Добывающая промышленность и разработка карьеров

ДОБЫЧА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ — процессы извлечения твёрдых, жидких и газообразных полезных ископаемых из недр Земли с помощью технических средств. Исчисление добытых полезных ископаемых ведётся в абсолютных цифрах полученного из месторождения полезных ископаемых с учётом потерь (т.н. товарный продукт) и в пересчёте на полезный компонент (металл или оксид). Последнее делает сопоставимыми данные по добыче конкретного полезного ископаемого из различных месторождений (т. е, учитывает % содержания ценного компонента в полезных ископаемых).

Добыча полезных ископаемых насчитывает многотысячелетнюю историю. Процесс добычи полезных ископаемых состоит в извлечении ценного компонента в относительно чистом виде (например, нефть, природный газ, каменный уголь, каменная соль, драгоценные камни и др.) или в виде горной массы (например, руды металлов), которая в дальнейшем подвергается переработке.

На суше добыча полезных ископаемых ведётся шахтами, карьерами и буровыми скважинами; в морских акваториях — буровыми скважинами, драгами и специальными автономными подводными аппаратами, которые осуществляют сбор конкреций со дна.

1. Характеристика способов разработки месторождений

В зависимости от условий залегания месторождений и мощности залежей их разработку осуществляют открытым, подземным и комбинированным способами.

При открытом способе разработки полезное ископаемое добывают из недр при использовании открытых горных выработок, которые примыкают непосредственно к земной поверхности и имеют незамкнутый контур поперечного сечения (в отличие от подземных горных выработок). Добыча полезных ископаемых открытым способом осуществляется карьерами, представляющими собой совокупность горных выработок, предназначенных для разработки месторождений. Под термином «карьер» понимают также и горное предприятие, ведущее добычу полезного ископаемого открытым способом. Горные предприятия, разрабатывающие открытым способом месторождения угля, называют разрезами, а россыпи - приисками.

При подземном способе разработки полезное ископаемое добывают из недр посредством сооружения специальных подземных выработок. Добыча подземным способом осуществляется шахтой - самостоятельной производственной единицей, входящей в состав горного предприятия. Традиционно шахтой называется предприятие по подземной добыче каменного угля или горючих сланцев, в России существуют шахты для подземной добычи тяжёлой нефти (Ярега). При добыче подземным способом руды шахту называют рудни́к (в шахтёрских регионах распространено произношение с ударением на первый слог — ру́дник).

Шахта включает наземные сооружения:

копры (копер — надземное сооружение шахтного ствола, служит частью подъёмной установки),

надшахтные здания,

главные вентиляторные установки,

дробильно-сортировочные фабрики,

склады

совокупность подземных горных выработок, предназначенных для разработки месторождения в пределах шахтного поля – (шахтное поле — месторождение или его часть, отведенная для разработки одной шахтой).

Шахта — механизированное и автоматизированное предприятие, оснащенное производительными машинами и механизмами для добычи и транспортировки полезного ископаемого, проведения горных выработок, водоотлива и вентиляции. Срок службы шахт, отрабатывающих мощные месторождения, достигает 50-70 лет и более. Глубина отдельных шахт по добыче золота и алмазов достигает 4 километров.

В равнинной местности чаще всего вскрытие производится вертикальными стволами, реже — наклонными, от которых на разных горизонтах (этажах) проводятся квершлаги до встречи с залежью ископаемого. Квершлаг (нем. Querschlag) — горизонтальная, реже наклонная, подземная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и пройденная по вмещающим породам в крест простирания пласта полезного ископаемого. Квершлаг предназначается для вскрытия полезного ископаемого, транспортирования грузов (самоходным, рельсовым или конвейерным транспортом), а также для передвижения людей, вентиляции, стока воды и т. д. В гористой местности основные вскрывающие выработки — штольни. Штольня (от нем. Stollen — столб) — горизонтальная или наклонная горная выработка, имеющая выход на земную поверхность и обычно предназначенная для добычи полезных ископаемых или обслуживания горных работ. Является основной вскрывающей выработкой при разработке месторождений в районах с гористым рельефом. Иногда неосведомленные люди ствол или штольню называют собственно шахтой.

