основн.дисциплины / поиск и разв.мест.п.и-Высоцкий / Курс лекций

ее самоосушение; вдоль штольни с обеих сторон оставляют предохранительные целики.

Третья стадия — собственно добычные, или очистные, работы. На этой стадии отрабатываются подготовленные блоки с массовым извлечением полезного ископаемого на поверхность. Отработку блоков можно вести от периферии шахтного поля к шахте (к центру залежи) или от шахты (от центра) к периферии, либо комбинированным способом.

Для наиболее рационального, быстрого и полного извлечения полезного ископаемого из недр применяют различные системы разработок в зависимости от конкретных условий разработки.

Системой разработки месторождения или его части называют, совокупность подготовительных и очистных выработок и определенный порядок их проведения, увязанный в пространстве и времени. Правильно выбранной системой считают ту, которая отвечает требованиям безопасности, наибольшей экономичности и высокой интенсивности выемки.

Требование экономичности предусматривает наименьшие потери и разубоживание полезного ископаемого при добыче, наибольшее извлечение ценных компонентов (включая технологическую переработку сырья) и наименьшие затраты при переработке.

Исходя из специфики эксплуатации, системы при подземном способе работ делят на системы разработки россыпных, рудных и нерудных месторождений.

Рудные месторождения отличаются исключительным разнообразием и сложностью разработки, поэтому число применяемых систем и их вариантов в практике разработки этих месторождений весьма значительно — более 200.

Согласно принятой в настоящее время классификации систем (по М. И. Агошкову), выделяют восемь классов (табл. 1), характеризующихся состоянием выработанного пространства в период ведения очистной выемки. Порядок выемки определяют четыре группы систем (рис. 4).

Первая группа систем — выемка руды блоками. При данной группе систем все тело или этаж разделяют на отдельные блоки, вынимаемые во всей площади без оставления целиков. Для второй группы систем характерна в первую очередь выемка руды камерами по простиранию или вкрест простирания с оставлением целиков, которые вынимаются во вторую очередь. При третьей группе систем рудное тело на блоки, камеры и целики не разделяют и очистную выемку производят в каком-либо одном или нескольких направлениях (от центра к флангам, от флангов к центру или одновременно по всей площади рудного тела). Четвертая, камеро-столбовая группа систем означает, что вынимают только камеры, а целики — столбы оставляют (постоянные целики). Системы разработки с открытым очистным пространством (класс I) отличаются тем, что очистное пространство в процессе выемки не закрепляется, а остается открытым и поддерживается постоянными или временными целиками руды или реже искусственными

371

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

столбами. Применяемая при некоторых системах крепь является временной или имеет вспомогательное значение.

Основное условие применения систем с открытым очистным пространством — значительная устойчивость руды и вмещающих пород, которая допускает большие площади обнажения.

Системы с открытым очистным пространством эффективны и разнообразны, их широко применяют при разработке рудных месторождений. Этими системами добывают около 25% железных руд и около 30% руд цветных металлов.

Примером может служить система разработки блоками с распорной крепью и сплошной выемкой руды по восстанию. Эта система широко применяется при разработке жильных месторождений, особенно руд золота и редких металлов (удельный вес системы при разработке золоторудных жил составляет 20%).

Условия применения системы: устойчивая руда и вмещающие породы; угол падения более 45—50°; мощность рудного тела от 0,6 до 1—1,2 м и более (ширина очистного пространства при распорной крепи не должна превышать 3 м).

Рудное тело при этой системе (рис. 5) вынимают этажами средней высотой 30—50 м. Каждый этаж по простиранию разделяют на блоки длиной 30—50 и (иногда до 80—100 м). На рис. 5 показан вариант рассматриваемой системы с проходкой в блоке одного восстающего, второй восстающий наращивают в процесс продвигания очистной выемки. Шпуры бурят телескопными перфораторами, отбитая руда под действием собственного веса сбрасывается к люкам. Распорную крепь устанавливают рядами в соответствии с высотой слоя, равной 2—2,5 м. На схеме приведен вариант без устройства рудоспусков, однако при данной системе возможен вариант и с перепуском руды через рудоспуски и сбрасыванием отсортированной породы в пространство между рудоспусками.

