Разработка рудных месторождений подземным способом
Основы горного дела

Разработка рудных месторождений полезных ископаемых подземным способом

Горные породы, окружающие месторождение или включенные в него, совсем не содержащие металла (полезного минерала) или содержащие, но в количестве, недостаточном для промышленной переработки, называют пустой породой.

Граница между рудными и нерудными ископаемыми условна. Многие полезные ископаемые, которые раньше использовались сразу же после добычи, в настоящее время подвергаются комплексной переработке для извлечения их них всех полезных компонентов. Иногда полезное ископаемое, например известняк, не подвергают переработке, иногда его используют как химическое сырье. Поэтому сейчас термин «руда» теряет свое первоначальное значение. Его применяют также и ко многим нерудным полезным ископаемым. В этом смысле понятием «руда» мы будем пользоваться дальше.

На выбор системы и технологии разработки из признаков, характеризующих месторождение, наибольшее влияние оказывают его форма (морфология), размеры и условия залегания.
По форме рудные тела можно подразделить на три группы:

  • изометрические, т. е. одинаково развитые во всех трех направлениях в пространстве;
  • столбообразные, т. е. вытянутые в одном направлении;
  • жильного типа — вытянутые в двух направлениях.

К первому типу рудных тел изометрической формы относятся штоки и гнезда. Часто они имеют неправильную форму, но все три измерения в пространстве более или менее равны между собой. Штоки отличаются от гнезд большими размерами, измеряемыми десятками и сотнями метров. Типичным гнездообразным месторождением является ртутное месторождение Хайдаркан (Средняя Азия).

Столбообразную форму имеют многие коренные месторождения алмазов. В Южной Африке алмазные трубки в глубину распространяются на несколько километров при поперечных размерах, измеряемых сотнями метров. В Криворожском бассейне к столбообразным относят рудные тела с длиной, превышающей мощность более чем в шесть раз.

Чечевицы и линзы представляют собой переходные формы от первой к третьей группе. Типичным представителем этого типа рудных тел являются уральские медно-колчеданные месторождения. Линзообразное месторождение медного колчедана Рио-Тинто (Испания) состоит из линз протяженностью от 300 до 1700 м и мощностью до 100–250 м.

Рудные тела третьей группы — пластовые и жильные — ограничены более или менее параллельными плоскостями (поверхностями) и имеют мощность, изменяющуюся в относительно небольших пределах. Жилы часто имеют неправильную форму и непостоянную мощность.

Рудные залежи этой же группы, отличающиеся от пластов менее выдержанной формой и мощностью, называют пластообразными.

Встречаются и более сложные формы рудных тел — седловидные, куполообразные и др.

В большинстве случаев месторождение бывает представлено не одним, а несколькими рудными телами. Эти совместно залегающие рудные тела бывают отделены одно от другого пустой породой; иногда они пересекаются, соединяются вместе и снова разделяются. При этом одно рудное тело является основным, а остальные — его ответвлениями.

Месторождения нередко нарушаются сбросами, сдвигами, бывают изогнуты, перемяты, раздроблены, в результате чего разработка их усложняется.

Чем неправильнее залежь по форме, чем больше тектонических нарушений она имеет, тем сложнее ее разработка, тем с большими потерями руды она происходит.

Кроме формы месторождения важным признаком является характер его контакта с вмещающими породами. Контакт в одних случаях бывает выражен резко, и рудное тело отчетливо отделяется от вмещающих пород. В других случаях переход от руды к пустой породе происходит постепенно, и границы промышленного оруденения можно установить только путем опробования. Разработка месторождений с отчетливыми контактами обычно проще. Иногда наличие оруденения во вмещающих породах, наоборот, благоприятно сказывается на разработке, т. к. руда при отбойке засоряется не пустыми, а рудоносными породами.

В зависимости от характера распределения рудных минералов различают: сплошные руды, состоящие из рудных минералов, смешанных с некоторым количеством породы, и имеющие обычно резкие границы с вмещающими породами; вкрапленные руды представляют собой относительно редкие вкрапления рудных минералов в рудной породе, как правило, имеющие отчетливые границы с вмещающими породами. На многих месторождениях встречаются оба типа руд; обычно в средней части рудного тела руды сплошные, а на периферии — вкрапленные. На Лениногорских свинцово-цинковых рудниках сплошные сульфидные руды по мере приближения к контакту лежачего бока постепенно беднеют и переходят в роговиковые вкрапленные руды. На Дегтярском медном месторождении сплошные медно-колчеданные или пиритные руды местами переходят в свинцовые вкрапленные руды. Некоторые залежи Кривбасса в центральной своей части или с одной стороны представлены сплошными богатыми рудами, которые постепенно в направлении лежачего бока замещаются вкрапленными рудами и затем слабо ожелезненными боковыми породами.

Одним из основных факторов, определяющих выбор системы, является угол падения. По углу падения месторождения делят на горизонтальные и пологопадающие с углом падения от 0 до 25°; наклонные с углом падения от 25 до 45° и крутопадающие с углом падения более 45°. Это деление связано с существенным изменением условий разработки и применением при разных углах падения различных способов очистной выемки и доставки руды.

Мощность рудного тела измеряют как расстояние между висячим и лежачим боками месторождения. Если это расстояние измеряют по нормали, то мощность называют истинной, если же ее измеряют по вертикали или горизонтали, то мощность соответственно называют вертикальной и горизонтальной. Вертикальной мощностью пользуются для пологопадающих рудных тел, горизонтальной — для крутопадающих.

В штокообразном месторождении мощностью считается меньший из его горизонтальных размеров. Больший горизонтальный размер называют длиной штока. Иногда мощностью штока считают его вертикальный размер, а горизонтальную мощность называют шириной. Последнее целесообразно, когда шток (массив) имеет значительные размеры по горизонтали и относительно небольшие по вертикали.

