Лекция 1. Общие сведения. Горно-геологическая характеристика месторождений полезных ископаемых.

Горная промышленность является основным источником существования и развития других отраслей промышленности, обеспечивая их всем необходимым сырьем. Вся ее промышленная деятельность основана на эксплуатации невозобновляемых природных минеральных ресурсов. Эта особенность требует нести особую ответственность за полноту извлечения запасов полезных ископаемых с минимальными потерями.

Современный этап развития общества характеризуется все возрастающими потребностями человечества в минеральном сырье.

Верхняя твёрдая оболочка Земли называется земной корой или литосферой. Мощность её в среднем достигает 30 – 40 км (под горными хребтами 70 км, а под океанами 8-15км.). Наиболее распространённые элементы, входящие в состав литосферы: кислород- 49%, кремний- 26%, алюминий- 7,45%, железо- 4,2%, кальций- 3,25% и т.д. Только немногие элементы встречаются в самородном виде (золото, платина, медь, сера и др.). Большинство же элементов находится в виде химических соединений (например, кварц, кальцит, магнетит и др.). Земная кора сложена различными минералами и горными породами.

Минеральным сырьем называют полезные ископаемые, которые извлекаются из недр. Различают следующие виды минерального сырья:

– рудные (руды) – полезные ископаемые, которые требуют переработки с целью извлечения из них различных металлов или минералов;

– горючие полезные ископаемые – уголь, нефть, газ, торф, сланцы, которые можно использовать без переработки как энергетическое сырье;

– нерудные полезные ископаемые – горные породы, которые используются в производстве без существенной переработки (например, строительные материалы: щебенка, гравий и т. п.).

Около 1/3 руд добывается подземным способом, отличительной чертой которого является необходимость присутствия людей в подземных горных выработках.

Работы, выполняемые на месторождении и связанные с извлечением полезного ископаемого из недр, называются разработкой месторождения. Разработка месторождения состоит из трех основных стадий – вскрытия, подготовки рудной залежи и извлечения руды.

Технология разработки рудных месторождений существенно отличается от разработки угольных и сланцевых месторождений из-за необходимости применения взрывной отбойки, поэтому вскрытие и подготовка рудных месторождений имеют свои особенности.

Рудником называется горное предприятие, производящее разработку месторождения, состоящее из одной или нескольких шахт, штолен, карьеров и различных поверхностных цехов.

Минерал – природное химическое соединение или элемент, однородный по химическому составу и строению, являющийся продуктом геологического процесса. Горная порода – устойчивая совместная ассоциация минералов, обусловленная общностью их происхождения, возникающая в результате определённых геологических процессов и образующая самостоятельные геологические тела в земной коре. Горные породы бывают: пластичными (глины), хрупкими (уголь), сыпучими (песок), крепкими (базальт), мягкими (торф).

Различают коренные горные породы и наносы. Коренные горные породы залегают на месте своего образования, но могут изменять пространственную ориентацию в ходе геологических процессов. Наносы представляют собой продукты разрушения коренных пород в результате деятельности ветра, солнца, воды, изменения температуры окружающей среды; они покрывают рыхлым слоем коренные породы и обычно залегают на поверхности.

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматическими называют такие породы, которые образовались после остывания жидкой расплавленной магмы. К ним относятся граниты, базальты, габбро и др. Магматические породы слагают нижнюю часть земной коры, обычно имеют кристаллическое строение и образуют тела неправильной формы. Магма, содержащая металлы, заполняет трещины, образуя рудные жилы.

Осадочными считают породы, образовавшиеся в результате разрушения и накопления веществ на дне водных бассейнов, особенность которых их слоистость, т.е. чередование слоёв различного состава.

Метаморфическими считают те горные породы, которые образовались из осадочных и изверженных пород в процессе изменения (метаморфизма) под влиянием температуры и давления (глины – в глинистые сланцы, известняки – в мраморы). В метаморфических породах находят руды железа, меди, вольфрама, редких металлов и др.

