Освоение месторождений полезных ископаемых
Основы горного дела

Природно-технические системы освоения месторождений полезных ископаемых

Технические объекты освоения месторождений

Освоение запасов любого месторождения представляет собой создание и эксплуатацию технической системы по добыче и переработке вещества литосферы, которое всегда сопровождается разрушением как абиоты, так и биоты природных экосистем. В настоящее время в обиход вошло понятие природно-технической системы как единого объекта, состоящего из природной и технической частей, которые взаимосвязаны друг с другом и выполняют единую социально-экономическую функцию. В этой системе добычу полезного ископаемого осуществляет горное предприятие — самостоятельная производственная единица, осуществляющая эксплуатационную разведку, добычу и обогащение полезных ископаемых. Горное предприятие, осуществляющее добычу и первичное обогащение полезных ископаемых, называется горнодобывающим. Существуют следующие виды горнодобывающих предприятий: шахта, рудник, карьер, разрез, прииск, промысел.

Шахта — горное предприятие, предназначенное для добычи в основном угля подземным способом.

Рудник — горное предприятие, служащее в основном для подземной добычи руд, горно-химического сырья и строительных материалов. Этим понятием иногда пользуются для обозначения нескольких шахт (карьеров), объединенных в единую административно-хозяйственную единицу с централизованным хозяйством.

Карьер — горное предприятие, осуществляющее добычу полезных ископаемых открытым способом.

Разрез — это карьер по добыче угля.

Прииск — горное предприятие по разработке россыпных месторождений (золота, алмазов, олова и др.).

Промысел — горное предприятие по разработке жидких и газообразных полезных ископаемых (нефтяной промысел).

Производительность горных предприятий, называемая также производственной мощностью, исчисляется в тоннах полезного ископаемого, добываемого в течение года. Производительность горных предприятий устанавливают в зависимости от величины балансовых запасов полезных ископаемых в шахтных (карьерных) полях и потребности в них. Для рудников и шахт она составляет от десятков тысяч до нескольких миллионов тонн; производственная мощность крупных карьеров нередко измеряется десятками миллионов тонн.

Производительность горного предприятия А, т/год, срок его существования Т и запасы полезного ископаемого в шахтном (карьерном) поле к взаимосвязаны следующим выражением: А = К/Т.

Сроки существования горных предприятий выбирают в пределах от 5–7 до 50 лет и более. На крупных шахтных (карьерных) полях сооружают горные предприятия большой производственной мощности с длительным сроком существования.

Все работы при функционировании любого горного предприятия ведутся только в пределах горного отвода.

Горный отвод — часть недр, предоставленная организации или предприятию для промышленной разработки содержащихся в ней залежей полезных ископаемых. Горный отвод не дает право на использование поверхности в его границах, т. е. площадь горного отвода не отождествляется с площадью земельного отвода, а определяется производственной мощностью и сроком службы горного предприятия. Предоставление и оформление горного отвода осуществляют органы Госгортехнадзора.

Разработкой месторождения называют комплекс работ по вскрытию, подготовке и очистной выемке. Эти работы являются стадиями разработки месторождения. Вскрытие и подготовка осуществляются посредством проведения выработок. Забои проводимых выработок называют подготовительными. Выемку (добычу) полезного ископаемого ведут в очистных забоях, применяя при этом различные способы его разрушения. Это в общем справедливо для твердых полезных ископаемых как при подземных, так и открытых горных работах.

Для строительства наземной части горного предприятия выделяется земельный отвод — участок земельной площади, предоставленный в пользование предприятию или организации с определенным целевым назначением. Типовая структура земельного отвода горнодобывающего предприятия включает в себя:

  • промплощадку рудника; – отвалы пород и бедных руд;
  • внутренние транспортные магистрали;
  • промплощадку обогатительной фабрики;
  • хвостохранилище;
  • территорию под жилой фонд.

