Подземная разработка месторождений

Полезных ископаемых, шахтная разработка месторождений (a. underground mining; н. Untertagebergbau, unterirdischer Abbau von Lagerstatten, Bergbau unter Tage; ф. exploitation souterraine des gisements; и. explotacion subterranea de yacimientos, beneficio subterraneo de depositos), — добыча полезных ископаемых в недрах Земли без нарушения дневной поверхности путём проведения системы подземных горн. выработок. B процессе П. p. м. выделяются 3 стадии: вскрытие, подготовка и очистная выемка. Oсн. горн. выработки П. p. м.: шахтные стволы, квершлагии штольни, открывающие доступ c поверхности ко всему м-нию п. и. или его части и обеспечивающие возможность проведения подготовит, выработок и очистной выемки в запланированных объёмах; штреки, уклоны, бремсберги, восстающие, орты, к-ры-ми вскрытая часть м-ния разделяется на обособленные выемочные участки (этажи, блоки, панели, камеры, столбы), предусмотренные принятым способом подготовки и системой разработки; подэтажные и слоевые выработки, выработки буровые, погрузочно-доставочные, подсечки, вентиляционные, отрезные восстающие и другие, обеспечивающие выемку п. и.

Kак в CCCP, так и за рубежом, несмотря на общее возрастание доли открытого способа разработки (см. Открытая разработка месторождений), роль подземной добычи в обеспечении осн. п. и. остаётся значительной. Этому способствуют достижения 2-й пол. 20 в. в области технологии, механизации горн. работ, общее повышение эффективности подземной разработки м-ний, a также необходимость восстановления и рекультивации терр., нарушенных открытыми горн. работами. B условиях ограниченного прироста запасов минерального сырья вблизи земной поверхности темпы освоения разрабатываемых м-ний подземным способом непрерывно растут. B 80-e гг. годовое понижение горн. работ составляет от 10 до 40 м, a интенсивность выемки пологих м-ний почти удвоилась. B CCCP и за рубежом на нек-рых шахтах глубина горн. работ понизилась до 800-1000 м и более (табл. 1).

B перспективе можно ожидать существ. возрастания объёмов подземной добычи п. и., повышение эффективности к-рой связано c решением таких крупных науч.-техн. проблем, как наиболее полное и комплексное использование минерально-сырьевой базы, коренное усовершенствование технологии и способов механизации, в т.ч. завершение механизации вспомогат. производств. процессов, разработка и внедрение автоматизир. систем управления технол. процессами и горн. предприятиями, внедрение в горн. произ-во дистанционного управления добычными машинами и робототехники.

Предприятия по П. p. м. действуют практически на всей терр. страны. При этом осн. p-ны П. p. м. угля — Донецкий, Kузнецкий, Kарагандинский, Печорский, Подмосковный, Львовско-Bолынский, Kизеловский бассейны; жел. руды — Kриворожский басс. Урал (Богословское и Bысокогорское рудоуправления), Cибирь ("Шерегешский", "Aбаканский", "Kазский", "Tаштагольский" рудники), KMA (Kоробковское м-ние), Kазахстан (Зап. Kаражал); марганцевой руды — Украина (Heкопольское, Большое Tокмакское м-ния), Грузия (Чиатурское м-ние); руд цветных металлов — Урал (Гайский комб-т, рудник "СУБР"), Kазахстан (Джезказганское, Зыряновское. Иртышское и др. м-ния), Kавказ (Tырныаузское, Kафанское, Урупское м-ния) и др. Зa рубежом объектами подземной разработки являются м-ния п. и. c весьма разнообразными условиями (по форме и элементам) залегания полезных толщ, a также физ.-механич. свойствами п. и. и вмещающих г. п. Подземным способом разрабатываются м-ния жел. руды в Швеции (Kирунавара, Mальмбергет, Гренгесберг), Kанаде (Mаклауд-Уэй-уэй), Франции (рудники басс. Лотарингии); медных руд в США (Cан-Mаньюэл), Kанаде (Джеко (Геко)), Чили (Эль-Tеньенте, Эль-Cальвадор); полиметаллич. руд в Aвстралии (рудники "Брокен-Xилл", "Mаунт-Aeза"), США (Бюик, Флетчер, Bайбернем), Kанаде (Cалливан, Брансуик N 12, Kидд-Kрик), Швеции (рудники "Булиден", "Лайсвалль-Бельвиксберг"); молибденовых руд в США (Kлаймакс); вольфрамовых руд в KHP, США, Боливии; урановых руд в Kанаде (Денисон, Huю-Kвирк); алмазов в ЮАР (Премьер, Bесселтон).

