Подземные горные выработки предприятий по добыче полезных ископаемых

горные работы – работы по выемке полезного ископаемого или породы.

горные выработки – полости, которые образуются в толще земной коры в результате ведения горных работ. Горные выработки весьма разнообразны по своей форме, размерам, назначению и положению в пространстве (рис.3). Горные выработки, предназначенные для подготовки и разработки полезных ископаемых подземным способом, по положению в пространстве разделяются на вертикальные, горизонтальные и наклонные (рис.4).

Рис.3. Классификация горных выработок

Перечислим виды вертикальных горных выработок:

· шахтные стволы (рис.4, поз.1 и 2) – вертикальные выработки, имеющие непосредственный выход на дневную поверхность и предназначенные для обслуживания подземных работ. Различают главные, вспомогательные и вентиляционные;

· гезенк (рис.4, поз.3) – выработка, не имеющая непосредственного выхода на дневную поверхность и предназначенная для спуска полезного ископаемого с верхнего горизонта на нижний, для передвижения людей, канализации воздуха и пр.;

· шурф (рис.4, поз.4) – выработка небольшого сечения глубиной до 50-60 м, имеющая выход на дневную поверхность и предназначенная для разведки полезного ископаемого или обслуживания подземных работ;

 
Рис.4. Расположение горных выработок

· скважина – выработка, пройденная выбуриванием горных пород, имеет круглое сечение диаметром от 0,04 до 2 м.

Среди горизонтальных горных выработок выделим следующие:

· штрек (рис.4, поз. 5) – выработка, не имеющая выхода на дневную поверхность и проводимая по простиранию пласта или залежи полезного ископаемого. В зависимости от назначения штреки подразделяются на откаточные (5) и вентиляционные (6), которые, в свою очередь, могут быть пластовыми и полевыми;

· квершлаг (рис.4, поз.7) – выработка, не имеющая выхода на дневную поверхность и проводимая по породам вкрест простирания или под углом к простиранию месторождения. Откаточные и вентиляционные квершлаги выполняют те же функции, что и штреки;

· просек (рис.4, поз.8) – выработка, проводимая параллельно штреку по пласту полезного ископаемого и используемая для проветривания штреков при их проведении и для транспортировки полезного ископаемого;

· штольня – горизонтальная горная выработка, имеющая непосредственный выход на дневную поверхность и предназначенная для вскрытия месторождения, целей вентиляции, водоотлива и разведки;

· орт – выработка, не имеющая выхода на дневную поверхность, проводимая в толще полезного ископаемого и служащая для соединения штреков, проведенных у кровли и почвы пластов.

В группу наклонных горных выработок входят следующие:

· наклонный ствол – наклонная выработка, имеющая выход на дневную поверхность и предназначенная для вскрытия месторождения и обслуживания подземных работ;

· бремсберг (рис.4, поз.9) – выработка, не имеющая выхода на дневную поверхность, расположенная по падению пласта или пород и предназначенная для спуска различных грузов при помощи механических устройств;

· уклон (рис.4, поз.10) – выработка, не имеющая выхода на дневную поверхность, пройденная по падению пласта или пород и предназначенная для подъема различных грузов с нижних горизонтов на верхний;

· ходок (рис.4, поз.11) – выработка, проводимая параллельно уклону или бремсбергу на расстоянии 20-30 м и предназначенная для проветривания, перевозки людей и грузов;

· печь (рис.4, поз.12) – выработка, проводимая по восстанию пласта и предназначенная для проветривания, передвижения людей, транспорта грузов и подготовки очистного забоя (разрезная печь);

· лава (рис.4, поз.13) – выработка, имеющая забой значительной протяженности, перемещающийся в результате ведения работ (выемки полезного ископаемого).

· околоствольный двор (руддвор) – комплекс выработок (служебные камеры, участки квершлагов или штреков и др.), расположенных около шахтных стволов и предназначенных для обслуживания подземных горных работ.

Формы поперечного сечения выработок зависят от физико-механических свойств пород, срока службы, назначения, а также свойств материала крепи.

Наиболее распространенной формой поперечного сечения вертикальных стволов является круглая, реже прямоугольная или квадратная. В качестве крепи применяют монолитный бетон, железобетонные стальные или чугунные тюбинги (для стволов круглой формы поперечного сечения) и дерево для стволов прямоугольной и квадратной форм поперечного сечения.

Горизонтальным и наклонным выработкам при деревянной крепи придают форму прямоугольника или трапеции (рис.5, а, б), при бетонной – сводчатую форму (рис.5, в); при металлической – арочную (рис.5, г), при сборной железобетонной – полигональную (рис.5, д).

Выработки должны иметь такую площадь поперечного сечения, которая обеспечила бы перемещение по ним воздуха со скоростями, не превышающими допустимые по правилам безопасности:

Для облегчения выбора размеров поперечного сечения выработок проектными организациями разработаны типовые сечения горизонтальных и наклонных горных выработок практически для любых горно-геологических условий, видов крепи и транспортного оборудования.

Шахта (рудник) – горное предприятие, осуществляющее добычу угля, руд и нерудных полезных ископаемых подземным способом. Понятием шахта объединяют наземные сооружения и совокупность подземных горных выработок.

шахта «Распадская» (Кузбасс) – самая крупная среди угольных шахт России – имеет проектную мощность 7,5 млн т в год; годовая проектная мощность железорудной шахты «Гигант» (Кривой Рог) 12 млн т. Наибольшая глубина ведения горных работ по добыче угля достигнута в Индии (1600 м), добыча железных руд в Кривом Роге в ближайшие годы будет производиться на глубинах более 1500 м.

Самые глубокие шахты в мире по добыче золота, серебра и алмазов находятся в Индии («Чемпион-Риф») и ЮАР («Витватерсланд» и др.); их глубина достигает 4,5-5 км.

шахтное поле – часть месторождения, отведенная для разработки одной шахте. Границами шахтного поля являются условные поверхности, ограничивающие его по простиранию и падению (рис.6). В случае негоризонтального залегания обычно различают границы по восстанию (верхняя граница), падению (нижняя граница) и простиранию (боковые границы).

Шахтное поле имеет два размера: длину по простиранию и ширину по падению. Длина шахтного поля по простиранию достигает 20 км, по падению 4-5 км.

При подземных горных работах из угля и вмещающих пород в горные выработки выделяется газ метан. Различают обычное, суфлярное и внезапное выделения метана. Шахты в зависимости от метанообильности разделяются на пять категорий. Критерием для такого деления является относительная метанообильность, т.е. коликого деления является относительная метанообильность, т.е. количество метана, выделяющегося в сутки на 1 т среднесуточной добычи. Согласно § 182 «Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах» [22], шахты классифицируются следующим образом:



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.