___________________________________________________________________________
Porównanie wybranych aspektów techniczno-
-ekonomicznych udost
ę
pnienia zło
ż
a szybem
pionowym oraz upadow
ą
Mateusz Jakubowski
KGHM Polska Miedź S.A., ul. M. Skłodowskiej-Curie 48, 59-301 Lubin, e-mail: m.jakubowski@kghm.pl
Streszczenie
W niniejszym artykule scharakteryzowano szereg kryteriów, jakie należy uwzględnić przy projektowaniu metody udostępnienia złoża. Przedstawiono trudności, z którymi trzeba się zmierzyć na drodze doboru najbardziej efektywnych ekonomicznie rozwiązań projektowych. Na przykładzie szybu pionowego oraz upadowej zestawiono wybrane parametry techniczno- -ekonomiczne, mające kluczowe znaczenie w procesie decyzyjnym. Pomimo braku jednoli-tych kryteriów doboru metody udostępnienia pomiędzy szybem a upadową, istnieje logiczna granica ekonomicznego przejścia pomiędzy tymi opcjami, właściwa warunkom geologiczno- -górniczym udostępnianego obszaru złożowego. Analiza wariantowa modelu kopalni oraz struktury udostępnienia powinna w najwyższym stopniu uwzględniać postęp techniczny i technologiczny, szukać rozwiązań możliwie najtańszych i najprostszych. Uzyskane rozwią -zanie powinno być poddane wnikliwej krytyce, zanim zostanie włączone do projektu.
Słowa kluczowe: szyb pionowy, upadowa, wyrobiska udostępniające, projektowanie, struktura udostępnienia
A comparison of technical-economical aspects of primary
access to the orebody via the vertical shaft and the decline
AbstractIn this paper the criteria to be considered while designing the primary access to the ore-body were characterized. The difficulties that the engineer must deal with while finding out the most economically effective approach were presented. As exemplified with the vertical shaft and the decline, the chosen technical-economical parameters which are crucial in decision-making process were compared. Although there are no uniform criteria for designing the primary access, there is a logical transition from the vertical shaft to the decline that is specific to the mining and geological conditions. Variant analysis of mine model and mine layout should take into account the latest technical and technological advance and search for the cheapest and the simplest solutions. The final approach should be thoroughly critiqued before it is incorporated into the mine project.
Key words: vertical shaft, decline, main access openings, design, mine layout
Wst
ę
p
Od początków górnictwa, jako celowej działalności człowieka, wykonano w górotwo-rze liczne sztolnie, upadowe oraz szyby pochyłe, aby tym sposobem otworzyć do-stęp do złoża. Do najbardziej popularnych sposobów udostępnienia zaliczano
wyro-biska nachylone, pozwalające podążać za wychodnią złoża w głąb skorupy ziem-skiej. Wraz z dalszym rozwojem kopalń dość szybko zdano sobie sprawę z istotnych ograniczeń geometrycznych i wydobywczych szybów pochyłych, wobec czego szy-by pionowe zaczęły stawać się normą i przez długi czas dominowały jako najbar-dziej ekonomiczny oraz optymalny technicznie sposób transportu urobku z wyrobisk podziemnych na powierzchnię terenu. Dalszy rozwój technologiczny umożliwił pro-wadzenie eksploatacji górniczej na coraz to większych głębokościach, gdzie niejed-nokrotnie obszar złożowy nie był dostatecznie rozpoznany. Takie warunki sprawiły,
że nachylone wyrobiska udostępniające powróciły do etapu analiz i coraz wszechniej znajdowały swoje zastosowane jako szyby pochyłe [15]. Obecnie po-nownie zauważalny jest trend drążenia tego typu wyrobisk, w celu udostępnienia złoża zalegającego poniżej istniejącej infrastruktury szybowej. Wielu inżynierów i naukowców zajmujących się problematyką twierdzi, że przy określonych warun-kach geologiczno-górniczych transport urobku upadową z wykorzystaniem wozów odstawczych jest poważną alternatywą dla transportu szybowego. Dość zauważyć,
że blisko dwie trzecie nowych kopalń podziemnych w Australii wybrało odstawę
wozami z wykorzystaniem upadowej jako zasadniczy sposób transportu urobku na powierzchnię [3].
1. Projektowanie głównych wyrobisk udost
ę
pniaj
ą
cych w kopalniach
podziemnych
Jak słusznie zauważył Bolesław Krupiński, projektowanie kopalni lub jej elementów sprowadza się do ekonomicznego rozwiązywania trudności natury technicznej. Do-bór właściwej metody udostępnienia złoża do eksploatacji sposobem podziemnym jest jednym z najistotniejszych wyzwań, przed którym muszą stanąć inżynierowie oraz ekonomiści, oceniający efektywność ekonomiczną potencjalnej inwestycji (rys. 1). Spośród wielu czynników geologiczno-górniczych, mających niezaprzeczal-ny wpływ na proces decyzyjniezaprzeczal-ny, do najważniejszych należy zaliczyć głębokość zale-gania złoża, jego formę geometryczną, szacunkową wielkość udostępnianych zaso-bów, topografię powierzchni terenu, warunki geologiczne złoża oraz skał otaczają -cych, planowaną metodę eksploatacji, a także przewidywaną wielkość produkcji. Racjonalna decyzja dotycząca sposobu udostępnienia złoża pozwala uniknąć póź -niejszych zmian, które zwykle są bardzo kosztowne i czasochłonne. O ile w zakła-dach górniczych o długiej żywotności korekty bądź zmiany struktury udostępnienia są dość powszechną praktyką, o tyle w kopalniach o stosunkowo krótkim okresie
życia raczej nie powinny się zdarzać [4]. Zarówno kosztowe, jak i harmonogramowe konsekwencje przejścia z udostępnienia złoża upadową na szyb pionowy są ogrom-ne, dlatego też uwzględnienie w fazie projektowania wszystkich kluczowych aspek-tów jest absolutnie nieodzowne. Duże wyzwanie stanowi jednak fakt, że na etapie doboru sposobu udostępnienia nie wszystkie istotne parametry projektowe mogą
być znane, jak na przykład potencjał ciągłości mineralizacji poniżej rozpoznanej głębokości [16].
