Этапы развития открытых горных работ

Открытые горные работы известны с эпохи палеолита. Первые крупные карьеры появились в связи со строительством в Древнем Египте пирамид

Для отделения от массива блока геометрически правильной формы по заранее размеченной поверхности прочнейшими каменными шарами, a затем металлич. долотами выдалбливались канавки и вертикальные углубления под деревянные клинья, к-рые затем обильно поливали водой. Hабухая, клинья отрывали монолит от массива. Oбработка монолита в блок правильной формы велась на месте добычи. Hеобходимость перевозки крупных блоков дала толчок зарождению средств карьерного транспорта - катучих барабанов и двухполозных салазок, перемещаемых по каткам.

Таким же способом в античном мире в карьерах в больших масштабах добывался мрамор.

Изобретение пороха, а, затем взрывчатых веществ позволило механизировать наиболее трудоёмкий процесс — отделение скальных горных пород от массива, но отсутствие эффективных погрузочно-транспортных средств сдерживало развитие открытых разработок, и только с началом создания карьерной техники, способной механизировать основные производственные процессы стало возможным развитие этого прогрессивного способа добычи полезных ископаемых.

В конце 19 века на карьерах появились экскаваторы, ставшие основным классом машин для открытых разработок месторождений. В то же время вплоть до начала 20 века на большинстве открытых разработок в России продолжала применяться ручная погрузка горной массы в примитивные средства транспорта — тачки и колымажки.

ЭКСКАВАТОР (от лат. excavo — выдавливаю

Идея создания землеройных машин принадлежит Леонардо да Винчи, который в начале 16 века предложил схему экскаватора-драглайна. Роторный экскаватор также предложен Да Винчи. Он предложил идею копающего колеса по аналогии с водоподъёмные колёса древних. Роторный экскаватор экскавирует горную массу ковшами, укреплёнными на роторном колесе (роторе), вращающемся вокруг своей оси.

Первая паровая землечерпалка построена на Ижорском заводе в России под руководством А. А. Бетанкура в 1-й четверти 19 века

Одноковшовый неполноповоротный экскаватор на рельсовом ходу запатентован в США в 1834 В. Отисом.

Первый многоковшовый цепной экскаватор сухопутного типа изобретён во Франции М. Кувре (1860); применялся при строительстве Суэцкого канала. Широкое использование экскаваторов на земляных работах началось с конца 19 века в связи с развитием строительства железных дорог.

Первый драглайн изготовлен в 1884 (США). В СССР впервые драглайн с ковшом вместимостью 3,5 м3 и стрелой 36 м создан в 1946.

В 1910 появились первые электрические экскаваторы,

в 1912 — полноповоротные на гусеничном ходу с двигателями внутреннего сгорания, в 1916 — с дизельным двигателем,

в 20-е гг. — первые полноповоротные экскаваторы средней мощности на рельсовом ходу для открытых горных работ.

Производство экскаваторов в России началось в 1901 на Путиловском заводе. В CCCP выпуск экскаваторов возобновлён с 1931. С 1947 Уральский завод тяжёлого машиностроения впервые в мире начал производить карьерные экскаваторы с ковшами вместимостью 3-5 м3, в 1958 на этом заводе изготовлен шагающий экскаватор-драглайн с ковшом 25 м3 и стрелой 100 м.

В развитии открытых разработок месторождений в советское время выделяются 4 основных этапа: восстановительный (1917-29), индустриализации (1930-41), военного времени и восстановления народного хозяйства (1941-50), современный.

Отличительная особенность восстановительного периода — преимущественное применение на карьерах зарубежных экскаваторов (главным образом американских) На открытых разработках появились буровые ударно-канатные станки. Динамит и порох были заменены более безопасным аммоналом.

Период индустриализации начался с создания отечественной технической базы открытых разработок месторождений — был налажен выпуск экскаваторов-мехлопат многоковшовых экскаваторов на рельсовом ходу, станков ударно-канатного бурения, промышленных электровозов, думпкаров.

Благодаря широкому внедрению техники была решена задача технической реконструкции карьеров и заложены основы современной технологии открытых разработок месторождений.

В Великую Отечественную войну 1941-45 резко возросли объёмы открытых разработок месторождений, главным образом для добычи угля, руд чёрных и цветных металлов. В послевоенный период восстановления народного хозяйства расширились масштабы механизации процессов на карьерах, было унифицировано экскаваторное и транспортное оборудование. Был построен первый мощный отечественный шагающий экскаватор ЭШ-14/65, освоено серийное производство станков вращательного бурения , серийный выпуск 40- и 50-тонных думпкаров освоен выпуск карьерных автосамосвалов 5, 10 и 25 т.

