ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ К ИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Полезные ископаемые — это природные минеральные вещества, которые при данном уровне техники могут быть использованы в народном хозяйстве в есте­ственном виде или после предварительной обработки.

Полезные ископаемые могут находиться в недрах Земли в твердом, жидком или газообразном состояниях.

Скопление твердого полезного ископаемого, залегающее среди горных пород, называется рудным телом. Руды залегают в земной коре в виде геологических тел различной формы.

Рассмотрим основные виды полезных ископаемых.

Топливно-энергетическое сырье, к которому относят нефть, газ, уголь, сла­нец, урановую руду.

Еще в начале века основными видами топлива были каменный и бурый уголь. По состоянию на конец 2005 г. в мировом энергетическом балансе уголь занимал 33,8 %, нефть — 35,9, газ — 24,9, гидроэнергия — 2,9, атомная энергия — 2,2, гео­термальная и другие возобновляемые источники энергии — 0,2 %.

Руды черных и легирующих металлов являются сырьевой базой черной и цветной металлургии. Черная металлургия является потребителем марганцевых, хромитовых, никелевых, кобальтовых, молибденванадиевых руд. Их добыча рас­тет также высокими темпами.

Цветные металлы — это медь, свинец, цинк, олово и др. За 70 лет XX в. в мире было добыто 94,3 млн т цветных металлов. В 2000 г. их производство удвои­лось. Самыми высокими темпами увеличивается производст-во алюминия, самы­ми низкими — добыча меди (из-за ограниченности разведанных запасов).

Благородные металлы включают в себя золото, серебро, платиноиды. Основным производителем золота является Южно-Африканская Республика.

Неметаллическое сырье — апатит, фосфориты, калийные соли, асбест, сера, графит, алмазы, слюда, плавиковый шпат, строительные материалы.

Естественное скопление полезного ископаемого (минерала или агрегата мине­ралов) в земной коре, разработка которого экономична, называется месторождени­ем полезного ископаемого. Месторождения могут быть коренными и россыпными.

Россыпные месторождения образовались в процессе физического выветри­вания коренных горных пород и химического воздействия на них различных фак­торов. Россыпные месторождения разделяются на элювиальные (залегают на ме­сте разрушения коренных пород), делювиальные (перемещенные на некоторое расстояние от коренного месторождения и в большинстве случаев являющиеся продолжением элювиальных), аллювиальные (перемещенные на значительные расстояния водными потоками), береговые, ледниковые и эоловые (элювиальные россыпи, перенесенные силой ветра).

По добываемому полезному ископаемому различают рудные и нерудные ме­сторождения. Рудой называется естественное минеральное вещество, из которо­го путем соответствующей переработки извлекаются содержащиеся в нем метал­лы и полезные минералы (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Состав и плотность наиболее распространенных полезных минералов

глава г

Продолжение табл. 2.2

Окончание табл. 2.2

Каждое месторождение полезных ископаемых располагается в пределах ли­тосферы нашей планеты и поэтому представляет собой литосферный объект с фи­зически выраженными или условными границами, главным свойством и иденти­фикационным признаком которого является хозяйственная ценность вещества литосферы внутри этих границ.

Для использования полезных свойств этого объекта необходимо отделить его от окружающих пород и вынуть на поверхность с помощью комплекса работ, ко­торые принято называть добычными. Поэтому в таком качестве определяющее значение приобретают горно-геологические свойства этого участка литосферы, т. е. те характеристики, от которых будет зависеть выбор решений по извлечению полезного ископаемого из литосферы.

Но так как в современной экономике основным и обязательным условием про­ведения любых действий является их доходность, то каждое месторождение может быть рассмотрено как экономический объект, главным свойством которого являет­ся положительная разница между ценностью получаемого из литосферного веще­ства и затратами на его извлечение. И, наконец, любое месторождение, будучи ча­стью литосферы, является частью абиоты (неживой составляющей) всей экосисте­мы планеты Земля и каждой из ее частей. Поэтому использование вещества место­рождения в хозяйственных целях меняет условия существования экосистем всех иерархических уровней и может быть рассмотрено как экосистемный объект, глав­ным требованием к которому является сохранение биоты (живой части) экосистем.

Сущность профессии горного инженера заключается в извлечении из земной коры необходимых минеральных ресурсов с обязательным обеспечением опти-

2 Основы горного дела

мального баланса между требованиями и ограничениями, вытекающими из мно­гозначности понятий месторождение полезного ископаемого и разработка место­рождений.