Горные породы состоят из одного или нескольких минералов. Минералы и горные породы, добываемые из земных недр с целью использования их в народном хозяйстве, называются полезными ископаемыми. Одни полезные ископаемые используются в народном хозяйстве непосредственно после их извлечения из недр земли, а другие (медная руда, железная руда и др.) требуют предварительной переработки для извлечения из них полезного компонента (меди, железа или другого металла).

Естественное скопление полезного ископаемого в земной коре называют месторождением полезного ископаемого. Часто бывает, что в одном месторождении сосредоточено несколько полезных ископаемых – хромово-никелевые, медно-цинковые, нефтегазовые и др.

Месторождение считается промышленным, если разработка его в данных экономико-географических условиях при современном уровне техники целесообразна.

По физическому состоянию различают полезные ископаемые твёрдые (уголь, руды металлов, горно-химическое и строительное сырьё и др.), жидкие (нефть, минеральные воды) и газообразные (горючие газы).

Твёрдые полезные ископаемые по промышленному назначению и характеру использования в народном хозяйстве подразделяются на три группы:

Горючие или топливо – уголь, горючие сланцы, торф;

Металлические – руды металлов (железные, медные, алюминиевые, свинцовые, золотые и др.);

Неметаллические – сера, поваренная соль, апатит и другие.

Принято также подразделять полезные ископаемые на рудные и нерудные.

Отличительной чертой рудных ископаемых является необходимость дальнейшей их переработки для извлечения содержащихся в них полезных компонентов, тогда как нерудные ископаемые могут быть использованы после извлечения из недр земли (уголь, поваренная соль, сера и др.).

Горные породы, окружающие месторождение (вмещающие породы) ил включенные в него и не содержащие металла (полезного минерала) или содержащие его в количестве, недостаточном для промышленной переработки, принято называть пустой породой.

Граница между рудными и нерудными ископаемыми условна. Многие полезные ископаемые, которые раньше использовались сразу после добычи, в настоящее время подвергаются комплексной переработке для извлечения из них всех полезных компонентов. Поэтому термин «руда» теряет своё первоначальное узкое значение.

Разделение месторождений на промышленные и непромышленные также условно. Месторождения с одинаковой по составу и качеству рудой могут быть промышленными вследствие благоприятных горно-геологических условий разработки (например, большой мощности, залегания вблизи поверхности), и непромышленным ввиду трудности эксплуатации, отдалённости от транспортных путей и промышленных центров, и других причин.

Металл в руде редко встречается в чистом виде, большей частью он находится в виде химических соединений – рудных минералов. Например, железо находится в руде в виде гематита (Fe₂O₃); свинец – в виде галенита (PbS); олово – в виде касситерита (S_nO₂) и т.д.

Рудные минералы в руде обычно смешаны с другими минералами, не представляющими промышленной ценности. Эти сопутствующие минералы принято называть рудной породой.

Большое значение для разработки имеет разделение месторождений полезных ископаемых по сходству технологического процесса их добычи. По этому признаку можно выделить следующие группы месторождений полезных ископаемых: месторождения нефти и газа, месторождения торфа, месторождения угля и горных сланцев, рудные и нерудные месторождения, россыпные месторождения.

Различают полезные ископаемые: металлические (руды чёрных, цветных и благородных металлов, радиоактивных и редких элементов), неметаллические (сырьё для металлургической, химической и других отраслей промышленности), твёрдые горючие (уголь, горючие сланцы, торф и др.) и строительные материалы.

Совокупность свойств, определяющих пригодность и экономическую эффективность использования, называется качеством полезного ископаемого. Для углей, например, качественными показателями являются зольность, содержание влаги, выход летучих, содержание серы, теплота сгорания и др., а для руд – процентный состав химических элементов, полезных и вредных компонентов, минералогический состав, структурные и текстурные особенности и другие свойства.

Требования к качеству полезного ископаемого выражаются в форме кондиций, технических условий и государственных стандартов.

