Подземная разработка рудных месторождений


в. и. голик












                ПОДЗЕМНАЯ РАЗРАБОТКА РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ








Допущено учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки (специальностям) «Горное дело» и «Физические процессы горного или нефтегазового производства»














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.274
ББК 33.21
     Г60




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горного дела Северо-Кавказского государственного технологического университета Габараев Олег Знаурович;
доктор технических наук, профессор, ректор Южно-Российского государственного политехнического университета Разоренов Юрий Иванович





        Голик, В. И.

Г60 Подземная разработка рудных месторождений : учебное пособие / В. И. Голик. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 212 с. : ил., табл.

         ISBN 978-5-9729-0793-9


      Изложены аспекты подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Дана характеристика рудных месторождений. Систематизированы основные понятия разработки месторождений. Описаны технологические процессы горных работ. Приведены сведения о вскрытии и подготовке месторождений. Даны классификации и условия применения систем подземной разработки месторождений.
      Для студентов и преподавателей горных вузов. Может быть полезно инженерам и широкому кругу читателей.

                                                                 УДК 622.274
                                                                 ББК 33.21












ISBN 978-5-9729-0793-9     © В. И. Голик, 2022

                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ....................................................5

1. СВЕДЕНИЯ О МЕСТОРОЖДЕНИИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.............8
1.1. Запасы полезных ископаемых.............................8
1.2. Свойства пород и массивов.............................11
1.3. Свойства руд..........................................26

2. ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.......................................29
2.1. Способы разработки месторождений......................29
2.2. Порядок разработки месторождений......................33
2.3. Показатели эффективности разработки месторождений.....37

3. ВСКРЫТИЕ И ПОДГОТОВКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.......................................42
3.1. Способы вскрытия месторождений........................42
3.2. Выработки вскрытия....................................48
3.3. Способы подготовки месторождений......................50

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНЫХ РАБОТ...................59
4.1. Отбойка руды..........................................59
4.2. Доставка, выпуск и погрузка руды......................67
4.3. Поддержание выработанного пространства................75

5. СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ............89
5.1. Системы разработки рудных месторождений...............89
5.2. Показатели эффективности разработки месторождений.....96
5.3. Условия применения систем разработки..................97

6. СИСТЕМЫ С ЕСТЕСТВЕННЫМ ПОДДЕРЖАНИЕМ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА...............................100
6.1. Системы разработки с открытым очистным пространством.100
6.2. Системы разработки с магазинированием руды...........114
6.3. Оценка систем разработки.............................121

7. СИСТЕМЫ С ИСКУССТВЕННЫМ ПОДДЕРЖАНИЕМ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА...............................123
7.1. Системы разработки с закладкой.......................123


3

7.2. Системы разработки с креплением......................139
7.3. Системы разработки с креплением и закладкой..........140

8. СИСТЕМЫ С ОБРУШЕНИЕМ РУД И ПОРОД.......................143
8.1. Системы разработки с обрушением пород................143
8.2. Системы разработки с обрушением руды и пород.........149
8.3. Системы разработки с обрушением ядерным взрывом......166

9. КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.............................................170
9.1. Комбинированные системы с открытыми камерами.........170
9.2. Комбинированные системы с магазинированием руды......171
9.3. Комбинированные системы разработки с закладкой камер.172

10. ВЫБОР СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ................174
10.1. Методика сравнения систем разработки................174
10.2. Факторы, учитываемые при выборе системы разработки..178
10.3. Выбор параметров системы разработки.................181

11. ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ РЕГИОНА КМА...............................................183
11.1. Минерально-сырьевая база производства металлов......183
11.2. Пути развития традиционного горного производства....188
11.3. Экологические аспекты разработки месторождений......196

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................204
ЛИТЕРАТУРА................................................206


