Разработка рудных и нерудных месторождений

Введение
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
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.

Сплошная система разработки «лава — этаж»: 1 — наклонные выработки; 2 — этажный конвейерный штрек; 3 — просек; 4 — очистной забой (лава); 5 — этажный вентиляционный штрек; 6 — разрезная печь.

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
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. 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.
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 . 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.

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 подэтажной выемкой 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%.
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 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.
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.

Разработка угольных месторождений