ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ

Наиболее древние открытые разработки камня относятся к 6му тысячелетию до н. э. Полиметаллические руды для выплавки бронзы извлекались открытым способом в 4м тысячелетии до н. э. в Индии, на Синайском полуострове. Открытые разработки месторождений железных руд известны со 2го тыс. до н. э. на Ближнем Востоке, в Индии и несколько позже в Южной Европе. В средние века в значительных масштабах осуществлялась открытая разработка месторождений руд цветных металлов в Испании, мрамора в Италии, медных и железных руд на территории России. В 18 веке в России, вначале на Урале, а затем в Сибири, распространилась открытая разработка россыпных месторождений. В начале 20 века в США и Германии в связи с развитием машинной техники стала бурно развиваться открытая разработка месторождений. В дореволюционной России на Урале, в Сибири преобладали полумеханизированные открытые горные работы. В СССР первые крупные карьеры по добыче угля были созданы в 1928 - 1941 годах. Важную роль открытая разработка месторождений сыграла в годы Великой Отечественной войны 1941- 1945, позволив обеспечить быстрый ввод в эксплуатацию предприятий и значительное увеличение производственных мощностей. Особенностью послевоенного периода является механизация всех производственных процессов, переход на более мощные машины и механизмы, унификация экскаваторного и транспортного оборудования. Открытая разработка месторождений обеспечивает 60-65% мирового потребления рудного и нерудного сырья и 30-35% твёрдого топлива. Это объясняется экономической эффективностью открытой разработки: например, стоимость открытой добычи угля в 2,5-3 ниже, чем при подземной разработке месторождений, а производительность труда в 2-3 раза выше. По сравнению с подземной разработкой потери полезного ископаемого снижаются в 4-5 раз. В связи с этим главное направление развития горнодобывающей промышленности - рост добычи полезных ископаемых открытым способом.

Открытая разработка месторождений в России позволяет создавать мощные комплексы по добыче, переработке и потреблению сырья, отличающиеся высокой концентрацией производства, развитой сетью транспортных коммуникаций, минимальным расстоянием перевозок сырья и низкими затратами на производство. Так, например, на базе месторождений Канско-Ачинского бассейна создаются предприятия производственной мощностью 45-60 млн. т. угля в год. Объём удаляемых в отвал вскрышных (пустых) пород при открытой разработке месторождений обычно значительно превышает объём добываемого полезного ископаемого. Отношение этих объёмов характеризуется коэффициентом вскрыши, который иногда достигает 25, т. е. на 1 т полезного ископаемого приходится 25 т вскрышных пород. От формы и глубины залегания месторождения полезных ископаемых, количества вскрышных пород, их физико-механических свойств зависят способы вскрытия и системы открытой разработки.

Вскрытие месторождения полезного ископаемого, проведение капитальных горных выработок, открывающих доступ с поверхности ко всему месторождению или его части и обеспечивающих возможность проведения подготовительных горных выработок, необходимых для обслуживания добычных забоев. Главные цели вскрытия месторождения - создание транспортных связей между очистными забоями и пунктом приёма его на поверхности, обеспечение условий для безопасного перемещения людей, подача чистого воздуха к шахтам. Капитальные вскрывающие выработки делятся на главные и вспомогательные. К главным относят выработки, имеющие непосредственный выход на поверхность: вертикальные и наклонные стволы шахтные и штольни; к вспомогательным - квершлаги, гезенки, бремсберги и уклоны. Подготовительные выработки - это главным образом штреки, пройденные по полезному ископаемому.

Способы вскрытия месторождений весьма разнообразны и различаются по роду главных вскрывающих выработок, по их расположению относительно пластов или рудных тел, по наличию вспомогательных вскрывающих выработок, по числу подземных транспортных горизонтов. Способ вскрытия месторождений зависит от рельефа местности, ценности полезного ископаемого, формы, размеров и глубины его залегания, мощности и угла падения пластов или рудных тел, их числа и расстояния между ними и других факторов. При выборе способа вскрытия влияние перечисленных выше геологических и горнотехнических факторов учитывается комплексно.

К важнейшим из них следует отнести: минимальные первоначальные капитальные затраты и сроки строительства шахты; концентрацию производства при условии максимального увеличения добычи с очистного забоя; концентрацию добычи шахты на ограниченном числе одновременно разрабатываемых пластов; сокращение протяжённости поддерживаемых горных выработок путём интенсификации очистных работ и периодического обновления горного хозяйства шахты за счёт подготовки новых горизонтов или их реконструкции. Вскрытие месторождений вертикальными стволами является универсальным. Проходят не менее двух стволов в целях безопасности, один из которых служит для подачи свежего воздуха в шахту, а второй - для отвода воздуха на поверхность.

