Технология разработки пластовых месторождений
Контрольная работа
Технология разработки пластовых месторождений
1. СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
пластовый месторождение угольный горный
В отличие от предприятий обрабатывающей промышленности, где перемещается деталь (предмет труда) в горном деле предмет труда находится на месте, а перемещаются места работы - как забои, так и машины в них.
Возникает необходимость постоянно воспроизводить фронт очистных работ (подготавливать линию забоев).
Система разработки пластового месторождения или его части - определенный во времени и пространстве порядок ведения очистных и подготовительных работ-
Рациональная система разработки должна обеспечивать:
а)максимальную безопасность труда рабочих;
б)возможность применения современных средств механизации итехнологии, а также высокую производительность забоя;
в)эффективную вентиляцию очистных и подготовительных работ,
г)минимальные потери П.И.,
д)оптимальные технико-экономические показатели.
На выбор системы разработки влияют: свойства П.И. и окружающих пород угол падения и мощность пласта, газообильность и водообильность, глубина разработки, уровень современной горной техники и многие другие факторы.
Множество сочетаний указанных и других факторов и требований определяют большое разнообразие систем разработки в связи с чем, единой классификации их до сих пор нет. Существуют классификации пластовых (угольных и сланцевых), рудных и нерудных месторождений при подземном и открытом способах добычи и т.д.
Системы разработки могут классифицироваться по:
а)мощности разрабатываемого пласта - системы разработки пластов тонких и средней мощности и системы разработки мощных пластов;
б)по способу очистной выемки - системы разработки без разделения мощного пласта на слои и слоевые системы разработки;
в)по направлению перемещения очистного забоя при выемке пласта в пределах выемочного участка по отношению к элементам залегания пласта; по простиранию, по падению, по восстанию, диагонально;
д) по длине забоя - системы разработки с короткими очистными забоями и системы разработки с длинными очистными забоями (лавами).
При разработке пластовых месторождений подземным способом наибольшее распространение получила классификация систем разработки, предложенная акад. Л.Д. Шевяковым, основным классификационным признаком, который является порядок проведения очистных и подготовительных выработок, а остальные признаки являются вспомогательными.
По этой классификации системы разработки делятся на !
А. Системы разработки пластов тонких и средней мощности:
. СПЛОШНЫЕ - с подвиганием длинного очистного забоя по простиранию, падению, восстанию, диагонально-
.СТОЛБОВЫЕ - с подвиганием длинного очистного забоя по простиранию, падению, восстанию, диагонально.
.КАМЕРНЫЕ - с подвиганием короткого очистного забоя по простиранию, падению, восстанию, диагонально.
.ЩИТОВЫЕ - о подвиганием очистного забоя по падению.
.КОМБИНИРОВАННЫЕ.
Б. Системы разработки мощных пластов.
. Без разделения пласта на слои (те же системы разработки, что и перечисленные выше).
. Системы разработки с разделением пласта на слои:
а) наклонными слоями
б) горизонтальными слоями
в) поперечно - наклонными слоями
г) диагональными слоями
д) комбинированные
. СПЛОШНЫЕ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ
Основные признаки: очистные забои и подготовительные выработки, обслуживающие их, подвигаются в пределах одного выемочного участка одновременно и в одном направлении; подготовительные выработки поддерживается среди обрушенных пород, для их поддержания оставляются угольные целики или возводят бутовые полосы; очистная выемка ведется от главного или участкового бремсберга (уклона) к границам шахтного или выемочного поля.
В наиболее распространенном варианте оплошной системы разработки - лава-этаж, когда в пределах этажа (яруса) располагают один длинный очистной забой, прямолинейной формы обычно перпендикулярный обслуживающим выработкам (А). От главного 6ремсберга (уклона) 1 с ходком 2 проводят этажные откаточный 8 и вентиляционный 6 штреки с просеками 5 и 7. У бремсберга оставляется предохранительный целик угля шириной 30 - 40 и и на его границе между просеками проводится разрезная печь 3 -монтажная камера, откуда начинается очистная выемка. Очистной забой 4 движется по простиранию по направлению к границе шахтного поля 9. Одновременно, с опережением 100 - 120 м проводятся подготовительные выработки. Добытый уголь конвейером доставляется до откаточного штрека, где грузится в вагонетки и транспортируется к бремсбергу или уклону, т.е. направление транспортировки по откаточному штреку противоположно направлению движения очистного забоя.
Откаточный и вентиляционный этажные штреки поддерживаются среди обрушенных пород, т.е. испытывают большое горное давление на крепь, что требует значительных затрат на ремонт выработок. Данный вариант является наиболее простым, поскольку требует минимального кол-ва подготовительных выработок.
Достоинства сплошных систем разработки: минимальная протяженность подготовительных выработок, проводимых до начала очистных работ; незначительный срок подготовки выемочных полей, ярусов или этажей к очистной выемке; простота проветривания небольшого количества глухих забоев при малой длине выработок.
Недостатки: значительные затраты на ремонт подготовительных выработок, поддерживаемых в выработанном пространстве особенно промежуточных штреков (эти затраты возрастают с увеличением мощности пласта и уменьшением устойчивости боковых пород); невозможность предварительной детальной доразведки массива угля, подлежащего выемке с помощью подготовительных выработок; невозможность предварительной дегазации и дренажа пласта» значительные утечки воздуха через выработанное пространство.
По горно-геологическим и горнотехническим факторам сплошные системы разработки целесообразно применять на пластах мощностью не более 1,О м и при спокойном залегании и устойчивых породах кровли с пучащей почвой, а также на пластах, опасных по внезапный выбросам угля и газа, т.к. число подготовительных забоев при данной системе минимальное, очаги выбросов чаще всего возникают в забоях подготовительных выработок.
3. СТОЛБОВЫЕ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ
Столб - это массив П.И., оконтуренный со всех сторон подготовительными выработками для последующей очистной выемки.
При столбовых системах разработки подготовительные и очистные работы разделены во времени и пространстве - в одном выемочном поле, ярусе или этаже ведутся подготовительные работы, в другом - очистные. Отработка столба ведется от границ шахтного или выемочного поля к бремсбергу; подготовительные выработки поддерживаются в массиве П.И., по мере отработки выемочного столба длина поддерживаемой части этих выработок сокращается (в противовес сплошным системам разработки).
Различают длинные столбы по простиранию, длинные столбы по падению- восстанию, диагональные столбы в варианте лава - этаж, длинные столбы по простиранию с делением этажа на подэтажи и короткие столбы.
При столбовой системе разработки в варианте лава-этаж подготовительные выработки проводятся на всю длину крыла до границы шахтного поля.
Здесь проводится разрезная печь, монтируется добычной комплекс, начинаются очистные работы от границ поля к стволам (обратным порядком отработки). Участки выработок сзади очистного забоя погашаются (рио.19А).
Крупнейшим недостатком данного варианта (помимо малой нагрузки на пласт) является длительный срок подготовки участка к очистной выемке 2 -3 года. Поэтому на практике в благоприятных горногеологических условиях применяют варианты с делением этажа на подэтажи, что дает возможность увеличить концентрацию горных работ, снизить удельный вес и объем подготовительных работ, сократить срок ввода участка в эксплуатацию.
Существуют три основных варианта столбовой системы разработки с делением этажа на подэтажи:
а)длинные столбы по простиранию с делением этажа на 2 - 4 подэтажа и транспортированием угля на передовой промежуточный (участковый) бремсберг;
б)длинные столбы по простиранию с делением этажа на 2 - 4 подэтажа и транспортированием угля на задний бремсберг;
в)длинные столбы по простиранию с делением этажа 2 - 4 подэтажа с двусторонними бремсбергами.
В угольной промышленности CШA, Канады, Австралии широко применяются системы разработки короткими столбами, при которых панель разбивается подготовительными выработками на столбы квадратной или близкой к ней формы со стороной 20 - З0 м. Выработки крепятся, как правило, анкерной крепью. Отработка столбов производится заходками без крепления выработанного пространства. Для проведения выработок и отработки столбов используют комплексы проходческого типа, погрузочные машины, самоходные вагонетки, станки для установки анкерной крепи и, телескопические конвейеры. Данная система обеспечивает высокую производительность труда рабочих, но характеризуется большим объемом подготовительных работ, сложностью проветривания и высокими (30-40%) потерями. Область применения - малогазоносные пласты средней мощности при горизонтальном или близком к нему залегании.
По сравнению со сплошными системами разработки системы разработки длинными столбами имеют следующие преимущества: заблаговременное проведение подготовительных выработок обеспечивает доразведку пласта в пределах выемочного поля, создает условия для проведения дегазации и осушения, большинство подготовительных выработок в течении всего срока службы поддерживаются в наиболее благоприятных условиях (по крайней мере с одной стороны имеется нетронутый массив П.И.), поскольку очистные и подготовительные забои разобщены во времени и пространстве имеются все условия для ритмичной работы добычных и проходческих машин.