Мощность рудных тел может изменяться по простиранию и с глубиной постепенно или резко, закономерно или случайно. Непостоянство мощности характерно для рудных месторождений. Резкие изменения мощности затрудняют разработку.

Для месторождений с непостоянной мощностью рудных тел указывают крайние пределы ее колебаний, а также среднюю мощность по отдельным участкам месторождения.

По мощности рудные тела можно делить на пять групп.

  • Весьма тонкие, мощностью менее 0,6 м, при разработке которых очистная выемка сопровождается подрывкой вмещающих пород. Правилами безопасности допускается минимальная ширина очистного пространства 0,6 м, а высота (при пологом залегании рудных тел) 0,8 м.
  • Тонкие — мощностью от 0,6 до 2 м, при разработке которых очистную выемку можно вести без подрывки вмещающих пород, но проведение горизонтальных подготовительных выработок в большинстве случаев требует их подрывки.
  • Средней мощности — от 2 до 5 м. Верхняя граница мощности соответствует предельной длине простейшего вида крепи при очистной выемке — распорок, стоек. Разработка месторождений средней мощности может производиться без подрывки вмещающих пород как при очистной выемке, так и при проведении подготовительных выработок.
  • Мощные — от 5 до 20 м, очистная выемка в которых при крутом падении может производиться по простиранию на всю мощность.
  • Весьма мощные — более 20–25 м. Очистную выемку в этих рудных телах ведут обычно вкрест простирания.

Глубина залегания месторождения также в значительной степени определяет выбор способа разработки. Глубину залегания указывают от поверхности по вертикали до верхней и нижней границ месторождения. Расстояние между нижней и верхней границами месторождения по вертикали или по наклону пласта определяет глубину его распространения. Глубокозалегающими считаются месторождения с глубиной залегания более 800 м. На этой глубине начинаются своеобразные проявления горного давления, выражающиеся в стрелянии пород и горных ударах.

Рудной площадью месторождения называют площадь его горизонтального сечения.

Глубина залегания и распространения месторождения, рудная площадь, длина по простиранию, так же как и угол падения, на различных участках месторождения могут быть различными. Поэтому нередко на отдельных участках одного и того же месторождения применяют разные системы разработки.

Из всех физико-механических свойств руд и вмещающих пород наибольшее влияние на выбор системы разработки и технологию добычи оказывают крепость и устойчивость.

Крепость горных пород, определяемая совокупностью многих их физикомеханических свойств (твердостью, вязкостью, трещиноватостью, слоистостью, наличием инородных включений и прослоев), влияет на выбор системы разработки, машин и инструментов, применяемых при добыче, на производительность горных машин и производительность труда горнорабочих, на расход материалов и стоимости добычи.

Впервые классификация горных пород по «коэффициенту крепости» создана известным русским ученым проф. М.М. Протодьяконовым (старшим). Она до сих пор пользуется большим распространением в отечественной практике и литературе.

Показатели устойчивости горных пород, которые позволяли бы определять величину допускаемого обнажения, пока не установлены. Поэтому при выборе системы разработки, способа поддержания выработанного пространства и площади допускаемого обнажения пользуются приближенными характеристиками пород по их устойчивости.

По устойчивости руды и вмещающие породы можно разделить на следующие пять групп.

  • Очень неустойчивые — совсем не допускают обнажения кровли и боков выработки без крепления и, как правило, требуют применения опережающей крепи. При разработке рудных месторождений такие породы (плывуны, сыпучие и рыхлые породы, насыщенные водой) встречаются очень редко.
  • Неустойчивые — допускают небольшое обнажение кровли, но требуют прочного поддержания ее вслед за выемкой.
  • Средней устойчивости — допускают обнажение кровли на сравнительно большой площади, но при длительном обнажении требуют поддержания.
  • Устойчивые — допускают очень значительное обнажение кровли и боков и нуждаются в поддержании только в отдельных местах.
  • Очень устойчивые — допускают огромное обнажение как снизу, так и с боков и длительное время могут стоять, не обрушаясь, без поддержания. Породы этой группы встречаются реже, чем двух предыдущих групп. Породы 3-й и 4-й групп при разработке рудных месторождений встречаются наиболее часто.

Кусковатость отбитой руды (крупность кусков, получающихся при отбойке) характеризуется ее гранулометрическим составом, т. е. количественным соотношением кусков различных размеров в общей массе отбитой руды. Крупность кусков, имеющих неправильную форму, принято выражать средним размером по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Существуют различные градации кусковатости. Наиболее проста и удобна следующая градация.

Рудная мелочь — от рудной пыли до кусков с поперечными размерами 100 мм. При разработке жильных месторождений иногда производят сортировку руды, выборку из нее пустой породы, в этом случае выделяют особую градацию — несортируемая мелочь с размерами кусков менее 50 мм.

  • Руда средней крупности — от 100 до 300 мм.
  • Руда крупнокусковатая — от 300 до 600 мм.
  • Руда очень крупнокусковая — более 600 мм.

Кусковатость руды при отбойке зависит, с одной стороны, от физикомеханических свойств руды в массиве, в частности от ее строения, а с другой — от применяемого способа отбойки, диаметра взрывных шпуров и скважин, их расположения, типа взрывчатого вещества, способа взрывания и др.

Кондиционным куском руды называют кусок с максимально допустимым размером, который можно выдавать из добытого блока для погрузки в откаточные сосуды. При подземной разработке рудных месторождений он колеблется в среднем от 300 до 600 мм и иногда достигает 1000 мм.

Размер кондиционного куска оказывает большое влияние на выбор оборудования для всех производственных процессов добычи, доставки, погрузки, транспортирования.

Куски руды, превышающие кондиционные размеры, принято называть негабаритом.

Весовое количество негабаритных кусков в общей массе отбитой руды, выраженное в процентах, называют выходом негабарита.

