До изобретения письменности горное искусство уже прошло долгий путь. В библейские времена выплавка железа из руды была уже сложившимся ремеслом, возникшим благодаря случайному открытию способа получения железа в результате воздействия на железную руду раскаленного древесного угля. Рудники в библейский период систематически разрабатывались с помощью весьма несовершенных орудий. Изучение многих горных выработок того времени показало, что, несмотря на отсутствие надлежащего оборудования, добычные работы проводились в очень большом объеме.
Около 700 н.э. на Ближнем Востоке медь и золото выплавляли в продуваемых ущельях в горнах из огнеупорного материала, внутрь которых помещали руду и древесный уголь. Индейцы на севере Мичигана задолго до первых белых поселенцев выплавляли медь из руды, используя в качестве топлива и восстановителя дрова.
Еще древние греки и римляне, в том числе Страбон и Плиний Старший, подробно описывали методы горных работ. Один из первых источников информации о горном искусстве – труд Г.Агриколы
О горном деле и металлургии (De re metallica; рус. перевод 1962, кн. 1–12) – был опубликован в 1556. К 16 в. технология горных работ была достаточно развита. Разрушение скальных пород выполнялось путем попеременного нагревания и резкого охлаждения водой. Этот метод применялся для вскрытия залежей и добычи полезных ископаемых. Подземные выработки обычно укреплялись лесоматериалами и каменной кладкой.На ранней стадии развития горного дела разведывались и разрабатывались наиболее богатые месторождения с высоким содержанием металла. По мере совершенствования способов добычи руды и извлечения из нее металлов стали использовать более бедные руды, относимые ранее к пустым или малоценным породам, в связи с чем многие заброшенные рудники возобновляли свою работу. В горной промышленности стало почти аксиомой, что сегодняшние пустые породы могут завтра оказаться рудами.
В Новом Свете становление горного дела происходило медленно. До появления европейцев индейцы эпизодически вели открытую разработку медных руд в районе Великих Озер и в Аппалачах. В 1790 Б.Франклин, обосновывая введение бумажных денег, заявил: «Золото и серебро не производятся в Северной Америке, не имеющей рудников». Однако позднее и там были найдены месторождения драгоценных металлов и железных руд. С 1798 началась непрерывная эксплуатация Миссурийского свинцового пояса, открытого в 1720.
В 1845 были обнаружены железные руды в районе озера Верхнего. В 1852 были открыты месторождения коксующегося угля, а в 1859 доказана его применимость для выплавки железа. Эти открытия содействовали развитию железнодорожного транспорта; рост дорожной сети стимулировал расцвет горной промышленности.
Это происходило в то время, когда в Европе добыча сырья на многих долго эксплуатируемых рудниках уже шла на убыль. Политико-экономический климат в США благоприятствовал свободному предпринимательству, благодаря чему происходил быстрый рост производства. В 18 в. Америка ввозила почти всю необходимую ей горно-металлургическую продукцию, а в 19 в. сама стала крупным экспортером основных металлов и минерального сырья.
После открытия в 1848 месторождений золота в Калифорнии последовали многочисленные открытия месторождений руд меди, свинца, цинка и других металлов. Поиски полезных ископаемых стали вестись в тундре и суровых северных районах Канады. Использование паровой и электрической энергии способствовало изобретению и производству промышленного оборудования. Развитие горнодобывающей техники обеспечивало удовлетворение растущих потребностей в минеральном сырье и позволило разрабатывать месторождения горных пород, добыча и переработка которых ранее считалась нерентабельной.
По мере развития промышленности возрастали объемы потребления основных металлов – железа, меди, свинца, цинка, золота и серебра.
Вырос также спрос на уголь, серу, фосфаты, гипс, цементное сырье и другую продукцию горного производства. Нашли свое применение в промышленности многие из менее распространенных металлов, такие, как сурьма, кадмий, кобальт, никель, ртуть, вольфрам и ванадий. Можно ожидать, что и другие малозначимые в настоящее время материалы в будущем приобретут жизненно важное значение (как, например, это произошло с ураном в 1942, когда его уникальные свойства были впервые использованы в ядерных реакциях).После Второй мировой войны началась интеграция мировой экономики и значительно возросла роль горнодобывающей отрасли промышленности.
Многие экономически важные месторождения были обнаружены в непосредственной близости от старых действующих рудников. Как правило, они залегают глубже эксплуатируемых залежей.
Поскольку поверхность Земли на 71% покрыта водой, объектами исследований стали также морская вода и дно океана. Теперь из морской воды извлекают магний. В связи с открытием марганцевых конкреций на дне океанов требуется сконцентрировать внимание на разработке методов их добычи. Планируются более развернутые подводные исследования с целью поиска других ценных материалов.
В будущем, возможно, развернутся работы по извлечению полезных компонентов из металлоносных илов, покрывающих обширные площади дна Тихого океана, а также из высокоминерализованных вод Красного моря. Методы разведки. Выбор методики исследований часто определяется формой и условиями залегания рудного тела. Если рудная залежь представлена пологозалегающим пластом, то для ее разведки используют сеть вертикальных скважин. Аналогичным образом изучают массивные месторождения вкрапленных руд. Если залежь крутопадающая, то для оконтуривания месторождения на глубине бурят наклонные скважины. Трубо- или чечевицеобразные рудные зоны в жилах требуют еще более тщательного выбора расположения буровых скважин. Обычно глубокозалегающие месторождения полезных ископаемых не поддаются изучению простыми методами, а требуют подробных и сложных исследований. Сначала проводятся исследования земной поверхности, на которой можно обнаружить поисковые признаки скрытых в недрах рудных тел. Зоны красной горной породы или грунта («железные шляпы») связаны с окислением железосодержащих минералов и часто оказываются признаком руд железа, золота, свинца, цинка и бокситов. На присутствие марганца указывают черные или коричневые пятна (т.н. «пустынный загар»). Светло-желтая окраска может свидетельствовать о присутствии урана, зеленая или голубая – меди, бледно-зеленая – никеля или мышьяка. Легко распознаются черные выветрившиеся обнажения угля.В результате выветривания рудовмещающих пород ряд минералов в них может растворяться, оставляя небольшие полости или «ядра» (породы, заполняющие внутренние полости), сохраняющие форму выщелоченного минерала. Эти породы с ячеистой структурой служат индикаторами нижележащих рудных зон. Кроме того, благоприятными поисковыми признаками являются зоны сильно измененных коренных пород или разрывов, где в результате смещения земной коры образовались положительные и отрицательные формы рельефа.