Основным показателем кондиций на руды является, обычно, минимально допустимое промышленное содержание полезных компонентов. Например, богатые железные руды (магнетитовые, бурые железняки, железистые кварциты) содержат 45-64% железа. Богатые медные руды содержат более 2% меди, бедные – менее 1%.

Лекция №2 Основные параметры рудника. Методы определения.

Основными параметрами рудника являются балансовые запасы, годовая производительность рудника, срок службы рудника (шахты), размер (длина) шахтного поля по простирано, высота этажа (если рудное тела наклонные или крутопадающие.

Годовая производственная мощность рудника определяется из условий горнотехнических возможностей и оптимизации технико-экономических показателей.

Определение годовой производственной мощности рудника по скорости понижения выемки.

При наклонных и крутопадающих месторождениях годовая производственная мощность рудника определяется по методу акад. АН СССР Агошкова М. И., учитывающему горнотехническую возможность годового понижения очистной выемки месторождения

, (1)

где V – средняя скорость годового понижения очистной выемки по всей рудной площади по вертикали, м (табл. 1);

S = m L – площадь горизонтального сечения рудного тела, м²;

m – средняя горизонтальная мощность рудного тела, м;

L – длина рудного тела по простиранию, м;

g – плотность руды в массиве, т / м³;

К_u – коэффициент извлечения, доли ед.;

К₁ – поправочный коэффициент на угол падения рудного тела (табл. 2);

К₂ – поправочный коэффициент на мощность рудного тела (табл. 3);

К_к = 1 - р – коэффициент качества руды;

r – коэффициент разубоживания руды;

Для определения значения годового понижения V следует пользоваться таблицей 8.2, где к шахтным полям очень больших размеров относятся поля длиной свыше 1,5-2 км, в больших – от 1 до 1,5-2 км, средних – от 0,5 до 1 км, небольших – менее 0,5 км.

Таблица 1 - Годовое понижение уровня очистной выемки в зависимости от размеров шахтных полей

Размеры шахтных полей и число этажей в выемке	Годовое понижение выемки V, м
Поля очень больших размеров одноэтажная выемка двухэтажная выемка	8 –15 10 – 20
Поля больших размеров одноэтажная выемка двухэтажная выемка	15 – 22 15 – 25
Поля средних размеров одноэтажная выемка двухэтажная выемка многоэтажная выемка	15-25 18 – 30 20 – 40
Поля небольших размеров одноэтажная выемка двухэтажная выемка многоэтажная выемка	18 – 30 22 – 45 30 – 60

Значение V в верхних пределах следует принимать при небольшой мощности рудных тел, нижние пределы – для мощных месторождений, соответственно – верхний предел отвечает месторождениям с простой морфологией, спокойным залеганиям, нижний – месторождениям со сложной морфологией и значительными тектоническими нарушениями.

Значения V в таблице 8.2 даны для месторождений мощностью 5-15 м и с углом падения а = 60°.

Для месторождений иной мощности и с иным углом падения в значение V нужно вводить поправочные коэффициенты К₁ и К₂, приведенные в таблице 2.

Таблица 2 - Поправочные коэффициенты на угол падения и мощности рудного тела

Угол падения	Значение поправочного коэффициента	Мощность рудных тел	Значение поправочного коэффициента, К2
90	1,2	маломощные (до 5 м)	1,25
60	1,0	средней мощности (5-15 м)	1,0
45	0,9	мощные (5-25 м)	0,8
20	0,8	очень мощные (более 25 м)	0,6

Определение годовой производственной мощности рудника по количеству очистных блоков (метод проф. Панина И. М.)

, (2)

где n₀ – число блоков, находящихся в одновременной очистной выемке;

P₀ – среднемесячная производительность блока;

К_уд – удельный вес добычи руды из очистных работ в общей добыче;

y – коэффициент резерва.

