Особенности разработки жильных месторождений
Основы горного дела

Особенности разработки жильных месторождений

Особенности строения, вскрытия, подготовительных работ и типы геотехнологий

Рудными жилами принято называть рудные тела, у которых два геометрических измерения (обычно размеры по линии падения и по линии простирания) намного больше третьего (размер вкрест простирания, именуемый мощностью жилы).

Рудные жилы по генетическому признаку можно разделить на две основные группы:

  • жилы выполнения, образовавшиеся путем заполнения («выполнения») трещинной полости в горных породах минеральным веществом;
  • жилы замещения, образовавшиеся в основном путем метасоматического замещения горных пород минеральным веществом вдоль трещин, по которым циркулировали рудоносные растворы.

Нередко при образовании жил происходили одновременно процессы выполнения и замещения.

Рудные жилы магматогенного происхождения как первой, так и второй группы образуются в процессе кристаллизации рудных и сопровождающих их жильных минералов из горячих водных растворов, минерализованных газов и рудоносных расплавов, поднимающихся вдоль трещин и разломов в горных породах. Гидротермальные месторождения (жилы) поэтому почти всегда приурочены к таким местным геологическим структурам, с которыми связаны трещины и разломы (к сводовым частям и внутрипластовым трещинам антиклинальных складок, к трещинам в изверженных горных породах и т. д.).

Второстепенное практическое значение имеют гипергенные рудные жилы, образовавшиеся путем кристаллизации минералов из поверхностных растворов, которые опускаются по трещинам. Обогащение раст-воров металлами происходит в этом случае за счет ранее сформированных рудных жил или выщелачивания вмещающих пород.

По форме жилы делятся на простые и сложные. Простую форму обычно имеют жилы выполнения. Контакты простых жил с вмещающими горными породами обычно более или менее отчетливы и правильны. В жилах так называемого поясового, симметричного или несимметричного строения с неравномерным выполнением рудного тела различным минеральным веществом контакты обычно сложены иными породами, чем центральная часть.

Сложные жилы состоят из ряда тонких жил и множества прожилков, которые возникают вследствие разветвления главной трещины на сеть более тонких трещин, служащих путями для движения рудоносных растворов. Сложные жилы с обеих сторон не имеют четко выраженных контактов с боковыми породами.

Среди простых и сложных жил, в свою очередь, можно выделить ряд морфологических разновидностей: плитообразные, гребенчатые, рубцовые, четковидные, камерные, линзообразные, чечевицеобразные, сетчатые, лестничные, ступенчатые, седловидные, кулисообразные, минерализованные зоны разломов, зоны вкрапления, зоны разлистования, штокверки и др.

Некоторые из этих наименований в практике употребляются очень редко или даже совсем не употребляются. В чрезмерном дроблении жил на морфологические типы для изучения систем разработки жильных месторождений нет необходимости, оно может привести к путанице и усложнению терминологии.

Достаточно в группе простых жил различать плитообразные, рубцовые, камерные и линзообразные, а в группе сложных жил — сетчатые, ветвящиеся, лестничные, седловидные, рудные зоны и штокверки.

Плитообразные жилы имеют довольно постоянную, чаще небольшую мощность и обычно значительные размеры по простиранию и падению.

Рубцовыми называют жилы, в которых утолщения (раздувы) разной длины чередуются с участками пониженной мощности (рис. 6.65). Если раздувы в жиле находятся очень близко друг от друга, то такие жилы иногда называют четковидными. Выделять последние особо от рубцовых жил не имеет смысла, потому что между ними нельзя провести какой-то определенной границы.

Рубцовая жила
Рис. 6.65. Рубцовая жила (рудник «Дарасун»)

Камерные жилы (рис. 6.66) по существу также представляют разновидность рубцовых, но их особенностью является наличие очень мощных, отчетливо выраженных раздувов, имеющих форму «камер».

Камерная жила
Рис. 6.66. Камерная жила (рудник «Дарасун»)

Линзообразные жилы характеризуются чередованием значительной длины по простиранию и падению линзообразных раздувов жилы и полных выклиниваний ее также на более или менее значительном протяжении.