Геофизические исследования. При разведке рудных участков применяются чувствительные приборы, регистрирующие изменения гравитационного и магнитного полей, электропроводности и других физических свойств горных пород земной коры. Геофизическое оборудование (магнитометры для поиска магнитных руд и гравиметры для выявления различий в плотности горных пород) может быть портативным или устанавливаться на автомобилях и самолетах. Применение авиационных бортовых геофизических устройств значительно ускорило процесс разведки и повысило ее эффективность. Микрохимические, геоботанические и биогеохимические методы. Микрохимический анализ относительно малых количеств вещества в большом числе проб используется для обнаружения металлов, присутствующих в незначительных количествах. Обобщение результатов таких количественных исследований позволяет в дальнейшем выявлять скопления полезных ископаемых геофизическими методами.Методы геоботанической индикации, основанные на воздействии определенных минералов на различные растения, были разработаны в начале 1940-х годов. Наиболее широко они использовались в СССР, где с 1955 стали обычными в работе разведочных партий. Растения, растущие на грунтах повышенной минерализации, отличаются аномалиями окраски, формы и роста. Для выявления площадей, в пределах которых растения-индикаторы реагируют на присутствие определенных минералов, совместно применяются аэрофотосъемка и наземный контроль. «Универсальными» индикаторами называются растения, которые всегда реагируют на присутствие данного элемента, а «локальными» – такие, которые действуют лишь в пределах ограниченного района. Так, индикаторами цинка служат определенные виды горчицы и гвоздики, хотя до сих пор по их присутствию не были открыты новые цинковые месторождения. Среди индикаторов меди выделяются растения из семейства гвоздичных, разные виды мяты и мхи. В Швеции на основе изучения состава бриофлоры были обнаружены три месторождения меди. По некоторым видам астрагала и других бобовых – индикаторов селена – в США было обнаружено месторождение урановых руд на плато Колорадо. В биоиндикации важным признаком являются аномалии морфологии растений, а также их фенологических циклов. Присутствие в почве алюминия ведет к укорачиванию корней, увяданию и пятнистости листьев, а никеля – к появлению белых мертвых пятен на листьях.
Биогеохимический анализ растений особенно полезен, когда зоны оруденения расположены глубоко. Образцы растений (трав, кустарников, деревьев) обычно исследуются колориметрическим или спектрографическим методами для определения микродоз различных элементов и выявления отклонений от нормы их содержания. Выбор растений для химических анализов определяется глубиной и мощностью их корневой системы, возрастом, высотой и «коэффициентом аккумуляции», показывающим, насколько больше минерал абсорбируется растениями, растущими в пределах ареала рудного тела, по сравнению с теми, которые растут в иных почвенно-грунтовых условиях.
Трассирование потоков рассеяния. Потоками рассеяния называют отторженные обломки и компоненты полезного ископаемого, вынесенные эрозионными процессами из месторождения. Когда находят такие полезные компоненты, то прослеживают их путь вплоть до самого источника (рис. 1). Наиболее успешно этот метод применяется в аридных районах. Однако это чрезвычайно трудно выполнить в тропиках, где пышная растительность и мощный почвенный покров надежно маскируют исходную залежь. Иногда там, где эрозия полностью разрушила зону оруденения, единственное, что остается от месторождения, это поток рассеяния полезных компонентов.При изысканиях на золото пробы последовательно отбираются вдоль водотока вверх по течению. Таким образом ведется поиск других тяжелых минералов (в России этот метод называется шлиховым опробованием). Когда частицы золота обнаруживают в русле водотока, на прилежащих склонах намечается система перпендикулярных линий, располагающихся на одинаковом расстоянии друг от друга. Образцы, отбираемые в узлах этой равномерной сетки, промываются, а количество частиц золота подсчитывается для того, чтобы найти коренной источник их происхождения. Коренное месторождение с поверхности вскрывают траншеями или канавами, а на глубину – штольнями, шурфами и шахтами. Затем подсчитывают запасы и определяют ценность месторождения.
Опробование. В рыхлых отложениях, перекрывающих рудную жилу, опробование ведут шурфами или канавами. Когда в этих поверхностных породах обнаруживаются признаки оруденения, из свежих стенок канав и шурфов отбираются более представительные пробы.При колонковом опробовании в грунт через определенные интервалы, часто вручную, забиваются буры – секции труб диаметром 2,5 или 5 см с острой режущей кромкой. Затем исследуются отобранные буром пробы. Этот метод применим лишь при изучении рыхлых отложений, не содержащих камней или валунов. В России известен метод
«отодвигания» встретившихся валунов или остроугольных обломков. Для получения более полной и надежной информации о мощности и особенностях залежей, выходящих на поверхность, проводят комплексное опробование с помощью шурфов, канав и ручных колонковых буров. Бурение. Там, где исследуемые участки перекрыты мощной осадочной толщей или твердыми породами, необходимо бурение скважин (рис. 2) при помощи разных буровых установок – шнековых, ударно-канатных, вращательных, а также станков «Эмпайр».Шнековые установки применяются для бурения мягких грунтов. Вращение шнека осуществляется вручную, либо с использованием лошадиной тяги, либо механическими средствами. Шнековое бурение ведется в основном до глубины ок. 200 м.
Станки «Эмпайр» широко используются для бурения рыхлых отложений до глубины 9–12 м при разведке бокситовых и других месторождений латеритного генезиса. Основной частью установки является тяжелая обсадная труба с режущим башмаком на нижнем торце и круглой стальной платформой на верхнем торце. Чтобы платформа вместе с обсадной трубой могла вращаться, к ней крепится поворотный рычаг. В случае мягкого грунта труба под действием веса человека, стоящего на платформе, вдавливается в почву. В глинах и других более плотных породах дополнительную вдавливающую силу обеспечивают приводные плунжеры, которые можно поднимать и сбрасывать. Рыхлый материал, скапливающийся внутри обсадной трубы, разжижается водой.