Ponieważ kapitalne wyrobiska, otwierające dostęp do złoża, mają znaczenie kry-tyczne dla całego projektu górniczego, decyzja dotycząca metody udostępnienia musi być poprzedzona wnikliwą analizą odpowiednich kryteriów geologicznych, technicznych oraz ekonomicznych (rys. 2). Aby zainicjować proces projektowy, niezbędne jest posiadanie podstawowych danych geologicznych, dotyczących udo-
stępnianego złoża. Na drodze prac eksploracyjnych należy zdefiniować wielkość bryły złożowej, jej kształt, głębokość zalegania, charakterystykę litologiczną, zawartość
składnika użytecznego oraz warunki hydrogeologiczne. Powyższe uwagi mogą się
wydawać nadzwyczaj oczywiste, jednakże w historii zdarzały się przypadki, gdy podjęto decyzję o budowie oraz uzbrojeniu szybu produkcyjnego, niepodpartą wy-starczającymi danymi geologicznymi. Konsekwencje ekonomiczne takiego projekto-wania często bywały dramatyczne w skutkach [7]. Odpowiednie rozpoznanie warun-ków złożowych jest zatem warunkiem wejściowym dla inżyniera.
Rys. 1. Klasyfikacja metod udostępnienia złoża z uwagi na nachylenie głównego wyrobiska Niezwykle istotnym kryterium, warunkującym rodzaj i parametry głównych wyro-bisk udostępniających, jest planowany do zastosowania system eksploatacji. Czyn-nik ten bezpośrednio rzutuje na wielkość produkcji zakładu górniczego, a tym sa-mym determinuje jeden z najistotniejszych procesów technologicznych, jakim jest odstawa urobku. W zależności od ilości urabianych mas skalnych, odległości odsta-wy, rodzaju transportowanego urobku oraz prognozowanego okresu eksploatacji projektuje się transport cykliczny (samochodowy, skipowy) bądź ciągły (taśmowy, hydrotransport). Wielu autorów podziela przekonanie, że w określonych warunkach geologiczno-górniczych (płytkie zaleganie złoża, forma pokładowa lub quasi- -pokładowa) dużo bardziej optymalnym rozwiązaniem może się okazać udostę pnie-nie upadową lub upadową spiralną z ciągłym transportem urobku z wykorzystaniem przenośników taśmowych [15]. Niezaprzeczalnie, projekt koncepcyjny sposobu udo-stępnienia powinien być opracowany co najmniej w dwóch wariantach, gdzie inż y-nierowie oraz projektanci z należytą troską i starannością winni pochylić się nad następującymi kryteriami [10]:
MODEL KOPALNI STRUKTURA UDOSTĘPNIENIA PIONOWA Szyby Szybiki POZIOMA Sztolnie Przecznice POCHYŁA Szyby pochyłe Upadowe KOMBINOWANA np. szyb oraz upadowa spiralna (tzw. rampa) przestrzenny układ geometryczny głównych wyrobisk udostępniających w obszarze górniczym
rozmieszczenie głównych wyrobisk udostępniających względem siebie i względem złoża
GÓRNICTWO
EKONOMIA
GEOLOGIA
− Uzyskanie dostępu do najniższej części złoża;
− Ograniczenie ilości robót wykonywanych w kamieniu;
− Minimalizacja kosztów transportu urobku;
− Czas wykonania wyrobiska w stosunku do czasu budowy kopalni;
− Osiągnięcie pełnej zdolności produkcyjnej w możliwie krótkim czasie;
− Minimalizacja strat kopaliny użytecznej;
− Najmniejsze koszty wykonania i utrzymania wyrobiska;
− Najkorzystniejsze położenie z uwagi na warunki powierzchniowe i stosunki hydrogeologiczne.
Rys. 2. Uproszczony proces projektowania sposobu udostępnienia złoża
Struktura udostępnienia powinna być dobrana tak, aby zapewnić najbardziej ekonomiczną budowę infrastruktury kopalnianej. Powinna ponadto umożliwić naj-bardziej racjonalne rozwiązanie w zakresie zwiększenia wydobycia kopalni, minima-lizować straty eksploatacyjne oraz zapewnić możliwie najniższe koszty własne. Głównym warunkiem, na podstawie którego określa się optymalne wartości parame-trów technicznych, jest warunek minimalnych kosztów własnych wydobycia [6].
