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長壁採掘は、長い壁状の石炭を一塊りで採掘する地下採掘の一種です（通常、厚さは 0.6～6.0 m（2 フィート 0 インチ～19 フィート 8 インチ））。採掘される岩盤は長壁パネルと呼ばれ、通常は 3～4 km（1.9～2.5 マイル）の長さですが、最大 7.5 km（4.7 マイル）、幅 250～400 m（820～1,310 フィート）になることもあります。長壁採掘法は、短壁採掘法、部屋と柱採掘法、その他いくつかの採掘法に類似しています。
歴史
長壁採掘の基本的な考え方は17世紀後半にイギリスで考案されましたが、産業革命以前の時代には、14世紀にアリゾナ州北東部のホピ族が同様の技術を利用していたことから、すでに予見されていた可能性があります。 [1]鉱夫たちは、石炭を採掘面の幅に沿って掘り下げ、落ちる石炭を取り除き、木製の支柱を使って採掘面の後ろの天井が落ちるのを制御しました。これはシュロップシャー採掘法として知られていました。[2]技術は大きく変化しましたが、基本的な考え方は同じままで、広い採掘面から基本的にすべての石炭を取り除き、天井とその上にある岩が後ろの空間に崩れ落ちるようにしながら、採掘面に沿って鉱夫たちの安全な作業スペースを確保するというものです。
1900 年頃から、この方法に機械化が取り入れられました。1940 年までに、最も有名な機械にちなんで、長壁採掘を「コンベア方式」と呼ぶ人もいました。 [3]以前の長壁採掘とは異なり、石炭の切羽に平行なコンベア ベルトを使用することで、切羽を直線に沿って開発する必要がありました。使用された他の機械は、石炭の切羽をアンダーカットするための電動カッターと、切羽を落とすための発破用の電動ドリルだけでした。落とされた後は、手作業で石炭を切羽に平行なコンベアに積み込み、屋根の落下を制御するために木製の屋根支柱を設置しました。
このような低技術の長壁式鉱山は1970年代まで操業が続けられた。最もよく知られている例は、アイオワ州センタービル近郊のニューグラッドストーン鉱山で、「米国で最後に進歩した長壁式鉱山の1つ」である。[4]この長壁式鉱山ではベルトコンベアは使用されず、代わりにポニーが石炭の入った桶を切羽から斜面まで運び、そこでホイストが桶を地表まで運んだ。[5] [6]
長壁採掘は、古い部屋型鉱山や柱型鉱山の採掘の最終段階として広く利用されてきました。この文脈では、長壁採掘は後退採掘の一種として分類できます。
レイアウト
ゲート道路は、長壁採掘が始まる前に各パネルの後ろに掘られます。ブロックの片側に沿ったゲート道路はメインゲートまたはヘッドゲートと呼ばれ、反対側の道路はテールゲートと呼ばれます。石炭の厚さが許す場合、これらのゲート道路は、長壁自体が初期の開発に対応できないため、連続採掘ユニットによって以前に開発されています。長壁のレイアウトは、「前進」タイプまたは「後退」タイプのいずれかになります。前進タイプでは、ゲート道路は石炭面が前進するにつれて形成されます。より薄い層では、前進長壁採掘法が使用される場合があります。後退タイプでは、パネルは両方を接続する面です。メインゲート道路のみが面より前に形成されます。テールゲート道路は、石炭面の後ろで、石炭の高さより上の石を取り除き、通行できる高さの道路を形成することによって形成されます。長壁装置を含むブロックの端は、面と呼ばれます。ブロックのもう一方の端は、通常、鉱山の主要移動道路の 1 つです。長壁の後ろの空洞は、ゴーフ、ゴフ、ゴブと呼ばれます。[7]
換気
通常、吸気（新鮮な）空気はメインゲートを上り、切羽を横切り、テールゲートを下って行きます。これは「U」型換気と呼ばれます。切羽を通過すると、空気は新鮮な空気ではなくなり、石炭の地質に応じて、石炭の粉塵やメタン、二酸化炭素などの鉱山ガスを運び去る戻り空気になります。戻り空気は、表面に取り付けられた換気ファンによって排出されます。他の換気方法を使用することもできます。吸気はメインゲートを通過してブリーダーまたはバックリターンロードに入り、切羽へのガス放出を減らしたり、吸気がテールゲートを上り、ホモトロパルシステムの切羽チェーンと同じ方向に切羽を横切ったりします。[8]
