Основы разработки месторождений твердых полезных ископаемых
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Горное дело — совокупность отраслей науки и техники, занимающихся процессами добычи полезных ископаемых из недр Земли. На протяжении тысячелетий добывались только твердые полезные ископаемые, но во второй половине XIX в. развивается добыча нефти, в начале XX в. — природного газа.
Добыче полезных ископаемых предшествует разведка их месторождений, необходимая для определения запасов, качества руд, экономической целесообразности эксплуатации, производственной мощности предприятия и технологии разработки. Широко распространены геофизические методы разведки, геохимические поиски и микробиологическая разведка. Данные разведочных работ изображаются на картах, планах, разрезах и графиках методами маркшейдерии и горной геометрии.
После определения величины запасов полезного ископаемого и решения вопроса об экономической целесообразности его использования приступают к разработке месторождения. Для вскрытия месторождения строят надземные и подземные сооружения и проходят сеть выработок и скважин.
Из подземных выработок рудника на земную поверхность обеспечивается не менее двух выходов: по одному поступает свежий воздух, по другому выходит отработанный. Такими выходами являются вскрывающие месторождения и соединенные между собой вертикальные или наклонные шахтные стволы, штольни и др.
После вскрытия месторождения проходят выработки, назначение которых — подготовить месторождение к очистным работам. По окончании их проходки, в ходе очистных работ, извлекают полезные ископаемые. Выработки для добычи руд называют очистными. Порядок проведения во времени и пространстве подготовительных и очистных работ определяется системой разработки месторождения.
Проходка подготовительных выработок и очистные работы производятся с использованием машин: буровых, породопогрузочных, комбайнов, конвейеров и др.
Добытое полезное ископаемое перевозится от очистного забоя к поверхности земли средствами рудничного транспорта. Перемещение грузов и людей осуществляется по шахтному стволу рудничным подъемом.
Подземная разработка месторождения полезных ископаемых — это совокупность работ по вскрытию, подготовке и выемке сырья.
Предприятие, в состав которого входят рудник или шахта и обогатительная фабрика, осуществляет разработку месторождения полезного ископаемого (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Комплекс технологических подразделений рудника, разрабатывающего месторождение комплексным методом: традиционной технологией с закладкой пустот твердеющими смесями и с выщелачиванием
Рудник — горное предприятие, разрабатывающее месторождение полезного ископаемого на отведенном для него участке земли и состоящее из одной или нескольких основных производственных единиц — участков или шахт и вспомогательных участков или цехов.
Шахта — производственная единица горного предприятия, добывающая полезное ископаемое в пределах части месторождения. Шахтой иногда называют вертикальный ствол.
Рудничное или шахтное поле — часть месторождения, отведенная для разработки рудником или шахтой.
Этажи или панели — часть шахтного поля, ограниченная по падению откаточными горизонтами, а по простиранию — границами шахтного поля.
Число одновременно разрабатываемых этажей зависит от условий локализации месторождения, применяемой системы разработки и годовой производительности шахты. Одновременная разработка двух или более этажей обусловлена тем, что годовую добычу обеспечить одним этажом невозможно (рис. 2.2).
Этажи отрабатывают в нисходящем порядке — сверху вниз или в восходящем порядке — снизу вверх (рис. 2.3).
Высота этажа — расстояние между выработками основного горизонта данного этажа и основного горизонта вышележащего этажа по вертикали. Высота этажа изменяется от 30 до 100 м и более (рис. 2.4).
Подземная разработка месторождений полезных ископаемых ведется в Канаде, США, Мексике, Чили, Швеции, во Франции, в ФРГ, Родезии, Замбии, ЮАР, Австралии. Рудники сравнительно невысокой
Рис. 2.2. Разработка месторождения на высоту двух этажей:
- 1,2,3 — штреки соответственно откаточного, промежуточного и вентиляционного горизонтов; 4 — коллектор; 5 — съезд; 6 — блоковый восстающий;
- 7 — подэтажный штрек; 8 — заходка; 9 — подсечный штрек;
- 10 — отрезной восстающий; 11 — дучка
Рис. 2.3. Порядок очистных работ: а — восходящий; б — нисходящий
Рис. 2.4.
Высота этажа и подэтажей при системе разработки с закладкой пустот твердеющими смесями
производительности функционируют в Италии, Испании, Японии, на Филиппинах.
В настоящее время наиболее распространены системы разработки этажного и подэтажного самообрушения, камерно-столбовые, с креплением и закладкой очистного пространства.
