Подземный способ отработки месторождений

Как реализуется подземная добыча подземных ископаемых?

Подземная разработка рудных и нерудных месторождений (подземная разработка месторождений полезных ископаемых) — это совокупность работ по вскрытию, подготовке и очистной выемке месторождения. Вскрытие и подготовка осуществляются посредством проведения выработок. Забои проводимых выработок называются подготовительными. Выемку полезного ископаемого ведут в очистных забоях, применяя при этом различные способы его разрушения. Очистные забои необходимы для выемки полезного ископаемого. При подземной разработке рудных месторождений наиболее распространен взрывной, а при добыче ископаемых углей — механический способ разрушения тела руды или угленосного горизонта.

Комплекс подъемных машин и оборудования называют шахтным подъемом. В него входят скребковые контейнеры, ленточные конвейеры, вагонетки, гидротранспорт — для подъема добытого угля. Скреперная доставка, виброустановки и локомотивная откатка — для транспортировки добытой руды.

Добытая руда зачастую содержит 3-5% необходимого продукта, следовательно ее необходимо подвергнуть процессу обогащения — совокупности процессов первичной обработки минерального сырья, добытого из недр, в процессе которого происходит разделение полезных минералов от пустой породы.

Подземная разработка пластовых месторождений

Добыча твердых полезных ископаемых подземным способом осуществляется в три стадии: вскрытие, подготовка и очистные работы. Вскрытие — проведение горных работ, обеспечивающих доступ с поверхности земли к залежи полезного ископаемого (в соответствии с требованиями безопасности их должно быть не менее двух). К вскрывающим выработкам относятся стволы, штольни, квершлаги (горизонтальные горные выработки не имеющие выхода на поверхность), слепые стволы, гезенки (вертикальная горная выработка не имеющая выхода на поверхность) и шурфы (вертикальная выработка для проведения разведки)..

Подготовляющие выработки обеспечивают шахту необходимым инвентарем для проведение очистки, по ним осуществляется транспорт готовой продукции, пропускают необходимое количества воздуха для функционирования шахты.

Очистные работы — основная стадия подземной разработки полезных ископаемых. Эксплуатацией месторождения называют период ведения очистных работ.

Вскрывающие выработки

Вскрывающие выработки при подземный способ разработки месторождений делятся на следующие типы:

1) Основные (главные) — для выдачи полезного ископаемого на поверхность.

2) Вспомогательные — для других целей (например спуск-подъем людей и оборудования).

3) Капитальные — служат весь срок отработки запасов шахты.

4) Горизонтные — служат в течение времени отработки запасов между смежными транспортными горизонтами — пологое падение

5) Этажные — функционируют пока разрабатываются запасы одного этажа.

Подземная разработка пластовых месторождения начинается с выбора способа и схемы вскрытия, что зависит от множества факторов: размеров шахтного поля, угла падения пласта, количество пластов и расстояние между соседними, рельеф поверхности, глубина залегания, удароопасность угольных пластов и их склонность к самовозгоранию, и другие.

По полученным данным выбирают методику проведения работ по вскрытию: вскрытие штольнями, наклонными стволами с капитальным квершлагом, вскрытие вертикальными стволами с горизонтальными квершлагами или комбинированное вскрытие.

Подготовка пластов к добыче

После проведения работ по вскрытию месторождения, его необходимо подготовить к добыче полезного ископаемого в очистных забоях. Этот процесс состоит из двух этапов: способ подготовки, на котором проводят подготавливающие выработки на уровне транспортного горизонта и пластовая подготовка, при которой транспортные штреки проводят по угольному пласту. Пластовая подготовка изредка заменяется на полевую (если имеются неустойчивые боковые породы и на пластах с углями, склонными к самовозгоранию) при которой полевые штреки в породах лежащего бока.

Далее проводят подготавливающие выработки в плоскости пласта, для создания очистных забоев принятой длины в количестве, обеспечивающем принятую производственную мощность шахты (количество полезного ископаемого, добытого в единицу времени).

Очистные работы в угольных шахтах

Подземные разработки угольных месторождений кроме непосредственно выемки полезного ископаемого под очистными работами включат еще крепление забоя и управление кровлей. Очистная выемка — совокупность процессов отбойки, погрузки на забойный контейнер и доставка угля до ближайшей транспортной выработки.

Очистной забой — забой, в котором осуществляется массовая добыча полезного ископаемого. В зависимости от длины забоя различаются технологии выемки угля. В лавах (длинные забои) применяется фланговая и фронтальная схема выемки. При фланговой схеме выемка угля осуществляется выемочной машиной, перемещающейся вдоль забоя перпендикулярно к направлению его подвигания. При фронтальной выемке отделение угля от массива осуществляется выемочной машиной одновременно по всей длине очистного забоя без участия людей.