Рудные месторождения по сравнению с угольными имеют целый ряд особенностей, вытекающих из их геологического происхождения. Они существенно влияют на содержание и технологические решения при разработке рудного месторождения.

Основными особенностями являются:

  • высокая крепость и абразивность руд, большинство из которых имеет коэффициент крепости 8–12, а более крепкие — 15–20. Это обусловливает необходимость применения на подземных работах в большинстве случаев взрывной отбойки, связанной с бурением и заряжанием шпуров и скважин;
  • разнообразие размеров и изменчивость элементов залегания рудных тел, что существенно влияет на принятие технологических решений, схем вскрытия и подготовки, а также на выбор систем разработки;
  • изменчивость содержания полезных компонентов и минералогического состава руд по объему залежи, что вызывает необходимость усреднения качества рудной массы, поступающей из различных блоков;
  • меньшая разрушаемость отбитой руды при самотечном перемещении ее по рудоспускам протяженностью до 100 м и более. Это оказывает влияние на особенности вскрытия месторождений и подготовки блоков;
  • меньшая достоверность информации о горно-геологических условиях и протекании технологических процессов, что затрудняет оперативный контроль их выполнения;
  • широкий диапазон устойчивости руд и вмещающих пород, что предопределяет многообразие технологических решений;
  • способность некоторых руд к слеживаемости и самовозгоранию, что ограничивает возможности применения систем разработки с магазинированием отбитой руды;
  • высокая ценность большинства руд, что обусловливает более жесткие требования к полноте и качеству извлечения полезного ископаемого;
  • отсутствие на большинстве рудников метановыделения, допускающее в подземных условиях применение открытого огня и аппаратуры в нормальном исполнении.

Стадии разработки рудных месторождений

Вскрытие состоит в проведении горных выработок, открывающих доступ к месторождению или его части с земной поверхности.

Подготовка (или подготовительные работы) — это проведение горных выработок — штреков, восстающих, ортов и др., которыми вскрытая часть месторождения разделяется на обособленные выемочные участки — этажи, блоки, панели, столбы.

Выемочный участок, в свою очередь, делится подготовительными и нарезными выработками на отдельные части: подэтажи, слои, полосы, прирезки, уступы, камеры, междуэтажные, междукамерные, междупанельные целики и др.

Очистная выемка — это технологический процесс извлечения руды из выемочного участка и поддержание образующихся при этом очистных выработок и очистного пространства. Очистное пространство может в процессе очистной выемки оставаться открытым, т. е. свободным, заполняться отбитой рудой, закладкой или обрушенными породами, либо поддерживаться крепью.

Планомерная и эффективная разработка месторождения возможна при условии строгой увязки во времени и пространстве вскрытия, подготовки и очистной выемки и при обеспеченности рудника (шахты) достаточными запасами вскрытого подготовленного и готового к выемке полезного ископаемого.

вскрытыми называют запасы руды в разрабатываемом месторождении или его части, находящиеся выше горизонта подсечения их вскрывающими выработками (шахтным стволом, квершлагами, штольнями).

Подготовленными называют запасы руды выемочных участков, в которых полностью пройдены подготовительные выработки, предусмотренные принятой системой разработки.

Готовыми к выемке называют запасы руды подготовленных выемочных участков, в которых полностью пройдены нарезные выработки, необходимые для производства очистной выемки.

Наличие достаточного количества вскрытых, подготовленных и готовых к выемке запасов руды обязательно для того, чтобы:

  • по мере отработки одних выемочных участков месторождения своевременно и планомерно развивать добычу руды на других участках в количестве и с качеством, установленными проектом;
  • иметь резервные выемочные участки на случай временного прекращения работ по вскрытию и подготовке или необходимости увеличения размера добычи сверх установленного ланом;
  • иметь запас времени для эксплуатационной разведки и дренажа частей месторождения, вводимых в эксплуатацию.

Особенности вскрытия рудных месторождений

Главными вскрывающими выработками являются шахтный ствол и штольня.

Кроме главных выработок для вскрытия используются: вспомогательные стволы, служащие для вентиляции и дополнительного выхода на поверхность; квершлаги, соединяющие главный и вспомогательные стволы с месторождением. Кроме того, для вскрытия нижележащих горизонтов и отдельных участков рудного тела проходят: слепые стволы, капитальные восстающие и уклоны.

Главные вскрывающие выработки служат для транспортирования полезного ископаемого на поверхность, для вентиляции, передвижения людей, доставки материалов, оборудования и других целей.

Ввиду ответственного назначения выработок вскрытия и большого срока службы очень важен правильный выбор их формы, размеров сечения и способа крепления.

При выборе формы сечения и способа крепления необходимо исходить из минимальных затрат по проведению и креплению выработки и расходов по ремонту ее крепи за все время существования.

Размеры выработки должны быть достаточными для нормальной работы транспорта, безопасными и удобными для передвижения людей, доставки материалов и оборудования, а также обеспечивать прохождение необходимого количества воздуха.

Штольни могут быть сводообразной, трапециевидной, реже прямоугольной формы и проводятся с уклоном 0,001–0,008 в сторону устья. Длина штолен достигает нескольких километров. Например, длина Мизурской штольни на Садонском руднике больше 4 км; медное месторождение рудника «Нейшенл таннел» (США) вскрыто штольней длиной 7300 м.

Штольня, как вскрывающая выработка, имеет ряд преимуществ по сравнению с шахтным стволом. Стоимость проходки и крепления 1 м штольни обходится в 5–7 раз (в зависимости от притока воды) дешевле, а скорость проходки в 3–5 раз выше. Транспортирование руды намного дешевле и от добычных блоков до обогатительной фабрики может осуществляться без перегрузки руды. Передвижение людей и грузов без-опаснее. Стоимость водоотлива значительно ниже, т. к. движение воды происходит самотеком и водоотливных установок не требуется. Стоимость поверхностных сооружений у устья штольни значительно ниже, т. к. не требуется сооружения копра, надшахтного здания и подъемной машины. Ремонт крепи штольни проще.