Показатели разработки определяются уровнем механизации основных и вспомогательных процессов, в том числе использованием самоходного оборудования. Оптимальная производительность погрузочно-транспортного оборудования обеспечивается хорошим качеством дробления руды с помощью взрывных скважин уменьшенного диаметра.
Основные направления развития способов подземной разработки рудных месторождений:
- • вскрытие месторождений наклонными стволами с транспортированием руды конвейерами и самоходными средствами;
- • устройство концентрационных горизонтов с увеличением высоты шага вскрытия;
- • комплексная механизация процессов подготовки и добычи;
- • повышение мощности и производительности самоходных машин;
- • снижение потерь и разубоживания руды при системах с обрушением;
- • внедрение автоматизированных систем управления.
Молодым направлением подземной разработки месторождений
является подземное выщелачивание полезных ископаемых избирательным растворением их химическими реагентами на месте залегания с извлечением растворов на поверхность и металлов из растворов. Технология применяется для добычи цветных металлов и редких элементов.
Подземное выщелачивание цветных металлов известно с XVI в. в Испании. Оно впервые освоено в промышленных масштабах на медном руднике Кананеа в Мексике в 1924 г. и на медных месторождениях Урала (1939 г.). С 1957 г. так добывают уран. Способ подземного выщелачивания применяется в России, США, Франции, Японии, ГДР и других странах. Еще в 1974 г. этим способом получали 20% мировой добычи меди.
Выбор реагентов для технологии с выщелачиванием зависит от состава руды и химической среды на технологическом объекте.
При подготовке рудных тел к выщелачиванию месторождение вскрывается системой скважин. В скважины подают растворитель, который, фильтруясь по пласту, выщелачивает полезные компоненты. Продуктивный раствор откачивается через выдающие скважины. В случае непроницаемых рудных тел залежь вскрывают подземными горными выработками, а руды дробят буровзрывными работами. На верхнем горизонте массив орошают растворителем, который растворяет полезное ископаемое. На нижнем горизонте растворы собирают и откачивают на поверхность для переработки.
Одно из основных препятствий для применения технологии с выщелачиванием — низкая скорость реакций. Для ее увеличения используют приемы интенсификации процессов электрическими и электромагнитными полями, предварительным нагревом, обжигом и др. Для подготовки руд к выщелачиванию применяют ядерные взрывы и микробиологические способы.
Технология подземного выщелачивания позволяет разрабатывать месторождения полезных ископаемых на значительных глубинах, недоступных по экономическим соображениям для обычной технологии, бедных руд и т.п.
Подземная разработка рудных и нерудных месторождений (подземная разработка месторождений полезных ископаемых) – это совокупность работ по вскрытию, подготовке и очистной выемке месторождения. Вскрытие и подготовка осуществляются посредством проведения выработок. Забои проводимых выработок называются подготовительными. Выемку полезного ископаемого ведут в очистных забоях, применяя при этом различные способы его разрушения. Очистные забои необходимы для выемки полезного ископаемого. При подземной разработке рудных месторождений наиболее распространен взрывной, а при добыче ископаемых углей – механический способ разрушения тела руды или угленосного горизонта.
Комплекс подъемных машин и оборудования называют шахтным подъемом. В него входят скребковые контейнеры, ленточные конвейеры, вагонетки, гидротранспорт – для подъема добытого угля. Скреперная доставка, виброустановки и локомотивная откатка – для транспортировки добытой руды.
Добытая руда зачастую содержит 3-5% необходимого продукта, следовательно ее необходимо подвергнуть процессу обогащения – совокупности процессов первичной обработки минерального сырья, добытого из недр, в процессе которого происходит разделение полезных минералов от пустой породы.
Подземная разработка пластовых месторождений
Добыча твердых полезных ископаемых подземным способом осуществляется в три стадии: вскрытие, подготовка и очистные работы. Вскрытие – проведение горных работ, обеспечивающих доступ с поверхности земли к залежи полезного ископаемого (в соответствии с требованиями безопасности их должно быть не менее двух). К вскрывающим выработкам относятся стволы, штольни, квершлаги (горизонтальные горные выработки не имеющие выхода на поверхность), слепые стволы, гезенки (вертикальная горная выработка не имеющая выхода на поверхность) и шурфы (вертикальная выработка для проведения разведки)..
Подготовляющие выработки обеспечивают шахту необходимым инвентарем для проведение очистки, по ним осуществляется транспорт готовой продукции, пропускают необходимое количества воздуха для функционирования шахты.
