Очистная выемка. Основные производственные процессы

Очистные работы являются главной стадией добычи угля и руды и включают комплекс операций по бурению шпуров и скважин, их заряжанию и взрыванию, по выпуску, вторичному дроблению, погрузке и доставке добытой рудной массы в пределах выемочных участков (блоков), а также операций по управлению горным давлением и поддержанию очистного пространства (крепление, закладка и т.п.).

Обычно процессы очистной выемки рассматривают укрупнено: отбойка, выпуск и доставка, крепление и закладка.

Отбойка – это отделение руды от массива и дробление ее до крупности, пригодной для выпуска и транспортирования. Основным видом отбойки руды является взрывная, когда заряды ВВ располагают в шпурах (шпуровая отбойка), глубоких скважинах (скважинная отбойка) или камерных выработках (минная отбойка). Только в очень некрепких рудах (марганца, калийных и поваренных солей) применяют отбойку механическими средствами (комбайнами). Испытывались также способы отбойки с помощью выбрасываемой под большим давлением воды (гидравлический способ), с помощью электрического луча, токов высокой частоты, ультразвука, лазера. В мировой практики имели место случаи отбойки руды ядерными зарядами.

При отбойке шпурами полости для ВВ – шпуры бурят ручными и колонковыми перфораторами, самоходными буровыми установками СБУ-2М, СБУ-2К, или колонковыми установками КБУ-50 и КБУ-80 с перфораторами ПК-60 и ПК-75.

На скважинной отбойке скважины диаметром 100-150 мм и глубиной от 4-5 до 30-40 м бурят станками НКР-100М, ЛНС-3 с пневмоударниками и шарошечными станками БШ-145. Скважины диаметром 50-80 мм бурят станками ПБУ-80 и КБУ-50, БУ-70У, 2СБУ-70 и др.

Для зарядки шпуров и скважин гранулированными ВВ применяются зарядчики типов: Курама, ЗЭП-Г, ЗП-2, ЗП-5, ЭДУ-50 и т.п. ВВ подается по полиэтиленовым шлангам сжатым воздухом на расстояние 250-300 м и по вертикали до 80 м. Взрыванием зарядов в шпурах и скважинах руда отделяется от массива и дробится до кондиционных размеров, т.е. таких, когда она пригодна для дальнейшего выпуска и транспортирования. Если при отбойке не достигается нужной степени дробления, то наиболее крупные ее куски – негабариты дробятся в выпускных выработках (дучках, воронках) или на почве скреперных и погрузочных выработок с помощью детонирующего шнура, накладных зарядов ВВ или зарядов в небольших шпурах (20-30 см). Иногда эта операция так называемого вторичного дробления осуществляется с помощью гидравлического бутобоя.

При отбойке скважины могут располагаться: а) параллельно одна другой; б) веерообразно, когда скважины в веере бурят с одной установки станка, а вееры располагают параллельно один другому; в) пучками, когда с одной установки станка бурят несколько веерных комплектов скважин. Шпуры при отбойке обычно располагают параллельно или под некоторым углом один другому.

Следующими процессами после отбойки являются выпуск, погрузка и доставка руды (при камерно-столбовой системе, слоевой выемке и т.п. – только погрузка и доставка). Можно выделить следующие способы:

1). Самотечный, когда руда по очистному пространству или выпускным выработкам самотеком поступает вплоть до ее погрузки в откаточные сосуды (рельсовый транспорт).

2). Скреперными установками и рельсовым транспортом.

3). Вибропитателями и рельсовым транспортом.

4). Погрузочно-доставочными машинами.

5). Вибропитателями и самосвалами.

6). С помощью специальных щитов и управляющих устройств.

7) Виброкомплексами.

8). Взрывная доставка.

В последние годы все более широко применяются 3-7-й способы выпуска, погрузки и доставки.

Поддержание очистного пространства и обнажения выработок осуществляются тремя основными способами: естественными целиками; искусственной крепью; закладкой выработанного пространства.