Рис. 1. Штольня

Рис. 1. Угольная шахта в разрезе: 1 — штреки; 2 — угольный пласт; 3 — бремсберг; 4 — ходки; 5 — надшахтные здания стволов; 6 — административно-бытовой комбинат; 7 — склад; 8 — угольный склад; 9 — террикон.

Штрек - горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, лежащая в горизонтальной плоскости и проходящая по простиранию рудного тела, служащая для проветривания и транспортировки.

Горная выработка — искусственная полость, сделанная в недрах земли или на поверхности.

Бремсберг (нем. Bremsberg, от Bremse — тормоз и Berg — гора), подземная наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и служащая для спуска полезного ископаемого в вагонетках или конвейерами с вышележащего на нижележащий горизонт. Синоним Б. — термин "спуск".

Открытый способ разработки отличается, прежде всего, большой возможностью в применении мощной техники для отбойки, погрузки и транспортирования горной массы, что позволяет обеспечить высокую производительность труда и низкую себестоимость добычи полезного ископаемого. Важное значение имеет и более полное извлечение при этом способе полезного ископаемого, а также лучшие по сравнению с подземным способом санитарно-гигиенические условия труда для горнорабочих. Все это способствует во все расширяющихся масштабах использовать открытый способ разработки месторождений. Основным препятствием для его повсеместного применения является большая глубина залегания рудных тел от поверхности или малая их мощность, при которой доступ к полезному ископаемому может быть обеспечен только после удаления большого количества вмещающих пород. Основные недостатки открытого способа разработки сводятся в основном к необходимости выемки, перемещения и складирования в отвалы больших объемов пустых пород, для размещения которых требуются значительные площади, что приводит в отдельных районах к потерям плодородных земель. В карьерах большой глубины создаются трудности в удалении газов и пыли после взрывных работ, что ухудшает санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих и загрязняет окружающую среду. Существующие инженерные методы газо- и пылеподавления при производстве массовых взрывов на карьерах пока отличаются малой эффективностью. Определенное влияние на эффективность открытой разработки оказывают климатические и атмосферные условия. Следует, однако, указать, что отмеченные достоинства открытого способа разработки во многих случаях преобладают над недостатками, что определяет его перспективность.

Подземным способом разрабатывают месторождения различных полезных ископаемых на разных глубинах: от 15 - 20 м при разработке россыпей длиной до 3 - 4 км при разработке золоторудных залежей. Большая толща пород, покрывающих месторождения, сложный рельеф земной поверхности, суровые климатические условия - вот те основные факторы, которые являются решающими при выборе подземного способа разработки. При этом способе разработки имеются технические возможности для значительного уменьшения выбросов газов и пыли в окружающую среду. Кроме того, объемы перемещаемых пустых пород незначительны по сравнению с открытым способом разработки, что требует небольших площадей для их размещения. Во многих случаях подземная разработка позволяет полностью сохранить поверхность. К недостаткам подземного способа разработки следует отнести большую, чем при открытом способе, опасность работ, меньшую возможность для применения мощной высокопроизводительной техники, более низкие показатели извлечения.

При комбинированном способе разработки верхняя часть месторождения отрабатывается открытым способом, а нижняя - подземным. Комбинированный способ применяют при разработке, как правило, мощных крутых глубоко залегающих месторождений, перекрытых сравнительно небольшой толщей наносов. Так как этот способ включает открытую и подземную разработку, то ему присущи их достоинства и недостатки. Стремясь использовать основные преимущества открытого способа разработки и устранить его недостатки, связанные прежде всего с транспортированием вскрышных пород, в определенных условиях его сочетают с подземной откаткой. Выбор способа разработки, как правило, производят методом технико-экономического сравнения производственных расходов по открытому и подземному способам и предпочтение отдают тому, при котором обеспечивается минимальная стоимость добычи (или концентрата). Иногда выбор способа разработки решается без каких-либо расчетов ввиду явного преимущества одного из этих способов.