Системы разработки с магазированием руды в очистном пространстве (класс II). При этой системе большую часть отбитой руды оставляют на длительный срок в очистном пространстве — в магазинах. Объем руды после ее отбойки увеличивается (коэффициент разрыхления 1,4— 1,6). Поэтому периодически после каждого обрушения руды выпускают такое ее количество, чтобы свободное пространство между поверхностью отбитой руды и кровлей забоя было достаточным для проведения последующих работ.

Системы с магазинированием весьма эффективны. Главным условием их применения является устойчивость руды и вмещающих пород, достаточная для отбойки и выпуска руды без обрушения и отслоения вмещающих пород. Кроме того, необходимо, чтобы в рудном теле отсутствовали включения пустой породы и руда была однородной (возможности сортировки руды весьма ограниченны), имелись правильные контакты рудного тела с вмещающими породами, руда не слеживалась и не само-

372

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

возгоралась при длительном хранении в магазинах. Угол падения рудного тела должен быть не менее 50—55°, за исключением весьма мощны месторождений, где системы с магазинированием применяют и при меньших углах падения.

Удельный вес систем с магазинированием руды при разработке жильных месторождений руд цветных металлов и золота в последние годы составляет свыше 60%. Это в основном месторождения мощностью от 0,3— 0,5 до 2—3 м.

Имеется несколько разновидностей систем разработки с магазинированием руды. Развитие и последовательность работ при системе разработки с магазинированием руды камерами по простиранию приведены на рис. 65.

Каждая система разработки характеризуется своими технико-эко- номическими показателями, к которым относятся: коэффициент извлечения руды (0,80—0,97); коэффициент разубоживания (0,03—0,3); производительность забойного рабочего (1,5—80 т/смену); расход крепежного леса, расход ВВ и др.

Выбор наиболее эффективной системы разработки, отвечающей основным требованиям — безопасности, экономичности и производительности, является одним из важнейших вопросов при разработке рудных месторождений. Порядок выбора системы разработки следующий.В первую очередь отбирают возможные системы, исходя из горно-геологических и горнотехнических факторов. Отбор делают по таблице, в которой перечисляют основные факторы, их характеристики и возможные системы разработки.

Вначале выбирают возможные для применения классы систем разработки, затем возможные системы разработки, относящиеся к отобранным классам.

Возможные системы разработки по каждому из факторов отмечают в таблице условным номером, исходя из заранее составленной нумерации систем разработки. Просматривая отмеченные в таблице номера систем разработки по каждому фактору, отбирают системы, пригодные для применения в условиях разработки данного месторождения. Число систем, отвечающих всем факторам, обычно не превышает двух-трех.

Окончательно выбирают наиболее эффективную систему по техникоэкономическим показателям. Технико-экономическое сравнение систем можно производить по их рентабельности, исходя из стоимости извлекаемых полезных компонентов по государственным ценам и технологических затрат на добычу и переработку руды.

2. ОТКРЫТАЯ РАЗРАБОТКА

Открытые разработки месторождений полезных ископаемых по сравнению с подземными имеют ряд преимуществ: а) стоимость добычи полезного ископаемого значительно ниже, чем при подземной; б) работа на

373

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

открытом воздухе менее вредна для здоровья. Поэтому в последние годы удельный вес открытых работ значительно увеличился.

Открытая разработка месторождений осуществляется в следующих случаях:

1.При залегании полезного ископаемого непосредственно на поверхности, например добыча кирпичных суглинков из многих месторождений, выемка (выламывание) соли с поверхности высохшей части озера и т. д. (рис. 7а).

2.При горизонтальном залегании тел полезного ископаемого под покрывающими породами, если выемка и уборка покрывающих пород (вскрыша) целесообразны и экономически допустимы (см. рис. 7б). Дешевые полезные ископаемые (например, строительные камни) допускают отношение мощности вскрыши к мощности тела полезного ископаемого не более 1:1, слои с фосфоритами разрабатываются открытым способом даже при соотношении 5:1, руды цветных металлов допускают соотношение

10—15:1 и более.