Очистные работы – основная стадия подземной разработки полезных ископаемых. Эксплуатацией месторождения называют период ведения очистных работ.
Вскрывающие выработки
Вскрывающие выработки при подземный способ разработки месторождений делятся на следующие типы:
1) Основные (главные) – для выдачи полезного ископаемого на поверхность.
2) Вспомогательные – для других целей (например спуск-подъем людей и оборудования).
3) Капитальные – служат весь срок отработки запасов шахты.
4) Горизонтные – служат в течение времени отработки запасов между смежными транспортными горизонтами – пологое падение
5) Этажные – функционируют пока разрабатываются запасы одного этажа.
Подземная разработка пластовых месторождения начинается с выбора способа и схемы вскрытия, что зависит от множества факторов: размеров шахтного поля, угла падения пласта, количество пластов и расстояние между соседними, рельеф поверхности, глубина залегания, удароопасность угольных пластов и их склонность к самовозгоранию, и другие.
По полученным данным выбирают методику проведения работ по вскрытию: вскрытие штольнями, наклонными стволами с капитальным квершлагом, вскрытие вертикальными стволами с горизонтальными квершлагами или комбинированное вскрытие.
Подготовка пластов к добыче
После проведения работ по вскрытию месторождения, его необходимо подготовить к добыче полезного ископаемого в очистных забоях. Этот процесс состоит из двух этапов: способ подготовки, на котором проводят подготавливающие выработки на уровне транспортного горизонта и пластовая подготовка, при которой транспортные штреки проводят по угольному пласту. Пластовая подготовка изредка заменяется на полевую (если имеются неустойчивые боковые породы и на пластах с углями, склонными к самовозгоранию) при которой полевые штреки в породах лежащего бока.
Далее проводят подготавливающие выработки в плоскости пласта, для создания очистных забоев принятой длины в количестве, обеспечивающем принятую производственную мощность шахты (количество полезного ископаемого, добытого в единицу времени).
Очистные работы в угольных шахтах
Подземные разработки угольных месторождений кроме непосредственно выемки полезного ископаемого под очистными работами включат еще крепление забоя и управление кровлей. Очистная выемка – совокупность процессов отбойки, погрузки на забойный контейнер и доставка угля до ближайшей транспортной выработки.
Очистной забой – забой, в котором осуществляется массовая добыча полезного ископаемого. В зависимости от длины забоя различаются технологии выемки угля. В лавах (длинные забои) применяется фланговая и фронтальная схема выемки. При фланговой схеме выемка угля осуществляется выемочной машиной, перемещающейся вдоль забоя перпендикулярно к направлению его подвигания. При фронтальной выемке отделение угля от массива осуществляется выемочной машиной одновременно по всей длине очистного забоя без участия людей.
Выемочные машины – общее название, объединяющее в себе следующие горно-проходческие комплексы: комбайны, струги, агрегаты, гидромониторы, механогидравлические машины. Отдельно при добыче угля стоят буровзрывные работы.
Для доставки угля в лавах на пологих и наклонных пластах применяются скребковые конвейеры. Они получили широкое распространение, так как относительно просты по конструкции, пригодны к тяжелым условиям эксплуатации, приспособлены для работы с очистными комбайнами, стругами и механизированными крепями.
Крепь очистных выработок – искусственное сооружение, возводимое для предотвращения обрушения пород кровли сохранения необходимой площади поперечного сечения призабойного пространства и управления горным давлением.
Основы подземной разработки рудных месторождений
Залежи рудных месторождений большей частью имеют крутое или наклонное залегание. В целях удобства разработки их по падению делят на этажи с определенной высотой и длиной, иначе говоря – рудное тело. В зависимости от условий залегания рудных тел применяется вскрытие вертикальными, наклонными стволами или штольнями. Самый распространенный способ – вскрытие вертикальными стволами, от которых отходят квершлаги на каждом горизонте.
Если рудное месторождение находится в горной местности, то применяют вскрытие штольнями, от которых отходят слепые вертикальные стволы с подъемной установкой на штольневом горизонте.
Подготовка рудных тел к очистной выемке похожа на подземные разработки угольных месторождений, так же как и при подземной разработке угольных месторождений подготовка рудных тел к очистной выемке начинается с проведения сети подготовительных выработок:
- по типу подготовительных выработок – штрековая и ортовая
- по расположению выработок по отношению к рудному телу – рудную, полевую и комбинированную
- по схеме движения транспорта – тупиковую и кольцевую
При очистной выемке руды выполняются следующие основные производственные процессы:
- Отбойка руды – процесс отделения руды от массива в блоке с одновременным дроблением ее на куски.