Крепи применяются двух видов: укрепляющие массив и поддерживающие его. К первому виду можно отнести штанговую крепь и набрызг-бетонную. Ко второму – различные крепи, располагаемые в выработанном пространстве: распорная, станковая, рамная, костровая, кустовая и др.

Закладку выработанного пространства применяют при разработке ценных или возгорающихся руд, а также в случаях необходимости сохранения объектов земной поверхности. Наиболее дешевой является гидравлическая закладка, когда гравий, щебень и песок доставляются по трубам к месту укладки в смеси с водой, затем вода осветляется и откачивается. Сухая закладка может доставляться в выработанное пространство либо самотеком сверху по выработкам или трубам, либо с помощью машин механического и пневматического действия.

Твердеющая закладка, в составе которой обычно в качестве вяжущего используют цемент, молотые гранулированные шлаки, гипс, ангидрит, золы и т.п., приготовляется либо на поверхности, либо на месте ее укладки. Жидкие и пластичные смеси транспортируют по трубам самотеком или с пневматическим поддувом. Жесткие смеси транспортируют конвейерами, скреперными установками, вагонетками и т.п., приготовляют их обычно под землей.

Другие процессы добычи руды следующие: 1) транспорт руды до выдачного ствола; 2) подъем руды на дневную поверхность; 3) усреднение качества руды в подземных условиях и на поверхности; 4) сортировка рудной массы; 5) предварительное обогащение рудной массы в тяжелых суспензиях и т.п.; 6) вспомогательные работы (доставка людей, оборудования, материалов, монтажно-демонтажные и ремонтные работы).

После выдачи на дневную поверхность руды цветных и редких металлов, горно-химического сырья и бедные железные руды обычно проходят стадию обогащения на обогатительных фабриках, откуда полученные из руд концентраты отправляются на металлургические и химические заводы.

 

СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ

Система разработки – это совокупность технологических процессов подготовительных, нарезных и очистных работ при определенном порядке их выполнения. На сложных рудных месторождениях необходимо также проходить специальные разведочные выработки и использовать для целей разведки подготовительно-нарезные и очистные выработки.

Кроме порядка выполнения работ системы разработки могут отличаться также применяемыми средствами механизации тех или иных производственных процессов. В зависимости от состояния очистного пространства член-корр. АН СССР М.И. Агошков делит системы разработки рудных месторождений на 8 классов: 1) системы с открытым очистным пространством; 2) системы с магазинированием руды; 3) системы с закладкой очистного пространства; 4) системы с креплением очистного пространства; 5) системы с креплением и закладкой; 6) системы с обрушением вмещающих пород; 7) системы с обрушением руды и вмещающих пород; 8) комбинированные системы разработки.

По классификации В.Р. Именитова все системы разработки разделены на 3 класса: 1) системы с естественным поддержанием очистного пространства, 2) системы с обрушением руды и вмещающих пород, 3) системы с искусственным поддержанием очистного пространства.

Наиболее широко применяемые в настоящее время при разработке рудных месторождений системы разработки I-го класса – это камерно-столбовая и система подэтажных штреков.

При камерно-столбовой системе выемочный участок пологопадающего месторождения месторождения разделяются на камеры и целики (столбы). Камеры отрабатываются с применением самоходного оборудования (Джезказган), а рудные целики оставляются для поддержания выработанного пространства. Для применения этой системы породы кровли должны быть устойчивыми, а руда сравнительно невысокой ценности, т.е. потери ее достигают 20-25 %, а иногда и больше.

Подготовка блоков к эксплуатации очень проста и заключается в проходке панельных штреков, заездов в камеры и отрезных восстающих. При наклонном падении залежей в камерах проходят осевые восстающие.

