Технология и механизация подземной разработки месторождений полезных ископаемых

Подземная разработка рудных и нерудных месторождений (подземная разработка месторождений полезных ископаемых) – это совокупность работ по вскрытию, подготовке и очистной выемке месторождения. Вскрытие и подготовка осуществляются посредством проведения выработок. Забои проводимых выработок называются подготовительными. Выемку полезного ископаемого ведут в очистных забоях, применяя при этом различные способы его разрушения. Очистные забои необходимы для выемки полезного ископаемого. При подземной разработке рудных месторождений наиболее распространен взрывной, а при добыче ископаемых углей – механический способ разрушения тела руды или угленосного горизонта.

Комплекс подъемных машин и оборудования называют шахтным подъемом. В него входят скребковые контейнеры, ленточные конвейеры, вагонетки, гидротранспорт – для подъема добытого угля. Скреперная доставка, виброустановки и локомотивная откатка – для транспортировки добытой руды.

Добытая руда зачастую содержит 3-5% необходимого продукта, следовательно ее необходимо подвергнуть процессу обогащения – совокупности процессов первичной обработки минерального сырья, добытого из недр, в процессе которого происходит разделение полезных минералов от пустой породы.

Подземная разработка пластовых месторождений

Добыча твердых полезных ископаемых подземным способом осуществляется в три стадии: вскрытие, подготовка и очистные работы. Вскрытие – проведение горных работ, обеспечивающих доступ с поверхности земли к залежи полезного ископаемого (в соответствии с требованиями безопасности их должно быть не менее двух).  К вскрывающим выработкам относятся стволы, штольни, квершлаги (горизонтальные горные выработки не имеющие выхода на поверхность), слепые стволы, гезенки (вертикальная горная выработка не имеющая выхода на поверхность) и шурфы (вертикальная выработка для проведения разведки).. 

Подготовляющие выработки обеспечивают шахту необходимым инвентарем для проведение очистки, по ним осуществляется транспорт готовой продукции, пропускают необходимое количества воздуха для функционирования шахты.

Очистные работы – основная стадия подземной разработки полезных ископаемых. Эксплуатацией месторождения называют период ведения очистных работ.

Вскрывающие выработки

Вскрывающие выработки при подземный способ разработки месторождений делятся на следующие типы:

1) Основные (главные) – для выдачи полезного ископаемого на поверхность.

2) Вспомогательные – для других целей (например спуск-подъем людей и оборудования).

3) Капитальные – служат весь срок отработки запасов шахты.

4) Горизонтные – служат в течение времени отработки запасов между смежными транспортными горизонтами – пологое падение

5) Этажные – функционируют пока разрабатываются запасы одного этажа.

Подземная разработка пластовых месторождения начинается с  выбора способа и схемы вскрытия, что зависит от множества факторов: размеров шахтного поля, угла падения пласта, количество пластов и расстояние между соседними, рельеф поверхности, глубина залегания, удароопасность угольных пластов и их склонность к самовозгоранию, и другие.

По полученным данным выбирают методику проведения работ по вскрытию: вскрытие штольнями, наклонными стволами с капитальным квершлагом, вскрытие вертикальными стволами с горизонтальными квершлагами или комбинированное вскрытие.

Подготовка пластов к добыче

После проведения работ по вскрытию месторождения, его необходимо подготовить к добыче полезного ископаемого в очистных забоях. Этот процесс состоит из двух этапов: способ подготовки, на котором проводят подготавливающие выработки на уровне транспортного горизонта и пластовая подготовка, при которой транспортные штреки проводят по угольному пласту. Пластовая подготовка изредка заменяется на полевую (если имеются неустойчивые боковые породы и на пластах с углями, склонными к самовозгоранию) при которой полевые штреки в породах лежащего бока.

Далее проводят подготавливающие выработки в плоскости пласта, для создания очистных забоев принятой длины в количестве, обеспечивающем принятую производственную мощность шахты (количество полезного ископаемого, добытого в единицу времени).