3.При крутом или пологом падении, когда тело полезного ископаемого залегает близко к поверхности или выходит на поверхность. В этих случаях верхняя часть тела полезного ископаемого добывается открытыми работами, причем лежачий бок тела нередко служит бортом карьера, а висячий бок идет во вскрышу (см. рис. 7в). Глубина разработки определяется также соотношением объема вскрышных пород к объему полезного ископаемого.

4.При залегании полезного ископаемого на небольшой глубине под водой или в обводненных породах — вскрыша и полезное ископаемое вынимаются совместно, так как разделение их при подводной добыче невозможно или крайне затруднительно. Отделяется полезное ископаемое уже после выемки горной массы.

Открытые системы разработок представляют собой карьеры определенной формы или выемки, неправильные по форме при подводных разработках.

Вскрытие месторождений, как правило, осуществляется предварительно проводимой траншеей, которая иногда служит также дренажной канавой, осушающей месторождение от грунтовой или поверхностной воды, а также трассой для подхода транспорта.

Подготовка месторождения состоит в снятии и уборке покрывающих пород (вскрыша и разнос бортов карьера часто продолжаются при отработки залежи и добыче руды).

Добычные работы в карьерах ведутся в большинстве случаев по системе уступов. Высота уступов зависит от мощности тела полезного ископаемого, устойчивости бортов, требований к технике безопасности, применяемых механизмов и ряда других причин. Обычно высота уступов составляет 5—10 м и редко при благоприятных условиях и большой производительности карьеров — 15 м.

374

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

Открытые разработки месторождений полезных ископаемых могут производиться либо ручным, либо механизированным способом.

Ручная разработка предусматривает проведение всех стадий работ (вскрытие, подготовку и добычу) ручным способом, с применением кайловых, лопатных, клиновых и взрывных работ, с ручной погрузкой пород в автомашины или вагонетки. Такая разработка обычно ведется на малых карьерах при небольшом количестве добываемых дешевых полезных ископаемых (например, бутового камня для местных нужд, некоторых месторождений кирпичных глин и др.).

Механизация открытых работ может быть частичной или полной. При частичной механизации может быть, например, экскаваторная вскрыша, или только механическое бурение шпуров, тогда как остальные операции будут ручными. Полная механизация охватывает все стадии— вскрытие, подготовку (уборку наносов), добычу, погрузку и откатку полезного ископаемого из карьера.

При механизации открытых работ широко применяются одноковшовые и многоковшовые экскаваторы. При работе в мягких породах экскаватор отделяет породу от массива и переносит ее в отвал или на транспорт. При работе в твердых породах в забоях предварительно производят взрывные работы (обычно массовые взрывы), а экскаваторы забирают оторванные породы и погружают на автомашины, в вагонетки или другие транспортные средства.

При разработке месторождений открытым способом также возможно применение большого количества систем. Г. Н. Попов все известные системы открытых разработок подразделяет на четыре группы по признаку перемещения вскрышных пород (табл. 2).

Для подводной добычи со дна водоемов широко используют многоковшовые экскаваторы — драги с нижним черпанием.

Впоследнее время стали широко использовать земснаряды для добычи рыхлых и сыпучих пород (песков, гравия, торфа и др.) в обводненных участках или со дна водоемов. Земснаряд представляет собой плавающий понтон, с которого до дна опускается всасывающая труба с коронкой (рыхлителем) на конце. Труба соединяется на борту понтона с мощным центробежным насосом, который при работе засасывает со дна породу с водой, поднимает и транспортирует ее по напорным (нагнетательным) трубам обычно диаметром до 0,6—1 м вверх на берег или на баржи. Подобные земснаряды могут поднимать породы с глубины 10— 12 м, при необходимом соотношении засасывающей породы и воды (1 : 20— для песков, 1 : 30 — для гравия).

