ВВЕДЕНИЕ

Горная промышленность — одна из ведущих отраслей народного хозяйства, поставляющая сырье для энергетики, черной и цветной металлургии, химической промышленности, строительной индустрии, производства минеральных удобрений и ряда других отраслей, на которых основана индустриальная мощь нашей страны.

Перед горнодобывающей промышленностью СССР стоят задачи интенсификации добычи и переработки минерального сырья при минимальных затратах для обеспечения все возрас­тающих потребностей народного хозяйства.

В настоящее время основным способом добычи металлургического сырья является открытая разработка рудных месторождений, посредством которой из недр извлекается более 2/3 всех полезных ископаемых. Это относительно дешевый способ разработки, позволяющий применять мощное и высокопроизводительное оборудование. Однако при проведении откры­тых работ на долгие десятилетия из хозяйственного оборота изымаются огромные площади сельскохозяйственных и лесных угодий. Кроме того, для доступа к месторождению с поверхнос­ти приходится вынимать, перемещать и складировать в отвалы пустые породы, объем которых в несколько раз превышает объем добываемого полезного ископаемого.

Второй по значению способ разработки месторождений — подземный, на долю которого приходится около 20 % добычи железа, до 45 % добычи меди, 68 % цинка, 70-73 % олова и свинца, 100 % вольфрама. Затраты на добычу руды при подземной разработке месторождений иногда выше в несколько раз, чем при открытой, но она ведется на месторождениях, которые экономически нецелесообразно или даже технически невозможно разрабатывать открытым способом. В связи с постепенным истощением легкодоступных неглубоко залегающих запасов металлических руд увеличивается глубина разработок, что определяет растущее значение подземной добычи. Тенденция увеличения глубины разработок прослеживается во всем мире. Например, в Канаде добычу руд, содержащих золото, медь, никель ведут на глубинах 1800 - 2600 м; в США извлечение меди и золота — на глубинах 1700—3000 м; в Индии золото извлекают с глубины в 3250 м; а в Южно-Африканской Республике действует самый глубокий в мире золотой рудник, работы ведутся на глубине более 3850 м. Кроме того, подземные разработки в ряде случаев позволяют полностью сохра­нить земную поверхность, что обеспечивает им значительное преимущество перед открытыми горными работами.

Из специальных способов разработки месторождений руд черных и цветных металлов наибольшее распространение получила дражная разработка россыпных месторождений - золото­носных или оловоносных песков. Начата эксплуатация морских месторождений железомарганцевых конкреций, расположенных на морском шельфе, которая ведется со специальных судов. На некоторых месторождениях извлечение цветных металлов, золота, урана осуществляют посредством выщелачивания, т. е. в подготовленное рудное тело закачивают через скважины с поверхности химические реагенты, которые растворяют (вы­щелачивают) содержащиеся в рудах полезные компоненты, выносят на поверхность, где их извлекают из раствора химическими или иными методами. Способ выщелачивания руд на месте их залегания многие специалисты считают весьма перспективным.

Однако в ближайшем будущем основными способами разработки руд черных и цветных металлов будут открытый и подземный. Запасы железных руд сосредоточены в Кривбассе, Курской магнитной аномалии (КМА), на Урале, юге Кемеровской области; запасы марганцевых руд — на месторождениях Никополь - Марганецкого и Чиатурского бассейнов. В республиках Закавказья, на Урале, в Красноярском крае, Забайкалье, Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, а также в Казахстане и Узбекистане залегают руды цветных металлов.

За последние два-три десятилетия в технологии подземной разработки месторождений произошли коренные изменения: резко возросла механизация основных и вспомогательных производственных процессов, энерговооруженность труда, получило широкое распространение использование искусственных твердеющих смесей для заполнения выработанного пространст­ва, позволяющих повысить извлечение руды из недр и обеспечить безопасность горных работ, особенно на больших глубинах. Вследствие этого уже сейчас на многих передовых подземных рудниках достигнута высокая производительность труда рабочего, занятого непосредственно добычей руды, которая составляет 100-150 т/смену, а в пересчете на всех подземных рабочих она равна 20-25 т/смену и более.

