Подземные шахты по добыче полезных ископаемых

В горных районах для вскрытия ископаемых создают горизонтальные или близкие до такого положения выработки – штольни. Они выполняют те же функции, что и стволы. В нижней части ствола создается рудничный двор, где перегружают руду с транспортных средств, в подъемный механизм. Здесь размещаются ремонтные мастерские, электрические подстанции, депо, гаражи для транспорта и др.

От нижней части ствола с теми же функциями прокладывают горизонтальные капитальные горные выработки. Они могут проведены по простиранию пласта ископаемого и в пустой породе. В первом случае такая выработка называется штреком, а во втором – квершлагом. Последняя выработка прокладывается от ствола до полезного пласта и создается для его вскрытия. Квершлаг от ствола строят в тех случаях, когда ископаемое залегает в неблагоприятных условиях под природными или искусственными преградами и экономически нецелесообразно прокладывать ствол непосредственно над месторождением.

Все названные горные выработки являются капитальными строениями, создаются в подготовительный период и эксплуатируются столько же, как и шахта. Капитальные выработки укрепляются железобетонными, чугунными тюбингами и в них размещают различию оборудование. После прокладки капитальных выработок приступают к промышленной разработке месторождения, что достигается проведением очистных работ. Сущность их сводится к отделению ископаемого от пласта и транспортировке породы на поверхность. Процесс отделения руды от пласта породы называется отбойкой, а место где проводится он – забоем или лавой. Отбойку проводят ручным, взрывным и машинным спо­собами. Выбор вида отбойки зависит от научно-технического прогресса, физических и химических свойств ископаемых. Еще в начале двадцатого столетия основным приспособлением шахте­ров были обушок, сани-волокуши,  которые тянули рабочие. Откатку руды проводили в вагонетках, которые возила лошадь. В современных шахтах твердые породы взрывают, менее прочные (соль, уголь) отделяют машинным методом. При этом широко используются специальные комбайны, которые проводят отбойку породы, погрузку ее на транспортное средство. Ручная отбойка с применением пневматических молотков используется ограничено, из-за большой трудоемкости, низкой производительности труда. По мере изъятия породы забой и техника передвигаются по простиранию пласта. Это обусловливает непостоянство рабочего места, а постепенное его движение усложняет автоматизацию работ.

Отделение руды от пласта требует крепления вышележащих пород от обрушения. Для этого в выработках используют древесину или металлическую крепь, а работы называются креплением кровли.

Простейший метод удаления руды из лавы – спуск ее под воздействием собственного веса. Такой способ применяют, когда забой расположен выше транспортной горной выработки. Преимущественно руду из лавы удаляют специальными вагонами, скребковыми механизмами, транспортерами и другими транспортными средствами. По откаточным горным выработкам руду перемещают до стволов ленточными конвейерами, локомотивами с вагонетками грузоподъемностью до I т в зависимости от мощности шахты. В качестве локомотивов используют аккумуляторные и контактные электровозы с шириной рельсового пути 600-900 мм. Для сравнения отметим, что этот показатель на железнодорожном транспорте составляет 1420 мм. Современные конвейеры перемещают за час до 3000 т породы.

Подъем руды на поверхность осуществляется клетьевым и скиповым способами. В первом случае руду поднимают по стволу совместно с вагонеткой, и после разгрузки на поверхности она вновь спускается в шахту. Более эффективный подъем – скиповый – в специальных емкостях грузоподъемностью 10-50 т, которые расположены в стволе. При этом внизу ствола порода с транспортного средства перегружается в скип, который поднимается на поверхность. Такой подъем оборудован, как правило, дву­мя скипами. Когда один находится под разгрузкой, то второй в этот период загружают, а затем наоборот.

При шахтной разработке недр меньше нарушается поверхность земли по сравнению с открытым способом. Однако извлечение руды из-под покрывающих пород образует в недрах пустоты. Под воздействием пластичности пород происходит механическое нарушение недр, проседание поверхности, увеличивается заболоченность территорий, образуются искусственные озера, трещины на поверхности земли, разрушение зданий. С расширением масштабов разработок эти экологические явления значительно возрастаю, что требует больших капитальных вложений на крепление

кровли. Уменьшить отрицательное экологическое влияние позволяет совершенствование методов разработки природных ресурсов, закладка выработанных пустот отходами производства.