Внекоторых случаях для снятия вскрышных пород, а иногда и для добычи продуктивных пород производятся гидравлические работы. При этом используется вода под большим напором для размывания (разрушения) и смывания (переноса) мягких и сыпучих пород. Перед началом работ должен быть создан водоем или большой резервуар для воды, расположенный

375

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

значительно выше места работ для обеспечения напора воды, или установлена мощная насосная станция. Затем вода по трубам двигается вниз к водораспределителю и от него по шлангам доходит до водобоев. Водобои, укрепленные на концах шлангов, представляют собой конические насадки, которые подают уплотненную струю воды на породу.

Эксплуатация гидравлическим способом возможна в породах сыпучих или мягких, например при разработке россыпей, где песок можно смыть и направить в промывочный шлюз для улавливания полезного ископаемого (золота, платины и др.).

3. ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ.

Геотехнологические методы основаны на выщелачивании или растворении в подземных условиях полезных ископаемых и перевод их в растворы и затем получении из них конечного продукта. Наиболее широко эти методы используются при разработки солей., особенно калийной. Более сложна отработка месторождений калийных солей подземным растворением через скважины с поверхности земли

Разработка полезных ископаемых геотехнологическими методами дает возможность: 1) полностью освободить человека от работы под землей; 2) механизировать и автоматизировать весь комплекс работ по добыче и переработке сырья; 3) снизить капитальные затраты, связанные с вскрытием и подземной разработкой месторождений; 4) эксплуатировать месторождения на больших глубинах, недоступных шахтным способом, а также месторождения со сложными гидрогеологическими условиями.

Впервые разработка KCl-солей методом выщелачивания (рис. 7) в промышленных масштабах было опробовано фирмой «Калиум Хемиклз» в Канаде на Саскачеванском месторождении в 1967 г (провинция Саскачеван, близ г. Реджайна).

Применение метода выщелачивания было обусловлено рядом причин:

1.Богатейшие запасы сильвинита высокого качества со средним содержанием хлористого калия 30% и даже 50% . Мощность калиеносной зоны из трех пластов до 30 м.

2.Большая глубина залегания пластов (до 1600 м) в то время как шахтным способом целесообразна проходка да глубины 1200 м.

3.Трудности проходки шахтных стволов, связанные с сложным гидрогеологическим строением (наличие песков – плывунов).

4.Большие потери сильвинита в целиках (до 70%) при шахтной системе отработки

5.Меньшие сроки ввода предприятия в эксплуатацию

Методом выщелачивания калийные соли добываются также в США (штат Юта, Кейн-Крик), Туркменистане (Карлюкское месторождение).

При выщелачивании сильвинита важное значение имеет растворимость хлористого калия и хлористого натрия в воде. В холодной воде можно

376

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

растворить больше NaCl, чем KCl. С повышением температуры растворимость KCl резко возрастает, а растворимость NаCl увеличивается незначительно.

При подземном выщелачивании сильвинитовых залежей основная задача состоит в получении рассолов с высоким содержанием хлористого калия. Достичь такого состава рассолов можно двумя путями:

1)Избирательное растворение хлористого калия с частичным растворением хлористого натрия в камере. Избирательное выщелачивание может протекать изотермически либо политермически. Первое предусматривает использование в качестве растворителя насыщенного раствора хлористого натрия. Такой растворитель может растворять хлористый калий без изменения температуры. Второй, способ основан на разной растворимости KCl и NaCl при повышении температуры.

2)Полное (совместное) растворение хлористого калия и хлористого натрия. При полном растворении используется в качестве флюида вода, либо растворы KCl NaCl, с таким содержанием компонентов, что бы раствор был довольно агрессивным и мог растворять хлористый калий.

Методы подземного выщелачивания применяются при разработке цветных металлов, урана и других полезных ископаемых. В качестве примера рассмотрим медь.

Извлечение меди методом выщелачивания не является новым процессом, впервые этот метод был применен еще в XVI в. В настоящее время имеется большое количество установок для извлечения меди из

рудоносных вод, содержащих медь в виде медного купороса (CuSO4) в количестве до 1-5 г/л ( в среднем 1-2 г/л). Простой и сравнительно дешевый процесс растворения идет по следующей реакции:

CuSO4 + Fe = FeSO4 +Cu

Процесс осаждения меди производится в заполненных железным скрапом желобах или чанах. Выгрузка из них цементной меди производится переодически.

