Сооружение скважин шпуров для добычи полезных ископаемых

Бурение  возникло для того, чтобы добраться до ресурсов, скрытых от человека под толщей земли. По большому счету с тех пор мало что в этом вопросе изменилось — однако есть разница в технологиях и объемах добычи. Сегодня, пробурив десятки метров земли, человек с помощью специального оборудования помещает в глубину заряд и посредством взрыва получает сразу десятки и сотни тонн нужных ему материалов.

Само понятие буровзрывных работ включает в себя гораздо большее число различных процессов, чем собственно бурение. Цель этих работ, выполняемых последовательно, этап за этапом, — отделить часть скальной породы от массива, подходящим образом обработать и получить искомое, будь то строительные материалы, минералы или что-то еще. Комплексу буровзрывных работ предшествует планировка предварительно расчищенной площадки. Затем с помощью современных технических средств рассчитывается глубина бурения, расстояние между скважинами, вид и диаметр последних; в идеале планирование выполняет специальная компьютерная программа на основе загруженных в нее данных.

До начала бурения проводится устройство временных подъездных дорог и, при необходимости, водоотвода и переноса инженерных коммуникаций. В случае проведения буровзрывных работ в темное время суток площадка должна быть хорошо освещена. Вся техника и оборудование, кроме непосредственно участвующего в комплексе буровзрывных работ, заранее выводится за пределы опасной зоны.

Далее выполняется бурение скважин (шпуров, полостей), в которые затем будут заложены взрывчатые материалы. Скважины бурятся вертикально или под наклоном, в соответствии с проведенными заранее расчетами. Современное оборудование позволяет выполнять как бурение, так и последующую закладку взрывчатого вещества дистанционно, без участия людей на месте работ. И наконец, с помощью специальных средств производится взрыв.

Показателем качественно проведенных буровзрывных работ являются равномерно раздробленные куски породы — процент осколков негабаритного размера при этом должен быть минимальным.

Кроме добычи полезных ископаемых к буровзрывным работам прибегают и при разработке скальных или мерзлых грунтов. В этом процессе существует ряд своих нюансов. Например, отклонение между осями устьев скважин не должно превышать 50 миллиметров, отклонение от оси проходки — 20 миллиметров; отклонение скважин, шпуров от заданного направления не должно превышать 1% их глубины при вертикальном положении и 2% — при наклонном положении. Что касается отклонения отметок дна и бортов выемок при разработке прочных, скальных и мерзлых грунтов, их допустимые нормы определяются в проектной документации.

Разработка скальных грунтов под водой буровзрывным способом также ведется в наше время довольно широко. При этом бурение скважин для зарядов выполняется с помощью особых буровых установок, смонтированных на плавучих средствах. При разработке грунтов под водой на глубину до одного метра рыхление проводится накладными зарядами, от одного до двух метров — шпуровым методом, на глубину более двух метров — колонковыми зарядами.

Если добыча ведется под землей, используется метод подземных буровзрывных работ. При этом с помощью буровых станков бурятся шпуры, закладываются взрывчатые вещества и затем осуществляется взрыв. После этого фрагментированная порода извлекается — и весь процесс при необходимости повторяется вновь. А извлеченная порода с помощью транспортных средств доставляется к дробильно-сортировочному комплексу или на горно-обогатительный комбинат, где происходит ее дальнейшая обработка.

Буровзрывные работы используются и в строительстве — ведь они позволяют быстро и со сравнительно небольшими затратами решить задачи, на которые при любом другом способе потребовалось бы много больше ресурсов. К буровзрывным работам в строительной отрасли прибегают при сооружении таких масштабных объектов, как плотины, электростанции и т.д., в местах с большим количеством скальной породы, скальных и мерзлых грунтов.

Буровзрывные работы можно рассмотреть с нескольких сторон: с точки зрения используемых технологий, применяемых зарядов и других. Однако мы, в силу самой специфики издания, вместо этого поближе рассмотрим пару современных образцов бурового оборудования, используемого в интересующих нас целях.