Подземное выщелачивание  применяется для разработки урановых руд, солей, руд цветных металлов. В Беларуси таким способом разрабатывают Мозырское месторождение каменной соли. Подземное выщелачивание основано на свойствах руд растворяться в воде, кислотах. При этом способе месторождение вскрывают скважинами, обустроенными концентрическим распо­ложением труб по схеме труба в трубе (рис.4). Через одну из труб в недра подают растворитель. Он легче рассола и располагается вверху камеры выщелачивания. Растворитель постепенно насыщается компонентами руды, становится тяжелее, спускается вниз камеры и выдавливается через одну из труб на поверхность. Для прекращения выщелачивания руды в камеру подаются инертные вещества (сжатый воздух, нефтепродукты и др.), которые защищают верх камеры от растворения.

РИС. 4. СХЕМА РАССОЛОДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ.

Таким образом, процесс значительно проще по сравнению с шахтным. Добыча сырья сводится к подаче растворителя в недра и транспортировка рассолов по трубопроводам до мест переработки. При этом исключается присутствие людей под землей, что улучшает условия труда, безопасность и повышает производительность. Снижаются сроки подготовки месторождения для эксплуатации, капитальные вложения на добычу единицы сырья. По расчетам специалистов, только за счет затрат на проходку шахтных стволов возможно пробурить и обустроить скважины для добычи ископаемых. Поэтому таким способом по­лучают наиболее дешевое сырье.

Подземное выщелачивание позволяет более рационально использовать ресурсы недр, расширить сырьевую базу промышленности. Добыча руды шахтным способом ограничена глубиной и условиями залегания пород. Разработка глубокозалегающих пластов, находящихся в сложных горно-геологических условиях, шахтным способом не всегда целесообразна. Добыча солей из-за их пластичности возможна на глубину до 1000 м. Хозяйственное использование руд, не отвечающих требованиям кондиции, возможно только подземным выщелачиванием. Этим способом расширяется сырьевая база за счет более полного изъятия ископаемых из недр уже отработанных участков шахтных полей, где потери ресурсов могут достигать 3/4 общих запасов.

Подземное выщелачивание – более экономичный и экологичный процесс. Применение специальных растворителей позволяет извлекать только полезный компонент, а все остальные вещества, которые могут составлять более 9/10 массы породы, оставлять в недрах. В результате на поверхности образуется меньше отходов.

ПОДЗЕ́МНАЯ РАЗРАБО́ТКА МЕСТОРОЖ­ДЕ́НИЙ твёр­дых по­лез­ных ис­ко­пае­мых, из­вле­че­ние из недр Зем­ли твёр­дых по­лез­ных ис­ко­пае­мых без на­ру­ше­ния днев­ной по­верх­но­сти сис­те­мой под­зем­ных гор­ных вы­ра­бо­ток. Сква­жин­ную раз­ра­бот­ку ме­сто­рож­де­ний при­ме­ня­ют для до­бы­чи га­зо­об­раз­ных, жид­ких и по­лу­жид­ких (в т. ч. твёр­дых – пу­тём их пе­ре­во­да в те­ку­чее со­стоя­ние) по­лез­ных ис­ко­пае­мых.