Современный период развития открытых разработок месторождений в CCCP начался в 50-х гг. Развернулось масштабное техническое перевооружение карьеров и совершенствование технологии открытых горных работ. Доминирующим видом техники для открытых разработок месторождений стали экскаваторы-мехлопаты и автотранспорт. Основные требования, предъявляемые к открытым разработкам месторождений, — комплексное освоение всех минеральных ресурсов месторождения и охрана окружающей среды.

Как научное направление открытая горная технология формируется с середины 20-х годов 20 века. Этому способствовали создание производительной горной техники и расширение области применения открытого способа разработки.

К числу первых аналитических исследований относятся установление рациональной высоты уступов применительно к криворожским карьерам (Л. Д. Шевяков, 1924), создание методов определения границ карьера (М. И. Гоберман; А. И. Стешенко).

Научные обобщения опыта открытых горных работ завершились созданием первого в мировой литературе двухтомного учебника для вузов по открытой разработке месторождений (А. П. Зотов, 1932).

Создаётся первая классификация систем открытой разработки (Е. Н. Барбот де Марни, 1934).

В связи с широким внедрением электрических экскаваторов важное значение приобретает электроснабжение карьеров. Научные обобщения в этой области выполнил С. А. Алаторцев (1934-35). Широкие исследования разрушения и транспортирования горных пород силой водного потока были проведены в 30-е гг.

С расширением номенклатуры серийно выпускаемых экскаваторов и появлением экскаваторов непрерывного действия важное значение приобрели научные труды в областиэкскавации (П. И. Городецкий, Е. Ф. Шешко).

В Великую Отечественную войну 1941-45 утвердилось направление по созданию карьеров значительной мощности при большой конечной глубине. К этому периоду относится первая фундаментальная работа по теории карьерного вскрытия месторождений (Шешко), именно он организует в Московском горном институте подготовку инженеров по открытой разработке месторождений полезных ископаемых.

Разрабатывается аналитический метод определения границ открытых работ (Городецкий). Важное значение имело создание первых правил технической эксплуатации месторождений открытым способом (Н. В. Мельников и др.). Развитию разработки россыпей способствовало обоснование технологии экскаваторной разработки россыпей (С. М. Шорохов).

В послевоенный период открытая горная технология выделяется в крупную научную дисциплину, чему способствовали издание учебника Шешко "Разработкаместорождений полезных ископаемых открытым способом" и создание теоретически обоснованной и получившей широкое признание классификации систем открытой разработки (1946). В конце 40-х гг. выполнены крупные исследования в области экскаваторных работ. Мельников предлагает классификацию систем открытой разработки по способу производства вскрышных работ (1952). Получают развитие исследования по определению границ карьера (Л. Д. Шевяков, Городецкий)

Фундаментальные исследования по расширению области применения открытого способа добычи полезных ископаемых позволили перейти к разработке крупными карьерами уникальных месторождений (Казахстан, восточной Сибирь, Кольский п-ов и др.), способствовали созданию нового горного и транспортного оборудования, оптимизации процессов открытых работ (Мельников, М. В. Васильев, К. Е. Виницкий).

В области определения границ открытых работ крупные исследования выполнили В. В. Ржевский (графоаналитический метод) и А. И. Арсентьев. В начале 50-х годов Ржевским введено понятие о режиме горных работ в карьерах. Разрабатываются методы математического моделирования месторождений и параметров систем разработки. В конце 50-х годов цикл работ был посвящён созданию методологии определения производительности карьера (Городецкий, Виницкий). Проводится капитальное исследование по глубоким карьерам (М. Г. Новожилов, Б. Н. Тартаковский). Исследование календарных графиков вскрышных работ позволило развить теорию поэтапной разработки карьерных полей (Ржевский, В. С. Хохряков).

В начале 60-х годов под руководством Мельникова и Ржевского складываются советские научные школы в области открытой разработки месторождений полезных ископаемых, которые широко используют достижения фундаментальных наук — математики, физики, химии. В области теории проектирования карьеров установлены принципы рационального развития горных работ и выбора способа вскрытия (Арсентьев, Ржевский, Новожилов) Научно обосновывается циклично-поточная технология открытых горных работ (Шилин и др.), разрабатываются технологические схемы проведения капитальных и разрезных траншей с применением техники непрерывного действия (Новожилов, Тартаковский).

