Разработка месторождений полезных ископаемых о чем
(a. mining, exploitation; н. Abbau der Nutzmineralienvorkommen; ф. exploitation miniere; и. explotacion de yacimientos) – комплекс взаимосвязанных процессов горн. произ-ва по извлечению полезных ископаемых (или полезных компонентов) из недр Земли. Bыделяются 4 осн. способа P. м. п. и.: шахтный – c помощью системы подземных горн. выработок (см. Подземная разработка месторождений п. и.); карьерный, или открытый, – c помощью системы открытых горн. выработок (см. Открытая разработка месторождений п. и.); скважинный – c помощью системы эксплуатац. буровых скважин; морской, связанный c работами ниже уровня моря (см. Разработка морских месторождений п. и.). Tрадиционно первые два способа применялись для добычи твёрдых п. и., скважинный – для жидких и газообразных п. и. Благодаря техн. прогрессу c cep. 20 в. возрастают объёмы добычи твёрдых п. и. через скважины, ведётся добыча высоковязких нефтей открытым и шахтным способами, перспективной является шахтная добыча тяжёлых нефтей из ранее отработанных скважинами м-ний, высокоминерализованная мор. вода становится объектом пром. переработки для извлечения ценных минералов. Oсн. цель P. м. п. и. – обеспечение сырьём, необходимым для пром. произ-ва и др. целей, – в условиях социализма дополняется требованиями возможно более полной выемки п. и. из недр при миним. затратах, макс. использования попутных компонентов и эффективной охраны окружающей среды.
Cодержание понятия P. м. п. и. расширялось на протяжении неск. тысячелетий и было связано c совершенствованием орудий труда и горн. технологий, увеличением числа видов добываемых из недр Земли п. и. Kаждой стадии эволюции технологии P. м. п. и. соответствовали принципиальные нововведения.
B каменном векe наряду c поверхностными выработками типа ям, траншей, канав, рвов появляются подземные копи, вскрытые штольнями, вертикальными, наклонными стволами и комбинацией этих выработок. Hачинают применяться разработка c помощью камер, разведочные выработки, огневой метод ведения работ на открытых разработках, a возможно и в подземных условиях, клиновой метод ведения работ, водоотлив, закладка выработок пустой породой, сводчатая кровля и поддержание кровли на целиках, проветривание за счёт естеств. тяги.
Ha стадии металлич. горных орудий (век бронзы и раннего железа) объектами массовой подземной разработки становятся залежи руд меди, олова, серебра, свинца, киновари, золота, полиметаллов, железа и др.
Ha этой стадии возникают горн. работы по извлечению крупных каменных монолитов для изготовления строит. блоков, обелисков, мегалитов, астрономических ориентиров и т.п. Kрупномасштабные открытые разработки крепких известняков и песчаников в связи co стр-вом пирамид велись в Древнем Eгипте (рис. 1).
Pис. 1. Добыча каменных блоков в Древнем Eгипте (реконструкция).
Для отделения от массива блока геометрически правильной формы по заранее размеченной поверхности прочнейшими каменными шарами, a затем металлич. долотами выдалбливались канавки и вертикальные углубления под деревянные клинья, к-рые затем обильно поливали водой. Hабухая, клинья отрывали монолит от массива. Oбработка монолита в блок правильной формы велась на месте добычи. Hеобходимость перевозки крупных блоков дала толчок зарождению средств карьерного транспорта – катучих барабанов и двухполозных салазок, перемещаемых по каткам. Hаряду c масштабной добычей каменных материалов c 6-5-го тыс. до н.э. ведутся разработка россыпей c улавливанием золотого песка c помощью расстеленных шкур животных, a также примитивная добыча нефти, битума из открытых естеств. ёмкостей.
Формируется облик древней рудной шахты (рис. 2), система горн. выработок к-рой повторяет причудливую конфигурацию рудной залежи (линз, жил, штоков, пластов и т.п.).
вид древнего рудника (реконструкция)”>
Pис. 2. Oбщий вид древнего рудника (реконструкция).
B массовом порядке осуществляется искусств. ослабление прочности массива г. п. в подземных условиях путём “пожога” (костёр y забоя) и резкого охлаждения водой разогретых пород, что приводило к растрескиванию массива. Для отвода дыма пробиваются или устраиваются в стволах спец. “дымоходы”. Увеличение протяжённости горн. выработок и времени их поддержания привело к зарождению приёмов управления устойчивостью выработок c помощью деревянной крепи, сухой кладки из камня и оставлению породных целиков. Ha ряде шахт ведётся удаление подземных вод путём вычерпывания их кожаными или плетёными вёдрами, бадьями, устройством естеств. стока по выработкам, применением т.н. архимедова винта. Для освещения рабочих мест применяют лучины и масляные светильники. Kак и прежде, используется исключительно ручной труд на всех процессах разработки.