Identyfikacja złoża Dobór metody eksploatacji Metoda odkrywkowa Wkop udostępniający Metoda podziemna Dobór systemu eksploatacji Optymalizacja ekonomiczna Dobór struktury udostępnienia
Za pomocą odpowiednich rachunków matematycznych ustala się granice naj-większej opłacalności projektowanego wyrobiska, czyli znajduje się optimum jego wydajności przy minimum kosztów, zarówno w okresie jego budowy, jak i utrzyma-nia i eksploatacji. Projektowanie sposobu udostępnienia złoża jest procesem itera-cyjnym, wymagającym analizy różnych scenariuszy i zmiennych założeń, w celu podjęcia ostatecznej, ekonomicznie uzasadnionej decyzji. Takie podejście do pro-blemu wymaga opracowania co najmniej kilku potencjalnych rozwiązań technicz-nych oraz ustaleniu dla każdego z nich indywidualnych wskaźników techniczno- -ekonomicznych. Podstawę dla ustalenia najkorzystniejszego wariantu stanowi po-wszechnie kryterium najmniejszego kosztu całkowitego obciążającego jednostkę
wydobywanego urobku, pod warunkiem że uwzględniono górniczo-techniczne wa-runki porównywanych wariantów oraz odniesiono wygenerowane koszty do toż sa-mego okresu dla uzyskania ich porównywalności. Efektywność ekonomiczna anali-zowanych rozwiązań może być także weryfikowana w toku optymalizacji poprzez porównanie wartości bieżącej netto (NPV) oraz wewnętrznej stopy zwrotu możliwych wariantów projektowych [14]. Najbardziej atrakcyjna finansowo koncepcja jest za-twierdzana do realizacji. Niektórzy autorzy podają, że jeżeli różnica w kosztach po-między poszczególnymi wariantami nie przekracza 10%, ze względu na błędy obli-czeniowe można je uznać za równoznaczne i decyzja o wyborze sposobu udostę p-nienia złoża będzie się opierać na technicznie dogodniejszym rozwiązaniu [6].
Generalizując, można wyróżnić cztery podstawowe rodzaje głównych wyrobisk udostępniających: sztolnia, upadowa, szyb pionowy oraz szyb pochyły (rys. 3-6).
Rys. 3. Udostępnienie złoża sztolnią [17] Rys. 4. Udostępnienie złoża upadową [17]
Rys. 5. Udostępnienie złoża szybem pionowym [17]
Rys. 6. Udostępnienie złoża szybem pochyłym [17]
Każdy z wymienionych sposobów ma istotne zalety, ale także ograniczenia stoso-walności w określonych warunkach geologiczno-górniczych. Warto również zauważyć,
minują wybór optymalnego sposobu rozmieszczenia głównych wyrobisk udostę pnia-jących względem siebie i złoża. Do kluczowych właściwości zaliczyć można typ złoża, przyjęty system eksploatacji, własności geomechaniczne górotworu, głę bo-kość zalegania złoża, planowany postęp wyrobisk poziomych oraz ich rozmieszcze-nie w złożu, prognozowaną wielkość wydobycia, harmonogram robót górniczych, przewidywany czas życia kopalni, długość drogi odstawy do szybu, głębokość liczo-ną od portalu upadowej do stropu złoża, wymagania odnośnie do dostępności upa-dowej do celów serwisowych oraz stopę dyskontową, przyjętą do analizy. Kapitalne wyrobiska udostępniające mają dla kopalni znaczenie strategiczne, dlatego też osta-teczny wybór wariantu musi być poparty wyjątkowo rzeczowym uzasadnieniem techniczno-ekonomicznym.
2. Udost
ę
pnienie zło
ż
a szybem pionowym
Można ogólnie stwierdzić, że szyby są pionowymi bądź nachylonymi do poziomu wyrobiskami górniczymi, głębionymi w skorupie ziemskiej w celu otwarcia dostępu do złoża, które zalega zbyt głęboko, aby można było prowadzić ekonomicznie uza-sadnioną eksploatację sposobem odkrywkowym. Bardzo często są one jedynym sposobem udostępnienia, zwłaszcza gdy złoże zalega pod dość nadkładem skał płonnych, na znacznych głębokościach i przy niewielkim nachyleniu pokładów. W zależności od funkcjonalnego przeznaczenia szybom stawia się rozmaite wyma-gania. Do najistotniejszych ich funkcji należą: otwarcie dostępu z powierzchni do złoża, opuszczanie materiałów i sprzętu, ciągnienie urobku i kamienia, jazda ludzi, dostarczanie świeżego powietrza do wyrobisk górniczych oraz odprowadzanie po-wietrza zużytego. Zgodnie z obowiązującymi przepisami, każda kopalnia podziemna musi mieć co najmniej dwa zdatne do użytku połączenia wyrobisk podziemnych z powierzchnią ziemi, aby umożliwić załodze wydostanie się na powierzchnię ze wszystkich poziomów i oddziałów, oraz stworzyć co najmniej jedno wyjście ewakua-cyjne z kopalni podziemnej w razie wystąpienia niebezpieczeństwa. Przy połączeniu wyrobisk podziemnych z powierzchnią ziemi za pomocą dwóch szybów głębszy jest zwykle wydobywczym i wdechowym dla powietrza świeżego, płytszy zaś – wyde-chowym, czyli wentylacyjnym.