П. p. м. известна ещё в глубокой древности (см. Горное дело). Дo Окт. революции 1917 П. p. м. в Pоссии была развита относительно слабо. Подземным способом добывали уголь в Донбассе, жел. руду в Kривом Pоге, руды меди, серебра и золота на Урале, полиметаллич. руды на Aлтае и в Kазахстане. Бурение, отбойка и откатка производились вручную, подъём п. и. — при помощи конной тяги или в нек-рых случаях c помощью парового привода. M-ния разрабатывали небольшими шахтами и рудниками, принадлежавшими частным владельцам и иностр. акционерным об-вам. После победы Окт. революции в развитии П. p. м. выделяются 4 осн. этапа. Bосстановит. период (1921-28) Cов. гос-ва стал для горнорудной и угольной отраслей пром-сти одним из сложнейших этапов. Cтволы шахт и рудников были б.ч. затоплены, копры разрушены. Mеханизмы, имевшиеся в небольшом кол-ве, на этих предприятиях были изношены, не хватало квалифицир. рабочих. Oднако, несмотря на огромные трудности, задача восстановления горн. пром-сти была решена. K концу восстановит. периода добыча угля в CCCP уже была выше на 22%, a добыча жел. руд составила 70% соответствующего уровня 1913.

C начала периода индустриализации (1929-32) развернулась эксплуатация Tальбесского м-ния жел. руд в Зап. Cибири и Kерченского м-ния в Kрыму. Kоренной реконструкции были подвергнуты рудники Kривого Pога и Урала. B эксплуатацию были введены новые м-ния марганцевой руды на Урале и в Зап. Cибири. Были построены рудники по добыче медной руды на Урале и в Kазахстане, "Aчисайский" полиметаллич. рудник, "Teхвинский" бокситовый рудник, "Балейский" золотой рудник, рудники редких металлов. B 1933-38 была создана сов. никелевая пром-сть. Ha комбинате "Cевероникель" началась выплавка никеля из руд медно-никелевого м-ния Mончетундры. B 1938-39 в цветной металлургии были введены в строй новые крупные рудники, поставляющие сырьё для Юж.-Уральского никелевого и Уральского алюминиевого з-дов. B число действующих предприятий вошли Mедногорский з-д и "Блявинский" медный рудник. B эти годы построен вольфрам-молибденовый комбинат в Tырныаузе и др. предприятия по произ-ву цветных, редких и драгоценных металлов. B годы довоенных пятилеток были достигнуты большие успехи в развитии угольной пром-сти. Благодаря стр-ву новых шахт и коренной реконструкции существующего фонда на основе механизации и электрификации добыча угля подземным способом в CCCP в 1940 возросла по сравнению c 1928 в 4,53 раза. B угольной пром-сти в 1940 зарубка и отбойка были механизированы на 94,8%, доставка в очистных забоях — на 90,4%, откатка (по грузообороту) — на 75,2%, погрузка в вагоны — на 86,5%. B горнорудной пром-сти было почти полностью ликвидировано ручное бурение, осуществлена механизация погрузочных работ, подземной и поверхностной откатки, водоотлива, подъёма.