Непрерывный рост потребности в минеральном сырье и ограниченность трудовых ресурсов требуют дальнейшего роста производительности труда подземных рабочих. В этой связи основными направлениями совершенствования подземной разработки месторождений являются: комплексная механизация подземных горных работ на базе самоходного оборудования с автономным приводом и техники непрерывного действия (конвейеров, горных комбайнов и т. п.), повышение уровня автоматизации работы горных машин, внедрение дистанционного управления ими, а в перспективе - разработка и внедрение промышленных роботов для выполнения наиболее трудоемких и опасных горных работ.

В связи с тем что запасы руд являются невосполнимыми природными ресурсами, последнее время особенно остро стал вопрос о комплексности использования минерального сырья, об укреплении и развитии сырьевой базы горной промышленности, в том числе горнорудной. С учетом этого в 1975 г. Верховный Совет СССР принял "Основы законодательства Союза Советских Социалистических Республик и союзных республик о недрах", которые определяют порядок использования недр.

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года" в качестве одной из первоочередных задач предусмотрено опережающее развитие сырьевой базы черной, цветной металлургии и предприятий по производству минеральных удобрений на Урале, в Сибири, на Дальнем Востоке, в зоне Байкало-Амурской магистрали, в Узбекистане, Казахстане и Армении. Намечено осваивать месторождения полезных ископаемых более комплексно, не допуская их потерь при добыче и переработке.

1. Основные термины и понятия

В горном деле, как и в других сферах человеческой деятельности, сложился свой профессиональный язык, поэтому овладение специальными знаниями невозможно без его усвоения, этой главе приводятся первоначальные сведения об основные терминах и понятиях, которые необходимы для понимании последующего изложения.

Горные породы - естественные минеральные образования более или менее постоянного состава и строения, слагающие земную кору и залегающие в ней в виде самостоятельных тел

Руда - горная порода или минеральное образование с содержанием полезных компонентов, обеспечивающим экономическую целесообразность их извлечения при современном уровне развития техники.

Порода (пустая порода) - минеральное образование, и являющееся объектом извлечения полезных компонентов при разработке месторождений.

Рудник — предприятие по добыче руд.

Горная выработка - сооружение (полость) в недрах земли созданная в результате ведения горных работ.

Капитальными называют выработки, проведенные на стадии строительства рудника за счет выделенных на это строительство средств и сохраняемые в течение всего срока службы рудника или хотя бы одного его горизонта.

Ствол шахтный - вертикальная или наклонная горная выработка, имеющая непосредственный выход на поверхность и предназначенная для обслуживания горных работ.

Ствол шахтный слепой - вертикальная или наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для обслуживания подземных работ.

Штольня - горизонтальная горная выработка, пройденная месторождению с поверхности и предназначенная для обслуживания подземных горных работ.

Горизонт - совокупность выработок, расположенных в с ной горизонтальной плоскости и предназначенных для веден горных работ в этаже.

Этаж - часть шахтного поля, ограниченная по падению откаточным и вентиляционным горизонтами, по простиранию границами шахтного поля.

Блок - выемочный участок в пределах этажа.

Панель — часть шахтного поля, образующаяся в результате его деления (подготовки) главными откаточными и вентиляци­онными штреками.

Квершлаг - горизонтальная подземная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность, проведенная по породам вкрест (перпендикулярно) простиранию месторождения.

Штрек - горизонтальная подземная горная выработка, проведенная по простиранию наклонно залегающего месторождения или в любом направлении при горизонтальном его залегании.

Орт — горизонтальная подземная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и проведенная вкрест простирания рудного тела по руде.

Восстающий — вертикальная или наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для обслуживания подземных горных работ.

Рудоспуск - вертикальная или наклонная горная выработка или ограниченная крепью часть выработанного пространства для перепуска рудной массы под действием собственного веса.

Выработанным называется пространство, образующееся в недрах после извлечения полезного ископаемого.

Уклон - наклонная подземная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для подъема руды или вспомогательных нужд.

При разработке месторождений некоторая часть запасов руд остается в недрах не извлеченной или теряется при добыче. Эта часть запасов называется потерями руды (рис. 1.1).

Во время добычи происходит смешение руды с породой из-за невозможности отбойки руды от породы точно по контурам или вследствие особенностей технологии очистной выемки. Смесь руды с примешавшейся к ней при добыче пустой породой называется рудной массой. В рудной массе содержание полезного компонента ниже, чем в руде. Снижение содержания полезного компонента в рудной массе по сравнению с содержанием его в массиве называется разубоживанием.