В состав природной составляющей при создании природно-технической системы входят участки:

  • литосферы в пределах горного отвода;
  • литосферы с измененными геофизическими свойствами;
  • природных экосистем в пределах земельного отвода;
  • природных экосистем вокруг земельного отвода, на которые распространяется воздействие техногенных факторов горного производства.

Генетическая классификация месторождений и морфологические типы рудных тел

Объектами приложения усилий и экономического интереса человека в литосфере являются месторождения полезных ископаемых, т. е. скопления природных минеральных образований, которые могут быть использованы обществом с достаточным экономическим или другим эффектом.

Любое месторождение представляет собой систему залежей полезного ископаемого, количество которых может достигать десятков и сотен единиц.

Из признаков, характеризующих месторождение, наибольшее влияние на технологию их разработки оказывают морфология, форма, размеры и условия залегания.

По морфологии рудные месторождения принято разделять на пластовые, пластообразные, жильные, линзообразные, штокверковые, гнездообразные, штокообразные (рис. 3.1).

Формы рудных тел
Рис. 3.1. Формы рудных тел (вертикальные, поперечные разрезы): а — пластовые; б — пластообразные; в — жильные; г — линзообразные; д — штокверк; е — рудные гнезда; ж — штокообразные

Пластовые имеют выдержанную толщину пласта, постоянный угол падения, а также четкие и параллельные друг другу контакты с вмещающими породами.

Пластообразные характеризуются нестабильной формой и толщиной пласта, изменчивыми углами падения и не совсем параллельными контактами. Одной из разновидностей таких месторождений являются жильные, которые бывают простыми (с относительно выдержанными элементами залегания) и сложными, в том числе и с нечеткими контактами с вмещающими породами или состоящими из ряда тонких жил и множества прожилков различной ориентации.

Линзообразные имеют форму, напоминающую выпуклую линзу различных размеров и с различными углами падения.

Штокверковые представляют собой рудный массив неправильной формы, образованный густой сетью различно ориентированных рудных прожилков, прорезывающих пустую породу.

Гнездообразные состоят из мелких по размеру рудных тел (гнезд) неправильной формы.

Штокообразные представляют собой рудное тело неправильной формы и очень больших размеров, примерно одинаковых по всем направлениям.

По форме залежи (рудного тела) месторождения твердых полезных ископаемых подразделяются на правильные и неправильные. К правильным относятся пласты (рис. 3.2) и пластообразные залежи.

Строение пластов
Рис. 3.2. Строение пластов: а — простое; б — сложное

Пластом называется плитообразная залежь, имеющая значительное распространение в земной коре и ограниченная двумя более или менее параллельными плоскостями. Весьма тонкие пласты, не разрабатываемые вследствие малой мощности (до 0,4 м), называются пропластками. Плоскости соприкосновения пластов отдельных пород называются плоскостями напластования.

Породы, залегающие над пластом полезного ископаемого, называются кровлей или висячим боком, залегающие ниже пласта — почвой или лежачим боком.

Пласты могут иметь однородное (простое) и сложное строение. Тонкие слои пустой породы, заключенные в пласте, называются прослойками.

Правильную форму залегания обычно имеют залежи полезных ископаемых осадочного происхождения (уголь, горючие сланцы, различные соли, гипс, марганцевые руды и т. п.).

Часть пласта, выходящая на земную поверхность или находящаяся неглубоко от нее под наносами, называется выходом пласта. Пласты залегают согласно, если они в земной коре расположены параллельно друг другу. Несколько согласно залегающих пластов составляют свиту.

К неправильным залежам относятся жилы, штоки, гнезда, линзы (рис. 3.3) Неправильную форму залегания имеют, как правило, рудные залежи.

Формы залегания рудных тел
Рис. 3.3. Формы залегания рудных тел: а — жила; б — шток; в — линзы; г — гнезда

Жилой называется заполненная минеральным веществом трещина в земной коре. Жилы бывают простые и сложные. Ответвления от жил называют апофизами.