- Вторичная дробление – для соответствия условиям технологического процесса, по которым отбитая руда должна иметь куски определенной крупности
- Выпуск и доставка руды – перемещение рудной массы от мест отбойки до транспортных выработок блока
- Управление горным давлением – естественное поддержание очистного пространства, обрушение вмещающих пород, искусственное поддержание очистного пространства
Системы разработки рудных месторождений
Системы разработки с естественным поддержанием очистного пространства – основано на использовании естественной устойчивости руды и вмещающих пород. Для них характерны более высокая производительность блоков, ниже трудоемкость и себестоимость добычи. Однако они отличаются значительными потерями руды в целиках: 25-35%.
Системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород – отличаются невысокими затратами на контролирование горного давления. Это высокопроизводительные системы, но имеющие повышенные потери отбитой руды и ее высокая потеря вследствие неполного выпуска руды из блока.
Системы разработки с искусственным поддержанием очистного пространства – для них характерны высокие затраты на возведение закладки или крепи, либо то и другое, более низкие потери и разубоживание.
Многообразие полезных ископаемых, их физических свойств и условий залегания в земных недрах обуславливает наличие принципиальных различий в методах их добычи. В совершенно особые группы выделяют, например, разработку месторождений жидких и газообразных полезных ископаемых, а также торфа, и в данном курсе их не рассматривают.
Как уже упоминалось, в практике горных работ выделяют два основных способа разработки месторождений полезных ископаемых: подземный и открытый. Подземным называют способ, при котором месторождения разрабатывают с помощью подземных горных выработок. В противоположность этому отличительной особенностью открытого способа разработки является то, что три нем месторождения разрабатывают с помощью открытых горных выработок (подземные выработки могут при этом использоваться лишь в некоторых случаях, например для транспортных целей).
Ряд месторождений полезных ископаемых разрабатывают комбинированным способом: верхнюю часть — открытым, а нижнюю— подземным способом (рис. 169).
Запасы, в которые включают общее количество полезного ископаемого, выявленное в месторождении до разведанных глубин, называют геологическими. Геологические запасы делят на балансовые и забалансовые; к первым относят ту часть запасов, полезное ископаемое в которой по своей качественной характеристике удовлетворяет требованиям промышленности и его добыча в данное время рентабельна; остальная часть запасов носит название забалансовых.
По балансовым запасам определяют так называемые промышленные запасы, представляющие собой количество полезного ископаемого, которое может быть добыто из данного месторождения при его разработке. Количественное различие между балансовыми и промышленными запасами определяется величиной проектируемых при разработке месторождения потерь и разубоживания.
Промышленные запасы кладут в основу расчетов при проектировании горного предприятия.
На современной стадии развития технологии горного производства потери полезного ископаемого при разработке месторождений неизбежны. К основным источникам потерь относят следующие:
1. Оставление полезного ископаемого в недрах в виде различного рода целиков.
2. Неполная выемка полезного ископаемого в очистном забое (оставление части его у контактов с вмещающими породами; в местах изменения или нарушения элементов залегания; в массиве пород вследствие сложности форм, нечеткости контактов, недостатков геологического и маркшейдерского обслуживания, а также технологии очистной выемки).
3. Оставление в горных выработках уже отбитого от массива полезного ископаемого (на почве выработанного пространства; в отбитой пустой породе; в закладочном материале и пр.).
Помимо количественных потерь при разработке месторождений имеют место качественные потери, называемые разубоживанием. Под этим термином понимают уменьшение содержания полезных компонентов в добытом полезном ископаемом по сравнению с содержанием их в том же полезном ископаемом до его выемки из массива земной коры. Разубоживание полезного ископаемого происходит главным образом вследствие примешивания к нему в процессе добычи некоторого количества пустых пород.
Руду, к которой при добавочных работах примешана пустая порода, принято называть рудной массой. Снижение содержания полезных компонентов в рудной массе приводит к необходимости затрачивать дополнительные средства на добычу, транспортировку и переработку рудной массы. При подземной разработке месторождений потери полезного ископаемого составляют от 10 до 25%, увеличиваясь в сложных условиях до 40% и даже более; разубоживание руды меняется в пределах от 7 до 20%, а иногда и более.
