних регулюючих стрижнів із речовини, добре поглинаючої нейтрони, кількість нейтронів, що вступають у реакцію, підтримується на безпечному рівні.

Чим глибше занурені стрижні в активну зону реактора, тим менше там нейтронів, спроможних продовжувати реакцію і виділяти тепло, і навпаки. Не випадково в аварійній установці реактора передбачені аварійні стрижні: вони швидко падають в активну зону, і відбувається пов­не припинення ядерної реакції.

Атомна станція будь-якого типу (а сьогодні цих типів уже дуже багато, і вони багато в чому відрізняються в різних країнах), крім системи керування реакцією в активній зоні реактора й аварійного захисту, має багато захисних устроїв для забезпечення безпеки людей. Адже під час ланцюгової реакції частина нейтронів вилітає з активної зони, навіть захищеної спеціальним устроєм – відбивачем. Крім того, розподіл ядер радіоактивних речовин супроводжується сильним випромінюванням, як при будь-якій ядерній реакції. Тому активну зону будь-якого реактора з усіх боків оточують стіною біологічного захисту, що послабляє небезпечне випромінювання до такого ступеня, щоб людина могла перебувати поблизу працюючого реактора. Як правило, це масивне спорудження з бетону з товщиною стін більш 2 м. У деяких випадках для біологічного захисту використовують звичайну воду, а іноді – сполучення сталі з водою або бетоном.

У приміщеннях, де працюють люди, що обслуговують реактор, інтенсивність радіоактивного випромінювання вимірюється встановленими тут спеціальними приладами-дозиметрами.

Теплоносій, що відбирає тепло у теплообмінників першого контуру й тепловиділяючі елементи (ТВЕЛи), що складаються з двоокису урану або іншого радіоактивного палива, “одягнені” у герметичні оболонки.

Природна радіоактивність урану незначна (період піврозпаду урану 3600 років), проте в процесі роботи, завдяки накопиченню продуктів поділу ядерного палива, що є джерелом потужного гама-випромінювання, у ТВЕЛів з’являється дуже висока радіоактивність, порівняна з активністю декількох кілограмів радію. Тому вивантаження з реактора відпрацьованих ТВЕЛів здійснюється дистанційно, за допомогою спеціальних механізмів, за товстою захисною стіною, що охороняє від згубного випромінювання.

Потужне нейтронне випромінювання атомних реакторів робить речовини і матеріали, що знаходяться в них, радіоактивними. Тому для роботи з предметами, що побували в реакторі, теж застосовується дистанційна техніка: механічні “руки” та інші спеціальні маніпулятори. Крім цих внутрішніх заходів для захисту від небезпечного випромінювання атомні станції різноманітних конструкцій мають ті або інші зовнішні захисні оболонки. Більшість атомних станцій у всьому світі мають так звані скафандри, що охороняють реактори навіть від таких малоймовірних аварій, як падіння метеорита або літака, що потерпів аварію, а також розраховані на випадок аварії усередині станції. Скафандри АЕС мають витримати падіння на них величезного пасажирського літака типу “Боінг-747” або винищувача “Фантом”. Під таким “ковпаком” залишаться небезпечні радіоактивні речовини, що можуть бути викинуті з реактора у випадку непередбаченої пожежі або вибуху. На жаль, такі зовнішні захисні оболонки мають далеко не всі атомні станції колишнього СРСР. Так, для типу реактора ВВЕР-440 (водо-водяні корпус­ні потужністю 440 МВт) і реакторів чорнобильського типу – РБМК (водографітові канальні потужністю від 1000 до 1500 МВт) класична захисна оболонка не була передбачена. У результаті станції саме цих типів, що розташовані в основному на території Росії та України, є зараз найнебезпечнішими.

При діленні 1 г урану 235 визволяється біля 22,5 МВт·г енергії, що еквівалентно енергії спалювання 2,7 т умовного палива.

Встановлено, що світові енергетичні ресурси ядерного палива істотно перевищують енергоресурси природних запасів органічного палива (нафти, вугілля, природного газу і т. ін.). У світі працює понад 440 енергетичних атомних реакторів загальною потужністю понад 74,692 ГВт. На території України експлуатуються атомні енергоблоки з реакторами на теплових нейтронах. У той же час в атомній енергетиці розроблені й споруджені ядерні реактори на швидких нейтронах великої потужності, що працюють на поширенішому в природі урані 238. Вважається, що рішення цієї проблеми дасть можливість у 30-40 разів збіль­шити ефективність використання ядерних ресурсів. У деяких державах реактори на теплових нейтронах виробляють від 30…40 % (Болгарія, Швейцарія, Швеція) до 50...67 % (Бельгія, Франція) енергії. Україна виробляє на атомних електростанціях біля 50 % електроенергії.

