Способы добычи твердых полезных ископаемых

 

Для осуществления главной целевой функции добычи минерального сырья включения части ресурсов литосферы в оборот вещества и энергии техносфе­ры — необходимо обеспечить доступ с земной поверхности к месту залегания полезного компонента, придать этому компоненту подвижность и выдать его в этом состоянии на поверхность Земли. Таким образом, обобщенная функциональная модель добычи полезного ископаемого включает в себя три обязательных этапа:

- доступ с поверхности к месту дислокации в литосфере участка с полезны­ми свойствами;

- придание подвижности полезному компоненту, залегающему в литосфере;

- выдача полезного компонента в подвижном состоянии на поверхность Земли.

При строительстве подземных сооружений, когда полезным компонентом яв­ляется пустота (создаваемые полости), схема остается в принципе такой же, но на втором этапе подвижность придается не полезному компоненту, а материалу ли­тосферы, заполняющему будущую полезную полость. Этот же материал выдается на поверхность на третьем этапе.

По тому, каким образом обеспечивается доступ с поверхности к потенциаль­но полезному для экономики участку литосферы, существуют два способа разра­ботки месторождений — подземный и открытый.

Прежде чем раскрыть содержание этих двух способов, необходимо ввести еще одно фундаментальное для горного дела понятие — горной выработки.

Под горной выработкой следует понимать любую искусственно созданную в литосфере выемку с полностью замкнутым или незамкнутым контуром. Каждая горная выработка характеризуется формой и величиной поперечного и продоль­ного сечений, длиной, направлением и функциональным назначением.

При подземной разработке месторождений доступ к залежам полезного иско­паемого осуществляется путем проведения с поверхности через толщу налегаю­щих пород специальных (вскрывающих) выработок, поперечное сечение которых намного меньше площади залежи

При открытой разработке вся толща налегающих пород над рудной залежью полностью удаляется.

Каждый из этих способов имеет свои сильные и слабые стороны, баланс ко­торых в виде экономических и экологических показателей и определяет в каждом конкретном случае выбор между этими способами.

Сочетание этих способов обычно называют комбинированным способом.

Кроме того, используют физико-химические способы разработки месторож­дений, а также добывают полезные ископаемые со дна морей и океанов.

Подземную разработку месторождений осуществляют исключительно посредством проведения подземных горных выработок, при этом извлечение полезных ис­копаемых производят под толщей перекрывающих пород. Подземный способ ши­роко применяют при добыче углей, сланцев, рудных и нерудных полезных ископа­емых, россыпей и ограниченно - при добыче минерального сырья для производ­ства стройматериалов. Подземным способом разрабатывают тела полезных ископа­емых различных форм мощности, углов падения, залегающие па разных глубинах.

В настоящее время подземную добычу полезных ископаемых осуществляют как па глубине всего 20 — 30 м, так и на глубине, измеряемой многими сотнями ме­тров и первыми километрами.

Открытую разработку месторождений осуществляют с использованием в основном открытых горных выработок (подземные выработки в ряде случаев ис­пользуют в качестве транспортных). При открытой разработке извлечение по­лезных ископаемых осуществляют непосредственно с земной поверхности после удаления покрывающих пород.

Открытый способ разработки применим к месторождениям различных полез­ных ископаемых, в том числе к месторождениям сырья для производства строй­материалов (песка, гравия, щебня, глины, и известняков и др.). Этим способом осу­ществляют разработку тел полезных ископаемых, имеющих различные размеры.

 

Горные выработки

 

Полезное ископаемое может быть использовано лишь тогда, когда оно отделе­но от массива и доставлено на поверхность. Работы, которые производят при вы­емке полезного ископаемого или при подготовке к его выемке, называются горны­ми работами.

В результате горных работ в толще полезного ископаемого или пустых пород образуются полости, называемые горными выработками.

Горные выработки по назначению подразделяются на разведочные и эксплу­атационные. Первые служат для целей разведки залежи полезного ископаемого, вторые — для его разработки.

Разработка месторождений полезного ископаемого складывается из трех эта­пов: вскрытие, подготовка и очистная выемка. В связи с этим эксплуатационные гор­ные выработки подразделяются на капитальные, подготовительные и очистные.

К капитальным относятся выработки, по которым осуществляется доступ к месторождению или его части. Это вскрывающие выработки.

Подготовительные выработки проводят от капитальных. Они служат для подготовки части залежи полезного ископаемого к очистной выемке. После про­ведения подготовительных выработок приступают к очистным работам, в резуль­тате которых образуются очистные выработки. По месту проведения горные вы­работки подразделяются па открытые и подземные. Открытые выработки прово­дят на поверхности земли, подземные — внутри массива пород.