Сетчатая жила
Рис. 6.67. Сетчатая жила (рудник «Дарасун»)

Сетчатые жилы (рис. 6.67) состоят из большого количества сближенных жил и прожилков, пересекающихся в различных направлениях и в своей совокупности образующих промышленное рудное тело с более или менее постоянной мощностью.

Ветвящаяся жила в зоне разлистования
Рис. 6.68. Ветвящаяся жила в зоне разлистования

Ветвящиеся жилы отличаются от сетчатых тем, что слагающие их основные ветви жилы и прожилки не секут друг друга в различных направлениях, а располагаются более или менее согласно в пределах зоны разлистования (рис. 6.68) или вдоль трещин (зон) разлома. Иногда основная жила местами бывает выражена отчетливо, но затем расщепляется (ветвится) на ряд более тонких жил и прожилков (рис. 6.69), которые снова соединяются и т. д. Следует отметить, что между сетчатыми и ветвящимися жилами имеются переходные разновидности.

Ветвящаяся жила
Рис. 6.69. Ветвящаяся жила (рудник «Дарасун»)

Лестничные жилы (рис. 6.70) состоят из серии коротких жил и прожилков, располагающихся в дайках перпендикулярно или диагонально их мощности.

Лестничные жилы на руднике «Монинг стар»
Рис 6.70. Лестничные жилы на руднике «Монинг стар» (западная Австралия)

Седловидные жилы образуются в сводах антиклинальных складок (рис. 6.71).

Седловидные жилы
Рис. 6.71. Седловидные жилы

Морфология жил оказывает очень большое влияние на выбор систем разработки и технологию очистной выемки.

По отношению к вмещающим породам жилы можно разделить на секущие и согласные.

Секущие жилы рассекают вмещающие породы под углом; элементы их залегания не связаны с напластованием, слоистостью, чередованием состава вмещающих пород.

Согласные жилы располагаются согласно простиранию и падению вмещающих пород или вдоль поверхности контактов изверженных пород с осадочными и метаморфическими. Частный случай согласных жил — седловидные жилы.

Химический состав и физические свойства вмещающих пород оказывают влияние на формирование жильных месторождений как в момент образования рудоносных растворов, так и в процессе отложения руд во время циркуляции растворов по трещинам. Известен ряд пород (известняки, доломиты, мергели, конгломераты с известковым цементом), химический состав которых весьма благоприятен для их метасоматического замещения. Но и в этом случае замещение может не произойти, если породы не обладают свойствами проницаемости, т. е. не имеют трещин, пористости, сланцеватости, являющихся необходимыми факторами для локализации оруднения.

Часто в результате прохождения рудоносных раст-воров по трещинам происходит околорудное изменение пород, выражающееся в их окварцевании, серицитизации, пиритизации, хлоритизации, турмалинизации и др. В некоторых случаях околорудноизмененные породы содержат вкрапленное оруднение, которое является кондиционной рудой.

При установлении области применения систем с раздельной и валовой выемкой и особенно при выборе систем разработки жильных месторождений важен характер контактов рудного тела с вмещающими породами. В литературе этот вопрос освещен очень слабо, поэтому остановимся специально на характеристике контактов жил и вмещающих пород.

По времени образования контакты можно разделить на сингенетические и эпигенетические, а по отношению к тектоническим нарушениям на нормальные и тектонические.

Сингенетические контакты характерны для рудных тел, которые образуются одновременно с вмещающей их горной породой, в противоположность эпигенетическим, появляющимся при выполнении жильным веществом ранее существовавших открытых трещин.

Нормальные контакты — это контакты, возникшие при образовании жилы и не нарушенные послерудными смещениями. Переход от руды к вмещающей породе в данном случае может быть как постепенным, так и резким.

Тектонические контакты обычно возникают вследствие послерудных смещений. Для них характерна резкая граница между рудой и породой, наличие плоскостей скольжения, глинистых, тонких слюдяных и других оторочек, обусловливающих легкую отделяемость руды от вмещающих пород.