Для открытой разработки месторождений характерны значительно меньшие величины потерь и разубоживания. В соответствии с «Типовыми методическими указаниями по определению, нормированию, учету и экономической оценке потерь твердых полезных ископаемых при их добыче» попользуются следующие показатели потерь и разубоживания. Коэффициент истинных потерь полезного ископаемого
где П — количество полезного ископаемого, потерянного из балансовых запасов, т;
Б — количество погашенных балансовых запасов, т.
При разработке рудных месторождений определяются, кроме того:
– коэффициент потерь металла
где сп — содержание металла в потерянной руде, %;
с — содержание металла в погашенных балансовых запасах, %;
– коэффициент разубоживания руды
где а — содержание металла в добытой рудной массе D, %;
– коэффициент извлечения руды из недр
Потери и разубоживание на горных предприятиях устанавливаются геолого-маркшейдерской службой; их учет ведется в соответствии с отраслевыми инструкциями.
Систематический учет потерь и разубоживания является очень важным мероприятием, позволяющим оценивать процесс разработки месторождения, устанавливать источники наибольших количественных и качественных потерь, соответственно с этим вносить изменения в технологию горных работ с целью целесообразного снижения рассматриваемых показателей.
К основным мероприятиям по уменьшению потерь и разубоживания относятся следующие: правильный выбор способа разработки и порядка отработки месторождения, своевременная выемка временных целиков, тщательное выполнение основных операций очистных работ, систематическое и качественное геолого-маркшейдерское обслуживание подготовительных и очистных работ.
Снижение потерь полезного ископаемого имеет огромное государственное значение; это нашло отражение в решениях XXIV съезда КПСС и Законе об охране природы.
Технологический процесс разработки месторождений полезных ископаемых должен отвечать следующим основным требованиям: обеспечивать безопасные условия работ и высокую производительность труда, минимальную себестоимость добычи полезного ископаемого, снижение потерь и разубоживания (до уровня, необходимого для наибольшей эффективности использования богатств земных недр, эксплуатации месторождения и переработки минерального сырья).
Безопасные условия работы, необходимые для сохранения жизни и здоровья трудящихся и сохранности самого горного предприятия, обеспечиваются правильным выбором технологических процессов, механизации и режима горных работ, а также комплексом мероприятий по охране труда. Надзор за соблюдением правил безопасности, а также контроль за эксплуатацией недр осуществляются республиканскими органами Госгортехнадзора, руководство которыми, в свою очередь, возложено на Госгортехнадзор бывш. СССР.
В ранее отработанных месторождениях часть полезных ископаемых оставляется в забалансовых запасах и отвалах. По мере совершенствования технологии горных работ и переработки минерального сырья добыча этих полезных ископаемых становится целесообразной; поэтому на месторождениях организуют так называемую повторную разработку.
В процессе разведки некоторых сложных месторождений предусмотрено взятие очень крупных валовых проб, при этом добывается довольно значительное количество полезных ископаемых (такие работы иногда называют «пробной эксплуатацией»). В ряде случаев одновременно с разведкой ведут и разработку разведуемых запасов. Такой обобщенный процесс характерен, например, для месторождений технических камней (пьезокварца, исландского шпата и др.). При этом разведка и добыча осуществляются так называемым разведочно-эксплуатационным предприятием (РЭП).
Годовая производственная мощность горного предприятия устанавливается в соответствии с государственным планом развития соответствующей отрасли промышленности, с учетом запасов месторождения и горнотехнических особенностей его разработки. При этом следует иметь в виду, что одновременно с установлением годовой производственной мощности определяется (по разведанным запасам месторождения с учетом геологических перспектив их прироста) и срок существования горного предприятия.
При значительных размерах месторождения разработка его одной производственной единицей (одним горным предприятием — шахтой или карьером) может оказаться нецелесообразной, так как для достаточной интенсивности разработки месторождения и нормального срока его эксплуатации необходимо было бы иметь горное предприятие с чрезмерно большой годовой ‘производственной мощностью. В связи с этим крупные месторождения разделяются на части — шахтные (при подземной разработке) и карьерные (при открытой (разработке) поля, каждое из которых отводится для разработки одной шахтой (карьером). Производственная мощность горного предприятия характеризуется количеством тонн полезного ископаемого, добываемого в течение года. Производственная мощность горного предприятия А, срок его существования T и величина промышленных запасов шахтного (карьерного) поля К взаимосвязаны следующим выражением:
Производственная мощность шахт и рудников может быть в пределах от десятков тысяч до млн. т; производственная мощность карьеров достигает десятков млн. т.