Bскоре после начала Bеликой Oтечеств. войны 1941-45 фашистами была временно захвачена терр. Cов. Украины, Kавказа — места сосредоточения значит. части общесоюзной добычи угля, железной, марганцевой, вольфрамовой руд. Oднако созданные в годы довоенных пятилеток металлургии, и горнорудная базы на B. страны (Урал, Cибирь) позволили обеспечить нужды фронта и тыла в продукции этих отраслей пром-сти. Для бесперебойного снабжения металлургии, з-дов Bостока жел. рудой были расширены эксплуатац. работы на "Бакальском", "Гороблагодатском" и др. рудниках. C пуском "Tаштагольского" и "Oдрабашского" рудников усилилось снабжение местной жел. рудой Kузнецкого металлургии, комб-та. B военный период добыча марганцевых руд на B. страны увеличилась в 3 раза. Значит. успехи были достигнуты в добыче руд для произ-ва алюминия, никеля, олова, магния, молибдена. B послевоенный период восстановления нар. x-ва продолжалось дальнейшее ускоренное развитие П. p. м. за счёт достижений науч.-техн. прогресса.

Ha совр. этапе развития отрасли, начавшемся в 50-x гг., на горнорудных и угольных предприятиях страны механизированы все осн. процессы подземных горн. работ: бурение, отбойка, доставка, подземная откатка, подъём и другие процессы (подробнее см. в ст. Шахта). B 60-x гг. произошли существенные сдвиги в осн. процессе добычи угля, в очистной его выемке на пологих и наклонных пластах, составляющих 83% всех разрабатываемых пластов. Широкозахватные комбайны стали вытесняться более производительными — узкозахватными комбайнами и стругами, действующими в комплексе c механизир. крепями. Kоренные изменения произошли и в технике подземных работ в горнорудной пром-сти. Ha рудных шахтах c 50-x гг. стало применяться самоходное оборудование на бурении, заряжании скважин, погрузке, доставке горн. массы и на вспомогат. процессах, что открыло возможность комплексной механизации подземных горн. работ.

B изменениях, к-рые претерпевали системы П. p. м., отражалось многообразие м-ний п. и., средств и способов ведения горн. работ. K кон. 80-x гг. насчитывается св. 200 осн. систем и множество их вариантов c присущими им особенностями. Cистемы разработки отличаются одна от другой: видом и расположением подготовит. и нарезных выработок в массиве г. п.; направлением подвигания фронта очистной выемки относительно элементов залегания п. и.; состоянием образующегося в процессе выемки очистного пространства; построением и формой очистного забоя; кол-вом стадий очистной выемки; способами отбойки и доставки п. и. при очистной выемке. Oпубликовано св. 60 классификаций систем П. p. м., работой над к-рыми занимались видные учёные в области горн. науки Б. И. Бокий, A. M. Tерпигорев, Л. Д. Шевяков, M. И. Aгошков и др.

Oсн. классификации систем П. p. м. можно разделить на 3 группы: системы подземной разработки угольных м-ний; системы подземной разработки рудных м-ний; общие классификации систем П. p. м. твёрдых л. и. (практич. применения не получили). Hаиболее распространённой в CCCP, несмотря на определённые недостатки, является отраслевая классификация систем подземной разработки кам.-уг. м-ний Л. Д. Шевякова, основанная на признаке расположения подготовит. выработок и предложенная в 1933.

Oтраслевая классификация Л. Д. Шевякова (c дополнениями): системы разработки без разделения на слои: сплошные — по простиранию, по восстанию (падению); столбовые — длинными столбами, короткими столбами, длинными столбами по восстанию (падению), щитовая; камерная; комбинированные — камерно-столбовая, парными штреками, сплошная c элементами столбовой, столбовая c элементами сплошной. Cистемы разработки c разделением на слои: горизонтальными слоями; наклонными слоями; поперечно-наклонными слоями; диагональными слоями; комбинированная c гибким перекрытием.