Такие формы залегания, как штоки, линзы, гнезда, представляют собой полости в земной коре, заполненные минеральным веществом. Они отличаются друг от друга формой и размерами. Подобную форму залегания имеют залежи железных, медных, полиметаллических и других руд. В горнорудной подотрасли залежи полезного ископаемого обычно называют рудными телами.

Пласты горных пород в период образования залегали более или менее горизонтально, но под действием тектонических (горообразовательных) процессов, протекавших в земной коре, первоначальное залегание пород нарушалось в той или иной степени. В некоторых районах пласты оказались собранными в складки. Они могут занимать любое положение в земной коре.

Нарушения нормального залегания пластов называются дислокациями. Дислокации без разрыва сплошности называются пликативными, с разрывом сплошности — дизъюнктивными.

К пликативным нарушениям относятся утолщения и утончения пластов, а также складчатость (рис. 3.4).

Складчатость месторождения
Рис. 3.4. Складчатость месторождения

Складка, обращенная выпуклостью вниз, называется синклиналью, а выпуклостью вверх — антиклиналью.

К дизъюнктивным нарушениям относятся сбросы, взбросы, надвиги и др. (рис. 3.5).

Дизъюнктивные нарушения
Рис. 3.5. Дизъюнктивные нарушения: а — сброс; б — взброс

Положение пластов в земной коре определяется элементами их залегания. К ним относятся простирание и падение пластов (рудных тел).

Протяжение рудного тела в длину называется простиранием.

Линия пересечения рудного тела с горизонтальной плоскостью называется линией простирания (рис. 3.6).Направление простирания (азимут простирания) определяется углом, который составляет линия простирания с меридианом.

Элементы залегания пласта
Рис. 3.6. Элементы залегания пласта

Линия, лежащая в плоскости рудного тела перпендикулярно линии простирания, называется линией падения, а само направление этой линии — падением пласта.

Угол, который составляет линия падения пласта с горизонтальной плоскостью, называется углом падения пласта. В зависимости от формы залегания, вида полезного ископаемого и способа разработки залежи полезных ископаемых делят на горизонтальные, пологие, крутонаклонные и крутые (табл. 3.1).

Классификация залежей полезных ископаемых по углу падения
Таблица 3.1 Классификация залежей полезных ископаемых по углу падения

Мощность пласта или иной залежи как элемент залегания представляет собой расстояние по нормали между кровлей и почвой. Такую мощность т называют истинной, или нормальной. Расстояние между кровлей и почвой, измеряемое по горизонтали, называют горизонтальной мощностью тr, а по вертикали — вертикальной мощностью mв.

Поскольку в пределах залежи полезного ископаемого мощность ее, как правило, изменяется, на практике употребляют термин средняя мощность. Так как пласты, например угля, нередко имеют сложное строение, то различают полезную (без прослойков) и полную (с прослойками) мощность. При разработке угольных месторождений иногда вынимают только часть мощности пласта, которую называют вынимаемой мощностью. Различают также минимальную мощность пласта. Минимальная мощность, при которой разработка пласта целесообразна, называется рабочей мощностью.

Классификация угольных пластов и рудных залежей по нормальной мощности представлена в табл. 3.2. Различие классификаций обусловлено также особенностями технологии и способа разработки. Элементы залегания пластовых месторождений являются более или менее выдержанными. Для рудных тел они изменяются, как правило, в широких пределах.

Классификация залежей полезных ископаемых по мощности
Таблица 3.2 Классификация залежей полезных ископаемых по мощности

Это деление по углу падения и мощности связано с тем, что их величины соответствуют различным условиям разработки и применению различных способов выемки (непосредственной добычи) руды.

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 на разных глубинах.

В настоящее время подземную добычу полезных ископаемых осуществляют как на 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, известняков и др.). Этим способом осуществляют разработку тел полезных ископаемых, имеющих различные размеры, достаточно большую мощность и залегающих преимущественно горизонтально или под небольшими углами наклона (впрочем, при очень большой мощности этот способ применяют и для крутопадающих тел полезных ископаемых). Открытая разработка месторождений производится до относительно небольших глубин — от нескольких метров (при добыче сырья для производства стройматериалов) до 700 м (при добыче угля, алмазов и руд).

