Горные породы и полезные ископаемые

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

Кафедра «Открытые горные работы»

Открытая геотехнология

Учебно-методическое пособие

В.Н. Вокин

Красноярск СФУ 2012

Рецензенты: доктор технических наук, заведующий лабораторией «Проблем освоения недр» Института химии и химической технологии СО РАН А.Г. Михайлов, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Разработка месторождений полезных ископаемых Иркутского государственного технического университета В.П. Федорко. Вокин В.Н., Морозов В.Н., Назарова Е.Ю, Кадеров М.Ю.

Открытая геотехнология: Учебно-методическое пособие. - Красноярск, 2012. - 157 с.

В учебно-методическом пособии приведена характеристика основных элементов горнопромышленного комплекса. Дана характеристика горных пород как объекта разработки. Изложены основные вопросы технологии и механизации открытого способа добычи полезных ископаемых, рассмотрены технологические процессы на карьерах, способы вскрытия и применяемые системы разработки месторождений полезных ископаемых. Дана методика расчета практических работ по основным производственным процессам, технологии и проектированию технологических комплексов разработки месторождений полезных ископаемых. Для студентов, обучающихся по специальностям «Шахтное и подземное строительство», «Электрификация и автоматизация горного производства», «Обогащение полезных ископаемых», «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», «Экономика и управление на предприятии металлургии», «Экономика и управление на предприятии горной промышленности», «Экономика и управление на предприятии природопользования».

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

1.1 Горные породы и полезные ископаемые

1.2 Свойства горных пород, влияющие на эффетивность их разработки

1.3 Геологические объекты горных работ

1.4 Способы разработки месторождений полезных ископаемых

2. ОСНОВЫ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

2.1 Общие сведения о технологии открытых горных работ

2.2 Основные понятия, элементы и параметры карьера

2.3 Система разработки месторождений

2.4 Вскрытие месторождений

2.5 Системы открытой разработки. Структура комплексной механизации

3. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Горное дело относится к одному из основных видов человеческой деятельности, обеспечивающих существование и уровень развития цивилизации. Горное дело как область промышленного производства охватывает разведку месторождений полезных ископаемых, их разработку, первичную переработку добываемого минерального сырья, строительство горных предприятий и подземных сооружений различного назначения.

Горнодобывающая промышленность как составная часть горного дела имеет целью добычу и первичное обогащение полезных ископаемых. Она поставляет минеральное топливо (уголь, горючие сланцы, торф, нефть, природный газ), руды черных, цветных, редких и радиоактивных металлов, горно-химическое сырье, строительные материалы и др. Ее мировое производство, по экспертным оценкам, составляет 160-180 млрд. т горной массы. Ежегодно из недр земли добывается 8 млрд. т энергетического сырья, руд для производства 570 млн. т черных металлов, 170 млн. т цветных металлов, 620 млн. т индустриального минерального сырья.

Развитая горнодобывающая промышленность играет большое значение в экономике государства, определяет его самостоятельность и обороноспособность. Российская Федерация располагает запасами всех видов минерального сырья. Развитие горной промышленности является следствием научно-технического прогресса. Усилиями многих российский ученых решен ряд важнейших проблем в области подземной и открытой разработки месторождений полезных ископаемых, создания современной техники, улучшения условий труда, а также в области подготовки специалистов для горной промышленности. К ним относятся М.И. Агошков, А.И. Арсентьев, А.А. Борисов, А.П. Зотов, П.Э. Зурков, А.И. Ксенофонтова, Е.Ф. Шешко, Н.В. Мельников, Н.М. Покровский, М.М. Протодьяконов, В.В. Ржевский и многие другие.

Дисциплина «Открытая геотехнология» является одной из первых дисциплин, формирующих профиль подготовки инженеров по направлению «Горное дело». Задачей ее изучения является получение знаний об основных принципах добычи различных полезных ископаемых открытым способом.

Цели изучения дисциплины:

- овладение горной терминологией и комплексом понятии, формирующих область деятельности человека при освоении земных недр;

- освоение принципов ведения и обеспечения горных работ;

- освоение принципов современной технологии добычи твердых полезных ископаемых;

- приобретение студентами навыков самостоятельного решения различного рода горных задач, выполняемых на практических занятиях.

Изучение дисциплины базируется на основе знаний отдельных дисциплин гуманитарного, социально-экономического, естественного и общетехнического цикла. Основными из них являются: геология, история горного дела, начертательная геометрия, экология, обеспечение жизнедеятельности и др. В свою очередь, «Открытая готехнология» являются базой для изучения общетехнических и специальных дисциплин направления.

В ходе практических занятий, основная часть времени уделяется для вычисления параметров и показателей производственных процессов, получению навыков выполнения горных чертежей, подготавливая тем самым студентов к выполнению курсовых проектов и разделов дипломного проектирования.

1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

1.1 Горные породы и полезные ископаемые

Разработка недр Земли - основа экономической деятельности человечества. И не случайно она нашла отражение в периодизации древней истории, где эпохи различаются не по тому, что производится, а по тому, чем и как производится, какими орудиями труда это достигается и из какого материала эти орудия сделаны.

В течение почти двух миллионов лет основным орудием труда человека служил камень. В конце каменного века (4 - 3 тыс. до н. э.) человек постепенно перешел к использованию меди, золота. В 3 - 2 тыс. до н.. э. была освоена плавка меди и ее сплава - бронзы. В середине 2 тыс. до н. э. на смену бронзе пришло железо.