石炭の採掘場エリアでの自然発火を防ぐため、密閉された採掘場エリアから酸素を排除するために、シールの後ろにガスが溜まることがあります。採掘場にメタンと酸素の爆発性混合物が含まれている可能性がある場合は、窒素注入/不活性化を使用して酸素を排除するか、爆発性混合物を発火源の可能性がない採掘場の奥深くまで押し込むことができます。採掘場のシールは、認定された鉱山監督者によってシフトごとに損傷や有害ガスの漏れがないか監視される必要があります。[9]
装置
パワードルーフサポート、チョック、シールドと呼ばれる多数の油圧ジャッキは、通常幅 1.75 メートル (5 フィート 9 インチ) で、最長 400 メートル (1,300 フィート) の長さに渡って長い線状に並んで設置され、炭鉱の天板を支えます。個々のチョックは 30 ～ 40 トンの重さがあり、最大 6 メートル (20 フィート) の切削高さまで伸び、1 個あたりの降伏定格は 1,000 ～ 1,250 トンで、油圧によって一度に 1 メートル (3 フィート 3 インチ) 前進します。
石炭は、シアラー（パワーローダー）と呼ばれる機械によって炭層から切り出されます。この機械は通常 75～120 トンの重さがあり、電気機能、シアラーを炭層に沿って移動させる牽引動力ユニット、およびポンプユニット（油圧機能と給水機能の両方に動力を供給する）を収容する本体で構成されています。本体の両端には、油圧ラムによって垂直に上下に動かすことができるレンジングアームが取り付けられており、その上に 40～60 個の切断ピックが取り付けられたシアラー切断ドラムが取り付けられています。レンジングアーム内には非常に強力な電気モーター（通常最大 850 kW）が収容されており、その動力は本体内の一連のレイギアとアームを介して、切断ドラムがあるレンジングアームの端にあるドラム取り付け位置に伝達されます。切断ドラムは 20～50 回転/分の速度で回転し、石炭層から鉱物を切り出します。
剪断機は、採掘用に特別に開発された頑丈なラックアンドピニオンシステムに似たチェーンレス運搬システムを使用して、装甲切羽コンベア (AFC) で切羽の長さに沿って運ばれます。チェーンレス運搬システムが登場する前は、チェーンを使用した運搬システムが一般的でした。このシステムでは、剪断機が引っ張られるように、石炭切羽の長さに沿って頑丈なチェーンが張られていました。剪断機は、切削条件に応じて 10～30 m/分 (33～98 フィート/分) の速度で移動します。
AFC は動力付き天井支持部の前に置かれ、回転ドラムのせん断作用によって石炭層に切り込み、石炭を粉砕して AFC に積み込みます。石炭はスクレーパー チェーン コンベヤによって炭層から取り除かれ、メイン ゲートに運ばれます。ここで石炭はベルト コンベヤ ネットワークに積み込まれ、地表に運ばれます。メイン ゲートでは、石炭は通常、破砕機でサイズが小さくされ、ビーム ステージ ローダー (BSL) によって最初のベルト コンベヤに積み込まれます。
剪断機が石炭を削り取ると、AFC が剪断機の後ろに蛇行し、電動ルーフ サポートが新しくできた空洞に前進します。採掘が進み、長壁全体が炭層を進むと、掘割が増加します。この掘割は、上にある地層の重みで崩れます。除去された炭層の約 2.5 倍の厚さの地層が崩れ、その上の層が崩れた掘割の上に沈みます。この崩壊により地表の高さが低くなり、川の流れが変わったり、建物の基礎がひどく損傷したりするなどの問題が発生することがあります。[10]
部屋と柱の方式との比較
長壁採掘法と柱間採掘法はどちらも、適切な地下炭層の採掘に使用できます。長壁採掘法は資源回収率が高く（柱間採掘法の約60%に対して約80% ）、[11]必要な天板支持材が少なく、石炭除去システムの容量が大きく、手作業が最小限で済み、採掘者が石炭を採掘する際に常に油圧式天板支持の下にいるため、安全性が向上します。[11]
オートメーション
長壁採掘は伝統的に、切羽設備の位置合わせをストリングラインで行っていた手作業でした。後退する長壁パネルの切羽をゲート道路に対して垂直に位置合わせするシステムなど、長壁採掘作業のいくつかの側面を自動化する技術が開発されました。