В ряде случаев разработку верхней части месторождения полезных ископаемых осуществляют открытым способом, а нижнюю, глубокозалегающую — подземным; или наоборот, производят отработку подземным, а затем открытым способами. Открытые и подземные работы взаимоувязывают; способ разработки получил название комбинированного или, реже, совместного (при одновременном ведении открытых и подземных работ).

Физико-химическая разработка заключается в физическом, химическом или физико-химическом воздействии на полезное ископаемое или его ценные компоненты (растворение, разжижение, расплавление, перевод в жидкое или газообразное состояние) с целью извлечения их из породной массы (недр или отвалов) и выдачи по скважинам или другим каналам на поверхность. Такую разработку относят к специальной и называют иногда скважинной, или безлюдной (последнее название основывается на том, что в процессе добычи люди не находятся в горных выработках).

Физико-химическое извлечение осуществляют при всех способах разработки. В настоящее время ее применяют для добычи некоторых рудных и россыпных месторождений, серы и угля, для разработки забалансовых запасов полезных ископаемых, добыча которых обычными способами нерентабельна. В последнее время добыча полезных ископаемых физико-химическим методом производится из отвалов некондиционных руд и пустых пород. В будущем можно ожидать расширения области применения этой технологии освоения месторождений.

Морская добыча полезных ископаемых включает в себя разработку россыпных месторождений на шельфах, разработку месторождений, располагающихся на морском дне и под ним. Во всех случаях (за исключением прибрежных месторождений, расположенных под морским дном) осуществляют подводную добычу полезных ископаемых с различных плавающих специализированных судов. Практика морских разработок месторождений твердых полезных ископаемых в настоящее время еще не нашла широкого распространения; из морских месторождений, в основном на шельфе, осуществляют добычу магнетитовых и титаномагнетитовых песков, россыпного золота и платины, редкоземельных элементов, меди, серы, марганца, олова, никеля, кобальта и других полезных ископаемых.

Понятие о запасах полезных ископаемых, полноте и качестве их использования

Каждое горнодобывающее предприятие создается для извлечения какого-то количества полезного ископаемого, обнаруженного в недрах при проведении геолого-разведочных работ. Это количество и называется запасами для данного предприятия. Разведка месторождений сопровождается подсчетом запасов полезных ископаемых в недрах.

В зависимости от степени разведанности месторождения или его части, изученности качества минерального сырья и горнотехнических условий разработки месторождений запасы разделяют на четыре категории (A, B, C1 и C2).

К категории А относят часть запасов, изученных с детальностью, которая обеспечивает: полное выявление условий залегания, форм и строения тел полезных ископаемых, природных типов и промышленных сортов минерального сырья, их соотношения и пространственного положения; выделение и оконтуривание безрудных и некондиционных участков внутри тел полезных ископаемых; полное выяснение качества, технологических свойств полезного ископаемого и природных факторов, определяющих условия проведения горно-эксплуатационных работ.

К категории B относят часть запасов, характеризующихся изученностью, которая обеспечивает: выяснение основных особенностей условий залегания, формы и характера строения тел полезных ископаемых, природных типов и промышленных сортов минерального сырья и закономерностей их распределения без точного установления пространственного положения каждого типа; соотношений и характера безрудных и некондиционных участков внутри тел полезных ископаемых без точного их оконтуривания; качества, основных технологических свойств полезных ископаемых и главных природных факторов, определяющих условия проведения горно-эксплуатационных работ.

К категории C1 относят часть запасов, изученных с детальностью, обеспечивающей выяснение в общих чертах условий залегания, формы и строения тел полезных ископаемых, их природных типов, промышленных сортов, качества, технологических свойств, а также природных факторов, определяющих условия проведения горно-эксплуатационных работ.