Горное дело зародилось, по сути, вместе с человеческим обществом и, пока существует на Земле человек, оно не перестанет играть выдающуюся роль. Наряду со строительством и производством продуктов питания горное дело - одна из первооснов существования человечества.

Об огромном значении горного дела убедительно писали многие мыслители прошлого. Один из своих научных трудов посвятил горному делу передовой ученый XVI века Георгий Агрикола. О значении металлов писал Михаил Ломоносов: «Металлы подают укрепление и красоту важнейшим вещам, в обществе потребным, ими защищаются от нападения неприятельского, ими утверждаются корабли, и силою их связаны, между бурными вихрями в морской пучине безопасно плавают. Металлы отверзают недро земное к плодородию, металлы служат нам в ловлении земных и морских животных для пропитания нашего. И, кратко сказать, ни едино художество, ни едино ремесло простое употребление металлов миновать не может».

В настоящее время значение добычи минерального сырья всем очевидно. В нашей стране этому вопросу уделяется огромное внимание, так как состояние горной промышленности и размеры добычи полезных ископаемых определяют могущество и богатство страны.

Рисунок 1.1 - Строение Земли Рисунок 1.2 - Химический состав земной коры

В недрах нашей планеты сформировано огромное количество минеральных ресурсов. Твердая оболочка Земли мощностью в несколько десятков километров является потенциальной сферой добычи полезных ископаемых (рисуок 1).

Земля окаймлена тремя оболочками: атмосферой, гидросферой и литосферой. Литосферу также называют земной корой. Земная кора состоит в основном из 12 химических элементов, в ней 49, 4% - кислорода, 25,8 % - кремния, 7,5% - алюминия, 4,7% - железа, 3,4 % - кальция, 2,6 % - натрия, 2,4 % - калия, 1,9 % - магния, 0,9 - водорода, 0,6 % титана, остальные элементы в незначительном количестве (рисунок 1.2).

Кристаллические химические соединения элементов, слагающие земную кору, называют минералами. Ассоциации минералов образуют горные породы. Изучением минералов занимается минералогия, горных пород - петрография, задача петрографии - исследование породообразующих минералов.

Выделяют три основные группы горных пород: изверженные (магматические), осадочные и метаморфические. Изверженные породы формируются при охлаждении и кристаллизации расплавов (магмы), поднимающихся с больших глубин. Излияние магмы на поверхность происходит при извержении вулканов. Значительная часть расплавов кристаллизуется внутри земной коры.

Осадочные горные породы образуются в морях, озерах и реках как продукты разрушения и переотложения ранее существовавших горных пород.

Метаморфические горные породы формируются в результате преобразования изверженных и осадочных гор-ных пород, когда на них оказывают воздействие высокие температура и давление.

Земная кора на 95% состоит из изверженных горных пород, представленных преимущественно гранитами. На континентах на глубине 15 - 30 км граниты образуют сплошной слой. В 100 т гранитных пород содержится в среднем 8 т алюминия, 5 т железа, 540 кг титана, 80 кг марганца, 30 кг хрома, 18 кг никеля, 9 кг меди, 4,5 кг фольфрама, 1,8 кг свинца.

Осадочные горные породы залегают на поверхности нашей планеты. К ним приурочены такие полезные ископаемые, как нефть, газ, уголь, соли. Таким образом, земная кора является минерально-сырьевой базой человечества.

Для обеспечения современного уровня жизни в индустриально развитых странах необходимо добывать из недр ежегодно на одного человека около 18т минерального сырья, в том числе 8-10т нерудных строительных материалов, 2,5т угля, 0,5т металлов.

В настоящее время темпы добычи минерального сырья также превышают темпы роста населения. Мировое потребление минерального сырья увеличивается в последнее время на 5% в год. Потребляемая обществом энергия на 90% производится за счет тепла, получаемого при сгорании нефти, угля и газа.

Какие же горные породы считаются полезными ископаемыми? Обычно это природные минеральные вещества, которые при данном уровне техники и технологии могут быть использованы в народном хозяйстве либо в естественном виде, либо после той или иной переработки.

Породы, имеющие полезные ископаемые, заключенные в их толще в виде прослоев, прожилков и не используемые в народном хозяйстве, считают пустыми породами. Деление горных пород на полезные ископаемые и пустые породы является относительным.

Полезные ископаемые могут находиться в земной коре в твердом, жидком или газообразном состоянии. Локальное скопление природного минерального сырья называется рудным телом или залежью полезного ископаемого. Рудные тела весьма разнообразны: это пласты, линзы, жилы, штоки, отдельные гнезда, вкрапленные руды и т. д. В большинстве случаев рудные тела после образования подвергались тектоническим воздействиям, поэтому пласты смяты в складки, линзы и жилы пересечены трещинами, заполненными другими породами, нарушены сдвигами земной коры.

Месторождения могут быть коренными, залегающими в толще земной коры на месте своего образования и россыпными. Россыпные месторождения образовались в процессе физического выветривания коренных горных пород и химического воздействия на них различных факторов.

