Способы добычи рудных материалов

Железная руда и основные методы ее добычи

В общем понимании железные руды — это естественные минеральные образования, в состав которых входит железо и его соединения в таком количестве, когда промышленное получение железа из состава выгодно. Руда может называться железной, если на этот металл приходится большее количество от массы всего образования. Самый большой объем выработки приходится на магнитный железняк.

Почему руда так важна?

Еще с давних времен человек познал способы добычи из земли различных материалов для своего существования. Занятие земледелием позволяло ему выращивать растения для пищи. Добыча материалов открывала доступ к самым разным целям. Это могло быть изготовление оружия, жилья, посуды.

С тех пор человек и приступил к добыче железных пород. После изучения его свойств и полезных функций для железа наступил абсолютно новый этап развития. В настоящее время трудно представить жизнь без металла — настолько он стал популярен во многих сферах. Примерно до начала ХХ века железу отводится основная масса добычи и обработки.

Железо находится в огромных количествах в недрах земли и горных породах. Однако разрабатываются только выгодные месторождения, содержащие наибольшее количество металлической руды.

Классификация руды

В мире существует две категории руд: черная и цветная. Вторая при этом подразделяется на металлы с высокой и невысокой плотностью, а также драгметаллы (золото, серебро, платина). Драгоценные металлы изначально добываются в форме камней, приобретая знакомый всем вид после обработки.

Ценность руды меняется в зависимости от массы в ней основного элемента. Еще классифицировать залежи можно на бедные и богатые (другое название — жирные).

Свойства также будут меняться в зависимости от имеющихся компонентов в руде. К примеру, одни могут иметь магнитные свойства, в то же время другие будут полностью инертны.

Руды черных металлов

К таким относится железо, самый популярный металл на планете. При промышленном производстве будет использоваться минерал, имеющий в составе не менее 25 % железа. При выработке минералов, содержащих меньшее количество, процесс обработки не окупит себя, как и результат не принесет никакой выгоды.

Большая часть ископаемых приходится на:

• магнитный железняк;
• красный железняк;
• железистый кварцит.

Железо залегает по всему миру. По предположительным данным экспертов, мировой запас руд черных металлов составляет примерно 800 миллиардов тонн, из них около 200 миллиардов активно добываются и перерабатываются. Цифры неточные, поэтому весьма вероятно, что в земле находятся куда большие запасы, чем можно себе представить.

Руды цветных металлов

В некоторых случаях металл руды могут обозначить как куприт, полученный от химического элемента Сu (купрум), имеющийся в группе породы. Металл очень популярен в мире, но объемы добычи не столь велики в сравнении с железом (около 0,5 % от общего количества залежей полезных ископаемых). Руда делится на шесть подтипов:

• колчеданная;
• стратиформная;
• медно-никелевая;
• гидротермальная;
• карбонатовая;
• скарновая.

Наиболее популярная и активнее добываемая — колчеданная руда, это смесь меди и железа, с небольшим количеством примесей и других элементов. За ней идет стратиформная, в виде смеси сланцев и песчаников. Остальные виды обнаруживаются очень редко и практически не используются даже в малых долях в производстве. Огромных медных залежей в природе не существует, по крайне мере из найденных, только в форме примесей. Такие породы образовывались только в результате извержения вулканов, подтверждая данную особенность.

Руды, богатые золотом

Золотая руда — природные минеральные соединения, имеющие в составе золото в таких количествах, которое делает экономически целесообразным его извлечение. Такие породы по форме и цвету очень напоминают серебро или железо. Отделить их от сплава крайне тяжело. Происходит это методом электролиза, с использованием электродов. Под воздействием электрического тока молекулы металла оседают на отрицательно заряженном катоде.

Порой золото можно обнаружить в соединении с теллуром. Еще один из металлов драгоценных руд — мальдомит (смесь с висмутом) — находят в России на Урале. Другое его название — черное золото. В Мексике или Колумбии можно обнаружить еще одну редкую руду драгоценных металлов — родий.

В России большая часть золотоносных мест находится в трех основных областях Урала — Тюменской, Челябинской, Свердловской. В меньшем объеме рудники расположены в Оренбургской области, Северо-Западном и Приволжском округах, Башкортостане. Основная масса месторождений — это золоторудные и комплексные прииски, а вот доля россыпей не превышает 17 %.