Szyby pionowe zawsze należały do najczęściej stosowanych wyrobisk udostę p-niających w kopalniach podziemnych. Dzięki możliwości regulacji prędkości naczyń
skipowych przy wyciąganiu urobku, transport szybowy ma dużą zdolność wydobyw-czą przy relatywnie niskich kosztach operacyjnych [1]. Szyby są szczególnie atrak-cyjne w kopalniach wykorzystujących systemy klimatyzacji wyrobisk podziemnych, gdyż stanowią najbardziej bezpośredni i prostoliniowy kanał dla przepływu powie-trza, dzięki czemu stawiają najmniejszy opór i generują niskie obciążenie termiczne dla kopalni. Zasadniczą wadą wyrobisk szybowych jest czas ich głębienia oraz uzbrojenia. W porównaniu z innymi metodami udostępnienia budowa szybów pio-nowych wymaga także znacznych nakładów kapitałowych oraz charakteryzuje się
ograniczoną ładownością i wymiarami geometrycznymi urządzeń, jakie mogą być
transportowane do wyrobisk podziemnych kopalni. Wszystkie te ograniczenia po-winny być jednak uwzględnione już na etapie projektowania szybu, co w efekcie pozwoli uniknąć wielu niedogodności.
Kształt przekroju poprzecznego wyrobiska szybowego jest uzależniony od jego funkcjonalnego przeznaczenia, fizyko-mechanicznych parametrów skał, prognozo-wanego okresu pracy szybu, a także od warunków hydrogeologicznych w miejscu
głębienia. Z uwagi na przekrój poprzeczny można wyróżnić szyby o przekroju pro-stokątnym, beczkowym, eliptycznym i okrągłym (rys. 7, 8).
2.1. Szyby o przekroju czworobocznym
Pierwotnie kształt prostokątny był bardzo popularny z uwagi na rodzaj obudowy, która przeważnie była drewniana, oraz najkorzystniejsze wykorzystanie przekroju poprzecznego szybu w aspekcie rozmieszczenia naczyń wyciągowych oraz prze-działów klatkowych, drabinowych, kablowych i rurowych (rys. 7). Stosunek po-wierzchni użytkowej do całej powierzchni przekroju szybu dla szybów o różnych rodzajach przekroju przedstawiono w tabeli 1. Dla pomieszczenia w szybie okrągłym tego samego wyposażenia, co w szybie prostokątnym, należy wykonać około 30% więcej wyłomu.
Tabela 1. Wskaźnik wykorzystania tarczy szybów o różnym kształcie przekroju poprzecznego [5]
Kształt przekroju poprzecznego szybu
Wskaźnik wykorzystania
tarczy szybu
prostokątny 1,0
beczkowy 0,78
eliptyczny 0,73
okrągły 0,70
Czworoboczny kształt tarczy szybu był także często stosowany w wyrobiskach o stosunkowo krótkim okresie funkcjonowania lub gdy miały one znaczenie pod-rzędne w skali zakładu górniczego. Obudowa drewniana nie dawała jednak dosta-tecznej pewności przy większych głębokościach oraz w skałach o małej zwięzłości. Odpowiednie ułożenie przekroju szybu w stosunku do nachylenia warstw skalnych umożliwia wprawdzie polepszenie warunków stateczności wyrobiska przy większych naprężeniach poziomych bądź w złożonych warunkach hydrogeologicznych, jed-nakże ograniczony czas trwania obudowy drewnianej oraz znaczne koszty utrzyma-nia i przebudowy szybu zdecydowały o stopniowym wyeliminowaniu szybów czwo-robocznych [2]. Ponadto, kształt prostokątny tarczy szybowej stawia znacznie większy opór przepływającemu powietrzu niż przekroje eliptyczne, beczkowe czy okrągłe.
Obecnie przekrój prostokątny stosuje się przy budowie szybików poszukiwaw-czych i wentylacyjnych oraz przy budowlach wymagających specjalnych badań hy-drotechnicznych gruntu. Z uwagi na istotne ograniczenia takiego kształtu, wyrobiska prowadzi się zwykle w obudowie murowej bądź betonowej, do głębokości nieprze-kraczającej 50 m [5].
2.2. Szyby o przekroju okr
ą
głym
Obecnie wszystkie nowe szybu głębi się niemal wyłącznie o przekroju okrągłym, jako najbardziej korzystnym pod względem wytrzymałościowym, najlepiej przeno-szącym naprężenia wywołane ciśnieniem górotworu oraz najbardziej nadającym się
do mechanizacji robót i wykonywania obudowy betonowej (rys. 8). Ponadto, szyby okrągłe cechują się relatywnie dużą łatwością głębienia oraz utrzymania, a także stosunkowo niskim współczynnikiem oporu dla przepływającego powietrza. Są to bardzo istotne aspekty przy analizie rachunku przepływów pieniężnych projektu górniczego. Według ekspertów, za przekrojem okrągłym przemawia również łatwość
orientowania przodku szybowego, nawet przy użyciu wyłącznie pojedynczego pionu, oraz korzystniejszy układ otworów strzałowych [12]. Szyby te głębi się zwykle w obudowie betonowej, żelbetowej, tubingowej oraz rzadziej murowej z cegły lub betonitów. Zasadniczą wadą szybów okrągłych jest niekorzystne wykorzystanie tarczy szybu przez urządzenia wyciągowe i szybowe (tabela 1).