Различают полезные ископаемые металлические (рудные) - сырье для производства черных, цветных, благородных, редких и радиоактивных металлов; неметаллические - сырье для металлургической (доломит, магнезит и др.), химической (сера, бор, фосфориты и др.) и других отраслей промышленности; горючие (уголь, горючие сланцы, торф и др.); строительные горные породы (граниты, мраморы, гравий, глины и др.).

Совокупность свойств, определяющих степень пригодности и экономической эффективности использования, называют качеством полезного ископаемого. Одни качественные свойства относят к полезным (например, теплоту сгорания угля, содержание извлекаемых металлов для руд), другие - к вредным, (например, зольность угля, высокую влажность, содержание примесей, затрудняющих плавку руд).

Качество полезных ископаемых в недрах оценивается кондициями, которые устанавливаются на стадии разведки, проектирования и эксплуатации месторождения.

Отклонение от кондиций при горных работах оценивается потерями и разубоживанием.

Потери характеризуют уменьшение объема кондиционного полезного ископаемого вследствие оставления в недрах, отнесения к пустым породам, просыпания при погрузке и транспортировании и по другим причинам.

Разубоживание характеризует степень промешивания к кондиционному полезному ископаемому при ведении горных работ пустой породы или некондиционных сортов полезного ископаемого.

Месторождение будет промышленным, если его разработка целесообразна в данных экономических и географических условиях при современном уровне техники. В противном случае его считают непромышленным.

Массу или объем минерального сырья, заключенного в недрах на определенной площади, считают запасами полезных ископаемых. По народнохозяйственному значению выделяют запасы: балансовые, использование которых экономически целесообразно, и забалансовые, которые могут явиться объектом промышленного освоения, но использовать их в настоящее время экономически невыгодно. К промышленным относят часть балансовых запасов, за исключением проектных потерь.

Проектные потери - это часть балансовых запасов, проектируемая к безвозвратному оставлению в недрах.

1.2 Свойства горных пород, влияющие на эффетивность их разработки

Изучение различных свойств пород, разработка методики их определения и учета имеют большое значение для выбора типа применяемого горного оборудования, рационального способа отбойки породы, установления норм на выполнение буровых и взрывных работах и т. д.

При бурении и взрывании эффективность разрушения горных пород определяется различными свойствами. Это связано с тем, что при бурении зона разрушения под лезвием инструмента имеет небольшие размеры и зависит от микросвойств горных пород: твердости, прочности, абразивности, зернистости, вязкости и т.д.

При взрывании на карьерах и подземной разработке месторождений эффективность дробления массива зависит от прочности пород на сжатие и сдвиг, а также степени пористости и трещиноватости, прочности и разрушаемости отдельностей, слагающих массив при соударении и их плотности.

Твердость и абразивность влияют, главным образом, на износ инструмента при бурении и выбор величин осевого усилия на буровой инструмент и частоты его вращения.

К числу наиболее важных свойств горных пород в массиве относятся крепость, твердость, вязкость, устойчивость, трещиноватость и др.

Крепость характеризует способность пород сопротивляться разрушению под действием внешних воздействий.

Свойства горных пород изменяются в очень большом диапазоне. Трудно найти на разных участках месторождения хотя бы две по минералогическому составу породы с одинаковыми свойствами. Поэтому принято их объединять в виды, группы, категории и классы с определенным диапазоном свойств. Наибольшее распространение получила классификация горных пород по крепости, предложенная проф. М.М. Протодьяконовым, в основу которой положен коэффициент крепости f, который характеризует прочность горных пород на раздавливание при одноосном сжатии. Принято, что порода с прочностью на раздавливание 100 кгс/см2 (9,8·106 Н/м2) или 10 МПа имеет коэффициент крепости, равный единице, т.е. f = усж/100 (где усж - прочность породы при сжатии).

Проф. М.М. Протодьяконов считал, что коэффициент крепости характеризует породу во всех производственных процессах, т.е. если данная порода крепче другой в некоторое количество раз, например при бурении, то она, как правило. В столько же раз крепче ее при других производственных процессах, например, при взрывании.

По классификации (шкале) М.М. Протодьяконова все горные породы делятся на 10 основных категорий с коэффициентом крепости от 0,3 до 20. Очень крепкие и в высшей степени крепкие породы имеют f = 15-20 (кварциты, крепкие граниты); крепкие и довольно крепкие - f = 5-10 (песчаники, известняки); средней крепости (глинистые сланцы, плотный мергель); мягкие - f = 1-2 (уголь, глинистый грунт, гипс, каменная соль).

Твердость горной породы характеризуется сопротивлением проникновению в нее другого тела, не получающего при этом остаточной деформации. Ф. Моос (1773-1839) предложил метод определения твердости минерала путем царапания его минералами-эталонами. Эталонами твердости в минералогии приняты десять минералов, расположенных в порядке возрастания твердости и образующих шкалу твердости (шкалу Мооса), по которой можно определить относительную твердость минерала. В шкале твердости каждый предыдущий минерал чертится минералом последующим, более твердым: 1 - тальк, 2 - гипс, 3 - кальцит, 4 - флюорит, 5 - апатит, 6 - ортоклаз, 7 - кварц, 8 - топаз, 9 - корунд, 10 - алмаз.

Прочность - это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузок, влияния температуры, атмосферных осадков и других факторов.

