Способы добычи полезных ископаемых в карьерах

Что такое карьер?

Горные выработки, предназначенные для добычи полезных ископаемых открытым способом, с поверхности грунта и постепенным углублением по площади в процессе работы, называются карьерами. Таким образом извлекаются полезные ископаемые из рудных, нерудных, а также россыпных месторождений. В случаях, когда речь идёт об освоении россыпных и угольных пластов, карьеры называются разрезами. Структура карьера обычно имеет ступенчатую форму, при этом верхние слои состоят в основном из вскрышной породы, а на нижних осуществляется добыча.

Бингем-Каньон, штат Юта, США

Размеры карьеров по вертикали обычно определяются, исходя из рентабельности производственных процессов, растущих пропорционально глубине работ. Целесообразность увеличения глубины карьера теряется после достижения отметки в пределах от десятков до полутысячи метров, в зависимости от конкретных геологических и технических условий. Тем не менее, есть и рекордно глубокие разрезы — например, Бингем-Каньон (Юта, США) — более километра.

Немного истории горного дела

Открытые горные работы человек вёл ещё в глубокой древности. Появление первых примитивных горнопроходческих инструментов датируется 6-м тысячелетием до нашей эры. Таким способом извлекались полиметаллические руды с целью получения бронзы в 4-м тысячелетии до нашей эры в Северной Эфиопии, на Кавказе, Синайском полуострове и в Индии. Железо начали добывать в карьерах со 2-го тысячелетия до нашей эры в Южной Европе и ближневосточных странах.

Первые большие карьеры появились во время строительства пирамид в Древнем Египте, в античный период на открытой местности добывался мрамор. В средние века центрами открытой добычи цветных металлов являлись территории современных Испании, Италии и российского Урала. Разработка россыпных месторождений карьерным способом набрала популярность на Урале и в Сибири с 18-го века. Только с появлением полноценной карьерной техники и налаживания основных процессов производства — выемки, погрузки, транспортировки и образования отвалов — наметился значительный прогресс в отрасли.

Бакальский рудник, Челябинская область (Южный Урал), начало ХХ века

Уже в конце 19-го века на карьерах стали использоваться экскаваторы. Открытая разработка месторождения начала бурно развиваться в начале двадцатого века, особенно в США и Германии. Тем не менее, в России преобладал ручной труд (к примеру — использование в роли транспорта примитивных средств — тачек), работы были лишь частично механизированы. Первые крупные карьеры для добычи угля, цветных и чёрных металлов, были обустроены в СССР с 1928 по 1941 годы.

Электровоз IVКП1 с думпкаром ВС-50 на разгрузке, разрез «Коркинский», 1959 год

Во время Второй мировой войны объёмы добычи в советском государстве значительно выросли. В послевоенную эпоху началась механизация добычи, переход на унифицированную и более мощную технику. Совершенствовались и методики проведения взрывных работ. От средневекового пороха горняки в 20-х годах перешли к аммоналу, в 30-х — к динамону, в военное время использовался оксиликвит, после — игданит. В послевоенный период восстановления экономики расширились масштабы механизации процессов на карьерах, было унифицировано экскаваторное и транспортное оборудование.

Открытая разработка: эффективность и принципы

Благодаря открытой разработке месторождений удовлетворяется 65% от объёма мирового потребления сырья как рудного, так и нерудного происхождения, а также 35% топлива твёрдого типа. Около 90% бурых и 20–30% каменных углей также извлекаются в разрезах, 75% железных руд и порядка 80% руд цветных металлов, 90% других ископаемых и строительных материалов добываются в карьерах. В России до 93% руд как чёрных, так и цветных металлов, 66% угля и практически 100% строительных материалов получают в карьерах. Наиболее широко распространена карьерная добыча в таких странах, как США, Китай, Австралия, Канада, ряд государств Европы.

Высокая степень популярности открытой добычи заключается прежде всего в её экономической эффективности. В сравнении с шахтным способом добычи, извлечение полезных ископаемых в карьерах в три раза дешевле для угольных и в два раза — для рудных месторождений. Разработка месторождений карьерным способом не требует обустройства шахт или прокладывания тоннелей. При этом производительность труда в карьерах выше в два–три раза, а объём потерь полезных ископаемых в пять раз меньше.

Добыча угля открытым способом в Хантер-Вэлли, Австралия

С задействованием мощного оборудования, как горного, так и транспортного, при высокой степени автоматизации и применения современных информационных технологий возможно рентабельное освоение залежей с низким содержанием металлов в руде. Нормальное соотношение объёма извлекаемой руды (вскрыши) к одному кубометру полезных ископаемых составляет от 4 до 25 кубометров. При превышении последнего значения, называемого коэффициентом вскрыши, карьер становится нерентабельным.

