Открытые горные работы

При разработке неглубоко залегающих пластов полезных ископаемых, для создания доступа к ним, удаляют покрывающую толщу пустых пород, т.е. проводят открытые горные выработки.

Открытый способ добычи – генеральное направление горнодобывающей промышленности. Открытым способом добывается ¾ всего объема полезных ископаемых (в том числе железной руды – 86%, фосфоритов – 75%, руд цветных металлов – 66%, угля – 42%, строительных горных пород – 100%). Производительность труда при добыче открытым способом значительно (при добыче угля ~в 9раз) выше, чем при добыче шахтным способом из-за применения более мощной техники, меньших сроков строительства, меньших капитальных затрат и меньшей себестоимости продукта.

Горное предприятие, представляющее собой совокупность горных выработок и осуществляющее разработку месторождения полезного ископаемого открытым способом называется карьером (угольное – разрез).

Открытая разработка месторождения нерудного полезного ископаемого включает следующие основные производственные процессы: подготовка поверхности земли (вырубка лесов, отвод поверхностных вод, осушение водоемов), подготовка места для отвала пустых пород, прокладка железнодорожных и автомобильных дорог, проводка линий электропередач, строительство зданий, проведение вскрышных работ, добыча полезного ископаемого и его транспортировка.

При открытой разработке месторождение делят на горизонтальные слои, которые вынимают сверху вниз с опережением верхнего слоя по отношению к нижнему, поэтому карьер приобретает уступную форму.

Наклонная поверхность, ограничивающая уступ со стороны вырабатываемого пространства – откос. Угол наклона откоса к горизонтальной поверхности – угол откоса. Для глин, песков угол откоса равен 25-50^о, для сланцев, известняка, железных руд – 55-75^о, гранитов, базальтов – 75-90^о.

Существует два варианта разработки полезных ископаемых: экскаваторный и гидравлический. Экскаваторный – универсален, в этом случае используются выемочные и транспортные машины, а также различные приемы рыхления пород и ископаемого. Гидравлический основан на использовании энергии струи воды из гидромонитора. Применим ограничено на вскрышных работах на легко размывающихся и транспортируемых водой породах.

Вскрышные работы – удаление пустых пород, покрывающих полезное ископаемое. Объем работ зависит от глубины залегания пласта. Трудоемкость разработки определяется коэффициентом вскрыши: соотношением между объемом вскрышных пород Н(м3), подлежащих удалению с карьерного поля, к промышленным запасам ископаемого h (т) в пределах того же карьерного поля.

Глубина, при которой себестоимость добычи 1т ископаемого открытым и подземным способами одинакова, является границей открытой разработки или предельной глубиной карьера.

Вскрышные работы выполняются с расчетным опережением по отношению к работам по добыче полезного ископаемого.

Объем перемещаемых масс вскрышных работ требует значительных расходов. Стоимость добытого полезного ископаемого в значительной мере обусловливается затратами на вскрышные работы. Процесс производства вскрышных работ слагается из следующих операций: снятие вскрышных пород, транспортировка их до отвалов и размещение в отвалах.

Подготовка пород к выемке ведется буровзрывными работами или непосредственно экскаваторами. Буровзрывные работы применяют на породах средней крепости и крепких. При помощи станков пробуривают 1-2 ряда скважин диаметром 150-200 мм (для вскрышных работ), 100-200мм (в угольных забоях). В результате взрыва порода (уголь) должны раздробиться на куски, размер которых определяется емкостью ковша экскаватора. Закладываются заряды до 720 кг в каждой скважине. Удельный расход взрывчатых веществ 0,7-1,0 кг/м3 горной массы.

После взрыва часть кусков взорванной горной породы может превосходить размеры кондиционных фракций. Эти куски дробят взрывным или механическим способом.

Ископаемое транспортируют на обогатительную фабрику или потребителям, вскрышу – в отвал (отвал – это породная насыпь, образующаяся в результате планомерного размещения пустой породы). Транспортирование – важнейший технологический процесс из-за перемещения огромных масс. Используют железнодорожный, автотранспортный, конвейерный и гидравлический транспорты.

При открытом способе добычи окружающая среда подвергается более сильному воздействию, чем при подземном, так как значительно увеличивается объем отвальных пород, на длительные сроки выводятся из эксплуатации большие участки поверхности земли. Так, объем вскрышных работ (снятие пород покрывающих и вмещающих тело полезного ископаемого) на карьерах угольной промышленности составлял 848 млн.м³/год, железорудных – 380, стройматериалов – 450. Глубина карьеров рудных достигла 450-500м, угольных 550—600м (на Криворожском железорудном месторождении – 800м).

При разработке месторождений открытым способом к основным источникам загрязнений относится производство массовых взрывов, эксплуатация горнодобывающей техники и автомобилей. Массовые взрывы на карьере относятся к периодическим источникам загрязнений, т.к. производятся обычно раз в 2 недели. Заряд взрыва достигает 800-1200т, а количество взорванной им горной массы – 6млн.т. При этом в атмосферу выбрасывается около 200-400т пыли. Считается, что 1т взорванного взрывчатого вещества дает 40м³ СО, кроме этого выделяются оксиды азота.