Академиком В.В. Ржевским все горные породы разделены на три вида:

- скальные и полускальные породы (в естественном состоянии);

- разрушенные породы (искусственно или естественно измененные породы первого вида);

- плотные, мягкие (связные) и сыпучие горные породы.

К скальным породам относится большинство изверженных и метаморфических, а также часть осадочных пород с пределом прочности на одноосное сжатие более 50 МПа (f , более 5).

К полускальным породам относятся выветрелые изверженные, метаморфические и осадочные породы с пределом прочности на одноосное сжатие от 20 МПа до 50 МПа (f = 2-5).

В результате искусственного или естественного разрушающего воздействия скальные и полускальные породы переходят в разрушенное состояние. Разрушенные породы различают по степени связности и кусковатости. Степень связности характеризуется величиной разрыхления.

Разрыхляемость - свойство горных пород занимать больший объем в разрушенном состоянии по сравнению с объемом в массиве или целике. Отношение объема разрыхленной породы к ее первоначальному объему называют коэффициентом разрыхления. Наибольшим коэффициентом разрыхления характеризуются твердые, вязкие и абразивные породы (таблица 1.1).

Таблица 1.1. Значение коэффициента разрыхления пород

Породы	Коэффициент разрыхления
	первоначальный	в вагоне	остаточный
Песок, супесь	1,05-1,2	1,1-1,2	1,01-1,05
Почвенно-растительный грунт	1,2-1,3	1,2-1,25	1,01-1,03
Глина, суглинок, щебень	1,25-1,35	1,3	1,07-1,15
Трещиноватые скальные породы	1,3-1,5	1,4	1,1-1,25
Скальные породы при содержании кусков размером 0,4-0,7 м до 25%	1,25-1,5	1,3-1,4	1,15-1,35
Скальные породы при содержании кусков размером 1 м до 25%	1,45-1,55	1,4	1,2-1,4
Скальные породы при содержании кусков размером 1,7 м до 40%	1,6-1,8	1,6-1,8	1,4-1,6

К плотным, мягким и сыпучим породам относятся связные породы, мягкие связные породы, разрыхленные мягкие породы, мерзлые мягкие и сыпучие породы с пределом прочности на одноосное сжатие до 0 МПа (f до 2).

Абразивность - способность или свойство горных пород изнашивать при трении о нее металлы, твердые сплавы и другие тела.

Пластичность - свойство пород необратимо изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры под действием внешних сил.

Хрупкость - свойство пород разрушаться без пластических деформа-ций. При бурении и взрывании скальные горные породы можно рассматривать как хрупкие тела. Наибольшую пластичность имеет глина. Для разрушения пластичных пород требуется увеличенный расход ВВ.

Вязкостью в горном деле принято характеризовать сопротивляемость породы силам, стремящимся отделить ее часть от массива. С увеличением вязкости пород эффективность процессов бурения и взрывания снижается.

Зернистость характеризуется крупностью зерен минералов, образующих породы. Различают крупнозернистые породы с зернами. диаметром больше 5 мм, среднезернистые - с зернами диаметром 1-5 мм и мелкозернистые с зернами диаметром мене 1 мм. Чем меньше зерна минералов и чем прочнее цементирующие зерна вещества, тем труднее разрушается порода.

Пористость характеризуется наличием мельчайших замкнутых пустот в горной породе.

Водоносность - свойство пород задерживать воду и выделять ее при разработке месторождения (бурении скважин, проведении траншей и т.д.). Водоносность пород следует учитывать при выборе типа ВВ для заряжания скважин.

Плотностью породы называют массу ее единицы объема в естественном состоянии.

Устойчивость - свойство открытой поверхности горных пород сохранять свое положение не разрушаясь (обрушаясь). Этот показатель обычно характеризуется на открытых горных работа углом естественного откоса, т.е. углом, при котором откос породы находится в устойчивом состоянии. Величина его для разных пород меняется от 20о до 80о. Особенно важное значение приобретает устойчивость при разработке глубоких горизонтов карьера (ниже 300 м), а также при выводе бортов карьера на проектный контур: чем круче и устойчивее откосы уступов, тем меньший объем вскрышных пород надо извлечь при добыче проектного объема полезных ископаемых.

Устойчивость пород при подземных горных работах (проходка выработок, отбойка руд) характеризуется величиной площади открытой поверхности в выработке или камере, которая сохраняется без обрушения.

Слоистость - свойство пород относительно легко разделяться по плоскостям наслоения. При ведении работ в слоистых породах шпуры и скважины следует располагать под углом 45о-90о к плоскостям наслоения, так как это улучшает эффективность взрыва и уменьшает вероятность искривления шпуров и скважин, особенно когда прослойки имеют разную прочность.

Трещиноватость характеризуется частотой и пространственным расположением трещин в массиве горной породы, которыми он разделен на отдельности различных размеров. Монолитных, т.е. не имеющих трещин, пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых практически не встречается.

Естественная трещиноватость горной породы определяется геологической характеристикой месторождения, т.е. ее генезисом и последующими тектоническими процессами, дополняется искусственной, зависящей от ведения взрывных работ. Она образуется в результате многократного сейсмического воздействия взрыва на массив, расположенный вне разрушаемого объема. С увеличением величины и диаметра заряда искусственная (техногенная) трещиноватость массива и степень раскрытия трещин возрастают.