Поряд з атомними реакторами з графітною кладкою типу РВПК-1000 (реактор великої потужності канальний, Чорнобильська АЕС) були впроваджені в реактори ВВЕР-1000.

Основні обгрунтування економічних і екологічних переваг АЕС базуються на таких твердженнях:

1. Витрати на транспортування і конверсію ядерного палива в порівнянні з вугіллям на одиницю енергії незрівнянно менші. За масою на 1 кВт·год потреба в урані менше в 20 000 разів.

2. Ресурси урану для атомної енергетики рівні ресурсам вугілля, нафти і газу разом узятих.

3. Економія дефіцитного органічного палива (нафти і газу).

4. АЕС не споживає кисень і майже не викидає шкідливих газів і твердих продуктів.

5. При збільшенні потужності всіх чинних електростанцій навіть у декілька десятків разів глобальне радіоактивне забруднення буде складати не більше 1% рівня природної радіації на планеті.

Головний недолік АЕС – тяжкі наслідки аварій, для виключення яких АЕС обладнуються складними системами безпеки з багаторазовими запасами і резервуванням. Серйозною проблемою для АЕС є їх ліквідація після виробки ресурсу, по оцінкам вона може становити до 20% від вартості їх будівництва. 26 квітня 1986 року в Україні трапилася катастрофа – вибухнув атомний реактор РБМК-1000 Чорнобильської АЕС. Це була перша і єдина аварія такого великого масштабу. Всіма державами світу була переглянута і значно скорочена програма подальшого будівництва АЕС. На сьогодні в деяких державах домінує думка не форсувати будівництво атомної енергетики до часу, поки не будуть відкриті нові, безпеч­ні методи одержання атомної енергії – від видобутку сировини до знешкодження, переробки і поховання радіоактивних відходів, демонтажу АЕС і виводу їх з експлуатації.

Сьогодні науковий потенціал економічно розвинених країн у галузі енергетики спрямований на вирішення проблем за рахунок потужнішого джерела – ядерного синтезу.

Термоядерні реактори, по підрахункам, будуть споживати менше палива на одиницю енергії, і як саме це паливо (дейтерій, літій, гелій), так і продукти їх синтезу не радіоактивні і, отже, екологічно безпечні. На відміну від звичайних атомних реакторів, на яких енергія утворюється в результаті реакції ядерного розпаду, цей реактор буде генерувати енергію по типу термоядерних реакцій, що відбуваються на Сонці. А іменно: буде використовуватися енергія тепла, яка виділяється при злитті атомів дейтерія. В даний час при участі Росії, США, Японії і Євросоюзу на півдні Франції ведеться будівництво міжнародного експериментального термоядерного реактора ІТЕR.

 

2.5. Біохімічні джерела енергії

В даний час у деяких державах біомаса (наприклад, дрова) широко використовується населенням і досягає в загальному енергетичному балансі 80%. Це істотно завдає шкоди навколишньому середовищу: знищуються ліси, збільшується ерозія ґрунту, висихають водойми.

До того ж коефіцієнт конверсії горіння дров дуже низький, а корисні елементи біомаси (N, P) не використовуються.

Ресурси біомаси як відходи в лісовому і сільськогосподарському виробництві значно і щорічно відновлюються, що і привертає увагу до їхнього використання. В Україні вони еквівалентні 30 млн т вугілля.

Існує два основних засоби конверсії біомаси в пальний газ: термохімічний і біохімічний. При першому засобі біомаса (деревина або відходи сільгоспвиробництва) піддається піролізу (розкладання без доступу повітря) у реакторі при 400... 500ºС.

При використанні методу біохімічної конверсії біомаса піддається шумуванню з утворенням пального газу (70 % СН₄ і 30 % СО₂), питома теплота згоряння близька до умовного палива (29,3 МДж/кг). При цьому на кожну тонну умовного палива одночасно виробляється до 1,5...1,8 т високоякісних органічних добрив. Особливо ефективний цей процес у випадку біохімічної переробки відходів тваринницьких ферм. У Китаї працюють мільйони біогазових установок середньої потужності 14 000 м³ газу на рік. У 2000 році в США біохімічні джерела забезпечили 5 % усієї споживаної в державі електроенергії.