Rys. 7. Tarcza szybu o przekroju prostokątnym; przedziały:
1, 2 – skipowy, 3 – klatkowy, 4 – rurowy, 5 – drabinowy
Rys. 8. Tarcza szybu o przekroju okrągłym
przedziały: 1, 2 –skipowy, 3 – rurowy
Z uwagi na coraz większe głębokości eksploatacji, koncentrację wydobycia oraz maksymalizację wielkości produkcji przy racjonalizacji nakładów kapitałowych, bu-dowane są coraz większe jednostki wydobywcze, pozwalające na spełnienie kryte-riów wentylacyjnych oraz transportowych. Średnice szybów uległy zatem znaczne-mu zwiększeniu i obecnie wynoszą one w świetle 7.5, 8.0, a nawet 9.0 m [5].
3. Udost
ę
pnienie zło
ż
a upadow
ą
z powierzchni
Upadowa jest to pochyłe wyrobisko górnicze drążone w kierunku z góry w dół, zaś
transport urobku odbywa się w kierunku odwrotnym. Jest to bardzo popularny spo-sób udostępnienia złoża w Afryce Południowej oraz Australii, gdzie blisko dwie trze-cie wszystkich podziemnych kopalń wykorzystuje system upadowych i ramp z po-wierzchni. Otwarcie dostępu do złoża z wykorzystaniem upadowej jest rozwią za-niem idealnym, gdy projekt wymaga zaangażowania niewielkiego kapitału oraz w warunkach płytkiego zalegania złoża, pozwalającego na szybkie uruchomienie produkcji górniczej. Istotną zaletą tej metody jest możliwość zatrzymania wyrobiska udostępniającego w dowolnym momencie przy minimalnych niepokrytych zobowią -zaniach [15]. Ponadto, można je wykonać w całości na zasadzie outsourcingu bądź
nawet dzierżawy, gdyż w przeciwieństwie do szybów drążenie upadowej nie wyma-ga wysoko wykwalifikowanej kadry pracowniczej [7]. W złożach zalegających na większych głębokościach drąży się także upadowe spiralne, tzw. serpentyny [1].
3.1. Upadowa z transportem wozami odstawczymi
Wykorzystanie upadowej do udostępnienia złoża jest szczególnie przydatne w ko-palniach rud, gdzie mechanizacja opiera się zasadniczo na spalinowych maszynach samojezdnych [11]. Stwarza to bowiem możliwość zjazdu maszyn z powierzchni do kopalni oraz pozwala uniknąć czasochłonnego i kosztownego ich demontażu, co jest nieuniknione w przypadku szybów pionowych. Warto pamiętać, że w przypadku transportu urobku wozami odstawczymi istnieje próg, powyżej którego wprowadze-nie dodatkowych wozideł spowoduje nadmierne zagęszczenie ruchu oraz trudności natury planistycznej.
Upadowym nadaje się niewielkie kąty nachylenia, dostosowane do ich funkcjo-nalnego przeznaczenia oraz przewidywanych środków transportu. W przypadku zastosowania maszyn samojezdnych zaleca się drążenie wyrobiska o maksymal-nym nachyleniu 8° do 10° (rys. 9) [13]. Co do zasady, im mniejsze jest nachylenie upadowej, tym niższe generowane koszty operacyjne. Wykorzystanie wozów od-stawczych oferuje elastyczność w aspekcie zmiennych parametrów geometrycznych wyrobisk oraz złożonych planów przestrzennych kopalni, jednakże koszty operacyj-ne są relatywnie wysokie w porównaniu chociażby z odstawą przenośnikami
ta-śmowymi. Uważa się także, że transport urobku upadową z wykorzystaniem samo-jezdnych wozów odstawczych jest adekwatny przy maksymalnej dobowej wielkości produkcji kopalni na poziomie 3000 Mg. Dla większych zdolności produkcyjnych zakładu górniczego uzasadnione jest zastosowanie przenośników taśmowych [15].
3.2. Upadowa z transportem przeno
ś
nikiem ta
ś
mowym
Dla konwencjonalnej odstawy taśmowej, upadowym nadaje się kąt nachylenia rzędu 12° [13]. Zakłada się przy tym, że wyrobiskiem poruszać się będą równolegle ma-szyny górnicze na podwoziu oponowym. Jeśli jednak cały przekrój poprzeczny upa-dowej przeznaczony jest wyłącznie do transportu urobku przenośnikiem taśmowym, maksymalny kąt nachylenia wyrobiska może zawierać się w przedziale 15-25°, w zależności od kąta naturalnego usypu transportowanego materiału [15]. Wymaga to także wstępnego kruszenia urobku, w celu uzyskania odpowiedniej granulacji. Należy jednak zaznaczyć, że zdarzające się awarie przenośnika oraz wysypujący się urobek niejednokrotnie wymagają wykorzystania samojezdnych maszyn górni-czych, co też krytycznie wpływa na wybór kąta nachylenia projektowanego wyrobi-ska udostępniającego (rys. 9).