Трещиноватость влияет на кусковатость взорванной горной массы при массовых взрывах и проходке выработок, их оконтуривание, на выход негабарита. Одни и те же по составу породы при интенсивной трещиноватости разрушаются, не образуя негабарита, и, наоборот, при слабой трещиноватости дают большой выход негабарита, худшее оконтуривание сечения.

Поэтому при выборе методов ведения взрывных работ и установлении допустимого размера куска, проектировании паспортов буровзрывных работ при проходке для предприятия необходимо учитывать трещиноватость пород.

Трещиноватость массива характеризуется удельной трещиноватостью: числом открытых трещин всех систем, приходящихся на единицу длины прямой, проведенной в произвольном направлении. Величина, обратная удельной трещиноватости, дает среднее расстояние между трещинами, которое численно принимают равным среднему диаметру естественной отдельности.

Содержание крупных или мелких отдельностей в массиве до взрыва обычно выражается в процентах к его объему.

Средний объем крупных отдельностей, слагающих массив, зависит от типа трещиноватости массива: чем больше содержание в массиве крупных отдельностей, тем больше их средний объем. Все породы по степени трещиноватости или содержанию в массиве крупных отдельностей условно разделены на пять категорий (таблица 1.2).

Таблица 1.2. Временная классификация пород по трещиноватости межведомственной комиссии по взрывному делу

Категория пород	Степень трещиноватости (блочности) пород	Среднее расстояние между трещинами, м	Удельная трещиноватость, м-1	Содержание (%) в массиве отдельностей размером, см
				30	70	100
I	Чрезвычайно трещиноватые (мелкоблочные)	До 0,1	Более 10	До 10	? 0	0
II	Сильнотрещиноватые (среднеблочные)	0,1-0,5	2-10	10-70	До 30	До 5
III	Среднетрещиноватые (крупноблочные)	0,5-1	1-2	70-100	30-80	5-40
IV	Малотрещиноватые (весьма крупноблочные)	1-1,5	0,65-1	100	80-100	40-100
V	Практически монолитные (исключительно крупноблочные)	Более 1,5	Менее 0,65	100	100	100

1.3 Геологические объекты горных работ

Объектами горных работ являются разнообразные горные породы. Горные породы делят на коренные и наносы. Коренными (магматические, метаморфические и осадочные) породами называют такие, которые залегают в толще земной коры на месте своего первоначального образования. Наносами называют рыхлые породы, образовавшиеся в результате разрушения коренных пород, отдельные частицы которых остались на месте или переносились на то или иное расстояние водой, льдом или ветром.

Большое теоретическое и практическое значение имеют форма и условия залегания месторождений полезных ископаемых.

По форме залегания месторождений твердых полезных ископаемых подразделяются на правильные и неправильные.

К правильным относятся пласты (рисунок 1.3) и пластообразные залежи. Пластом называется плитообразная залежь, имеющая значительное распространение в земной коре и ограниченная двумя более или менее параллельными плоскостями. Весьма тонкие пласты, не разрабатываемые вследствие малой мощности (до 0,4 м), называются прослойками. Плоскости соприкосновения пластов отдельных пород называются плоскостями напластования.

Рисунок 1.3. Пласт

Породы, залегающие над пластом полезного ископаемого, называются кровлей или висячим боком, залегающие ниже пласта - почвой или лежачим боком. Часть пласта, выходящая на земную поверхность или находящаяся неглубоко от нее под наносами, называется выходом пласта (под наносы).

Правильную форму залегания обычно имеют месторождения полезных ископаемых осадочного происхождения (уголь, горючие сланцы, различные соли, гипс, марганцевые руды и т.п.).

Рисунок 1.4. Формы залегания рудных тел: а - жила; б - шток; в - линзы; г - столб; д - гнезда

К неправильным месторождениям относятся жилы, штоки, линзы столбы, гнезда (рисунок 1.4). Неправильную форму залегания имеют, как правило, рудные месторождения магматического происхождения.

Жилой (схема а) называется заполненная минеральным веществом трещина в земной коре. Шток (схема б) - большие тела с весьма неправильными очертаниями. Линза (схема в) - округленные или овальные тела с уменьшением толщины к краям. Столб (схема г) - залежь, вытянутая в одном направлении. Гнезда (схема д) - скопления различных размеров и неправильной формы, неравномерно распределенных во вмещающих породах.

Пласты горных пород в период образования залегали более или менее горизонтально, но под действием тектонических (горообразовательных) процессов, протекавших в земной коре, первоначальное залегание пород нарушалось в той или иной степени. В некоторых районах пласты оказались собранными в складки. Они могут занимать любое положение в земной коре.

Нарушения нормального залегания пластов называются дислокациями. Дислокации без разрыва сплошности называются пликативными, с разрывом сплошности - дизъюнктивными.

К пликативным нарушениям относятся утолщения и утонения пластов, а также складчатость (рисунок 1.5). Складка, обращенная выпуклостью вниз, называется синклиналью, а выпуклостью вверх - антиклиналью.

Рисунок 1.5. Складчатость месторождения

К дизъюнктивным нарушениям относятся сбросы, взбросы, надвиги и др. (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6. Дизъюнктивные нарушения: а - сброс; б - взброс

Положение месторождения в земной коре определяется элементами его залегания. К ним относятся простирание и падение.

