13.2.2. Физико-техническая открытая геотехнология

Физико-техническая открытая геотехнология – это совокупность способов и приемов осуществления взаимосвязанных процессов горных работ по добыче полезных ископаемых с поверхности Земли при разработке месторождений всех видов твердых полезных ископаемых путем сооружения комплекса горных выработок и производства вскрышных и добычных работ, а также развитие массовых земляных работ.

Основные открытые горные выработки – капитальные траншеи, обеспечивающие доступ к полезному ископаемому, и разрезные траншеи, подготавливающие карьерное поле к вскрышным и добычным работам. Отрытый способ добычи природных каменных материалов применялся еще в глубокой древности (см. темы 3, 4). На протяжении нескольких тысячелетий его развитие сдерживалось мускульным характером труда и примитивностью орудий. Только с началом создания мощной карьерной техники стало возможно развитие этого прогрессивного способа добычи полезных ископаемых. Так, например, массовое строительство карьеров (предприятий по добыче полезных ископаемых открытым способом) произошло только в 20-е годы прошедшего столетия, когда стали появляться средства механизированной выемки и транспортирования горной массы.

Первые исследования этого периода были посвящены разработке методов научного обоснования целесообразной высоты уступов и определения эффективных границ карьеров. В 1924 г. известный советский ученый, акад. Л. Д. Шевяков разработал положение по определению высоты уступа при транспортной системе разработки, исходя из условий безопасности и технико-экономической целесообразности. Другой советский ученый М. И. Гоберман в 1927 г. впервые начал проводить исследования по определению границ карьеров, основанные на принципе сравнения граничного и контурного коэффициентов вскрыши. Такой подход не утратил своего значения и сегодня.

В 20-х годах в связи с применением бестранспортных и транспортно-отвальных систем разработки (Челябинские угольные копи, Черемховское месторождение) были предложены методы расчета их основных параметров. В этот же период были заложены основы теории применения массовых взрывов скважинными зарядами и минными камерами. В последующие годы начали формироваться научные школы Н. А. Старикова в СГИ, Е. Ф.Шешко в МГИ и др. Основные исследования проводились по наиболее трудоемкой в то время операции – буровзрывным работам. Значительные по объему исследования проводились в областях гидромеханизации, применения многочерпаковых экскаваторов и транспортно-отвальных мостов. Были созданы первые классификации систем открытой разработки (Е. Н. Барбот-де-Марни, Е. Ф. Шешко, Н. В. Мельников), разработаны и систематизированы различные схемы вскрытия.

Наиболее быстрое развитие открытых горных работ в СССР началось после окончания Великой Отечественной войны. Открытый способ разработки становится основным при добыче большинства видов полезных ископаемых. На базе выполненных в этот период научных разработок создаются проекты строительства крупных карьеров большой глубины, позволяющих обеспечить все возрастающие потребности страны в минеральном сырье путем применения бестранспортной системы разработки с мощными шагающими драглайнами, современных способов взрывания, применения автомобильного и комбинированного автомобильно-железнодорожного транспорта.

Открытый способ разработки месторождений, как генеральное направление развития горнодобывающих отраслей отечественной промышленности на протяжении последних нескольких десятилетий, сохранит свои позиции и в обозримой перспективе благодаря, в первую очередь, основным преимуществам (по сравнению с подземным способом) экономического, технического, технологического, организационного и социального характера. В России в последние годы открытым способом ежегодно добывают около 90 % железной руды, 90 % горной массы, 62 % руд цветных металлов, 60 % угля, почти 100 % алмазосодержащих руд и сырья для производства строительных материалов.

Также, как и в подземной разработке месторождений, в развитии открытой разработки месторождений в России выделяются 4 этапа.

Первый этап (1917–1929 гг.) – восстановительный. Отличительной особенностью этого периода является преимущественное применение на карьерах зарубежных экскаваторов (главным образом американских), появились буровые ударно-канатные станки, динамит и порох заменен более безопасным аммоналом.

Второй этап (1930–1941 гг.) – период индустриализации. Начался с создания отечественной технической базы (см. темы 10, 11, 12). Благодаря широкому внедрению техники была решена задача технической реконструкции карьеров и заложены основы современной технологии.

Третий этап (1941–1950 гг.) – период военного времени и восстановления народного хозяйства. В годы войны резко возросли объемы открытой разработки месторождений, главным образом для добычи угля, руд цветных и черных металлов.

В послевоенный период расширились масштабы механизации процессов на карьерах, было унифицировано экскаваторное и транспортное оборудование. Начался серийный выпуск экскаваторов-мехлопат СЭ-3 (УЗТМ), шагающих драглайнов с ковшом 4 м³, был построен первый мощный отечественный шагающий экскаватор ЭШ 14/65 (УЗТМ), освоено серийное производство станков вращательного бурения и электровозов со сцепным весом 80 т, 40- и 50-тонных думпкаров «поднимающий борт», карьерных автосамосвалов 5,10 и 25 т.

Четвертый этап (современный период). В это время развернулись масштабное техническое перевооружение карьеров и совершенствование технологии открытых горных работ.

В зависимости от формы и положения полезного ископаемого выделяются пять основных видов открытой разработки месторождений:

1. Разработки поверхностного вида характеризуются отработкой вскрышных пород и полезного ископаемого сразу на полную мощность, размещением вскрышных пород в выработанное пространство. Внешние отвалы устаивают при строительстве карьеров или при особых горно-геологических условиях.

К этому виду относится разработка россыпей, строительных горных пород, угольных и небольшой части рудных месторождений при горизонтальном или пологом залегании залежей. Карьеры, как правило, неглубокие (до 40–80 м).

2. Разработки глубинного вида отличает выемка пород и полезного ископаемого слоями в нисходящем порядке. Горную массу, как правило, перемещают снизу вверх на более высокие отметки или на поверхность. Глубина карьера достигает 400–700 м и более. Вскрышные породы, как правило, размещают во внешние отвалы.

3. Открытые разработки нагорного вида характерны тем, что перемещение покрывающих и вмещающих вскрышных пород и добытого полезного ископаемого осуществляется средствами транспорта на более низкие отметки к месту расположения отвалов и технологического комплекса.

4. Разработки нагорно-глубинного вида характерны для сложных рельефов карьерного поля. Ведутся на месторождениях руд, химического сырья, строительных полезных ископаемых и угля, где являются самыми распространенными и крупными.

5. Особый вид открытой разработки полезных ископаемых – подводная добыча. Она проводится в поймах рек, на дне морей и озер. В этом случае кровля и почва залежи расположены ниже открытого уровня воды; покрывающие породы обычно небольшой мощности: мягкие, плотные, полускальные или разнородные.

Основные технологические процессы открытой разработки месторождения полезных ископаемых включают:

• подготовку горных пород к выемке с одновременным ее механическим или взрывным рыхлением;

• погрузку горной массы в средства транспорта;

• транспортирование горной массы из забоев;

• размещение пустых пород в отвалах.

Перспективы открытых горных работ связаны с оптимизацией параметров горных работ и оборудования, применением техники непрерывного действия, комплексным использованием добытой горной массы, переходом на большие глубины, широким внедрением автоматизированных систем и методов управления, внедрением малоотходных и ресурсосберегающих технологий.