Установки ударно-канатного бурения состоят из тяжелого долота, ударной штанги, ударников и замка, к которому крепится канат. Для забивания бурового снаряда используется вышка с силовой установкой, поднимающей и сбрасывающей рабочий орган. Раздробленная масса извлекается из скважины желонкой или змеевиком. При ударно-канатном бурении скважины редко бывают прямыми, а опробование – точным. Поскольку породы, в которые забивается буровой снаряд, дробятся, часто бывает трудно получить ясное представление об их генезисе. Несмотря на то, что в настоящее время ударно-канатное бурение применяется редко, оно сыграло важную роль в практике разведки и подготовки к эксплуатации многих месторождений полезных ископаемых.
Установки вращательного бурения обеспечивают низкую себестоимость бескернового бурения в непродуктивных отложениях. Отбор керна проводят лишь в продуктивной зоне. Некоторые конструкции таких установок предназначены для наклонного бурения под любыми углами. Самая глубокая в мире скважина (12 066 м, Кольский п-ов) была пробурена с применением вращательного бурения.
Размеры буровых установок различны – от небольших станков, монтаж и управление которыми в подземных выработках могут осуществлять два человека, до огромных, смонтированных на стальных вышках и обслуживаемых бригадой квалифицированных буровиков. Имеются установки, смонтированные на автомобильных шасси или полозьях. Вращательное бурение нефтяных и газовых скважин (роторное) осуществляется также со специальных судов и стационарных морских платформ. До недавнего времени использовались стальные буровые штанги, поэтому предельная глубина бурения определялась мощностью станка, удерживающего буровую колонну. Появление алюминиевых буровых штанг, хотя и более дорогих, чем стальные, позволило бурить более глубокие скважины.
Когда установки вращательного бурения используются для отбора керна, на конец колонковой трубы навинчивается буровая коронка, армированная алмазами или твердыми сплавами, например карбидом вольфрама (победитом). В этой системе полые буровые штанги удерживаются буродержателем, закрепленным на торце полой колонковой трубы, оснащенной резьбой. Буровой раствор под давлением подается вниз по полым штангам для охлаждения коронки и удаления раздробленной массы и шлама. По мере продвижения коронки в керноприемнике колонковой трубы формируется цилиндр из ненарушенной горной породы (керн). Когда коронка углубится на расстояние, равное длине колонковой трубы (от 1,5 до 3,6 м), колонна штанг, колонковая труба и коронка извлекаются из скважины, а керн – из колонковой трубы. Затем он отправляется на разного рода анализы.
При бурении бескерновыми вращательными установками (роторное бурение) исследуется раздробленная масса и шлам, вынесенные сжатым воздухом или буровым раствором через полые буровые штанги. Как правило, роторное бурение быстрее и дешевле колонкового. Общая глубина скважин, пробуриваемых за смену, может меняться в широком диапазоне в зависимости от геологических условий и размеров скважин – от нескольких сотен метров до 1,5–3 м в скальных породах.
Буровые установки с алмазными буровыми наконечниками используются для проходки скважин глубиной до 3 км. Некоторые из этих установок снабжены специальными колонковыми трубами, позволяющими извлекать керн через штанги с помощью троса. Установки такого типа позволяют достигать более высоких скоростей бурения за счет меньших временн
х затрат на извлечение керна без подъема на поверхность всей буровой колонны.
Для проходки бурением относительно неглубоких шахтных стволов применяются специальные установки вращательного бурения с использованием твердосплавных коронок или коронок дробового бурения диаметром 1 м и более. Установки такого типа используются также в некоторых системах разработки для буровой проходки очистных горных выработок (например, при подземной разработке калийных солей).
В зависимости от степени изученности суммарное количество полезного ископаемого делится на категории в соответствии с классификацией, принятой в данной стране. Известно несколько классификаций, из которых наиболее употребительными являются американские, российская, а также международная классификация ООН. Американские классификации, разработанные Горным бюро и Геологической службой США, приняты также в Канаде, Германии и некоторых других странах.
Следует заметить, что термин «ресурсы» (
resources) может иметь двоякое значение: суммарное количество полезного ископаемого всех категорий и количество полезного ископаемого наименее изученных категорий (тогда наиболее детально изученные категории называются запасами).Одна из американских классификаций включает измеренные
(measured) и исчисленные (indicated) запасы. Их сумма называется доказанными (demonstrated) запасами, и они подсчитываются с точностью не менее 20%. На основе этой категории запасов проводится проектирование добывающих, обогатительных и других предприятий и рассчитывается степень риска разработки месторождения. Полезное ископаемое, залегающее часто на не доступных для непосредственного обследования глубинах, количество и качество которого определены косвенным путем, т.е. на основе геологических предпосылок и теоретических построений, выделяется в категорию предполагаемых (inferred) ресурсов.В России и странах СНГ принята другая классификация ресурсов. По степени изученности они подразделяются на разведанные (категории А, В и С
1) и предварительно оцененные (категория С2) запасы. Выделяют также прогнозные ресурсы (категории Р1, Р2 и Р3). По хозяйственному значению запасы делятся на балансовые и забалансовые.Количество полезного ископаемого должно быть определено весьма тщательно, с учетом потерь, связанных с применяемыми системами разработки, засорением руды в процессе добычи пустыми породами, технологией обогащения руды и металлургической переработкой, производственных затрат и капитальных вложений. На основе этих расчетов прогнозируют объем товарного сырья.
Если месторождение уже отрабатывалось раньше, то исследуют пробы, отобранные из старых горных выработок, анализируют имеющуюся производственную документацию, карты и т.д. Иногда дополнительно проводят бурение для поиска новых рудных тел. На ранних стадиях изучения старых рудников устанавливают причину прекращения их эксплуатации, так как вполне возможно, что применение новых технологий разработки месторождений и переработки руды может превратить их в прибыльные предприятия.