Практически все горные работы сопровождаются пылеобразованием. Так, при бурении скважин интенсивность пылевыделения равна 1,5г/с, при перемещении породы экскаватором – 6,9, при погрузке угля роторным экскаватором – 8,5 г/с. Постоянно действующими источниками пылеобразования являются автомобильные дороги. В некоторых карьерах на их долю приходится 70-90% всей выделяемой пыли. Значительные количества пыли поступают в атмосферу при погрузочно-разгрузочных работах. Интенсивность пылевыделения при выемке угля экскаватором составляет 11,65 г/с, при погрузке в железнодорожные вагоны - 1,15 г/с. Из-за использования большого количества транспортных средств, обширных территорий под разрезами, а также производства мощных массовых взрывов загрязнение атмосферы при открытой добыче значительнее, чем при подземном способе.

Загрязнение атмосферы газопылевыми выбросами происходит также при эрозии, окислении и горении породы в отвалах. В отвалах кроме породы находятся горючие вещества (уголь, сланцы, пирит). Образуется масса, склонная к окислению, в результате которого происходит ее самонагревание и самовозгорание. На этот процесс влияет не только состав, но и строение отвалов. Наиболее благоприятные условия для самовозгорания создаются на терриконах и хребтовых отвалах, у которых горючие вещества накапливаются в верхней части отвала, где есть достаточный приток воздуха. Горение породы на действующих отвалах носит очаговый устойчивый характер. Температура в зоне горения достигает 800-1200^оС. Величина газовыделения из горящих действующих и недействующих отвалов различна. От одного горящего террикона среднего объема, содержащего углеотходы с низким содержанием серы (0,4-1%) за один час в атмосферу выбрасывается более 89 кг SO² и 25 кг СО. Спустя год после прекращения эксплуатации интенсивно горящие отвалы снижают выделение газа до 0,5, через 2 года – до 0,3, 3 года – 0,1.

Большие объемы сточных вод, образующиеся при горных работах, связаны с высокой водообильностью разрабатываемых угольных месторождений. В конце 90-х годов прошлого столетия основные угольные бассейны характеризовались следующими величинами водопритоков и коэффициентами водообильности:

Табл.1

Табл.1

Басейни	Водоприток в шахты, м3/год		Коэффициент водоемкости, м3/т
	преобладающий	максимум	средний для бассейна	максимум
Донецкий	100-400	1100	3,2	8,3
Кузнецкий	150-600	1800	2,2	20
Карагандинский	100-220	400	9,54	2
Печорский	140-550	800	0,8	2
Подмосковний	240-700	2230	10,5	30
Кизеловский	300-600	2200	15,1	49
Для угольних разрезов обычно			1-2

В 1988 году добыча угля в Донбассе составила 210млн.т при шахтном водоотливе 780млн.м3/год. В 2000 году добыча угля снизилась до 70млн.т при сохранившемся водоотливе. Таким образом, удельная водоемкость (водообильность) возросла в 3 раза (от 3-4 до 11-12м3/т угля при глубине отработки угольных пластов 0,8-1,3км.

Все рудники имеют отвалы, которые занимают большие площади, возвышаются на десятки и сотни метров. Расстояние до них увеличилось до 15-20км. Недействующие отвалы могут стать причиной несчастных случаев и катастроф: быстрое перемещение отвальных пород может разрушить здания, дороги. Необходима постоянная откачка рудничных, дренажных, артезианских вод. При этом осушаются породные массивы, снижается зеркало грунтовых вод, проседает поверхность. На Курской магнитной аномалии открытыми разработками нарушено более 30твс.га, около каждого карьера депрессионная воронка грунтовых вод достигает в диаметре 35км, а площадь осушения равна 1тыс.км2 (100тыс.га). Урожайность сельскохозяйственных культур на землях в районе КМА уменьшилась на 50%.

Площадь территории, подвергающейся неблагоприятному воздействию, в 10-15 раз превышает площадь карьера с отвалами пород. Дым, пыль, вредные газы с отвалов разносятся ветром, дожди и талые воды вымывают из отвалов вредные вещества (H2S, SO2, CH4, СО ,СО2) и мелкие частицы пород. После завершения работ карьерные выемки и отвалы представляют собой безжизненные, мертвые территории, т.е. исключаются из местных экосистем. Площадь горных работ в Донбассе составляет 15иыс.км2 из них с проседаниями – 8тыс.км2.

Увеличение глубины и производственной мощности карьера вызывает резкий рост длины авто- и железнодорожных трасс, усложняет движение. К воздействию, оказываемому на окружающую среду непосредственно добывающими технологиями, добавляется воздействие, оказываемое транспортирующими машинами.

Таким образом, открытый способ добычи приводит к потере больших площадей земли, разрушению сельскохозяйственных угодий, природных ландшафтов.

В Донбассе сейчас существует около 1100 отвалов, в том числе более 700 действующих. Угольный Донбасс ежегодно выдает на поверхность 90млн.т углесодержащих пород, из них только около 2% является продукцией, остальное идет в отвалы обогатительных фабрик. Производительность добычи угля в Донбассе в 3 раза ниже, чем в Кузбассе, а кузнецкий уголь (с учетом стоимости перевозки) дешевле донецкого даже в самом Донбассе.

Количество отходов Львовско-Волынского угольного бассейна составляет около 100млн.м3 при ежегодном приросте около 3,5млн.м3. Из горящих терриконов этого бассейна с 1 м2 площади выделяется в сутки 10,8 кг СО; 6,5 кг SO2; 0,6 кг H2S и NOx.

Для размещения породы, которая выдается шахтами Украины, необходимо каждый год отчуждать более 190га плодородной земли. Терриконы угольной промышленности уже занимают на Украине более 7тыс.га.