Разработка рудных и нерудных месторождений

  Месторождения этой группы характеризуются различной формой рудных тел: пласты, пластообразные залежи, штоки, линзы, жилы и т.д. Мощность рудных тел колеблется от нескольких см (месторождения редких металлов и золота) до десятков и сотен м (железорудные месторождения Курской магнитной аномалии, апатитовые месторождения Кольского полуострова). Угол падения залежей — от горизонтального и пологого (0—25°) до крутого (45—90°). Протяжённость залежей достигает десятков км (фосфоритовые месторождения Каратау); глубина распространения рудных тел иногда превосходит несколько км. Такое разнообразие геологических условий, а также физических свойств горных пород обусловливает технологию разработки, в частности технику отбойки (отделение полезного ископаемого от массива с дроблением на куски заданной крупности), доставки, выпуска, крепления и поддержания выработанного пространства. Отбойку пород средней и высокой крепости ведут взрывным способом (см. Взрывные работы), в слабых породах — механическим способом (с помощью проходческих и добычных комбайнов); при разработке мощных месторождений, сложенных слабыми или трещиноватыми полезными ископаемыми, способными при обнажении на достаточной площади под действием собственного веса и давления налегающей толщи обрушаться кусками, размеры которых позволяют осуществлять последующие операции очистной выемки, — самообрушением.

  Отбитое в очистном пространстве полезное ископаемое выпускают из выработок, пройденных в днище блоков (донный выпуск), или из торцов горизонтальных выработок (торцовый выпуск). Применяют доставку — самотёчную, механизированную и взрывную. Самотёчная доставка (под действием собственного веса) осуществляется непосредственно по очистному пространству, специальным горным выработкам (рудоспускам), вспомогательным устройствам в очистном пространстве (желобам, настилам, трубам). Механизированная доставка осуществляется скреперами, конвейерами (пластинчатыми, скребковыми и вибрационными), самоходными машинами для перемещения руды в очистном пространстве при пологом залегании месторождений и по выработкам в основании (днище) блока. Применяют комплексы, состоящие из погрузочных машин и самоходных вагонов, а при большой мощности рудных залежей — экскаваторы (с укороченной стрелой) или ковшовые погрузчики и подземные автосамосвалы грузоподъёмностью до 40 т. Весьма эффективны погрузочно-доставочные машины, совмещающие функции погрузки и транспортировки руды на короткие расстояния (см. Погрузочно-транспортный агрегат).

  Применяют естественное поддержание выработанного пространства, оставляя в очистном пространстве целики (столбообразные или ленточные), и искусственное поддержание крепями горными (распорной, станковой, костровой, штанговой и т.д.) или закладкой. В ряде случаев технология очистной выемки предусматривает управление горным давлением путём обрушения вмещающих пород.

  Известно свыше 200 основных разновидностей систем подземной разработки рудных месторождений. Предложен ряд их классификаций (сов. учёные Н. И. Трушков, Р. П. Каплунов, Н. А. Стариков, В. Р. Именитов и др.). Распространённой является классификация М. И. Агошкова (1949), в основу которой положен признак состояния очистного пространства в период выемки.

  При разработке месторождений любой формы с устойчивой рудой и вмещающими породами применяют системы с открытым очистным пространством, которое в период выемки не заполняется закладочным материалом, отбитой рудой или обрушенными породами; для поддержания кровли и боков открытого очистного пространства оставляют постоянные или временные целики.

  Крутопадающие жилы и пластообразные залежи мощностью до 3 м отрабатывают с потолкоуступной (чаще) и почвоуступной выемкой. Для подготовки блоков проходят восстающие и откаточные штреки (рис. 1). При потолкоуступной выемке для сохранения откаточного штрека на период отработки блока оставляют временные надштрековые целики либо устраивают прочный настил на крепи. Отбитую руду выпускают через люки.

Рис. 1. Система разработки с открытым очистным пространством (вариант с потолкоуступной выемкой): 1 — откаточный штрек; 2 — блоковые восстающие; 5 — потолочина; 6 — полки; 7 — наклонные настилы-решетки; 8 — рудоспуски; 9 — настил над откаточным штреком.