При добыче полезного ископаемого происходит обрушение горных пород и опускание вышележащих толщ. Поэтому при вскрытии крутых и наклонных месторождений шахтные стволы проходят в породах лежачего бока вне зоны сдвижения с тем, чтобы избежать деформации стволов. Кроме того, это исключает потери ценных руд в охранных целиках, необходимых для охраны стволов. Наклонными стволами вскрывают обычно обособленные пласты или рудные тела при сравнительно небольшой глубине их залегания. Стволы проходят под углом до 18° и при вскрытии угольных пластов располагают по полезному ископаемому, а рудных тел - в пустых породах лежачего бока. Первоначально наклонные стволы вскрывают запасы верхнего горизонта; по мере их отработки стволы углубляют до следующего горизонта.

Вскрытие месторождений с помощью штолен производят при сильно расчленённом рельефе местности, когда применение вертикальных или наклонных стволов технически невозможно или экономически нецелесообразно. В зависимости от расположения месторождения по отношению к горному склону штольни проводят по полезному ископаемому или по пустым породам. Возможно сочетание главных вскрывающих выработок, например вертикальных и наклонных стволов (комбинированный способ вскрытия). Наклонный ствол в этом случае используется для конвейерного транспорта полезного ископаемого на поверхность, а вертикальный - для вспомогательных целей.

Вскрытие для открытой разработки месторождений включает проведение капитальных открытых выработок с поперечным сечением ступенчатой формы или в виде траншеи или полутраншеи с поверхности земли или от разрабатываемой части карьера к вновь создаваемым рабочим горизонтам. Непосредственным продолжением капитальной траншеи является горизонтальная выработка с треугольным поперечным сечением - разрезная траншея, проводимая для создания первоначального фронта горных работ.

Выбор рационального способа вскрытия месторождения производится в период проектирования горного предприятия и является сложной инженерной задачей в силу специфики горного производства: нестабильность производственных условий, разбросанность рабочих мест и их непрерывное перемещение, необходимость постоянного воспроизводства отработанных очистных забоев.

Открытая разработка месторождений ведёт к изменению форм земной поверхности, агротехнических свойств земли и гидрогеологических режимов районов. В зависимости от ценности нарушенной земли производится её полная или частичная рекультивация.

Открытая разработка месторождений включает этапы: подготовку поверхности, осушение месторождений полезных ископаемых, горно-капитальные работы, вскрышные работы - удаление пустых пород, покрывающих или вмещающих полезное ископаемое, и добычные работы. Вскрышные и добычные работы включают процессы отбойки, выемки, транспортировки и разгрузки полезного ископаемого. Эти основные производственные процессы объединяются в единую технологию на базе комплексной механизации и автоматизации. К вспомогательным процессам при открытой разработке месторождений относятся зачистка уступов, ремонт и строительство дорог, водоотливов. Отбойка состоит в отделении горной массы от массива с одновременным её дроблением с помощью буровзрывных работ. Выемка-погрузка производится, как правило, экскаваторами и погрузчиками. Горную массу перемещают из забоя средствами карьерного транспорта.

Карьерный транспорт, один из главных производственных процессов в технологии открытой добычи полезных ископаемых. Основной карьерный груз - горная масса (полезное ископаемое или пустые породы), начальный пункт - забой, конечный - место разгрузки: отвалы для пустых пород, некондиционных руд и приёмные бункера погрузочных станций, дробильные, обогатительные, агломерационные, брикетные фабрики, временные или постоянные склады - для полезного ископаемого. Особенностями карьерного транспорта являются большие объёмы перевозок, например, при расстоянии до 15-20 км на карьерах перемещается от нескольких десятков тыс. до десятков млн. тонн грузов в год! А также односторонняя направленность перемещения от забоев к пунктам приёма грузов, большие уклоны на трассе, нестационарность пунктов погрузки горной массы и пунктов приёма пустых пород. Карьерный транспорт - связующее звено всех технологических процессов разработки горных пород в карьере; на него приходится около половины всех трудовых и стоимостных затрат на добычу полезного ископаемого.

