Разработка полезных ископаемых на своей земле
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).
Источник
ОТКРЫ́ТАЯ РАЗРАБО́ТКА МЕСТОРОЖДЕ́НИЙ, способ добычи полезных ископаемых, при котором процессы выемки осуществляются на поверхности Земли (в открытых горных выработках – карьерах). Характеризуется высокой степенью извлечения полезных ископаемых из недр, возможностью достижения бoльшей (по сравнению с шахтной добычей) производств. мощности предприятия. Гл. требования к О. р. м. – комплексное освоение всех ресурсов месторождения и охрана окружающей среды. По положению залежи полезного ископаемого относительно земной поверхности различают месторождения поверхностного (расположенные на поверхности или покрытые небольшими наносами), глубинного (значительно ниже господствующего уровня поверхности), нагорного (на возвышенности или склоне горы) и нагорно-глубинного (частично расположенные на горе или горном склоне) типов. Осн. горные выработки О. р. м. – капитальные траншеи, обеспечивающие доступ к полезному ископаемому, и разрезные траншеи, подготавливающие карьерное поле к вскрышным и добычным работам.
Осн. технологич. процессы О. р. м. включают: подготовку горных пород к выемке – их отделение от массива с применением взрывных технологий или механич. рыхления; погрузку (экскавацию) горной массы в средства карьерного транспорта и её перемещение из забоев до пром. площадки и отвалов; размещение вскрышных пород в отвалах.
ИПКОН
Открытая разработка месторождений. Применение взрывной технологии для отделения горных пород на Михайловском ГОКе (Железногорский район Курской области).
При О. р. м. безопасная, экономичная и наиболее полная выемка всех видов полезных ископаемых обеспечивается правильно выбранной системой разработки месторождения, которая устанавливает определённый порядок выполнения горно-подготовит., вскрышных и добычных работ. Наибольшее распространение в РФ получила разработанная Н. В. Мельниковым классификация систем О. р. м. по способу перемещения пустых пород вскрыши в отвалы и типу применяемого оборудования: бестранспортная – вскрышные породы перемещаются во внутр. отвалы непосредственно экскаваторами; транспортно-отвальная – вскрышные породы перемещаются во внутр. отвалы при помощи передвижных транспортно-отвальных установок; специальная – вскрышные породы удаляются колёсными скреперами, с помощью средств гидромеханизации и др.; транспортная – вскрышные породы перемещаются на внутренние или внешние отвалы средствами карьерного транспорта; комбинированная – вскрышные породы верхних уступов удаляют карьерным транспортом, а породы с нижних уступов перемещаются во внутр. отвалы непосредственно экскаваторами или при помощи передвижных транспортно-отвальных установок. По классификации, разработанной В. В. Ржевским, системы О. р. м. в зависимости от положения рабочей зоны и направления перемещения фронта горных работ делят: на сплошные, применяемые для добычи руды из горизонтальных или пологопадающих залежей (отвалы вскрышных пород размещают в выработанной части карьера или за его пределами); углубочные – при разработке наклонных и крутых залежей (вскрышные породы размещают только во внешних отвалах); смешанные (сочетают особенности сплошных и углубочных систем) – для разработки месторождений в сложных топографич. и горно-геологич. условиях. Классификация систем на основе ресурсосберегающих и малоотходных технологий с применением новых видов горного и транспортного оборудования, предложенная К. Н. Трубецким, подразделяет технологич. схемы О. р. м. на цикличные (13 схем) и циклично-поточные (5 схем) способы произ-ва горных работ.
О. р. м. включает подготовит., основной горно-строительный, эксплутационный и заключит. периоды. В подготовительный период в пределах карьерного поля ведутся работы по подготовке территории (вырубка леса, корчёвка пней, отвод рек, осушение месторождения, перенос автомобильных и ж.-д. трасс, возведение спец. складов, административно-бытовых и коммунальных сооружений, механич. мастерских, депо, гаражей, прокладывание транспортных коммуникаций, сети водоснабжения и канализации). В основной горно-строительный период осуществляются горно-капитальные работы по сооружению капитальных и разрезных траншей (см. Вскрытие месторождения), проводятся дренажные и осушит. работы, ведётся монтаж осн. горного, транспортного и технологич. оборудования, возводятся пром. здания, обогатит. сооружения, склады для готовой продукции и др.