Эти особенности делают столбовые системы разработки особенно эффективными при интенсивном производстве когда очистные и подготовительные забои насыщены большим количеством высокопроизводительных машин. При этих системах на пластах тонких и средней мощности достигнуты самые высокие в отрасли нагрузки на очистные забои.
Недостатки - значительный объем нарезных и подготовительных выработок, проводимых до начала очистных работ в выемочном поле, а также наличие большого числа подготовительных забоев, усложняющих проветривание.
4. ОТРАБОТКА ПЛАСТОВ ПО ПАДЕНИЮ-ВОССТАНИЮ
Системы разработки по падению - восстанию применяются при погоризонтном способе подготовки шахтного поля. Длина столба по падению 800 - 1000 м. Очистные забои обслуживаются конвейерным и вентиляционным бремсбергами - Направление отработки в основном, определяется геологическими условиями - при высокой газообильности обычно отработка по падению, при большой обводненности - по восстанию. Широко применяется полевая подготовка шахтного поля (.).
Выемка по падению пласта применяется на пластах с углами падения до 12, по восстанию - на водоносных пластах с углами падения до 8.
Встречаются следующие варианты длинных столбов по падению - восстанию отработка одинарными лавами (А), спаренными лавами (Б), что позволяет уменьшить объем подготовительных работ наклонных выработок, и отработка через столб (В), что создает более благоприятные условия для полдержания выработок. Для охраны выработок могут оставляться целики угля или применяться б е с ц е л и к о в а я отработка. Достоинства этой системы: снижение удельного объема проведения подготовительных выработок по сравнению с работой по простиранию, возможность обеспечения постоянной длины лавы, что имеет 6oльшoe значение при использовании механизированных комплексов, более простая и надежная схема транспорта, простая схема проветривания.
Недостатки - большое количество наклонных выработок, сложность перемещения людей и доставки оборудования по ним.
Общий объем применения этих систем в б. СССР превышает 17 % подземной добычи угля, наибольшее распространение получили в Донбассе 21%, в Карагандинском бассейне - 35% и Печорском бассейне - до 50%.
Широкое применение систем разработки длинными столбами по падению - восстанию в угольной промышленности СССР обеспечило лучшее применение средств комплексной механизации, более безопасные условия труде в очистном забое, снижение эксплуатационных потерь угля и уменьшение затрат на подготовку новых горизонтов.
. ЩИТОВЫЕ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ
Одной из разновидностей системы разработки длинными столбами по падению является щ и т о в а я в ы е м к а - ведение очистных работ на крутых пластах под защитой самопередвигающейся щитовой крепи.
На крутых пластах процессы крепления и управления кровлей являются весьма трудоемкой и опасной работой, особенно при разработке мощных пластов. Изобретение в 1930 году инженером И. А Журавлевым щитовой крепи и усовершенствование ее инженером И.А.Чинакалом позволило настолько изменить эти операции, что в настоящее время щитовые системы разработки нередко выделяют в особую группу.
Щ и т - это оградительная, реже оградительно - поддерживающая крепь очистных забоев наклонных и крутых пластов» передвигающаяся под действием собственной массы и давления обрушенных пород (иногда - механическим путем).
Самопередвигающиеся щитовые крепи (оградительные щиты) изготавливаются из древесины, бетонных, металлических и других конструкций и подразделяются на секционные и бессекционные.
Бессекционные щитовые крепи могут быть гибкими или арочными. Кроме того, существуют раздвижные (при разработке пластов переменной мощности) Г - образные, параболические, щиты на катках и другие конструкции. Некоторые виды щитовых конструкций представлены на .
Технология выемки угля при помощи щитовой крепи состоит в следующем. Под вентиляционным штреком устраивается монтажная камера, в которой конструируются секции щита. Под каждую секцию проводится углеспускная печь (.22-Б), устье которой перекрывается решеткой. Дополнительно проводится ходовая печь, оборудованная лестницей. Печи обычно проводятся по заранее пробуренным скважинам путем расширения скважин разбуриванием, взрывными работами или отбойными молотками. После монтажа щита на него обрушают нависающие породы - создают породную подушку, защищающую щит от динамических ударов самообрушающихся пород.
Выемка п.и. под щитом ведется буровзрывным способом. Опускания щита осуществляется обуриванием и взрыванием забоя с таким расчетом, чтобы щит под действием собственного веса и массы обрушенных пород, лежащих на нем, постепенно опускался в направлении откаточного горизонта. Отбитый уголь транспортируется по углеспускным печам самотекам. На унке изображены 3 участка - монтаж щита, добычные работы. Каждый участок содержит 4 секции, т.е. размер участка по простиранию 24.
По сравнению с другими системами разработки мощных крутых пластов щитовая выемка имеет следующие преимущества: в 2-3 раза повышается нагрузка на забой и производительность труда за счет малооперационности процесса выемки, на 50-70% снижается расход лесных материалов на 1000 тонн добычи, в 2 и более раз ниже себестоимости добычи 1 тонн угля.
Недостатки - большой объем подготовительных работ, большие потери угля, большой штат обслуживающих участок вспомогательных рабочих.
Область применения щитовой выемки - пласты мощностью 1,3-14 и с углом падения свыше 35 для крепей, передвигающихся щитов.
. КАМЕРНЫЕ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ
Это - отработка пласта п.и. короткими очистными забоями в направлении от транспортной выработки к вентиляционной (прямым ходом) с составлением между образующимися камерами постоянных (неизвлекаемых) ц е л и к о в. Применяется при добыче нерудных п.и. - каменные соли, горючие сланцы, стройматериалы, реже уголь (в основном в США, Канаде, Австралии). Камерные системы характеризуются высокими (до 30-50%) потерями, что ограничивает область их применения по экологическому фактору.
Камеры могут ориентироваться под любым углом к линии простирания пласта. Основные параметры камерной системы разработки - ширина целиков, размеры камер и выемочных участков. Выбирают их с учетом обеспечения поддержания кровли в камерах, сохранения целиков в течение всего периода эксплуатации. Ширина междукамерных целиков -2-15 м, барьерных - 5-30 м. Ширина камер 4-15 м и более, длина 50-З00 м и более.
Очистные работы могут вестись сразу на полную ширину камеры или камера начинается с проходки устья с оставлением целиков для поддержания штрека и последующим расширением забоя до необходимых размеров (.А). Возможна также проходка узкой выработки от транспортерного до вентиляционного штрека с последующим расширением камеры обратным ходом (.Б). Выемка осуществляется буровзрывным способом (машинная или скреперная погрузке, доставка скрепером, конвейером или самоходной вагонеткой) или механизированная (комбайновая выемка, доставка конвейером или самоходными вагонетками).
При крепких породах кровлю камеры не крепят, при менее устойчивых применяют анкерную, реже стоечную крепь» Для обеспечения проветривания камер за счет общешахтной депрессии, а также для устройства запасного выхода, их соединяют между собой сбойками 4, проходимых о целиках через каждые 20-25 м. Наибольшая эффективность камерной системы разработки достигается при организации непрерывной, поточной выемке П.И. в камерах без крепления, с использованием высокопроизводительных комбайнов с обычным или дистанционном управлением и телескопических конвейеров.
Основные достоинства - высокие технико-экономические показатели, в связи с малыми затратами на крепление, возможность высокой концентрации горных работ, возможность отработки нарушенных пластов.
Недостатки - сложность проветривания, большие потери П.И., что делает нецелесообразным применение камерных систем разработки на самовозгорающихся пластах.
С целью снижения потерь нередко применяется камерно- столбовая система разработки (рио.24-В). На угольных шахтах камерно-столбовая система разработки представляет собой двухстадийный процесс выемки П.И. При проведении по пласту узких камер от транспортной до вентиляционной выработки и частично извлечение междукамерных целиков короткими заходками между ними оставляются узкие (0,5-1м) целики. В очистных выработках давление горных пород воспринимается массивом угля и оставленными целиками, что исключает необходимость применения специальной крепи для управления горным давлением.
7.КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ
В этих системах путствуют элементы двух или более систем разработки, что позволяет усилить достоинство той или иной системы и ликвидировать или хотя бы уменьшить недостатки. Комбинированные системы разработки более эффективны, чем классические системы. К комбинированным системам в частности, относится камерно-столбовая система, описанная выше.
Наиболее часто применяется комбинированная система парные штреки (Подмосковный бассейн). При этой системе выемочное поле делится на четное число подэтажей - обычно 4-6. Нечетные подэтажи отрабатываются по принципу сплошной системы разработки - от бремсберга к границе выемочного поля; на границе выемочного поля проводятся новые разрезные печи и четные подэтажи начинают отрабатывать по принципу столбовой системы. Это дает возможность сократить объем подготовительных выработок, т.к. при выемке четных подэтажей используются те же выработки, которые обслуживали нечетные подэтажи.
