Виды работ при разработке полезных ископаемых
РАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ (а. mining, exploitation; н. Abbau der Nutzmineralienvorkommen; ф. exploitation miniere; и. explotacion de yacimientos) — комплекс взаимосвязанных процессов горного производства по извлечению полезных ископаемых (или полезных компонентов) из недр Земли. Выделяются 4 основных способа разработки месторождений полезных ископаемых: шахтный — с помощью системы подземных горных выработок (см. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых); карьерный, или открытый, — с помощью системы открытых горных выработок (см. Открытая разработка месторождений полезных ископаемых); скважинный — с помощью системы эксплуатационных буровых скважин; морской, связанный с работами ниже уровня моря (см. Разработка морских месторождений полезных ископаемых). Традиционно первые два способа применялись для добычи твёрдых полезных ископаемых, скважинный — для жидких и газообразных полезных ископаемых. Благодаря техническому прогрессу с середины 20 века возрастают объёмы добычи твёрдых полезных ископаемых через скважины, ведётся добыча высоковязких нефтей открытым и шахтным способами, перспективной является шахтная добыча тяжёлых нефтей из ранее отработанных скважинами месторождений, высокоминерализованная морская вода становится объектом промышленной переработки для извлечения ценных минералов. Основная цель разработки месторождений полезных ископаемых — обеспечение сырьём, необходимым для промышленного производства и других целей, — в условиях социализма дополняется требованиями возможно более полной выемки полезных ископаемых из недр при минимальных затратах, максимального использования попутных компонентов и эффективной охраны окружающей среды.
Содержание понятия разработки месторождений полезных ископаемых расширялось на протяжении нескольких тысячелетий и 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, канав, рвов появляются подземные копи, вскрытые штольнями, вертикальными, наклонными стволами и комбинацией этих выработок. Начинают 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.
На стадии металлических горных орудий (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. Крупномасштабные открытые разработки крепких известняков и песчаников в связи со строительством пирамид велись в Древнем Египте (рис. 1).
Для отделения от массива блока геометрически правильной формы по заранее размеченной поверхности прочнейшими каменными шарами, а затем металлическими долотами выдалбливались канавки и вертикальные углубления под деревянные клинья, которые затем обильно поливали водой. Набухая, клинья отрывали монолит от массива. Обработка монолита в блок правильной формы велась на месте добычи. Необходимость перевозки крупных блоков дала толчок зарождению средств карьерного транспорта — катучих барабанов и двухполозных салазок, перемещаемых по каткам. Наряду с масштабной добычей каменных материалов с 6-5-го тысячелетия до н.э. ведется разработка россыпей с улавливанием золотого песка с помощью расстеленных шкур животных, а также примитивная добыча нефти, битума из открытых естественных ёмкостей.
Формируется облик древней рудной шахты (рис. 2), система горных выработок, которой повторяет причудливую конфигурацию рудной залежи (линз, жил, штоков, пластов и т.п.).
В массовом порядке осуществляется искусственное ослабление прочности массива горных пород в подземных условиях путём “пожога” (костёр у забоя) и резкого охлаждения водой разогретых пород, что приводило к растрескиванию массива. Для отвода дыма пробиваются или устраиваются в стволах специальные “дымоходы”. Увеличение протяжённости горных выработок и времени их поддержания привело к зарождению приёмов управления устойчивостью выработок с помощью деревянной крепи, сухой кладки из камня и оставлению породных целиков. На ряде шахт ведётся удаление подземных вод путём вычерпывания их кожаными или плетёными вёдрами, бадьями, устройством естественного стока по выработкам, применением т.н. архимедова винта. Для освещения рабочих мест применяют лучины и масляные светильники. Как и прежде, используется исключительно ручной труд на всех процессах разработки.
В эпоху раннего железа технологические приёмы добычи блоков известняка совершенствуются применительно к разработке залежей мрамора. Значительно возрастает число объектов 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. Для проветривания дополнительно пробиваются с поверхности вертикальные стволы. Зарождается примитивное принудительное проветривание с помощью мехов, приводимых в действие мускульной силой людей или тягловых животных. Такая несложная система из нескольких всасывающих мехов и тканевых трубопроводов позволяла проветривать выработки длиной до 300-400 м. Появляются функциональные горные выработки — очистные, вентиляционные, транспортные, водоотливные. В средневековье вскрытие месторождения осуществляется вертикальными стволами; появляются околоствольные дворы, системы откаточных и вентиляционных выработок (рис. 3).
Общая конфигурация горных выработок шахты принимает архитектурно выдержанный облик. Горное предприятие характеризуется продуманным сочетанием грузопотоков с системой проветривания и водоотлива. Совершенствуется система шахтного подъёма с помощью тягловой силы животных или водяного колеса. Впервые для отбойки пород применяются порохострельные работы (15 век). С увеличением подземной добычи угля (рис. 4) и углублением шахт устанавливается факт наличия в рудничном воздухе метана (1555); внезапные взрывы газовых скоплений в шахтах (фиксируются с 1621) послужили основанием для изучения рудничного воздуха с целью безопасного ведения горных работ.