После того, как данные о запасах руды, затратах на добычу, источниках финансирования и прочие условия изучены, проводятся математические расчеты и определяется стоимостное выражение ценности месторождения и ожидаемая прибыль. Существует множество методик оценки стоимости горных работ.
Для удаления рыхлых вскрышных масс применяются механизмы, используемые в капитальном строительстве, – скреперы, конвейерные погрузчики, механические лопаты, драглайны, многоковшовые роторные экскаваторы и др. Для перемещения пустых пород применяются в основном большегрузные самосвалы, скреперы и ленточные и другие конвейеры, реже – вода, подаваемая под высоким давлением. Если вскрышные породы слишком крепки, то их обрабатывают с помощью тракторов, оснащенных рыхлителями, либо разрушают буровзрывным способом.
Когда залежь или пласт подготовлены к извлечению, выбирается оптимальная система их разработки. Некоторые массивные руды типа знаменитых месторождений меди в каньоне Бингем в штате Юта разрабатываются уступами, которые поступательно подвигаются (рис. 4). Пластовые месторождения (угля, калийных солей и фосфатов) эксплуатируются открытым способом с применением рыхления. На тех карьерах, где для дробления породы требуется проведение буровзрывных работ, при бурении часто используются шнековые или электрические установки или дизельные станки вращательного бурения. Иногда для открытых разработок применяются пневматические устройства типа отбойного молотка или перфоратора, установленные на платформах или на гусеничном шасси. В самых прочных породах наиболее эффективно термическое бурение, при котором для разрушения используется сжигание под давлением нефти или керосина в смеси с кислородом. Термическое бурение достигает температур 3000
° С. Взрывные работы при открытой добыче осуществляются с применением порошкообразных взрывчатых веществ (ВВ) или аммиачной селитры. Электрические взрыватели используются чаще, чем обычные детонаторы. Важнейшим фактором при открытых разработках является устойчивость откосов бортов карьера. Если рельеф и свойства горных пород не позволяют осуществить оптимальную выемку с нормальным расположением системы уступов, соответствующим форме рудного тела, то для повышения устойчивости бортов карьера и обеспечения большей крутизны откосов используют тросовые анкеры.Для погрузки отбитого полезного ископаемого в автомобили или железнодорожные вагоны применяют драглайны или механические лопаты, ковшовые погрузчики с опрокидывающимся назад ковшом. Иногда используются многоковшовые роторные экскаваторы, которые непрерывно перегружают добытый материал на конвейер для перемещения его к пункту погрузки. Производительность крупных роторных экскаваторов достигает 9900 м
3/ч. Подземная разработка рудных месторождений. Способы подземной разработки более многочисленны и сложны, что связано с разнообразием форм рудных тел. Одним из наиболее распространенных является обрушение, применяющееся при разработке массивных рудных тел, в которых при проходке горных выработок и подсечке блоков руды образуются трещины и происходит дробление породы на отдельности. Отбитая руда перепускается в систему откаточных выработок, располагающихся под обрушаемым блоком, и оттуда доставляется на поверхность.Наиболее разнообразны способы эксплуатации пластообразных рудных тел или жил. Для отработки мощных жил применяют специальные варианты системы с обрушением. Там, где мощные жилы сложены малопрочным материалом, используется разработка длинными очистными забоями, которая начинается с верхней части рудного блока. По мере продвижения над кровлей нижележащего горизонта устанавливается крепь. Отбитая руда сбрасывается на нижний горизонт для последующего подъема на поверхность.
Тонкие жилы отрабатываются системой с магазинированием руды. При этом рудный блок подрывается снизу, часто из вспомогательного штрека, пройденного по жиле выше откаточного штрека; между вспомогательным и откаточным штреками через постоянные интервалы пробивают выработки и оставляют от 5 до 10 рудных целиков. Желоба с затворами располагаются в них таким образом, чтобы отбитая руда могла перепускаться на откаточный горизонт. Затем из вспомогательных или подэтажных штреков вертикально отбивается новая партия руды. После того, как будет выпущено достаточное количество отбитой руды для образования соответствующего рабочего пространства, горняки, располагающиеся на поверхности массива руды, отбитой предыдущей заходкой, разбуривают следующую секцию вертикальной жилы.
Там, где свойства руды не позволяют применять системы с магазинированием, используются системы с закладкой выработанного пространства пустыми породами сразу после отбойки и выемки руды.
Иногда используется система с открытым забоем. Открытое очистное пространство представляет собой подземную полость или камеру, созданную в результате выемки руды. Для устойчивости этой выработки в ней оставляют блоки из неотбитой руды (целики); реже возводится крепь.
При добыче угля чаще всего применяется камерно-столбовая система разработки.
См. также УГОЛЬ ИСКОПАЕМЫЙ. Бурение. При буровзрывной отбойке прежде всего бурят шпуры для размещения в них ВВ. В течение долгого времени стандартным был ручной способ бурения шпуров; он до сих пор применяется при разведочных работах, в малых рудниках и даже на отдельных изолированных участках крупных рудников, где затраты на обеспечение сжатым воздухом и на механическое оборудование неоправданны. При ручном бурении шпуров обычно используется шестигранный бур диаметром 22 мм, заостренный на конце в виде долота. Бурение шпура, производимое одним человеком, осуществляется с помощью молотка массой 1,8 или 2,2 кг. Для проходки шпуров глубиной 90–150 см используются несколько буров разной длины.Существуют разные типы механических буровых станков. Большинство операций по бурению в угольных шахтах производится пневматическими или электрическими вращательными установками шнекового типа. В крепких породах обычно используются ударные пневматические поршневые перфораторы, в которых поршень, совершающий возвратно-поступательные движения, наносит сильные удары по хвостовику рабочего органа (бура), эластично закрепленного в патроне на переднем конце перфоратора. В то же время механизм перфоратора предусматривает вращение бура. Перфораторы типа отбойного молотка меньших размеров бывают ручными либо на цилиндрической пневмоподдержке. По мере того, как в процессе бурения рабочий орган перфоратора углубляется, пневмоподдержка поднимается, удерживая положение перфоратора и его рабочего органа на одной линии с пробуриваемым шпуром. Пневматические бурильные молотки большей мощности, называемые колонковыми перфораторами, часто устанавливаются на рамах или колонках, которые, в свою очередь, зажимаются в суппорт на коротком горизонтальном стержне, прикрепленном к вертикальной распорной стойке, закрепленной домкратами между кровлей и почвой горной выработки.