При отбойке руды в камерах обычно используются мелкие шпуры, пробуриваемые с помощью буровых кареток СБК-2М, УБГ-2 и др. Погрузку руды осуществляют погрузмашинами НБ-3К, ПНБ-; или экскаваторами Э-1 Костромского завода и дизельные автосамосвалы МОАЗ-6401 или самоходные вагоны ВПК-7, ВПК-10 и др., которыми руда доставляется до рудоспусков. Иногда кровля камер закрепляется штанговой крепью и набрызг-бетоном. Зачистка руды на почве камер осуществляется с помощью бульдозеров, а состояние кровли контролируется с самоходных полков ПЭМШ-2. Система обеспечивает высокую производительность труда, низкую себестоимость добычи и сравнительно небольшое разубоживание.

На наклонных залежах (с углом падения 25-45⁰) применяются варианты камерно-столбовой системы разработки: а) с расположением камер по простиранию; б) с расположением камер по восстанию с доставкой руды силой взрыва.

К первому классу систем относятся также сплошные системы разработки, при которых выемка камер осуществляется сплошным забоем без оставления целиков (в ограниченных залежах) или с оставлением нерегулярных целиков (более бедной руды или породы).

Система подэтажных штреков применяется при крутом падении мощных и средней мощности залежей и достаточно устойчивых породах висячего бока. При этой системе разработки блок делится на камеру, междукамерный целик и потолочину. При мощности рудных залежей до 20 м после проходки откаточного штрека по руде или в породах лежачего бока из него проходятся погрузочные заезды или откаточные орты, а из них траншейные штреки (при траншейной подготовке) или дучки-воронки для выпуска руды. В междублоковых целиках или в породах лежачего бока проходят блоковые восстающие, а из них - подэтажные штреки на расстоянии 10-15 м один от другого по высоте камеры.

Из этих подэтажных штреков с помощью колонковых перфораторов или буровых станков (БУ-70У, 2СБУ-70, НКР-100М, «Удар» и др.) разбуривают массив между подэтажными штреками. Одновременно в камере выше горизонта воронок проходится подсечка, а также отрезной восстающий, который разделывается в отрезную щель на всю ширину камеры. Затем начинают отбойку камерных запасов, выпуская руду вслед за взрыванием. На выпуске используются как скреперные установки, так и самоходные погрузочно-доставочные машины. Если запасы камеры разбуриваются из одной этажной или подэтажной буровой выработки, то такая система разработки называется этажно-камерной. Во всем остальном она идентична системе подэтажных штреков.

При помощи залежей более 20-25 м камеры и целики располагают вкрест простирания и для бурения скважин проходят подэтажные орты.

После выемки камерных запасов блока, междукамерные целики и потолочины либо обрушаются массовыми взрывами и руда из них выпускается под обрушенными породами, либо извлекаются другими системами после закладки камер. При системе подэтажных штреков камеры отрабатываются с высокой производительностью, низкими затратами и малым разубоживанием руды. Выемка целиков сопряжена, как правило, с большими затратами, потерями и разубоживанием.

Системами с открытым очистным пространством в цветной металлургии добывается более 30 % руды (в том числе камерно-столбовой 23 %), в черной металлургии 23 % железной руды (в том числе этажно-камерной системой 18 %), в химической промышленности 95 % калийных солей (камерно-столбовая система). В дальнейшем при добыче руд удельный вес систем с открытым очистным пространством будет уменьшаться.

Системы с магазинированием руды применяются при разработке крутопадающих рудных залежей малой и средней мощности при сравнительно устойчивой руде и вмещающих породах. В отличие от систем подэтажных штреков при системе с магазинированием отбиваевая руда выпускается из камеры лишь частично(25-30 %), остальная же остается в камере (магазине). Замагазинированная руда служит почвой для бурильщиков при отбойке следующих слоев. По мере отбойки слоев магазин сбивают короткими горизонтальными выработками (окнами) с блоковыми восстающими. При средней мощности залежей для большей безопасности отбойку руды осуществляют не из камеры, а из специальных буровых выработок. После отбойки камеры и заполнения ее рудой на полную высоту начинают заключительную стадию – выпуск. После выемки камер междукамерные целики и потолочины извлекаются массовыми взрывами или другими системами после закладки камер.