П. р. м. вклю­ча­ет вскры­тие ме­сто­ро­ж­де­ния, под­го­тов­ку шахт­но­го по­ля и очи­ст­ные ра­бо­ты. При П. р. м. дос­туп с по­верх­но­сти ко все­му ме­сто­ро­ж­де­нию (или его час­ти) от­кры­ва­ют шахт­ные ство­лы, квер­шла­ги и штоль­ни, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют воз­мож­ность про­ве­де­ния под­го­то­ви­тель­ных вы­ра­бо­ток и очи­ст­ную вы­ем­ку в за­пла­ни­ров. объ­ё­мах; вскры­тая часть ме­сто­ро­ж­де­ния раз­де­ля­ет­ся под­зем­ны­ми вы­ра­бот­ка­ми (та­ки­ми как штре­ки, ук­ло­ны, бремс­бер­ги, вос­стаю­щие, ор­ты и др.) на обо­соб­лен­ные вы­емоч­ные уча­ст­ки (эта­жи, бло­ки, па­не­ли, ка­ме­ры, стол­бы), пре­ду­смот­рен­ные при­ня­тым спо­со­бом под­го­тов­ки и сис­те­мой раз­ра­бот­ки; вы­ем­ку по­лез­ных ис­ко­пае­мых обес­пе­чи­ва­ют бу­ро­вые, по­гру­зоч­но-дос­та­воч­ные, от­рез­ные вос­стаю­щие и др. вы­ра­бот­ки.

Под­зем­ный спо­соб ши­ро­ко при­ме­ня­ют при до­бы­че уг­лей, слан­цев, руд­ных и не­руд­ных по­лез­ных ис­ко­пае­мых и рос­сы­пей, не­зна­чи­тель­но – при до­бы­че ми­нер. сы­рья для про­из-ва строй­ма­те­риа­лов. При ог­ра­нич. при­рос­те за­па­сов ми­нер. сы­рья вбли­зи зем­ной по­верх­но­сти воз­рас­та­ют тем­пы ос­вое­ния ме­сто­ро­ж­де­ний, раз­ра­ба­ты­вае­мых под­зем­ным спо­со­бом (в 1980-х гг. уд­вои­лась ин­тен­сив­ность вы­ем­ки по­ло­гих ме­сто­ро­ж­де­ний, уг­луб­ле­ние гор­ных ра­бот кру­тых и на­клон­ных за­ле­жей со­став­ля­ло от 10 до 40 м в год). Под­зем­ным спо­со­бом раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся те­ла (за­ле­жи) по­лез­ных ис­ко­пае­мых разл. форм, мощ­но­сти, уг­ла па­де­ния, за­ле­гаю­щих на раз­ных (от 20–30 м до 5 км) глу­би­нах.

Мно­го­об­ра­зие ме­сто­ро­ж­де­ний по­лез­ных ис­ко­пае­мых обу­сло­ви­ло на­ли­чие разл. сис­тем под­зем­ной пе­ре­ра­бот­ки. Из­вест­ны св. 60 клас­си­фи­ка­ций сис­тем П. р. м., ко­то­рые раз­ра­бо­та­ли отеч. учёные – М. И. Агош­ков, Б. И. Бо­кий, А. М. Тер­пи­го­рев, Л. Д. Ше­вя­ков и др. Вы­деля­ют сис­те­мы под­зем­ной раз­ра­бот­ки пла­сто­вых (ка­мен­но­уголь­ных и др.) ме­сто­ро­ж­де­ний, сис­те­мы под­зем­ной раз­ра­бот­ки руд­ных ме­сто­ро­ж­де­ний и др. Клас­си­фи­ка­ция сис­тем под­зем­ной раз­ра­бот­ки пла­сто­вых ме­сто­ро­ж­де­ний Ше­вя­ко­ва (1933) ос­но­вы­ва­ет­ся на при­зна­ке рас­по­ло­же­ния под­го­то­вит. вы­ра­бо­ток. Для сис­тем раз­ра­бот­ки руд­ных ме­сто­ро­ж­де­ний наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ла клас­си­фи­ка­ция Агош­ко­ва (1949), по ко­то­рой все сис­те­мы де­лят­ся на клас­сы по осн. при­зна­ку – со­стоя­нию вы­ра­бо­тан­но­го про­стран­ст­ва.