  В горизонтальных и пологопадающих залежах средней и большой мощности (до 30 м) получила распространение камерно-столбовая система разработки с регулярным расположением постоянных поддерживающих рудных целиков (рис. 2). Полезное ископаемое отбивают потолкоуступно, почвоуступно или сплошным забоем на всю высоту камеры. При мощности залежи до 15 м обычно делают верхнюю подсечку, что позволяет тщательно оформлять кровлю очистного пространства и упрощает штанговое крепление; при большей — верхнюю и нижнюю подсечку. Потери полезного ископаемого в целиках 15—25%, иногда до 30—40%. Разработку пластов калийных солей также осуществляют камерно-столбовыми системами при длине камер до нескольких сотен м. Выемку ведут комбайнами в сочетании с бункер-перегружателями и самоходными вагонами, доставляющими руду к магистральным конвейерам. Ширина камер (8—12 м) равна двум, реже трём комбайновым ходам, между которыми оставляются узкие (1—2 м) межзаходные целики. Ширина ленточных междукамерных целиков 8—15 м. В целиках остаётся до 60% запасов.

Рис. 2. Камерно-столбовая система разработки (вариант с самоходным оборудованием); 1 — самоходные буровые клетки; 2 — погрузочная машина; 3 — самоходный вагон; 4 — подземный эксакаватор; 5 — штанговая крепь; 6 — электрический бульдозер; 7 — автосамосвал; 8 — рудоспуск; 9 — откаточный штрек; 10 — целики; 11 — междупанельный целик.

  Системы разработки с подэтажной выемкой (рис. 3) применяют в мощных крутопадающих месторождениях. При мощности до 12—15 м камеры располагают по простиранию рудного тела, при большей — вкрест простирания. Ширина междукамерных целиков в зависимости от ширины камер и устойчивости руды составляет 6—15 м. Расстояние по вертикали между подэтажными штреками (ортами) обычно 10— 12 м. В центре или на одной из сторон блока проводится восстающий, расширением которого получают узкую разрезную (отрезную) щель на всю ширину и высоту камеры. Отбойка секционная; фронт отбойки обычно вертикальный. Потолочину обрушают массовым взрывом совместно с днищем вышерасположенного блока. Потери руды при выемке камер не превышают 2—3%, при выемке потолочин и целиков возрастают до 30—50%; в целом по системе разработки потери составляют 8—10%.

Рис. 3. Система разработки подэтажными штреками: 1 — откаточный штрек; 2 — ходовые восстающие; 3 — вентиляционный штрек; 4 — потолочина; 5 — подэтажные штреки; 6 — горизонт подсечки; 7 — скреперный штрек; 8 — рудоспуск.

  Этажно-камерными системами разрабатывают мощные крутопадающие и наклонные месторождения; для уменьшения потерь полезного ископаемого при недостаточно крутых углах падения залежей выпускные выработки (воронки, траншеи) проходят в подстилающих породах. Полезное ископаемое в камерах отбивают горизонтальными, наклонными или вертикальными слоями. В связи с отсутствием подэтажных выработок сокращается объём подготовительно-нарезных работ, но возрастают потери при отбойке (до 10—15%) и разубоживание (до 10—12%). Производительность труда забойного рабочего 12—15 м³ в смену.

  Системы разработки с магазинированием (см. Магазинирование полезного ископаемого) отличаются заполнением очистного пространства отбитой рудой, окончательный выпуск которой производится после отработки блоков. Потери полезного ископаемого колеблются от 5 до 15%.

  Системы разработки с закладкой выработанного пространства характеризуются поддержанием неустойчивых вмещающих пород закладочным материалом, заполняющим очистное пространство по мере выемки полезного ископаемого (см. Закладка в горном деле). В крутопадающих месторождениях применяют системы разработки горизонтальными или наклонными (под углом 30—35°) слоями с закладкой; доставка руды и закладочного материала в очистном пространстве в первом случае скреперами или самоходными машинами, во втором — самотёчная. Закладочный материал подаётся по восстающим, пройденным на границах блока (рис. 4); для выдачи руды в закладке обычно устраивают рудоспуски. Для уменьшения потерь руды перед отбойкой очередного слоя поверхность немонолитной закладки перекрывают деревянными или металлическими настилами либо бетонируют. При разработке мощных пологопадающих месторождений ценных руд применяют варианты системы с монолитной закладкой и самоходным оборудованием. Несмотря на большую трудоёмкость и себестоимость добычи, благодаря высокому извлечению запасов (потери руды не превышают 3—5%), низкому разубоживанию, возможности одновременной разработки нескольких этажей и безопасности работ в очистном забое эти системы применяют при разработке ценных и склонных к самовозгоранию руд.