Комплекс образующихся в земной коре в результате проведения открытых горных работ больших выемок (траншей, котлованов и др.) называют карьером (па россыпных месторождениях и в угольной промышленности — разрезом). В каж­дый данный момент карьер ограничен верхним контуром — линией, ограничива­ющей карьер па уровне; земной поверхности по его бортам, и нижним контуром — линией, ограничивающей подошву карьера. Верхний и нижний контуры карьера в процессе разработки изменяются. Контуры, достигнутые при погашении откры­тых горных работ, т. е. при конечной глубине и конечных размерах карьера в пла­не, называют конечными контурами.

В административно-хозяйственном значении карьером называют предприятие, ведущее разработку полезного ископаемого открытым способом.

Месторождение или его часть, разрабатываемые открытым способом, назы­вают карьерным полем.

Выемка полезного ископаемого, а также покрывающих и вмещающих пород в пределах контуров карьеров производится отдельными горизонтальными слоями.

Верхнюю и нижнюю площадки, на которых размещают добычные транспорт­ные и прочие механизмы при выемке слоя, называют горизонтом. Обозначают их абсолютными или относительными топографическими отметками.

По мере развития выемки на одном горизонте работы начинают на следую­щем, нижележащем. Как правило, выемочные работы производятся одновремен­но на нескольких горизонтах карьера.

Перед началом разработки рудную залежь вскрывают, т. е. проходят специ­альные горные выработки, по которым пустые породы доставляют на поверхность. Впоследствии по этим же выработкам обычно доставляют на поверхность и руду.

Основные открытые горные выработки для вскрытия и подготовки место­рождений - траншеи - по своему назначению подразделяются па капитальные или въездные - для вскрытия всего месторождения или его части; их проходят за пределами контура карьера (внешние) или внутри карьера (внутренние), обычно с уклоном; ширина въездной траншеи (понизу) зависит от размеров проходческого оборудования и транспортных средств; в среднем эта ширина составляет 10 - 20 м, разрезные - для подготовки вскрытого горизонта к эксплуатации; их, как прави­ло, проходят без уклона; специальные - для водоотлива, дренажа или дополни­тельного соединения с поверхностью.

Гораздо более сложная система выработок различного назначения необходи­ма для подземной разработки месторождений полезных ископаемых.

По положению в земной коре подземные выработки могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными. Они могут иметь непосредственный выход на земную поверхность или не иметь его (рис. 8.15). Начало выработки, выходящей на земную поверхность или в другую выработ­ку, называют устьем. Поверхность, ограничивающая горную выработку и перемещающаяся в ре­зультате ведения горных работ, называется забоем. Забой, в котором системати­чески производят горные работы, назы­вается действующим.

 

Рис. 8.15. Забой и устье выработки

 

Поверхности, ограничивающие вы­работки с боков, называют бортами вы­работки. Поверхность, ограничивающая выработку сверху, называется кровлей, снизу - почвой (рис. 8.16).

 

Рис. 8.16. Поперечное сечение горной выработки

 

Вертикальные горные выработки мо­гут иметь непосредственный выход па земную поверхность или не иметь его. К вертикальным выработкам относятся стволы, гезенки, шурфы.

Вертикальный ствол - вертикаль­ная горная выработка, имеющая непо­средственный выход на земную поверх­ность и проводимая с целью вскрытия ме­сторождения полезного ископаемого.

Стволы делятся на главные и вспомо­гательные.

Главный ствол предназначен для вы­дачи полезного ископаемого, вспомога­тельный - для спуска-подъема людей, материалов, оборудования, проветри­вания и других вспомогательных целей.

Нижняя часть ствола ниже уровня околоствольного двора называется зумпфом. Он предназначен для размещения подъемного сосуда (скипа или многоэтажной клети) в момент загрузки. Вертикальные стволы имеют круглую, прямоугольную или эллиптическую форму поперечного сечения.

Слепой ствол - вертикальная горная выработка, не имеющая непосредствен­ного выхода на земную поверхность и служащая для подъема груза с нижележаще­го горизонта на вышележащий с помощью подъемных установок. Слепые стволы служат для вскрытия отдельных частей месторождений из подземных выработок.

Гезенк - вертикальная горная выработка, не имеющая непосредственного выход на земную поверхность и служащая для спуска грузов с вышележащего горизонта на нижележащий под действием собственного веса.