Пластовые месторождения

Пла­сто­вые ме­сто­ро­ж­де­ния свой­ст­вен­ны в осн. го­рю­чим по­лез­ным ис­ко­пае­мым (уголь, торф, слан­цы), ме­сто­ро­ж­де­ни­ям мар­ган­ца, зна­чит. час­ти РЗЭ и ра­дио­ак­тив­ных ме­тал­лов, ме­сто­ро­ж­де­ни­ям ме­ди­стых пес­ча­ни­ков и не­ко­то­рым стро­ит. ма­те­риа­лам (гли­на, пе­сок и др.). Гор­ные пред­при­ятия, раз­ра­ба­ты­ваю­щие та­кие ме­сто­ро­ж­де­ния, обыч­но име­ну­ют­ся шах­та­ми.

Под­го­тов­ка за­па­сов к вы­ем­ке в шахт­ном по­ле осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в те­че­ние все­го пе­рио­да от­ра­бот­ки, по­сколь­ку вы­ем­ку пла­стов ве­дут по­сле­до­ва­тель­но в отд. их час­тях. Под­го­тов­лен­ны­ми счи­та­ют за­па­сы, для ко­то­рых про­ве­де­ны осн. под­го­то­вит. вы­ра­бот­ки. Го­то­вы­ми к вы­ем­ке счи­та­ют за­па­сы, для ко­то­рых про­ве­де­ны не­об­хо­ди­мые на­рез­ные вы­ра­бот­ки и под­го­тов­ле­но обо­ру­до­ва­ние, по­зво­ляю­щее на­чать очи­ст­ные ра­бо­ты. Сеть вы­ра­бо­ток обес­пе­чи­ва­ет дос­тав­ку по­лез­но­го ис­ко­пае­мо­го до го­ри­зон­таль­ных от­ка­точ­ных вы­ра­бо­ток, транс­пор­ти­ро­ва­ние ма­те­риа­лов и обо­ру­до­ва­ния, про­пуск не­об­хо­ди­мо­го ко­ли­че­ст­ва воз­ду­ха для про­вет­ри­ва­ния за­бо­ев.

Пе­ри­од ве­де­ния очи­ст­ных ра­бот на шах­те на­зы­ва­ют экс­плуа­та­ци­ей ме­сто­ро­ж­де­ния. Осн. ко­ли­че­ст­вен­ные ха­рак­те­ри­сти­ки шах­ты (руд­ни­ка): про­из­водств. мощ­ность – ко­ли­че­ст­во по­лез­но­го ис­ко­пае­мо­го (в тон­нах), до­бы­вае­мо­го в еди­ни­цу вре­ме­ни (су­тки, год), и срок служ­бы (су­ще­ст­во­ва­ния) – пе­ри­од, в те­че­ние ко­то­ро­го от­ра­ба­ты­ва­ют пром. за­па­сы в пре­де­лах шахт­но­го по­ля.

Рудные месторождения

Руд­ные ме­сто­ро­ж­де­ния име­ют ряд осо­бен­но­стей, вы­те­каю­щих из их гео­ло­гич. про­ис­хо­ж­де­ния. Осн. осо­бен­но­сти: вы­со­кая кре­пость и аб­ра­зив­ность руд; раз­но­об­ра­зие раз­ме­ров, из­мен­чи­вость эле­мен­тов за­ле­га­ния руд­ных тел и со­дер­жа­ния по­лез­ных ком­по­нен­тов и ми­не­ра­ло­гич. со­ста­ва руд по объ­ё­му за­ле­жи; спо­соб­ность не­ко­то­рых руд к слёжи­вае­мо­сти и са­мо­воз­го­ра­нию; вы­со­кая цен­ность боль­шин­ст­ва руд (обу­слов­ли­ва­ет бо­лее жё­ст­кие тре­бо­ва­ния к пол­но­те и ка­че­ст­ву из­вле­че­ния); от­сут­ст­вие на боль­шин­ст­ве руд­ни­ков ме­та­но­вы­де­ле­ния, до­пус­каю­щее в под­зем­ных ус­ло­ви­ях при­ме­не­ние от­кры­то­го ог­ня и ап­па­ра­ту­ры в нор­маль­ном ис­пол­не­нии; и др.