Общее число блоков п может быть определено

п = n_п + n_н + n_о,

где n_п – число блоков в одновременной подготовке;

n_н – число блоков в одновременной нарезке;

n_о – число блоков в одновременной очистной выемке.

Единственным требованием для равномерного развития горных работ является сохранение постоянного числа блоков, находящихся под очистной выемкой, т.е. n_о = const. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы за время очистной выемки в "n_о" блоках такое же число блоков было нарезано и подготовлено. Это требование можно выразить в виде:

где t_o – срок очистной выемки блока;

t_n – срок подготовки блока;

t_н – срок нарезки блока.

(3)

Общее число блоков в пределах шахтного поля будет

(4)

где q – количество одновременно разрабатываемых рудных тел;

г_i – количество одновременно разрабатываемых этажей;

L_i – длина рудного тела на этажах, м;

L_б – длина блока, м.

Значения t_o, t_н, t_n определяются из графика отработки блоков.

Среднемесячная производительность блоков в период очистной выемки Р_б определяется расчетом.

Удельный вес добычи руд из очистных работ в общей добыче К_уд зависит от применяемой системы разработки и берется из распределения добычи руды по стадиям работ: подготовка, нарезка и очистная выемка. Коэффициент резерва блоков y принимается равным 1,15 ¸ 1,3.

Определение годовой производственной мощности рудника по потребности количества металла

(5)

где М – заданная годовая производственная мощность рудника по металлу, т;

С – содержание металла в руде, %;

K₁ – коэффициент извлечения концентрата при обогащении;

К₂ – коэффициент извлечения металла при металлургической переделке.

Определение годовой производственной мощности рудника (формула Тейлора)

При проектировании рудников в зарубежных странах для определения их сроков службы (Т) пользуются формулой Тейлора

(6)

где Q – запасы руды, т.

Если запасы руды Q выразить в млн. т, тогда формула примет вид:

Годовая производственная мощность рудника А очевидно равна

(7)

Определение срока службы рудника

Существует простая функциональная зависимость между величинами годовой производительности рудника А, его срока службы Т и промышленных запасов руды шахтного поля Q.

, год (8)

где Q – промышленные запасы руды шахтного поля, равные балансовым за вычетом потерь в количествах, предусмотренных проектом разработки месторождения.

, год (9)

Определение размеров шахтного поля

При раскройке месторождения на ряд шахтных полей обычно стремятся придать шахтному полю форму прямоугольника. Однако, в зависимости от условий залегания месторождения формы шахтных полей могут быть приняты в виде различной конфигурации.

При прямоугольной форме шахтного поля его балансовый запас определяется формулой

Q_б = L H m g , (10)

где L – длина шахтного поля по простиранию, м;

Н – длина шахтного поля по падению, м;

т – средняя мощность рудного тела, м;

g – плотность руды, т/м³.

При определении размеров шахтного поля могут иметь случаи:

1. Шахтное поле ограничено небольшими размерами по простиранию и по падению естественными границами;

2. Шахтное поле ограничено небольшими размерами только по простиранию;

3. Шахтное поле ограничено небольшими размерами только по падению;

4. Шахтное поле по простиранию и по падению не ограничено.

В первом случае размеры шахтного поля не определяются, а принимаются, как есть.

При ограниченных известных размерах по простиранию длина шахтного поля по падению определяется по формуле

(11)

Если шахтное поле ограничено известными размерами по падению, то длина его по простиранию определяется по формуле

(12)

где А – годовая производственная мощность рудника, т/год;

Т – срок службы рудника, лет;

Р = m g – производительность пласта (рудного тела), т.е. количество добываемой руды с 1 м² площади пласта, т/м²;

К_u= – коэффициент извлечения запасов;

Q_n – промышленный запас, т;

Q_б – балансовый запас, т.

Определение высоты этажа

В практике эксплуатации месторождений полезных ископаемых под высотой этажа понимают вертикальное расстояние (проекция наклонной высоты на вертикальную плоскость) между откаточным и вентиляционным штреками. Однако в технико-экономических расчетах принимается наклонная высота, выражающая фактическое расстояние между откаточным и вентиляционным штреками.

