Сооружение для подземных разработок полезных ископаемых
Добыча полезных ископаемых составляет важную часть экономики многих государств, включая Россию. Кроме подземной добычи ее важную часть составляет разработка открытым способом — в том случае, если залежи располагаются сравнительно неглубоко. Для этого используются современные технологии, применяется множество видов карьерной спецтехники.
Трудно сказать, когда человечество начало разработку первого в своей истории карьера. Но наверняка это произошло раньше, чем был вырыт первый рудник: добывать ископаемые, находящиеся непосредственно под поверхностью, а то и на ней, — много проще. Так или иначе, будет верным сказать, что человечество эволюционировало вместе с технологией добычи полезных минералов и строительных материалов. В ходе разработки карьера вынимаются и подвергаются сортировке миллионы тонн породы, что не может не влиять на состояние окружающей среды, как минимум — в местном масштабе. Тем не менее потребность цивилизации в полезных ископаемых, начиная с угля и заканчивая драгоценными металлами, век от века растет — а соответственно, растут и масштабы добычи.
К положительным сторонам добычи полезных ископаемых открытым способом нужно отнести такие факторы, как простота подготовительных (вскрышных и других) работ, относительная безопасность участников производственного процесса, сравнительно невысокие затраты на изыскательские работы и собственно добычу, большая производительность при извлечении породы.
Однако, помимо достоинств, у открытой разработки есть и свои недостатки. К ним относятся большое число работающей в карьере техники и оборудования, а значит, и немалые затраты на его приобретение и обслуживание. С углублением котлована растут и расходы на разработку залежей: доставка породы на обогатительный комбинат или пункт предварительной сортировки требует все больших усилий и все более длинных маршрутов для техники, следовательно, растут и затраты компании-разработчика.
Технологический цикл добычи полезных ископаемых открытым способом начинается с геологоразведки.
Необходимо не только найти залежи, но и оценить их объем, состав породы и глубину залегания на предмет целесообразности добычи. Далее проводятся предварительные работы на месте будущих разработок, которые включают в себя осушение (иногда обводнение) территории, прокладку коммуникаций (подъездные пути, электричество, связь, Интернет), выкорчевывание леса и возведение административных и вспомогательных построек. Сколько времени проходит с момента завершения геологоразведки до окончания предварительных работ, однозначно сказать нельзя: это зависит от инвестиций в будущий карьер, характера местности, климатических и погодных факторов.
Карьерный экскаватор
При добыче полезных ископаемых открытым способом — будь то залежи угля, марганца, руд, содержащих металлы, — широко используют карьерные экскаваторы — машины циклического действия, малосвязные или черпающие разрушенные породы и перемещающие их последовательно, прерывая копание на время перемещения породы. Вскрытие месторождений, выемка минералов и их последующая погрузка в транспортные средства — основные функции этих машин. Наряду с гигантскими многоковшовыми шагающими экскаваторами, роторными и канатными электрическими машинами наибольшее распространение при разработках открытым способом получили гидравлические карьерные экскаваторы на гусеничном ходу. Характерный образец машин этого типа — Liebherr R9250. Оснащенный ковшом объемом 15 кубометров, он отлично подходит для работы с самосвалами 100-тонного класса. В зависимости от условий работы модель оснащается дизельной либо электрической силовой установкой мощностью 287 л.с.. Скорость вращения поворотного мотора — 8 оборотов в минуту. Машина может оснащаться как прямой, так и обратной лопатой и способна работать даже при экстремально низких температурах: до минус 40—50 градусов Цельсия. У модели R9250, как и у других машин семейства экскаваторов Liebherr, низкий центр тяжести и большая глубина копания: 8,7 метра. Полная масса машины — 253,5 тонны.
Собственно разработка карьера начинается со вскрышных работ.
Необходимо удалить поверхностный, пустой слой породы, под которой находятся залежи полезных ископаемых. Для этого слоями удаляется грунт, в результате чего по периметру будущего карьера образуется каскад уступов. Если раньше для этих целей широко применялись буровзрывные работы, то сегодня для вскрышных работ чаще используется специальная техника, прежде всего — экскаваторы и погрузчики, а для вывоза пустой породы — карьерные самосвалы. Чем тоньше поверхностный слой — тем более эффективны горные работы: эффективность разработки открытым способом определяется соотношением перемещенной пустой породы к результату добычи. Количество кубических метров снятого грунта делится на тоннаж изъятого ископаемого.