Существуют разные виды открытой разработки месторождений в зависимости от ряда её параметров и применяемых технологий. Тем не менее, разным типам освоения залежей в карьерах присуща идентичная общая схема работ. Слои пустых пород разделяются на уступы, которые снимаются сверху вниз, при этом верхние слои опережают нижние. Выработанное пространство увеличивается по мере перемещения рабочих уступов. В целом технологические процессы предусматривают отделение горных пород от полезных ископаемых, погрузку и вывоз горной массы, размещение пустой породы в отвалах. Давайте рассмотрим этапы открытой разработки месторождении более подробно.

Пронедра писали ранее, что освоению месторождения всегда предшествует геологоразведка. В этом плане карьерная добыча — не исключение. Уже после утверждения и запуска проекта проводятся подготовительные работы. Они включают первичную подготовку поверхности, в том числе рубку и корчевание леса, обводнение или осушение местности, строительство складских, административных и производственных объектов, коммуникаций, водопроводных и канализационных сетей. Трудоёмкость процесса повышается, если местность является сложной в топографическом аспекте, или же освоение участка производится в условиях сурового климата, высокой степени обводнённости.

После подготовки осуществляются горно-капитальные работы и вскрытие месторождения. На данном этапе обустраиваются структурные компоненты карьера — внутренние и внешние траншеи, монтируется горное, технологическое и транспортное оборудование. Вскрышные работы — отделение породы, мешающей извлечь полезные ископаемые, путём механического рыхления или с применением взрывчатки. Особенностью работы с вскрышными породами является постоянное перемещение забоев и пунктов разгрузки на отвалах. Добычные работы, как это понятно из их названия, включают выемку полезных ископаемых, их транспортировку и отгрузку на склады или на обогатительные комбинаты.

Взврывные работы в угольном разрезе

В связи с вышесказанным, становится очевидно, что разработка карьера связана с перемещением большого количества грунтов и пород, нарушением естественного ландшафта и вмешательством в естественный баланс местной экосистемы. По мнению экспертов в области экологии, карьер несёт лишь негативные последствия для окружающей среды, поскольку при его обустройстве повреждается почвенный покров и уничтожаются лесные массивы, изменяется картина движения подземных вод. Непосредственно работа техники в карьере приводит к выбросу большого количества пыли, оседающей в лесах поблизости.

В связи с тяжёлыми последствиями разработки карьеров для живой природы после окончания эксплуатации месторождений на отвалы пустой породы в обязательном порядке наносится почвенный слой, а выработанное пространство облагораживается. Карьеры, отработавшие свой срок, затапливаются или рекультивируются. Если же карьер просто брошен, то он постепенно осыпается и покрывается растительностью. Во многих странах мира владельцы горнодобывающих предприятий обязаны восстановить состояние почвы и высадить растения на месте старого карьера.

Рекультивация угольного разреза

Технологии добычи

Добыча полезных ископаемых открытым способом ведётся с применением разных подходов и технологий. В связи с этим классификация добычных работ осуществляется в зависимости от основных факторов, которые влияют на выбор того или иного производственного процесса.

В зависимости от положения и формы залежей относительно поверхности земли различают такие методы разработки месторождений, как:

• поверхностный, предусматривающий полное освоение участка и обработку максимального объёма как полезных ископаемых, так и вскрышных пород. При этом последние размещаются в отработанном пространстве карьера;
• глубинный, при котором вскрышные породы извлекаются в нисходящем порядке слоями;
• нагорный — вскрышные породы и полезные ископаемые перемещаются сверху вниз, до более глубинных отметок;
• нагорно-глубинный метод применяется как вариант нагорного при достаточно сложном рельефе;
• метод подводной добычи — при расположении залежи и её кровли под водой.

По критерию положения рабочей зоны, а также перемещения фронта работ:

• сплошной метод — руда добывается в залежах горизонтального или полого-падающего типа, при этом пустая порода размещается как в выработанном пространстве, так и за пределами карьера;
• углубочный метод: освоение крутых и наклонных залежей с размещением вскрыши во внешних отвалах;
• смешанный, включающий в разной степени углубочный и сплошной методы, используется при добыче полезных ископаемых в сложных горных, геологических и топографических условиях.

