Wydobywanie węgla

Wydobycie węgla, wydobycie złóż węgla z powierzchni ziemi i podziemia.

Węgiel jest najpowszechniejszym paliwem kopalnym na Ziemi. Jego głównym zastosowaniem zawsze było wytwarzanie energii cieplnej. Było to podstawowe źródło energii, które napędzało rewolucję przemysłową XVIII i XIX wieku, a rozwój przemysłowy tej epoki z kolei wspierał eksploatację złóż węgla na dużą skalę. Od połowy XX wieku węgiel stał się głównym ropą naftową i gazem ziemnym jako główny dostawca energii na świecie. Wydobywanie węgla ze złóż powierzchniowych i podziemnych jest dziś wysoce produktywną, zmechanizowaną operacją.

Historia

Starożytne wykorzystanie odkrywkowego węgla

Istnieją dowody archeologiczne, że węgiel został spalony na stosach pogrzebowych w epoce brązu, 3000 do 4000 lat temu, w Walii. Arystoteles wspomina o węglu („ciałach palnych”) w swojej Meteorologice, a jego uczeń Theophrastus również odnotowuje jego wykorzystanie. Rzymianie w Wielkiej Brytanii palili węgiel przed rokiem 400; znaleziono popiół wśród ruin rzymskich willi i miast oraz wzdłuż muru rzymskiego, zwłaszcza w Northumberland, w pobliżu odsłonięcia pokładów węgla. Hindusi Hopi z dzisiejszych południowo-zachodnich Stanów Zjednoczonych wydobywali węgiel przez zbieranie i skrobanie i wykorzystywali go do ogrzewania, gotowania i ceremonialnych komnat już w XII wieku; w XIV wieku używali go przemysłowo do wyrobu ceramiki. Marco Polo donosi, że jest powszechnie stosowany w XIII-wiecznych Chinach. Domesday Book (1086), w którym zapisano wszystko, co ma wartość ekonomiczną w Anglii, nie wspomina o węglu. Pierwszy londyński węgiel przybył drogą morską w 1228 r. Z rejonów Fife i Northumberland, gdzie kobiety i dzieci zebrały bryły połamane z okrętów podwodnych i wyrzucone na brzeg przez działanie fal. Następnie nazwa węgla morskiego została zastosowana do całego węgla bitumicznego w Anglii. Później w tym wieku mnisi zaczęli wydobywać odkrywki na północy Anglii.

Zmiany w wejściu do kopalni

Wały

Z wyjątkiem Chińczyków, którzy mogli wydobywać węgiel pod ziemią, wszystkie wczesne pokłady węgla były obrabiane z powierzchni, w całkowicie odsłoniętych wyrobiskach. Jednak w późnym średniowieczu wyczerpanie węgla wychodzącego w wielu miejscach wymusiło zmianę wydobycia z powierzchniowego na podziemne lub szybowe. Wczesne kopalnie szybowe były niewiele więcej niż studniami poszerzonymi, tak jak górnicy odważyli się w obliczu niebezpieczeństwa zawalenia się. Wały zatopiono na wysokim gruncie, z sztolniami - prawie poziomymi tunelami - do drenażu wbitego w zbocze wzgórza. W Anglii niektóre płytkie szyby wydobywcze zostały wyczerpane już w XIV wieku, co spowodowało konieczność głębszego pogłębienia wydobycia u dołu szybu. Pozostały małe operacje; zapis z 1684 roku pokazuje 70 kopalń pod Bristolem, zatrudniających 123 pracowników. Większa głębokość spowodowała wiele problemów. Po pierwsze, wody nie można już po prostu spuścić. Opracowano metody surowe, aby podnieść go na powierzchnię. Urządzenie czerpakowo-łańcuchowe było najpierw napędzane przez ludzi, a później przez konie; ciągły pasek okrągłych płyt został wyciągnięty przez rurę. Do pomp zastosowano wiatraki. Ale wały musiały być ograniczone do głębokości od 90 do 105 metrów (300 do 350 stóp) i promienia wydobycia 180 metrów. Dopiero w 1710 r. Problem wody został złagodzony przez silnik parowy atmosferyczny Thomasa Newcomena, który dostarczył tanie i niezawodne źródło zasilania dla pionowej pompy tłokowej.