Карьерный погрузчик
Обладающие куда более внушительными размерами, чем их строительные собратья, эти землеройно-транспортные машины на колесном или гусеничном ходу имеют в качестве главного рабочего органа ковш вместимостью до 10 кубометров и более, шарнирно закрепленный на конце стрелы и разгружающийся вперед. К функциям карьерных погрузчиков относятся рыхлительные и бульдозерные работы, резка и транспортировка породы, а также ее загрузка в кузов самосвала.
Современные машины этого типа имеют эксплуатационную массу до 62 тонн. Кроме фронтального ковша в качестве сменного оборудования для карьерных погрузчиков используются бульдозерный нож, рыхлитель, грузоподъемная платформа и другие агрегаты.
Яркий представитель семейства карьерных погрузчиков — модель именитого японского производителя спецтехники Komatsu WA600-8. Этот карьерный погрузчик имеет эксплуатационную массу 55 тонн и оснащен ковшом объема 7,03 кубометра. Оригинальный силовой агрегат погрузчика SAS6D170E-7 мощностью 529 лошадиных сил соответствует стандартам экологичности Tier 4 Final. По словам компании-разработчика, модель имеет целый ряд улучшений сравнительно с техникой Komatsu предыдущих поколений — в частности, у WA600-8 существенно улучшена обзорность кабины, а кресло оператора снабжено функцией подогрева.
Та же самая техника используется для непосредственной добычи полезных ископаемых.
В настоящее время из соображений экономической целесообразности многие процессы автоматизируются — например, все более широкое распространение получают беспилотные самосвалы, не требующие наличия водителя и часто вообще не имеющие кабины; встречаются и объекты, где управление процессом добычи осуществляется полностью дистанционно («умный карьер»). При более высоких первоначальных затратах такой подход гарантирует значительную экономию на оплате труда персонала, а кроме того, обеспечивает безопасность жизни и здоровья сотрудников добывающего предприятия. Тем не менее даже работа в технически оснащенном карьере по-прежнему считается довольно тяжелой, а порой и экстремальной для человеческого организма и поэтому требует высокой физической и психологической стабильности. В то же время вред от работы в карьере для человеческого организма намного меньше, чем в шахте, а уровень травматизма — существенно ниже.
Полезные ископаемые, добываемые в карьере, подвергаются дроблению и сортировке на месте либо транспортируются самосвалами в перевалочные пункты и далее — на обогатительные комбинаты. Вывоз породы из карьера осуществляется карьерными самосвалами; наиболее вместительные образцы этой техники способны транспортировать около пятисот тонн груза — однако по дорогам общего пользования эта техника в силу своих габаритов передвигаться не может, поэтому к месту работ ее обычно доставляют в разобранном виде, по железной дороге, автотрассе или морским транспортом.
Карьерный комбайн
На смену буро-взрывным методам при разработке полезных ископаемых открытым способом все чаще приходят карьерные комбайны, позволяющие не только добывать материал, но и погружать его напрямую в грузовики либо укладывать в отвалы. Если самосвал занят другой работой, срезанная комбайном порода подается по конвейеру и отсыпается в отвал. Именно так работают комбайны компании Wirtgen. В зависимости от угла поворота их конвейера материал может складироваться в один отвал с 3—5 заходов срезания породы. В дальнейшем материал загружается в кузов самосвала с помощью карьерного погрузчика. В зависимости от высоты полученного отвала при помощи фронтального погрузчика возможно выполнять погрузку материала.
Наиболее производительные карьерные комбайны Wirtgen для разработки мягких и крепких горных пород 4200SM рассчитаны на глубину фрезерования до 830 и 650 миллиметров при ширине фрезерования 4,2 метра. Кроме своей основной задачи — добычи угля, известняка, боксита, железной руды, фосфатов, горючего сланца, кимберлита, соли — эти карьерные комбайны способны эффективно работать в строительстве, включая дорожное. В частности, этим машинам по силам выполнение таких функций, как прокладка трассы для строительства дорог и сооружения рельсового пути, точное фрезерование траншей, плоскостей и откосов, фрезерование каналов, формирование подошвы тоннеля и восстановление дорог.
Открытым способом добывают множество ценных ископаемых: уголь, янтарь, мрамор, алмазы — список можно продолжать очень долго. А разработка карьера может продолжаться от нескольких лет до многих десятилетий. Например, разработка карьера Бингем-Каньон в США, штат Юта, глубина котлована которого в настоящее время составляет 1200 метров, продолжается с 1863 года.