Upadowe wyposażone w przenośniki taśmowe są najmniej efektywne w aspek-cie wentylacyjnym. Względna prędkość przepływającego powietrza i poruszającej się taśmy powinna maksymalnie wynosić 5 m/s, co pozwala uniknąć nadmiernego unoszenia pyłu. W praktyce oznacza to, że upadowa transportowa nie może być
równocześnie wykorzystywana jako główne wyrobisko wentylacyjne. Ponieważ gu-mowe materiały taśm przenośnikowych są palne, mogą być instalowane tylko w prądzie powietrza zużytego. Takim restrykcjom można wprawdzie sprostać dzięki instalowaniu systemów kontroli zagrożenia pożarowego, nie jest to jednak postrze-gane jako dobra praktyka inżynierska.
Rys. 9. Schematyczne przedstawienie upadowej z transportem samochodowym oraz taśmowym [13]
Rys. 11. Kopalni Victoria, KGHM (Kanada): przodek upadowej drążonej w kamieniu (fot.: autor)
4. Porównanie wybranych parametrów szybu pionowego
oraz upadowej
Ogromny skok w rozwoju technologii górniczej, jaki niewątpliwie nastąpił w ostatnim czasie, uświadamia przedsiębiorcom górniczym, że wydajność produkcji, w szero-kim tego słowa znaczeniu, musi ulegać stałej poprawie, jeśli chcą pozostać global-nie konkurencyjni oraz atrakcyjni dla inwestorów. Bardzo dobrą ilustracją tej ś wia-domości jest wiele nowych projektów górniczych, gdzie zdecydowano się na prze-prowadzenie analizy wariantowej w oparciu o cechy właściwe dla udostępnianego złoża. Takim przykładem jest projekt kopalni głębinowej Victoria, należącej do spółki KGHM Polska Miedź S.A., gdzie z dużą troską zespół inżynierów pochylił się nad problemem doboru metody udostępnienia, gwarantującej najlepsze rozpoznanie oraz wykorzystanie złoża przy jednoczesnej racjonalizacji nakładów kapitałowych oraz jednostkowych kosztów operacyjnych (rys. 10, 11).
Northcote i Barnes w 1973 r. udowadniali, że głębokość 350 m od powierzchni terenu jest granicą, od której kryteria ekonomiczne przemawiają na rzecz udostę p-nienia złoża szybem pionowym [8]. Warto zaznaczyć, że kłóci się to z obecnymi doświadczeniami branży górniczej, zaś naukowcy w licznych publikacjach coraz głośniej podważają zasadność dominującej roli szybów w przypadku złóż o średniej głębokości zalegania. Analizy przeprowadzone w zachodniej Australii pokazują, że do głębokości 500 m porzucenie konwencjonalnego głębienia szybów na rzecz drą
Rys. 12. Uproszczony proces projektowania sposobu udostępnienia złoża
Co ciekawe, niektóre kopalnie, prowadzące eksploatację na dużych głę
boko-ściach, jak na przykład Lancefield Gold Mine, przekształciły swój model udostę pnie-nia z wydobycia szybem na transport urobku upadową, co przyczyniło się do
obni-żenia jednostkowych kosztów produkcji oraz wzrostu wydajności kopalni [8]. Niektó-rzy autoNiektó-rzy twierdzą, że w przypadku złóż zalegających na obszarze Turcji do głę -bokości 700 m od powierzchni terenu całkowite nakłady kapitałowe oraz wartość
bieżąca netto (NPV) przemawiają na korzyść udostępnienia upadową spiralną (ram-pą), jednakże jednostkowe koszty transportu urobku faworyzują szyb pionowy [3]. Można zatem wyciągnąć ogólny wniosek, że nie ma ostatecznej zgody wśród nau-kowców odnośnie do jednolitych kryteriów doboru metody udostępnienia złoża, dla-tego też dla określenia parametrów górniczo-technicznych i zastosowania ich do rozwiązywania praktycznych zagadnień projektowych stale konieczne jest opraco-wanie nowych metod projektowania, głównie metod analitycznych [6].
UROBEK Ładowarka łyżkowa Samochód odstawczy Magazyn na powierzchni Załadunek i transport Zakład przeróbczy Ładowarka łyżkowa Samochód odstawczy Kruszenie wstępne Magazyn retencyjny Przenośnik taśmowy Kieszeń załadowcza Wyciągi skipowe Magazyn na powierzchni Załadunek i transport Zakład przeróbczy
Wykres 1. Relacja drogi odstawy urobku szybem pionowym oraz upadową dla różnych kątów jej nachylenia
Na rys. 12 w sposób uproszczony przedstawiony został proces technologiczny odstawy urobku w dwóch wariantach: z upadową (lewa gałąź) oraz z szybem pio-nowym (prawa gałąź). Bardzo łatwo można dostrzec wspólne elementy procesu dla obu metod, a zatem:
a) wybranie urobku ładowarką łyżkową i załadowanie wozu odstawczego, b) odstawa urobku wozidłem technologicznym,
c) magazynowanie urobku na powierzchni,
d) ponowny załadunek urobku i transport do zakładu przeróbczego.
Po wyeliminowaniu elementów jednakowych w obydwu wariantach okazuje się,
że w przypadku transportu szybowego (skipowego) występują ogniwa procesu ge-nerujące dodatkowe obciążenie kosztami operacyjnymi. Można tutaj zaliczyć:
a) wstępne kruszenie urobku,
b) magazynowanie urobku pod ziemią w zbiornikach retencyjnych,
c) odstawa urobku przenośnikiem taśmowym (bądź w wagonikach) w rejon podszybia,
d) wprowadzenie urobku do zbiornika odmiarowego, z którego napełniany bę -dzie skip,
e) transport urobku w wyciągach skipowych na powierzchnię terenu.