Способы добычи руды

В наше время существует несколько классических способов добычи руды. Подбирается методика для каждого случая отдельно. Квалифицированные эксперты при принятии заключительного решения изучают ряд факторов. А именно — грамотно распределяют экономическую ценность использования оборудования и машин, местонахождения рудных залежей, трудности при добыче, на какой глубине, высоте расположен источник. В зависимости от этих факторов добыча подразделяется на несколько способов.

Карьерный способ

Главный объем мест выработки месторождений руды создается по карьерной методике. На первом этапе действий предполагается создание карьера с глубиной нужной высоты и диаметра (средние цифры находятся в пределах 300 метров). Затем завозятся машины и оборудование.

После выработки руда перевозится на специальные промышленные предприятия для последующей обработки.

При помощи экскаваторов подготавливают карьер значительных размеров. После того как будет достигнута нужная глубина, проводят детальный анализ полученных материалов для дальнейшего определения экономической целесообразности добычи в данном карьере.

Решение считается удовлетворительным, если по итогу собранных данных присутствие нужного металла в породе составляет более 57 %. Только в таком случае можно приступать к последующей выработке. Если анализы выдали результат о меньшем количестве металла, то собирается комиссия, которая будет решать вопрос о целесообразности использования данного карьера, либо рассматривать варианты увеличения производства.

Открытый способ добычи имеет множество достоинств. Главный недостаток заключается в том, что разработка залежей происходит на небольших глубинах, которых иногда недостаточно для эффективной выработки.

Шахтный способ

Этот способ подходит для обработки залежей, располагающихся на значительных глубинах, вплоть до 4000 метров. Подход к организации такого способа предполагает более суровую подготовку. Вначале закладывается ствол шахты, немного напоминающий колодцы.

После прокапываются специальные коридоры, отходящие от основного шахтного ствола. Они имеют название — штреки. По факту такой метод является самым эффективным в мире, ведь большинство залежей — глубоко в недрах земли. При этом обходится способ недешево, к тому же работа в шахте очень опасна и рискованна.

Скважинная гидродобыча

Скважинная гидродобыча (СГД) — способ подземной добычи полезных ископаемых, в основе которого лежит гидромеханическое воздействие. Метод предполагает создание скважины, в которую помещаются оснащенные гидромонитором трубы. Под действием сильной водяной струи залежи руды отбиваются и по трубе движутся наверх.

Метод добычи дает наименьшую выработкку при высоких финансовых затратах, но является самым безопасным из всех. Используется примерно в 3 % от всей добычи.

Как происходит обогащение руды

Объемы пластов могут достигать огромных размеров. Вначале их необходимо размельчить. На практике применяются следующие способы:

1. Гравитационная сепарация. Метод основан на отличиях минерала в плотности и форме частиц.
2. Магнитная сепарация. Технология отделения материалов, основанных на разности их магнитных свойств и отличного друг от друга поведения материалов в зоне действия магнитного поля.
3. Флотация. Окисление материалов воздухом.
4. Комплексный способ. Несколько методов одновременно.

Измельченная руда двигается на промышленное предприятие, в котором сделают нужный металл. В первозданном виде он применяется нечасто. А вот различные сплавы получили широкое применение в самых разных сферах производства.

Источник

Технологии добычи полезных ископаемых в карьерах (разрезах)

Что такое карьер?

Горные выработки, предназначенные для добычи полезных ископаемых открытым способом, с поверхности грунта и постепенным углублением по площади в процессе работы, называются карьерами. Таким образом извлекаются полезные ископаемые из рудных, нерудных, а также россыпных месторождений. В случаях, когда речь идёт об освоении россыпных и угольных пластов, карьеры называются разрезами. Структура карьера обычно имеет ступенчатую форму, при этом верхние слои состоят в основном из вскрышной породы, а на нижних осуществляется добыча.

Бингем-Каньон, штат Юта, США

Размеры карьеров по вертикали обычно определяются, исходя из рентабельности производственных процессов, растущих пропорционально глубине работ. Целесообразность увеличения глубины карьера теряется после достижения отметки в пределах от десятков до полутысячи метров, в зависимости от конкретных геологических и технических условий. Тем не менее, есть и рекордно глубокие разрезы — например, Бингем-Каньон (Юта, США) — более километра.