Извлечение меди из раствора составляет при правильной постановке работ не менее 90 % (иногда достигая 99%, как, например, на руднике Рэй в США). Расход скрапа составляет в среднем 1.2 кг на 1 кг извлеченной меди. На этом методе основано применение выщелачивания для извлечения меди непосредственно из месторождений медных руд.

Для эксплуатации рудных месторождений методом выщелачивания необходимы следующие условия:

А) Растворимость (или выщелачивание) рудного минерала в воде или слабом растворе серной кислоты.

Б) Проницаемость рудной массы для растворителя (наличия трещин, раздромленность руды) и возможность равномерного ее омывания.

В) отсутстиве каналов , позволяющая растворителю протекат, не омывая всей рудной массы.

Два из данных условий могут быть обеспечены искусственным путем.

377

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

В качестве объектов для извлечения меди методом выщелачивания могут быть использованы:

1) месторождения с бедным содержанием Cu. Невыгодное для разработки подземным способом.

2)аварийные участки с повышенной раздробленностью руды (участки разрушенных целиков).

3)старые рудники с неизвлеченной рудой.

4)отвалы медносодержащих пород на поверхности земли.

3.ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР СПОСОБА И СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ

Для правильного выбора способа и системы разработки месторождения необходимы определенные сведения о месторождении, о характере тел полезных ископаемых, свойствах полезного ископаемого и вмещающих пород.

По числу содержащихся полезных компонентов руды делят на простые, содержащие только один компонент, и полиметаллические, содержащие несколько компонентов.

Но ценности руды могут быть богатые, средней ценности и бедные. Измерителем ценности служит: валовая ценность, под которой принято понимать стоимость по отпускной цене полезных компонентов, содержащихся в 1 т руды; извлекаемая ценность — стоимость полезных компонентов, извлекаемых из 1 т руды. Извлекаемая ценность всегда меньше валовой за счет потерь части полезных компонентов в процессе переработки.

Валовая ценность оказывает очень большое влияние на выбор способа разработки месторождения. Большая валовая ценность допускает м необходимых случаях применение более дорогих способов разработки, по позволяющих сократить до минимума потери руды и полезных компонентов при добыче. Напротив, для невысокой валовой ценности руды приходится применять наиболее дешевые способы разработки, хотя бы они и сопровождались повышенными потерями.

Экономические результаты эксплуатации месторождения характеризуются разницей между извлекаемой ценностью и расходами по добыче и переработке 1 т руды до получения из нее металла (или другого готового продукта).

Иногда разработку производят селективно, добывая в первую очередь богатую (по ценности), первосортную руду и направляя ее непосредственно в плавку, а более бедные руды отрабатывают после богатых и направляют их на обогащение.

Изменчивость содержания металла (или другого компонента) в руде существенно отражается на способе разработки месторождения. При резком незакономерном изменении содержаний полезного компонента и руде система разработки должна обладать большой гибкостью, т. е. допускать

378

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

выемку руды по отдельным технологическим сортам, раздельную выемку руды и пустой породы, выборку в забое примешанной к взорванной руде пустой породы, если ее нельзя вынуть раздельно от руды, оставление в недрах невыработанными участков с непромышленной рудой и пустыми породами. Для определения промышленных контуров руды в этих случаях приходится проводить тщательное эксплуатационное опробование.

По объемному весу руды делятся на: тяжелые — с объемным весом больше 3,5 т/и3, средние — от 2,5 до 3,5 т/м3 и легкие — ниже 2,5 т/м3.

По кусковатости руды выделяют: мелочь — от рудной пыли до кусков с поперечным размером 100 мм; руду средней крупности — от 100 до 250— 300 мм; крупнокусковатую — от 300 до 500 мм; очень крупную — более 500 мм.

По строению руды делят на: массивные (плотные без трещин и слоистости), трещиноватые, слоистые и рыхлые.