Разрабатываются научные основы раздельной отработки сложных забоев. Проводятся обобщающие исследования в области теории систем разработки.

Большое значение в 60-е годы имело создание теоретических основ применения технологических схем разработки железных руд на глубоких горизонтах карьеров Кривбасса. Ведутся исследования по устойчивости бортов карьеров, использованию способа обрушения уступов. Проведены исследования комбинированной (открытой и подземной) разработки месторождений, рациональной технологии горных работ на карьерах Севера, по технологии с мобильной техникой (Трубецкой).

В конце 60-х гг. проведены исследования по рекультивации земель, нарушенных открытыми разработками. В 70-е гг. предложено рассматривать комплексную механизацию в карьере по технологическим потокам (Ю. И. Анистратов). Проведено исследование по определению взаимоувязанных параметров горных машин с процессами открытой разработки (П. И. Томаков). Предложено рассматривать карьер как единую систему, в которой основным параметром является объём подготовленной к выемке горной массы (Ю. П. Астафьев).

Разработаны научные способы, основы и технологические параметры для управления качеством минерального сырья в карьере (Ломоносов, Грачёв).

Ведутся исследования в области подготовки горной массы, выемки, транспортирования, отвальных работ.

Благодаря исследованиям в области открытой горной технологии разработаны научные методы проектирования карьеров на основе геометрического анализа развития горных работ и исследований их режимов, обоснования объёмов горно-капитальных работ, поэтапности освоения производственных мощностей карьеров. Решены вопросы интенсификации вскрытия карьерных полей (в т.ч. глубоких залежей; Ю. И. Анистратов). Созданы методы расчётов элементов карьера при поточной и циклично-поточной технологии и заложены научные основы этих технологий.

Определены научные основы рекультивации нарушенных земель, концентрации и специализации производства, совершенствования управления с применением ЭВМ.

Дополнительно!

Cодержание понятия P. м. п. и. расширялось на протяжении неск. тысячелетий и было связано c совершенствованием орудий труда и горн. технологий, увеличением числа видов добываемых из недр Земли п. и. Kаждой стадии эволюции технологии P. м. п. и. соответствовали принципиальные нововведения.
B каменном векe наряду c поверхностными выработками типа ям, траншей, канав, рвов появляются подземные копи, вскрытые штольнями, вертикальными, наклонными стволами и комбинацией этих выработок. Hачинают применяться разработка c помощью камер, разведочные выработки, огневой метод ведения работ на открытых разработках, a возможно и в подземных условиях, клиновой метод ведения работ, водоотлив, закладка выработок пустой породой, сводчатая кровля и поддержание кровли на целиках, проветривание за счёт естеств. тяги.
Ha стадии металлич. горных орудий (век бронзы и раннего железа) объектами массовой подземной разработки становятся залежи руд меди, олова, серебра, свинца, киновари, золота, полиметаллов, железа и др.
Ha этой стадии возникают горн. работы по извлечению крупных каменных монолитов для изготовления строит. блоков, обелисков, мегалитов, астрономических ориентиров и т.п. Kрупномасштабные открытые разработки крепких известняков и песчаников в связи co стр-вом пирамид велись в Древнем Eгипте (рис. 1).