Достоинства - сокращение сроков подготовки участка к очистной выемке, невысокие затраты на поддержание выработок, хорошая дегазация и дренаж участка. Недостатки - линия очистных забоев используется лишь на 5О%, сложность сообщения между отдельными забоями.
Область применения - пласты, близкие к горизонтальному залеганию, преимущественно средней мощности.
8. РАЗРАБОТКА МОЩНЫХ ПЛАСТОВ
Мощные пласты разрабатываются в Кузнецком, Челябинском, Карагандинском бассейнах, на месторождениях Кавказа, Средней Азии и Восточной Сибири.
Выемку мощных пластов можно производить сразу на полную мощность без разделения на слои и с разделением пласта на слои. Разделение мощного пласта на отдельные слои производят для создания в каждом слое условий, аналогичных условиям работы на пластах средней мощности. В связи с этим толщина слоев принимается равной 2,5-3,5м.
При разработке мощных пластов на полную мощность могут применяться серийно выпускаемые добычные комплексы. Крепи ОКП -7О, КМ -130, 2УКП могут разрабатывать пласты мощностью до 4,5 м, крепь КМ -120 - до 5,5м. В этих случаях на мощных пластах применяются те же системы разработки, что и на пластах средней мощности - сплошные, столбовые, камерные и щитовые. Деление мощного пласта на слои производят плоскостями, различным образом ориентированными в пространстве по отношению к пласту.
Различают деление пласта на наклонные слои - плоскостями параллельными плоскостям напластования, на горизонтальные слои - горизонтальными плоскостями и на поперечно-наклонные слои - плоскостями; наклоненными к горизонту под углом ЗО - 35
Выемку слоев ведут последовательно, начиная с верхнего в направлении сверху вниз - в нисходящем порядке (при работе с обрушением) или в обратном направлении - снизу вверх - в восходящем порядке. При работе с закладкой может использоваться как восходящий, так и нисходящий порядок выработки.
Разработку наклонными слоями применяют на мощных пластах пологого, наклонного и крутого падения в Карагандинском, Кузнецком и Челябинском бассейнах. Для предотвращения прорыва обрушенных пород из вышележащих слоев в нижние применяют различного рода межслоевые перекрытия. Самым простым и самым распространенным способом является оставление между слоями угольной пачки толщиной 0,5-0,6 м. Оставление пачки приводит к увеличению потерь угля и опасности возникновения подземных пожаров.
Если пласт имеет сложное строение (с прослойками породы), то границы между слоями стремятся по возможности приурочить к породным прослойкам. При отсутствии породных прослоек, чтобы не оставлять угольные пачки, на границе слоев создают искусственные перекрытия - предварительную крепь, для чего на почве разрабатываемого слоя укладывают дощатый настил или металлическую сетку. На это перекрытие обрушают породы кровли слоя или укладывают закладку. При разработке следующего нижележащего слоя предварительная крепь, подхваченная стойками или козырьками крепи, ограждает призабойное пространство от вывалов обрушенных пород из вышележащего слоя. Возведение предварительной крепи является довольно трудоемкой работой и требует значительного расхода материалов.
. РАЗРАБОТКА РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Особенности рудных месторождений.
1.Непостоянство элементов залегания (переменная мощность, изменяющийся угол падения и т.д.).
2.Неясность контура месторождения (наблюдается оруднение окружающих пород).
.Повышенная крепость руды - нередко большая, чем вмещающих пород.
.Содержание в руде, как правило, не одного (монометаллические руды) а нескольких (полиметаллические) полезных ископаемых.
.Необходимость дальнейшей переработки руды для извлечения полезны компонентов.
Эти особенности рудных месторождений от пластовых накладывают определенные отличия и в их разработке.
Рудные месторождения подразделяются:
по форме залегания:
а) изометрические - одинаково развитые во всех трех направлениях в пространстве (штоки, гнезда);
б) пластообразные - вытянутые в двух направлениях (переходной формой является линзы);
в) столбообразные - вытянутые в одном направлении - обычно в глубину (кимберлитовые трубки).
по углу падения:
а) пологие от 0 до 20 градусов;
б) наклонные 20 - 50 градусов;
в) крутопадающие - свыше 50 градусов.
по мощности:
а) весьма тонкие - мене 0,8 м;
б) тонкие 0,8 - 2,0 м;
в) средней мощности 2,0 - 5,0 м;
г) мощные 5,0 - 20,0 м;
д) весьма мощные - свыше 20,0 м.
по плотности (удельному весу):
а) легкие - менее 2,5 т/м3;
б) средние 2,5 - 3,5 т/м3;
в) тяжелые - более 3,5 т/м3.
по крепости:
а) мягкие - коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову менее 4;
б) средней крепости 4 - 9;
в) крепкие 9 - 15;
г) весьма крепкие более 15.
по устойчивости руды и породы при условии когда длина и ширина обнажения соизмеримы, т.е. длина превышает не более, чем в два раза:
а) весьма неустойчивые - исключают работы без крепления ( встречаются крайне редко);
б) неустойчивые - допускают обнажение кровли без крепления до 10 м2, при длительном стоянии необходимо крепление.
в) средней устойчивости - допустимое обнажение до 100 м2, при длительном стоянии необходимо крепление;
г) устойчивые - допускают обнажение до 600 м2, при длительном стоянии необходимо только в отдельных, ослабленных местах;
д) весьма устойчивые - допускают обнажение без крепления до 1000 м2 и более, при длительном стоянии крепления не требуется.
по кусковатости, т.е. крупности кусков, получаемых при отбойке:
а) рудная мелочь - от рудной пыли до кусков с поперечными размерами 100 мм. Иногда при сортировке выделяют не сортируемую мелочь - размерами менее 50 мм;
б) руда средней кусковатости 100 -300 мм;
в) руда крупнокусковатая 300 - 600 мм;
г) руда весьма крупнокусковатая более 600 мм.
Размер кондиционного куска оказывает большое влияние на выбор оборудования, габариты рудоспусков и т.д.
Куски руды, превышающие кондиционные размеры называют негабаритами.
. ЦЕННОСТЬ РУДЫ И РЕНТАБЕЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ
Различают валовую и извлекаемую ценность руды. Руды могут быть богатые, средние и бедные.
Среднее содержание полезного компонента в объеме рудного тела, при котором ценность этого полезного компонента равна затратам на добычу руды и ее переработку называется проминимумом.
Валовая ценность руды - стоимость полезных компонентов, содержащих в руде (1 т)по оптовым ценам.
Извлекаемая ценность руды - стоимость полезных компонентов, извлекаемых из 1 т руды, при добыче и переработке ее.
При разработке руд помимо количественных потерь (по площади и по мощности) возникают также качественные потери - снижение количества полезного компонента, добытого при разработке, вследствие примешивания к нему вмещающих пород, пород с непромышленным содержанием и т.д.
Эти потери оцениваются коэффициентом разубоживания.
Его еще называют коэффициентом потерь качества руды.
. ОСНОВНЫЕ СТАДИИ РАЗРАБОТКИ
Вскрытие - проведение горных выработок, открывающих доступ с поверхности ко всему рудному телу или его части и обеспечивающих возможность проведения подготовительных выработок.
Подготовка - проведение подготовительных выработок - штреков, восстающих, ортов - которыми вскрытая часть месторождения разделяется на обособленные участки - этажи, блоки, панели, столбы.
Очистная выемка - технологический процесс извлечения руды из выемочных участков и поддерживания образовавшегося при этом очистного пространства.
При разработке рудных месторождений различают:
вскрытые запасы - запасы руды в разрабатываемом месторождении или его части, находящихся выше горизонта подсечения их вскрывающими выработками (шахтными стволами, штольнями, квершлагами);
подготовленные запасы - запасы руды выемочных участков, в которых полностью пройдены подготовительные выработки, предусмотренные данной системой разработки.
готовые к выемке - запасы руды подготовленных выемочных участков, в которых полностью пройдены нарезные выработки, необходимые для выемки.
. ВСКРЫТИЕ
При вскрытии рудных месторождений применяются те же вскрывающие выработки, что и при разработке пластовых: вертикальные и наклонные стволы, штольни, квершлаги, слепые стволы и т.д. Основные отличительные особенности вскрытия рудных тел состоят в том, что резкое изменение элементов залегания не дает как правило возможности применения однотипных вскрывающих выработок и на практике чаще всего используется комбинированные способы: вертикальные стволы + слепой наклонный ствол (Б) наклонные стволы + слепые вертикальные стволы (В), штольни + слепые стволы и т.п. Вертикальные и наклонные стволы стараются расположиться в лежачем боку залежи, и в качестве вспомогательных вскрывающих выработок обычно используется квершлаги и гезенки, причем в связи с изменяющейся мощностью залежи нередко устраивают концентрационные горизонты, между которыми располагаются несколько вспомогательных.