 

2.6. Екологічно чисті нетрадиційні системи

технологій енергетики

Вітрові електростанції. Протягом останнього десятиліття в світовій енергетиці безперечну першість за темпами розвитку незмінно утримує вітроенергетика де використовуються вітрові електростанції (ВЕС). ВЕС – електростанція, яка за допомогою вітрової турбіни перетворює механічну енергію вітру на електричну. Це система відновлюваної енергетики, оскільки вітер – відновлюване джерело енергії. Існують два види вітрових електростанцій: з горизонтальною віссю і станції з вертикальною віссю обертання. Другі – менш популярні. Справа в тому що для їх роботи потрібні більш сильні вітри і зовнішнє джерело для запуску. Вітрова електростанція, якої б потужності вона не була, побудована приблизно одинаково: щогла, на вершині якої встановлюється вітрогенератор, редуктор та інші необхідні пристрої та апаратура. Редуктор оснащений лопатями, які уловлюють потоки вітру. Існуючі на сьогоднішній день в Україні потужності 11 вітрових електростанцій перевищують 51 МВт, а з моменту, коли запрацювала перша вітчизняна вітрова електростанція, вироблено більше 80 млн. кВт.г електроенергії. За оцінками фахівців, загальна потенційна потужність української вітроенергетики складає 5000 МВт. Поблизу селища Безіменне працюють вітряки висотою майже 150м, потужністю 2,5 МВт кожний.

Узбережжя Чорного, Азовського морів, гористі райони Кримського півострова (особливо північно-східне узбережжя) і Карпат, Одеська, Херсонська, Запорізька, Донецька, Луганська і Миколаївська області найбільш підходять для будівництва вітрових електростанцій. Тільки потенціал Криму достатній для виробництва більше ніж 40 млрд. кВт.г електроенергії щороку.

Із технічної точки зору вітрова електроенергетика на сьогодні вже впритул наблизилася до традиційної: на сучасних вітрових турбінах коефіцієнт використання встановленої потужності сягає 42%. Це майже стільки, як на турбінах поширених нині теплових електростанцій. На сучасних ВЕС в Данії вартість 1кВтг енергії можна порівняти з електростанцією, що працює на вугіллі, і нижча, ніж на електростанції, що працює на нафті.

Сонячні електростанції. Сонячна енергія – це універсальна рушійна сила всього живого на нашій планеті в її оптимальному природному розумінні. Сьогодні людство намагається збільшити використання сонячної енергії, безпосередньо перетворюючи променеву енергію в теплову і електричну, хоча кількість її замала (концентрація не перевищує 1 кВт на 1 м² поверхні Землі). В Україні функціонує експериментальна сонячна електростанція (ЕСЕ) у Криму. Принцип її роботи – концентрація сонячної енергії з відбитком променів Сонця з великої площі на меншу за допомогою дзеркал. Така система містить 1600 так званих геліостатів, кожний із яких складається з 45 дзеркал загальною площею 25 м². Отже сумарна площа дзеркал 1600 × 25 = 40 000 м². Вся система дзеркал за допомогою автоматики і ПЕОМ націлюється на Сонце і відбиває його промені на порівняно невеличку площу панелі парогенератора, із якого пара (250ºС і 4 МПа) спрямовується в парову турбіну, змонтовану в блоці з електрогенератором. Потужність такої ЕСЕ – 5 МВт, ККД ледве більше 10 %, собівартість електроенергії значно вища в порівнянні з ТЕС.

З огляду на екологічні переваги ЕСЕ продовжується проектування потужніших станцій. З 1989 року в США на півдні Каліфорнії успіш­но працює промислова сонячна електростанція потужністю 200 МВт. Така електростанція може забезпечити потреби в електроенергії 300-тисячного міста. Ціна 1 кВт·год електроенергії цієї станції складає біля 10 центів. Хоча з економічної точки зору така сонячна електростанція не може конкурувати з тепловою, вона, безумовно, є екологічно чистою альтернативою сучасній енергетиці.

Геотермальні електростанції. В Україні приділяється значна увага геотермальній енергетиці, яка базується на нетрадиційних поновлюваних джерелах енергії, тобто на теплових джерелах Землі. Ресурси цього виду енергії складають в Україні 150 млрд. т умовного палива.

Геотермальна електростанція – це теплова електростанція, що використовує теплову енергію гарячих джерел Землі для вироблення електроенергії і теплопостачання. Температура геотермальних вод може досягати 200ºС і більше. До складу геотермальної електростанції входять:

а) свердловини, що виводять на поверхню пароводяну суміш або перегріту пару;

б) устаткування газового і хімічного очищення;

в) електроенергетичне устаткування;

г) система технічного водопостачання й ін.