Все виды карьерного транспорта делятся на две группы: транспорт прерывного действия - железнодорожный, автомобильный, скиповые подъёмники, кабельные краны и непрерывного действия - конвейерные, подвесные канатные дороги, трубопроводный, гидравлический, пневматический, гравитационный, транспортно-отвальные мосты, перегружатели и отвалообразователи. Каждый вид транспорта в наиболее благоприятных для него условиях эксплуатации обеспечивает наивысшие технико-экономические показатели, например, автомобильный - в забойной части, скиповой - при доставке горной массы с нижних горизонтов на поверхность карьера, железнодорожный - на поверхности карьера. Помимо рассмотренных транспортных средств, перемещение горной массы в карьерах может производиться выемочно-транспортирующими машинами (скреперами, погрузчиками, бульдозерами) и выемочными машинами (экскаваторами-драглайнами и механическими лопатами, с большими рабочими параметрами). Наиболее перспективное средство карьерного транспорта - конвейеры, которые преимущественно применяются при разработке мягких горных пород и обеспечивают поточное производство горных работ и полную автоматизацию процессов перемещения.

Массив, сложенный некрепкими горными породами, не требует предварительного рыхления, в этом случае отбойка и погрузка составляют единый процесс, осуществляемый экскаваторами, скреперами, погрузчиками, бульдозерами или другими механическими средствами либо с помощью гидромеханизации.

Гидромеханизация, способ механизации земляных и горных работ, при котором все или основная часть технологических процессов проводятся энергией движущегося потока воды. Использование энергии воды для строительных и горных работ было известно около 2 тыс. лет назад. В 1 веке до н. э. вода использовалась для разработки золотоносных и оловоносных россыпей. В дальнейшем энергию потока воды применяли для проходки каналов, траншей, создания оросительных систем. Основные технологические процессы гидромеханизации включают: разрушение массивов горных пород гидромониторами, землесосными снарядами или безнапорными потоками воды, напорный или безнапорный гидравлический транспорт, отвалообразование, намыв земляных сооружений (дамб, плотин), обогащение полезных ископаемых. Водоснабжение гидроустановок осуществляется из рек или озёр без создания водохранилищ при помощи накопления воды в водохранилищах. Гидромеханизация осуществляется с применением гидромониторов с самотёчным, напорным или самотечно-напорным транспортированием гидросмеси и землесосных снарядов при вскрытии карьеров. Благодаря применению гидромеханизации обеспечивается поточность технологических процессов, сокращаются капитальные затраты и сроки строительства объектов по сравнению с экскаваторным способом. Возможна полная автоматизация производственных процессов. Однако эффективное применение гидромеханизации ограничено климатическими условиями, например, заморозками в зимнее время, крепкими горными породами в массивах, которые значительно снижают производительность гидроустановок, также наличием водных ресурсов. Совершенствование гидромеханизации осуществляется путём создания мощного износоустойчивого оборудования для гидротранспорта производительностью 10-15 тыс. м3 породы в час, конструирования машин для механической выемки и дробления трудно размываемых горных пород с целью их гидравлического транспортирования, разработки новых методов отвалообразования, позволяющих уменьшить площади гидравлических отвалов.

При разработке россыпей успешно применяются драги. Полезные ископаемые транспортируются на склады или места их переработки, пустая порода – в отвалы.

Различают цикличную, циклично-поточную и поточную технологию открытую разработку месторождений. При цикличной технологии процессы выемки и транспортирования прерываются технологическими паузами. При циклично-поточной технологии выемка осуществляется машинами цикличного действия (одноковшовыми экскаваторами или погрузчиками), а перемещение - ленточными конвейерами или сочетанием конвейерного транспорта с автомобильным или ж.-д. транспортом. При поточной технологии процессы отбойки, выемки, транспортировки, разгрузки выполняются механизмами непрерывного действия (многочерпаковыми экскаваторами, ленточными конвейерами или гидромеханизацией). Для цикличной и циклично-поточной технологии разработаны и созданы системы автоматизированного управления отдельными процессами, информация о протекании которых обрабатывается с помощью средств вычислительной техники. Для поточной технологии и прежде всего техники непрерывного действия, существуют автоматизированные системы управления производством. Техника непрерывного действия в России создаётся на базе комплексов оборудования с роторными экскаваторами и теоретической производительностью 630, 1250, 1500, 2500, 5000, 10000, 12500 м³/ч. Наиболее освоенный вид техники непрерывного действия – это роторные экскаваторы с нормальным усилием резания. Совершенствование поточных схем горных работ связано с применением полустационарных и самоходных дробильных и дробильно-грохотильных агрегатов производительностью до 2000 т/ч, а также надёжных конвейеров с лентами, способными перемещать крупнокусковой абразивный материал.