Склонность некоторых руд к слеживанию, окислению, возгоранию и самовозгоранию, смерзанию, удерживанию влаги и др. затрудняет разработку месторождения.

Крепость горных пород непосредственно влияет на выбор способа разработки месторождения и применяемых машин при добыче, на производительность труда, расход материалов и стоимость добычи.

Устойчивость горных пород выражается в способности их массива не обрушаться, когда он подработан и обнажен снизу и с боков. Устойчивость руды и вмещающих пород оказывает столь большое влияние на выбор систем разработок, что в основу большинства классификаций систем подземной разработки рудных месторождений принят способ поддержания массива пород вокруг выработанного пространства, который в свою очередь зависит от устойчивости пород.

Форма тел полезных ископаемых оказывает большое влияние на разработку. Разработка тел полезных ископаемых правильной формы сопровождается меньшими трудностями, чем неправильных, контуры которых резко изменяются.

Характер границ — контактов тел полезных ископаемых с вмещающими породами является очень важным показателем. В одних случаях контакт выражен резко, в других — переход от руды в пустую породу постепенный, и отчетливых границ тела не наблюдается. Месторождения первого типа принято называть простыми, второго — сложными.

Часто месторождение бывает представлено не одним, а несколькими телами полезных ископаемых. Эти совместно залегающие тела могут быть изолированы одно от другого, разделены вмещающими породами и не связаны между собой; иногда они пересекают друг друга или соединяются вместе и снова разъединяются; иногда одно тело является основным, а остальные — его ветвями (апофизами).

Месторождения могут залегать спокойно или могут быть нарушены сбросами, сдвигами и пр. Эти нарушения иногда разрывают тело полезного

379

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

ископаемого на отдельные части, в результате чего месторождение приобретает сложную форму. Влияние совместного залегания нескольких тел и геологических нарушений на выбор способа разработки очень велико.

Мощность и угол падения тел полезных ископаемых оказывают решающее влияние на выбор системы разработки. По мощности тела делят на пять групп:

1)весьма тонкие — с мощностью менее 0,7 м, при разработке которых проходка подготовительных выработок и очистная выемка сопровождаются подрывкой вмещающих пород;

2)тонкие — с мощностью 0,7—2,0 м, при разработке которых очистная выемка может производиться без подрывки вмещающих пород, но проведение горизонтальных подготовительных выработок в большинстве случаев требует подрывки;

3)средней мощности — от 2 до 5 м, подрывка вмещающих пород не производится как при очистной выемке, так и в подготовительных выработках. Верхняя граница мощности 5 м соответствует предельному ее значению для применения распорной крепи;

4)мощные — от 5 до 15—20 м, очистная выемка которых при крутом

падении может производиться по простиранию на всю мощность; 5) весьма мощные — более 15—20 м, при очистной выемке эти место-

рождения разделяют на блоки по мощности или же выемку производят вкрест простирания.

По углу падения месторождения делят на:

1) горизонтальные и пологопадающие с углом падения от 0 до 25—

30°;

2)наклонные с углом падения от 25 до 45°;

3)крутопадающие с углом падения свыше 45°.

Это деление, так же как и деление по мощности, связано с существенными изменениями условий разработки и применением при разных углах падения различных способов очистной выемки.

Приведенные основные сведения о месторождениях, необходимые для правильного выбора способа и системы его разработки, должны быть получены в процессе разведки и изучения месторождения.

Более того, при проведении горноразведочных выработок значительной глубины или длины необходимо учитывать условия будущей эксплуатации месторождения. Иногда разведка сочетается с начальной стадией эксплуатации месторождения. В таких случаях некоторые этапы вскрытия месторождения и проведения подготовительных выработок выполняются разведчиками, так как разведочные выработки одновременно являются и вскрышными или подготовительными.

Поэтому при заложении крупных разведочных шахт должны учитываться такие условия, как: 1) центр сосредоточения грузов при будущей откатке и доставке полезного ископаемого по подземным выработкам; 2) необходимость оставления околошахтного целика; 3) рельеф поверхности

380

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»