Геотермальні електростанції дешеві, порівняно прості, але одержувана пара має низькі параметри, що знижує її економічність.

Спорудження геотермальних електростанцій виправдано там, де термальні води найближче підходять до поверхні Землі. У Росії на Камчатці діють дві геотермальні електростанція загальною потужністю 92 МВт.

В Україні в даний час ведуться передпроектні роботи над двома геоТЕС – у Криму і Львівській області. Опрацьовування ведеться за комбінованою технологією – геотермальна енергія попередньо підігріває воду, яка потім при спалюванні органічного палива перетворюється на пару. Крім того, українські спеціалісти намагаються використовувати тепло води у вироблених нафтових і газових свердловинах (міні-геоТЕС потужністю 4-5 кВт).

За рубежем – в Італії, Новій Зеландії, США, Японії, Ісландії – геоТЕС використовуються головним чином як теплофікаційні.

 

Основні поняття

 

Енергетичний потенціал

Турбоелектрогенератор

Градирня

Гідроакумулююча електростанція

Водоводяний енергетичний реактор (ВВЕР)

Реактор великої потужності канальний (РВПК)

 

Регулюючі стрижні

Аварійні стрижні

Тепловиділяючі елементи

Ядерний синтез

Біологічні джерела енергії

Геліостат

Геотермальна енергетика

 

Питання для обговорення

 

1. Розкрийте сутність енергетичного потенціалу планети Земля.

2. Які параметри можуть збільшити ККД конденсаційної електростанції (КЕС)?

 

3. Розкрийте сутність системи технології ТЕС і її екологічні проблеми.

4. В чому сутність систем технології АЕС?

5. Розкрийте сутність технології вітроенергетики і перспективи її розвитку.

6. Розкрийте сутність технології геотермальної електростанції. Які перспективи розвитку геоТЕС в Україні?

 

 

Змістовий модуль 3. Система технологій у видобувній промисловості

 

3.1. Визначення видобувної промисловості

Видобувна промисловість – це сукупність галузей виробництва, що займаються видобуванням різноманітної сировини і палива з надр Землі, з лісів і вод. Основні галузі: видобування корисних копалин (вугілля, нафта, торф, природний газ, руда, нерудна сировина й ін.), заготів­ля деревини. Гірська порода, що може бути використана людиною для різноманітних цілей, називається корисною копалиною. Гірська порода, що не є об’єктом здобування корисної копалини, називається порожньою. Природне скупчення корисних копалин у земній корі називається родовищем.

Видобуток корисних копалин становлять процеси витягання твердих, рідких і газоподібних корисних копалин із надр Землі за допомогою технічних засобів. Процес видобутку складається з витягання цінного компонента у відносно чистому виді (наприклад, нафта, природний газ, кам’яне вугілля, дорогоцінні камені й ін.) або у виді гірської маси (наприклад, руди металів), яка надалі піддається переробці.

На суші видобування корисних копалин здійснюють у шахтах, кар’єрах і на свердловинах; у морських акваторіях – свердловинами, драгами і спеціальними автономними апаратами, що збирають кон­креції з дна. Конкреції – це мінеральні утворення округлої форми в осадових гірських породах, що виникають при перетворенні розсипчастих порід в осадові й відрізняються від вміщуючої породи складом і формою. У сучасних океанічних осадках поширені конкреції окислів заліза і марган­цю, що утворюють рудні скупчення.

Світові об’єми видобутку корисних копалин у ХХ сторіччі подвоюються приблизно протягом кожних 12-20 років. Сумарний видобуток найважливіших корисних копалин за останні 100 років склав 137 млрд т вугілля, 46.7 млрд т нафти, 20 трлн. кубічних метрів природного газу, 24,5 млрд т залізної руди.

Слід зазначити, що зі збільшенням видобутку підвищуються непродуктивні втрати корисних копалин у надрах. Губиться біля половини калійних солей, до 15-20 % вугілля, руд чорних і кольорових металів. Наприклад, на діючих рудниках Криворізького басейну залізисті кварцити підробляються в процесі видобутку багатих руд, потрапляють у зони завалів і безповоротно губляться. Особливо великі втрати цінних компонентів спостерігаються при збагаченні, що у 2-5 разів перевищує утрати при їх видобутку. В чорній металургії частка використовуваних гірських порід, що добуваються попутно, складає усього 32 %, у т.ч. для будівельних потреб – 2.5 %, у кольоровій металургії тільки 3-4 % здобутих порід направляється на виробництво щебеню.