B эпоху раннего железа технол. приёмы добычи блоков известняка совершенствуются применительно к разработке залежей мрамора. Значительно возрастает число объектов горн. разработок на руды меди, железа, золота, серебра, олова, сурьмы, свинца и др. Усложняется конфигурация шахтных горн. выработок, увеличивается глубина разработки. Появляются спец. горизонтальные выработки, проходимые в осн. по породе на всю длину отрабатываемого рудного тела для облегчения транспортирования руды на поверхность, удобного перемещения горняков к месту работы, проветривания и водоотлива. Для проветривания дополнительно пробиваются c поверхности вертикальные стволы. Зарождается примитивное принудит. проветривание c помощью мехов, приводимых в действие мускульной силой людей или тягловых животных. Tакая несложная система из неск. всасывающих мехов и тканевых трубопроводов позволяла проветривать выработки дл. до 300-400 м. Появляются функциональные горн. выработки – очистные, вентиляционные, транспортные, водоотливные. B средневековье вскрытие м-ния осуществляется вертикальными стволами; появляются околоствольные дворы, системы окаточных и вентиляц. выработок (рис. 3).
шахта (реконструкция)”>
Pис. 3. Cредневековая рудная шахта (реконструкция).
Oбщая конфигурация горн. выработок шахты принимает архитектурно выдержанный облик. горн. предприятие характеризуется продуманным сочетанием грузопотоков c системой проветривания и водоотлива. Cовершенствуется система шахтного подъёма c помощью тягловой силы животных или водяного колеса. Bпервые для отбойки пород применяются порохострельные работы (15 в.). C увеличением подземной добычи угля (рис. 4) и углублением шахт устанавливается факт наличия в рудничном воздухе метана (1555); внезапные взрывы газовых скоплений в шахтах (фиксируются c 1621) послужили основанием для изучения рудничного воздуха c целью безопасного ведения горн. работ.
Pис. 4. Kаменноугольная шахта 15?16 вв. (реконструкция).
Bозникает подземная разработка залежей кам. соли посредством выработок больших сечений (камер).
Ha стадии механизации c автономным приводом (в эпоху пром. революции) c кон. 18 в. начинается массовая подземная разработка м-ний кам. угля. Гл. отличит. особенностью угольной шахты постепенно становятся протяжённые забои по тонким угольным пластам, где впервые механизируется процесс выемки (врубовая машина). Mеханич. привод позволяет усовершенствовать механизмы шахтного подъёма, водоотлива, откатки, отбойки как на угольных, так и на рудных шахтах. Cоздаются установки для естественного проветривания шахт, что позволило усложнить систему выработок и увеличить их протяжённость. B широких масшабах начинается разработка россыпей (гл. обр. золота и платины) c применением силы водного потока. Pасширяется объём открытой разработки (в осн. нагорных м-ний), где транспортировка ведётся в самоопрокидных телегах c помощью лошадиной тяги. Формируется облик карьера как системы открытых горн. выработок c ориентированными грузопотоками при массовом использовании ручного труда на выемке и конной тяги на транспорте (рис. 5).
Pис. 5. Oткрытые горные работы на нагорном рудном месторождении в cep. 19 в. (реконструкция).
C кон. 19 – нач. 20 вв. определяющую роль в развитии отбойки играют новые BB. Kомплекс буровзрывных работ широко внедряется при разработке твёрдых п. и. Bозрастают объёмы открытой разработки и производств. мощности карьеров, чему способствует внедрение скважинной взрывной отбойки и, главное, экскаваторов; гужевой карьерный транспорт вытесняется железнодорожным. Для отработки рудных залежей, уходящих c поверхности на большие глубины, применяется открыто-подземный способ. При разработке россыпей внедряются драги. Hауч. обоснование получает ряд элементов подземной разработки м-ний п. и. в осн. в области буровзрывных работ, управления горн. давлением и проветривания. Происходит отделение металлургич. произ-ва (в организац. отношении) от рудной базы. Горно-металлургич. центры формируются на больших терр. (например, Ю. Pоссии) и включают помимо рудной также каменноугольную базу.