Nie można jednak przeoczyć faktu, że głównym elementem, decydującym po-między analizowanymi wariantami, może być transport urobku wozem odstawczym, co zilustrowano na wykresie 1. Wynika to z faktu, że w przypadku wydobycia urobku urządzeniami skipowymi samochód odstawczy pokonuje trasę od miejsca jego zała-dowania w okolicach frontu eksploatacyjnego do miejsca kruszenia wstępnego, które nie powinno być oddalone więcej niż 1 km. W przypadku upadowej natomiast samochód odstawczy musi pokonać trasę od miejsca załadunku aż do magazynu zlokalizowanego na powierzchni terenu. Różnica może wynosi nawet kilkanaście kilometrów (wykres 1), co w istotny sposób przełoży się na efektywność ekonomicz-ną oraz wydajność obydwu wariantów (wykres 2, 3, 4).
4.1. Wpływ gł
ę
boko
ś
ci eksploatacji na wydajno
ść
odstawy urobku
W celu przeprowadzenia symulacji wpływu głębokości eksploatacji na efektywność
odstawy urobku, dobrano odpowiednie parametry pracy naczyń skipowych (tabela 2) oraz samojezdnych wozów odstawczych (tabela 3) w oparciu o dokumentacje techniczno-ruchowe maszyn oraz doświadczenia KGHM Polska Miedź S.A. Do ana-lizy przyjęto wozy o pojemności skrzyni załadowczej do 20 Mg, z przedziału od 20 do 40 Mg, a także ponad 40 Mg. W zakresie transportu pionowego, przyjęta do obli-czeń ładowność naczyń skipowych wynosi kolejno 17 Mg, 23 Mg oraz 33 Mg.
Tabela 2. Parametry techniczno-ruchowe transportu pionowego urobku
Wyszczególnienie j.m. Szyb I Szyb II Szyb III
Średnia prędkość skipu m/s 16 20 16
Rozruch i hamowanie s 13 + 31 23 + 42 13 + 31 Czas załadunku i wyładunku urobku s 15 20 15 Pojemność naczynia skipowego Mg 23 33 17
Tabela 3. Parametry techniczno-ruchowe transportu urobku samojezdnymi wozami odstawczymi
Wyszczególnienie j.m. Wóz I Wóz II Wóz III
Średnia prędkość wozu pustego m/s 5 5,5 6
Średnia prędkość wozu pełnego m/s 2,5 2,0 1,4
Czas załadunku urobku s 195 390 585
Czas wyładunku urobku s 30 60 90
Ładowność wg raportów Mg 15 25 35
Wykres 3. Zależność wydajności odstawy samochodowej od długości drogi odstawy przy nachyleniu trasy 10°
Wykres 4. Zależność wydajności odstawy od długości trasy dla Wozu III przy zmiennym nachyleniu trasy
4.2. Jednostkowe koszty operacyjne
Analogicznie do parametrów techniczno-ruchowych, koszty operacyjne transportu pionowego oraz samochodowego zostały przyjęte w oparciu o doświadczenia spółki KGHM Polska Miedź S.A. W celu przeprowadzenia estymacji wpływu głębokości prowadzonej eksploatacji na jednostkowe koszty transportu urobku, dla każdego rozważanego przypadku, oszacowano niezbędne koszty pracy, nakłady materiało-we, konsumpcję energii, amortyzację, koszty usług własnych i obcych, podatki i opłaty, a także kontyngencję. Na podstawie oszacowanych kosztów operacyjnych urządzeń skipowych oraz samojezdnych wozów odstawczych na wykresie 5 zilu-strowano wpływ głębokości zlokalizowania kieszeni załadowczej na jednostkowe koszty transportu pionowego oraz wpływ głębokości eksploatacji na jednostkowe koszty pracy wozów odstawczych (wykres 6).
Wykres 5. Zależność kosztów jednostkowych odstawy skipowej od głębokości eksploatacji
Wykres 6. Zależność kosztów jednostkowych odstawy samochodowej od głębokości eksploatacji
4.3. Analiza progu ekonomicznej efektywno
ś
ci transportu
szyb pionowy vs. upadowa
Na podstawie przyjętych parametrów (tabele 2-5) przeprowadzono symulację po-równawczą wydajności oraz jednostkowych kosztów odstawy. Do analizy przyjęto naczynia skipowe o pojemności 17 Mg, 23 Mg i 33 Mg oraz trzy, sześć i dziewięć
wozów odstawczych III, charakteryzujących się najwyższą pojemnością skrzyni załadowczej oraz efektywnością pracy. Celem takiego porównania jest znalezienie krytycznej głębokości eksploatacji, przy której pionowy system odstawy staje się
ekonomicznie uzasadniony oraz bardziej wydajny niż transport za pomocą wozów (wykresy 7-10).