H = h sin a ,

где Н – высота этажа, h – наклонная высота этажа, a – угол падения рудного тела.

На выбор высоты этажа влияют в основном следующие факторы: геологические – элементы залегания рудного тела и его морфология, физико-механические свойства вмещающих пород и руды; горнотехнические – системы разработки, порядок отработки шахтного поля, безопасность ведения горных работ, содержание полезных компонентов в руде, объемы и сроки проведения капитальных и подготовительных работ и себестоимость 1 т добытой руды.

Подготовка этажа может быть осуществлена тремя способами:

1. Нарезкой блоков, камер и других очистных выработок на этаже с откаточного горизонта;

2. Разделением этажа на ряд подэтажей выработками, пройденными от наклонных съездов;

3. Ярусными – разделением этажа на ярусы (полосы из нескольких подэтажей) выработками, пройденными от шахтных или слепых стволов.

Высота этажа определяется, исходя из условий обеспечения годовой производственной мощности шахты и подвигания очистных работ по простиранию.

Высота этажа при разработке пластовых месторождений определяется по формуле

(13)

где А – годовая производственная мощность шахты или рудника, т/год;

Р – коэффициент разубоживания, доли ед.;

L₀ – годовое подвигание очистных работ по простиранию L_o = n × l,

n – число крыльев в этаже; l – годовое подвигание очистных работ по простиранию в одном крыле, м;

m – средняя мощность пласта, м;

g – плотность угля или руды в массиве, т / м³;

h – коэффициент извлечения, доли ед.

При разработке рудных месторождений определить годовое подвигание фронта очистных работ по простиранию прямым измерением не представляется возможным. Поэтому для определения высоты этажа при разработке рудных месторождений вводится понятие эквивалентной длины годового подвигания одного добычного блока l_эб.. Она определяется по формуле

l_эб = м/год (14)

где l_б – длина очистного блока, м;

t_б – время полной отработки одного блока длиной l_б.

Эквивалентная длина годового подвигания фронта очистных работ представляет собой часть длины блока, приходящаяся на единицу срока его эксплуатации.

Так как срок эксплуатации каждого блока длиной l_б составляет несколько лет, то можно определить долевую часть длины блока, приходящуюся на обеспечение его годовой производительности.

Количество блоков, необходимых для обеспечения годовой производственной мощности рудника: n = , где а_б – годовая производительность блока (т/год), определяемая производительностью виброустановок, погрузочных машин, скреперных установок и др., применяемых для выпуска и погрузки отбитой руды блока.

Общая длина годового подвигания фронта очистных работ

L_об = n × l_эб или

Высота этажа при разработке рудных месторождений определяется формулой Цой Л. С.

(15)

С учетом различных факторов полученное значение высоты этажа корректируется в большую или меньшую сторону, что требует пересчета количества блоков при постоянстве годовой производственной мощности рудника.

Высота этажа может корректироваться в соответствии с практическими данными, приведенными в таблице 3.

Таблица 3. - Рекомендуемая высота этажа для различных систем разработки (м) по Агошкову М.И. и Малахову Г.И.

Система разработки	без промежуточного горизонта		с промежуточным горизонтом
	от	до	от	до
1. Потолкоуступная и сплошная с распорной крепью	30	60	60	80
2. Подэтажные штреки	50	100
3. С магазинированием руды	40	75	60	100
4. Горизонтальные и наклонные слои с закладкой	30	50	60	80
5. С креплением без закладки	20	40	40	60
б. Со станковой крепью и закладкой	30	50	50	80
7. Слоевое обрушение: крутое падение пологое паление	30 20	60 40
В. Подэтажное обрушение	40	75
9. Этажное обрушение	60	100
10. Комбинированные системы: с закладкой камер с открытыми и магазинированными камерами	40 50	60 100

1осн [118-145] 2осн [165-171]