簡単に言えば、慣性航法システムの出力は推測航法計算で使用され、剪断機の位置を推定します。最適なカルマンフィルタとスムーザーを適用して、剪断機の完了時に長壁式剪断機の位置を変更する前に推測航法の推定値を向上させることができます。 [12] 期待最大化アルゴリズムを使用して、長壁式剪断機の位置を追跡するための未知のフィルタとスムーザーパラメータを推定できます。[13]
鉱山設備を手動で制御する場合と比較して、自動化システムでは生産率が向上します。生産性の向上に加えて、長壁設備を自動化すると安全上の利点も得られます。石炭の切羽はメタンと一酸化炭素が存在するため危険なエリアであり、また、剪断機が岩にぶつかるときに火花が発生する可能性を最小限に抑えるために切羽に水を噴霧するため、エリアは高温多湿です。手動プロセスを自動化することで、切羽作業員をこれらの危険なエリアから排除できます。[引用が必要]
環境への影響
多くの採掘技術と同様に、長壁採掘による地域および地方の環境への影響を考慮することが重要です。
沈下
長壁式鉱山の陥没（LWMS）は、特にLWMSが盛んに行われている地域では土壌の健全性と水の動きに多くの生態学的および環境的影響を及ぼす人為的プロセスです。長壁式鉱山の敷地は数キロメートルに及ぶこともあるため、この点を考慮することが重要です。とはいえ、水文流システム、樹木の根系、植物種は、その下にある土壌が除去される量によって影響を受ける可能性があり、これらのストレスが表面侵食につながります。[14]
住宅開発が進んでいる地域では、廃鉱山も問題となっている。廃坑となった長壁式鉱山の近くに建てられた住宅は、鉱山が廃坑されてから30年経っても、陥没穴や土壌の質の低下による被害の脅威にさらされている。 [15]
長壁採掘は非常に長いため、200エーカー（81ヘクタール）を超える地域に影響を与える可能性があります。これらの最大スパンでは、山腹の下にある長壁採掘では、谷の風景よりも山の風景でより目に見える沈下を示すことが観察されています。[15]
地表沈下により鉱山上の景観が変化する事例もある。オーストラリアのニューサウスウェールズ州ニュースタン炭鉱では、多層構造の鉱山の「表面が場所によっては5メートルも沈下した」。[16]場合によっては、沈下により水路への排水などの自然の特徴[17]や、道路や建物などの人工構造物が損傷を受ける。「ダグラス パークドライブは、長壁パネルが道路を不安定にしたため4週間閉鎖された。2000年、州政府は、ツイン ブリッジから600メートル以内に近づくと採掘を中止した。1年後、道路に40センチの隙間ができたとの報告があり、橋を横にジャッキで持ち上げて位置を直す必要があった。」[17] : 2 道路交通局が委託した2005年の地質工学レポートでは、「沈下は突然発生する可能性があり、何年もかけて発生する可能性がある」と警告している。[17]
しかし、湖、海洋、重要な集水域、環境的に敏感な地域の下にある鉱山など、測定可能な地表沈下がほとんどまたはまったくなく採掘に成功した鉱山がいくつかあります。[要出典]ブロックの隣接するチェーンピラーの幅を広げ、抽出されたブロックの幅と高さを減らし、覆いの深さ、上部の地層の強度と厚さを考慮することで、沈下を最小限に抑えます。
破砕と水質
長壁採掘は岩盤の地質学的破壊を引き起こす可能性があり、その結果、水の動きに影響を与え、水が地表から採掘地域を通って帯水層に流れ込む可能性があります。その結果、地表水が失われ、河川沿いの生態系に悪影響を与える可能性があります。[18]
さらに、長壁採掘現場の近くにダムが存在する場合、流入量が減少するだけでなく、下にある岩石が破壊されるため、河川沿いの生態系に二重の影響を与える可能性があります。[18]
2014年現在、オーストラリア政府は長壁採掘による水への影響を軽減するための措置を講じている。立法議会は、影響を最小限に抑えるために鉱山インフラを改善する措置を求めている。[19]
湖や川などの水面下での採掘による岩盤の亀裂の結果、さまざまな程度の地下水が失われています。地表から数百メートル以内の鉱山は、これらの水域から大量の水が流入する影響を受けやすいです。さらに、採掘による妨害で鉱山付近の自然景観が乱されると、自然の水路が方向転換され、小川や川岸のさらなる浸食につながります。集中した地域でのさらなる採掘は、これらの水路を継続的に移動させ、元の状態に戻るには何年もかかります。[20]
生態系への影響
