Способы разработки месторождений твердых полезных ископаемых

Разработка месторождений полезных ископаемых – это комплекс взаимосвязанных процессов горного производства по извлечению полезных ископаемых из недр земли.

Выделяются 4 основных способа разработки месторождений:

шахтный — с помощью системы подземных горных выработок);

карьерный (открытый) — с помощью системы открытых горных выработок;

скважинный — с помощью системы эксплуатационных буровых скважин;

морской, связанный с работами ниже уровня моря.

Шахтный и карьерный способы применяются для добычи твёрдых полезных ископаемых, скважинный способ, для жидких и газообразных полезных ископаемых.

Основная цель разработки месторождений – обеспечение сырьём промышленного производства.

Понятие «разработка месторождений полезных ископаемых» расширялось на протяжении нескольких тысячелетий. Это было связано с совершенствованием орудий труда и горных технологий, увеличением числа видов добываемых из недр Земли полезных ископаемых. Каждой стадии эволюции технологии разработки месторождений полезных ископаемых соответствовали принципиальные нововведения.

В каменном веке наряду с поверхностными выработками типа ям, траншей, появлялись подземные копи, вскрытые штольнями, вертикальными, наклонными стволами и комбинацией этих выработок. Начинает применяться разработка с помощью камер, разведочные выработки, огневой метод ведения работ на открытых разработках, а возможно и в подземных условиях, клиновой метод ведения работ, водоотлив, закладка выработок пустой породой, сводчатая кровля и поддержание кровли на целиках, проветривание за счёт естественной тяги.

В век бронзы и раннего железа объектами массовой подземной разработки становятся залежи руд меди, олова, серебра, свинца, киновари, золота, полиметаллов, железа и др. На этой стадии возникают горные работы по извлечению крупных каменных монолитов для изготовления строительных блоков, обелисков, мегалитов, астрономических ориентиров и т.п. (например строительство пирамид в Древнем Египте). Увеличивается число горных разработок на руды меди, железа, золота, серебра, олова, сурьмы, свинца и др. Усложняется конфигурация шахтных горных выработок, увеличивается глубина разработки. Появляются специальные горизонтальные выработки, проходимые в основном по породе на всю длину отрабатываемого рудного тела для облегчения транспортирования руды на поверхность, удобного перемещения горняков к месту работы, проветривания и водоотлива. Появляются функциональные горные выработки — очистные, вентиляционные, транспортные, водоотливные. Совершенствуется система шахтного подъёма с помощью тягловой силы животных или водяного колеса. Впервые применяютсяпорохострельные работы, начало 15 века. С увеличением подземной добычи угля и углублением шахт устанавливается факт наличия в рудничном воздухе метана в 1555году.

В эпоху промышленной революции с конца 18 века начинается массовая подземная разработка месторождений каменного угля. И главным отличием угольной шахты становятся протяжённые забои по тонким угольным пластам, где впервые механизируется процесс выемки – применяется врубовая машина.

С конца 19 — начала 20 веков определяющую роль в развитии отбойки играют новые взрывчатые вещества. Комплекс буровзрывных работ широко внедряется при разработке твёрдых полезных ископаемых. Возрастают объёмы открытой разработки и производственные мощности карьеров, чему способствует внедрение скважинной взрывной отбойки и, главное, экскаваторов; гужевой карьерный транспорт вытесняется железнодорожным. Для отработки рудных залежей, уходящих с поверхности на большие глубины, применяется открыто-подземный способ. При разработке россыпей внедряются драги. Научное обоснование получает ряд элементов подземной разработки месторождений полезных ископаемых в основном в области буровзрывных работ, управления горным давлением и проветривания. Происходит отделение металлургического производства (в организационном отношении) от рудной базы. Горно-металлургические центры формируются на больших территориях (например, юг России) и включают помимо рудной, также каменноугольную базу.

Одним из главных объектов разработки становятся нефтяные месторождения на которых в больших масштабах с помощью паровых (а позднее электрических) установок бурятся скважины фонтанной добычи и самоизливающие.

Начало 20 в. связано с механизацией горных работ на основе электрических и пневматическим приводов с вовлечением в разработку практически всех полезных ископаемых. Увеличиваются объёмы добычи открытым способом, создаются технологически обоснованные системы разработки. К 50-м гг. прошлого века карьер приобретает облик механизированного горного предприятия. Начинается борьба с проявлениями горного давления в шахтах и внезапными выбросами пород и газов. Создаётся новый класс предохранительных взрывчатых веществ. На рудных шахтах совершенствуются наиболее производительные системы разработки с открытым очистным пространством и с магазинированием руды. Появляется новый способ разработки — подземная гидродобыча угля, при которой водная струя и водный поток разрушают массив горных пород и доставляют горную массу. Ведётся добыча серы методом подземной выплавки. Реализуется в опытно-промышленных масштабах идея подземной газификации. Истощение ряда рудных месторождений и увеличение масштабов добычи руд приводит к расширению географии горнорудных предприятий, резкому увеличению расстояний транспортирования рудного сырья.

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.