Немного истории горного дела

Открытые горные работы человек вёл ещё в глубокой древности. Появление первых примитивных горнопроходческих инструментов датируется 6-м тысячелетием до нашей эры. Таким способом извлекались полиметаллические руды с целью получения бронзы в 4-м тысячелетии до нашей эры в Северной Эфиопии, на Кавказе, Синайском полуострове и в Индии. Железо начали добывать в карьерах со 2-го тысячелетия до нашей эры в Южной Европе и ближневосточных странах.

Первые большие карьеры появились во время строительства пирамид в Древнем Египте, в античный период на открытой местности добывался мрамор. В средние века центрами открытой добычи цветных металлов являлись территории современных Испании, Италии и российского Урала. Разработка россыпных месторождений карьерным способом набрала популярность на Урале и в Сибири с 18-го века. Только с появлением полноценной карьерной техники и налаживания основных процессов производства — выемки, погрузки, транспортировки и образования отвалов — наметился значительный прогресс в отрасли.

Бакальский рудник, Челябинская область (Южный Урал), начало ХХ века

Уже в конце 19-го века на карьерах стали использоваться экскаваторы. Открытая разработка месторождения начала бурно развиваться в начале двадцатого века, особенно в США и Германии. Тем не менее, в России преобладал ручной труд (к примеру — использование в роли транспорта примитивных средств — тачек), работы были лишь частично механизированы. Первые крупные карьеры для добычи угля, цветных и чёрных металлов, были обустроены в СССР с 1928 по 1941 годы.

Электровоз IVКП1 с думпкаром ВС-50 на разгрузке, разрез «Коркинский», 1959 год

Во время Второй мировой войны объёмы добычи в советском государстве значительно выросли. В послевоенную эпоху началась механизация добычи, переход на унифицированную и более мощную технику. Совершенствовались и методики проведения взрывных работ. От средневекового пороха горняки в 20-х годах перешли к аммоналу, в 30-х — к динамону, в военное время использовался оксиликвит, после — игданит. В послевоенный период восстановления экономики расширились масштабы механизации процессов на карьерах, было унифицировано экскаваторное и транспортное оборудование.

Открытая разработка: эффективность и принципы

Благодаря открытой разработке месторождений удовлетворяется 65% от объёма мирового потребления сырья как рудного, так и нерудного происхождения, а также 35% топлива твёрдого типа. Около 90% бурых и 20–30% каменных углей также извлекаются в разрезах, 75% железных руд и порядка 80% руд цветных металлов, 90% других ископаемых и строительных материалов добываются в карьерах. В России до 93% руд как чёрных, так и цветных металлов, 66% угля и практически 100% строительных материалов получают в карьерах. Наиболее широко распространена карьерная добыча в таких странах, как США, Китай, Австралия, Канада, ряд государств Европы.

Высокая степень популярности открытой добычи заключается прежде всего в её экономической эффективности. В сравнении с шахтным способом добычи, извлечение полезных ископаемых в карьерах в три раза дешевле для угольных и в два раза — для рудных месторождений. Разработка месторождений карьерным способом не требует обустройства шахт или прокладывания тоннелей. При этом производительность труда в карьерах выше в два–три раза, а объём потерь полезных ископаемых в пять раз меньше.

Добыча угля открытым способом в Хантер-Вэлли, Австралия

С задействованием мощного оборудования, как горного, так и транспортного, при высокой степени автоматизации и применения современных информационных технологий возможно рентабельное освоение залежей с низким содержанием металлов в руде. Нормальное соотношение объёма извлекаемой руды (вскрыши) к одному кубометру полезных ископаемых составляет от 4 до 25 кубометров. При превышении последнего значения, называемого коэффициентом вскрыши, карьер становится нерентабельным.

Существуют разные виды открытой разработки месторождений в зависимости от ряда её параметров и применяемых технологий. Тем не менее, разным типам освоения залежей в карьерах присуща идентичная общая схема работ. Слои пустых пород разделяются на уступы, которые снимаются сверху вниз, при этом верхние слои опережают нижние. Выработанное пространство увеличивается по мере перемещения рабочих уступов. В целом технологические процессы предусматривают отделение горных пород от полезных ископаемых, погрузку и вывоз горной массы, размещение пустой породы в отвалах. Давайте рассмотрим этапы открытой разработки месторождении более подробно.