Системы с магазинированием имеют сравнительно небольшой объем подготовительно-нарезных работ, однако в целом интенсивность отработки блоков при этих системах невелика, что приводит к повышенным потерям и разубоживанию руды. Иногда для снижения потерь и разубоживания руды при системах с магазинированием применяют закрепление пород висячего бока штанговой крепью или отделяют руду от пород гибким перекрытием из металлической сетки. В настоящее время системы с магазинированием руды применяются редко, лишь при разработке некоторых жильных месторождений руд цветных металлов. Удельный вес их в общей добыче руд очень невелик и составляет не более 2-3 %.

Системы разработки класса с обрушением руды и вмещающих пород являются основными при добыче железных руд и руд горно-химического сырья, а также одними из основных при добыче руд цветных металлов. Этот класс представлен двумя системами разработки: этажным принудительным обрушением и подэтажным обрушением. Обе системы имеют несколько вариантов.

Система этажного принудительного обрушения в двух основных вариантах - одностадийный и двухстадийный – применяется для разработки весьма мощных месторождений практически с любой крепостью и устойчивостью руд и пород. При большой мощности залежей углы падения также практически не ограничивают применения системы. Так, в Кривом Роге она применяется при углах падения 50-70⁰, в Тырныаузе, Горной Шории и на Урале 80-90⁰, в п/о «Апатит» - 30⁰, а в Лениногорском полиметаллическом комбинате при почти горизонтальном расположении рудных линз.

Двухстадийный вариант системы предусматривает разделение запасов на две части: камерные и целиковые. В первую очередь осуществляется подготовка днищ под камерами и отработка камерных запасов (как правило, с небольшими потерями и разубоживанием).

Первая стадия осуществляется системой подэтажных ортов (штреков), а чаще этажно-камерной системой, когда запасы всей камеры разбуриваются из одной этажной и буровой выработки. Днище блоков обычно представляет собой серию скреперных или погрузочных ортов и штреков, из которых пройдены ниши, дучки и воронки, если выпуск осуществляется самотеком и вибропиталелями, или заезды, если выпуск осуществляется с помощью погрузмашин.

Очистные работы начинаются после проходки отрезных восстающих раздельной отрезной щели и образованием подсечки, после чего начинается массовая отбойка камерных запасов. На бурении скважин обычно применяют буровые станки НКР-100М, ЛПС-3, БШ-145 и др., а на выпуске руды – скреперные установки с лебедками мощностью от 50 до 100 кВт, вибропитатели ВДПУ-4ТМ, ВВДР и др., виброкомплексы «Полиметалл», Р-80, ВУР-80М, автосамосвалы МОАЗ-6401, погрузочно-доставочные машины ПД-8, ряд машин типа SТ и др.

После выемки камерных запасов, величина которых составляет обычно 40-60 %, междукамерные целики обрушают массовыми взрывами и выпуск руды ведут под обрушенными породами. Обычно во вторую стадию хуже дробление руды и менее интенсивен выпуск, высоки потери и разубоживание руды, что значительно снижает эффективность системы. Для повышения интенсивности подготовки и отработки, а иногда и улучшения дробления руд и показателей извлечения применяют одностадийные варианты системы этажного принудительного обрушения. При этих вариантах выемка руды осуществляется в одну стадию путем отбойки на обрушенную породу в так называемом зажиме (Зыряновск, Тырныауз), либо путем образования для каждого очередного взрыва небольшой компенсационной щели (Таштагол). Как при двухстадийных вариантах, так и особенно при однойстадийных потерях и разубоживание руды достигают 15-20 %.

При обычных вариантах систем подэтажного обрушения подготовка днищ блоков и разбуривание осуществляются практически так же, как и при системе этажного принудительного обрушения. Только этаж разделяется на подэтажи и на каждом подэтаже проходятся выработки днища, а выпускаемая руда перепускается на основной (откаточный) горизонт. Система подэтажного обрушения обычно применяется при углах падения 45-65⁰ и сравнительно неустойчивых налегающих породах. Особое место занимает шведский вариант системы подэтажного обрушения, при котором вся подготовка и нарезка состоит из серии подэтажных выработок, проходимых через 8-10 м по высоте и 6-8 м по горизонтали в шахтном порядке, т.е. со смещением на половину расстояния в каждом из смежных подэтажей.