Podnoszenie

Kolejnym problemem było wydobycie samego węgla. Siła robocza, prowadząca windę kotwiczną, została zastąpiona przez siłę roboczą; a gdy szyby sięgały głębiej, dodawano kolejnych koni. W Whitehaven w 1801 r. Węgiel został wyciągnięty na 180 metrów przez cztery konie w tempie 42–44 ton metrycznych (46–48 ton) w ciągu dziewięciu godzin. Wprowadzenie silnika parowego do podnoszenia węgla było ważnym punktem zwrotnym dla branży. Małe windy kotwiczne napędzane parą zostały pomyślnie wypróbowane około 1770 r. Około 1840 r. Pierwsza klatka służyła do podnoszenia załadowanego samochodu; a od 1840 r. postęp w technikach wydobycia węgla był szybki.

Wentylacja

Obecność trujących i łatwopalnych gazów spowodowała, że ​​górnicy rozpoznali kluczowe znaczenie wentylacji w kopalniach węgla od najwcześniejszych dni. Naturalną wentylację zapewniono dzięki poziomym tunelom odwadniającym napędzanym z pochyłej powierzchni w celu połączenia z szybem. Powierzchniowe stosy nad szybem zwiększały efektywność wentylacji; ich użycie trwało w małych kopalniach do początku XX wieku. Najbardziej niezawodną metodą przed wprowadzeniem wentylatorów było zastosowanie pieca na dnie szybu lub na powierzchni. Pomimo zagrożenia pożarem i wybuchem, na początku XX wieku działała jeszcze duża liczba pieców, przynajmniej w kopalniach pozaziemskich.

Oświetlenie otwartego płomienia było jednak o wiele bardziej powszechną przyczyną wybuchów do czasu wprowadzenia lampy bezpieczeństwa Davy (około 1815 r.), W której płomień jest zamknięty w podwójnej warstwie siatki drucianej, która zapobiega zapłonowi łatwopalnych gazów w powietrzu z kopalni. Obecność silnych prądów powietrza sprawiła jednak, że nawet lampa Davy była niebezpieczna.

Obrotowe wentylatory wentylacyjne wprowadzono w kopalniach w XVIII wieku. Pierwotnie z drewna i zasilane parą, zostały ulepszone w XIX i XX wieku poprzez wprowadzenie stalowych ostrzy, energii elektrycznej i aerodynamicznie wydajnych kształtów ostrzy.

Od ekstrakcji ręcznej do zmechanizowanej

Konwencjonalne wydobycie

Wcześni europejscy górnicy wydobywali węgiel z pokładu lub łamali go kilofem. Po wprowadzeniu materiałów wybuchowych konieczne było podcięcie pokładu węgla narzędziami ręcznymi. Pojawienie się pary, sprężonego powietrza i elektryczności przyniosło ulgę w tej ciężkiej, niebezpiecznej pracy. W 1868 roku, po prawie 100 latach prób i błędów, w Anglii wprowadzono na rynek komercyjny obcinacz do kół obrotowych do podcięcia pokładu węgla. To pierwsze napędzane narzędzie tnące zostało wkrótce ulepszone poprzez wprowadzenie sprężonego powietrza jako źródła zasilania zamiast pary. Później wykorzystano prąd. Przecinak ścianowy został wprowadzony w 1891 r. Początkowo napędzany sprężonym powietrzem, a następnie zelektryfikowany, mógł rozpocząć się na jednym końcu długiej powierzchni (pionowy, odsłonięty przekrój pokładu węgla) i ciąć w sposób ciągły na drugim.

Rozwój ciągłego wydobycia

Konwencjonalne techniki wydobywcze opisane powyżej, składające się z cyklicznych operacji cięcia, wiercenia, piaskowania i załadunku, opracowane w powiązaniu z wydobyciem w pomieszczeniu i filarze. Najstarsza z podstawowych metod podziemnych, wydobycie pokojowo-filarowe, wyrosło naturalnie z potrzeby wydobycia większej ilości węgla, ponieważ operacje wydobywcze stały się głębsze i droższe. Pod koniec lat 40. XX wieku konwencjonalne techniki zaczęto zastępować pojedynczymi maszynami, znanymi jako ciągłe górniki, które odrywały węgiel od pokładu i przenosiły go z powrotem do systemu transportu. Joy Ripper (1948) był pierwszym ciągłym górnikiem stosowanym w metodzie pokojowo-słupowej.