Вполне очевидно, что извлечение из земных недр части вещества приводит к нарушению установившегося равновесия и тем самым изменяет свойства и со­стояние определенных участков литосферы с образованием в ней нового объ­екта — техногенно измененных недр. Этот объект можно представить себе как некий объем, окруженный нетронутой литосферой, внутри которого находится зона техногенного разрушения литосферы и зона спровоцированного этим раз­рушением изменения напряженно-деформированного состояния массивов гор­ных пород.

Так как понятие «техногенно измененные недра» включает в себя также участки литосферы, затронутые сопутствующими изменениями при сохранении плотности горных массивов, то принципиальное значение приобретает вопрос о внешней границе этих сопутствующих изменений состояния, т. е. о границах но­вого техногенного литосферного объекта.

Задача о переходах между двумя системами с различными свойствами тоже рассматривается в теоретической экологии, где сформулировано понятие экотона — зоны перехода между различными биологическими сообществами, в кото­рой проявляются их встречные влияния. Как видно из рисунка 2.2, экотон пред­ставляет собой полосу на поверхности, в пре­делах которой свойства контактирующих си­стем вырождаются до нуля. Закон вырождения свойств в каждом конкретном случае опреде­ляется свойствами систем и характером их вза­имодействия. Такая модель достаточно адек­ватно описывает процессы взаимодействия техногенно измененных недр с невозмущен­ной литосферой. Она трехмерна: техногенно измененные недра предстают в виде замкнуто­го объемного литосферного объекта, ограни­ченного в пространстве двумя условными по­верхностями «нулевого» влияния контактиру­ющих систем; на внутренней поверхности не проявляется влияние невозмущенной литос­феры, а на внешней — техногенно изменен­ных недр (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Принципиальная схема формирования зоны перехода свойств (экотона) на контакте двух различных систем:

1 — закон вырождения свойств системы В; 2 — закон вырождения свойств системы А

Состояние породного массива в зоне прямого техногенного воздействия опре­деляется особенностями процессов извлечения полезных ископаемых, т. е. набо­ром необходимых для этого неизбежных действий. Если отвлечься от частностей, то 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 на по­верхность Земли. Это три обязательных этапа обобщенной функциональной мо­дели техногенного изменения недр при добыче минерального сырья.

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. Тот же материал выдается на поверхность на третьем этапе.

В рамках функциональной модели добычи полезных ископаемых не сутце- ггвует качественных различий между открытым и подземным способом разработ­ки месторождений. Разница между ними заключается только в величине соотно- _ения размеров горизонтального сечения выработок доступа (5Д) и отрабатывае- ч эго участка литосферы (50т): 5Д > 5от — открытая разработка; 5Д < 5от — подземная ;-±зработка (включая скважинную добычу флюидов).

Новое для вещества литосферы свойство — подвижность — может быть обозначено в рамках применяемых геотехнологий либо дезинтеграцией этого вещества в заданном объеме (большая часть твердых полезных ископаемых), либо из­менением его агрегатного состояния (например, выплавка серы), либо путем соз- л^ния условий для миграции полезного компонента— физических (нефть, газ, вода, тепло) или химических (выщелачивание металлов на месте залегания).

Применительно к первому случаю все многообразие технических и технологических решений, используемых при освоении месторождений твердого ми­нерального сырья, можно объединить в несколько групп, каждая из которых по- гвоему влияет на изменение свойств природных объектов литосферы, характери­зуется определенными геомеханическими параметрами, динамикой и масштаба­ми последствий техногенного вторжения в литосферу.

Для каждой из групп характерны свои, только ей присущие способы техноген­ного изменения свойств участков литосферы и специфические последствия, про­являющиеся при восстановлении равновесия в техногенно измененных участках недр после завершения процессов добычи полезных ископаемых. Характерные особенности каждой группы могут быть с успехом использованы для разработ­ки обобщенных моделей техногенного вторжения в природные объекты литосфе­ры, прогноза последствий такого вторжения и механизма воспроизводства устой­чивых динамических структур окружающей среды после отработки месторожде­ния.

К первой группе относятся технические и технологические решения, связан­ные с образованием полостей различной конфигурации в недрах литосферы, ко­торые обладают природной способностью противостоять возмущению исходного поля напряжений, вызванному появлением полостей. Возникающие на контуре выработок напряжения и деформации со временем релаксируют без сколько- нибудь заметного влияния на окружающий массив. Время существования таких выработок может исчисляться столетиями, и они не вызывают существенных из­менений в окружающих их природных объектах (образованиях) литосферы.