Выемочные машины — общее название, объединяющее в себе следующие горно-проходческие комплексы: комбайны, струги, агрегаты, гидромониторы, механогидравлические машины. Отдельно при добыче угля стоят буровзрывные работы.

Для доставки угля в лавах на пологих и наклонных пластах применяются скребковые конвейеры. Они получили широкое распространение, так как относительно просты по конструкции, пригодны к тяжелым условиям эксплуатации, приспособлены для работы с очистными комбайнами, стругами и механизированными крепями.

Крепь очистных выработок — искусственное сооружение, возводимое для предотвращения обрушения пород кровли сохранения необходимой площади поперечного сечения призабойного пространства и управления горным давлением.

Основы подземной разработки рудных месторождений

Залежи рудных месторождений большей частью имеют крутое или наклонное залегание. В целях удобства разработки их по падению делят на этажи с определенной высотой и длиной, иначе говоря — рудное тело. В зависимости от условий залегания рудных тел применяется вскрытие вертикальными, наклонными стволами или штольнями. Самый распространенный способ — вскрытие вертикальными стволами, от которых отходят квершлаги на каждом горизонте.

Если рудное месторождение находится в горной местности, то применяют вскрытие штольнями, от которых отходят слепые вертикальные стволы с подъемной установкой на штольневом горизонте.

Подготовка рудных тел к очистной выемке похожа на подземные разработки угольных месторождений, так же как и при подземной разработке угольных месторождений подготовка рудных тел к очистной выемке начинается с проведения сети подготовительных выработок:

• по типу подготовительных выработок — штрековая и ортовая
• по расположению выработок по отношению к рудному телу — рудную, полевую и комбинированную
• по схеме движения транспорта — тупиковую и кольцевую

При очистной выемке руды выполняются следующие основные производственные процессы:

1. Отбойка руды — процесс отделения руды от массива в блоке с одновременным дроблением ее на куски.
2. Вторичная дробление — для соответствия условиям технологического процесса, по которым отбитая руда должна иметь куски определенной крупности
3. Выпуск и доставка руды — перемещение рудной массы от мест отбойки до транспортных выработок блока
4. Управление горным давлением — естественное поддержание очистного пространства, обрушение вмещающих пород, искусственное поддержание очистного пространства

Системы разработки рудных месторождений

Системы разработки с естественным поддержанием очистного пространства — основано на использовании естественной устойчивости руды и вмещающих пород. Для них характерны более высокая производительность блоков, ниже трудоемкость и себестоимость добычи. Однако они отличаются значительными потерями руды в целиках: 25-35%.

Системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород — отличаются невысокими затратами на контролирование горного давления. Это высокопроизводительные системы, но имеющие повышенные потери отбитой руды и ее высокая потеря вследствие неполного выпуска руды из блока.

Системы разработки с искусственным поддержанием очистного пространства — для них характерны высокие затраты на возведение закладки или крепи, либо то и другое, более низкие потери и разубоживание.

Источник

Системы подземной отработки с массовым обрушением руды

Технология добычи руды с применением систем с массовым обрушением является высокопроизводительной и низкозатратной. Она позволяет отрабатывать месторождения с низким содержанием, разработка которых другими системами нерентабельна. Успешное применение систем с массовым обрушением зависит от геологического строения месторождения и от объема запасов, необходимых для окупаемости горных работ.

Директор Австралийского центра геомеханики при Университете Западной Австралии профессор Ив Потвин выделяет 3 основных проблемы, с которыми сталкиваются компании, рассматривающие возможность подземной отработки месторождений системами с массовым обрушением [1].

1. Необходимость как можно более детальной доразведки рудных тел в ходе подготовки очистного блока к отработке, что дает возможность установить более точные их контуры и добиться оптимальных параметров буровзрывных работ.

2. Снижение потерь и разубоживания руды путем ее контроля при выпуске.

3. Риск сейсмической активности, который может стать причиной внезапного сдвижения пород.

За рубежом наибольшее распространение эти системы разработки получили при добыче двух видов полезного ископаемого — меди и алмазов, то есть при разработке порфиритовых и кимберлитовых месторождений. В таблице приведены крупнейшие рудники мира (20 объектов), где применяются системы подземной отработки с массовым обрушением.

В России эти системы получили широкое распространение после внедрения на подземных горных работах самоходного оборудования. Кроме того, они стали успешно применяться при отработке золотосодержащих зон.

Так, например, система отработки подэтажными штреками с торцевым выпуском руды была внедрена сотрудниками института «Иргиредмет» на шахте Советская Северо-Енисейского рудника при отработке междукамерных целиков (МКЦ) [2]. Причем снижение потерь и разубоживания при выпуске отбитой руды из торца выработки удалось получить путем навешивания на борта междукамерного целика гибкого капронового экрана. Экран навешивался в первую стадию отработки рудных зон системами горизонтальных слоев с породной закладкой и при отработке МКЦ ограждал выпускаемую руду от налегающих пород закладки.