Контакты могут быть четкими и неясными. Четкие контакты обычно наблюдаются в жильных телах выполнения открытых трещин. Для месторождений с четкими контактами характерно различие в вещественном составе рудного тела и вмещающих пород, что позволяет на глаз легко определить контур рудного тела. Неясные контакты, характеризующиеся постепенным переходом от рудного тела к вмещающей породе, чаще всего наблюдаются в жилах метасоматического замещения. Иногда переход от руды к вмещающей породе настолько постепенен и незаметен, что уловить границу можно только путем тщательного опробования.

По форме контактовые поверхности можно разделить на ровные и извилистые. При ровных контактах не наблюдается ответвлений жилы, апофиз, оруднения вмещающих пород. извилистые контакты характеризуются наличием апофиз, ветвлением самой жилы, а также метасоматическим замещением рудным веществом вмещающей породы.

По степени отделяемости контакты различают на прочные и слабые. При прочных контактах сопротивление при отделении руды от породы по контакту очень велико. Часто такие контакты грейзенизированы, скарнированы, окварцованы. В этом случае жильную массу невозможно чисто отделить от вмещающей породы; она отбивается вместе с породой в виде сростков, вследствие чего увеличивается разубоживание руды. При слабых контактах, наоборот, жильная масса не связана прочно с вмещающей породой, имеются прослойки из более мягкой породы (глина, слюда, охра и др.) или тектонические трещины, способствующие хорошей отделяемости жильной массы от боковой породы. При отбойке сростки жильной массы с породой, как правило, отсутствуют, и расход взрывчатых веществ по сравнению с отбойкой при прочных контактах резко уменьшается.

По сочетанию проведенных выше наиболее важных признаков — четкости, прочности и морфологии — можно выделить четыре основных типа контактов, встречающихся в жильных месторождениях.

  • I — Ровные, четкие, слабые
  • II — Ровные, четкие, прочные
  • III — Извилистые, четкие, прочные
  • IV — Извилистые, неясные, прочные

Другие типы контактов, как правило, не встречаются или встречаются редко.

Для разделения рудных тел по мощности пользуются различными классификациями. Применительно к жилам целесообразно следующие разделения их по мощности: весьма тонкие (мощность до 0,7 м), тонкие (от 0,7 до 2 м), средней мощности (от 2 до 4–5 м) и мощные (свыше 5 м).

Угол падения жильных месторождений бывает от 0 до 90°. Наиболее распространены крутопадающие жилы с углом падения свыше 45°, на долю которых приходится более 70 % общей добычи руды из жильных месторождений. Жилы с углом падения от 15–20 до 45° встречаются реже, еще более редки жилы с углом падения меньше 15–20°.

Угол падения жилы не всегда постоянен по ее длине и по падению. В одних случаях он с глубиной выполаживается, иногда (реже) становится круче. На ряде месторождений встречаются одновременно пологопадающие и крутопадающие жилы.

Распределение рудных минералов в жилах может быть самым разнообразным. Довольно редко встречаются месторождения с более или менее равномерной концентрацией рудных минералов по всей мощности жилы по простиранию и по падению. Чаще рудные минералы распределяются в жиле неравномерно (рис. 6.72).

Распределение золота в жиле
Рис. 6.72. Распределение золота в жиле (разрез в плоскости жилы)

Иногда они заполняют внутрирудные трещины, а также дробленые участки жильной породы. В таких участках образуются руды полосчатой и брекчиевой текстур. Значительно реже рудные тела сложены сплошными массами рудных минералов — сульфидов (свинцово-цинковые, медно-никелевые жилы).

Нередко рудные минералы, помимо основной жилы, включены во вмещающих породах в виде вкрапленности или прожилков.

Оруденение в жилах может быть мономинеральным, содержащим только один металл (золото, олово, вольфрам и др.), или полиминеральным, содержащим несколько металлов, как, например, свинец с цинком, медь, никель с кобальтом; вольфрам с молибденом; сурьма с ртутью и др.

Знание закономерности распределения полезных компонентов в рудном теле имеет большее значение, т. к. в зависимости от характера распределения рудных минералов применяются различные системы разработки.

Системы разработки жил, их классификация

Ввиду наличия многих специфических особенностей жильных месторождений для описания и анализа систем их разработки целесообразно иметь особую классификацию этих систем.