. ПОДГОТОВКА
Способы подготовки должны согласовываться с соответствующей системой разработки и способами транспортировки руды.
Транспортные подготовительные выработки месторождения по падению делятся на этажи высотой обычно 50 - 80 м. По простиранию месторождения делятся на блоки длиной 100 и более м. Подготовительные выработки могут располагаться в руде (рудная подготовка), во вмещающих породах (полевая подготовка) или комбинированно.
По типу выработок, в которых производится загрузка транспортных средств отбитой рудой штрековые и ортовые способы. Применяют тупиковые и кольцевые орты.
Выбор типа основной подготовительной выработки (штрека или орта) диктуется размерами месторождения, принятой системой разработки и физическими свойствами руды. Так, на мощных и весьма мощных месторождениях наиболее предпочтительна подготовка кольцевыми ортами. Кроме того, при выборе наиболее рационального способа подготовки учитывают затраты на проведение и поддерживание выработок, транспортировку полезного ископаемого до квершлага, надежность проветривания выработок, возврат затрат от реализации добытого при проведении выработки полезного ископаемого и т.д.
. ОЧИСТНАЯ ВЫЕМКА
В связи с разнообразием физических свойств рудных тел возникает необходимость выполнения дополнительных производственных процессов, отсутствующих при выемке пластовых месторождений. При очистной выемке руды различают следующие производственные процессы: отбойка, вторичное дробление, доставка, выпуск и погрузка руды, поддержание очистных выработок, рабочего пространства и вмещающих пород.
ОТБОЙКА. Добычные комбайны и другие выемочные машины могут применяться лишь на мягких рудах - калийные соли, огнеупорные глины, марганцевые руды. Во всех остальных случаях отбойка руды осуществляется буровзрывным способом.
Отбойка является одной из самых трудоемких работ, особенно при разработке руд большой крепости. Стоимость отбойки может составлять 60 - 80% общей стоимости очистной выемки.
При буровзрывном способе отбойки применяются шпуровые, скважинные и минные заряды.
При отбойке руды скважинными и минными зарядами, а также при массовом обрушении образуется определенное количество крупных кусков руды - негабаритных кусков, которые необходимо дробить для того чтобы они могли пройти через рудоспуски.
Дробление негабаритных кусков необходимо производить до кондиционных размеров. Кондиционный кусок - наибольший размер куска руды, на который рассчитаны затворы и люки рудоспусков, вагонетки и другое оборудование рудника и обогатительной фабрики. Обычно составляет 300 - 1000 мм.
Измельчение негабаритных кусков может осуществляться непосредственно в забое или в специальных выработках. Система этих выработок, расположенных выше откаточного горизонта, называется горизонтом вторичного дробления.
Выработки горизонта вторичного дробления могут быть представлены выработками скреперования или грохочения. Во всех случаях над рудоспусками устанавливают грохоты. Дробление негабаритных кусков может производиться на почве выработки или грохотной решетке.
Вторичное дробление руды производится с помощью ВВ - накладными или шнуровыми зарядами, механическими дробилками или специальными способами - гидропрессами, термитное дробление, токами высокой частоты.
Отбитую при очистной выемке руду доставляют на выработки основного откаточного горизонта и грузят в вагонетки.
Погрузка отбитой руды - выпуск руды - последовательное извлечение отбитого полезного ископаемого из очистного пространства или аккумулирующей емкости под действием силы тяжести или механических сил.
При доставке конвейерами или вагонетками на погрузке руды используют преимущественно погрузочные машины. При разработке пологих месторождений камерно-столбовой системой могут применяться экскаваторы. Для доставки руды в этом случае применяются автосамосвалы.
В последнее время применяют схемы погрузки, при которых отбитая руда выпускается на почву выработки и грузится в вагонетки погрузочными машинами. При выпуске руды над выпускным отверстием образуется так называемый «эллипсоид выпуска», объем которого равен объему руды, выпускаемому из отверстия. Этот объем зависит от размера выпускного отверстия, высоты эллипсоида выпуска, его эксцентитета, гранулометрического состава и влажности выпускаемой руды.
Для обеспечения максимального выпуска руды выпускаемые отверстия должны располагаться на расстояниях, обеспечивающих пересечение эллипсоидов выпуска.
Поддержание выработанного пространства - сохранение его устойчивости путем искусственного подпора боков и кровли очистного пространства целиками, закладочным материалом, отбитой рудой или крепью.
От правильного выбора способа поддерживания выработанного пространства зависит безопасность работ, себестоимость добычи руды, величина потерь и разубоживания, интенсивность разработки, производительность рудника.
Способ поддержания очистного пространства положен в основу почти всех классификаций схем разработки рудных месторождений (в отличие от угольных).
. СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
По способу поддержания очистного пространства системы разработки рудных месторождений, делятся на следующие классы:
а) системы с открытым пространством;
б) системы с магазинированием руды в выработанном пространстве;
в) системы с закладкой выработанного пространства;
г) системы с креплением выработанного пространства;
д) системы с креплением и закладкой выработанного пространства;
е) системы с обрушением вмещающих пород;
ж) системы с обрушением руды и вмещающих пород.
В каждом классе имеется от 2 до 8 разновидностей систем разработки.
Обогащение и переработка полезных ископаемых.
Обогащением полезных ископаемых (как правило твердых) называется совокупность процессов первичной обработки минерального сырья, добытого из недр, в результате которых происходит отделение полезных ископаемых от пустой породы, а при необходимости и их взаимное разделение.
В природе редко встречаются полезные ископаемые в такой форме и с такой степенью чистоты, которые позволяют использовать их без предварительной обработки.
В результате обогащения получают один или несколько продуктов, называемых концентратами.
Содержание полезного компонента в концентрате значительно (иногда в десятки раз) выше чем в исходном сырье.
Отходы обогащения (пустая порода) называются хвостами. В них также есть полезные компоненты, но их мало. Иногда идет переработка хвостов (геотехнология).
В полезном ископаемом могут содержаться как полезные примеси (напр. ванадий, марганец, молибден, хром в железной руде), так и вредные (сера, фосфор и т.д).
Эффективность обогащения может быть очень высокой. Так повышение содержания железа в концентрате на 5% почти на 25% увеличивает производительность доменной печи, на 15% снижает расход кокса, в 2 раза флюсов и в общем снижает себестоимость 1 тонны чугуна на 10%.
Если в руде мало металла, то часто без обогащения вообще невозможно его извлечь, так как при выплавке он весь переходит в шлак.
Свойства поверхности минералов и способы обогащения
прилипаемость - флотация
твердость, прочность - избирательное дробление
коэффициент трения - обогащение по трению
электрические, радиоактивные и другие свойства - соответственно электрическая, радиометрическая сортировка
Очень часто измельченные и обогащение полезные ископаемые затем брикетируются.
При грохочении обычно применит сита с модулем
(100-50-25-12,5-6-3 мм)
по крупности различают классы угля
плита
крупный орех
орех
семечко
штыб
Флотация - процесс разделения тонко измельченных полезных ископаемых в водной среде, основанный на различии их способности смачиваются водой и прилипать к поверхности раздела.
В воду подают воздух и несмачиваемые (гидрофобные) частицы, прилипают к воздушным пузырькам и всплывают на поверхность.
Расход воды доходит до 8м3/т
В таком виде продукты обогащения малопригодны для использования - удорожается перевозка и хранение, уменьшается сыпучесть, вероятность смерзания и тд.
Поэтому необходимо обезвоживание
Для угля, например, 9-12% летом и 7% зимой.
Дренирование, центрофугирование, фильтрование, сушка.
Так, например, свинца в исходном сырье обычно содержится 1-3%, а в концентрате для переработки - до 70%; цинк, соответственно, 1-4% - 45-50%; медь 0.4-1.5 - 15-40%; вольфрам 0.06-0.4 - 50-65%.
Обогатительной фабрикой называется промышленное предприятие, на котором обрабатывают полезные ископаемые и выделяют из них один или несколько товарных продуктов с повышенным содержанием ценных компонентов и пониженным содержанием вредных примесей.
Все процессы, выполняемые на обогатительных фабриках можно разделить на подготовительные, обогатительные и вспомогательные.
К подготовительным относят: дробление, измельчение, грохочение и классификацию, то есть процессы, позволяющие раскрыть минералы до смеси пригодной для дальнейшего разделения.
Основные обогатительные процессы - процессы, при которых полезные минералы выделяются в концентраты, а пустая порода - в хвосты.
Вспомогательные процессы - процессы удаления влаги (обезвоживание)
Наиболее трудоемкие подготовительные операции - до 60 %.
При обогащении используются различные свойства, как физические, так и физико-химические.
Наибольшее значение имеют:
цвет и блеск - ручная породовыработка или рудоразборка.