Соответственно применяемым видам горного и транспортного оборудования:

• цикличная технология — процессы выемки и транспортировки руды проходят с паузами, что связано с особенностями применения конкретной техники;
• циклично-поточная технология — применяются механизмы непрерывного и цикличного действия. При этом выемка породы осуществляется машинами цикличного принципа работы — одноковшовыми экскаваторами, а также погрузчиками, а транспортировка — непрерывно работающими устройствами, в том числе конвейерами и автоматическими сортировочными установками;
• поточная технология предполагает использование по большей части горных и транспортных машин с непрерывным принципом действия, к примеру, гидромеханических устройств, ленточных конвейеров, многоковшовых экскаваторов. Если для цикличной и циклично-поточно технологий характерно автоматизированное управление отдельными процессами, то для поточной задействуются автоматизированные системы управления.

Карьерные машины

Любой современный карьер представляет собой предприятие с высокой степенью механизации. На месторождениях работают высокопроизводительные машины, предназначенные для выемки, дробления, перевозки и складирования породы и полезных ископаемых. Данные процессы производятся как разными горными машинами, так и комплексными агрегатами, которые выполняют сразу несколько функций.

Выбор конкретных машин зависит от целого ряда условий, в том числе от степени крепости пород, формы пластов полезных ископаемых, геологических условий, рельефа и даже климата. Кроме того, выбор техники обусловливается системой разработки месторождения и режимом проведения горных работ. Не в последнюю очередь свою роль играют капитальные затраты, прибыль и производительность труда.

С целью повышения эффективности освоения месторождений в карьерах внедряется комплексная механизация, условием которой является неразрывность коммуникаций — от точки забоя до пунктов разгрузки руды. Кроме того, машины, задействованные на бурении, выемке и погрузке, отвалах и вспомогательных задачах, при этом должны соответствовать друг другу по показателям производительности и мощности.

Бурение пластов угля перед рыхлением

Рассмотрим применение некоторых машин, на современном этапе развития отрасли. Так, для бурения взрывных скважин используются буровые станки массой до 130 тонн. Основные типы взрывчатки — это аммиачно-селитренные бестротиловые гранулиты и граммониты, а также водонаполненные компоненты для скважин с обводнением. Разрыхление осуществляется рыхлителями с мощностью до 735 кВт. К вскрышным работам привлекаются драглайны и механизированные лопаты с вместимостью ковша порядка полутора сотен кубометров.

Экскаватор-мехлопата

Примечательно, что выбор конкретной техники обусловлен в том числе и национальными традициями отрасли. Если в США операторы угольных разрезов отдают предпочтение большим экскаваторам, то для германской школы характерно использование транспортно-отвальных комплексов. В большинстве случаев в качестве техники для выемки и погрузки породы во всём мире используются экскаваторы, прямые мехлопаты и погрузчики шарнирно-сочленённого типа.

Экскаватор драглайн

Особенностью поточной технологии открытой разработки месторождений является повсеместное использование роторных экскаваторов и самоходных дробилок. Масса последних может достигать 600 тонн. Применение дробильных агрегатов, как мобильных, так и стационарных, размещаемых в разгрузочно-приёмных пунктах, позволяет операторам шире использовать конвейерные системы. Основной же транспортной единицей в карьерах по-прежнему являются самосвалы. Преобладающее количество таких машин имеет грузоподъёмность до 155 тонн, в меньшей степени в открытой разработке месторождений участвуют гиганты (200–300 тонн). Кроме того, активно применяются железнодорожные 360-тонные агрегаты, думпкары с грузоподъёмностью порядка 180 тонн.

Карьерный самосвал БелАЗ

Напомним, среди карьерных машин есть настоящие колоссы, мировые рекордсмены по габаритам и мощности среди экскаваторов, погрузчиков и самосвалов. Понятно, что задействование большого количества дорогих и мощных машин, колоссальные объёмы работ предопределяют не только то, что карьерная добыча предельно эффективна, но и то, что она является достаточно затратным процессом.

Роторный комплекс SRs(K)-4000

К примеру, для карьеров глубиной до ста метров с крепкими породами треть себестоимости кубометра вскрыши занимают взрывные и бурильные работы, около 15% — экскавация, ещё 40% — транспортировка. По мере углубления карьера транспортные расходы могут вырасти до 70%. Кроме того, 15% себестоимости — это строительство карьера. Непосредственно при его обустройстве 40% расходов приходятся на горные работы, ещё 30% — на закупку оборудования. В настоящее время срок окупаемости карьеров составляет минимум семь лет. В то же время, большие расходы и трудоёмкость производственного процесса не являются препятствиями для инвесторов, свидетельством чего служат колоссальные объёмы добычи и масштабы освоения месторождений открытым способом во всём мире.

Источник: пронедра.ру