Подавляющее число месторождений твёрдых полезных ископаемых разрабатывается с помощью шахт и карьеров, а также буровых скважин, путём искусственного перевода ряда твёрдых полезных ископаемых в подвижное (жидкое, газообразное) состояние (самородная сера, фосфаты, каменная соль, уголь и др.). На карьерах добывается около 90% бурых и 20% каменных углей, 70% руд металлов, 95% нерудных строительных материалов. Жидкие и газообразные полезные ископаемые (нефть, рассолы, подземные воды, природный газ) добываются с помощью буровых скважин, ряд нефтяных месторождений разрабатывается с помощью шахт, для выемки нефтенасыщенных песков ("тяжёлых" нефтей) используют разработку открытым способом. На ряде месторождений применяется комбинация способов добычи (открытого и шахтного, шахтного и скважинного). Выбор способа добычи полезных ископаемых определяется главным образом горно-геологическими условиями залегания полезных ископаемых, экономическими расчётами. По величине истинных мощностей угольные пласты подразделяются на следующие категории: весьма тонкие (h<0,5 м), тонкие (h=0,51- 1,3 м), средней мощности (h=1,31 -3,5 м), мощные ( h =3,51 - 15 м) и весьма мощные (h>15 м).

Ежегодные объёмы добычи твёрдых полезных ископаемых в мире составляют около 20 млрд. т (в т.ч. неметаллических полезных ископаемых — 13 млрд. т), нефти — около 3 млрд. т, газообразных — 1,5 трлн. м3. Масштабы добычи полезных ископаемых возрастают по мере развития промышленного производства, технического прогресса и роста народонаселения. Из всего количества полезных ископаемых, извлечённых из земных недр за всю историю человеческой цивилизации, преобладающий их объём добыт в 20 веке (1901-80), в т.ч. нефти 99,5%, угля 90%, железных руд 87%, медных руд свыше 80%, золота 70%. Рост добычи полезных ископаемых обеспечивается за счёт открытия новых месторождений, вовлечения в эксплуатацию месторождений глубокого залегания, разработки руд с низкими содержаниями полезного компонента.

Важный резерв увеличения объёмов потребления промышленностью минеральных ресурсов — совершенствование технологий переработки полезных ископаемых, внедрения малоотходных и безотходных технологий с утилизацией всех компонентов добытой горной массы.

Наибольшие объёмы добычи полезных ископаемых приходятся на машинные (в ряде случаев автоматизированные) системы, возрастает значение наиболее прогрессивных физико-химических и биологических методов, позволяющих избирательно извлекать металлы из месторождений непосредственно в массивах горных пород, без существенного нарушения их сплошности (например, бактериальное выщелачивание). Добыча полезных ископаемых — энергоёмкий процесс. Основные источники энергии — электрическое, жидкое топливо, взрывчатые вещества. Потребление энергии при открытой разработке полезных ископаемых в 10-30 раз меньше, чем при шахтной.

Жидкие полезные ископаемые, и природный газ извлекают из земных недр с помощью скважин, по трубам. Этим же способом удается добыть часть каменной соли и серы. Соль предварительно растворяют под землей, накачивая в скважину воду, а серу расплавляют горячим паром. Иногда даже некоторые цветные металлы (литий, медь) извлекают из-под земли с водой. Легчайший металл литий, например, добывают из минеральных вод, в которых растворены его соединения. На Дегтярском руднике на Урале из подземных вод осаждают медь. Она растворилась в воде благодаря особым бактериям, превратившим нерастворимые соединения меди с серой в растворимую сернокислую медь - медный купорос. Еще в прошлом веке великий русский химик Менделеев выдвинул идею извлечения из-под земли по скважинам каменного угля, превращенного предварительно в горючий газ. Многолетние опыты, проведенные в советское время в угольных бассейнах, доказали, что в принципе это возможно. Германий считают выгодным добывать из золы тепловых электростанций. Этот сверхрассеянный металл был когда-то собран из почвы растениями, превратившимися потом в каменный уголь. Из года в год добыча полезных ископаемых растет. Особенно быстро развивается сейчас добыча открытым способом и добыча с помощью скважин. Сейчас человечество извлекает за год из недр Земли более 1 млрд. т железной руды, более 2 млрд. т нефти, более 2,5 млрд. т угля, миллиарды тонн строительных материалов и других полезных ископаемых.