Гидроприводные бурильные устройства вращательного типа позволяют достигать более высоких скоростей бурения и снижения уровня вредных шумов. При проходке больших подземных выработок используются буровые каретки – передвижные устройства, состоящие из нескольких колонковых перфораторов, что ускоряет буровой цикл. Для вертикального обуривания кровли и проходки наклонных скважин применяются пневматические устройства, называемые телескопными перфораторами. В таких системах рабочий орган, сам перфоратор и пневмоцилиндр располагаются на одной линии. Пневматический цилиндр, удерживающий рабочий орган на забое, удлиняется по мере углубления. Буровые станки, монтируемые на передвижных платформах, из-за больших вертикальных габаритов чаще используются на открытых горных выработках. Пневматические перфораторы, применяемые при добыче полезных ископаемых, работают на сжатом (до 860 кПа) воздухе. Для удаления буровой мелочи и подавления пыли используется вода, которая нагнетается к забою через осевой канал поршня-ударника и промывает скважину в пространстве между буром и горными породами.
Буры и коронки. Применяемые буры диаметром от 22 до 150 мм имеют круглое, шестигранное или восьмигранное сечение. Для подачи воздуха или воды, удаляющих шлам, служит продольный осевой канал. На протяжении многих лет коронки припаивались или приваривались к концу бура, и операция замены затупившегося инструмента была очень трудоемкой. Используемые в настоящее время съемные буровые коронки позволяют избежать этой дорогостоящей операции и обеспечить необходимую степень твердости резцов. Существует много видов съемных коронок, в том числе одноразовые и многоразовые. Последние затачивают на специальных станках. Армирование съемных коронок карбидами вольфрама (победит, вокар и др.) обеспечивает их исключительную долговечность по сравнению со сплошными. В процессе бурения вначале используются короткие буры с коронками диаметром 70–76 мм. Через каждые 60–90 см бур заменяется, причем, как правило, требуется коронка немного меньших размеров, поскольку по мере стачивания коронок диаметр шпура уменьшается. Съемные коронки могут быть крестообразными, шестиреберными или однодолотчатыми. Режущие грани коронок обычно располагаются под углом 90°. Как правило, шпуры имеют длину 2–3 м, но при определенных системах разработки производится бурение шпуров глубиной 9–12 м (в этом случае целесообразнее использовать алмазные коронки). Взрывные работы в подземных выработках. Их эффективность определяется последовательностью взрывания системы шпуров, а также типом, мощностью и качеством ВВ. Обычно используются смеси аммиачной селитры с жидким горючим; для работ в особых условиях, например в обводненных скважинах, в эти смеси добавляют алюминиевый порошок и другие вещества. Подготовительные выработки. Для проходки подготовительных выработок – стволов, восстающих, штреков и квершлагов – обычно применяют один забой. Реже применяют встречные забои. Используются разные схемы расположения шпуров, но чаще всего – прямые и встречные врубы. Прямые врубы образуются бурением 3–5 параллельных шпуров вблизи центра забоя выработки. Другие параллельные им шпуры пробуриваются в забое на большем расстоянии друг от друга. Для образования зоны разрушенных пород сначала взрывают заряды ВВ во взаимно близко расположенных центральных шпурах, затем взрывают заряды ВВ в оставшихся шпурах. Встречные врубы достигают той же цели с помощью системы шпуров, пробуренных в забое таким образом, что они пересекаются в вершине клина либо трех- или четырехгранной пирамиды. Системы взрывных шпуров называются комплектами. Комплект шпуров обычно бурится на глубину, равную или в 1,5 раза превышающую наименьший размер подвигаемой выработки. Комплекты шпуров, использующие встречные врубы в штреках, имеют названия, соответствующие их расположению и назначению (врубовые, вспомогательные, отбойные, наклонные или восстающие). Очистные работы. Выемку руды из места ее первоначального залегания, или очистные работы, желательно проводить в нескольких забоях. В таких условиях для дробления полезного ископаемого требуется меньше шпуров и взрывчатых веществ. Подготовка к взрыванию. Для возбуждения взрыва используют инициирующие ВВ в капсюлях-детонаторах с детонирующими шнурами либо применяют электродетонаторы. Обычно при помощи деревянного шомпола шпуры и скважины заряжают ВВ. Затем вставляют боевой заряд с капсюлем-детонатором, после чего снова забивают и трамбуют ВВ. Аммиачно-селитренные ВВ с жидким горючим заливают или закачивают в скважины. Устье скважины закупоривают песчано-глинистой смесью или другим мягким материалом.Капсюли-детонаторы представляют собой небольшие, обычно медные, трубки диаметром ок. 6 мм и длиной 50–75 мм. Они закрыты с одной стороны и частично заполнены инициирующим ВВ, которое может детонировать от искры, поступающей от детонирующего шнура или от электрозажигания. Детонирующий шнур изготавливается из непромокаемой текстильной оплетки, внутри которой имеется пороховая дорожка. Скорость сгорания пороха строго контролируется. Чаще всего применяются шнуры, сгорающие со скоростью 1 см/с. В этом случае порядок подрыва управляется путем разделения шнура на отрезки различной длины. Капсюли-детонаторы плотно скрепляются со шнуром, который поджигается с помощью специальных зажигательных трубок, электровоспламенителей или спичек. Промышленные электродетонаторы характеризуются скоростями детонации, отличающимися всего на доли секунды. Как показала практика, замедление детонации на миллисекунды в разных шпурах приводит к оптимальному дроблению пород и ослаблению ударных волн. Электродетонаторы воспламеняются от тока, подаваемого от взрывной машинки, представляющей собой генератор постоянного тока.