В предлагаемой классификации систем разработки жильных месторождений в качестве первичного признака их разделения на классы принято, как и в общей классификации систем разработки рудных месторождений, состояние очистного пространства. Для классификации систем внутри выделенных классов на группы использованы различные признаки, наиболее характерные для данного класса. Также по различным признакам в группах систем выделены и типы (рис. 6.73).

 Классификация систем разработки жильных месторождений
Рис. 6.73. Классификация систем разработки жильных месторождений

В классификации по возможности сохранены распространенные в практике наименования систем. Однако местные или не вполне правильные наименования в ряде случаев заменены новыми.

I класс. Системы с открытым очистным пространством.

Основная отличительная особенность систем этого класса — оставление очистного пространства в период разработки блока (панели, участка) открытым, т. е. свободным, не заполненным закладкой, отбитой рудой или обрушенными породами. Бока и кровля открытого очистного пространства поддерживаются оставляемыми временно или постоянно рудными целиками.

Обязательное условие применения систем с открытым очистным пространством — устойчивость вмещающих пород и руды. Но и при соблюдении этого условия в промежутке между целиками для поддержания отдельных заколов, отслоений и пр. нередко приходится сооружать искусственную крепь (чаще распорки); ее в таких случаях ставят нерегулярно, и она играет вспомогательную роль в поддержании. Часто крепь в открытом очистном пространстве сооружают не с целью поддержания вмещающих пород, а лишь в качестве платформы для людей, занятых на очистной выемке.

II класс. Системы с магазинированием руды (рис. 6.74, 6.75).

Система блокового магазинирования руды со сплошной выемкой по восстанию
Рис. 6.74. Система блокового магазинирования руды со сплошной выемкой по восстанию: 1 — массив руды; 2 — шпуры; 3 — восстающий; 4 — потолочина; 5 — целик; 6 — ходок; 7 — вентиляционный штрек; 8 — откаточный штрек

Главная отличительная особенность систем II класса — заполнение очистного пространства в блоке (под-этажа, слоя, его части) по мере выемки жилы отбитой рудой, полностью выпускаемой только после окончания отработки данного блока (подэтажа, слоя). Как и при системах с открытым очистным пространством, здесь основным средством поддержания вмещающих пород служат обычно междуэтажные и междукамерные рудные целики. Замагазинированная руда лишь в некоторой степени способствует поддержанию вмещающих пород, основное же ее назначение — служить платформой для работающих на очистной выемке людей.

Разработка залежи с частичным (слоевым) магазинированием полезного ископаемого
Рис. 6.75. Разработка залежи с частичным (слоевым) магазинированием полезного ископаемого: 1 — потолочина; 2 — слои полезного ископаемого; 3 — временный полок; 4 — выпускные окна; 5 — настил; 6 — отбойные рештаки; 7 — распорки; 8 — прогоны; 9 — накатник

Чтобы воспрепятствовать обрушению вмещающих пород или предотвратить развитие значительного горного давления при отработке жилы (или группы жил) на большой площади, выработанное пространство после выпуска замагазинированной руды иногда заполняют закладочным материалом. В других случаях после выпуска руды и выемки целиков вмещающие породы самообрушаются или их обрушают принудительно. Выработанное пространство при этом заполняется обрушенной породой.

III класс. Системы с креплением очистного пространства.

Этот класс систем применительно к жильным месторождениям характеризуется использованием в качестве основного средства поддержания очистного пространства различных видов крепи. Крепь одновременно может служить в качестве платформы для работающих.

Станковая крепь
Рис. 6.76. Станковая крепь: а — крепь в выработанном пространстве, заполняемом твердеющей закладкой; б — станок крепи; 1 — стойка; 2 — верхняк; 3 — распорка

Следует отметить, что существуют отдельные переходные разновидности систем с креплением, которые почти в одинаковой мере можно отнести к классу систем с открытым очистным пространством, т. к. здесь для поддержания вмещающих пород используются одновременно и играют почти равную роль как крепь, так и рудные целики (рис. 6.76). Условимся относить такие системы преимущественно к классу систем с креплением, имея в виду, что в этом случае очистное пространство в значительной степени заполнено крепью, а не является открытым.

IV класс. Системы с закладкой очистного пространства.