Рудники мира, разрабатывающие месторождения подземным способом системами с массовым обрушением

Северная Территория, Австралия

Новый Южный Уэльс, Австралия

Новый Южный Уэльс, Австралия

Shanxi Zhongtiaoshan Nonferrous Metals

Новый ЮжныйУэльс, Австралия

Британская Колумбия, Канада

Поскольку основным критерием системы подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды является наличие над отрабатываемом блоке налегающих пород в разрыхленном состоянии (породной подушки), эту систему можно эффективно применять при комбинированном способе отработки месторождений, когда в первую стадию запасы отрабатываются открытым способом (карьерами), и во вторую — подземным способом.

После отработки запасов карьером его дно вновь заполняется рыхлой породой на требуемую высоту (12–15 м в зависимости от высоты подэтажа системы), которая играет роль налегающей породной подушки. Отработка запасов первого подэтажа начинается непосредственно под этой породной подушкой, что позволяет исключить оставление между карьером и подземными работами предохранительного рудного целика мощностью 10–15 м, который необходим при любой другой системе разработки. Сотрудниками института «Иргиредмет» подобный способ отработки был предложен при выполнении технико-экономических обоснований Ведугинского золоторудного месторождения.

За рубежом тоже есть подобные примеры, например, медные рудники «Palabora» в ЮАР или «Argyle» в Австралии. После прекращения добычи руды карьерами здесь намерены продолжить отработку глубже дна карьера подземным способом. В будущем это может быть рудник «Grasberg» в Индонезии и «Chuquicamata» в Чили, некоторые алмазные месторождения в Ботсване.

Однако плавный переход от открытого способа отработки к подземному никоим образом не гарантирован. Требуется полное завершение всех горных работ в карьере, затем завершение работ по созданию породной подушки на дне карьера, чтобы затем начать подземные работы. Это создает перерыв в добыче руды, которая, как правило, поставляется на одну и ту же обогатительную фабрику.

Например, на руднике «Palabora» добыча руды в карьере завершилась в начале 2002 года. Для создания породной подушки было инвестировано около 460 млн $. Однако из-за отсутствия опыта при ее создании два года спустя еще не был достигнут уровень подземной годовой производительности в 30000 т/мес. Не было уделено должного внимания качественному дроблению пород. Крупные куски породы в подушке мешали качественному выпуску отбитой руды в торцы выработок. Требовалось время и дополнительные расходы на дробление их взрывом непосредственно в шахте или с помощью гидромолота на поверхности.

Тем временем компания «Freeport-McMoRan Copper & Gold Inc.» успешно занимается анализом вышеперечисленных проблем и собирается в будущем внедрить подобный комбинированный способ отработки на двух рудниках — «DMLZ» и «Grasberg». Первый начнет подземную отработку запасов системой подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды в следующем году. «Grasberg» стартует в 2017 году, когда закроется карьер. В дальнейших планах компании — отработка подобным способом запасов на месторождении «Kucing Liar».

В 2000 году «Freeport-McMoRan Copper & Gold Inc.» начала добычу руды открытым способом на месторождении «DOZ». После завершения работы карьера планируется начать подземные горные работы системой подэтажного обрушения с производительностью 49000 т/год, и затем довести ее до 80000 т/мес. Подземные работы планируют закончить в 2019 году.

И даже эта производительность покажется несерьезной, когда в эксплуатацию будет введена подземная отработка запасов этой системой на руднике «Grasberg». По данным компании, указанным в отчете за 2013 год, планируемая производительность составит 160000 т/год плюс еще 80000 т/год на руднике «DMLZ». Общие инвестиции в реализацию этих проектов вместе с финансированием инфраструктуры за период 2008–2021 годов составят около 7,8 млрд $.

В Чили компания «Codelco» изучает возможность вскрытия запасов для подземной добычи руды на истощающемся карьере «Chuquicamata». На сегодняшний день планируется проходка 7,5-километрового автотранспортного уклона, осуществляемая на четыре производственных уровня, а системой подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды намечено добывать по 140000 тонн руды в мес.

Наконец в США разработка недр, залегающих под действующим карьером «Bingham Canyon», может повысить срок эксплуатации рудника до 2050 года. В 2012 году в презентации компании «Kennecott Utah Copper» ее президент и генеральный директор Келли Сэндерс представил схему подземной разработки, которая предполагает работу сразу трех отдельных шахт, которые будут отрабатывать системой подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды сразу шесть отдельных рудных зон.