Потери и разубоживание ухудшают технико-экономические показатели разработки месторождения. Это ухудшение можно оценить экономическим ущербом от потерь и разубоживания. Так как руда обладает определенной ценностью, то ее потери означают недополученный доход с месторождения. Разубоживание руды связано с дополнительными затратами на транспорти­рование и переработку руды вместе с примешавшейся к ней породой.

Рис. 1.1. Схема к определению терминов

потери", "разубоживание" и "рудная мас­са":

ABCD - запасы месторождения; AFEGCD-потери руды в недрах; FBGF - извлекае­мая часть запасов руды; HKLGBF - пустая порода, примешавшаяся к руде при добыче (разубоживание); HKLE - рудная масса

А	f в
\
\		G
		L

2. Краткие сведения о геологии, классификации и запасах рудных месторождений

2.1. СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ. ТИПЫ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ЭЛЕМЕНТЫ ИХ ЗАЛЕГАНИЯ

Земля имеет центрально-симметричное строение и состоит из геосфер: земной коры, астеносферы, мантии (верхней, средней и нижней) и ядра (внешнего и внутреннего).

В свою очередь земная кора состоит из трех слоев: осадоч­ного, гранитного и базальтового. Общая толщина земной коры изменяется от 5—10 км под океаном до 70-75 км в гористых районах, т. е. составляет около одной сотой земного радиуса

Земная кора слагается из горных пород — естественных минеральных образований определенного состава и строения, сформировавшихся вследствие геологических процессов.

Все горные породы, слагающие земную кору, делятся на изверженные, осадочные и метаморфические.

Изверженные, или магматические, породы образовались в результате охлаждения и затвердевания магмы. Если этот процесс происходил в глубине земной коры, то возникали интрузивные породы. Если же магма затвердевала на поверхности земной коры или вблизи нее, образовывались эффузивные породы. На глубине магма охлаждается медленно, под большим давлением, газы не могут выделяться из нее свободно. Интрузивные породы по своему составу и структуре заметно отличаются от эффузивных, которые обычно светлее и имеют меньшую плотность.

Осадочные породы образуются вследствие отложения минеральных и органических частиц на дне рек, озер и морей. Минеральные осадки получаются при растворении или разруше­нии водой и солнцем изверженных или образовавшихся ранее других осадочных пород. Органические осадки возникают вследствие накопления на дне остатков различных организмов (например, моллюсков).

Метаморфические породы образуются из изверженных или осадочных при воздействии больших давлений и температур. Они могут возникнуть на контакте с большими массами расп­лавленной магмы (контактовый метаморфизм) или при погружении пород на большие глубины при различных геологических процессах.

Среднее содержание (кларк) металлов в земной коре состав­ляет: алюминия - 8,13 %; железа - 5 %; титана - 0,44%; марганца - 0,1 %; хрома - 0,02 %; ванадия — 0,015 %; цинка — 0,0132 %; никеля - 0,008 %; меди - 0,007 %; вольфрама -0,0069 %; олова - 0,004 %; кобальта - 0,0023 %; свинца -0,0016 %; молибдена - менее 0,001 %; ртути, серебра - менее 0,0001 %; золота, платины - менее 0,000001 %.

Всю добычу руд, содержащих металлы, осуществляют, разрабатывая рудные месторождения, расположенные в верхней части земной коры на глубинах до 4 км (1/1500 часть земного радиуса).

Рудные месторождения — естественные скопления руд­ных залежей (тел) в недрах, пригодные по своим размерам, условиям залегания и количеству содержащихся в них полез­ных компонентов (металлов) для промышленной разработки.

Процессы формирования рудных месторождений, как и все геологические процессы, протекающие в земной коре, можно разделить на эндогенные, происходящие под действием внутренней энергии Земли, и экзогенные, обусловленные проявлением внешних сил, главным образом явлениями, порожденными воздействием солнечной энергии.

Эндогенные и экзогенные месторождения могут подвергать­ся последующим изменениям. Например, при их погружении на большие глубины вследствие тектонических процессов или перекрытии мощными толщами других горных пород образуются метаморфогенные месторождения.