Отбойка руды ведется слоями на обрушенную породу, а выпуск осуществляется в торец подэтажной выработки с помощью самоходных погрузочно-доставочных маши. Этот вариант очень прост и широко применяется в Швеции и Канаде при добыче железных руд.

Однако потери руды и разубоживание при этом варианте достигают 18-25 %, поэтому при разработке руд цветных металлов в заграничной практике он не применяется.

Системами с обрушением руды и вмещающих пород в цветной металлургии добывается около 30 % руд (в том числе 15 % системой этажного принудительного обрушения), в черной металлургии 71 % железных руд (в том числе 30 % этажное принудительное обрушение), в химической промышленности почти 100 % фосфатных руд (в основном этажное принудительное обрушение).

Из систем разработки с искусственным поддержанием очистного пространства в последнее время наиболее широкое применение получили системы разработки с закладкой выработанного пространства, значительно меньше применяются системы с крепление и последующим обрушением (слоевое обрушение, столбовая с обрушением), и еще меньше системы с креплением (со станковой и распорной крепями).

Системы с закладкой имеют варианты с выемкой слоями (горизонтальными, наклонными, вертикальными), когда после выемки слоя или заходки в нем они сразу же закладываются сухой, гидравлической или твердеющей закладкой. Примером применения горизонтальных слоев с сухой закладкой может служить опыт Белоусовского рудника, с гидравлической закладкой – Урупского рудника, с твердеющей – рудники Норильского ГМК, Лениногорского ПК, ряда редкометальных рудников (сверху вниз и снизу вверх).

На ряде месторождений применяются и запроектированы системы с закладкой по схеме камера-целик (Запорожский ЖРК, Зыряновский и Текелийский свинцовые комбинаты, Лениногорский ПМК, Высокогорское и Гороблагодатское рудоуправления и др.). При этом варианте системы делятся на две-три части, которые последовательно вынимаются производительными камерными системами (камерно-столбовой, этажно-камерной и подэтажных ортов ортов).

После отработки камер первой очереди они закладываются, и после затвердения закладки начинается выемка камер второй очереди и их последующая закладка, затем третьей и т.д.

Система слоевого обрушения предусматривает выемку руды заходами, полное закрепление этих заходок деревянной крепью и разрушение этой крепи после перехода в соседние заходки. После выемки и обрушения всего слоя переходят к отработке нижеследующего слоя и т.д. Эта система как и слоевые системы с закладкой, обеспечивает весьма полное извлечение запасов и высокое качество руды. Применение ее на Золотушинском руднике обеспечило высокую эффективность. Однако система очень трудоемка.

Системы столбовые с крепление и последующим обрушением предусматривают выемку слоя руды под защитой призабойных комплексов крепи, которые передвигаются вслед за выемкой слоя, а за крепью налегающие породы обрушаются. Выемка обычно осуществляется с помощью комбайнов.

Системы с распорной крепью применяются при разработке маломощных и жильных месторождений. По мере выемки камеры для поддержания висячего бока устанавливается распорная крепь.

Системами с закладкой выработанного пространства добывается 25-30 % руд цветных металлов и 5-6 % железных руд. Системами с креплением и последующим обрушением осуществляют 10 % добычи калийных солей, почти 100 % марганцевых руд, 5-6 % (сплошные и столбовые системы) руд цветных металлов (система слоевого обрушения 3 %, системы сплошные и столбовые 2,5-5 %). Удельный вес комбинированных систем разработки не превышает 4 %.

После отработки месторождения важнейшими процессами являются работы по горно-технической рекультивации нарушенных горными предприятиями земель и других природных ресурсов.