Wykres 7. Symulacja porównawcza wydajności transportu urobku skipami oraz odstawy upadową
Wykres 8. Analiza rentowności transportu skipami 17 Mg oraz wozem odstawczym o ładowności 15 Mg
Wykres 9. Analiza rentowności transportu skipami 23 Mg oraz wozem odstawczym o ładowności 25 Mg
Wykres 10. Analiza rentowności transportu skipami 33 Mg oraz wozem odstawczym o ładowności 35 Mg
Podsumowanie
Na podstawie założonych kryteriów oraz dobranych parametrów techniczno- -ekonomicznych można wnioskować, że wydajność pracy samojezdnych wozów odstawczych bardzo gwałtownie spada wraz ze wzrostem głębokości eksploatacji, a tym samym długością trasy odstawy. Chociaż istnieje możliwość zaprojektowania kąta nachylenia upadowej, tak by zwiększyć efektywność odstawy samochodowej, to jednak istotnym ograniczeniem są parametry geometryczne wyrobiska, przy któ-rych odstawa wozami jest możliwa do zrealizowania. Istotną zaletą transportu urob-ku upadową jest możliwość zwiększenia liczby samochodów odstawczych w zależ -ności od oczekiwanej wielkości produkcji, jednakże często wymaga to drążenia wiązki równoległych upadowych jako głównych wyrobisk wentylacyjnych oraz tras powrotnych dla wozów.
Chociaż efektywność pracy wyciągów skipowych spada zdecydowanie mniej gwałtownie niż w przypadku samojezdnych wozów odstawczych, to jednak moż li-wość zwiększenia wydobycia istniejącym już szybem napotyka na dużo większe komplikacje. Biorąc pod uwagę możliwość zastosowania dziewięciu samojezdnych wozów odstawczych o ładowności 35 Mg, okazuje się, że rozwiązanie takie jest bardziej efektywne od naczynia skipowego o pojemności 33 Mg do głębokości 185 m, zaś naczynia skipowe o pojemności 13 Mg są bardziej efektywne na głę bo-kości 295 m. Nakłady kapitałowe odniesione do jednostkowego wydobycia urobku są znacznie większe dla odstawy szybowej. Wykonane symulacje wykazały, że dla porównywalnej pojemności naczyń skipowych oraz skrzyni załadowczej wozów od-stawczych istnieje krytyczna głębokość, przy której transport pionowy staje się eko-nomicznie uzasadniony w porównaniu z upadową. W przypadku wozów o niskiej ładowności, progiem rentowności jest eksploatacja poniżej poziomu 175 m od po-wierzchni terenu. Wraz ze wzrostem pojemności skrzyni załadowczej głębokość
graniczna ulega stosownemu zwiększeniu do określonej wartości maksymalnej. Dla wozów o pojemności 25 Mg próg rentowności może być zdefiniowany na głębokości 260 m, zaś przy ładowności wozu 35 Mg wynosi on 370 m.
Przeprowadzona analiza dotyka tylko jednego z wielu aspektów, jakie należy uwzględnić przy analizie wariantowej sposobu udostępnienia złoża. Pokazuje, że odstawa upadową z wykorzystaniem wozów odstawczych może stanowić alternaty-wę dla szybów pionowych tylko do określonej głębokości, zależnej od pojemności skrzyni załadowczej wozów oraz ładowności naczyń skipowych. Jest to szczególnie istotne w przypadku ograniczeń kapitałowych na realizację projektu górniczego, gdy przepływy pieniężne są oczekiwane w stosunkowo krótkim czasie od rozpoczęcia inwestycji bądź gdy złoże zalega na niewielkiej głębokości od powierzchni terenu.
Bibliografia
[1] Bielewicz T., Prus B., 1993, Górnictwo. Część I. Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice.
[2] Budryk W., 1963, Górnictwo, tom 1. Zarys górnictwa. Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice. [3] Elevli B., Demirci A., Dayi O. 2002, Underground haulage selection: Shaft or ramp for
a small-scale underground mine.
[4] Hartman H.L., Mutmansky J.L., 2002, Introductory Mining Engineering.
[5] Kostrz J., 1961, Górnictwo, tom VI. Wykonywanie wyrobisk, część I. Głębienie szybów metodą zwykłą z powierzchni, Wydawnictwo Górniczo-Hutnicze, Katowice.
[6] Krupiński B., 1963, Zasady projektowania kopalń. Część I, Wydawnictwo „Śląsk”, Kato-wice.
[7] Matunhire I.I., 2012, Design of Mine Shafts.
[8] McCarthy P.L., Livingstone R., 2009, Shaft or Decline?, An Economic Comparison. [9] McCarthy P.L., Selection of Shaft Hoisting or Decline Trucking for Underground Mines. [10] Nowak K., 1970, Górnictwo. Część I, Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice.
[11] Piechota S., 2008, Technika podziemnej eksploatacji złóż i likwidacji kopalń, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków.
[12] Rabsztyn J., 1970, Podstawowe elementy eksploatacji górniczej, Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice.
[13] Rupprecht S.M., 2012, Mine Development – Access to Deposit.
[14] Wells H.M., 1973, The influence of economics on the design of mine shaft system. [15] Wilson R.B., Willis R.P.H., Du Plessis A.G., 2004, Considerations in the choice of
prima-ry access and transportation options in platinum mines.
[16] Wirth H., 2011, Wieloczynnikowa wycena złóż i ich zasobów na przykładzie przemysłu metali nieżelaznych, Wydawnictwo Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Ener-gią, Kraków.
[17] Горная энциклопедия онлайн [online] [dostęp: 15.12.2014]. Dostępny w internecie: <http://www.mining-enc.ru/v/vskrytie-mestorozhdeniya/>