Протяжение пласта в длину называется простиранием. Линия пересечения пласта с горизонтальной плоскостью называется линией простирания (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7. Элементы залегания пласта

Направление простирания пласта определяется углом, который составляет линия простирания с меридианом. Линия, лежащая в плоскости пласта перпендикулярно линии простирания, называется линией падения, а само направление этой линии - падением пласта. Угол, который составляет линия падения пласта с горизонтальной плоскостью, называется углом падения пласта.

Мощность пласта или иной залежи как элемент залегания представляет собой расстояние по нормали между кровлей и почвой. Такую мощность т называют истинной, или нормальной. Расстояние между кровлей и почвой, измеряемое по горизонтали, называют горизонтальной мощностью mг, а по вертикали - вертикальной мощностью mв (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8. Параметры пространственной ориентации месторождения полезных ископаемых: 1 - висячий бок залежи; 2 - лежачий бок залежи; 3 - нормальная (по перпендикуляру) мощность рудного тела; 4 - горизонтальная мощность; 5 - угол падения залежи; 6 - угол склонения рудного тела; 7 - длина простирания; 8 - глубина залегания; 9 - глубина распространения

Месторождения полезных ископаемых отличаются весьма разнообразными условиями залегания, влияющими на выбор технических средств и порядок производства горных работ.

Типы месторождений различают по характерным признакам.

По форме выделяют залежи:

изометрические - развитые примерно одинаково во всех направлениях: штоки, гнезда и т.п.;

плитообразные - вытянутые преимущественно в двух направлениях при относительно небольшой мощности: пласты, пластообразные залежи, линзы;

столбообразные и трубообразные - вытянутые в одном направлении (главным образом по падению) при сравнительно небольших, мало отличающихся друг от друга размерами в сечении;

смешанные - представленные одновременно несколькими формами (например, пласты и линзы, столбы и жилы);

сложные - когда трудно выделить преимущественное тяготение к одной из перечисленных групп (например, ветвящиеся жилы, вкрапленности, гнезда).

Рельеф поверхности может быть равнинным, холмистым, представлен возвышенностью или ее склоном, наконец, залежь может находится под водой.

По строению различают: простые залежи с однородным строением без прослоек и включений; сложные залежи содержащие прослои, пропластки, включения пустых пород; рассредоточенные залежи, имеющие сложное строение, при котором полезное ископаемое и пустые породы распределены в толще земной коры без определенной закономерности и четко выраженных контактов.

По углу падения залежи делят на горизонтальные, пологие, наклонные, крутые (крутопадающие) и сложного залегания (таблица 1.3).

Таблица 1.3. Классификация залежей полезных ископаемых по углу падения

Тип залежи	Угол падения, градус
	при подземной разработке	при открытой разработке
Горизонтальные	0	0
Пологие	До 20	До 10
Наклонные	20-50	10-30
Крутые	Более 50	Более 30
Сложного залегания	Переменное направление падения

Классификация залежей по мощности представленная в таблице 1.4 обуславливает, также как и классификация залежей по углу падения технологию и способ разработки.

Таблица 1.4. Классификация залежей полезных ископаемых по мощности

Тип залежи	Мощность, м
	при подземной разработке, т	при открытой разработке
		горизонтальные и пологие, mв	наклонные и крутые, mг
Тонкие	До 0,8	-	-
Весьма малой мощности	-	До 5	До 25
Малой мощности	0,8-3	5-20	25-75
Средней мощности	3-20	20-40	75-150
Мощные	Более 20	-	-
Большой мощности	-	Более 40	Более 150

1.4 Способы разработки месторождений полезных ископаемых

Способ разработки (способ добычи) - это совокупность технических средств и технологических процессов по извлечению полезных ископаемых из недр Земли.

Существуют следующие способы добычи полезных ископаемых: подземный, открытый, комбинированный, со дна водоемов (озер, морей и океанов), геотехнологический и скважинный. Добычу полезных ископаемых осуществляют горные предприятия.

Горное предприятие - самостоятельная производственная единица, осуществляющая разведку, добычу и обогащение полезных ископаемых. Горное предприятие, осуществляющее добычу и первичное обогащение полезных ископаемых, называется горнодобывающим. Существуют следующие виды горнодобывающих предприятий: шахта, рудник, карьер (разрез), прииск, промысел.

Шахта - горное предприятие, предназначенное для добычи полезных ископаемых подземным способом.

Рудник - горное предприятие, служащее в основном для подземной добычи руд, горно-химического сырья и строительных материалов. Этим понятием иногда пользуются для обозначения нескольких шахт (карьеров), объединенных в единую административно-хозяйственную единицу с централизованным хозяйством.

Карьер - горное предприятие, осуществляющее добычу полезных ископаемых открытым способом. Разрез - карьер по добыче угля.

Прииск - горное предприятие по добыче россыпных месторождений драгоценных металлов (золотой прииск).

Промысел - горное предприятие по добыче жидких и газообразных полезных ископаемых (нефтяной промысел).

Разработкой месторождения называют комплекс работ по вскрытию, подготовке и выемке полезного ископаемого. Эти работы являются стадиями разработки месторождения. Вскрытие и подготовка осуществляется посредством проведения горных выработок. Выемку (добычу) полезного ископаемого ведут в забоях, применяя при этом различные способы его разрушения.