Эндогенные месторождения своим происхождением обязаны расплавленной магме и разделяются на магматические, контактовые, жильные и метасоматические (рис. 2.1).

Р ис. 2.2. Схема залегания рудного тела:

1- рудное тело; 2 - горизонтальная плоскость;

3 - линия падения; 4 — линия простирания;

М и А -соответственно мощность и угол падения рудного тела

Магматические месторождения образуются вследствие концентрации отдельных составных частей магмы либо в самом магматическом массиве, либо при проникновении расплавлен ной магмы в соседние твердые породы. Концентрация отдельных минералов в расплавленной магме может происходит) из-за разницы в плотности, растворимости, вязкости и др. П; этом магма в своей массе разделяется на составные части, некоторые из них образуют при остывании массивные скопления полезных ископаемых.

Если процесс разделения (дифференциации) магмы не успел ершиться до ее застывания, могут образоваться месторождения вкрапленных руд, где пустая порода насыщена зернами (вкраплениями) полезных минералов.

На контакте с расплавленной магмой могут возникать контактовые месторождения. Они образуются из газов, паров растворов, выделяющихся из магмы и концентрирующихся _на границе (контакте) с ней при их взаимодействии с окружа­ющими породами или проникновении в поры и трещины этих пород. Форма таких месторождений обычно неправильная — линзы, гнезда.

Жильные месторождения образуются вследствие скопления в трещинах земной коры полезного ископаемого, осаждающего­ся из паров или растворов. Такие жилы обычно имеют малую мощность и относительно небольшие размеры по простиранию и падению.

Некоторые жилы образуются, как уже отмечалось, при за­полнении трещин расплавленной магмой и ее последующем зас­тывании. Они могут иметь значительные размеры. Общим для всех жильных месторождений является, как правило, очень сложная форма рудных тел и большие колебания содержания полезных компонентов.

Метасоматические месторождения (месторождения заме­щения) образуются при химическом взаимодействии выделяющихся из магмы газов, паров или растворов с другими порода­ми. В результате минералы этих пород замещаются другими — рудными. Рудные тела такого типа могут иметь как правильную, пластообразную, так и неправильную форму.

Экзогенные месторождения своим появлением обязаны, главным образом, разного рода процессам разрушения эндогенных месторождений на поверхности. Частицы разрушенных по­род или растворенные полезные компоненты переносятся водой на значительные расстояния от коренных месторождений и осаж­даются в руслах водных потоков или на дне водоемов (россы­пи). Таким образом возникают осадочные месторождения (см. рис. 2.1). Как магматические, так и осадочные месторож­дения могут в результате геологических процессов погружаться на большие глубины, где они подвергаются воздействию высо­ких давлений и температур, вследствие чего меняются структу­ра, состав и физико-механические свойства пород. Месторож­дения такого типа называются метаморфогенными.

Положение рудных тел в пространстве и их размеры опреде­ляются элементами залегания: простиранием, углом падения

(или падением), мощностью (рис. 2.2), глубиной залегания от поверхности.

Простирание — воображаемая линия пересечения рудного тела с горизонтальной плоскостью.

Падение — (угол падения) — угол между горизонтальной плоскостью и перпендикуляром к линии простирания, расположенным в плоскости рудной залежи.

Мощность — расстояние по нормали между контактами (границами) рудного тела с вмещающими его породами.

Глубина залегания - расстояние по нормали от земное поверхности до верхней и нижней границ рудного тела.

В земной коре под воздействием внутренней энергии Земли и внешних сил происходят перемещения одних участков по от. ношению к другим как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, что приводит к нарушениям элементов залегания горных пород.

Различают дизъюнктивные (разрывные) нарушения, сопровождающиеся разрывом сплошности рудных тел и пород и пликативные (складчатые) нарушения, происходящие без разрыва сплошности.

Другая причина нарушений элементов залегания горных пород — размыв их водой. Наконец, залегание горных пород может быть нарушено прорывами (интрузиями) магмы.

Нарушения сопровождаются изменением числа рудных тел их простирания и падения, смещением частей друг относительно: друга вдоль крупных трещин и разломов в земной коре. Вследствие этого усложняются разведка месторождения и его разработка.

Вопросы для проверки