И наконец, к категории C2 относят часть запасов, условия залегания, форма и распространение тел полезных ископаемых которых определены на основании геологических и геофизических данных, подтвержденных вскрытием полезных ископаемых в отдельных точках, или по аналогии с изученными участками месторождения.

Контуры запасов категории А определяются разведочными скважинами и горными выработками; контуры запасов категории в — по данным разведочных выработок с включением (при устойчивой мощности и выдержанном качестве полезных ископаемых) ограниченной зоны экстраполяции; контуры запасов категории C1 — на основании данных разведочных выработок и экстраполяции по геологическим и геофизическим данным; контуры запасов категории C2 — на основании определения качества полезных ископаемых по единичным пробам и образцам или по данным примыкающих разведочных участков в пределах геологически благоприятных структур и комплексов горных пород.

Помимо запасов перечисленных категорий для оценки потенциальных возможностей рудных зон, полей, бассейнов и районов при необходимости на основе общих геологических представлений определяются так называемые прогнозные запасы.

При наличии комплексных полезных ископаемых запасы содержащихся в них основных ценных компонентов учитывают по одним и тем же категориям, в то время как запасы сопутствующих ценных компонентов могут (в зависимости от степени их изученности) подсчитываться и по другим категориям.

Запасы, включающие в себя общее количество полезных ископаемых, выявленных при разведке месторождения, называют геологическими. Далеко не все геологические запасы подлежат в настоящее время извлечению из земных недр, только часть из них содержит полезные ископаемые, которые по своим качественным характеристикам удовлетворяют требованиям промышленности и могут быть рентабельно использованы в народном хозяйстве.

Проектирование горных предприятий производят при наличии на месторождении или его участке утвержденных ГКЗ (Государственной комиссией по запасам) балансовых запасов полезных ископаемых категорий А, В, C1. Соотношение этих категорий запасов устанавливают в зависимости от сложности разведуемых месторождений или их участков. При этом выделяют три группы месторождений.

К первой группе относят месторождения простого строения с выдержанной мощностью тел полезных ископаемых и равномерным распределением полезных компонентов. По категории А для этих месторождений должно быть разведано не менее 10 % балансовых запасов, а по категориям А+В — не менее 30 % (для месторождений коксующихся углей эти величины соответственно должны составлять 30 и 60 %).

Ко второй группе относят месторождения сложного строения с невыдержанной мощностью тел полезных ископаемых или неравномерным распределением полезных компонентов. Для этих месторождений не менее 20 % запасов должно быть разведано по категории В.

К третьей группе относят месторождения очень сложного строения с резко изменчивой мощностью тел полезных ископаемых или с исключительно невыдержанным содержанием полезных компонентов. Для этих месторождений допускают разведку запасов по категории C1.

При проектировании горных предприятий для определения перспектив их развития, а также для более полного использования минеральных ресурсов необходимо учитывать запасы категории С2 и забалансовые запасы.

В процессе проектирования горных предприятий определяют так называемые промышленные запасы, представляющие собой количество полезных ископаемых, которое может быть добыто из разведанного месторождения при его разработке.

При разработке разведанного месторождения некоторое количество полезных ископаемых оставляют в недрах — «теряют»; потери полезных ископаемых, учитываемые при проектировании горных предприятий, и представляют собой разницу между балансовыми и промышленными запасами.

Разработка месторождения обычно сопровождается проведением эксплуатационной разведки, в результате которой категории разведанности запасов той или иной части месторождения повышаются, а также меняется соотношение балансовых и забалансовых запасов. Выемка полезных ископаемых, естественно, приводит к уменьшению балансовых запасов. С учетом изложенного происходит изменение состояния запасов, называемое движением запасов. На горных предприятиях геолого-маркшейдерская служба ведет строгий учет состояния и движения запасов, осуществляет оперативный пересчет запасов.

По относительной ценности запасы Zi подразделяются на балансовые и забалансовые. Следовательно,

Zгеол = Zбал + Zзаб.