Возникает подземная разработка залежей каменной соли посредством выработок больших сечений (камер).
На стадии механизации с автономным приводом (в эпоху промышленной революции) с конца 18 века начинается массовая подземная разработка месторождений каменного угля. Главной отличительной особенностью угольной шахты постепенно становятся протяжённые забои по тонким угольным пластам, где впервые механизируется процесс выемки (врубовая машина). Механический привод позволяет усовершенствовать механизмы шахтного подъёма, водоотлива, откатки, отбойки как на угольных, так и на рудных шахтах. Создаются установки для естественного проветривания шахт, что позволило усложнить систему выработок и увеличить их протяжённость. В широких масштабах начинается разработка россыпей (главным образом золота и платины) с применением силы водного потока. Расширяется объём открытой разработки (в основном нагорных месторождений), где транспортировка ведётся в самоопрокидных телегах с помощью лошадиной тяги. Формируется облик карьера как системы открытых горных выработок с ориентированными грузопотоками при массовом использовании ручного труда на выемке и конной тяги на транспорте (рис. 5).
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 (рис. 6), 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 (агрономические руды, алюминиевые руды, руды редких элементов и т.д.). Благодаря применению электрических экскаваторов и других видов горнотранспортного оборудования резко увеличиваются объёмы добычи открытым способом, создаются технологически обоснованные системы разработки. К 50-м гг. карьер приобретает облик механизированного горного предприятия. Применительно к подземному способу добычи создаются горные машины с автономным электрическим приводом. Особое значение приобретает борьба с проявлениями горного давления в шахтах, 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 принципиально 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.
На стадии комплексной механизации и автоматизации горного производства в период научно-технической революции (с 60-х гг. 20 в.) происходит техническое перевооружение шахт, карьеров и промыслов (нефтяных и газовых) на основе мощной техники и автоматизации ряда процессов, направленное на улучшение условий труда, повышение его производительности, комплексное освоение недр и охрану окружающей среды. Получает развитие разработка залежей нефти и газа под морских дном, прибрежных россыпей. Расширяются объёмы скважинных методов добычи твёрдых полезных ископаемых с использованием физико-химических методов, зарождается горная биотехнология (см. Бактериальное выщелачивание). Добыча нефти ведётся с применением заводнения и теплового воздействия на пласты. Нефтяные и газовые промыслы превращаются в полностью автоматизированные предприятия. Открытым способом добываются тяжёлые нефти и битумы. Расширяется шахтная добыча нефтей, месторождения которых отработаны скважинами. Горные предприятия перерастают в горнопромышленные комплексы с законченным циклом первичной переработки минерального сырья и выпуском нескольких видов минеральной продукции. Отдельные карьеры достигают, по существу, шахтных глубин, а наиболее глубокие горизонты шахт — отметок, обычных для скважинной добычи. Это выдвигает необходимость создания комбинированных способов и технологий разработки месторождений полезных ископаемых. При подземной разработке месторождений полезных ископаемых основной объём руд добывают с помощью буровзрывных работ и самоходных горных машин (т.е. на пневмоколёсном или, реже, гусеничном ходу с дизельным, электрическим и пневматическим приводом). При подземной разработке угля и калийных солей основное применение имеет механическая отбойка — комбайны, комплексы с передвижной механизированной крепью и конвейеры.
Прирост объёмов мировой горной промышленности во 2-й половине 20 в. составляет не менее 4-5% в год; примерно каждые 12-15 лет объём добычи полезных ископаемых удваивается. В стоимостном выражении на разработку энергетического сырья приходится 72%, руд — 21%, нерудных ископаемых — 7% (1984).
Открытым способом в мире добывается около 60% металлических (около 50% извлекаемого металла) руд, 85% неметаллических руд, около 100% нерудных полезных ископаемых и около 35% угля. Подземный способ разработки применяется преимущественно для полезных ископаемых, залегающих на больших глубинах, а также в густонаселённых районах, при наличии ценных ландшафтов и т.п. Возрастают объёмы добычи нефти в водах Мирового океана (около 30% всей добычи).
Перспективы разработки месторождений полезных ископаемых связаны с безлюдной выемкой, утилизацией всех извлекаемых из недр минеральных компонентов и промышленным использованием образуемых подземных полостей (см. Комплексное освоение недр).
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:
- Отбойка руды – процесс отделения руды от массива в блоке с одновременным дроблением ее на куски.
- Вторичная дробление – для соответствия условиям технологического процесса, по которым отбитая руда должна иметь куски определенной крупности
- Выпуск и доставка руды – перемещение рудной массы от мест отбойки до транспортных выработок блока
- 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.