Основной признак, характеризующий системы IV класса, — заполнение очистного пространства по мере выемки руды закладочным материалом; закладочный массив в данном случае является основным средством поддержания вмещающих пород. Крепь в виде стоек, распорок, крепежных рам, костров сооружается в призабойном пространстве и используется в качестве вспомогательного, обычно временного средства поддержания. В необходимых случаях оставляют междуэтажные (подштрековые, надштрековые) и междублоковые целики.

V класс. Системы с креплением и закладкой очистного пространства.

В системах V класса объединяются характерные признаки двух предыдущих классов — с креплением и с закладкой очистного пространства. В отличие от систем с закладкой здесь роль крепи как средства поддержания не является второстепенной; крепь сооружается регулярно и часто имеет сложную конструкцию. В зависимости от способа очистной выемки системы разделены на три группы: 1) сплошные, 2) слоевые и 3) потолкоуступные, а по направлению очистной выемки каждая группа делится на типы.

Системы с креплением и закладкой при разработке жильных месторождений применяют еще реже, чем системы с креплением или системы с закладкой, т. к. они чрезвычайно трудоемки и отличаются самой низкой производительностью труда забойного рабочего. Их используют только в особо тяжелых горногеологических условиях — при весьма неустойчивой руде и вмещающих породах и необходимости предотвратить обрушение последних.

VI класс. Системы с обрушением вмещающих пород (рис. 6.77).

Системы VI класса отличаются от всех предыдущих классов тем, что очистное пространство по мере его образования вслед за выемкой заполняется обрушенными вмещающими породами. Вмещающие породы поддерживаются при помощи крепи обычно только у призабойного пространства.

Система разработки слоевым обрушением
Рис. 6.77. Система разработки слоевым обрушением

Эти системы имеют большее распространение при разработке пологопадающих пластов и жил. При крутом падении их применяют реже.

Системы данного класса разделены на три группы:

  • системы слоевого обрушения;
  • сплошные системы с обрушением кровли;
  • столбовые системы с обрушением кровли.

В каждой из этих групп типы систем выделяются по различным признакам: в первой — два типа систем по способу подготовки блока (наличию аккумулирующих выработок), который оказывает большое влияние на условия доставки руды и организацию очистной выемки; во второй группе — два типа по направлению очистной выемки и в третьей — три типа по способу выемки столба.

Очистные работы, технологические процессы и перспективные технологии

В состав очистных работ на жильных месторождениях входят обычно технологические процессы отбойки руды, ее доставки и крепления выработанного пространства.

Система с открытым очистным пространством и выемкой руды прирезками по простиранию из вертикальных буровых выработок
Рис. 6.78. Система с открытым очистным пространством и выемкой руды прирезками по простиранию из вертикальных буровых выработок

Малая мощность рудных тел на жильных месторождениях предопределила доминирующее применение мелкошпуровой отработки руды, в состав которой включают операции бурения шпуров, их заряжения и взрывания, а также проветривание очистного забоя.

Система разработки с открытым очистным пространством и отбойкой руды из горизонтальных буровых выработок
Рис. 6.79. Система разработки с открытым очистным пространством и отбойкой руды из горизонтальных буровых выработок

Доставка руды на крутопадающих месторождениях осуществляется за счет гравитационных сил (самотеком), а на пологих и наклонных для этого применяют скреперные установки или малогабаритные погрузодоставочные машины. Заряжание и взрывание шпуров осуществляется вручную (при использовании патронированных ВВ или специальными зарядными установками (при использовании гранулированных ВВ). Проветривание очистных забоев осуществляется за счет общешахтной депрессии; как правило, принудительное проветривание здесь запрещено. Развитие технологии очистной выемки в последние годы привело к созданию высокоэффективных вариантов отбойки руды скважинами из нарезных выработок. Здесь обозначились два принципиальных направления развития геотехнологии с выемкой руды прирезками по простиранию и горизонтальными скважинами из вертикальных:

  • с отбойкой буровых выработок монорельсовыми очистными комплексами КОВ-25 (рис. 6.78);
  • с отбойкой вертикальными скважинами из горизонтальных буровых выработок (подэтажей) самоходными буровыми установками различных конструкций (рис. 6.79).