4

            ВВЕДЕНИЕ



    Россия является одним из мировых лидеров по запасам, добыче и переработке металлических руд. Так, на ее территории сосредоточено до 26 % мировых запасов железных руд. Однако по объему добычи железных руд Россия оказалась лишь на пятом месте, значительно уступая Китаю, Бразилии, Австралии и Индии. Произошло это не из-за сокращения российской добычи - наоборот, в этот период она постоянно росла, а вследствие увеличения доли других государств.
    Добыча и переработка металлического сырья является основой экономики области России, поэтому реализация программы освоения и рационального использования минерально-сырьевых ресурсов недр является важнейшим направлением его региональной политики.
    Установление особенностей залегания руд и совершенствование технологии их добычи и переработки в полной мере отвечают одному из важнейших направлений критических технологий Российской Федерации - «Оценка, комплексное освоение и глубокая переработка стратегически важного сырья» в общей проблеме Решения Совета безопасности Российской Федерации «О сырьевой безопасности России в XXI веке».
    Запасы руд на небольшой глубине разрабатываются открытым способом. Так, в регионе КМА открытым способом эксплуатируются Лебединское, Южно-Лебединское и Стойленское месторождения. На сравнительно небольшой глубине локализуются запасы и других месторождений. Но перспективы добычи руд связаны с подземным способом разработки. Белгородское месторождение богатых железных руд локализуется уже на глубинах 400-700 м.
    Большинство месторождений России залегают на больших глубинах или уже не могут извлекаться открытым способом по экономическим соображениям. Поэтому в ближайшей перспективе им предстоит технологическая диверсификация: освоение технологий разработки месторождений подземным способом.
    Большинство регионов, на территории которых находятся месторождения, характеризуется высокой плотностью населения и располагает плодородными землями, которые являются основой продовольственной безопасности РФ. Поэтому уже в ближайшем будущем могут оказаться неприемлемыми технологии с разрушением земной поверхности, которые еще недавно были приоритетными.
    Теория и практика разработки месторождений позволяют прогнозировать в качестве основной технологии камерную систему разработки с закладкой пустот твердеющими смесями. Эта технология характеризуется хорошими показателями качества руд, полнотой использования недр и высокой производительностью добычи, но требует высоких эксплуатационных затрат на изготовление 5

твердеющих закладочных смесей. Добыча компонентов твердеющих смесей в объемах, сравнимых с объемами добычи руд, еще более усугубит экологическую ситуацию в горнодобывающих регионах, которая и сейчас уже квалифицируется как близкая к катастрофической.
    Концепция освоения месторождений полезных ископаемых реализуется решением технологических задач, в том числе:
    -  освоение новых технологии разработки месторождений, например, подземного выщелачивания металлов;
    - освоение технологий глубокой переработки отходов производства.
    В XXI веке важнейшими направлениями в области добычи сырья будут: конверсия от разрушающих геологическую среду технологий добычи к природоохранным технологиям и освоение безотходных технологий переработки минерального сырья.
    Объектом подземной разработки месторождений полезных ископаемых является рудовмещающий массив, сложенный горными породами. Состояние массива в процессе разработки определяется совместным влиянием природных и техногенных условий. Техногенные условия создаются в результате вмешательства в процесс извлечения геоматериалов из недр и могут корректироваться во времени и пространстве.
    В результате техногенного вмешательства вокруг горных выработок возникают зоны, а породы приобретают свойства дискретной среды, элементарные частицы которой вступают в сложное и трудно-контролируемое взаимодействие друг с другом, вызывая проявления горного давления в форме сдвижений, вплоть до разрушения земной поверхности.
    В случае выхода зон сдвижения за предельно допустимые границы окружающей среды: литосфере, гидросфере и атмосфере наносится непоправимый ущерб. Металлические месторождения сложены скальными и полускальными породами с повышенной акустической жесткостью и развитием коры выветривания. С глубиной напряженность горного массива увеличивается и в районе очистных работ она зависит в большей степени от геомеханических характеристик вмещающих пород, чем от глубины.
    Существующие технологии управления состоянием рудовмещающих массивов еще не в полной мере учитывают возможность сохранения земной поверхности и горных объектов от разрушения регулированием уровня напряжений. Эффективность разработки сложноструктурных месторождений обеспечивается совокупным влиянием научно-исследовательских работ на всех этапах эксплуатации горных предприятий.
    Деятельность горных инженеров в качестве исследователей, проектировщиков, технологов связана с учетом закономерностей взаимодействия природных и 6

техногенных факторов эксплуатации месторождений для безопасной и экономически эффективной разработки недр. Механизм взаимодействия базируется на комплексном использовании общетехнических, специальных и прикладных дисциплин: физики и механики горных пород, геологии, сопротивления материалов и многих др.
    Современным инженерам предстоит отыскать еще не использованные резервы традиционных технологий разработки месторождений, решая задачи на стыке безопасности работающих и окружающей среды, качества продукции и экономической целесообразности добычи и переработки минерального сырья.
    Соавторами отдельных разделов учебного пособия являются: проф. Дребен-штедт К. Д. (раздел 3.1), проф. Комащенко В. И. (раздел 4.1), проф. Полухин О. Н. (11.3) и проф. Разоренов Ю. И. (раздел 10.2).