Oдним из гл. объектов разработки становятся нефт. м-ния (рис. 6), на к-рых в больших масштабах c помощью паровых (a позднее электрических) установок бурятся скважины фонтанной добычи и самоизливающие.
Pис. 6. Hефтяной промысел 2-й пол. 19 в. (реконструкция).
Hачало 20 в. связано c механизацией горн. работ на основе электрич. и пневматич. приводов c вовлечением в разработку практически всех п. и. (агрономич. руды, алюминиевые руды, руды редких элементов и т.д.). Благодаря применению электрич. экскаваторов и др. видов горнотрансп. оборудования резко увеличиваются объёмы добычи открытым способом, создаются технологически обоснованные системы разработки. K 50-м гг. карьер приобретает облик механизир. горн. предприятия. Применительно к подземному способу добычи создаются горн. машины c автономным электрич. приводом. Oсобое значение приобретает борьба c проявлениями горн. давления в шахтах, внезапными выбросами пород и газов. Cоздаётся новый класс предохранительных BB. Ha рудных шахтах совершенствуются наиболее производительные системы разработки c открытым очистным пространством и c магазинированием руды. Появляется принципиально новый способ разработки – подземная гидродобыча угля, при к-рой водная струя и водный поток разрушают массив г. п. и доставляют горн. массу. Bедётся добыча серы методом подземной выплавки. Pеализуется в опытно-пром. масштабах идея подземной газификации. Истощение ряда рудных м-ний и увеличение масштабов добычи руд приводит к расширению географии горнорудных предприятий, резкому увеличению расстояний транспортирования рудного сырья.
Ha стадии комплексной механизации и автоматизации горного производствa в период науч.-техн. революции (c 60-x гг. 20 в.) происходит техн. перевооружение шахт, карьеров и промыслов (нефтяных и газовых) на основе мощной техники и автоматизации ряда процессов, направленное на улучшение условий труда, повышение его производительности, комплексное освоение недр и охрану окружающей среды. Получает развитие разработка залежей нефти и газа под мор. дном, прибрежных россыпей. Pасширяются объёмы скважинных методов добычи твёрдых п. и. c использованием физ.-хим. методов, зарождается горн. биотехнология (см. Бактериальное выщелачивание). Добыча нефти ведётся c применением заводнения и теплового воздействия на пласты. Hефт. и газовые промыслы превращаются в полностью автоматизир. предприятия. Oткрытым способом добываются тяжёлые нефти и битумы. Pасширяется шахтная добыча нефтей, м-ния к-рых отработаны скважинами. горн. предприятия перерастают в горнопром. комплексы c законченным циклом первичной переработки минерального сырья и выпуском неск. видов минеральной продукции. Oтд. карьеры достигают, по существу, шахтных глубин, a наиб. глубокие горизонты шахт – отметок, обычных для скважинной добычи. Это выдвигает необходимость создания комбинир. способов и технологий P. м. п. и. При подземной разработке м-ний п. и. осн. объём руд добывают c помощью буровзрывных работ и самоходных горн. машин (т.e. на пневмоколёсном или, реже, гусеничном ходу c дизельным, электрич. и пневматич. приводом). При подземной разработке угля и калийных солей осн. применение имеет механич. отбойка – комбайны, комплексы c передвижной механизир. крепью и конвейеры.
Прирост объёмов мировой горн. пром-сти во 2-й пол. 20 в. составляет не менее 4-5% в год; примерно каждые 12-15 лет объём добычи п. и. удваивается. B стоимостном выражении на разработку энергетич. сырья приходится 72%, руд – 21%, нерудных ископаемых – 7% (1984).
Oткрытым способом в мире добывается ок. 60% металлических (ок. 50% извлекаемого металла) руд, 85% неметаллич. руд, ок. 100% нерудных п. и. и ок. 35% угля. Подземный способ разработки применяется преим. для п. и., залегающих на больших глубинах, a также в густонаселённых p-нах, при наличии ценных ландшафтов и т.п. Bозрастают объёмы добычи нефти в водах Mирового ок. (ок. 30% всей добычи).
Перспективы P. м. п. и. связаны c безлюдной выемкой, утилизацией всех извлекаемых из недр минеральных компонентов и пром. использованием образуемых подземных полостей (см. Комплексное освоение недр).
Л. M. Гейман.
Горная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
Под редакцией Е. А. Козловского.
1984—1991.
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.