 

3.2. Різновиди природних ресурсів і способи експлуатації

Гірські породи і мінерали мають осадове, магматичне і метаморфічне походження. Аналогічним чином формуються і корисні копалини, тому що вони є або гірськими породами, або скупченням мінералів.

Сьогодні людству відомо біля 250 видів мінеральної сировини. До цих видів можна додати ще 200-250 різновидів дорогоцінних і рядових каменів, число котрих постійно збільшується. Але не усі види мінеральної сировини викликають однаковий інтерес. Тому поряд з іншими існує і промислова класифікація найважливіших корисних копалин, в основі якої лежить застосування тих або інших корисних копалин у народному господарстві. В неї включаються тільки ті види мінеральної сировини, для яких визначаються основні державні завдання і встановлюється приріст запасів (у США вони називаються стратегічною сировиною).

Промислова класифікація містить 60 найважливіших видів мінеральної сировини.

Паливно-енергетична сировина: нафта, газ, вугілля, пальні сланці, уран.

Метали: руди заліза, марганцю, хрому, титану, ванадію, нікелю, кобальту, вольфраму, молібдену, цирконію, танталу, ніобію, алюмінію, магнію, міді, свинцю, цинку, олова, вісмуту, ртуті, сурми, літію, берилію, германію, кальцію, кадмію.

Благородні метали: золото, срібло, платина, метали платинової групи (паладій, іридій, родій, осмій, рутеній).

З 82 металів таблиці Д.І. Менделєєва до промислово важливих належать тільки 34.

Хімічна й агрономічна сировина: калійні солі, фосфатна сировина (фосфорити й апатити), борні руди, сірка, бром, йод, плавиковий шпат (флюорит).

Технічна або індустріальна сировина: діаманти, азбест, графіт, п’єзооптична сировина (п’єзокварц, ісландський шпат), слюди (мусковіт, флогопіт).

Флюси і вогнетриви: вапняки і доломіти, магнезит, вогнетривкі глини, кварцити.

Будівельні матеріали: цементна сировина, кам’яні будівельні матеріали.

Україна має потужну мінерально-сировинну базу різноманітних корисних копалин, які значною мірою визначають рівень розвитку її продуктивних сил. На території України виявлено більше 80 видів мінеральної сировини, на базі яких розвідано понад 7 тис. родовищ. Біля 4 тис. із них розробляються. Україна, займаючи біля 3 % території колишнього СРСР, забезпечувала 20% обсягу загальносоюзного видобутку мінеральної сировини.

Надра України містять усі види твердого палива – кам’яне і буре вугілля, торф і пальні сланці, що інтенсивно освоюються (за винятком пальних сланців). Україна забезпечувала в колишньому СРСР 25 % видобутку вугілля, 37 % коксівного вугілля і приблизно 60 % ан­трацитів.

На Україні відомі три нафтогазоносні регіони: Дніпровсько-Донецька западина, Карпатська і Кримсько-Причорноморська. Перша з них, відкрита ще у 1937 р. (Ромни, Ахтирка), що містить біля 50 нафтогазових родовищ, дає більше 80 % видобутку нафти і газу. Карпатське нафтогазоносне родовище охоплює Закарпаття, Українські Карпати, Прикарпаття з прилеглою зі сходу частиною Волино-Подолії. У найближчі роки на Україні передбачається щорічний видобуток 7-9 млн т нафти, 30-32 млрд кубічних метрів газу.

Головне місце в паливно-енергетичному балансі України займає кам’яне вугілля, промислові запаси якого зосереджені у Донецькому і Львівсько-Волинському басейнах. Родовища бурого вугілля зосереджені в Дніпровському вугільному басейні.

Геологічні запаси кондиційного вугілля України складають біля 100 млрд тонн.

Основні запаси пальних сланців зосереджені в Болтишській западині (на межі Кіровоградської і Черкаської областей). Виділено 5 горизонтів потужністю 2-40 м на глибині 180-500 м. Вміст керогену – 30-40 %, вихід смол – 10-20 %, зольність – 50-60 %, теплота згорання – 10-16 МДж/кг. Поклади пальних сланців виявлені також у Дніпров­сько-Донецькій западині, у Карпатах (Волино-Подільська плита) і в Кримських горах.