Рис. 4. Системы разработки горизонтальными и наклонными слоями с закладкой: 1 — откаточный штрек; 2 — вентиляционный штрек; 3 — блоковые восстающие с отделениями для доставки закладочного материала; 4 — настил; 5 — рудоспуски.

  Системы разработки с креплением очистного пространства характеризуются регулярным возведением крепи, служащей для поддержания неустойчивой руды и вмещающих пород в процессе очистной выемки; обычно применяют для разработки месторождений средней мощности. Наиболее часто используют усиленную распорную крепь. Очистная выемка, как правило, — горизонтальными слоями или потолкоуступная.

  Разработку месторождений слабых руд, склонных к самообрушению даже при небольших обнажениях, ведут системами разработки скреплением и закладкой очистного пространства. Вследствие высокой стоимости добычи и малой производительности труда забойных рабочих систему используют только для выемки очень ценных руд.

  Системы разработки с обрушением вмещающих пород характеризуются заполнением выработанного пространства обрушенными вмещающими породами непосредственно за выемкой полезного ископаемого. Крутопадающие и мощные залежи с неустойчивой рудой и вмещающими породами разрабатывают системой слоевого обрушения, при которой выемка руды ведётся в нисходящем порядке горизонтальными слоями высотой 2,3—2,5 м. Для предотвращения проникновения в полезное ископаемое обрушенных пустых пород служит предохранительный деревянный настил (древесный мат). Доставка полезного ископаемого — скреперная. Потери 2—5%. Применяют для разработки ценных руд.

  Разработку горизонтальных и пологопадающих пластообразных залежей мощностью до 4—5 м ведут столбовыми системами с обрушением кровли. Шахтное поле разделяют на столбы шириной 25—80 м и длиной от 150 до 500—700 м; столбы отрабатывают по падению сплошным забоем (лавой) или заходками. Отбойка взрывным способом, а в слабых рудах — механическим (комбайнами). Потери полезного ископаемого 7—10% (при выемке заходками они возрастают до 15—20%). В СССР эти системы применяют для разработки месторождений марганцевых руд (Чиатура, Никополь).

  Системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород характеризуются массовой отбойкой или самообрушением руды с последующим её выпуском под обрушенными вмещающими породами. Применяют для разработки мощных залежей в устойчивых и неустойчивых породах. В СССР являются основными при разработке железных (90%) и фосфатных (100%) руд, широко распространены в цветной металлургии. По порядку выемки различают подэтажное и этажное обрушение. Высота подэтажей в зависимости от горнотехнических условий изменяется от 6—8 до 35—40 м; каждый подэтаж имеет горизонт выпуска и доставки. В соответствии с выбранными параметрами системы применяют различные методы взрывной отбойки. При разработке крутопадающих залежей богатых руд, склонных к самообрушению, применяют варианты системы подэтажного обрушения с выемкой руды под деревянным настилом.

  Известно много вариантов системы подэтажного обрушения, конструкция их отличается принятым порядком выемки, способом отбойки и выпуска полезного ископаемого, применяемым доставочным оборудованием и т.д. При небольшой высоте этажа (10— 18 м) применяют вариант системы «закрытый веер» (рис. 5). При высоте подэтажа более 20 м руду отбивают на горизонтальные или вертикальные компенсационные камеры. Одностадийные системы с обрушением руды и вмещающих пород (без предварительной выемки компенсационных камер) обеспечивают улучшение технико-экономических показателей добычи. Вариант подэтажного обрушения с отбойкой руды вертикальными слоями в зажатой среде, т. е. на ранее отбитую руду или обрушенные пустые породы, показан на рис. 6. Отработку ведут секциями площадью до 200 м². При подэтажном обрушении с отбойкой руды наклонными слоями на подконсольное пространство скважины бурят из выработок бурового или доставочного горизонта; в последнем случае для предотвращения разрушения скреперных выработок скважины недозаряжают на 10—12 м от устья. Выпуск ведут из двух-трёх рядов воронок под защитой потолочины, препятствующей преждевременному проникновению пустых пород.