Шахтные стволы имеют прямоугольную и круглую форму сечения, редко эллиптическую. На большинстве новых рудников предпочитают проходить стволы круглой формы. Размер сечения ствола зависит от его назначения. Капитальные стволы служат одновременно для подъема руды и породы, подъема и спуска людей, спуска крепежных материалов, вентиляции. В них же размещают водоотливные и воздушные трубы, а также силовые кабели.

Главные вскрывающие выработки могут проходить:

  • по месторождению;
  • по пустым породам со стороны лежачего либо висячего бока или с флангов;
  • по пустым породам и руде, пересекая рудное тело.

По роду применяемых главных выработок можно выделить следующие способы вскрытия:

  • штольней;
  • вертикальным стволом;
  • наклонным стволом;
  • комбинированным способом.

Первые три способа можно объединить в группу простых способов вскрытия:

Простые способы. Вскрытие вертикальным шахтным стволом (по месторождению, по лежачему боку, по висячему боку и по флангам); вскрытие наклонным шахтным стволом (по месторождению, по лежачему боку и по флангам); вскрытие штольней (по месторождению, по лежачему боку, по висячему боку).

Комбинированные способы. Вертикальный шахтный ствол с поверхности с переходом в вертикальный слепой ствол; вертикальный шахтный ствол с поверхности с переходом в наклонный шахтный ствол; наклонный шахтный ствол с поверхности с переходом в наклонные слепые стволы; штольня с переходом в вертикальные слепые стволы; штольня с переходом в наклонные слепые стволы.

Вспомогательные стволы служат в основном для вентиляции и как дополнительный выход на поверхность, что диктуется условиями безопасности. Кроме того, их используют иногда для спуска и подъема людей, материалов, оборудования, для подъема пустых пород (или руды), для ускорения подготовки шахтного поля и этажей.

Взаимное расположение главных и вспомогательных стволов определяется принятой схемой проветривания.

При центральной схеме проветривания как главный, так и вспомогательный стволы располагаются в центре шахтного поля или вблизи центра на расстоянии не менее 30 м один от другого (рис. 6.31)

Схемы вентиляции шахт
Рис. 6.31. Схемы вентиляции шахт: а — центральная; б крыльевая; в — групповая; г — участковая

При диагональной схеме проветривания главный ствол располагается в центре шахтного поля, а вспомогательные стволы — на флангах. Особое место занимает вариант диагональной схемы проветривания, когда главный и вспомогательный стволы располагаются на разных флангах. Центральное расположение главных и вспомогательных выработок имеет ряд существенных достоинств: минимальное число вспомогательных стволов, поверхностных сооружений; возможность оставления у обоих стволов, если они заложены в висячем боку, общего охранного целика; легкость соединения главного и вспомогательного стволов, позволяющая ускорить начало очистных работ.

Вместе с этим центральное расположение имеет и много недостатков. Главные из них: удлиняется путь вентиляционной струи, в результате чего депрессия вентилятора возрастает на 30–40 % по сравнению с диагональным расположением, при наступающей выемке возможны утечки воздуха через выработанное пространство («короткие токи»); сложнее условия выхода людей на поверхность в случае аварии. Центральное расположение стволов при вскрытии рудных месторождений применяется значительно реже, чем диагональное.

Вместо вспомогательного ствола на одном из флангов в неглубоких рудниках малой производительности иногда проходят вентиляционный шурф, оборудованный лестничным ходом.

При разработке тонких жил на небольшой глубине вентиляционные шурфы располагают в нескольких местах по простиранию жилы и соединяют их с верхним этажным штреком. Нижние этажи проветривают через восстающие.

При значительной производственной мощности шахты или наличии в шахтном поле нескольких рудных тел иногда проходят несколько вспомогательных стволов различного назначения: для спуска и подъема людей, спуска закладки и выдачи пустой породы из подготовительных выработок, спуска материалов.

Большая длина шахтного поля на очень крупных шахтах вызывает необходимость разделения каждого из крыльев шахтного поля для проветривания на две секции.

При таком секционном проветривании вспомогательные стволы закладывают на флангах поля и в промежутках между флангами и главными стволами.

Штольневое вскрытие

Вскрытие штольней имеет ряд серьезных достоинств перед другими способами вскрытия, поэтому, когда позволяет рельеф местности и условия залегания месторождения, этому способу вскрытия отдают предпочтение.

Относительно рудного тела штольню располагают по простиранию, вкрест простирания или по диагонали к линии простирания.

При вскрытии маломощных месторождений по простиранию штольню проводят по руде; в мощных месторождениях штольню обычно располагают параллельно рудному телу по пустым породам и проводят от нее до месторождения квершлаги (или орты-заезды).

Расположение штольни в висячем или лежачем боку месторождения при вскрытии вкрест простирания определяется положением рудного тела относительно склона горы.

Как правило, месторождение выше уровня штольни отрабатывают несколькими этажами, поэтому возможны два варианта вскрытия.

В первом случае каждый этаж вскрывают самостоятельными штольнями (рис. 6.32), которые служат для проветривания, доставки материалов, выдачи пустой породы, передвижения рабочих. Руду с верхних этажей перепускают до нижней (капитальной) штольни по рудоспускам. Во втором случае проходят только одну нижнюю штольню. Этот вариант применяется, когда по условиям залегания рудного тела на каждом этаже пришлось бы проводить очень длинные штольни по пустым породам. Вышележащие этажи над штольней вскрывают капитальным восстающим или слепым стволом с вентиляционным и ходовым отделениями, а также клетевым подъемом для доставки людей, материалов и оборудования. Для перепуска руды обычно устраивают несколько рудоспусков.