多くの生態系は水の流入と流出の年間の一貫性に依存しており、これらのパターンを乱すと、種の繁殖に水に依存する種にとって持続不可能な状況になる可能性があります。また、長壁採掘は局所的な水温の変化を引き起こし、藻類の大量発生を促し、他の種の健康に必要な酸素を消費する可能性があります。[20]
長壁採掘が近隣の森林に与える影響に関する研究は限られているが、衛星画像を用いた最近の研究では、長壁採掘が最近行われた地域の表土の乾燥との関連が示唆されている。土壌の乾燥に加え、森林の樹冠水分も減少していることが観察されている。[21]
ガス排出
長壁式鉱山は、一般的な温室効果ガスであるメタンガスを環境に放出することが観察されているが、典型的な長壁式鉱山の切羽が200メートルから300メートル（660フィートから980フィート）に増加しても、メタンガスの放出量が大幅に増加することは確認されていない。 [22] [ 23]閉鎖された長壁式鉱山からのメタンの排出は最大15年間続く可能性があるが、閉鎖された鉱山内の水の流れに基づいて潜在的なメタン排出量を測定することは可能である。[22]
カナダでは
カナダは世界でも最大級の石炭埋蔵量を有しており[24]、2013年まで25年以上カナダには長壁式炭鉱がなかった。 2015年にHDマイニング社がブリティッシュコロンビア州で炭鉱を開設したが、カナダ人ではなく外国人労働者を雇用したことと、環境への潜在的な影響を理由に紛争が起きた。[25] [26]この炭鉱は年間17メガトンの二酸化炭素を排出すると予想されていたが、カナダ連邦政府によって排出量を年間50万トンに抑える炭素排出量上限が設けられた。[26]
参照
注記
- ^ Bullard Jr., William Rotch (1962)。西暦900年以前の米国南西部のセロ・コロラド遺跡とピットハウス建築。米国マサチューセッツ州ケンブリッジ：ピーボディー博物館。p. vi。
- ^ Longwall Mining Archived 2009-08-17 at the Wayback Machine、米国エネルギー省石炭・原子力・電気・代替燃料局、1995年3月、9～10ページ。
- ^ A. パクストン、JA ビッグス『炭鉱での10分間』1940年、16～24ページ
- ^ アンダーソン、ウェイン I. (1998)。アイオワの地質学的過去: 地球の 30 億年の歴史。アイオワシティ: アイオワ大学出版局。p. 258。ISBN 0-87745-639-9. 2010年6月5日閲覧。
- ^ ブリック、グレッグ A. (2004)。アイオワ州の地下: 州の地下の宝物へのガイド。ブラックアース、ウィスコンシン州: トレイルズブックス。pp. 119–120。ISBN 978-1-931599-39-9. OL 3314195M.
- ^ 『最後のポニー鉱山』、ドキュメンタリー映画、レス・ベネディクト監督、スティーブ・ナッドストンプロデューサー、1972年。YouTubeで3部構成で視聴可能。パート1、パート2、パート3
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長壁採掘では、高さ数メートル、幅数百メートルの石炭の広い板が地面から掘り出され、鉱山上部の地盤沈下を引き起こします。
- ^ abc Frew, Wendy (2007 年 11 月 20 日)。「命の危険があるが、橋の下では採掘がさらに進む」。シドニー・モーニング・ヘラルド。フェアファックス・メディア。2010 年 6 月 2 日閲覧。
長壁採掘により、この地域の河床、沼地、集水域にすでに大きな被害が出ている。
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- ^ ab 「BC州で25年以上ぶりの地下炭鉱が承認」www.vancouversun.com . 2020年12月29日閲覧。
外部リンク
- ウーロンゴン大学 (オーストラリア)。長壁採鉱に関する教育リソース。
- バウアー、ロバート A. イリノイ州の計画的炭鉱地盤沈下：公的情報小冊子 イリノイ州天然資源局、イリノイ州地質調査所、回状 573、2008 年
- クリーンコールプロジェクトの隠れたコスト 公共の誠実さのためのセンター
- 国際ロングウォールニュース ロングウォール採掘に特化したニュースと情報リソース
- 鉱山沈下委員会 NSW 政府
- 鉱山沈下技術協会 オーストラリア技術者協会