Рис. 5. Система подэтажного обрушения (вариант «закрытый веер»): 1 — подэтажный штрек (орт); 2 — выпускные выработки; 3 — подсечная выработка; 4 — штанговые скважины; 5 — буровые заходки.

Рис. 6. Одностадийный вариант системы подэтажного обрушения с отбойкой руды вертикальными слоями в зажатой среде: 1 — выработки откаточного горизонта; 2 — рудоспуск; 3 — подэтажные выработки; 4 — выпускные воронки; 5 — буровые выработки; 6 — скважины; 7 — отбитая руда; 8 — обрушенная порода.

  Эффективен вариант подэтажного обрушения с торцовым выпуском руды и доставкой её к рудоспускам самоходными машинами (рис. 7). Подготовка блоков заключается в проведении через 7—9 м на контакте с лежачим боком подэтажных штреков, из которых в шахматном порядке проходят орты, служащие для бурения, погрузки и доставки руды. Расстояние между рудоспусками около 250 м. Потери руды в пределах 10—15%.

Рис. 7. Система подэтажного обрушения с доставкой руды самоходными машинами (т. н. шведский вариант): 1 — подэтажный штрек; 2 — подэтажные орты; 3 — рудоспуск; 4 — погрузочно-доставочные агрегаты; 5 — буровые каретки; 6 — проходческие буровые каретки.

  При системах разработки этажного принудительного обрушения (рис. 8) руду отбивают на всю высоту блока. Объём одновременно отбиваемой руды достигает несколько сотен тыс. т. Крепость и устойчивость руды может изменяться в широком диапазоне. Применяют отбойку на горизонтально-подсечные компенсационные камеры и вертикальные компенсационные щели или камеры. Отбойку в зажатой среде слоями толщиной 15—25 м обычно ведут на ранее взорванную руду, прилегающую к взрываемому массиву; магазинированную руду перед отбойкой разрыхляют частичным выпуском. Потери 12—18%.

Рис. 8. Система этажного принудительного обрушения: 1 — выработки откаточного горизонта; 2 — скреперные выработки; 3 — выпускные воронки; 4 — материально-ходовые восстающие; 5 — скважины; 6 — рудоспуски; 7 — компенсационная камера.

  Система этажного (блокового) самообрушения характеризуется постепенным самообрушением руды в пределах отрабатываемого участка и последующим её выпуском под обрушенными породами (рис. 9). Высота блока от 60 до 120—150 м, площадь подсечки в зависимости от физико-механических свойств руды и величины горного давления изменяется от 900 до 2500 м². Для предотвращения зависания руды у границ блоков производят боковую отрезку: подэтажными окаймляющими выработками, узкими магазинами или отрезными камерами, взрыванием веерных комплектов скважин. При отработке блоков, граничащих с выработанными участками, руда обрушается крупными глыбами, что затрудняет выпуск. Достоинство — высокая производительность труда забойных рабочих и низкая себестоимость добычи руды. Однако вследствие больших потерь и разубоживания руды (в среднем 20—25%) система не получила в СССР широкого распространения. В Криворожском бассейне (рудник «Ингулец») в слабых рудах применяют вариант подэтажного самообрушения; высота подэтажа 20—40 м, площадь подсечки 400—600 м². подсечку образуют взрыванием шпуров глубиной 4—5 м, пробурённых из выпускных выработок.

Рис. 9. Система этажного самообрушения: 1 — выработки откаточного горизонта; 2 — выработки горизонта доставки и вторичного дробления; 3 — смотровые восстающие; 4 — отрезные восстающие; 5 — выработки вентиляционного горизонта; 6 — выработки горизонтов ослабления.