За запасами залізних руд Україна в колишньому СРСР займала друге місце (приблизно 30 %). Головні залізорудні райони: Криворізь­кий залізорудний басейн, Кременчуцька магнітна аномалія і Керченський залізорудний басейн. Рудні тіла пластостовбуватої і лінзоподібної форми. Потужність їх від 2…4 до 100…120 м. Осадові залізні руди Керченського басейну подані шарами бурих залізняків з вмістом заліза 32-40 % і потужністю від 2 до 15 м.

На території України понад 2 тис. покладів торфу, рудовиявлення олова, міді. Основні запаси кам’яної солі на Україні зосереджені в Донбасі та Закарпатті. Вміст NaCl у солях досягає 98-99 %. Значні запаси солі містить ропа солоних озер, лиманів (Сивашське й інші родовища) і природні підземні ропи в Передкарпатті.

Родовища самородної сірки зосереджені в Передкарпатському сірконосному басейні. Вміст сірки – 20-27 %. Найзначніші родовища – Немирівське, Язівське і Подорожненське. Прогнозні ресурси графіту на Україні складають понад 1 млрд т (біля 50 % запасів колишнього СРСР), розвідано 300 родовищ і проявів графіту. Родовища кристаліч­ного графіту (Троїцьке, Завалівське й ін.) пов’язані з тілами графітових гнейсів і їхньої кори. Рудні тіла залягають серед метаморфізованих порід і в середньому містять 6 % графіту.

Родовища Оленівське, Новотроїцьке, Каракубське містять флюсові, а Часов-Ярське родовище – вогнетривкі глини.

3.3. Видобувні підприємства та їхні відмінні риси

У видобувній промисловості розрізняють такі видобувні підпри­ємства: шахта (копальня), рудник, кар’єр.

Шахта (копальня) – гірничопромислове підприємство з видобутку корисних копалин підземним засобом. Складається з наземних споруд і гірських виробок.

Рудник – гірниче підприємство з видобутку корисних копалин (переважно руди) відкритим і підземним засобами.

Кар’єр – гірниче підприємство з видобутку корисних копалин відкритим засобом. Стосовно кар’єру з видобутку вугілля використовується термін “ розріз ”.

Гірнича справа існує з давніх часів і дотепер є однією з основ економічної діяльності людини.

Гірнича справа пройшла довгий історичний шлях. А.І. Арсентьєв і В.А. Падуков виділяють чотири етапи розвитку гірничої техніки: біоенергетичний, машинного виробництва, електрифікації, автома­тизації.

Біоенергетичний етап (людина-інструмент-предмет праці) пов’язаний з використанням енергії мускульної сили людини і тварини.

Етап машинного виробництва (людина-машина-інструмент-предмет праці) пов’язаний із винаходом і використанням парової машини, розвитком машинного виробництва і розширенням масштабів гірничодобувної промисловості.

Етап електрифікації дозволив інтенсифікувати виробництво, підвищити продуктивність машин і устаткування.

Етап автоматизації характеризується передачею функцій керування гірничою технікою спеціальним пристроям.

Розширення сфери застосування безупинних процесів – один з найважливіших напрямків у розвитку гірничовидобувної промисловості. В останні роки на гірничих підприємствах широкого поширення набули циклічно-поточна і потокова технології видобутку скельних, осадових порід і руд при одночасному збільшенні частки відкритих виробок.

Роботи з проходки і підтримки гірничих виробок, виїмки гірничих порід називають гірничими. Для розробки родовища за допомогою гірничих робіт за визначеним планом проводять мережу підземних або відкритих гірничих виробок, у яких здійснюються виробничі процеси. У практиці гірничих робіт виділяють два основних способи розробки родовищ твердих корисних копалин: підземний і відкритий.

Підземним називають спосіб, при якому родовище розробляють за допомогою підземних виробок. При відкритому способі родовище розробляють за допомогою відкритих гірничих виробок. Підземні гірничі виробки можуть при цьому використовуватися лише в деяких випадках: для розміщення конвеєрів у похилих виробках, для видачі руди з кар’єру (Інгулецький ГЗК), для подачі поїздів, навантаження руди з дна кар’єру (Центральний рудник у Хібінах) або для осушення водонос­них порід. Ряд родовищ корисних копалин розробляють комбінованим способом: верхню частину – відкритим, нижню – під­земним.

У процесі розробки родовища підземним способом виділяють три стадії гірничих робіт: розкриття, підготовка й очисна виїмка. До особливостей видобувних підприємств варто віднести:

1. Обов’язкове проведення пошуків і розвідки родовища корисних копалин.