Балансовые запасы — разведанные и изученные запасы, использование которых экономически целесообразно и которые должны удовлетворять требованиям, устанавливаемым для подсчета запасов в недрах данного месторождения.

Забалансовые запасы — разведанные и изученные запасы, использование которых экономически нецелесообразно при современном уровне техники и технологии добычи (малое количество, малая мощность, высокая зольность, сложность залегания и пр.).

Балансовые запасы подразделяются на промышленные и потери, т. е.

Zбал = Zпр + Zп.

Промышленные запасы — часть балансовых запасов, подлежащая извлечению и выдаче на поверхность. Отношение промышленных запасов к балансовым называют коэффициентом извлечения (С). Следовательно,

С = Zпр /Zбал.

Потери — часть балансовых запасов, остающаяся в недрах при их разработке. Отношение потерь к балансовым запасам называют коэффициентом потерь Кп, т. е.

Кп = Zп /Zбал.

Вполне очевидно, что С + Кп = 1.

Избежать потерь полезного ископаемого при разработке практически невозможно. Их величина зависит от экономических, геологических и технических факторов. Основными из них являются: мощность и угол падения, наличие охраняемых объектов на поверхности месторождения, сложность залегания, способ разработки, применяемая техника и технология добычи и др. Осуществление мероприятий по снижению потерь нередко связано с дополнительными затратами, что влечет за собой удорожание добычи.

Фактический уровень потерь для различных месторождений колеблется в широких пределах. Например, на угольных месторождениях с пологими и наклонными пластами средней мощности потери достигают 10–15 %, с мощными крутонаклонными и крутыми — 25–30 % и более.

На рудных месторождениях в зависимости от применяемых способов разработки геотехнологии потери колеблются в пределах 4–6 % до 40–50 %.

В предложенной акад. М.И. Агошковым классификации потерь твердых полезных ископаемых при разработке месторождений, принятой в «Типовых методических указаниях по определению и учету потерь при добыче», в основу положены два признака: состояние потерянного полезного ископаемого и его местонахождение.

По этой классификации все виды потерь делят на два класса, которые раздельно и по-разному учитываются.

I класс — общерудничные потери.

К ним относят: оставление руды в неизвлекаемых охранных целиках по границам горного отвода, около капитальных горных выработок, под зданиями и сооружениями, под коммуникациями, водоемами, водоносными горизонтами, заповедными зонами и т. п.

II класс — эксплуатационные потери, т. е. потери, происходящие в процессе разработки. В свою очередь, эксплуатационные потери по состоянию потерянного полезного ископаемого делят на две группы.

  1. Потери руды в массиве — в целиках, в которых проведены горноподготовительные выработки, в опорных (поддерживающих) целиках внутри выемочного участка, в ограждающих целиках около мест завалов, затоплений, пожаров, а также в местах выклинивания залежи, в подработанных частях рудного тела, в очистном пространстве в результате неполной отбойки у контакта залежи и т. п.
  2. Потери отделенной от массива (отбитой) руды — оставленной в выработанном пространстве слишком сильно разубоженной руды или застрявшей на неровностях лежачего бока, просыпанной рудной мелочи в закладку, а также в местах обрушений, завалов, затоплений, с очагами возгорания, погрузки, разгрузки, складирования, сортировки руды и на транспортных путях горного производства.

Кроме количественных потерь при добыче часто происходят качественные потери — снижение качества добытого полезного ископаемого как следствие примешивания к нему вмещающих пород (пустых или с непромышленным содержанием полезного компонента). Примешивание породы к полезному ископаемому и происходящее в результате этого снижение качества добытого полезного ископаемого (по сравнению с природным) принято называть разубоживанием.

Разубоживание полезного ископаемого бывает эксплуатационным, и его делят на три группы.

