JAK WYDOBYWAMY SUROWCE?

Początki górnictwa

Metody wydobycia surowców są ściśle powiązane z rozwojem technologii. Czasem eksploatacja możliwa była dzięki opracowaniu nowych urządzeń i technik, czasem nowe wynalazki powstawały właśnie na potrzeby górnictwa.

W czasach prehistorycznych surowce mineralne pozyskiwano poprzez zbieranie ich z powierzchni ziemi, odłupywanie od skał macierzystych lub kopanie niewielkich dołów. Z czasem wyczerpywanie się nagromadzeń lub pogoń za nowymi zmusiła do kopania coraz głębiej: powstawały łomy, pierwsze szybiki, a później płytkie kopalnie podziemne.

Do najstarszych zabytków górnictwa na ziemiach polskich należą kopalnie krzemienia w Krzemionkach Opatowskich. Pochodzą one sprzed 5 tys. lat. Kopalnie składały się z łącznie około 1200 szybików, na głębokości 4-10 metrów. Pozyskiwany z nich surowiec, szlakami handlowymi, trafiał do miejsc oddalonych o setki, a nawet tysiące kilometrów.

Nieco młodsze są pozostałości po pozyskiwaniu bursztynu oraz rudy darniowej dla potrzeb hutnictwa. W średniowieczu powstały warzelnie wytwarzające sól kamienną w rejonie Bochni i Wieliczki.

Metody wydobycia surowców

Surowce mineralne powstawały pod wpływem zróżnicowanych procesów, na różnych głębokościach. Budowa geologiczna złoża, jego głębokość, wielkość oraz miąższość (grubość), własności fizyczne i chemiczne, występowanie warstw wodonośnych, ukształtowanie i zagospodarowanie terenu oraz aktualne możliwości techniczne to główne, ale nie jedyne czynniki wpływające na koszty wydobycia. Podstawowym kryterium doboru metody eksploatacji danego złoża, są koszty pozyskania kopaliny użytecznej. Wybiera się metodę, przy której są one jest najniższe, czas przygotowania i osiągnięcia wydobycia najkrótszy, a dewastacja środowiska naturalnego najmniejsza. Przez tysiąclecia ludzie doskonalili sposoby eksploatacji surowców.

 Z uwagi na głębokość i miejsce zalegania złoża możemy stosować eksploatację:

• naziemną (odkrywkową);
• podziemną (głębinową i otworową);
• podmorską.
  
  

Eksploatacja odkrywkowa znajduje zastosowanie, gdy kopalina znajduje się stosunkowo płytko. W tej metodzie usuwana jest wierzchnia warstwa skał czyli tzw. nadkład, który czasami też jest wykorzystywany jako kopalina lub odkładany w wyznaczonych miejscach w postaci hałd. W zależności od rodzaju wydobywanego surowca rozróżnia się kopalnie odkrywkowe: węgla, surowców skalnych (kamieniołomy), glin (glinianki), piasków (piaskownie), żwirów (żwirownie), rud i kruszców, torfu itp. W kopalniach tego typu nie ma ograniczeń jeśli chodzi o wielkość maszyn. Można też wybierać praktycznie całe złoże, nie ma więc strat wynikających z pozostawiania części kopaliny. Jest to stosunkowo tania metoda, ale wiąże się z dużą degradację środowiska. Jest też uzależniona od warunków atmosferycznych. W Polsce obecnie wydobywa się tak węgiel brunatny, surowce skalne (np. wapienie, granity itp.), okruchowe (żwiry, piaski, iły itp.) a wcześniej np. siarkę, czy rudy żelaza i miedzi. Jest to najstarszy znany sposób eksploatacji złóż przez człowieka.

Eksploatacja głębinowa umożliwia wydobywanie kopaliny nawet na obszarach silnie zurbanizowanych. Jej wadą jest bardzo duży koszt. Surowce są pozyskiwane za pomocą sieci wyrobisk – chodników, szybów, pochylni oraz odwiertów wiertniczych. Kopalnie głębinowe otoczone są ze wszystkich stron skałami, które wywierają nacisk na strop i boki wyrobiska, dlatego też muszą być zabezpieczone systemem obudowy, który chroni przed napieraniem górotworu i zawaleniem chodników. Ta metoda wymaga także stosowania urządzeń i maszyn do przewietrzania i obniżania temperatury, która wzrasta wraz z głębokością, a także oświetlenia i odwodnienia kopalni. Ze względu na wielkość wyrobisk stosowanie dużych maszyn ma swoje ograniczenia. Przy tej technice wydobycia konieczne jest pozostawianie pewnych ilości kopaliny, aby chronić przed zawaleniem zarówno infrastrukturę powierzchniową jak i podziemną, tworząc tzw. filary ochronne. Koszty utrzymania kopalni związane są także z zabezpieczeniem przed gazami takimi jak np. metan i wodami podziemnymi. Ciężar wypompowanej wody z wyrobisk górniczych jest często większy od ciężaru wydobytej w tym samym czasie kopaliny użytecznej. W Polsce wydobywa się w ten sposób węgiel kamienny, łupki miedzionośne, cynk i ołów i sól kamienną. W górnictwie zdarzają się przypadki, że część danego złoża wybiera się do pewnej głębokości sposobem odkrywkowym, a głębsze jego partie – eksploatuje się metodą podziemną.