Крепление подземных выработок. В подготовительных выработках, таких как штреки и квершлаги, тип и количество крепи определяются состоянием массива горных пород. Для поддержания кровли часто используют лесоматериалы или стальную крепь. Иногда для предотвращения вывалов пород горные выработки бетонируют по контуру. Устанавливаемые деревянные, стальные и бетонные крепи отличаются разнообразием конструкций, отвечающих практически любым специфическим условиям.Для проведения очистных операций в рудниках необходимы крепления, соответствующие системе разработки и локальному состоянию рудного тела и массива вмещающих пород. При камерно-столбовой разработке угля или калийных руд крепления почти не применяются, так как оставляемые целики (впоследствии тоже извлекаемые) обычно обеспечивают достаточную устойчивость кровли. Крепление квадратными окладами, использующееся в исключительно сложных горно-геологических условиях, требует большого объема крепежных лесоматериалов. Очистные операции осуществляются малыми заходками, при этом сооружается сплошная конструкция деревянных этажей из прямоугольных рам, по углам поддерживаемых стойками. Во многих рудниках, чтобы не обрушилось выработанное пространство, его заполняют пустой породой либо хвостами обогащения. В системах с открытым очистным забоем иногда оставляются отдельные рудные целики. Там, где это оправдано ценностью целиков, они могут извлекаться, а на их место устанавливается крепь из пустых пород. В некоторых рудниках используют бетонную крепь, армированную внешним металлическим бандажом. В ряде случаев крепь распирается путем наполнения резиновых подушек между крепью и кровлей очистной выработки цементным раствором под давлением.
Применяется также анкерная крепь, пригодная для разных условий, не требующая большого расхода крепежных материалов и не особенно трудоемкая. При анкерном креплении в скважинах глубиной 150–180 см устанавливают специальные стержни диаметром 25–45 мм. Конец стержня в скважине снабжен закрепляющим клином или распорной муфтой. На выступающую часть стержня надевается тяжелая шайба или опорная плита, на крепежное устройство навинчивается натяжная гайка. Анкерная крепь чаще всего устанавливается рядами с интервалами 150–300 см. Иногда вместо шайб или опорных плит используются стальные втулки, через которые вставляются различные анкеры. В угольных шахтах аналогичным образом применяются анкеры, поддерживающие кровлю пластов. Обычно анкеры имеют диаметр 15–18 мм и устанавливаются по квадратной или прямоугольной сетке горных выработок с шагом 1–2 м. Во многих шахтах вместо анкеров с механическими замками применяются системы с закреплением анкеров полимерами, позволяющие эффективно скреплять породы кровли, образуя устойчивую структуру типа балки.
Погрузка и транспортировка. В течение многих лет для погрузки руды и доставки ее на поверхность применялись весьма несовершенные методы. Первоначально использовались лопаты, и уголь вручную загружался в корзины, которые рабочими выносились на поверхность. Позже стали применять вагонетки емкостью до 1 т, которые загружали вручную и толкали к выходу или околоствольному бункеру, откуда порода поднималась на поверхность. Там, где очистные работы велись выше уровня колеи, вагонетки загружались из рудоспусков самотеком под действием силы тяжести и откатывались к следующему пункту перегрузки. Во многих крупных открытых рудниках существует разветвленная сеть рельсовых путей, по которым на грузовых составах, ведомых электровозами или локомотивами на аккумуляторах, перевозятся сотни тонн руды.В настоящее время для погрузки породы и руды используются механические погрузочные машины и автоматические погрузчики. Механические погрузочные машины подбирают материал и грузят в вагонетку. Автоматические погрузчики на колесном или гусеничном ходу внедряют кромку погрузочного органа достаточно далеко в отбитый материал, загребные лапы непрерывно подают его на цепной или ленточный конвейер, который выгружает руду со скоростью от 4 до 10 т/мин.
В выработках, не оборудованных рельсовыми путями, автоматические погрузочные машины загружают материал в автомобили с конвейерами в донной части. Эти доставочные машины перевозят материал от пункта погрузки к распределительной станции системы ленточных конвейеров, транспортирующих его непосредственно на поверхность или к стволу для последующего подъема. Крутонаклонные ленточные конвейеры могут перемещать породу под углом 30–40
°. Некоторые безрельсовые погрузчики оснащены опрокидывающимися ковшами, смонтированными на колесных шасси. В некоторых очистных операциях, а также в тех выработках, где руда отбивается с обрушением кровли, материал перемещается к следующему пункту перегрузки с помощью пневмо- или электроприводных скреперов либо лотковыми конвейерами. В большинстве систем с обрушением кровли скреперы разгружаются на грохоты, просеивающие материал через расположенные в определенном порядке тяжелые рельсы или штанги, не пропускающие куски, превышающие расстояние между этими штангами. Эти негабаритные куски разбиваются ручными кувалдами или пневматическими отбойными молотками.Погрузка и транспортировка отбитого материала составляют один из наиболее дорогостоящих процессов добычи, особенно по мере увеличения глубины горных работ и их удаления от выработок, имеющих выход на поверхность.
е потери.
В камерно-столбовой системе разработки широкое применение нашли баровые добычные комбайны. Они, как правило, устанавливаются на гусеничном шасси и оснащены рядом резцов, укрепленных на нескольких параллельных цепях, формирующих режущую головку шириной не менее 60 см. Эти цепи вращаются вокруг ведущих звездочек на режущей головке, внедряющейся в глубь забоя. Продвижение исполнительного органа вперед достигается с помощью гидравлической системы или путем перемещения всей машины. Добытый материал направляется назад по резцам и цепям на конвейер, подающий его в вагонетки, откатываемые к главной конвейерной системе.
Корончатые комбайны для поточной добычи оснащены режущими головками с резцами, прикрепленными к вращающимся рукояткам. Эти резцы устанавливаются таким образом, что они перекрываются, поэтому при вращении резцовой головки разрушается вся площадь забоя.