  1. Разубоживание от засорения вмещающими породами или закладочным материалом — из-за неточной отбойки руды у контакта залежи (из-за «прихвата» пустых пород), отслоений пустых пород с боков очистного пространства, при выпуске руды под обрушенными породами, когда часть пород смешивается с рудой и выдается как рудная масса, при валовой отбойке очень тонких рудных тел и т. п.
  2. Разубоживание от потери полезного ископаемого с повышенным содержанием полезного компонента — при просыпании в закладку, через щели настилов обогащенной рудной мелочи, при доставке и транспортировке, а также при оставлении в очистном пространстве целиков из сравнительно богатой залежи (крайне редко).
  3. Разубоживание от выщелачивания шахтной водой полезных компонентов, содержащихся в полезном ископаемом в виде растворимых соединений.

Как количественные, так и качественные потери (разубоживание) отрицательно влияют на экономические показатели разработки месторождений.

Количественные потери вызывают рост затрат на разведку, увеличение амортизации капитальных затрат и расходов по подготовке к очистной выемке на добытое полезное ископаемое, а также приводят к недополучению прибыли от потерянной части полезного ископаемого. Кроме непосредственного экономического ущерба потери ведут к сокращению срока существования рудника (шахты, этажа) и необходимости досрочного вложения затрат в строительство нового рудника (шахты) или вскрытие и подготовку нового этажа. При разработке полезных ископаемых, склонных к возгоранию или самовозгоранию, потери могут являться причиной возникновения рудничных пожаров, приносящих огромный ущерб.

Применение способов и систем разработки с повышенными количественными потерями обычно бывает оправдано снижением себестоимости добычи или качественных потерь.

Необходимо иметь в виду, что качественные потери (разубоживание) при добыче приводят к экономическому ущербу для предприятия не менее значительному, чем количественные потери. Этот ущерб выражается: в непроизводительных затратах на транспортирование примешанной породы и переработку ее на обогатительной фабрике или металлургическом заводе; в увеличении потерь полезного компонента при переработке разубоженной руды; в снижении производственной мощности перерабатывающих руду предприятий по конечной продукции (концентрату, металлу) и нередко — в ухудшении качества этой продукции.

В итоге качественные потери при добыче приводят к недополучению предприятием прибыли, часто в очень больших размерах.

Разубоживание принято выражать как отношение количества примешанной породы (В) к общему количеству добытой рудной массы (Д).

Коэффициент разубоживания:

Р = В / Д.

Разубоживание в процентах:

Р = (В / Д) • 100.

Но определить количество примешанной породы в добытой руде не всегда возможно. Поэтому величину разубоживания выражают также через снижение содержания полезного компонента в добытой руде (рудной массе) по сравнению с содержанием в руде в месторождении.

Коэффициент разубоживания по содержанию:

Рс = (с — а) / с,

где с и а — содержания полезного компонента соответственно в руде месторождения и в добытой руде (рудной массе).

Разубоживание по содержанию в процентах:

Рс = ((с — а) / с ) • 100.

Поскольку количественные и качественные потери в процессе разработки между собой взаимосвязаны (обычно с увеличением количественных потерь снижаются качественные потери), то допускаемую величину тех и других нужно определять совместным технико-экономическим расчетом.

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 на 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 (на россыпных месторождениях и в угольной промышленности — разрезом). В каждый данный момент карьер ограничен верхним контуром — линией, ограничивающей карьер на 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 на 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. 3.7.).

Забой и устье выработки
Рис. 3.7. Забой и устье выработки

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.

Поверхности, ограничивающие выработки с боков, называют бортами выработки. Поверхность, ограничивающая выработку сверху, называется кровлей, снизу — почвой (рис. 3.8).

Поперечное сечение горной выработки
Рис. 3.8. Поперечное сечение горной выработки

Вертикальные горные выработки могут иметь непосредственный выход на 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 выхода 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. 3.9).

Горные выработки
Рис. 3.9. 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 — бремсберг; 13 — людской ходок; 14 — уклон; 15 — очистной забой

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. 3.10).

Расположение штреков относительно залежи полезного ископаемого
Рис. 3.10. Расположение штреков относительно залежи полезного ископаемого

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.

К наклонным выработкам, не имеющим непосредственного выхода на 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 его 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.