7

            1. СВЕДЕНИЯ О МЕСТОРОЖДЕНИИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ


        1.1. Запасы полезных ископаемых

    Месторождением полезных ископаемых называют природное скопление содержащих полезные компоненты минералов в земной коре. Месторождения подразделяют на группы: рудные, пластовые и россыпные. Крудным относят месторождения металлических руд и близкие по параметрам образования нерудные месторождения, а к пластовым - угольные и сланцевые месторождения.
    Полезным ископаемым называют природное минеральное вещество, которое при данном уровне техники и технологии экономически целесообразно извлекать из недр земли для использования. Полезные ископаемые подразделяют на рудные и нерудные. По свойствам подразделяют на твердые, жидкие и газообразные.
    Твердые полезные ископаемые подразделяют на группы:
    -  горючие (уголь, горючие сланцы, торф);
    -  металлические - руды (железные, медные, золотые и др.);
    -  неметаллические (сера, соль, апатит, огнеупоры, флюсы и др.).
    Металл в руде находится чаще всего в виде химических соединений - рудных минералов. Например, свинец - в виде галенита (PbS); олово в виде касситерита (SnO2), цинк в виде сфалерита (ZnS) и др.
    По виду технологий добычи месторождения группируют: нефти и газа, торфа, угля и горючих сланцев, рудные, нерудные и россыпные.
    Месторождения различаются формой рудных тел - пласты, пластообразные залежи, штоки, линзы, жилы и т.д. Мощность рудных тел колеблется от первых сантиметров до десятков и сотен метров. Угол падения рудных тел изменяется от горизонтального и пологого (0-25°) до крутого (45-90°). Протяженность залежей достигает десятков километров, а глубина залегания под поверхностью Земли достигает километров.
    Запасы полезного ископаемого в пределах месторождения называют геологическими.
    Балансовыми являются запасы, использование которых экономическице-лесообразно. Забалансовые запасы - запасы, которые при современном состоянии технологии добычи и переработки извлекать нецелесообразно.
    Разделение запасов осуществляется на основе кондиций, установленных для каждого месторождения или для группы месторождений. Кондиции определяют минимальное промышленное содержание полезного компонента - предел, ниже которого руда становится экономически невыгодной для добычи.


8

    Промышленные или извлекаемые запасы представляют собой разницу между балансовыми запасами и потерями руды в процессе добычи.
    Смесь руды и пустых пород, образующуюся в процессе добычи, называют горной массой.
    По степени изученности запасы подразделяют на категории.
    Категория А - запасы, разведанные и изученные с детализацией условий залегания, формы и строения рудных тел, типа и сорта сырья, технологических свойствах и природных факторах, определяющих условия добычи. Контур запасов определяют горными выработками.
    Категория В - запасы, разведанные и изученные с меньшей достоверностью. Контур запасов определяют данными разведочных работ.
    Категория Ci - запасы, разведанные и изученные только в общих чертах. Контур запасов полезных ископаемых определяют на основании разведочных скважин и выработок и геологических данных.
    Категория C2 - запасы, оцененные ориентировочно. Условия залегания полезных ископаемых определяют на основании данных в отдельных точках

рудного тела или по аналогии.

    Запасы очистного блока представляют собой совокупность балансовых и












забалансовых запасов полезных ископаемых месторождения, границы которых












определяют принятыми методами (рис. 1.1).












Рис. 1.1. Соотношение балансовых и забалансовых запасов при добыче руд: а - разрез по очистному блоку; б - элементарная ячейка приконтурной зоны; 1 - контур балансовой руды; 2 - границы приконтурной зоны; 3 - граница добычи руд; 4 - включения пород и забалансовых руд; 5 - подэтажные выработки; 6 - потерянные руды; 7 -разубоживающие породы; 8, 9 - взрывные и разведочные скважины; Хп -д - границы приконтурной зоны