Шурф — вертикальная горная выработка, обычно малого сечения и небольшой глубины, имеющая непосредственный выход на земную поверхность и служащая для различных целей: разведки, размещения взрывчатых веществ при массовых взрывах, а при эксплуатации — для проветривания, спуска материалов и т. п.

Тоннель - выработка, имеющая выход на поверхность с двух концов. Это сквозная выработка, служащая для транспортных целей.

Штольня - горизонтальная выработка, имеющая выход на поверхность с одной стороны (рис. 8.17).

Квершлаг - горизонтальная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проводимая вкрест простирания горных пород.

Штрек - горизонтальная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проводимая по простиранию горных пород при наклонном залегании, а при горизонтальном - в любом направлении. Штреки бы­вают главные, откаточные, вентиляционные, промежуточные, конвейерные и пр. Штреки, проведенные по пустым породам, называются полевыми (рис. 8.18).

Просек - горизонтальная горная выработка, проводимая параллельно штре­ку обычно без подрывки боковых пород предназначенная для осуществления нарезных работ или проветривания штреков в период их проходки. На тонких пла­стах осуществляют присечку боковых пород.

Орт — горизонтальная горная выработка, проводимая в мощных пластах или рудных за­лежах в пределах их горизонтальной мощности.

Сбойка — горизонтальная выработка, про­водимая между расположенными рядом на­клонными выработками.

Форма поперечного сечения горизонталь­ных выработок может быть различной — пря­моугольной, трапециевидной, косоугольной, сводчатой, круглой и пр.

Наклонные горные выработки могут иметь выход на земную поверхность и могут быть без него. К наклонным горным выработкам, име­ющим непосредственный выход на земную поверхность, относятся наклонные шурфы, стволы, штольни, Они имеют то же назначение и те же основные призна­ки, что и одноименные вертикальные или горизонтальные выработки, отличаясь от них лишь положением в земной коре.

 

 

Рис. 8.17. Горные выработки: 1 – штольня; 2 – вертикальный ствол;

3 – наклонный ствол; 4 – гезенк; 5 – шурф; 6 – наклонный шурф; 7 – квершлаг;

8 – штрек; 9 – полевой штрек; 10 – просек; 11 – путевой ходок; 12 – бромсберг;

13 – людской ходок; 14 – уклон; 15 – очистной забой.

 

 

Рис. 8.18. Расположение штреков относительно залежи полезного ископаемого

 

К наклонным выработкам, не имеющим непосредственного выхода па зем­ную поверхность, относятся бремсберги, уклоны, скаты, ходки, печи.

Бремсберг - наклонная горная выработка, не имеющая непосредственно­го выхода на земную поверхность и служащая для спуска полезного ископае­мого с вышележащего горизонта на нижележащий при помощи механических устройств.

Уклон - наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхо­да на земную поверхность, служащая для подъема полезного ископаемого с ниж­них горизонтов на верхний с помощью механических устройств.

Скат - наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхо­да на земную поверхность, служащая для спуска полезного ископаемого под дей­ствием собственного веса.

Ходок - наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхо­да на земную поверхность, предназначенная для различных целей (передвижения людей, доставки материалов и оборудования, вентиляции и пр.). Ходки проводят параллельно названным выше наклонным выработкам. Они оборудуются соответ­ствующими транспортными средствами.

Печь - наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проводимая по пласту полезного ископаемого в пределах сто мощности. По печам осуществляется передвижение людей, транспортирова­ние угля, материалов и т. д. Печь, в которой начинается развитие работ по выемке угля, называется разрезной.

На рудниках наклонные выработки (иногда вертикальные), не имеющие не­посредственного выхода на земную поверхность, проводимые по полезному ис­копаемому или пустым породам, служащие для спуска полезного ископаемого под действием силы тяжести и других целей, называются восстающими.

Камерами называются горные выработки, имеющие небольшую длину по сравнению с размерами поперечного сечения. Они предназначаются для разме­щения в них различных машин, оборудования, хранения материалов и других це­лей. Камеры в основном расположены около шахтных стволов.

Совокупность камер и выработок, примыкающих к шахтному стволу и пред­назначенных для обслуживания подземного хозяйства, называется околоствольным двором. В околоствольном дворе располагаются следующие камеры: электро­подстанция, насосная, электровозное депо, камера ожидания, диспетчерская, во­досборник, медпункт и др.

Выработки, образующиеся в результате выемки пласта или залежи, где осу­ществляется основная добыча полезного ископаемого, называются очистными выработками.

Поверхность очистной выработки, с которой непосредственно осуществляет­ся выемка полезного ископаемого, называется очистным забоем. Очистной забой значительной длины называется лавой.