Вскры­тие руд­но­го ме­сто­ро­ж­де­ния за­клю­ча­ет­ся в про­ве­де­нии гор­ных вы­ра­бо­ток, от­кры­ваю­щих дос­туп к за­ле­жи или её час­ти с зем­ной по­верх­но­сти. Под­го­тов­ка вклю­ча­ет про­ве­де­ние штре­ков, ор­тов и др. под­зем­ных вы­ра­бо­ток, ко­то­ры­ми вскры­тая часть ме­сто­ро­ж­де­ния де­лит­ся на обо­соб­лен­ные вы­емоч­ные уча­ст­ки (эта­жи, бло­ки, па­не­ли, стол­бы). Вы­емоч­ный уча­сток под­го­то­вит. и на­рез­ны­ми вы­ра­бот­ка­ми де­лит­ся на отд. час­ти (по­дэ­та­жи, слои, по­ло­сы, при­рез­ки, ус­ту­пы, ка­ме­ры, ме­ж­ду­этаж­ные, ме­ж­ду­ка­мер­ные, ме­ж­ду­па­нель­ные це­ли­ки и др.). Очи­ст­ная вы­ем­ка – тех­но­ло­гич. про­цесс из­вле­че­ния ру­ды из вы­емоч­но­го уча­ст­ка, а так­же под­дер­жание очи­ст­ных вы­ра­бо­ток и очи­ст­но­го про­стран­ст­ва, ко­то­рое мо­жет ос­та­вать­ся от­кры­тым (сво­бод­ным), за­пол­нять­ся от­би­той ру­дой, за­клад­кой или об­ру­шен­ны­ми по­ро­да­ми ли­бо под­дер­жи­вать­ся кре­пью.

В РФ же­лез­ную ру­ду под­зем­ным спо­со­бом до­бы­ва­ют 9 пред­при­ятий; в 2011 до­бы­ча же­лез­ной ру­ды рас­п­ре­де­ля­лась по сис­те­мам раз­ра­бот­ки: этаж­ная с при­ну­дит. об­ру­ше­ни­ем (57,8%), этаж­но-ка­мер­ная с по­сле­дую­щей гид­ро­за­клад­кой (24,4%), этаж­но-ка­мер­ная с об­ру­ше­ни­ем це­ли­ков (12,3%) и по­дэ­таж­ное об­ру­ше­ние (5,5%). При П. р. м. руд цвет­ных ме­тал­лов в зна­чи­тель­но боль­ших объ­ё­мах ис­поль­зу­ет­ся за­клад­ка вы­ра­бо­тан­но­го про­стран­ст­ва; слое­вая сис­те­ма с за­клад­кой твер­дею­щи­ми сме­ся­ми при­ме­ня­ет­ся при до­бы­че мед­но-ни­ке­ле­вой ру­ды на но­риль­ских руд­ни­ках (Ком­со­моль­ский, Ок­тябрь­ский, Ска­ли­стый, Тай­мыр­ский) и на ал­маз­ных руд­ни­ках ком­па­нии АЛРОСА (Ай­хал, Ин­тер­на­цио­наль­ный, Мир­ный). Этаж­но-ка­мер­ную сис­те­му с твер­дею­щей за­клад­кой при­ме­ня­ют мед­но-кол­че­дан­ные руд­ни­ки Ура­ла: Гай­ский, Уча­лин­ский, Узель­гин­ский и др.; Се­ве­ро-Ураль­ский бок­си­то­вый руд­ник ис­поль­зу­ет за­клад­ку в ог­ра­нич. объ­ё­ме. При­ме­не­ние сис­тем с за­клад­кой пре­ду­смот­ре­но на мно­гих вновь вво­ди­мых руд­ни­ках.