БУРОВАЯ СКВАЖИНА — горная выработка преимущественно круглого сечения (диаметр 59-1000 мм), образуемая в результате бурения.

Буровые скважины разделяют на мелкие — глубиной до 2000 м (из них подавляющее большинство — до нескольких сотен метров), средние — до 4500 метров, глубокие — до 6000 метров, сверхглубокие — свыше 6000 метров. В буровых скважинах выделяют устье, ствол и дно (забой). По положению оси ствола и конфигурации буровые скважины разделяют на вертикальные, горизонтальные, наклонные; неразветвлённые, разветвлённые; одиночные и кустовые.

Рис. 5. Конструкция разработочной скважины: 1 - направляющая колонна; 2 - кондукторная колонна; 3 - буровой раствор; 4 - цементный камень; 5 - эксплуатационная колонна; 6 - продуктивный пласт; 7 - перфорированные отверстия; 8 - колонная головка; 9 - задвижки; 10 - крестовина.

ДРАГА (от английского drag * а. dredge; н. Schwimmbagger; ф. drague, noria de reprise; и. draga) — плавучий горно-обогатительной комплекс для разработки обводнённых месторождений полезных ископаемых (преимущественно россыпных).

Рис. 2. Общий вид 380-литровой драги ОМ-431: 1 — понтон; 2 — черпаковая рама; 3 — черпаковая цепь; 4 — нижний черпаковый барабан; 5 — поддерживающий барабан; 6 — подвес черпаковой рамы; 7 — передняя мачта; 8 — главная ферма (суперструктура); 9 — задняя мачта; 10 — сваи; 11 — отвалообразователь (стакер); 12 — хвостовые колоды; 13 — береговой мостик; 14 — надстройка.

Драга оснащена рабочим органом для добычи продуктивных пород из-под воды, промывочно-обогатительными агрегатами для их обогащения, извлечения ценных минералов и транспортно-отвальным оборудованием для укладки пустых пород (хвостов промывки) в отвал. Использование драги для добычи золота (одночерпаковой рычажно-ковшевого типа) впервые начато в 1863 в Новой Зеландии.

Современные драги подразделяются на два класса — континентальные и морские. Состоят они из плавающего судна, на котором размещены жёстко связанные с ним массивные фермы остова и надпалубная надстройка, а также передняя и задняя мачты, черпающее и маневровое устройство, обогатительное оборудование и др.

Континентальные драги предназначены для разработки материковых россыпей, обычно приуроченных к зоне распространения современных либо древних (погребённых) речных систем. Эти драги монтируются, как правило, на плоскодонном судне (понтоне).

Морские драги используются для разработки россыпных (рыхлых осадочных) месторождений, залегающих в прибрежной или глубинной зоне акваторий морей и крупных озёр. Они обычно монтируются на килевых (реже плоскодонных) самоходных либо буксируемых судах. В отличие от континентальных драг у морских отсутствуют отвалообразователь (стакер) и сваи.

Драги обоих классов оснащают стационарным промывочно-обогатительным оборудованием (наиболее распространённый вариант), смонтированным непосредственно на судне, или эксплуатируют их в комплексе с обособленной береговой либо плавающей обогатительной установкой.

Классифицируют драги :