плотность и крупность - гравитационное обогащение
Дробилки: аппарат, в котором осуществляется дробление крупных кусков минерального сырья
щековые
конусные
валковые
ударные
Мельницы: аппарат для измельчения минерального сырья.
барабанные (с диаметром до 10м)
шаровые
дисковые
Сепарация: процесс разделения полезных ископаемых на продукты, отличающиеся по каким-либо свойствам.
магнитная
электрическая
пневматическая
и тд.
Открытые горные работы
Комплекс горных работ, осуществляемых для добычи полезных ископаемых непосредственно с поверхности земли, называется открытые горные работы
Карьер - горное предприятие, производящее добычу полезных ископаемых открытым способом и отгрузку его потребителям.
Разрез - карьер по добыче угля и россыпных месторождений.
Элементы карьера - совокупность геометрических параметров, ограничивающих карьерное пространство:
а) рабочий и нерабочий борта
б) подошва или дно карьера
в) предельная глубина разработки
г) границы карьера.
Рабочий борт - боковая поверхность карьера, перемещающаяся в процессе ведения горных работ. Делится на уступы
Нерабочий борт - боковая поверхность, от которой начаты работы;
Подошва или дно карьера - нижняя граница карьера;
Предельная глубина разработки - расстояние по вертикали между уровнем поверхности и дном карьера.
Различают : проектную, конечную (фактическая) и предельная, то есть экономически целесообразная - соответствует равенству затрат на добычу полезных ископаемых открытым и подземным способами выемки. В данных условиях предельную глубину характеризует коэффициент вскрыши - количество вскрышных (пустых) пород на единицу полезных ископаемых. Для угля 10-15. С развитием техники растет. Может быть весовым, т/т; объемным м3/м3 или комбинированным м3/т (для угля).
Борта, дно, глубина определяют границы карьера.
Уступ - часть борта карьера в форме ступени, это слой породы или полезных ископаемых разрабатываемый самостоятельными средствами добычного и транспортного оборудования.
Горизонтальные поверхности, ограничивают уступ по высоте.
Основные элементы уступа:
а) верхняя рабочая площадка
б) нижняя рабочая площадка
в) откос уступа - наклонная поверхность между верхней и нижней площадками;
г) угол откоса - a- предельный угол, при котором сохраняется устойчивость уступа с площадками.
е) высота уступа - расстояние по вертикали между верхней и нижней площадками. Определяется мощностью полезных ископаемых; свойствами пород, применяемым оборудованием и обычно не превышает высоту черпания.
Уступы бывают вскрышные (удаление покрывающих пород) и добычные (выемка полезных ископаемых). Делятся на подуступы (см ниже).
Разработка уступов осуществляется экскаваторами иногда с предварительным рыхлением пород БВР.
Экскаватор - самоходная землеройная машина, предназначенная для выемки породы из массива (или отвала) и погрузки в транспортные средства или в отвал.
Делятся:
а) по принципу действия и типу рабочего оборудования -
цикличного действия (одноковшовые)
непрерывного действия (многоковшовые)
б) по типу ходового оборудования - гусеничные, пневмоколесные, шагающие, рельсовые.
в) бывают с жесткой связью и гибкой связью (драглайн).
Если уступ разрабатывается разными средствами выемки, но единым транспортом, то он делится на подуступы.
Многоковшовые - машина непрерывного действия с цепным или роторным органом с небольшими ковшами (от 50 до 1500л).
Драглайн - экскаватор с ковшом на гибкой связи (канатах), забрасывающий ковш и подтягивающий его. Обычно на шагающем ходу.
ЭКГ - 8. ЭВГ - 15; ЭШ - 65/100; ЭР - 3000 и т.д;
ходовая часть, кабина управления, стрела рукоять, ковш.
Основные этапы открытых горных работ
1.Подготовка поверхности
2.Вскрытие карьерного поля
.Вскрышные работы
.Добычные работы
.Транспортировка и складирование
.Отвалообразование
.Рекультивация поверхности
Подготовка поверхности, отведенной для работы карьера, заключается в вырубке лесных насаждений, отвода рек, переноса поверхностных сооружений, осушения грунтовых вод или понижения их уровня в пределах карьерного поля.
Вскрытие карьерного поля - проведение (проходка) системы капитальных горных выработок для установления транспортной связи между пунктами погрузки горной массы в карьере и пунктами ее разгрузки на поверхность (складами, отвалами, обогатительными фабриками).
Вскрытие осуществляется открытыми горными выработками (с незамкнутым верхним контуром) - траншеями:
Общая траншея - обслуживает все уступы карьера
Групповая траншея - обслуживает группу уступов (обычно вскрышные и добычные).
Отдельная траншея - обслуживает один уступ.
Вскрышные работы (вскрыша) - снятие и перемещение покрывающих и вмещающих полезные ископаемые пустых пород.
Начинается от нерабочего борта карьера и, как правило, осуществляется одним или несколькими уступами.
В сравнительно мягких породах вскрышные работы могут производиться бульдозерами, стругами, гидромониторами или (чаще всего) прямой экскавацией.
Применяются одноковшовые экскаваторы (прямые и обратные механические лопаты) с емкостью ковша до 35м3 или драглайны - до 80м3. Лопаты имеют небольшой фронт работы, но большую точность погрузки - в вагоны, автосамосвалы, конвейер, драглайны редко перемещаются, но грузят неточно - чаще всего прямо в отвалы. Многоковшовые экскаваторы применяются реже.
В крепких породах приходится прибегать к предварительному рыхлению при помощи БВР - бурятся скважины, глубиной немного больше высоты уступа или (реже) минные заряды.
Добычные работы - основной этап, то есть выемка полезных ископаемых.
В основном производится экскаваторами с ковшами меньшей емкости, чем у вскрышных или многоковшовыми (цепными или роторными). Роторные экскаваторы позволяют производить селективную выемку пластов сложного строения.
В зависимости от мощности пласта осуществляется одним или несколькими уступами.
Карьерный транспорт - комплекс средств транспортировки горной массы при вскрышных и добычных работах.
Виды транспорта - рельсовый: электровозы, тепловозы, паровозы. Саморазгружающиеся вагоны - думпкары.
Рельсы располагаются вдоль фронта работы уступа и по мере необходимости передвигаются специальными путепередвижчиками.
автомобильный - автосамосвалы грузоподъемностью до 130т.
большая маневренность.
конвейерный - весьма перспективный вид транспорта.
За счет возможности транспортировки до 18 0 (а при специальных устройствах до 350) сокращаются длины транспортировки. Обладает непрерывностю работы, высокой производительностью, обеспечивает поточную технологию.
С увеличением глубины карьеров (а она достигает 800-1000м) все чаще применяется комбинированный транспорт.
Также может использоваться гидротранспорт, скреперы, транспортно-отвальные мосты и тд.
Складирование - временные склады в уступах.
Отвалообразование - процесс размещения вскрышных пород во внешних или внутренних отвалах. Расходы на отвалообразование доходят до 15 и более % от стоимости вскрышных работ.
Для размещения породы в отвалах применяют транспортно-отвальные мосты, автомобили конвейеры, а также специальные отвалообразователи, разравнивающие породу. Их производительность доходит до 15000 м3/час, радиус разгрузки до 230 м, высота разгрузки - до 70 м.
Рекультивация земель - комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности народнохозяйственной ценности нарушенных земель и улучшение условий окружающей среды.
Разравнивают отвалы (удобнее внутренние), засыпают плодородной землей и т.д.
Проветривание карьеров - один из наиболее сложных вопросов ОГР.
Достоинства и недостатки ОГР
По сравнению с подземными горными работами открытая разработка месторождений обладает следующими преимуществами:
1.Возможность применения высокопроизводительной техники - цепные многоковшовые экскаваторы - до 8000 м3/час, роторные - до 15000 м3/час, против 150-200 т/час при ПГР.
2.Возможность одновременной работы нескольких экскаваторов - резкое увеличение мощности предприятия.
.Отсутствие таких трудоёмких и опасных процессов, как крепление и управление кровлей.
.Отсюда - высокие ТЭП. Производительность в 6-8 раз выше, себестоимость в 5-6 раз ниже.
Недостатки:
1.Очень сложная и дорогая техника (высокая амортизация).
2.Горные отводы карьеров занимают большие площади - десятки квадратных километров.
.Из недр извлекаются безжизненные, токсичные породы. Много пыли.
.Зависимость от климатических условий.
Концентрация и интенсификация горных работ
Концентрация горного производства сосредоточение производства (добычи полезных ископаемых) наиболее крупных шахтах, рудниках, карьерах, участках.
Характеризуется повышением нагрузки на отдельную шахту, рудник, очистной и подготовительный забой, выемочное поле, пласт, горизонт, этаж, а также числом дней работы предприятия по добыче в течении года и недели, часов работы предприятия и его отдельных добычных участков в течении суток (общее экономическое определение).