  Эксплуатацию мощных месторождений полезных ископаемых часто ведут комбинированными системами разработки, при которых камеры и целики примерно равных размеров извлекают одновременно или последовательно различными системами; подготовка блоков в этом случае осуществляется по единой схеме.

  За рубежом подземная разработка руд распространена в Канаде, США, Мексике, Чили, Швеции, Франции, ФРГ, Родезии, Замбии, ЮАР, Австралии; большое число подземных рудников относительно невысокой производительности имеется в Италии, Испании, Японии, на Филиппинах. Наиболее часто разработку ведут системами этажного самообрушения, подэтажного самообрушения, камерно-столбовыми, с креплением и закладкой очистного пространства. Применяется комплексная механизация основных и вспомогательных процессов, широко используется самоходное оборудование. Диаметр взрывных скважин обычно не превышает 56 мм, что обеспечивает хорошее дробление руды и высокую производительность погрузочно-транспортного оборудования.

  Основными направлениями совершенствования Подземная разработка являются: вскрытие мощных месторождений наклонными стволами с выдачей руды на поверхность конвейерами и самоходными средствами; применение наклонных спиральных съездов для доставки в подземные выработки людей, оборудования и материалов; использование скипов большой ёмкости (более 50 т); устройство концентрационных горизонтов с увеличенной высотой ступени вскрытия; создание комбайнов для скоростного проведения выработок в крепких и средней крепости скальных породах с использованием новых средств разрушения этих пород, а также комбайнов и агрегатов для очистной выемки руд средней крепости; комплексное применение самоходных машин для механизации всех основных и вспомогательных процессов добычи; повышение мощности и производительности самоходных машин; снижение потерь и разубоживания руды при системах с обрушением руды и вмещающих пород; широкая конвейеризация подземного транспорта; внедрение автоматизированных систем управления и т.п.

 

  Лит.: Трушков Н. И., Разработка рудных месторождений, т. 1—2, М., 1946—47; Стариков Н. А., Системы разработки месторождений. Свердловск — М., 1947; Агошков М. И., Разработка рудных месторождений, 3 изд., М., 1954; Городецкий П. И., Разработка рудных месторождений, М., 1962; Агошков М. И., Малахов Г. М., Подземная разработка рудных месторождений, М., 1966; Каплунов Р. П., Черемушенцев И. А., Подземная разработка рудных и россыпных месторождений, М., 1966; Именитов В. P., Технология, механизация и организация производственных процессов при подземной разработке рудных месторождений, М., 1973.

  М. Д. Фугзан.

 

Подземная разработка твёрдых полезных ископаемых, совокупность работ по вскрытию, подготовке месторождения и выемке полезного ископаемого (руд, нерудных полезных ископаемых и углей). Иной технологией отличается П. р. при помощи буровых скважин (например, при подземном выщелачивании, подземном растворении). Вскрытие осуществляют вертикальными и наклонными шахтными стволами или штольнями (см. Вскрытие месторождения). Подготовка состоит в разделении шахтного поля на выемочные участки (блоки, панели, столбы и т.п.), необходимые для обеспечения очистной выемки (см. Подготовка шахтного поля); очистная выемка составляет сущность подземной разработки и включает комплекс процессов по отделению полезного ископаемого от массива, доставке (выпуску) к местам погрузки в транспортные средства, креплению и поддержанию выработанного пространства и др.

  Для конкретных горно-геологических условий устанавливается порядок проведения подготовительных и очистных выработок во времени и пространстве, который в основном определяет систему разработки. К системе разработки предъявляются требования безопасного ведения работ, минимальных потерь полезного ископаемого в недрах (см. Потери полезного ископаемого), высоких и устойчивых технико-экономических показателей. На выбор системы разработки влияют факторы: горно-геологические (мощность и угол падения тела полезного ископаемого, его ценность, строение, глубина залегания, газоносность, водообильность, физико-механические свойства полезного ископаемого и вмещающих пород и др.) и горнотехнические (средства механизации, технический уровень предприятия и др.).

  Системы разработки рудных (в т. ч. горно-химического сырья) и нерудных (главным образом гипса) месторождений существенно отличаются от таковых для угольных месторождений и поэтому рассмотрены ниже раздельно.

Разработка рудных и нерудных месторождений
Разработка угольных месторождений