2. Физико-техническая геотехнология

Физико-техническая геотехнология сформировалась как совокупность знаний о способах и взаимосвязи процессов извлечения полезных ископаемых из недр или техногенных образований без изменения химического состава исходного сырья и его агрегатного состояния. Являясь самостоятельным разделом горных наук, она развивается под влиянием все возрастающих потребностей общества в добыче полезных ископаемых из недр Земли. В настоящее время горнодобывающей промышленностью из недр извлекается уже свыше 200 наименований полезных ископаемых. Горные работы ведутся на глубине до 3,5 тыс. м от поверхности.

Физико-техническая геотехнология – это научный фундамент горно-инженерных знаний, необходимых для создания и эксплуатации горных предприятий, анализа и прогноза их деятельности, а также для оценки последствий горного производства. В физико-технических геотехнологиях и процессах используются взрывное, механическое, гидравлическое, криогенное, химическое, гравитационное и другие воздействия на горные породы. Они осуществляются при разрушении горных пород, укреплении и упрочении горных выработок и массивов, а также при перемещении отбитой горной массы. В результате производства горных работ в земной коре происходят структурные изменения и перераспределение силовых полей, в значительной мере зависящих от видов и параметров технологий и процессов горных работ.

13.2.1. Физико-техническая подземная геотехнология

Подземная геотехнология – это совокупность способов и приемов осуществления взаимосвязанных процессов горных работ по добыче полезных ископаемых в недрах Земли без нарушения дневной поверхности путем проведения системы подземных горных выработок.

Основные горные выработки подземной разработки месторождений:

• шахтные стволы, квершлаги и штольни, открывающие доступ с поверхности ко всему месторождению и обеспечивающие возможность проведения подготовительных выработок и очистной выемки в запланированных объемах;

• штреки, уклоны, бремсберги, восстающие орты, которыми вскрытая часть месторождения разделяется на обособленные выемочные участки;

• этажи, блоки, панели, камеры, столбы, предусмотренные принятым способом подготовки и системой разработки;

• поэтажные и слоевые выработки, выработки буровые, погрузочно-доставочные, вентиляционные, отрезные и другие, обеспечивающие выемку полезных ископаемых.

Роль подземной разработки остается значительной. Этому способствуют достижения в области технологии и механизации горных работ, необходимость восстановления и рекультивации территорий, нарушенных горными работами. В условиях ограниченного прироста запасов минерального сырья вблизи земной поверхности темпы освоения месторождений подземным способом непрерывно растут (табл.13.1).

Таблица 13.1. – Условия разработки на некоторых шахтах в России и за рубежом

Шахта (рудник), страна	Вид полезного компонента	Мощность полезной толщи, м	Угол падения залежи, град.	Глубина разработки, м
«Первомайский», Россия	железо	40	80	810
«Октябрьский», Россия	медь, никель	22	15-20	1200-1600
«СУБР», Россия	бокситы	10	25	830
«Колар», Индия	золото	1,7	85	3300
«Ист-Райд», ЮАР	золото	0,1-3	5-30	3500
«Крайтон», Канада	медь, никель	20-30	70-80	2135
«Стар-Морнинг», США	цинк, свинец, серебро	3	70-80	2250

Подземные разработки месторождений известны еще в глубокой древности (см. тема 3). Исследования хорошо сохранившихся подземных выработок («Айбунар» и «Рудна-Глава» на Балканском полуострове, «Вади-эль-Араба» на Синае, Гумешевский рудник на Урале, Калбинские рудники на Алтае и другие) позволяет составить представление о технологии работ в них. Форма подземных выработок, их трасса и протяженность (достигавшая сотен метров) повторяли конфигурацию рудного тела. Для предохранения выработок от обрушения оставлялись целики, сооружения из камня, применялись деревянные распорки. Для этих же целей кровле горных выработок придавали сводчатую, арочную или остроугольную формы. Проветривание осуществляли посредством специальных дополнительных вертикальных выработок, проходимых на разных уровнях. Для предотвращения затопления шахт ливневыми дождями около ствола строили защитные плотины. Подземные воды собирали в ямы-водосборники, из которых воду вычерпывали кожаными или берестяными ведрами. Освещались горные выработки сжиганием сухого хвороста или лучин, а позднее – с помощью масляных сосудов-ламп. Для спуска и подъема рудокопов в стенке вертикальной выработки оставляли небольшие уступы, применяли бревна с зарубками или сучьями.

Рисунок. 13.1. Средневековая рудная шахта близ г. Хемниц.