Концентрация горных работ - процесс сосредоточения во времени и пространстве горных работ на каждом отдельном горном предприятии и по всей горнодобывающей промышленности в целом. Для современных горных предприятий характерно увеличение пространственной концентрации горных работ и сокращение числа одновременно разрабатываемых пластов, горизонтов, блоков, очистных забоев.
Таким образом, концентрация горных работ предусматривает сокращение количества горнодобывающих предприятий при одновременном сохранении или даже увеличении общей добычи в регионе. Чем крупнее шахта ,тем при прочих равных условиях выше ее технико-экономические показатели. На предприятии помимо переменного штата, численность которого зависит от производственной мощности (например, рабочие очистных забоев) имеется постоянный штат (работники сигнализации и связи, административно - управленческий персонал, младший обслуживающий персонал), численность которого совсем или почти не зависит от мощности шахты.
В шестидесятые годы министерство угольной промышленности СССР ликвидировало более 1000 мелких (с добычей менее 500 т/сутки) шахт. Подобные ликвидации,а также объединения мелких шахт в одно крупное предприятие производилось неоднократно и в настоящее время в странах СНГ насчитывается всего лишь 505 шахт (административных единиц). Их среднесуточная добыча составляет 2011т на одну шахту (в Караганде-4713, Печерском-бассейне 4263).
Для сравнения: среднесуточная добыча одной шахты в Англии-2320,Франции -3600, Чехословакии-5300, Польше-9420,ФРГ-10520 т/сутки.
Существуют шахты, суточная нагрузка которых значительно выше, чем средняя в данной стране. Так, шахта «Воргашорская»(Печорский бассейн)имеет нагрузку 15000 т/сутки, «Распадская»(Кузбасс)-25000,«Чечет» (ПНР) -23000, «Секунда» (ЮАР) -100000, «Рейланд» (ФРГ)-17000 т/сутки.
С целью дальнейшей концентрации производства в настоящее время в странах СНГ нормами технологического проектирования не рекомендуется проектирование шахт с суточной добычей менее 6000т.(1,8 млн т/год)
Интенсификация производства - (общее понятие) - процесс развития производства на основе применения все более эффективных средств механизации и прогрессивных технологий,а также передовых методов организации труда. Интенсификация производства - важнейшее условие его эффективности .
Интенсификация горных работ - увеличение добычи полезного ископаемого на отдельных участках и подразделениях за счет применения современной технологии, техники и организации работ.
Интенсификация является одним из основных условий концентрации, поскольку именно интенсивная работа на отдельном рабочем месте, в отдельном забое, позволяет уменьшить их количество. Одним из первых примеров интенсивной работы можно считать рекорд Н.А. Изотова, зачинателя изотовского движения -в 1932г. он вырубил отбойным молотком 640 т угля в смену (2000 % нормы).Этот рекорд до сих пор не превзойден.
Среднесуточная нагрузка на один очистной забой в странах СНГ составляет 417 т. на комплексно- механизированный - 670. (Караганда соответственно 948 и 957 т). Для сравнения: Франция - 615т, Англия - 727, ПНР - 980, ФРГ -1492 т/сутки. Многие коллективы добиваются весьма высоких результатов, так участок, руководимый А.Каном (Караганда) добыл за месяц 113400 т угля, т.е. 3780 т/сутки. Участок О.Ишхнели (Караганда) -177023 т за 31 рабочий день- 5710 т/сутки, в отдельные дни добыча доходила до 6700 т. Участок М.Чиха (Донбасс) довел месячную добычу в струговой лаве до 200000т (в отдельные дни до 12000 т).
Данные рекорды позволяют выявить возможности горнодобывающей техники и как правило, не повторяются в ближайшее время. Значительно сложнее организовать работу таким образом, чтобы в течении длительного времени обеспечить стабильную работу участка .В качестве примеров такой работы можно назвать участки Г. Смирнова (Кузбасс) В. Литвинова и А. Саламатина (Караганда), М. Чиха и многих других ,которые в течении нескольких лет добывали не менее миллиона тонн угля в год из одной лавы. Участок Чиха, например, работал так в течении 11 лет подряд.
Интенсивность труда- степень напряженности труда в процессе производства. Характеризуется затратами физических и нервных усилий, в том числе тяжестью труда, темпом и ритмом работы, коэффициентом использования рабочего времени.
Интенсивность труда обеспечивает темпы роста производительности труда.
Основной показатель пространственной концентрации горных работ
По данным ИГД АН Р.К. для Карагандинского бассейна повышение концентрации на 1% дает снижение себестоимости добываемого угля на 1,5 - 2,0%.
16. БЕЗЛЮДНАЯ ВЫЕМКА
Это условное название способов выемки без путствия людей в очистном забое. Безлюдная выемка - технология с высоким уровнем техники и организации, при которой исключается трудоемкий ручной труд в забое, обеспечивается высокая производительность и безопасность работ.
Различают две группы способов безлюдной выемки: c креплением и без крепления призабойного пространства.
В первом случае путствие людей в забое допускается только
во время профилактики, ремонтных работ, монтажа и демонтажа оборудования, т.е. при отсутсвии работ по выемке; во втором - человек по условиям технологии работ и безопасности не может (шнековая выемка, канатные пилы и т.д.) или не должен (гидродобыча) находится в забое.
Технология и средства безлюдной выемки создаются, главным образом, для условий, в которых невозможна эффективная эксплуатация комплексов с механизированными крепями и агрегатами. В первую очередь это касается маломощных пластов. Минимальная мощность пласта , при которой обеспечивается требуемый для людей проход высотой 400мм составляет 0,6 м минимальная мощность пласта ,при которой возможна нормальная эксплуатация механизированных комплексов 0-8 м.
Безлюдная выемка с креплением призабойного пространства включает отработку пластов механизированными комплексами и агрегатами, которые применяются на тонких и средней мощности пластах, в том числе, опасных по внезапным выбросам угля и газа: в процессе выемки люди находятся вне очистного забоя и управляют выемочной машиной и передвижкой крепи дистанционно. Агрегаты также могут работать с программным управлением.
Безлюдная выемка без крепления призабойного пространства производится буровыми и шнекобуровыми установками, канатными пилами, буровзрывным способом. Сюда также можно отнести специальные способы разработки месторождений (газификация, растворение, гидрогенизация и т.д.) Бурошнековая выемка - осуществляется путем последовательного бурения скважин, диаметром несколько меньше мощности пласта. Между скважинами оставляются целики угля, извлекаемые частично или совсем не извлекаемые. Транспортировка угля от забоя до устья скважин осуществляется периодически наращиваемым шнековым ставом. Применяются бурошнековые установки без последующего разбуривания скважин,а также с разбуриванием их при извлечении шнекового става.
Основные достоинства - возможность разработки весьма тонких пластов с неустойчивой кровлей и высокая производительность. При мощности пластов менее 0,8м бурошнековая выемка более эффективная, чем обычная технология. Недостатки - низкая нагрузка на забой (не более 120-140т/сутки) и большие потери угля.
Область применения бурошнековой выемки очень обширна. Только в Донбассе в весьма тонких пластах сосредоточено до 50% всех запасов, в Львовско-Волынском бассейне, где впервые был испытан этот способ - около 700 млн.т. Кроме того, бурошнековая выемка может применяться при извлечении целиков, где неэффективны другие способы выемки. Численность бригады, обслуживающей установку 3-4 человека, производительность машины до 1,3 т/мин.
На крутых пластах где возможен самотек угля, могут применяться угольные (канатные) пилы. При возвратно-поступательном движении каната с надетыми на него резцами в пласте образуется щель шириной до 90мм. Ослабленный уголь под воздействием горного давления и собственной тяжести разрушается и скатывается вниз, где грузится в вагонетки или на конвейер.
Забой не крепится.
Область применения пил - мощность от 0,3 до 6-8м, угол падения 40-90гр. Боковые породы средней устойчивости и выше при слабой связи угля с породами. В качестве экспериментальной выемки применяется разработка пологих и наклонных пластов комбайнами фронтального действия с дистанционным управлением. Например, комплекс «Тентек» при прямом движении вынимает в пласте камеру шириной до 1,2м. Отбитый уголь при помощи телескопического конвейера, прикрепленного к комбайну, выдается на откаточный штрек. При обратном движении комбайна камера расширяется до 2,4м. Между камерами оставляются целики шириной, обеспечивающей временную устойчивость кровли. Основные недостатки - сложность обеспечения параллельности осей камер и связанные с этим большие потери угля. При взрывном способе безлюдной выемки из подэтажных штреков расстояние между которыми 6-10 м веером бурятся скважины и отбитый взрывом уголь скатывается вниз. Для предотвращения смешивания угля с обрушающимися породами может применяться гибкое металлическое перекрытие.
Кроме этого способа могут применяться скрепероструги, безнапорные тараноструги и тому подобные установки.