В середине 1990-х годов специалист в области механики пород из ЮАР доктор Денис Лаубшер опубликовал работу, которая стала поворотным пунктом в области проектирования работ по применению этой системы разработки. Затем было составлено полное руководство по расчету параметров системы, которые позволяют наиболее эффективно осуществлять выпуск отбитой руды в торцы выработок с учетом физико-механических свойств как самой выпускаемой руды, так и налегающей породной подушки.

На основе своего практического опыта работы в индустрии добычи асбеста в Южной Родезии и на других объектах, доктор Лаубшер представил систему MRMR (minero ckmassrating — система оценки массива горных пород).

«Нигде в мире не должно быть рудника, применяющего системы подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды, на котором не велись бы работы по оценке зависимости качества выпускаемой руды от параметров самой системы разработки и физико-механических свойств руды и породы. Не составлялся бы график устойчивости этого процесса» — цитата из презентации Лаубшера.

В 1990-х годах интерес к данной системе возрос. Это привело к выпуску в 1997 году издания International Caving Block Study (Международное исследование в области массового обрушения руды и последующего выпуска отбитой руды Block Caving Geomechanics (Геомеханика массового обрушения).

На конференции «Caving 2010» профессор Гидеон Читомбо из Университета Квинсленда (Австралия) представил доклад, который вносит дополнительный вклад в работу Лаубшера. В частности среди других усовершенствований он отметил, что «появляется метод описания и прогнозирования поведения массы отбитой руды при ее выпуске в торцы выработок и поведения налегающей породной подушки».

«Общие знания и понимание методов торцевого выпуска руды значительно улучшились, — говорит Читомбо — Тем не менее до сих пор есть несколько серьезных препятствий, которые в совокупности могут представлять опасность для жизнеспособности данной системы». В качестве примеров он приводит:

-быстрое проникновение в выпускаемую руду пород из налегающей подушки за счет разной скорости движения фракций руды и породы;

-нарушение оптимальных пропорций эллипсоида выпуска, например, из-за добычи крупными по ширине панелями;

-неустойчивость толщины эллипсоида выпуска из-за неправильного углубления ковша погрузочно-доставочной машины при выпуске;

-потери отбитой руды при выпуске за счет возникновения рудных целиков из уплотненной руды.

В начале 1990-х годов в нашей стране вопросу изыскания оптимальных параметров эллипсоида выпуска отбитой руды было уделено большое внимание. Сотрудниками института «Иргиредмет» и Красноярского института цветных металлов были проведены исследования в области установления закономерности истечения отбитой руды в торцы выработок в зависимости от ширины отбиваемой панели, высоты подэтажа, толщины обиваемого слоя и угла наклона вееров скважин. Другими словами, исследовались параметры эллипсоида выпуска. При этом учитывались сыпучие свойства как отбитой руды, так и налегающей породной подушки, так как разные размеры кусков имеют разное ускорение при движении. Большое внимание уделялось параметрам и конфигурации забоя самой выработки, в торец которой производился выпуск.

В результате данных исследований для системы подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды были установлены зависимости потерь и разубоживания руды от тех или иных факторов и выведены необходимые циклограммы, которые вошли в состав методических указаний по нормированию, определению и учету потерь и разубоживания золотосодержащей руды при добыче [3]. Эти указания на сегодняшний день являются единственными в России.

Во всем мире глубина подземных горных работ увеличивается, а значит, растут и затраты на подземную добычу. В результате все чаще внимание горняков привлекают низкозатратные и высокопроизводительные системы разработки с массовым обрушением на базе самоходного оборудования.

Среди них система подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды играет самую заметную роль, особенно в области доработки запасов подземным способом после их отработки карьерами. Она позволяет исключить оставление между карьером и подземными работами предохранительного рудного целика, который необходим при любой другой системе разработки; не подвержена риску сейсмической активности с глубиной отработки; наряду с низкой себестоимостью добычи и высокой производительностью труда при этой системе можно добиться хороших показателей снижения потерь и разубоживания руды.

Требуется только, как отмечалось выше, внимательный подход к проектируемым ее параметрам, чтобы достичь качественного выпуска руды. Для этого необходимо, в первую очередь, на отрабатываемом месторождении изучить физико-механические свойства руд и вмещающих пород. В ходе проходки горно-подготовительных и нарезных выработок провести максимально возможную доразведку контуров рудных тел для правильного расчета параметров буровзрывных работ.

1. Simon Walker, Block Caving: Mining Specialization, http://www.e-mj.com/features/4259-block-caving-mining-specialization.html#.VDoFYRaYEQN (перевод с англ.: С.С. Верхозин, ОАО «Иргиредмет»).

2. Технология разработки золоторудных месторождений. Под редакцией В.П. Неганова. Москва, «Недра», 1995 г.

3. Методические указания по нормированию, определению и учету потерь и разубоживания золотосодержащей руды (песков) при добыче. Иркутск, 1994 г. Согласованны Госгортехнадзором РФ 02.03.1993 г.

Источник