Продолжительность подземной разработки

Про­дол­жи­тель­ность П. р. м. за­ви­сит от обес­пе­чен­но­сти за­па­са­ми, ус­та­нов­лен­ны­ми де­таль­ной раз­вед­кой. В за­ви­си­мо­сти от ви­да до­бы­вае­мо­го сы­рья и про­из­водств. мощ­но­сти пред­при­ятия ус­та­нав­ли­ва­ют­ся сро­ки их су­ще­ст­во­ва­ния, напр., круп­ных гор­но-обо­га­ти­тель­ных ком­би­на­тов и пред­при­ятий по до­бы­че бок­си­тов, мед­ной, свин­цо­во-цин­ко­вой и ни­ке­ле­вой руд 30–40 лет, зо­ло­то­руд­ных пред­при­ятий 15–20 лет, не­боль­ших пред­при­ятий, раз­ра­ба­ты­ваю­щих бо­га­тые ме­сто­ро­ж­де­ния не­ко­то­рых ме­тал­лов и цен­ных ви­дов не­ме­тал­лур­гич. сы­рья, 5–10 лет. Кон­крет­ные сро­ки обес­пе­чен­но­сти гор­но-до­бы­ваю­ще­го пред­при­ятия раз­ве­дан­ны­ми за­па­са­ми ус­та­нав­ли­ва­ют­ся тех­ни­ко-эко­но­мич. рас­чё­том. Пре­кра­ще­ние П. р. м. и ли­к­ви­да­ция под­зем­но­го гор­но­го пред­при­ятия про­из­во­дят­ся, как пра­ви­ло, по­сле пол­ной от­ра­бот­ки или спи­са­ния ба­лан­со­вых за­па­сов ме­сто­ро­ж­де­ния и при от­сут­ст­вии пер­спек­ти­вы их при­рос­та.

Эф­фек­тив­ность П. р. м. оце­ни­ва­ет­ся сис­те­мой тех­ни­ко-эко­но­мич. по­ка­за­те­лей – об­щих (при­быль, рен­та­бель­ность, цен­ность и ка­че­ст­во осн. и со­пут­ст­вую­щих ком­по­нен­тов) и спе­ци­фи­че­ских [го­до­вое по­ни­же­ние го­ри­зон­та вы­ем­ки, под­ви­га­ние фрон­та очи­ст­ной вы­ем­ки, ко­эф. экс­плуа­та­ции – ко­ли­че­ст­во до­бы­той ру­ды (т/год), при­хо­дя­щее­ся на 1 м2 го­ри­зон­таль­ной пло­ща­ди руд­ной за­ле­жи], ха­рак­те­ри­зую­щих ин­тен­сив­ность экс­плуа­та­ции ме­сто­ро­ж­де­ния, спо­соб вскры­тия и др. П. р. м. от­но­сит­ся к про­из­вод­ст­вам с по­вы­шен­ной опас­но­стью для ра­бо­таю­щих. Для вы­пол­не­ния в под­зем­ных вы­ра­бот­ках спа­сат. и ава­рий­ных ра­бот со­зда­ны вое­ни­зи­ров. гор­но­спа­сат. час­ти, дис­ло­ци­руе­мые на всех до­бы­ваю­щих пред­при­яти­ях. Для ос­ве­ще­ния ис­поль­зу­ют ста­цио­нар­ные све­тиль­ни­ки, пе­ре­нос­ные про­жек­то­ры, имею­щие за­щит­ное ис­пол­не­ние (пы­лев­ла­го­не­про­ни­цае­мое или взры­во­бе­зо­пас­ное); шахт­ное са­мо­ход­ное обо­ру­до­ва­ние ос­на­ще­но про­жек­то­ра­ми и фа­ра­ми для ме­ст­но­го ос­ве­ще­ния, пи­таю­щи­ми­ся от си­ло­во­го элек­трич. ка­бе­ля, кон­такт­но­го про­во­да или ак­ку­му­ля­то­ра са­мой ма­ши­ны.

Пер­спек­ти­ва П. р. м. свя­за­на с наи­бо­лее пол­ным и ком­плекс­ным ис­поль­зо­вани­ем ми­не­раль­но-сырь­е­вых ре­сур­сов, усо­вер­шен­ст­во­ва­ни­ем тех­но­ло­гии и спо­со­бов ме­ха­ни­за­ции, вне­дре­ни­ем ав­то­ма­ти­зир. сис­тем управ­ле­ния тех­но­ло­гич. про­цес­са­ми и дис­тан­ци­он­но­го управ­ле­ния до­быч­ны­ми ма­ши­на­ми и ро­бо­то­тех­ни­ки.