Пронедра писали ранее, что освоению месторождения всегда предшествует геологоразведка. В этом плане карьерная добыча — не исключение. Уже после утверждения и запуска проекта проводятся подготовительные работы. Они включают первичную подготовку поверхности, в том числе рубку и корчевание леса, обводнение или осушение местности, строительство складских, административных и производственных объектов, коммуникаций, водопроводных и канализационных сетей. Трудоёмкость процесса повышается, если местность является сложной в топографическом аспекте, или же освоение участка производится в условиях сурового климата, высокой степени обводнённости.

После подготовки осуществляются горно-капитальные работы и вскрытие месторождения. На данном этапе обустраиваются структурные компоненты карьера — внутренние и внешние траншеи, монтируется горное, технологическое и транспортное оборудование. Вскрышные работы — отделение породы, мешающей извлечь полезные ископаемые, путём механического рыхления или с применением взрывчатки. Особенностью работы с вскрышными породами является постоянное перемещение забоев и пунктов разгрузки на отвалах. Добычные работы, как это понятно из их названия, включают выемку полезных ископаемых, их транспортировку и отгрузку на склады или на обогатительные комбинаты.

Взврывные работы в угольном разрезе

В связи с вышесказанным, становится очевидно, что разработка карьера связана с перемещением большого количества грунтов и пород, нарушением естественного ландшафта и вмешательством в естественный баланс местной экосистемы. По мнению экспертов в области экологии, карьер несёт лишь негативные последствия для окружающей среды, поскольку при его обустройстве повреждается почвенный покров и уничтожаются лесные массивы, изменяется картина движения подземных вод. Непосредственно работа техники в карьере приводит к выбросу большого количества пыли, оседающей в лесах поблизости.

В связи с тяжёлыми последствиями разработки карьеров для живой природы после окончания эксплуатации месторождений на отвалы пустой породы в обязательном порядке наносится почвенный слой, а выработанное пространство облагораживается. Карьеры, отработавшие свой срок, затапливаются или рекультивируются. Если же карьер просто брошен, то он постепенно осыпается и покрывается растительностью. Во многих странах мира владельцы горнодобывающих предприятий обязаны восстановить состояние почвы и высадить растения на месте старого карьера.

Рекультивация угольного разреза

Технологии добычи

Добыча полезных ископаемых открытым способом ведётся с применением разных подходов и технологий. В связи с этим классификация добычных работ осуществляется в зависимости от основных факторов, которые влияют на выбор того или иного производственного процесса.

В зависимости от положения и формы залежей относительно поверхности земли различают такие методы разработки месторождений, как:

• поверхностный, предусматривающий полное освоение участка и обработку максимального объёма как полезных ископаемых, так и вскрышных пород. При этом последние размещаются в отработанном пространстве карьера;
• глубинный, при котором вскрышные породы извлекаются в нисходящем порядке слоями;
• нагорный — вскрышные породы и полезные ископаемые перемещаются сверху вниз, до более глубинных отметок;
• нагорно-глубинный метод применяется как вариант нагорного при достаточно сложном рельефе;
• метод подводной добычи — при расположении залежи и её кровли под водой.

По критерию положения рабочей зоны, а также перемещения фронта работ:

• сплошной метод — руда добывается в залежах горизонтального или полого-падающего типа, при этом пустая порода размещается как в выработанном пространстве, так и за пределами карьера;
• углубочный метод: освоение крутых и наклонных залежей с размещением вскрыши во внешних отвалах;
• смешанный, включающий в разной степени углубочный и сплошной методы, используется при добыче полезных ископаемых в сложных горных, геологических и топографических условиях.

Соответственно применяемым видам горного и транспортного оборудования:

• цикличная технология — процессы выемки и транспортировки руды проходят с паузами, что связано с особенностями применения конкретной техники;
• циклично-поточная технология — применяются механизмы непрерывного и цикличного действия. При этом выемка породы осуществляется машинами цикличного принципа работы — одноковшовыми экскаваторами, а также погрузчиками, а транспортировка — непрерывно работающими устройствами, в том числе конвейерами и автоматическими сортировочными установками;
• поточная технология предполагает использование по большей части горных и транспортных машин с непрерывным принципом действия, к примеру, гидромеханических устройств, ленточных конвейеров, многоковшовых экскаваторов. Если для цикличной и циклично-поточно технологий характерно автоматизированное управление отдельными процессами, то для поточной задействуются автоматизированные системы управления.