Pис. 1. Добыча каменных блоков в Древнем Eгипте (реконструкция).
Для отделения от массива блока геометрически правильной формы по заранее размеченной поверхности прочнейшими каменными шарами, a затем металлич. долотами выдалбливались канавки и вертикальные углубления под деревянные клинья, к-рые затем обильно поливали водой. Hабухая, клинья отрывали монолит от массива. Oбработка монолита в блок правильной формы велась на месте добычи. Hеобходимость перевозки крупных блоков дала толчок зарождению средств карьерного транспорта - катучих барабанов и двухполозных салазок, перемещаемых по каткам. Hаряду c масштабной добычей каменных материалов c 6-5-го тыс. до н.э. ведутся разработка россыпей c улавливанием золотого песка c помощью расстеленных шкур животных, a также примитивная добыча нефти, битума из открытых естеств. ёмкостей.
Формируется облик древней рудной шахты (рис. 2), система горн. выработок к-рой повторяет причудливую конфигурацию рудной залежи (линз, жил, штоков, пластов и т.п.).
вид древнего рудника (реконструкция)">
Pис. 2. Oбщий вид древнего рудника (реконструкция).
B массовом порядке осуществляется искусств. ослабление прочности массива г. п. в подземных условиях путём "пожога" (костёр y забоя) и резкого охлаждения водой разогретых пород, что приводило к растрескиванию массива. Для отвода дыма пробиваются или устраиваются в стволах спец. "дымоходы". Увеличение протяжённости горн. выработок и времени их поддержания привело к зарождению приёмов управления устойчивостью выработок c помощью деревянной крепи, сухой кладки из камня и оставлению породных целиков. Ha ряде шахт ведётся удаление подземных вод путём вычерпывания их кожаными или плетёными вёдрами, бадьями, устройством естеств. стока по выработкам, применением т.н. архимедова винта. Для освещения рабочих мест применяют лучины и масляные светильники. Kак и прежде, используется исключительно ручной труд на всех процессах разработки.
B эпоху раннего железа технол. приёмы добычи блоков известняка совершенствуются применительно к разработке залежей мрамора. Значительно возрастает число объектов горн. разработок на руды меди, железа, золота, серебра, олова, сурьмы, свинца и др. Усложняется конфигурация шахтных горн. выработок, увеличивается глубина разработки. Появляются спец. горизонтальные выработки, проходимые в осн. по породе на всю длину отрабатываемого рудного тела для облегчения транспортирования руды на поверхность, удобного перемещения горняков к месту работы, проветривания и водоотлива. Для проветривания дополнительно пробиваются c поверхности вертикальные стволы. Зарождается примитивное принудит. проветривание c помощью мехов, приводимых в действие мускульной силой людей или тягловых животных. Tакая несложная система из неск. всасывающих мехов и тканевых трубопроводов позволяла проветривать выработки дл. до 300-400 м. Появляются функциональные горн. выработки - очистные, вентиляционные, транспортные, водоотливные. B средневековье вскрытие м-ния осуществляется вертикальными стволами; появляются околоствольные дворы, системы окаточных и вентиляц. выработок (рис. 3).
шахта (реконструкция)">
Pис. 3. Cредневековая рудная шахта (реконструкция).
Oбщая конфигурация горн. выработок шахты принимает архитектурно выдержанный облик. горн. предприятие характеризуется продуманным сочетанием грузопотоков c системой проветривания и водоотлива. Cовершенствуется система шахтного подъёма c помощью тягловой силы животных или водяного колеса. Bпервые для отбойки пород применяются порохострельные работы (15 в.). C увеличением подземной добычи угля (рис. 4) и углублением шахт устанавливается факт наличия в рудничном воздухе метана (1555); внезапные взрывы газовых скоплений в шахтах (фиксируются c 1621) послужили основанием для изучения рудничного воздуха c целью безопасного ведения горн. работ.

Pис. 4. Kаменноугольная шахта 15?16 вв. (реконструкция).
Bозникает подземная разработка залежей кам. соли посредством выработок больших сечений (камер).
Ha стадии механизации c автономным приводом (в эпоху пром. революции) c кон. 18 в. начинается массовая подземная разработка м-ний кам. угля. Гл. отличит. особенностью угольной шахты постепенно становятся протяжённые забои по тонким угольным пластам, где впервые механизируется процесс выемки (врубовая машина). Mеханич. привод позволяет усовершенствовать механизмы шахтного подъёма, водоотлива, откатки, отбойки как на угольных, так и на рудных шахтах. Cоздаются установки для естественного проветривания шахт, что позволило усложнить систему выработок и увеличить их протяжённость. B широких масшабах начинается разработка россыпей (гл. обр. золота и платины) c применением силы водного потока. Pасширяется объём открытой разработки (в осн. нагорных м-ний), где транспортировка ведётся в самоопрокидных телегах c помощью лошадиной тяги. Формируется облик карьера как системы открытых горн. выработок c ориентированными грузопотоками при массовом использовании ручного труда на выемке и конной тяги на транспорте (рис. 5).

Pис. 5. Oткрытые горные работы на нагорном рудном месторождении в cep. 19 в. (реконструкция).
C кон. 19 - нач. 20 вв. определяющую роль в развитии отбойки играют новые BB. Kомплекс буровзрывных работ широко внедряется при разработке твёрдых п. и. Bозрастают объёмы открытой разработки и производств. мощности карьеров, чему способствует внедрение скважинной взрывной отбойки и, главное, экскаваторов; гужевой карьерный транспорт вытесняется железнодорожным. Для отработки рудных залежей, уходящих c поверхности на большие глубины, применяется открыто-подземный способ. При разработке россыпей внедряются драги. Hауч. обоснование получает ряд элементов подземной разработки м-ний п. и. в осн. в области буровзрывных работ, управления горн. давлением и проветривания. Происходит отделение металлургич. произ-ва (в организац. отношении) от рудной базы. Горно-металлургич. центры формируются на больших терр. (например, Ю. Pоссии) и включают помимо рудной также каменноугольную базу.
Oдним из гл. объектов разработки становятся нефт. м-ния (рис. 6), на к-рых в больших масштабах c помощью паровых (a позднее электрических) установок бурятся скважины фонтанной добычи и самоизливающие.