В угольных шахтах США широко применяются дисковые добычные комбайны, действие которых аналогично баровым комбайнам, но они оснащены режущими дисками. Их исполнительный орган движется в вертикальной плоскости, срезая уголь по всей высоте пласта и формируя камеры шириной 4,5–6 м. Часто после того, как уголь отбит по всему простиранию пласта, извлекаются целики, оставленные для поддержания кровли (на этапе отработки обратным ходом кровля поддерживается деревянной крепью до завершения отработки пласта, после чего обрушается). Хотя эти машины имеют производительность до 15 т/мин, их возможности реализуются редко, так как комбайн либо ожидает доставочную машину для погрузки угля, либо после отработки примерно 6 м его приходится перемещать на другое место, чтобы провести крепление выработки. Комбайны для поточной работы затрачивают на добычу угля примерно 30% времени. Способы повышения эффективности связаны с развитием систем непрерывной откатки и включения в комбайны устройств для анкерного крепления кровли. Анкеры имеют диаметр 15–18 мм и устанавливаются по регулярной сетке с шагом 1–2 м.
Разработка длинными очистными забоями. При разработке длинными очистными забоями (лавами) подготовка крупных угольных блоков осуществляется с использованием стандартных камерно-столбовых систем. Ширина такого блока, как правило, 180 м, а длина – 900–1800 м. Для управления кровлей и почвой, а также для защиты людей и оборудования после подготовки блока вдоль его меньшего измерения устанавливается гидравлическая крепь. Добычная машина обычно представляет собой два вращающихся режущих барабана, укрепленных на гидравлических консолях на каждом из концов корпуса машины таким образом, что один из барабанов срезает верхнюю часть пласта, а другой – нижнюю. Выбирая диаметр барабанов и выдвигая гидравлические консоли, можно отрабатывать пласты с меняющейся мощностью. Добычная машина связана со скребковым конвейером, бегущим по всей ширине блока. Этот конвейер присоединяется к крепи посредством гидравлических цилиндров, которые после каждой заходки вдоль блока или забоя проталкивают всю систему к забою. Врубовые барабаны срезают полосу шириной ок. 1 м на забое, после чего с помощью гидравлических плунжеров, установленных на крепи, конвейер проталкивается вперед. Затем крепь забоя опускается и передвигается вперед для следующего прохода комбайна. Кровля выработки за крепью обрушается. Таким способом из недр извлекается до 90% угля. В среднем за смену каждой такой системой добывается ок. 3000 т, а рекордная производительность за сутки составила 20 тыс. т с одного забоя. Проходка стволов. При проходке стволов бурятся комплекты шпуров, в которые помещают заряды ВВ, после чего породы разрушаются взрывом. В особых случаях, когда стволы проходятся через водоносные горизонты, их герметизируют, закачивая в скважины вокруг ствола под давлением цементный раствор, либо воды замораживают циркулирующим охлаждающим агентом. Отбитая горная масса поднимается на поверхность. В большинстве механизированных стволопроходческих установок для погрузки руды используют грейферы; грузы поднимаются на поверхность в бадьях или скипах (контейнерах, открытых сверху для загрузки и для опорожнения опрокидыванием; в некоторых из них имеются донные заслонки для разгрузки).Для подъема руды или угля на поверхность через стволы применяются подъемные машины с барабаном для навивки троса и каната. Иногда нагруженные вагонетки помещают непосредственно в клеть. Чаще для последующей доставки на поверхность отбитый материал, откатываемый или транспортируемый по конвейеру к околоствольному двору, разгружается в специальные бункеры, сформированные буровзрывным способом в горных породах, примыкающих к стволу. Затем материал перепускается в скипы для подъема на поверхность по ручным или автоматическим скатам.
Дренаж и водоотлив. Поверхностные и подземные воды сильно осложняют ведение горных работ. Степень обводнения выработок поверхностными и подземными водами зависит от рельефа поверхности, климата и горногеологических условий.Положение горизонта подземных вод изменчиво, особенно в горных районах, а в пустынных районах он может вообще отсутствовать. Встречающиеся выше этого горизонта поверхностные воды подвержены сезонным изменениям. Режим обводнения ниже горизонта подземных вод более постоянный, однако и он меняется по мере продвижения горных выработок от проницаемых к водоупорным породам.
Дренажные горные выработки. Ниже горизонта горных работ часто проходятся дренажные горные выработки. В идеале такие выработки могут служить также в качестве подготовительных и откаточных. Чтобы дренажные выработки были рентабельными, необходимо благоприятное сочетание горногеологических условий и рельефа местности. Водоотлив. Когда проходка дренажных выработок оказывается неэффективной, используют водоотлив. Первоначально подземные воды накапливаются в водосборниках, где осаждаются шлам и песок, представляющие опасность для некоторых видов насосов. Большинство рудничных насосов представляет собой многоступенчатые электроприводные центробежные устройства, способные работать под водой. Они обладают высокой производительностью (до 30 м3/мин). В подготовительных выработках и слепых стволах (гезенках) используются центробежные насосы меньших размеров. В особых случаях иногда применяются эрлифты и поршневые насосы.В районах с месторождениями битуминозных углей шахтные воды создают серьезные проблемы, прежде всего из-за ущерба, который они причиняют, попадая в поверхностную дренажную систему. Содержащийся в угле пирит окисляется и частично растворяется в водах, скапливающихся в прекративших работу угольных шахтах, слегка подкисляя воду. Когда такая вода попадает в ручьи и реки, она пагубно влияет на все живое. Поэтому в США, например, принято законодательство, обеспечивающее контроль за кислотностью сбрасываемых в реки вод. Кислотные шахтные воды разрушают насосы и трубы, для утилизации агрессивных вод требуются дорогостоящие кислотоупорные материалы.