Пошук – комплекс геологорозвідувальних робіт, спрямованих на виявлення промислово цінних скупчень корисних копалин як можливого джерела мінеральної сировини для потреб економіки і на їх прогнозовану геолого-економічну оцінку.

Розвідка – комплекс робіт, проведених із метою визначення промислового значення родовищ корисних копалин, що одержали позитивну оцінку в результаті пошуково-оцінних робіт.

2. Повний взаємозв’язок із природним середовищем характерний для технологічних процесів, які є джерелами впливу на природне середовище. Серед них слід зазначити:

1) устрій проммайданчиків під бурові й інші геологорозвіду­вальні роботи;

2) будівництво доріг, комунікацій промислового і комунального призначення, будинків і споруджень підприємств;

3) проходку розкриваючих і підготовчих гірничих виробок;

4) видобуток корисних копалин підземним і відкритим способами;

5) складування порід і відходів виробництва;

6) засипання природних поглиблень рельєфу (балок, ярів, русел, струмків і т.д.);

7) будівництво опор, акведуків для прокладання водопроводів великого діаметра;

8) яроутворення при скиданні стічних вод та ін.

Основні кількісні характеристики джерел геомеханічних порушень:

· довжина і площа фронту гірничих робіт;

· швидкість просування фронту робіт;

· глибина робіт від поверхні;

· потужність уміщуючих порід, товщина прошарку грунту, що порушується;

· висота насипу порід;

· потужність порід, що обрушуються при підземних гірничих роботах, висота склепінь завалення, параметри зон зрушення порід над очис­ними і підготовчими виробками;

· обсяги корисних копалин, які видобуваються, порід, супроводжуючих компонентів;

· обсяги, площі та швидкості руху стічних вод рельєфом місцевості.

3. Мобільність основних засобів праці.

Очисне, прохідницьке й інше устаткування під час роботи постійно переміщується, потрапляючи в різноманітні гірничогеологічні умови, в той час як в інших галузях промисловості засоби праці встановлюються і працюють у стаціонарних умовах.

 

3.4. Технологічний і життєвий цикли

видобувних підприємств

Розрізняють життєвий і технологічний цикли видобувних під­приємств.

Життєвий цикл – період від дня проектування підприємства до його закриття.

Технологічний цикл – період від початку використання визначеної технології до зміни її іншою. Так, для вугільної галузі характерні технологічні цикли, пов’язані з використанням широкозахватної виїмкової техніки, потім вузькозахватної із застосуванням індивідуального кріплення і цієї ж техніки зі застосуванням механізованого кріплення.

Термін служби підприємства – граничний час, рахуючи від початку експлуатації технічного об’єкта, протягом якого він функціонує з необхідною ефективністю, включаючи час роботи об’єкта за прямим призначенням, а також час простоїв через ремонти, організаційні причини і т. ін. Наприклад, при мінімальній виробничій потужності шахти (1-2 млн т на рік) термін її експлуатації має бути не менше 25-30 років.

Відомі такі етапи виробничого циклу:

1) пошук і розвідка корисних копалин (їхні визначення наведені в попередніх розділах);

2) проектування і будівництво гірничих підприємств.

Проектування – це розробка комплексної технічної документації (проекту), що містить техніко-економічні обгрунтування, розрахун­ки, креслення, макети, кошториси, пояснювальні записки й інші матеріали, необхідні для будівництва (реконструкції) гірничого підприємства.

Процес будівництва гірничого підприємства підрозділяють на декілька періодів: підготовчий (внутрішньомайданчикові й позамайданчикові роботи); перший основний (оснащення і проходка стволів); перехідний (від проходки стволів до проведення протяжних виробок); другий основний період (проведення горизонтальних і похилих виробок, будівництво шахтної поверхні, підготування до здачі підприєм­ства в експлуатацію);

3) експлуатація родовища корисних копалин або його частини.

 

3.5. Гірничогеологічні умови розробки

корисних копалин

На ефективність ведення гірничих робіт впливають такі основні гірничогеологічні чинники:

1. Глибина розробки. Із збільшенням глибини розробки зростає шкідливий вплив гірського тиску; інтенсивніше виявляються пластич­ні властивості гірничих порід, збільшується їх температура на глибині 1000 м до 36-40°С; підвищується інтенсивність гірничих ударів, раптових викидів вугілля, порід, газу й ін. При поглибленні гірничих робіт на кожні 30 м для вугленосних і 45-50 м для рудоносних відкладень температура підвищується на 1°С.

2. Форма родовища. Від форм родовища залежить вико­ристовувана схема його розкриття, технологічні схеми ведення гірничих робіт, обводненість і т. ін.