17. ОСОБЫЕ СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
К ним обычно относят методы разработки, при которых меняется агрегатное состояние вещества - твердые полезные ископаемые превращаются в жидкие или газообразные, жидкие замораживаются, газы сжижаются и т.д. Сюда же относится разработка полезных ископаемых на морском дне и извлечение их из морской воды. Кроме того, к особым или специальным способом относят разработку пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа и разработку сближенных пластов. Способы изменения агрегатного состояния включают: подземную газификацию углей, подземное выщелачивание руд, растворение, расплавление и растворение полезных ископаемых, биотехнологические методы.
Подземная газификация углей - способ разработки угольных месторождений, основанный на физико-химическом превращении угля в горючие газы с помощью связанного или свободного кислорода. Идея принадлежит Д.И. Менделееву (1585г.) эту же идею выдвинул в 1912 году англичанин У.Рамзай. В 1926 году под руководством Б.И.Бокия разработан метод шахтной газификации, в 1943 г.-бесшахтный или скважинный метод.
Бесшахтный состоит в бурении с поверхности вертикальных и наклонных скважин для воздушного или паровоздушного-кислородного дутья и отвода образующегося газа, создание между скважинами каналов, в которых уголь взаимодействует с дутьем. Трубопроводы для подачи дутья, транспортировки газа, установки для производства дутья располагаются на поверхности. Основные достоинства подземной газификации углей- небольшой объем подземных работ, отсутствие необходимости у потребителя в подготовке топлива, сохранность поверхности, возможность разработки низкосортного угля, чистота воздушного бассейна, более низкая себестоимость, возможность использования теплоты газа, нагретого до 500 градусов, простота транспортировки газа. Недостатки - невысокая теплота сгорания газа, ненадежность работы подземного генератора. Минимальная мощность пласта, ниже которой подземная газификация становится непригодной - 1,5-2,0м. В странах СНГ работают станции «Подземгаз» в Средней Азии (Ангрен), и в Кузбассе (Южно-Абинская станция на каменных углях). Ежегодно производится более 1,5млрд.м3 газа.
Наряду с подземной газификацией применяется также подземная перегонка. Совокупность процессов при подземной перегонке аналогична подземной газификации за исключением реакции окисления.
Подземная перегонка требует больших энергозатрат, так как реакция с выделением тепла не происходит. Основные продукты подземной перегонки сланцев - высококалорийный горючий газ, жидкое топливо («сланцевая нефть»), смолы, масла и др. Преимущества по сравнению с газификацией - высокое качество получаемых жидких и газообразных продуктов. Недостатки - высокая энергоемкость и большой объем подготовительных работ по увеличению проницаемости массива.
Подземное выщелачивание руд - способ разработки рудных месторождений с избирательным переводом полезного компонента в недрах в жидкую форму с последующей переработкой металлосодержащих растворов. Впервые было применено в США в 1919 году для разработки медных месторождений, в России - на урановых рудниках в 1939 году. В настоящее время значительная часть урана и меди добывается этим способом. Подземное выщелачивание позволяет полнее использовать недра за счет вовлечения в производство бедных руд, добыча и переработка которых традиционными способами нерентабельна. При подземном выщелачивании металл извлекается из руды путем ионного обмена в процессе управляемого движения реагента через массив с естественной проницаемостью (иногда руду предварительно разрушают). Существуют шахтные, скважинные и комбинированные способы подземного выщелачивания.
Для месторождений, залегающих в сложных горнотехнических условиях, скважинные методы являются пока единственно возможным способом рентабельной разработки. Достоинство их в том, что полностью исключается путствие людей под землей. В настоящее время ведутся экспериментальные работы для внедрения скважинных методов разработки на месторождениях золота, марганца, железа и др.
Шахтные методы применяются при разработке глубокозалегающих месторождений, представленных практически водонепроницаемыми породами. При этом в разработку вовлекаются большие запасы забалансовых руд, разработка которых традиционными методами нерентабельна. При этих методах исключаются массовые сдвижения пород или оседание поверхности над зонами разработки.
Комбинированные методы все чаще применяют на месторождениях руд радиоактивных и цветных металлов. Эти способы позволяют полнее использовать недра и снизить себестоимость продукции.
Близко к выщелачиванию химическое растворение - первичная гидрохимическая или органохимическая переработка минерального сырья и органического полезного ископаемого, при которой происходит химическое взаимодействие растворителей с компонентами полезного ископаемого и образуются растворимые соединения, переходящие в водный раствор. Предложено Д.И. Менделеевым. Применяется в качестве вспомогательного процесса при подземном растворении в России, США, Мексике и других странах для разработки месторождений на больших (до 2000м) глубинах, при высоком содержании галита в солях, а также при наличии примесных нерастворимых соединений. От выщелачивания отличается тем, что при последнем взаимодействие с растворимым веществом происходит на границе твердой и жидкой фаз, а при химическом растворении - растворение металла в массе породы.
Биотехнологические методы (бактериальное выщелачивание) - извлечение химических элементов из руд, концентратов и горных пород с помощью бактерий или их метаболитов. Обычно производится путем выщелачивания горных пород слабыми растворами серной кислоты бактериального происхождения, а также растворами, содержащими органические кислоты, белки, пектиды и т.д..
Известно с 16 века. В 1947 году в США выделены из рудных вод бактерии, а в 1958 году запатентован метод выщелачивания меди при помощи их. Эти бактерии очищают все сульфатные минералы, серу, железо, медь и т.д.. скорости очищения сульфатных минералов в путствии бактерий возрастает в сравнении с обычным выщелачиванием возрастает в сотни и тысячи раз. Себестоимость 1 тонны меди, например, полученной данным способом в 1,5 - 2 раза ниже, чем при обычных методах разработки.
Бактериальное выщелачивание может применяться как в подземных условиях (в рудных телах), так и на поверхности для переработки бедных руд (в отвалах), хвостов обогащения. Имеет большое экономическое значение - расширяются сырьевые ресурсы за счет бедных и потерянных в недрах руд, обеспечивается комплексное и более полное использование минерального сырья, повышается культура производства, не нужны сложные горнодобывающие комплексы, благоприятно для окружающей среды.
Бактериальное выщелачивание в промышленных масштабах для извлечения меди ведется в США, России, Перу, Испании, Мексике, Австралии и других странах. В США, ЮАР, Канаде бактериальным выщелачиванием добывается уран.
Подземное растворение - способ добычи природного минерального сырья (поваренная, калийная и др.соли) через скважины путем перевода в водный раствор одного или нескольких компонентов в недрах. Наряду с добычей при подземном растворении осуществляется обогащение, очистка (поваренные соли), избирательное извлечение (калийные соли).
Горные предприятия, осуществляющие добычу полезных ископаемых способом подземного растворения, располагаются обычно группами.
Получило широкое распространение в мировой практике. К концу 20 века, основная часть добычи каменной соли для содовой, хлорной, пищевой и других отраслей осуществляется этим способом в связи с простотой организации добычи и высокими технико-экономическими показателями (производительность труда в 4 раза выше, а себестоимость в 7 раз ниже, по сравнению с шахтным способом).
Подземная выплавка - скважинный метод добычи полезных ископаемых, как правило, с низкой температурой плавления, путем перевода их в жидкое состояние на месте залегания посредством теплоносителя. Впервые применена в США в 1880 году для разработки самородной серы, имеющей температуру плавления 112-1200. подземная выплавка может применяться при разработке фосфора, битумов, высоковязкой нефти и др.
Разработка морских месторождений. В морской воде растворены все элементы таблицы Менделеева. Почти весь йод, бром, около 30% всех солей, множество других полезных ископаемых добывается именно из нее. При повышенном содержании тех или иных компонентов они выпадают из воды и образуют конкреции - минеральные стяжения гидроксидов (железа, марганца и др.элементов) на дне озер, морей, океанов. По мнению специалистов, около 10% дна мирового океана покрыто железно-марганцевыми конкрециями, плотность которых доходит до 50-70 кг/м2. Средний размер конкреций составляет 3-5 см (обычно шарообразной формы), но встречаются и более 1 м в поперечнике.
На шельфе морского дна - прибрежной полосе сравнительно небольшой глубине (не более 500-600 м) находятся огромные месторождения полезных ископаемых в десятки раз превышающие по своим запасам поверхностные. Многие из них уже освоены и ведется промышленная их разработка. Около 40 стран ведут добычу нефти и газа на шельфе, еще около 40 ведут геологоразведочные работы. В мировом океане добывается около 30% общего объема нефти и около 15% газа. К 2020 году объем добывающей нефти предполагается довести до 50%. У берегов США, Канады, Австралии, Японии, Великобритании, Чили и других стран работает около 60 морских шахт по добыче угля, серы, руд железа, меди, олова, ртути и т.п.. В Японии морская добыча угля составляет 40%, в Великобритании 10%. Из морских россыпей добывается платина, касситерит, циркон (100%), ильменит (80%). Бразилия поставляет на мировой рынок более 50% добываемого в океане монацита. В Намибии в прибрежной зоне добывают алмазы. Общая добыча алмазов со дна моря достигает 20% валовой стоимости (50%).