Fot. Kopalnia węgla kamiennego, Lubelski Węgiel Bogdanka S.A

Eksploatacja otworowa (wiertnicza) polega na wcześniejszym wykonaniu otworu wiertniczego. Odwiert zabezpiecza się rurami okładzinowymi (najczęściej stalowymi) i specjalistyczną warstwą cementową izolującą od otoczenia i zabezpieczającą poziomy wód podziemnych. Kolejnym etapem jest oczyszczenie rur z zanieczyszczeń. Do tego celu stosuje się często kwas chlorowodorowy (solny). Na powierzchni montuje się urządzenia regulujące ciśnienie i przepływu ropy oraz gazów. Jest to zestaw połączonych zaworów i rur. Pewną odmianą eksploatacji otworowej jest szczelinowanie hydrauliczne stosowane w eksploatacji ropy i gazu w słaboprzepuszczalnych skałach łupkowych.

Otwory wiertnicze służą także do eksploatacji złóż surowców, które pod wpływem różnych czynników zmieniają stan skupienia. Procesy te mogą mieć charakter chemicznego ługowania lub zgazowania, fizycznego wytapianie czy poddawania działaniu procesów biochemicznych wykorzystujących bakterie. Po wprowadzeniu do odwiertu rozpuszczalnika –gorącej wody ze sprężonym powietrzem – można ługować sole kamienne i potasowe oraz wytapiać siarkę rodzimą. W ten sposób eksploatuje się sole np. w Kopalniach Soli Solino w Inowrocławiu oraz siarkę w Kopalni Osiek koło Tarnobrzega.

Otwory wiertnicze służą przede wszystkim w eksplantacji ropy naftowej i gazu ziemnego, soli, siarki rodzimej, a także wód geotermalnych.

Eksploatacja podmorska

Wzrastające zapotrzebowanie na surowce prowadzi do ich poszukiwania i eksploatacji na dnie morskim lub pod jego powierzchnią. Zwiększona koncentracja na dnie morskim piasków tytanonośnych, złotonośnych i cynonośnych, diamentów czy fosforytów sprawia, że coraz częściej ocean światowy jest postrzegany jak sezam z nieprzebranymi bogactwami. Mimo, że obecnie wydobycie podmorskich złóż jest jeszcze prowadzone na niewielką skalę, rozwój technologii i postęp w rozpoznaniu zasobów pozwala sadzić, że nie będziemy długo czekać na zwiększenie pozyskiwania cennych pierwiastków z morskich głębin. Należy jednak pamiętać, że ekosystem oceanu nie może w tej pogoni za zyskami ulec zniszczeniu. Ta kwestia stanowi ogromne wyzwanie dla górnictwa podmorskiego.

Surowcami, które eksploatowano spod dna morskiego już w pierwszej połowie XX w są ropa naftowa i gaz ziemny. Do tego celu służą platformy wiertnicze. Budowa tak kosztownej i skomplikowanej inwestycji trwa przeważnie około 2 lat. Platformy mogą być przytwierdzone na stałe do dna, jeśli głębokość nie przekracza 90 m. Jeśli dno jest położone głębiej stosuje się specjalne pływaki zakotwione do dna morskiego. Tego typu budowle połączone są przeważnie z systemem kilkudziesięciu odwiertów. Na platformie oddziela się ropę od gazu. Tak przygotowany surowiec przepompowywany jest siecią rurociągów na statek wydobywczo–przeładunkowy lub do rafinerii.

Czy wiesz że…

Pomysłodawcą pierwszej na świecie platformy wiertniczej był Polak – Witold Zglenicki. Ten polski inżynier, pracujący od 1891 roku na polach naftowych Baku, obserwując aktywność podwodnych gazowo-błotnych wulkanów na Morzu Kaspijskim, doszedł do wniosku, że są one świadectwem istnienia podwodnych roponośnych złóż. Sądził, że są one o wiele zasobniejsze, niż te eksploatowane na lądzie. W 1896 roku zaprojektował żelazny pomost posadowiony na wbitych w dno morskie palach, wystający około pięciu metrów nad powierzchnię wody. Ten prototyp platformy niestety został uznany przez carskich urzędników „za zbyt śmiały” a podwodne pola roponośne zamierzano zasypać i osuszyć, aby prowadzić „lądową” eksploatację.