3. Фізичні й механічні властивості корисної копалини. Фізичні влас­тивості породи – це специфічне її поводження під впливом певних зовнішніх фізичних полів або тіл. Фізична властивість породи оцінюється декількома показниками, що називаються параметрами і є кількісною мірою властивості. Відповідно до класифікації, що використовується у фізиці гірничих порід, основними групами фізичних властивостей, залежно від виду зовнішнього фізичного поля, вважаються: щільнісні, механічні, теплові, електричні, магнітні, хвильові, радіаційні та гідрогазодинамічні.

Механічні властивості гірничих порід характеризують зміни їх форми, розмірів і суцільності під впливом механічних наван­тажень, що виникають у результаті дії природних або штучних чинників.

4. Склад і будова порід. Гірничі породи за складом і структурою дуже різноманітні. Нараховується понад 4000 різноманітних порід, властивості яких залежать від їхнього мінералогічного складу і струк­тури. Властивості порід враховуються при виборі устаткування, типу вибухових речовин, схем розташування свердловин і шпурів. На методи висадження впливають тріщинуватість і шпаристість, грузькість, пластичність, пружні показники, межі тривкості (міцності) гірських порід.

5. Обводненість родовищ – це насиченість масиву гірських порід підземними водами, що визначає розмір очікуваного притоку води у виробки й ускладнює виконання гірничих робіт. Підземна розробка обводнених родовищ може супроводжуватися раптовими проривами води і пливунів, здійманням грунту, заваленням покрівлі; відкрита розробка – оповзами й ін. Критерієм оцінки ступеня обводненості родовища є тип родовища за обводненістю. Для кожного з виділених типів родовищ за цим чинником розроблені методи розрахунку водопритоків у виробки, інженерні заходи щодо захисту їх від води і зниженню негативного впливу підземних і поверхневих вод на умови виконання гірничих робіт.

Вміст в породах і надходження води в гірничі виробки визначається розміром коефіцієнта водоприпливу шахти – кількість води (кубічні метри), що видається із шахти водовідливними установками на 1 т видобутку корисної копалини протягом року. Для різних шахт коефіцієнт водоприпливу змінюється від десятих часток до 35 і більш.

6. Екологічні умови. При будівництві й експлуатації гірничих підприємств порушується рельєф місцевості, змінюються склад і режим поверхневих і підземних вод, забруднюється водяний і повітряний басейни і змінюється продуктивність грунтів. У результаті цього початкова (природна) екологічна система навколишнього регіо­ну зазнає значних змін. Порушуються її енергетика, природний кругообіг речовин, біохімічні й інші процеси. Ці умови враховують при комплексному вирішенні питань взаємодії гірничих підприємств із навколишнім природним середовищем і створенні раціонального функціонування природно-промислових систем різного рівня. Необхідно розробляти і практично здійснювати технічно можливі, економічно важливі й доцільні заходи, що забезпечують раціональне використання й охорону природних ресурсів із врахуванням інтересів нинішніх і майбутніх поколінь.

7. Газовиділення при розробці родовищ. При виконанні гірничих робіт відбувається виділення газів в атмосферу шахти або кар’єру. У вугільних шахтах джерелами газовиділення є: розроблювальні, суміжні підроблювальні або надроблювальні пласти вугілля і прошарки, що вміщують породи. Виділяються гази (в основному метан і вуглекислий газ) через вільну поверхню пласта і з відбитого вугілля.

В умовах шахтної розробки рудних, соляних і нафтових родовищ відбувається виділення газів, що містять вибухонебезпечні вуглеводневі компоненти (метан і його гомологи, водень, пари бензину), а також шкідливих отруйних газів (вуглекислого, сірководневого, окису вуглецю, окислів азоту). Джерела виділення вуглеводневих газів (до 2000-3000 м³/добу) – осадові породи, шкідливих і отруйних – гірниче устаткування з двигунами внутрішнього згорання, вибухові роботи.

Основні джерела газовиділення в кар’єрах: вміщуючі породи і корисні копалини, гірниче устаткування і вибухові роботи. Газовиділення з корисних копалин і вміщуючих порід пов’язано в основному з окисними процесами, особливо при розробці родовищ сульфідних руд і вугілля.

Для очищення гірничих виробок від газоподібних продуктів і пилюки, що утворюються при роботі гірничих машин, виконанні вибухових робіт та здійсненні інших виробничих процесів, від вуглекислого газу, а також для зниження температури повітря і забезпечення його нормального складу служить провітрювання.