Схемы вскрытия шахтного поля штольней, расположенной в висячем боку
Рис. 6.32. Схемы вскрытия шахтного поля штольней, расположенной в висячем боку

Устья штолен необходимо располагать в местах, не подверженных затоплению весенними и ливневыми водами. Размеры площадки перед устьем штольни должны обеспечивать размещение необходимых поверхностных сооружений; к площадке должны быть удобные подъездные пути. Последнее условие в гори-стой местности не всегда удается выполнить, и часто руду транспортируют от штольни по канатным дорогам или конвейерами.

Вскрытие вертикальными стволами

При вскрытии крутопадающего месторождения вертикальным шахтным стволом главный ствол, как и вспомогательные фланговые стволы, располагается за зоной сдвижения горных пород (рис. 6.33, 6.34). На каждом горизонте от главного ствола до месторождения проходят квершлаги, а вдоль рудного тела до вспомогательных стволов — штреки.

Схема вскрытия и подготовки запасов крутопадающего рудного тела, залегающего на глубине до 600 м, концентрационным горизонтом при поэтапной разработке
Рис. 6.33. Схема вскрытия и подготовки запасов крутопадающего рудного тела, залегающего на глубине до 600 м, концентрационным горизонтом при поэтапной разработке: 1 — скиповой рудоподъемный ствол; 2 – вентиляционный ствол; 3 — наклонный съезд; 4 — капитальный рудоспуск; 5 — дробильно-перегрузочный комплекс

Этот способ вскрытия является самым распространенным в горнорудной промышленности. Большинство железорудных месторождений Криворожья, Урала, месторождений руд цветных и редких металлов вскрыто вертикальными стволами, пройденными в лежачем боку.

Схема вскрытия и подготовки запасов крутопадающего рудного тела, залегающего на глубине более 600 м, концентрационными горизонтами при поэтапной разработке
Рис. 6.34. Схема вскрытия и подготовки запасов крутопадающего рудного тела, залегающего на глубине более 600 м, концентрационными горизонтами при поэтапной разработке: 1 — скиповой рудоподъемный ствол; 2 — вентиляционный ствол; 3 — грузовой ствол, оборудованный кабель-краном; 4 — слепой наклонный съезд; 5 — капитальный рудоспуск; 6 — дробильноперегрузочный комплекс

Вскрытие вертикальным стволом, пройденным в висячем боку, применяется значительно реже, т. к. при этом суммарная длина квершлагов по сравнению со вскрытием со стороны лежачего бока больше. Кроме того, наиболее длинными оказываются верхние квершлаги; это увеличивает первоначальные капитальные затраты и продолжительность вскрытия. Его применяют поэтому только в особых случаях, когда породы лежачего бока сильно водоносны или неустойчивы, когда заложение ствола в лежачем боку невозможно или невыгодно по условиям рельефа или застроенности поверхности.

Например, при вскрытии Кусинского месторождения титаномагнетитовых руд ствол был заложен в висячем боку вследствие наличия в породах лежачего бока водонасыщенных карстовых известняков.

Вскрытие наклонными стволами

При вскрытии месторождения наклонным стволом, пройденным в породах лежачего бока, параллельно месторождению от ствола шахты до рудного тела проходят квершлаги, длина которых, особенно на нижних горизонтах, значительно меньше, чем при вскрытии вертикальным стволом. Разница в длине квершлагов тем ощутимее, чем меньше угол падения рудного тела. Вспомогательные стволы на флангах месторождения в этом случае могут быть наклонными или вертикальными.

Вскрытие наклонными стволами в лежачем боку получило широкое распространение на Североуральских бокситовых рудниках.

При вскрытии наклонным стволом, пройденным по месторождению, квершлаги отсутствуют, и стоимость проходки ствола частично окупается попутно добываемой рудой. Однако кроме недостатков, присущих любому наклонному стволу, в этом случае возникает необходимость оставления охранного целика с обеих сторон от ствола. Ширина этого целика возрастает с глубиной.

Вскрытие наклонным стволом по месторождению может оказаться целесообразным только для тонких, слаборазведанных пологопадающих и наклонных жил с небольшой глубиной распространения. В очень редких случаях (рудник «Эрингтон», Канада) наклонные стволы располагают в висячем боку месторождения.

Схема вскрытия пологих и горизонтальных пластовых рудных тел и пластов, залегающих на глубине до 300 м
Рис. 6.35. Схема вскрытия пологих и горизонтальных пластовых рудных тел и пластов, залегающих на глубине до 300 м: 1 — наклонный конвейерный рудовыдачной ствол; 2 — вспомогательно-вентиляционный ствол; 3 — вентиляционный ствол или вентиляционная скважина

Пологие и горизонтально залегающие рудные тела на небольшой глубине вскрывают наклонными конвейерными рудовыдачными стволами в сочетании со вспомогательными вертикальными стволами или вентиляционными скважинами (рис. 6.35).

Комбинированные способы вскрытия

Сущность комбинированных способов вскрытия состоит в том, что разные части месторождения вскрывают различными выработками. Такое вскрытие целесообразно, в частности, в тех случаях, когда протяженность месторождения по падению велика и подъем по одному очень длинному стволу не обеспечивает заданной производительности. Комбинированное вскрытие характерно также для месторождений, залегающих в гористых местностях, которые распространяются ниже уровня штольни. В этом случае ниже штольни для вскрытия пользуются слепым стволом.

Рудные тела крутого падения могут быть вскрыты вертикальными стволами в сочетании с наклонным съездом для самоходного оборудования (рис. 6.36).

Схема поэтажного вскрытия и подготовки запасов крутопадающего рудного тела
Рис. 6.36. Схема поэтажного вскрытия и подготовки запасов крутопадающего рудного тела: 1 — скиповой рудоподъемный ствол; 2 — этажные квершлаги; 3 — дробильноперегрузочный комплекс

Близко расположенные зоны оруденения и отдельные залежи, существенно отличающиеся по качеству руды или составу полезного компонента, возможно, а иногда технически необходимо вскрывать одновременно и разрабатывать из единой сети в одном шахтном поле с формированием нескольких рудопотоков (рис. 6.37).