Со дна моря добывают строительные материалы - пески, гравий, ракушечник, керамзит. США ежегодно добывают до 500 млн. т.
В прибрежном шельфе огромные запасы фосфоритов - на суше всего лишь 7 стран имеют месторождения фосфоритов.
Основные преимущества морской разработки - сравнительная простота добычи, конкреции, как правило, отсортированы по крупности, за счет придонных течений, высокое процентное содержание полезного компонента, возможность восстановления месторождений. Так, в Шри-Ланке, отработанные месторождения рутила вновь начинают разрабатывать после нескольких сильных штормов.
Гидромеханизация - способ механизации горных работ, при котором вся или основная часть процессов производится энергией потока воды.
Известна более 2 тыс. лет. В России впервые применена в 1830 году на Урале. Для подземной добычи применяется с 1938 года (Урал, Кузбасс, Донбасс). В 1975 году создан трест «Гидроуголь» (7 гидрошахт, 3 обогатительные фабрики). В подземных условиях выемка полезного ископаемого производится: отбойкой струей воды из гидромонитора механическим исполнительным органом с последующим использованием струи воды для доставки (механогидравлический способ) струей воды под давлением в сочетании с механическим разрушением (гидромеханический способ). Гидромонитор - устройство для создания водяных струй и управления ими. Преимущества гидродобычи - поточность технологических процессов, небольшой вес и простота оборудования, высокая производительность. Недостатки - зависимость эффективности от крепости пород, высокая энергоемкость, расход воды составляет 3-5м3/т. Область применения - мощность пластов 0,9-20,0м., угол падения - 5-800, крепость угля - любая, газообильность пластов - любая.
18. ГОРНЫЕ РАБОТЫ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Существуют два вида элементов биосферы - элементы, которые по своей природе склонны к самоочищению, самовосстановлению и развитию (воздушная и водная среды, флора, фауна) и элементы биосферы, не обладающие способностью к воспроизводству (ландшафт, недра).
В процессе добычи полезных ископаемых происходит существенное загрязнение природной среды. Из каждой тонны добытого полезного ископаемого только 2% превращается в полезную продукцию, а 98% идет в отходы (твердые, жидкие, пылегазовые). По объему выбросов загрязняющих веществ по степени влияния их на природную среду горнодобывающая промышленность стоит на 4 месте после химической, металлургической промышленности и сельского хозяйства. Рассмотрим воздействие горных работ на различные элементы биосферы. Воздух . При подземной разработке полезных ископаемых происходит загрязнение воздуха пылью, ядовитыми газами, углекислым газом, метаном, сернистым газом. При открытой разработке - окислами углерода, двуокисью азота, пылью. В мире ежегодно отбивается более 10 млрд.м3 горной массы с применением ВВ. При массовых взрывах пылегазовое облако объемом 15-20 млн.м3, поднимается на 1,5-2 км и уносит с собой до 95-99% образовавшейся пыли, причем факел выноса доходит до нескольких сотен километров. Внутрикарьерные дороги дают 80-90% общего пылевого баланса.
При подземном способе добычи угля сопровождается выделением свыше 39 млрд.м3 метана и 20 млрд.м3 углекислого газа. При транспортировании угля в вагонах ветром из них выдувается до 10% загруженного угля (до 90т пыли на 1 км железнодорожного полотна в год).
Увеличение концентрации СО2 в атмосфере ведет к так называемому «парниковому» эффекту. За счет потепления климата Земли, таяние ледниковых масс Арктики и Антарктиды происходит подъем уровня Мирового океана на 0,5 см/год. Повышение содержания серы в воздухе приводит к кислотным дождям, которые уже стали привычными. Годовые выбросы пыли в атмосферу оцениваются в 85-90 млн.т., сернистого газа - свыше 220 млн.т. окислов азота - 25-30млн.т.
Вода. При добыче полезных ископаемых происходит сброс шахтных и карьерных вод, содержащих химические, механические и биологические примеси. Ежегодно, в странах СНГ, при производстве горных работ откачивается около 4 км3 подземных вод, из их объема вод с минерализацией более 1000 мг/литр составляет 48%, а с содержанием сульфатов более 3000 мг/литр - 27% общего объема сбрасываемых вод (при норме для питьевой воды - 50 мг/литр). Сбрасываемые воды содержат около миллиона тонн твердых механических примесей.
Человечеством ежегодно используется свыше 3800 км3 воды: в сельском хозяйстве -2450, в промышленности - 1100, на коммунально-бытовые нужды - 250км3. В Мировой океан каждый год попадает 5-10 млн. тонн нефти, 10 млн. тонн химических удобрений, 6 млн. тонн фосфатных соединений, 1000 млн. тонн твердых отходов, 6,5 млн. тонн пластмасс. Нефтяная пленка покрывает до 3% поверхности Северной Атлантики, что в значительной мере препятствует молекулярному обмену между водной и воздушной средой, очищению воды и воздуха, насыщения атмосферы кислородом.
Во многих регионах уже возник дефицит пресной воды (ее на планете всего 3-5 % от общих водных запасов). В промышленных масштабах применяется опреснение морской воды для промышленных и бытовых нужд, некоторые страны используют для этих целей айсберги.
Растительный и животный мир. Шахтные воды, как правило, щелочные или кислотные, непригодны для использования в сельском хозяйстве или для технических нужд. Отравляя водоемы и загрязняя землю, отходы горного производства вызывают изменение биомассы, что влияет на миграцию животных и птиц. Породные отвалы загрязняют биосферу, занимая десятки тысяч гектаров пахотной земли токсичными веществами, уничтожая и видоизменяя растительность. Под породные отвалы на каждые 1000 тонн сырья отводится 0,1 га земли. При геофизических методах разведки (сейсморазведке) упругие волны, проходя через водоемы, губят все живое в нем. Засорение поверхности воды не дает развиваться планктону, следовательно губит рыбу. Высшие животные и люди дышат загрязненным воздухом, пьют загрязненную воду. В среднем, на каждую тонну добытого полезного ископаемого, горнодобывающие отрасли потребляют (и загрязняют) около 10 м3 воды. При ведении горных работ производится осушение месторождения, что приводит к понижению уровня грунтовых вод, высыханию лесов, поставляющих значительную часть атмосферного кислорода. Особенно неблагоприятные последствия в биосфере возникают при разработке полезных ископаемых в зоне вечной мерзлоты, занимающей на планете 22% суши.
Ландшафт и недра. По оценке ООН численность людей на земле растет, причем большая половина из них живет в городах. Крупные города требуют огромных подземных сооружений при строительстве которых должно производиться осушение участков, что приводит к понижению уровня подземных вод. В результате интенсивных откачек воды и водопонижения происходит оседание земной поверхности. Например, Мехико к концу 80-х годов опустился по сравнению с первоначальным уровнем на 9м, Токио - на 4,5 метра.
Огромные карьеры глубиной в несколько сотен метров и диаметром в несколько километров нарушает природный баланс земных пород.
В настоящее время объемы горной массы, перемещаемых человеком уже превзошли природные перемещения (вулканическая деятельность , увеличилось количество твердых отходов на единицу массы готовой продукции оползни, землетрясение ). По данным ЮНЕСКО к 2010 году добыча полезных ископаемых достигнет 30млрд. тонн. К этому времени будет нарушено еще 24 млн.га земли, в два раза, Потребление воды возросло до 6000 .куб.км
Однако горные работы оказывают и положительное воздействие на окружающую среду, благоприятно влияют на экосферу. Так отработанные карьеры и разрезы заполняются во сферу. Так отработанные карьеры и разрезы заполняются водой, что создает микроклимат в отдельных регионах, в отработанных соляных шахтах устраиваются санатории для лечения дыхательных путей, возможно устройство подземных теплиц, парников хранилищ. Тем не менее, вредное воздействие во много раз больше. Может исполниться мрачное предсказание одного из крупнейших современных биологов - « Или люди сделают так, что на земле будет меньше дыма, или дым сделает так что на Земле будет меньше людей».
Литература
1. Справочник. Открытые горные работы/ К.Н. Трубецкой, М. Г. Потапов, К.Е. Виницкий, Н.Н. Мельников и др. - М.: Горное бюро, 2004. 590 с.
. Томаков П.И., Наумов И.К. Технология, механизация и организация открытых горных работ. М., «Недра», 2008. 293 с.
. Ржевский В.В. Технология и комплексная механизация открытых горных работ. Учебник. Изд. 2, перераб. и доп. М.: «Недра», 2005. 574 с.
. Ржевский В.В. Процессы открытых горных работ. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: «Недра», 2008. 541