Наиболее продолжит. этап О. р. м. – эксплуатация месторождения. Планомерная выемка и перемещение горных пород обеспечиваются комплексом горного транспортного и вспомогат. оборудования. Выбор средств комплексной механизации зависит от природных (крепость горных пород, форма залегания полезного ископаемого, горно-геологич. условия, климат, рельеф и т. п.), технологических (система разработки, схема вскрытия, режим горных работ и др.), технических (выемочно-погрузочное оборудование, транспорт, элементы систем разработки), организационных (годовой и суточный режимы работ, сроки строительства и др.) и экономических (размер капитальных затрат, себестоимость продукции, производительность труда, размер прибыли и др.) факторов. Комплексная механизация горных разработок обеспечивает неразрывность транспортных коммуникаций от забоев до пунктов разгрузки, а отд. машины и механизмы (буровые, выемочно-погрузочные, транспортные, отвальные, вспомогательные), входящие в комплект оборудования, должны соответствовать друг другу по мощности, производительности и др. осн. параметрам. Отличит. особенность комплексной механизации добычных работ – наличие разгрузочно-приёмных пунктов, располагаемых в определённых местах, как правило на весь срок отработки месторождения. Эти пункты включают в себя дробильно-сортировочные установки, размещаемые непосредственно в карьере и на бортах. Осн. требование, предъявляемое к комплексной механизации добычных работ, – обеспечение равномерной и бесперебойной подачи полезного ископаемого на переработку.
Комплексы для механизации добычных работ различают по виду входящего в них оборудования, которое определяет вид технологии горных работ: цикличная, при которой все осн. процессы осуществляются комплексом оборудования цикличного действия; циклично-поточная – предусматривает применение комплексов с оборудованием цикличного и непрерывного действия; поточная – осуществляется с помощью комплексов, в которых в качестве осн. горнотранспортного оборудования используются машины непрерывного действия.
Заключительный период эксплуатации месторождений – восстановление нарушенных при О. р. м. земель и возвращение их для полезного использования: планировка отвалов, нанесение на них почвенного слоя (предварительно снятого при вскрышных работах), восстановление и благоустройство выработанного пространства карьера (см. Рекультивация земель). При разработках месторождений поверхностного типа горнотехнич. рекультивация может осуществляться в процессе эксплуатации.
Эффективность О. р. м. оценивается системой технико-экономич. показателей – общих (прибыль, рентабельность, качество горной продукции) и специальных (коэф. вскрыши, себестоимость полезного ископаемого, эксплуатац. затраты, капитальные затраты, производительность труда и коэф. использования горнотранспортного оборудования). Для О. р. м. ср. коэф. вскрыши (отношение всего объёма вскрыши в контуре карьера ко всему объёму полезного ископаемого) составляет 4–5 м3/м3 (редко 10 м3/м3); такие значения коэф. вскрыши гарантируют рентабельность этого вида разработки.
Открытая разработка месторождений. Алмазодобывающий карьер «Мир» (Якутия, Россия).
О. р .м. прошла длинный историч. путь – от выемки продуктивной залежи, находящейся прямо на земной поверхности, и снятия слоя покрывающих пород с помощью примитивных горнопроходч. инструментов и землеройной техники (6–5-е тыс. до н. э.) до появления в 21 в. карьеров глубиной более 350 м, оснащённых мощными буровыми станками и экскаваторами, большегрузными автосамосвалами. О. р. м. – осн. направление развития горнодобывающей пром-сти в РФ, этим способом добывают 80–93% руд чёрных и цветных металлов, около 64–66% угля, практически 100% строит. горных пород. О. р. м. позволяет создавать мощные комплексы по добыче и переработке железных руд. Так, в РФ на 5 наиболее крупных карьерах – Лебединском, Михайловском, Стойленском, Костомукшском, Северном Качканарском (производительность каждого по сырой руде св. 20 млн. т в год) добывается ок. 70% железной руды, на 3 др. карьерах – Ковдорском, Главном и Западном Качканарских (производительность каждого более 10 млн. т в год) – св. 16% общей добычи. Проектная глубина карьеров: Лебединского 450 м, рудника «Железный» Ковдорского 850 м, Михайловского 450 м, Оленегорского 435 м и Стойленского 470 м. Проектная глубина зарубежных карьеров: железорудного Полтавского ГОКа 700 м (Украина), меднорудных «Бингем» 900 м (США) и «Гаспе» 546 м (Канада), золоторудного «Мурунтау» 950–1000 м и меднорудного «Кальмакыр» 660 м (Узбекистан).
К наиболее крупным в РФ О. р. м. руд цветных металлов и золота относят: карьер Олимпиадинского месторождения золота, Сорский молибденовый карьер, карьер «Эрдэнэт» совместного рос.-монг. предприятия; осн. районы О. р. м. алмазов – карьер «Мир» в Якутии, угля – Бачатский карьер в Кузнецком угольном бассейне в Зап. Сибири, горно-химич. сырья – карьеры ОАО «Апатит» на Кольском п-ове и др.
Перспективы развития О. р. м. связаны с оптимизацией параметров горных работ и оборудования, применения техники непрерывного действия, комплексным освоением недр, переходом на большие глубины (до 1000 м), широким применением автоматизир. систем и методов управления, внедрением ресурсосберегающих, малоотходных и ресурсовоспроизводящих геотехнологий.
Источник