 Схема комплексного вскрытия рудного месторождения
Рис. 6.37. Схема комплексного вскрытия рудного месторождения: 1 — скиповой рудовыдачной ствол; 2 — вентиляционный ствол; 3 — капитальный рудоспуск; 4 — лифтовый подъемник; 5 — руды черных металлов; 6 — концентрационный горизонт; 7, 8 — рудоспуски соответственно для руд черных и цветных металлов; 9 — дробильно-перегрузочные комплексы; 10 — вентиляционно-вспомогательный ствол; 11 — руды цветных металлов

Околоствольные выработки

Совокупность подземных выработок, расположенных около шахтного ствола, именуется околоствольным двором.

Околоствольный двор состоит из выработок грузовой ветви, в которых производится разгрузка вагонеток в подземный бункер или загрузка их в клеть; выработок порожняковой ветки, служащих для сбора порожних вагонеток; выработок, соединяющих грузовую и порожняковую ветви; ряда камер: насосной, электроподстанции, подземной дробилки, электровозного депо, водосборников, диспетчерской и др.

В зависимости от способа подъема руды в стволе различают скиповые, клетевые и скипо-клетевые околоствольные дворы. Околоствольные дворы могут быть тупиковые и круговые, а также односторонние и двусторонние (рис. 6.38).

Круговой (а) и петлевой (б) околоствольные дворы
Рис. 6.38. Круговой (а) и петлевой (б) околоствольные дворы (черными и синими стрелками показано перемещение соответственно груженых и порожних вагонеток): 1 и 2 — соответственно угольная и породная разгрузочные ямы; 3 — основной (скиповой) ствол; 4 — вспомогательный (клетевой) ствол

Для шахт с небольшой годовой производственной мощностью характерен тупиковый клетевой односторонний околоствольный двор, где грузовая и порожняковая ветви сосредоточены в одной выработке. Этот околоствольный двор, обладая минимальным объемом, не может обеспечить высокой производительности вследствие сложности обмена порожних и груженых вагонеток.

В большинстве случаев околоствольные дворы с полным комплектом выработок устраивают на каждом этаже. Это создает благоприятные условия для подземного транспортирования руды, доставки материалов и оборудования, вентиляции и подготовки, особенно для месторождений с большими запасами руды на этаже.

Однако в ряде случаев, в частности, когда запасы руды в этаже невелики, а годовая производственная мощность шахты значительна (что возможно при современной интенсивной разработке месторождений), проходить на каждом этаже околоствольные выработки и длинные квершлаги оказывается экономически нецелесообразно и технически очень трудно. В этом случае квершлаги от ствола до рудного тела проводят не на каждом этаже, а через два-три этажа (редко более), т. е. применяют вскрытие групповыми квершлагами. При этом связь между стволом и откаточными выработками этажа осуществляется через вертикальные и наклонные выработки, которые обеспечивают спуск (реже подъем) руды до главных откаточных выработок, перемещение людей, доставку материалов и оборудования, проветривание.

Вскрытие крутопадающего месторождения вертикальным стволом с концентрационным горизонтом показано на рис. 6.39. Вскрытие концентрационными горизонтами значительно снижает затраты на горнокапитальные работы и позволяет интенсифицировать разработку месторождения. Наличие запаса руды в перепускных восстающих положительно сказывается на работа транспорта и подъеме.

Схема вскрытия и подготовки запасов наклонного рудного тела, залегающего на глубине более 600 м, концентрационным горизонтом
Рис. 6.39. Схема вскрытия и подготовки запасов наклонного рудного тела, залегающего на глубине более 600 м, концентрационным горизонтом: 1 — наклонный конвейерный рудовыдачной ствол; 2 — вентиляционный ствол; 3 — грузовой ствол; 4 — наклонный съезд; 5 — дробильно-перегрузочный комплекс; 6 — капитальный рудоспуск

К числу недостатков относятся: необходимость проходки и оборудования дополнительных выработок (восстающих, рудоспусков и др.) для связи этажных откаточных выработок с капитальным штреком или квершлагом, значительные затраты на поддержание рудоспусков, дополнительные расходы на перегрузку и (иногда) на откатку руды, доставку материалов и оборудования, усложнение спуска и подъема рабочих, затруднение подготовки, усложнение вентиляции.

Выбор места заложения ствола

Выбор места заложения ствола производится с учетом следующих главных факторов: безопасности; удобства расположения устья ствола и поверхностных сооружений; расходов на подземный и поверхностный транспорт руды и породы, доставку материалов к месту работ, вентиляцию подземных выработок; затрат времени на передвижение людей под землей к месту работ; а также местных факторов: местоположения обогатительной фабрики или завода, наличия на поверхности различных сооружений, дорог и пр.

Безопасность сооружения ствола определяется двумя основными элементами:

  • расположение вне зоны возможного нарушения горного массива (сдвижения пород);
  • наличие и правильный выбор размеров охранного целика.

Горные выработки и пустоты, образовавшиеся после выемки полезного ископаемого, заполняются со временем или сразу обрушающимися породами, в результате чего массив пород над месторождением деформируется и оседает. Этот процесс называется сдвижением пород. Сдвижение обычно вызывает плавное оседание земной поверхности, без разрыва ее сплошности, или резкое, со значительными смещениями и провалами.

Сдвижение горных пород при разработке
Рис. 6.40. Сдвижение горных пород при разработке: 1 — зона техногенного разрушения; 2 — геофизический экотон; 3 — область разгрузки; 4 — область повышенного горного давления; 5 — зона предельного равновесия; зоны: 6 — разломов; 7 — активных трещин; 8 — локальных трещин; 9 — плавной деформации

В области сдвижения горных пород выделяют несколько зон, которые показаны на рис. 6.40. Часть земной поверхности, подвергшуюся сдвижению, называют мульдой сдвижения. В пределы мульды сдвижения включают участки земной поверхности с величиной оседания 10 мм и более.