Эпоха горных орудий (см. тему 4) знаменует дальнейшее развитие подземной технологии разработки месторождений. Применение простейших горных машин позволило сооружать шахты в виде упорядоченной системы горных выработок, придавая им облик крупного производства.

В России подземная разработка месторождений до Октябрьской революции была развита относительно слабо. Месторождения разрабатывали небольшими шахтами и рудниками, принадлежащими частным владельцам и иностранным акционерным обществам.

После победы Октябрьской революции в развитии подземной разработки выделяются четыре этапа.

Первый этап (1921–1928 гг.) – восстановительный период. Стволы шахт были затоплены, копры разрушены, механизмы изношены, не хватало квалифицированных рабочих. Уже к концу этого периода добыча угля в СССР была выше на 22 %, а железной руды достигла 70 % соответствующего уровня 1913 года.

Второй этап (1929–1941 гг.) – период индустриализации. Коренной реконструкции были подвергнуты рудники Кривого Рога и Урала, введены в эксплуатацию новые месторождения марганцевой руды на Урале и в Западной Сибири, медной руды на Урале и в Казахстане. В эти годы была создана советская никелевая промышленность, построен вольфрам–молибденовый комбинат в Тырныаузе. В годы довоенных пятилеток зарубка и отбойка угля были механизированы на 94,8 %, доставка – на 90,4 %, откатка – на 75,2 %. В горнорудной промышленности было почти полностью ликвидировано ручное бурение, механизированы погрузочные работы, подземная и поверхностная откатка, водоотлив и подъем.

Третий этап (1941–1945 гг. – 50-е годы) – ускоренное развитие подземной разработки. В годы Великой Отечественной войны особенно бурно развивалась горнорудная база Урала и Сибири. Значительные успехи были достигнуты в добыче руд для производства алюминия, никеля, олова, магния и молибдена. В послевоенный период восстановления народного хозяйства продолжалось развитие подземной разработки за счет достижений научно-технического прогресса.

Четвертый этап (современный период). В 60-е годы произошли существенные сдвиги в основном процессе добычи угля, в очистной его выемке на пологих и наклонных пластах. Широкозахватные комбайны стали вытесняться более производительными – узкозахватными комбайнами и стругами, действующими в комплексе с механизированными крепями. На рудных шахтах стало применяться самоходное оборудование, что открыло возможность комплексной механизации подземных горных работ.

В изменениях, которые претерпевали системы подземной разработки месторождений полезных ископаемых, отражалось многообразие месторождений, средств и способов ведения горных работ. К концу 80-х годов насчитывается более 200 основных систем и множество их вариантов с присущими им особенностями. Опубликовано более 60 классификаций систем подземной разработки месторождений.

В мировой практике наиболее распространены следующие системы подземной разработки руды:

• системы разработки с открытым очистным пространством, в т. ч. камерно-столбовая система разработки;

• система поэтажных штреков;

• системы разработки с закладкой;

• системы разработки с обрушением руды и вмещающих горных пород, в т. ч. поэтажное обрушение с торцовым выпуском руды, этажное принудительное обрушение и этажное самообрушение.

Совершенствование существующих систем подземной разработки рудных месторождений заключается в их упрощении и увеличении параметров: высоты этажа и подэтажа, сечения выработок, ширины камер. Внедряется высокопроизводительное самоходное оборудование, что дает возможность увеличения параметров блоков и значительного повышения производительности выемочных участков.

На многих рудниках России широко используется вибрационная техника, которая сокращает время подготовки блоков к очистной выемке, увеличивает безопасность работ.

Основные этапы подземной разработки месторождения:

• подготовка горной породы к выемке (подготовка шахтного поля);

• отделение горной породы или полезного ископаемого от массива и выдача их на транспортные выработки (очистные работы);

• транспортирование горной массы на поверхность шахты;

• размещение пустых пород в выработанном пространстве или отвалах.

Кроме основных технологических процессов, на шахтах выполняются и вспомогательные работы.

В зависимости от добываемых полезных ископаемых и производственной мощности подземных горных предприятий сроки их существования: для шахт черной металлургии – 20–25 лет; предприятий по добыче алюминиевого сырья, медных, свинцово-цинковых и никелевых руд – 30–40 лет, золоторудные предприятия – 15–20 лет. Перспективы подземной разработки месторождений полезных ископаемых связаны с оптимизацией параметров горных работ и оборудования, применением техники непрерывного действия, переходом на большие глубины, созданием малоотходных и ресурсосберегающих технологий.