Очистные работы в угольных шахтах

Подземные разработки угольных месторождений кроме непосредственно выемки полезного ископаемого под очистными работами включат еще крепление забоя и управление кровлей. Очистная выемка – совокупность процессов отбойки, погрузки на забойный контейнер и доставка угля до ближайшей транспортной выработки.

Очистной забой – забой, в котором осуществляется массовая добыча полезного ископаемого. В зависимости от длины забоя различаются технологии выемки угля. В лавах (длинные забои) применяется фланговая и фронтальная схема выемки. При фланговой схеме выемка угля осуществляется выемочной машиной, перемещающейся вдоль забоя перпендикулярно к направлению его подвигания. При фронтальной выемке отделение угля от массива осуществляется выемочной машиной одновременно по всей длине очистного забоя без участия людей.

Выемочные машины – общее название, объединяющее в себе следующие горно-проходческие комплексы: комбайны, струги, агрегаты, гидромониторы, механогидравлические машины. Отдельно при добыче угля стоят буровзрывные работы.

Для доставки угля в лавах на пологих и наклонных пластах применяются скребковые конвейеры. Они получили широкое распространение, так как относительно просты по конструкции, пригодны к тяжелым условиям эксплуатации, приспособлены для работы с очистными комбайнами, стругами и механизированными крепями.

Крепь очистных выработок – искусственное сооружение, возводимое для предотвращения обрушения пород кровли сохранения необходимой площади поперечного сечения призабойного пространства и управления горным давлением.

Основы подземной разработки рудных месторождений

Залежи рудных месторождений большей частью имеют крутое или наклонное залегание. В целях удобства разработки их по падению делят на этажи с определенной высотой и длиной, иначе говоря – рудное тело. В зависимости от условий залегания рудных тел применяется вскрытие вертикальными, наклонными стволами или штольнями. Самый распространенный способ – вскрытие вертикальными стволами, от которых отходят квершлаги на каждом горизонте.

Если рудное месторождение находится в горной местности, то применяют вскрытие штольнями, от которых отходят слепые вертикальные стволы с подъемной  установкой на штольневом горизонте.

Подготовка рудных тел к очистной выемке похожа на подземные разработки угольных месторождений, так же как и при подземной разработке угольных месторождений подготовка рудных тел к очистной выемке начинается с проведения сети подготовительных выработок:

• по типу подготовительных выработок – штрековая и ортовая
• по расположению выработок по отношению к рудному телу – рудную, полевую и комбинированную
• по схеме движения транспорта – тупиковую и кольцевую

При очистной выемке руды выполняются следующие основные производственные процессы: 

1. Отбойка руды – процесс отделения руды от массива в блоке с одновременным дроблением ее на куски.
2. Вторичная дробление – для соответствия условиям технологического процесса, по которым отбитая руда должна иметь куски определенной крупности
3. Выпуск и доставка руды – перемещение рудной массы от мест отбойки до транспортных выработок блока
4. Управление горным давлением – естественное поддержание очистного пространства, обрушение вмещающих пород, искусственное поддержание очистного пространства

Системы разработки рудных месторождений

Системы разработки с естественным поддержанием очистного пространства – основано на использовании естественной устойчивости руды и вмещающих пород. Для них характерны более высокая производительность блоков, ниже трудоемкость и себестоимость добычи. Однако они отличаются значительными потерями руды в целиках: 25-35%.

Системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород – отличаются невысокими затратами на контролирование горного давления. Это высокопроизводительные системы, но имеющие повышенные потери отбитой руды и ее высокая потеря вследствие неполного выпуска руды из блока.

Системы разработки с искусственным поддержанием очистного пространства – для них характерны высокие затраты на возведение закладки или крепи, либо то и другое, более низкие потери и разубоживание.

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.