Сдвижение пород происходит по криволинейным поверхностям, но для графических построений их принимают за плоскости, образующие с горизонтальной плоскостью углы: граничный γ0, сдвижения γ’ и разрывов γ» (обрушения). Граничным углом ограничивается вся область сдвижения пород; плоскость разрывов проходит через крайние внешние трещины на земной поверхности; углом сдвижения определяется зона опасных сдвижений для поверхностных и подземных горнотехнических сооружений.

Если мощность отрабатываемого месторождения незначительна или разработка ведется на большой глубине, то сдвижение пород поверхности не достигает. Глубину разработки, при которой отработка полезного ископаемого не вызывает сдвижений земной поверхности, называется безопасной. Отношение минимальной безопасной глубины к мощности месторождения называют коэффициентом безопасности.

Коэффициент безопасности зависит от физико-механических свойстве пород и примерно равен: при разработке месторождений без закладки 200, с полной сухой закладкой 80, с мокрой закладкой 30.

Величина углов сдвижения зависит от физико-механических свойств пород, слоистости, водоносности угла падения месторождения, глубины разработки и изменяется в широких пределах. При неслоистом строении пород эти углы принимают в пределах 45–70°, при слоистом 30–65°.

Построение зоны сдвижения горных пород:
Рис. 6.41. Построение зоны сдвижения горных пород: α — угол падения рудного тела; ϕ — угол сдвижения в наносах; β; β1; δ — углы сдвижения в коренных породах по висячему, лежачему бокам и простиранию (соответственно)

Предохранить поверхностные сооружения и выработки вскрытия от сдвижения пород можно путем расположения их за пределами сдвижения или путем оставления под ними охранных целиков из руды (рис. 6.41 и 6.42). Так как фактические углы сдвижения могут оказаться меньше запроектированных, то в целях безопасности поверхностные сооружения и выработки вскрытия принято располагать на расстоянии 30–60 м, иногда до 120 м от границы зоны сдвижения на поверхности.

Построение охранного целика для ствола
Рис. 6.42. Построение охранного целика для ствола

В местностях с гористым рельефом ствол шахты (штольню) следует располагать так, чтобы он и обслуживающие его сооружения не пострадали от обвалов породы, оползней, снежных лавин, а также не были затоплены во время быстрого таяния снегов и сильных ливней.

По условию минимальной работы подземного транспорта ствол должен быть расположен в плоскости, перпендикулярной к простиранию и делящей запасы всего месторождения на равные или почти равные части.

С изменением места заложения ствола время, затрачиваемое на передвижение людей по откаточным выработкам до места работы, будет изменяться. Среднее расстояние передвижения всех работающих с изменением места заложения шахтного ствола будет изменяться примерно так же, как и работа подземного транспорта. Поэтому место заложения ствола, оптимальное по условиям транспорта, одновременно отвечает и оптимальным условиям по передвижению рабочих по выработкам основного горизонта. То же относится и к расходам по доставке материалов по откаточным выработкам.

Зависимость между положением ствола и расходами по вентиляции непостоянна, но подсчеты показывают, что место заложения ствола, отвечающее наименьшим расходам по вентиляции, примерно совпадает с решением, найденным из условия оптимальной работы подземного транспорта.

Существенное, иногда решающее значение при выборе места заложения устья ствола имеют местные факторы: физико-механические свойства пород, пересекаемых стволом, рельеф поверхности, местоположение обогатительной фабрики и др.

Следует избегать пересечения стволом плывунов, водоносных или нарушенных пород, проходка по которым сопровождается большими трудностями и требует усиленной крепи.

Рельеф поверхности должен обеспечивать удобное расположение поверхностных сооружений и вспомогательных цехов и отвалов. Расположение ствола должно быть удобным для подвода железной дороги. Путь к месту обработки руды должен быть наиболее коротким, легко сооружаемым и дешевым в эксплуатации. Иногда оказывается целесообразно изменить намеченное место заложения ствола только потому, что стоимость сооружения пути для поверхностного транспортирования руды и его последующей эксплуатации оказывается высокой.

Выбор варианта вскрытия и места заложения вскрывающих выработок выполняется на основе технико-экономического сравнения возможных вариантов в следующем порядке.

1. Устанавливаются технически возможные и подлежащие сравнению варианты вскрытия месторождения.

Для месторождений, состоящих из одного рудного тела, число этих вариантов обычно невелико. При выборе способа вскрытия для нескольких рудных тел число технически приемлемых вариантов возрастает. В этом случае возможны независимое вскрытие каждого рудного тела (рис. 6.43, а, б) и совместное вскрытие общей вскрывающей выработкой (рис. 6.43, в).

Независимое (а, б) и совместное (в) вскрытие рудных тел
Рис. 6.43. Независимое (а, б) и совместное (в) вскрытие рудных тел

2. Для технико-экономического сравнения вариантов выявляются капитальные затраты и эксплуатационные расходы, зависящие от вскрытия по отдельным статьям. При этом затраты и расходы одинаковые или очень близкие по величине для сравниваемых вариантов, а также все второстепенные затраты не подсчитывают и не включают в итоговую сумму. Все учитываемые затраты и расходы определяют для одного и того же периода времени; наиболее удобным является полный срок существования шахты.

3. Иногда для отдельных вариантов предварительно выявляют подварианты, сравнивают их между собой и лучший вводят в общее сравнение вариантов.

4. Подсчитанные для каждого варианта затраты и расходы по отдельным статьям сводят в общую таблицу.