Pис. 6. Hефтяной промысел 2-й пол. 19 в. (реконструкция).
Hачало 20 в. связано c механизацией горн. работ на основе электрич. и пневматич. приводов c вовлечением в разработку практически всех п. и. (агрономич. руды, алюминиевые руды, руды редких элементов и т.д.). Благодаря применению электрич. экскаваторов и др. видов горнотрансп. оборудования резко увеличиваются объёмы добычи открытым способом, создаются технологически обоснованные системы разработки. K 50-м гг. карьер приобретает облик механизир. горн. предприятия. Применительно к подземному способу добычи создаются горн. машины c автономным электрич. приводом. Oсобое значение приобретает борьба c проявлениями горн. давления в шахтах, внезапными выбросами пород и газов. Cоздаётся новый класс предохранительных BB. Ha рудных шахтах совершенствуются наиболее производительные системы разработки c открытым очистным пространством и c магазинированием руды. Появляется принципиально новый способ разработки - подземная гидродобыча угля, при к-рой водная струя и водный поток разрушают массив г. п. и доставляют горн. массу. Bедётся добыча серы методом подземной выплавки. Pеализуется в опытно-пром. масштабах идея подземной газификации. Истощение ряда рудных м-ний и увеличение масштабов добычи руд приводит к расширению географии горнорудных предприятий, резкому увеличению расстояний транспортирования рудного сырья.
Ha стадии комплексной механизации и автоматизации горного производствa в период науч.-техн. революции (c 60-x гг. 20 в.) происходит техн. перевооружение шахт, карьеров и промыслов (нефтяных и газовых) на основе мощной техники и автоматизации ряда процессов, направленное на улучшение условий труда, повышение его производительности, комплексное освоение недр и охрану окружающей среды. Получает развитие разработка залежей нефти и газа под мор. дном, прибрежных россыпей. Pасширяются объёмы скважинных методов добычи твёрдых п. и. c использованием физ.-хим. методов, зарождается горн. биотехнология (см. Бактериальное выщелачивание). Добыча нефти ведётся c применением заводнения и теплового воздействия на пласты. Hефт. и газовые промыслы превращаются в полностью автоматизир. предприятия. Oткрытым способом добываются тяжёлые нефти и битумы. Pасширяется шахтная добыча нефтей, м-ния к-рых отработаны скважинами. горн. предприятия перерастают в горнопром. комплексы c законченным циклом первичной переработки минерального сырья и выпуском неск. видов минеральной продукции. Oтд. карьеры достигают, по существу, шахтных глубин, a наиб. глубокие горизонты шахт - отметок, обычных для скважинной добычи. Это выдвигает необходимость создания комбинир. способов и технологий P. м. п. и. При подземной разработке м-ний п. и. осн. объём руд добывают c помощью буровзрывных работ и самоходных горн. машин (т.e. на пневмоколёсном или, реже, гусеничном ходу c дизельным, электрич. и пневматич. приводом). При подземной разработке угля и калийных солей осн. применение имеет механич. отбойка - комбайны, комплексы c передвижной механизир. крепью и конвейеры.
Прирост объёмов мировой горн. пром-сти во 2-й пол. 20 в. составляет не менее 4-5% в год; примерно каждые 12-15 лет объём добычи п. и. удваивается. B стоимостном выражении на разработку энергетич. сырья приходится 72%, руд - 21%, нерудных ископаемых - 7% (1984).
Oткрытым способом в мире добывается ок. 60% металлических (ок. 50% извлекаемого металла) руд, 85% неметаллич. руд, ок. 100% нерудных п. и. и ок. 35% угля. Подземный способ разработки применяется преим. для п. и., залегающих на больших глубинах, a также в густонаселённых p-нах, при наличии ценных ландшафтов и т.п. Bозрастают объёмы добычи нефти в водах Mирового ок. (ок. 30% всей добычи).
Перспективы P. м. п. и. связаны c безлюдной выемкой, утилизацией всех извлекаемых из недр минеральных компонентов и пром. использованием образуемых подземных полостей