Открытый способ предусматривает добычу полезных ископаемых непосредственно с дневной поверхности.

Открытые горные работы наболее древний способ. Еще 10 - 12 тыс. лет назад твердые породы для каменных орудий человек добывал из ям, канав. В дальнейшем их вытеснили подземные.

Потребовался новый качественный скачок в развитии механизации горных работ, чтобы открытая добыча полезных ископаемых стала ведущей.

Более 60% угля и минерального сырья для потребностей энергетики, черной и цветной металлургии и 99% сырья для производства стройматериалов добывается открытым способом.

Глубина некоторых карьеров достигает 700-800 м, их производительность достигает 200-300 млн.м3/год по горной массе.

В ближайшем будущем минерально-сырьевая база будет характеризоваться:

- снижением качества полезных ископаемых;

- увеличением глубины разработки

- усложнением горно-геологических условий

- ухудшением экономических показателей за счет увеличения себестоимости разработки.

Развитие геотехнологических методов добычи позволит ввести в эксплуатацию более бедные, глубоко залегающие месторождений со сложными горно-геологическими условиями, разработка которых обычными способами нерентабельна.

Физико-химические методы добычи полезных ископаемых отличаются экологической чистотой, позволяют избежать выдачи на поверхность пустых пород, исключить присутствие людей под землей, повысить производительность труда, полностью автоматизировать все технологические процессы. Социальные последствия их использования выразятся в изменении места и роли человека-горняка, содержания, характера его труда.

2. ОСНОВЫ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

2.1 Общие сведения о технологии открытых горных работ

Открытая разработка представляет собой комплекс горных работ, при котором все производственные процессы, необходимые для извлечения полезного ископаемого из недр земли, совершаются непосредственно с земной поверхности (рисунок 2.1). Поэтому применялась она еще в древнейшее время, когда извлекались только те полезные ископаемые, которые залегали наиболее близко к земной поверхности. По мере увеличения глубины работ открытый способ становился невыгодным, так как удаление увеличивающегося объема пустых пород посредством мускульного труда было слишком трудоемким и дорогим.

Поэтому открытый способ разработки на длительное время был в основном вытеснен подземным, при котором не требовалось выемки пустых пород. Лишь с конца XIX века в связи с внедрением горных машин открытые работы начали получать широкое распространение. С этого времени, а особенно в 30-50 годы XX столетия, применение открытого способа разработки непрерывно расширялось во всем мире. Так, если в 1950 г. доля добычи угля открытым способом составляла 11 %, то к 1980 г. она увеличилась до 38 %, а по Кузбассу составляет более 40 %. За это же время объем добычи железной руды возрос с 44 до 88%.

В России наиболее старыми являются Уральские железорудные карьеры. Горные работы в них ведутся с XVIII века - на Гороблагодатском с 1735 г., на Высокогорном с 1781 г. Однако техническая оснащенность карьеров была низкой - преобладали ручная погрузка и конная откатка грузов. Горное машиностроение было развито слабо. Путиловский завод, единственный в России изготовлявший экскаваторы, выпустил всего 25 штук. Они были громоздкие, малопроизводительные, с паровым приводом и на железнодорожном ходу.

Значительное развитие открытых горных работ началось в период первых пятилеток. Были введены в действие такие крупные карьеры, как Магнитогорский железорудный (1930 г.), Коунрадский меднорудный (1936 г.), Краснобродский и Бачатский угольные разрезы (1948-1950 гг.) и др.

Рисунок 2.1. Схема открытой разработки месторождения: 1 - экскаватор;

2 - автосамосвал; 3 - бульдозер; 4 - буровой станок; 5 - рабочие горизонты; 6 - взорванная масса; 7 - залежь полезного ископаемого;

8 - скважины; 9 - въездная траншея; 10 - отвал пустых пород

Наиболее быстрое развитие открытых горных работ началось в послевоенный период, чему способствовал выпуск современного карьерного горнотранспортного оборудования. В период 1947-1950 гг. на карьеры стали поступать экскаваторы СЭ-3, драглайны ЭШ-4/40, ЭШ-6/60, ЭШ-14/65, большегрузные автосамосвалы и думпкары и другая техника, что способствовало значительному улучшению технико-экономических показателей открытого способа добычи. Для разработки скальных пород в дальнейшем были созданы новые буровые станки шарошечного и огневого бурения, карьерные экскаваторы мехлопаты с ковшом вместимостью до 20 м3, думпкары грузоподъемностью 180 т, автосамосвалы грузоподъемностью 110-180 т, а также целая серия вспомогательного оборудования.

С внедрением новой техники совершенствовались технология ведения горных работ и параметры карьеров. Сейчас проектируются карьеры глубиной до 700 м. Высота уступа увеличилась с 7 до 40 м. Широкое применение получили бестранспортные и транспортно-отвалъные технологические схемы, повысилась интенсивность отработки (углубка карьеров достигает 15-20 м/год), возросла производственная мощность карьеров.

Одной из характерных особенностей открытых горных является необходимость удаления значительных объемов покрывающих и вмещающих пород. Поэтому, при открытой разработке различают вскрышные и добычные работы.

Под вскрышными работами понимают совокупность производственных процессов по выемке и удалению пустых пород, обеспечивающих доступ к полезному ископаемому.

Добычными работами называют совокупность производственных процессов по извлечению полезного ископаемого из недр земли.