9

    Прогнозные запасы определяют для оценки потенциальных возможностей месторождений на основе геологических представлений.
    Месторождения возможны для разработки при наличии утвержденных Государственной комиссией по запасам балансовых запасов полезных ископаемых категорий А, В, Ci.
    По сложности месторождения подразделяют на группы.
    Первая группа - месторождения простого строения с выдержанной мощностью тел полезных ископаемых и равномерным распределением полезных компонентов. По категории А должно быть разведано не менее 10 % балансовых запасов, а по категории А + В - не менее 30 %.
    Вторая группа - месторождения сложного строения с невыдержанной мощностью тел полезных ископаемых и неравномерным распределением полезных компонентов. По категории В должно быть разведано не менее 20 % запасов.
    Третья группа - месторождения очень сложного строения с резко изменчивой мощностью тел полезных ископаемых или с весьма невыдержанным содержанием полезных компонентов. Запасы должно быть разведованы по категории Ci.
    Потери полезных ископаемых - разница между балансовыми и промышленными запасами.
    В ходе разработки месторождений методами эксплуатационной разведки соотношение балансовых и забалансовых запасов уточняется.
    Движение запасов - изменение состояния запасов в процессе разработки месторождения.
    Запасы рудных полезных ископаемых локализуются в пределах месторождений, сложенных скальными и полускальными массивами осадочно-вулкано

генного и интрузивного происхождения.
    Они характеризуются сложным строением, обусловленным системой тектонических нарушений мощностью от сантиметров до десятков и сотен метров (рис. 1.2).

Рис. 1.2. План месторождения сложной формы в системе текто-ническихнарушений (заштрихована руда)

10

        1.2. Свойства пород и массивов


    Горные породы - природные минеральные агрегаты, слагающие литосферу Земли в виде самостоятельных геологических тел и обладающие комплексом морфологических особенностей.
    Массив горных пород - участок развития физико-механических явлений и процессов в результате воздействия естественных или техногенных факторов, особенностью которого является неоднородность и общность условий образования и инженерно-геологических характеристик.
    Горные породы характеризуются упругими, прочностными, радиационными и др. физическими свойствами. Породы могут быть скальными, полускаль-ными, разрушенными, сыпучими, плотными и мягкими. Они обладают рядом горнотехнических свойств: абразивностью, твердостью, крепостью, буримостью и взрываемостью. Совокупность физических и горнотехнических свойств пород называют физико-техническими свойствами.

    Свойством, влияющим на эффективность разработки месторождений, является нарушенность пород геологическими структурами, в результате которой породы превращаются в дискретную среду (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Разрушение пород геологическими структурами: слева - выработка в лежачем боку разлома; справа - в лежачем боку разлома

    Совокупность физико-химических и иных свойств пород, а также естественной напряженности массивов называют природными условиями разработки месторождений. Эти условия существуют объективно и до вмешательства горными работами являются постоянными.
    На технологию добычи влияют крепость и устойчивость руд и пород. Классификация горных пород по коэффициенту крепости впервые предложена русским ученым проф. М. М. Протодьяконовым. Устойчивость выражается в способности массива пород, обнаженного снизу или с боков, не обрушаться в течение определенного времени.


11

    Помимо физико-механических свойств пород на устойчивость массива влияют глубина расположения горной выработки, направление ее по отношению к горизонту, форма и размеры и др. факторы.
    По устойчивости руды и породы подразделяют на группы:
    Весьма неустойчивые не допускают обнажения кровли и боков выработки без крепления: плывуны, сыпучие, рыхлые породы, насыщенные водой.
    Неустойчивые - допускают небольшое обнажение кровли, но требуют прочного поддержания ее.
    Средней устойчивости - допускают обнажение кровли на сравнительно большой площади, но при длительном обнажении требуют поддержания.
    Устойчивые — допускают значительное обнажение пород кровли и боков.
    Очень устойчивые - допускают большие обнажения пород кровли и боков в течение длительного времени.
    Напряженность - реакция массива на совместное действие гравитации, тектоники и температуры вблизи стенок выработок, целиков и на контакте порода-крепь. Напряжения в массиве формируются естественным полем напряжений и напряжениями, возникающими в связи с горными работами (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Распределение главных напряжений в окрестностях массива твердеющей закладки: о 1 - горизонтальные напряжения; о2 - вертикальные напряжения; т.1-т.3 - точки измерения напряжений

    Определяющая роль принадлежит гравитационному и тектоническому силовым полям, действующим в массиве. В нетронутом массиве действуют природные силы, связанные по А. Гейму - А. Диннику зависимостями:

12