Основы технологий разработки месторождений полезных ископаемых

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: 

1. Отбойка руды – процесс отделения руды от массива в блоке с одновременным дроблением ее на куски.
2. Вторичная дробление – для соответствия условиям технологического процесса, по которым отбитая руда должна иметь куски определенной крупности
3. Выпуск и доставка руды – перемещение рудной массы от мест отбойки до транспортных выработок блока
4. 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.

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.