Одно из ведущих отечественных предприятий, выпускающих  специализированные станки для бурения взрывных скважин, — «Кыштымское машиностроительное объединение» («КМО»). Любопытным образцом интересующего нас оборудования является станок 2СБУ-100-32М для бурения скважин диаметром 110, 130 миллиметров и глубиной до 32 метров погружными пневмоударниками в породах и рудах с коэффициентом крепости от 6 до 20 по шкале профессора Протодьяконова. Спектр применения бурового станка весьма широк: от проведения горных работ до нужд дорожного строительства.

Конструкция станка позволяет при необходимости произвести его быструю разборку на транспортабельные узлы и сборку в местах применения. В качестве энергоносителя для привода вращателя станка 2СБУ-100-32М применяется электроэнергия 380 вольт, 50 герц.

Станок для бурения взрывных скважин 2СБУ-100-32М выпускается как с электроприводом, так и в варианте с приводом сжатым воздухом. С первым типом вращателя масса станка с ЗИП составляет 680 килограммов, а со вторым — 770 килограммов. В зависимости от исполнения несколько отличается и частота вращения бурового става: 41 или 40—90 оборотов в минуту соответственно. Мощность привода вращателя у станка с электроприводом составляет 4 киловатта, с приводом сжатым воздухом — 10 киловатт. Расход воздуха у станка первого или второго типа — 8 или 18 кубометров соответственно.

Угол наклона скважины к вертикали для 2СБУ-100-32М составляет от 0 до 90 градусов; ход подачи — 1050 миллиметров. Габаритные размеры станка (длина/ширина/высота) — 1950х800х2700 миллиметров. Таким образом, это сравнительно компактное и легкое оборудование позволяет решать задачи даже в удаленной местности — разумеется, при наличии соответствующих транспортных средств для его доставки.

Имеются у «Кыштымского машиностроительного объединения» и станки для бурения глубоких взрывных скважин под землей. Именно к числу таких относится буровой станок СУГОМАК М-200 СБПУ-200СПР — кроме взрывных скважин он, используя пневмоударник, также способен бурить и скважины вспомогательного значения: компенсационные, закладочные, вентиляционные и другие.

Глубина бурения у СБПУ-200СПР достигает 200 метров; диаметр скважин — 85—160 миллиметров. Ход подачи у станка составляет 1270 (2410) миллиметров, длина штанги — 1170 (2200) миллиметров. Ход надвигания — 1000 миллиметров, угол поворота податчика — 360° (круговой веер), частота вращения шпинделя — 78 оборотов в минуту. Мощность электромотора гидростанции 22 кВт (пневмомотор — П16-25 16 кВт).

Станок СБПУ-200СПР для буровзрывных и других работ относится к серии СУГОМАК — все основные функции у представленных в ней машин  (вращение и подача бурового става, подъем, поворот и раскрепление податчика, перемещение станка) производятся посредством гидравлических приводов. Гидравлическая схема станков выполнена на итальянских гидронасосах SAMHYDRAULIK и гидрораспределителях Hydrocontrol с пропорциональным управлением. На выносном пульте управления бурением имеются джойстики для управления подачей и вращением бурового става. Благодаря пропорциональной схеме управления существенно экономится расход потребляемой энергии. По желанию заказчика любой из станков этой серии независимо от типоразмера (и СБПУ-200СПР с габаритными размерами 4300х1800х2250 миллиметров — в том числе) может быть доукомплектован насосом для подачи промывочной жидкости, лебедкой для перемещения станка (моноблочное исполнение). Кроме того, в зависимости от размеров выработки может меняться длина податчика и величина входа вращателя.

Один из ведущих мировых производителей техники и оборудования для добывающей промышленности — компания Epiroc из Швеции — имеет в числе своих предложений целую линейку станков для бурения взрывных скважин. О самой компании и ассортименте ее продукции мы писали совсем недавно, а сегодня рассмотрим поближе один из интересующих нас образцов ее продукции.