Выбор рациональных параметров открытой разработки месторождений и оборудования производится с учётом климатических особенностей, района разработки, свойств горных пород, запасов полезного ископаемого, формы месторождения, а также требований, предъявляемых к качеству готовой продукции.

Порядок открытых горных работ, обеспечивающих экономичную и безопасную эксплуатацию месторождения, называется системой разработки. Существует нескольких систем открытой разработки месторождений. Наибольшее распространение в России получила система, которая основана на способе перемещения пустых пород вскрыши в отвалы и типе применяемого оборудования и состоит из 5 групп. Бестранспортные, при которых вскрышные породы перемещаются из забоя в выработанное пространство вскрышным экскаватором. Транспортно-отвальные, характеризуемые перемещением вскрышных пород в отвалы транспортно-отвальными мостами или отвалообразователями. Погрузка породы на ленточные конвейеры транспортно-отвальных мостов и консольных отвалообразователей осуществляется обычно многочерпаковыми, а иногда одноковшовыми экскаваторами. Транспортные системы, при которых перемещение пород во внутренние или внешние расположенные за границами карьера отвалы производится железнодорожным, автомобильным, конвейерным, скиповым или комбинированным транспортом. Специальные системы, при которых вскрышные породы удаляются кабельными экскаваторами, бульдозерами, колёсными скреперами или средствами гидромеханизации. Комбинированные системы, при которых вскрышные породы верхней зоны месторождения средствами транспорта вывозятся на внешние или внутренние отвалы; породы нижней зоны перемещаются во внутренние отвалы экскаваторами, транспортно-отвальными мостами или отвалообразователями.

Транспортно-отвальный мост- автоматизированный агрегат для перемещения и складирования вскрышных пород во внутренние отвалы карьеров, работающий в комплексе с многоковшовым экскаватором. Применяется при разработке пластовых горизонтально залегающих месторождений с мягкими покрывающими породами вскрыши в условиях положительных среднегодовых температур. Конструктивно транспортно-отвальный моствыполняется в виде ферм, опирающихся на две или три опоры, на железнодорожном или на гусеничном ходу. Расстояние между опорами моста 35-250 м, длина отвальной консоли 40-170 м. Транспортно-отвальный мострасполагается поперёк карьера, перемещаясь со скоростью

4-6 м/мин вдоль забоя, одновременно передвигая за собой рельсошпальное основание. Порода от экскаватора подаётся на транспортно-отвальный мостпо соединительным конвейерам. На транспортно-отвальном мостерасполагаются обычно две линии конвейеров шириной 1000-1500 мм. Скорость транспортирования породы конвейерами моста 7,5-12 м/сек.

Отвальная опора в зависимости от устойчивости породы располагается на почве пласта или на специально отсыпаемом и уплотняемом самим транспортно-отвальным мостомпредотвале. Высота отсыпаемого отвала

40-50 м. Производительность транспортно-отвального мостадостигает 7500 м³/ч по разрыхлённой породе при собственной массе в 9500 т и общей мощности электродвигателей 4860 КВт.

Большие объёмы вскрышных работ и сложные условия разработки на карьерах предопределили преобладающее применение транспортных систем разработки, которые в России будут занимать доминирующее положение на открытых работах всех отраслей горной промышленности. При разработке пластовых месторождений угля успешно применяются высокоэффективные бестранспортные и транспортно-отвальные системы разработки.

Перспективы разработки углей открытым способом в России базируются на месторождениях, расположенных в восточных районах страны, главным образом в Канско-Ачинском, Кузнецком бассейнах, где сосредоточен наибольший объём геологических запасов угля, пригодного для открытой разработки. За рубежом при помощи открытой разработки месторождений добывается примерно 30% угля. Наибольшее количество открытых разработок месторождений имеется в США. Открытым способом также ведётся добыча полезных ископаемых в Австралии, некоторых странах Южной Америки, Канаде, Китае, Германии и странах ближнего зарубежья.

При добыче угля, например, в США распространена бестранспортная система разработки с экскаваторами больших параметров (вскрышные мехлопаты с ковшом ёмкостью до 150 м³ и драглайны - до 160 м³), в Германии - мощные транспортно-отвальные комплексы.

Совершенствование открытой разработки месторождений осуществляется с помощью комплексной механизации и оптимизации параметров горных работ и оборудования, разработки и внедрения новых рациональных технологических схем, преимущественного использования взрывчатых веществ простейшего состава, применения техники непрерывного действия, увеличения области применения бестранспортных систем разработки и циклично-поточной технологии на базе основного карьерного и специально создаваемого оборудования, применения оптимальных схем комбинированного транспорта.