Вентиляция используется для очистки воздуха, загрязненного образующимися при буровзрывных работах мелкими частицами пыли, газами (углекислым и метаном) и для охлаждения горных выработок. Вентиляция позволяет также снижать влажность воздуха. В некоторых глубоких шахтах с естественно высокой температурой горных пород применяется кондиционирование воздуха. Первые механические кондиционеры были установлены в золотых рудниках ЮАР. При проведении горных выработок необходимы по меньшей мере две параллельные выработки, которые обеспечивают аварийный выход, если одна из них будет повреждена, и позволяют проветривать участок горных работ. Во многих шахтах и рудниках существует естественная вентиляция. Однако для обеспечения наиболее крупных рудников воздухом требуется система принудительной вентиляции.Поскольку метан в угольных пластах находится под давлением, требуются разветвленные и тщательно контролируемые системы вентиляции, обычно вытяжного типа. Загазованный воздух удаляется из шахты мощными вентиляторами, установленными на поверхности в устьях выработок. Чистый воздух поступает через рабочий ствол или устье штольни. Для управления потоком воздуха в подземных выработках используются вентиляционные двери и другие виды барьеров. Рабочие забои проветриваются чистым воздухом, поступающим через вентиляционные трубы или направляемым с одной из сторон вентиляционной перегородки. Перегородка представляет собой барьер, изготавливаемый из влагостойкого материала для продления срока ее службы в условиях высокой влажности, типичной для многих шахт. Продольная перегородка прикрепляется к рядам стоек и натягивается от кровли до почвы горной выработки таким образом, чтобы поток воздуха направлялся вдоль одной из ее сторон. Перегородки часто используются в камерах при камерно-столбовой разработке угля. Они устанавливаются параллельно стенкам камеры, достигая точки, достаточно близкой к забою, обеспечивая шахтеров чистым воздухом, поступающим с одной из сторон перегородки.
Для проветривания горных выработок обычно применяются осевые вентиляторы. На многих старых разработках используются высокопроизводительные центробежные вентиляторы. Большинство вентиляторов, расположенных на поверхности, приводится в действие электродвигателями или сжатым воздухом. Часто, особенно в забоях выработок и туннелей, применяются струйные системы. Объемы воздуха, используемого для проветривания выработок, весьма значительны и рассчитываются на основе норм на одного человека с поправками на удаление пыли, газа и снижение температуры. Минимальная норма подачи воздуха обычно составляет 8,5–14 м
3/мин на одного человека; на практике во многих шахтах объем циркулирующего воздуха достигает 42 м3/мин. Развитие вентиляционных систем связано с преодолением аэродинамического сопротивления горных выработок без увеличения скорости воздушного потока. Освещение. Там, где имеются источники электроэнергии, светильники располагаются вдоль откаточных выработок, штреков и квершлагов, а также в околоствольных дворах и других постоянно работающих объектах. Во многих выработках используются флюоресцентные лампы. Горняки обычно экипируются индивидуальными электрическими головными лампами, работающими от аккумуляторных батарей (массой 1,6–1,8 кг).Яркое постоянное электрическое освещение в подземных условиях стало мощным фактором повышения безопасности и эффективности горных работ, а в загазованных выработках позволило устранить опасность пожаров и взрывов, которые возникали от открытого пламени применявшихся первоначально карбидных ламп.
Наибольшее число жизней уносят обрушения кровли или вывалы горных пород. Даже из кровли выработок, по результатам регулярных обследований кажущейся устойчивой, часто происходят вывалы горных пород. Для уменьшения тяжести последствий, связанных с этим типом несчастных случаев, используются защитные каски из пластика или алюминия. Применение специальной обуви со стальными набойками и фиксацией стопы позволяет избежать травм ног. Для уменьшения ущерба, причиняемого обрушениями кровли, разработаны усовершенствованные системы анкерной крепи с механическим закреплением и сплошной заделкой болтов, датчики давления для измерения нагрузки на целики и искусственную крепь, а также кабины и козырьки для защиты операторов, управляющих оборудованием. Развиваются системы предупреждения об обрушениях кровли, внедряется дистанционное управление горными машинами и механизмами.
Второе место по частоте жертв и числу травм удерживают несчастные случаи при транспортировке полезного ископаемого.
Транспортное оборудование в горных выработках в высокой степени механизировано; аварии из-за механических поломок случаются редко. Доминирующим в несчастных случаях при откатке оказывается человеческий фактор. К числу мер, предпринимаемых для предотвращения несчастных случаев, относится организация сигнальных систем и камер-убежищ от транспортного потока. Для уменьшения опасности, связанной с использованием неисправного горного оборудования, проводятся его регулярные технические осмотры и профилактическое обслуживание, а также инструктаж обслуживающего персонала. Возрастающее потребление электроэнергии в горных выработках повышает вероятность пробоя силовых кабелей. Для уменьшения вероятности такой опасности используются кабели с пластиковым и другими видами покрытий.Общее число жертв взрывов и пожаров на шахтах не столь велико, однако всего один пожар или взрыв может унести множество жизней. Для предотвращения взрывов в шахтах, опасных по пыли и газу, постоянно совершенствуется система вентиляции, используются вспомогательные вентиляторы в комплексе с горными комбайнами для непрерывной добычи. Разбрызгиватели воды (оросители), установленные на врубовых машинах и комбайнах для поточной работы, не только осаждают содержащуюся в воздухе пыль, образованную в процессе отбойки угля, но служат также для создания водяной завесы, отклоняющей засоренный пылью воздух от оператора и направляющей его в отводящую вентиляционную выработку. Применение систем непрерывного автоматического контроля взрывоопасного метана подтвердило их надежность. Когда концентрация метана достигает критической величины, происходит автоматическое отключение всех механизмов, работающих на опасном участке. Определить присутствие метана и недостаток кислорода можно по пламени в переносной рудничной лампе. Если концентрация метана в воздухе опасна, то пламя лампы заметно выше и ярче, а в случае дефицита кислорода оно гаснет. Пределы взрывоопасной концентрации метана в воздухе составляют 5–15%. Современные шахтеры снабжены переносными детекторами метана, показывающими концентрацию этого газа, а также самоспасателями, обеспечивающими автономную подачу воздуха для дыхания в течение часа. В этом приборе имеется устройство замкнутой циркуляции, позволяющее шахтеру дышать даже в атмосфере, зараженной токсичными газами или дымом, или в условиях недостатка кислорода.
Минеральные ресурсы мира. М., 1997