Объем вскрышных работ обычно в несколько раз превышает объем добычных, а при добыче ценных полезных ископаемых - и в 10-20 раз. Вскрышные и добычные работы ведутся совместно, причем вскрышные несколько опережают добычные во времени и пространстве. Вскрышу укладывают в специальные насыпи - отвалы. Совокупность объемов пустых пород и полезного ископаемого называют горной массой.

Количественная оценка удаляемых вскрышных пород производится с помощью специального показателя - коэффициента вскрыши. Под ним понимают объемное ли весовое количество пустых пород, приходящееся на единицу объема или массы полезного ископаемого. Коэффициент вскрыши показывает, какое количество вскрыши необходимо переместить в отвалы для добычи единицы полезного ископаемого. Коэффициент вскрыши измеряется в т/т, м3/м3, м3/т.

Различают несколько основные виды коэффициентов вскрыши (рисунок 2.2):

средний (Кср) - отношение объема вскрышных пород в конечных контурах карьера к запасам полезного ископаемого в этих же контурах;

текущий (Кт) - перемещаемых в отвалы в течение месяца, квартала, полугодия, года,

эксплуатационный (Кэ) - отношение объема вскрышных пород к объему полезного ископаемого за период эксплуатации карьера;

граничный (Кгр) - максимально допустимое соотношение объемов пустых пород и полезного ископаемого, при котором открытая разработка месторождения экономически целесообразна.

Рисунок 2.2. Схемы к расчету коэффициентов вскрыши: а - средний; б - текущий; в - эксплуатационный; г - граничный

Разработка месторождения открытым способом рентабельна, когда себестоимость добычи полезного ископаемого (Со) не превышает какой-то допустимой величины (Си). В качестве допустимой себестоимости чаще всего принимают оптовую цену за 1 м3 полезного ископаемого или себестоимость добычи подземным способом. Граничное условие Со = Си. Границу открытых горных работ (предельную глубину карьера) устанавливают по величине граничного коэффициента вскрыши, из условия Кср ? Кгр. В ходе разработки месторождения открытым способом мож-но выделить четыре периода: подготовительный, строительный, эксплуатационный, заключительный.

Подготовительный период включает работы по подготовке месторождения, осушению и ограждению от вод поверхностного стока.

В строительный период входят работы по созданию начального фронта вскрышных и добычных работ, строительство транспортных коммуникаций.

Эксплуатационный период охватывает горные работы по вскрыше и добыче в пределах плана.

Заключительный период - это работы по рекультивации нарушенных горными работами земель.

Степень экономической эффективности открытых горных работ характеризуется величиной технико-экономических показателей, к основным из которых относятся прибыль, рентабельность, себестоимость.

Под прибылью понимается разница между ценностью реализуемой товарной продукции и затратами на ее производство.

Рентабельность - это отношение прибыли, полученной в течение года, к общей величине средств (основных и оборотных фондов), находящихся на предприятии.

Себестоимость (Со) - затраты, приходящиеся на 1 т добычи полезного ископаемого, складываются из затрат на собственно добычу (Сд) и вскрышу (Св):

Со = Сд + Св·К,

где К - коэффициент вскрыши, т/т.

Преимущества открытых горных работ по сравнению с подземными состоят в следующем:

- применение более мощной и производительной техники, в результате чего достигается лучшие технико-экономические показатели - производительность труда в 5-8 раз выше, а себестоимость добычи в 2-4 раза ниже, чем на шахтах;

- капитальные затраты, связанные со строительством карьера в 2-4 раза меньше, чем на строительстве шахт одинаковой с карьером мощностью;

- более высокие темпы роста производительности труда и снижения затрат на добычные работы;

- на карьерах меньше потери полезного ископаемого и легче производить раздельную выемку различных сортов руд;

- при открытой разработке месторождений легче увеличить в случае надобности производственную мощность предприятия;

- на карьерах обеспечиваются более высокая безопасность труда и лучшие производственные условия.

Вместе с тем открытым разработкам свойственны и недостатки:

- необходимость отчуждения больших земельных угодий для размещения карьеров и отвалов пустых пород;

- понижение уровня грунтовых вод на больших площадях;

- зависимость от климатических условий, что наиболее сильно проявляется в условиях сурового климата.

2.2 Основные понятия, элементы и параметры карьера

Карьер в хозяйственном значении - это горное предприятие, осуществляющее открытую разработку месторождения, а в техническом значении - это совокупность открытых горных выработок, служащих для разработки месторождения. Угольные карьеры обычно называют разрезами.

Месторождения или его часть, разрабатываемые одним карьером, называется карьерным полем. Площадь карьерного поля обычно составляет от 0,5 до 4 тыс. га. Участок земной поверхности, занимаемый карьером, его службами и цехами, называется земельным отводом. Площадь земельного отвода во много раз превышает площадь карьерного поля. На рисунке 2.3 представлена схема основных объектов карьера в границах земельного отвода.

Рисунок 2.3. Схема основных объектов: 1 - карьерное поле; 2 - отвал вскрышных пород; 3 - железнодорожная станция; 4 - административный корпус; 5 - дробильно-сортировочная фабрика; 6 - граница земельного отвода

В процессе горных работ поверхность карьерного поля полностью нарушается и в толще земной коры образуется открытое выработанное пространство.