Станок Epiroc DM30 II предназначен для бурения взрывных скважин и отличается компактными размерами и высокой степенью надежности. Поставленный на гусеничные движители, он довольно маневрен для машин своего класса и способен бурить скважины глубиной до 8,5 метра при однозаходном бурении и до 45,1 метра при многозаходном, с учетом стартовой трубы. Способен он работать и с буровыми трубами длиной 9,1 метра и оснащен стандартной каруселью на 4 трубы. Станок DM30 II характеризуется усилием подачи 133,4 кН и бурит скважины диаметром от 140 до 200 миллиметров. Топливный бак станка объемом 871 литр позволяет работать без дозаправки в течение рабочей смены.

Как и другая техника производства Epiroc, станок DM30 II на гусеничном ходу сконструирован с учетом максимально возможного комфорта для работы оператора. Он оснащен кабиной с системой поддержания избыточного давления воздуха, с тонированными стеклами, регулируемым в 6 направлениях поворотным сиденьем и отличной обзорностью. Управление всеми рабочими функциями осуществляется с панели управления, а эргономичная компоновка позволяет оператору моментально переключаться из режима бурения в режим перемещения, что повышает производительность работы. Уровень шума в кабине конструкторами станка уменьшен до минимального значения 80 дБА, что обеспечивает оператору дополнительный комфорт.

Станок DM30 II оснащен множеством функций, обеспечивающих безопасность работы оператора. В их числе защита кабины от падающих предметов (FOPS), термоизоляция пола, система аварийного отключения компрессора в условиях высоких температур. Дополнительную безопасность обеспечивают звуковой сигнал заднего хода, защита от перемещения со штангой в скважине, инклинометр перемещения и световые индикаторы подъема домкратов.

В обслуживании DM30 II также очень удобен: его продуманная компоновка обеспечивает удобный доступ ко всем основным обслуживаемым компонентам. В качестве дополнительного оснащения производитель предлагает для станка соединения для ускоренной заправки, лестницу для доступа на мачту и защитой от падения с мачты.

Отличительная черта DM30 II — экономичность: система электронного регулирования подачи воздуха (EARS) позволяет легко регулировать компрессор, чтобы экономить мощность и снижать расход топлива для сокращения общей стоимости владения.

Выносливость станку обеспечивает сварная рама из двутавровых балок, рассчитанная на сопротивление возникающим динамическим нагрузкам.

Конструкция мачты DM30 обеспечивает машине долгий срок службы даже в самых жестких условиях эксплуатации, а сварка укосин мачты в угол гарантирует ее надежность.

Система управления буровым станком Epiroc Rig Control System (RCS) Lite, построенная на платформе RCS 5, обладает множеством функций обеспечения защиты машины и безопасности производственного процесса. Все станки Epiroc, оборудованные системой RCS Lite, оснащаются одинаковыми бортовыми дисплеями, благодаря чему обученный персонал не нуждается в дополнительном инструктаже.

Разумеется, описанные выше образцы техники — лишь одни из многих, представленных на рынке бурового оборудования и подходящие для интересующих нас целей. Тем не менее только ими мы на этот раз и ограничимся.

А завершая материал, отметим еще одну интересную сферу, где проводятся буровзрывные работы. Это демонтаж зданий и сооружений. Для того, чтобы осуществить снос стен кирпичных зданий и сооружений, как правило, применяются групповые шпуровые заряды. Горизонтальные шпуры обычно устраиваются в шахматном порядке, в два ряда, на глубину до двух третей толщины стены. При этом нижний ряд зарядов располагается на полметра выше уровня земли. Расположение шпуров определяется в зависимости от прочности кладки стен. Конструкции из железобетона взрываются кумулятивными зарядами, которые, как правило, располагают в местах соединения. Де-факто работы по устройству шпуров — это разновидность строительного бурения, поэтому и в случае демонтажа зданий, и в случае расчистки будущей стройплощадки с помощью взрывов мы имеем дело с одним и тем же процессом.

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/