Początki wydobycia ścianowego

Inna podstawowa metoda nowoczesnego wydobycia, wydobycie ścianowe, została wprowadzona już w XVII wieku i znalazła powszechne zastosowanie w XIX wieku, ale od dawna była mniej wydajna niż wydobycie w komorach. Zaczęło się to zmieniać w latach 40. XX wieku, kiedy Wilhelm Loebbe z Niemiec opracował system ciągły obejmujący „pług”. Przeciągnięty przez powierzchnię węgla i prowadzony przez rurę po stronie czołowej segmentowego przenośnika, pług wyrył rąbek z dna szwu. Przenośnik przylgnął do twarzy za posuwającym się pługiem, aby złapać węgiel, który odpryskiwał z góry. System Loebbe, który znacznie zredukował nakład pracy potrzebny na węgiel (z wyjątkiem potrzebnych do zainstalowania podpory dachowej), szybko stał się popularny w Niemczech, Francji i krajach nisko położonych.

Sam pług miał ograniczone zastosowanie w kopalniach brytyjskich, ale zaawansowany segmentowo przenośnik stał się tam fundamentalną częścią wyposażenia, aw 1952 r. Wprowadzono prostą ciągłą maszynę zwaną kombajnem. Przeciągnięty wzdłuż twarzy okrakiem na przenośniku, kombajn nosił szereg dysków wyposażonych w kilofy na obwodzie i zamontowanych na wale prostopadłym do powierzchni. Tarcze obrotowe wycinały kawałek z powierzchni węgla, gdy maszyna była ciągnięta, a pług za maszyną czyścił węgiel, który spadł między powierzchnią a przenośnikiem.

Podparcie dachu

Technika podpierania dachu za pomocą kotwiących skał stała się powszechna pod koniec lat 40. XX wieku i przyczyniła się do zapewnienia niezakłóconego obszaru roboczego dla wydobywania ścian i słupów, ale była to pracochłonna i powolna operacja, która uniemożliwiła wydobycie ścianowe. Jednak pod koniec lat 50. XX wieku Brytyjczycy wprowadzili samobieżne podpory dachowe z napędem. Indywidualnie lub w grupach, wsporniki te, przymocowane do przenośnika, można hydraulicznie obniżyć, przesunąć i ustawić ponownie na dachu, zapewniając w ten sposób obszar bez podpór dla sprzętu (między powierzchnią węgla a pierwszym rzędem podnośników) i zadaszeniem ścieżka dla górników (między pierwszym a drugim rzędem gniazd).

Transport

Praca fizyczna na energię elektryczną

W pierwszych kopalniach szybów węgiel ładowano do koszy, które były przenoszone na grzbiety mężczyzn lub kobiet lub ładowane na drewniane sanki lub tramwaje, które były następnie popychane lub ciągnięte przez główną drogę transportu do dna szybu, aby zawieszać je na linach wyciągowych lub więzy. W kopalniach dryfujących i stokowych węgiel wydobywano bezpośrednio na powierzchnię tymi i podobnymi metodami. Sanki ciągnęły najpierw ludzie, a później zwierzęta, w tym muły, konie, woły, a nawet psy i kozy.

Lokomotywy parowe zaprojektowane przez Richarda Trevithicka były używane na polach Południowej Walii i Tyne, a później w Pensylwanii i Wirginii Zachodniej, ale wytwarzały zbyt dużo dymu. Lokomotywy na sprężone powietrze, które pojawiły się w latach 80. XIX wieku, okazały się kosztowne w eksploatacji. Lokomotywy elektryczne, wprowadzone w 1887 roku, szybko stały się popularne, ale muły i konie nadal pracowały w niektórych kopalniach dopiero w latach 40. XX wieku.

Ładowanie zmechanizowane

Ręczne ładowanie łamanego węgla do wagonów stało się przestarzałe na początku XX wieku przez ładowarki mobilne. Stanley Header, pierwsza maszyna do załadunku węgla używana w Stanach Zjednoczonych, została opracowana w Anglii i przetestowana w Kolorado w 1888 r. Inne zostały opracowane, ale niewiele z nich przeszło poza fazę prototypu do momentu wprowadzenia maszyny Joy w 1914 r. - zasada uzbrojenia, maszyna Joy stanowiła wzór dla przyszłych udanych ładowarek mobilnych. Po wprowadzeniu w 1938 roku elektrycznych, zmęczonych gumą wagonów wahadłowych zaprojektowanych do transportu węgla z maszyny ładującej do windy, mobilny załadunek i transport szybko zastąpiły przewóz gąsienicowy w obliczu kopalni pokojowych i filarowych.

Przenośniki

W 1924 r. Z powodzeniem zastosowano przenośnik taśmowy w kopalni antracytu w środkowej Pensylwanii do przenoszenia węgla z grupy przenośników pokojowych na ciąg samochodów przy wejściu do kopalni. W latach 60. pasy prawie całkowicie zastąpiły wagony do transportu pośredniego.