На особенности добычи влияет множество факторов; горняки говорят, что двух идентичных карьеров в принципе не существует. Тем не менее большинство этих сооружений имеет ряд общих элементов; среди них — рабочий и нерабочий борт; дно или подошва — нижняя площадка уступа; нижний и верхний контуры; вскрышные и очистные уступы; площадки (ниже откоса, выше откоса); пункт приема породы; транспортные коммуникации. Периметр подошвы карьера определяется удобством добычи породы и ее погрузки в карьерные самосвалы.
Карьерный самосвал
Карьерные самосвалы — разновидность внедорожных машин этого типа, используемых при разработке месторождений открытым способом. Из-за внушительных размеров их эксплуатация на дорогах общего пользования невозможна — и к месту работ их доставляют в разобранном виде. Наиболее целесообразной для тяжелых самосвалов признана схема с двумя осями, с разгрузкой назад, с задним или полным приводом Отдельный подкласс карьерных самосвалов составляют машины шарнирно-сочлененной конструкции, для которых используется трехосная схема. Например, такие, как выпускает южноафриканская компания Bell — каждый пятый шарнирно-сочлененный самосвал в мире сходит с ее конвейера. Главная особенность этой техники — наименьшая масса во всех классах грузоподъемности, что достигается благодаря применению высокопрочного сварного шасси из легированной стали и долговечных, оптимизированных для уменьшения веса, компонентов. Среди других особенностей — мощные двигатели Mercedes Benz и трансмиссии со встроенным замедлителем ZF и Allison. Одна из популярных моделей — BELL B50D с колесной формулой 6×6 при собственной массе 34,5 тонны способна перевозить 45,4 тонны груза. Она оснащена дизельным двигателем мощностью 523 л.с. и 640-литровым топливным баком. Из систем безопасности самосвала нужно отметить автоматический горный тормоз, функцию быстрой заливки топлива с сухим затвором и мониторинг давления в шинах и защиту кабины от опрокидывания и падающих предметов.
Как уже было сказано выше, добыча полезных ископаемых не проходит даром для экологии.
Устройство карьера разрушает ландшафт, складывавшийся веками, а порой и тысячелетиями. Выкорчевываются многие гектары лесов, осушаются озера, производятся взрывные работы, изменяется уровень грунтовых вод. Тысячи кубометров почвы, которые могли бы быть использованы в сельскохозяйственных целях, в ходе вскрышных работ превращаются в отвалы. В зависимости от химического состава грунта отвалы могут содержать элементы, опасные не только для растительного и животного мира, но и для здоровья людей, живущих в близлежащих населенных пунктах. Их жители также страдают от высокого уровня шума, загрязнения сточных вод и выбросов угарного газа от двигателей спецтехники и оборудования.
Несмотря на то, что добыча полезных ископаемых открытым способом наносит ощутимый вред окружающей среде, вредные последствия от нее можно минимизировать. Для этого выработанные карьеры часто заполняют водой, создавая искусственные водоемы, а на прилегающих территориях проводят рекультивацию, засаживая их деревьями и кустарниками. Что касается отвальных пород, из них нередко получают минеральные удобрения, глинозем, а также некоторые виды строительных материалов. Все эти меры позволяют не только частично компенсировать ущерб, нанесенный природе открытыми разработками, но зачастую и получить экономическую выгоду. В мире год от года растет число предприятий, специализирующихся, занятых окультуриванием территории выработанных карьеров и переработкой отходов добычи.
Дробильное оборудование
Нередко первичная переработка полезных ископаемых выполняется непосредственно на месте добычи. Для этого используется различное дробильно-сортировочное оборудование. Например, для обработки известняка и других материалов с невысокой абразивностью хорошо подходят роторные дробилки с горизонтальным валом Telsmith первичного и вторичного дробления. Они сконструированы с большим запасом прочности и имеют цельный массивный ротор, что является их основным преимуществом сравнительно с представленными на рынке аналогами, а также большую камеру дробления, которая обеспечивает высокую производительность и кубовидную форму материала на выходе. Наиболее производительная из дробилок для первичного дробления — Telsmith 6071 с приводом мощностью 800—1500 л.с., которая имеет производительность 1000—2100 тонн в час. Дробилка эксплуатационной массой 89 тонн рассчитана на максимальный размер входящего куска 1422 мм. Из дробилок для вторичного дробления наиболее производительная — Telsmith 5263 с приводом мощностью 300 л.с,; ее производительность достигает 320 тонн в час. Эта модель рассчитана на максимальный размер входящего куска 406 мм; вес дробилки — 22 тонны.
Источник: https://proteh.org/
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.