Сюда относятся выработки различного назначения при подземном строитель­стве, очистные выработки при добыче штучного камня, каменной соли, руд чер­ных и цветных металлов, особенно при разработке месторождений под дном мо­рей и водоемов, когда несущие целики рассчитываются на длительную прочность с большим запасом. Этот способ выемки характеризуется низким (около 30 — 40 %) извлечением полезного ископаемого; основная масса запасов месторождения при этом сосредоточена в целиках. Развитие возмущений в литосфере при таком спо­собе техногенного воздействия ограничивается поверхностными изменениями на контуре выработок и оставленных несущих опор, а вся картина перераспределе­ния напряжений исходного поля охватывает незначительную часть массива, непо­средственно прилегающую к выработанному пространству. Поведение таких вы­работок хорошо описывается классическими задачами теории упругости.

Характерной особенностью открытого способа разработки является то, что в соответствии с принятым порядком работ полезное ископаемое изымается толь­ко после того, как вынуты налегающие породы, в которых могли бы произойти изменения геофизических свойств. Поэтому описанная выше общая модель тех- ногенно измененных недр принимает вид, в котором зона полного разрушения и техногенного изъятия материала литосферы целиком поглощает зону изменения физических свойств, и в состав техногенно измененных недр входят только соб­ственно объем карьера и прилегающая к его внешним контурам зона перехода ге­офизических свойств.

Ко второй группе относятся наиболее распространенные в угольной про­мышленности, черной и цветной металлургии, на предприятиях химической про­мышленности технологии добычи минерального сырья с обрушением налегаю­щей толщи пород. Различные модификации данного способа разработки приме­няются при выемке пологих, наклонных и крутых залежей любой формы, начиная с поверхности и до глубин, исчисляемых тысячей и более метров. Основная отли­чительная черта этих технологий — обязательное обрушение налегающей толщи пород вслед за выемкой полезного ископаемого. Отработка месторождения осу­ществляется планомерно сверху вниз при выемке крутопадающих либо наклонно- падающих рудных тел (пластов) от центра к флангам или от одного фланга к друго­му при выемке пологих залежей (пластов).

В результате по мере отработки месторождения происходят заполнение вы­работанного пространства обрушенными вмещающими породами, развитие зон неупругих перемещений за зоной непосредственного разрыхления пород и обра­зование мульды сдвижения пород на поверхности. Эти процессы развиваются па­раллельно с отработкой месторождения, после чего происходят постепенное зату­хание необратимых деформаций во вмещающих породах и уплотнение обрушен­ных пород внутри мульды сдвижения. В случае, когда осуществляется разработка месторождения в очень проч-ных, жестких породах, происходит запаздывание с обрушением основной массы налегающих пород, образуется зависающая консоль монолитных пород висячего бока, которая затем может мгновенно сдвинуться в сторону выработанного пространства, генерируя сейсмические колебания боль­шой энергии, соизмеримые с природным землетрясением (Апатиты, Таштагол).

При выемке пластовых месторождений формирование мульды сдвижения и ее параметров происходит аналогичным образом; этот механизм хорошо изучен для отдельных горных регионов (Донбасс, Кузбасс, Печорский угольный бассейн).

В целом модель техногенного вторжения такого рода может рассматривать­ся как объем определенных размеров, изменение которого сопровождается не­обратимыми процессами в ближней зоне и последующим ее уплотнением за счет распространения неупругого расширения (разрушения) пород вглубь массива. Границы зоны техногенного изменения пород литосферы определяются услови­ем достижения равновесия между величиной реакции бокового распора нетрону­того массива и отпором, создаваемым обрушенными и уплотненными породами зоны обрушения.

Третья группа технологий разработки месторождений минерального сы­рья связана с заполнением выработанного пространства искусственно получае­мым материалом с определенными прочностными и деформационными свойства­ми. Иногда для уменьшения величины деформаций налегающей толщи пород и сокращения затрат на создание искусственного материала в выработанном про­странстве оставляют регулярные вертикальные целики, работающие за пределом прочности. Размещенные в массиве закладки, они выполняют роль арматуры, из­меняя деформационные свойства материала, заполняющего выработанное про­странство.

Аналогичным образом происходит деформирование вмещающих пород при разработке нефтяных и газовых месторождений, когда по мере выработки неф- иО ти и газа снижается противодействие давлению налегающих пород, и они плав- н э оседают над продуктивной толщей на величину, соизмеримую с изъятым объе­мом. Таким образом, третья модель техногенного вторжения в литосферу характе­ризуется тем, что материал литосферы замещается техногенным материалом с из­вестными (заданными) прочностными и деформационными свойствами, которые :пределяют масштабы переходной зоны, формирующей техногенно измененные недра как новый литосферный объект. По характеру релаксационных процессов

зга модель занимает промежуточное положение между двумя представленными выше.