Карьерные машины

Любой современный карьер представляет собой предприятие с высокой степенью механизации. На месторождениях работают высокопроизводительные машины, предназначенные для выемки, дробления, перевозки и складирования породы и полезных ископаемых. Данные процессы производятся как разными горными машинами, так и комплексными агрегатами, которые выполняют сразу несколько функций.

Выбор конкретных машин зависит от целого ряда условий, в том числе от степени крепости пород, формы пластов полезных ископаемых, геологических условий, рельефа и даже климата. Кроме того, выбор техники обусловливается системой разработки месторождения и режимом проведения горных работ. Не в последнюю очередь свою роль играют капитальные затраты, прибыль и производительность труда.

С целью повышения эффективности освоения месторождений в карьерах внедряется комплексная механизация, условием которой является неразрывность коммуникаций — от точки забоя до пунктов разгрузки руды. Кроме того, машины, задействованные на бурении, выемке и погрузке, отвалах и вспомогательных задачах, при этом должны соответствовать друг другу по показателям производительности и мощности.

Бурение пластов угля перед рыхлением

Рассмотрим применение некоторых машин, на современном этапе развития отрасли. Так, для бурения взрывных скважин используются буровые станки массой до 130 тонн. Основные типы взрывчатки — это аммиачно-селитренные бестротиловые гранулиты и граммониты, а также водонаполненные компоненты для скважин с обводнением. Разрыхление осуществляется рыхлителями с мощностью до 735 кВт. К вскрышным работам привлекаются драглайны и механизированные лопаты с вместимостью ковша порядка полутора сотен кубометров.

Примечательно, что выбор конкретной техники обусловлен в том числе и национальными традициями отрасли. Если в США операторы угольных разрезов отдают предпочтение большим экскаваторам, то для германской школы характерно использование транспортно-отвальных комплексов. В большинстве случаев в качестве техники для выемки и погрузки породы во всём мире используются экскаваторы, прямые мехлопаты и погрузчики шарнирно-сочленённого типа.

Особенностью поточной технологии открытой разработки месторождений является повсеместное использование роторных экскаваторов и самоходных дробилок. Масса последних может достигать 600 тонн. Применение дробильных агрегатов, как мобильных, так и стационарных, размещаемых в разгрузочно-приёмных пунктах, позволяет операторам шире использовать конвейерные системы. Основной же транспортной единицей в карьерах по-прежнему являются самосвалы. Преобладающее количество таких машин имеет грузоподъёмность до 155 тонн, в меньшей степени в открытой разработке месторождений участвуют гиганты (200–300 тонн). Кроме того, активно применяются железнодорожные 360-тонные агрегаты, думпкары с грузоподъёмностью порядка 180 тонн.

Карьерный самосвал БелАЗ

Напомним, среди карьерных машин есть настоящие колоссы, мировые рекордсмены по габаритам и мощности среди экскаваторов, погрузчиков и самосвалов. Понятно, что задействование большого количества дорогих и мощных машин, колоссальные объёмы работ предопределяют не только то, что карьерная добыча предельно эффективна, но и то, что она является достаточно затратным процессом.

Роторный комплекс SRs(K)-4000

К примеру, для карьеров глубиной до ста метров с крепкими породами треть себестоимости кубометра вскрыши занимают взрывные и бурильные работы, около 15% — экскавация, ещё 40% — транспортировка. По мере углубления карьера транспортные расходы могут вырасти до 70%. Кроме того, 15% себестоимости — это строительство карьера. Непосредственно при его обустройстве 40% расходов приходятся на горные работы, ещё 30% — на закупку оборудования. В настоящее время срок окупаемости карьеров составляет минимум семь лет. В то же время, большие расходы и трудоёмкость производственного процесса не являются препятствиями для инвесторов, свидетельством чего служат колоссальные объёмы добычи и масштабы освоения месторождений открытым способом во всём мире.

Источник