5. Принято считать, что возможная неточность экономических подсчетов по вариантам составляет от 5 до 10 %. Поэтому если учитываемые суммарные затраты и расходы по какому-либо варианту превышают таковые по другому варианту не более чем на 5–10 %, но вместе с тем этот (первый) вариант имеет существенные преимущества в техническом отношении, то ему отдается предпочтение.

Технологическая схема рудника

Подземный рудник — сложная и разветвленная производственная система. Технология разработки месторождения требует выполнения большого числа производственных процессов, жестко взаимосвязанных между собой. Эти процессы можно разделить на основные и вспомогательные.

Основные производственные процессы включают в себя:

  • проведение горных выработок, обеспечивающих доступ к полезному ископаемому и добычу его;
  • отбойку руды, т. е. отделение руды от массива с дроблением ее на куски;
  • доставку руды — перемещение отбитой руды в пределах выемочного блока или панели;
  • вторичное дробление чрезмерно крупных кусков (негабарита); его применяют в большинстве случаев, однако оно может не понадобиться при мелком дроблении руды;
  • поддержание очистного пространства;
  • подземное транспортирование и подъем руды и пустой породы на поверхность, их складирование и отгрузка потребителям.

Отбойка, доставка руды, вторичное дробление негабарита, поддержание очистного пространства — процессы, обеспечивающие в совокупности выемку руды, их называют добычными (или очистными) работами.

Вспомогательные производственные процессы призваны обеспечить эффективное и безопасное выполнение основных. К ним относятся:

  • водоотлив (откачка воды на поверхность);
  • вентиляция (проветривание) подземных выработок;
  • энергоснабжение и освещение;
  • транспортирование материалов, оборудования, перевозка людей;
  • монтажно-демонтажные работы;
  • ремонтные работы.

Добытые руды черных и цветных металлов представляют собой сырье, которое за редким исключением (например, самородки) не может быть непосредственно использовано в промышленности. Поэтому рудное сырье подвергается последующей переработке, т. е. обогащению и металлургическому переделу.

Обогащение — выделение из руды полезных компонентов и их отделение от ненужных и вредных примесей. В результате обогащения получают концентраты, содержание металлов в которых гораздо выше, чем в исходной руде (для цветных металлов иногда в сотни раз).

Концентраты направляют на металлургический передел, из них получают металлы. Из богатых, например железных, руд при содержании железа более 50– 55 % металл можно получить непосредственно при металлургическом переделе сырой руды, минуя стадию обогащения.

Технологическая схема подземного рудника
Рис. 6.44. Технологическая схема подземного рудника

Обобщая сказанное, можно представить совокупность основных производственных процессов подземной добычи и переработки металлических руд в виде технологической схемы, которая отражает последовательность выполнения и взаимосвязь этих процессов, т. е. технологию работ, в которой отражено также отношение тех или иных производственных процессов к определенной стадии разработки месторождения (рис. 6.44).

Подготовка рудных месторождений

Подготовка — это проведение горных выработок для разделения вскрытых участков месторождения на очистные блоки и панели и обеспечения очистной выемки.

Подготовительные выработки — откаточные (транспортные) и вентиляционные штреки и квершлаги, орты, блоковые восстающие различного назначения, блоковые или панельные рудоспуски, наклонные съезды для перемещения самоходного оборудования между горизонтами.

Назначение подготовительных выработок заключается в следующем:

  • оконтуривание (выделение) этажа, шахтного поля, блоков или панелей;
  • создание связи блока (панели) с общерудничной транспортной сетью;
  • обеспечение эффективного проветривания рабочих мест;
  • обеспечение свободного доступа в забои и аварийного выхода из них, снабжения забоев оборудованием, материалами, энергией, высокопроизводительной выдачи из них добытой руды.

По местоположению подготовительных выработок можно выделить три способа подготовки:

  • рудная (выработки проведены по руде);
  • полевая (выработки проведены по пустым породам);
  • комбинированная, сочетающая в себе признаки рудной и полевой.

Рудную подготовку применяют при разработке крутых маломощных залежей, мощных залежей любого падения, пологих и горизонтальных залежей выдержанного залегания с транспортированием руды по почве.

Рудная подготовка обладает следующими достоинствами: доразведка запасов руды, меньшие затраты на проведение выработок за счет реализации попутно добываемой руды, меньший общий объем подготовительных выработок, т. к. они всегда производятся достаточно близко к очистным блокам.

К недостаткам рудной подготовки можно отнести проведение подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ (например, вблизи них осуществляют взрывную отбойку), что требует увеличения затрат на их сохранение; оставление вокруг рудных подготовительных выработок ограждающих целиков, которые вообще не отрабатывают или извлекают с большими потерями руды.

Полевую подготовку используют в основном при выемке руды с обрушением налегающих пород, и иногда — при разработке жильных месторождений.

Достоинствами этой подготовки являются размещение подготовительных выработок на удалении от очистных работ и вследствие этого лучшая их сохранность; меньшие потери руды в целиках; более прямолинейная трассировка выработок, обеспечивающая сравнительно быстрое движение транспорта.

К недостаткам полевой подготовки можно отнести больший общий объем подготовки из-за наличия подходных выработок к рудному телу; увеличение затрат на проведение выработок из-за отсутствия в них попутной добычи руды, обострение экологических проблем.

Схема комбинированной подготовки рудной залежи
Рис. 6.45. Схема комбинированной подготовки рудной залежи 1 — рудное тело; 2 — породы лежачего бока; 3 — штрек лежачего бока; 4 — погрузочный орт; 5 — этажный вскрывающий квершлаг; 6 — буровые подэтажи; 7 — выработка вентиляционного горизонта; 8 — блоковый восстающий; 9 — сбойки восстающего с подэтажами; 10 — пункты погрузки; 11 — штрек висячего бока

Комбинированная подготовка наиболее распространена при разработке месторождений вследствие своей гибкости по сравнению с рудной и полевой. Она сочетает в себе их достоинства и недостатки (рис. 6.45).