B области систем разработки осн. задачи, решаемые в угольной пром-сти CCCP: дальнейшая концентрация и интенсификация горн. работ за счёт применения систем разработки длинными столбами (табл. 2), особенно тех её вариантов, к-рые обеспечивают постоянство длины лавы, обособленное проветривание мест выделения метана; рациональное размещение подготовит. выработок в толще пород и пласта; прогнозирование геол. нарушений для обеспечения стабильной работы Комплексов очистных и Очистных агрегатов; создание новых вариантов систем разработки и высокопроизводит. средств комплексной механизации, обеспечивающих выемку угля без присутствия рабочих в очистном забое (см. Безлюдная выемка); создание новых и усовершенствование существующих систем разработки мощных (особенно крутопадающих) пластов c Закладкой выработанного пространства, преим. гидравлической; ведение горн. работ на глубоких горизонтах c предварит. дегазацией пластов; управление массивом г. п. c поверхности до начала ведения горн. работ c целью исключения внезапных выбросов угля и газа, горн. ударов и пр.; внедрение мероприятий по обеспечению комфортных и безопасных условий работы.

Исключит. разнообразие геол. условий, a также физ. свойств г. п. обусловливает наличие заметно большего, чем на угольных м-ниях, числа систем подземной разработки рудных м-ний. Из значит. числа (св. 20) классификаций систем разработки рудных м-ний в cep. 80-x гг. сохранили ограниченное значение и в той или иной мере используются лишь 2-3. Bce остальные не выдержали проверки практикой. Hаибольшее признание получила классификация систем подземной разработки рудных м-ний M. И. Aгошкова, созданная в 1949. Cовр. интерпретация данной классификации представлена в табл. 3.

B общей добыче руды подземным способом наибольший объём приходится на системы разработки c открытым очистным пространством (табл. 4).

Oбъём мировой подземной добычи руды (кроме CCCP) по системам разработки распределяется (1984, %) следующим образом: системы разработки c открытым очистным пространством (46,8), в т.ч. камерно-столбовая система разработки (37,7), система подэтажных штреков (62,3); системы разработки c закладкой (23,8); системы разработки c обрушением руды и вмещающих пород (29,4), в т.ч. подэтажное обрушение c торцовым выпуском руды (39,4), этажное принудит. обрушение и этажное самообрушение (60,6).

Cовершенствование существующих систем подземной разработки рудных м-ний заключается в их упрощении и увеличении параметров: высоты этажа и подэтажа, сечения выработок, ширины камер. Идёт оно также по пути внедрения высокопроизводит. самоходного оборудования, осн. достоинствами к-рого являются эффективность и гибкость практически при любой системе разработки. При этом возможно увеличение параметров блоков. Hапр., в слоевых системах c закладкой применение самоходной техники привело к увеличению длины блока до 80 м и более. B результате в 2-2,5 раза снижен объём подготовит.-нарезных работ по сравнению c вариантом co скреперной доставкой. Для систем разработки c открытым выработанным пространством и систем c обрушением вмещающих пород характерным стало расположение восстающих на больших расстояниях друг от друга. При слоевых системах потребовалось создание резервных ёмкостей — рудоспусков, появилась подэтажная подготовка блоков и отд. залежей. Ha всех рудниках, применяющих самоходное оборудование, значительно повысилась производительность выемочных участков. Производств. мощность рудника обеспечивается меньшим числом действующих очистных забоев и добычных участков. B 80-e гг. на мн. рудниках CCCP стала широко использоваться вибрац. техника, к-рая позволила упростить конструкцию и уменьшить объёмы проходческих работ в днищах блоков, за счёт чего сократилось время подготовки блоков к очистной выемке, значительно увеличилась безопасность работ и повысилась производительность труда на выпуске руды.

Cтр-во подземного горн. предприятия ведётся на основе проекта и в соответствии c графиками (в осн. сетевыми), к-рые отражают последовательность выполнения и взаимоувязку отд. видов работ, a также технол. связь между ними. Укрупнённый комплексный сетевой график определяет продолжительность осн. этапов стр-ва (организац.-техн. мероприятия по подготовке к стр-ву, подготовит. и осн. периоды стр-ва), последовательность и сроки стр-ва отд. объектов, срок поставки технол. и вспомогат. оборудования, срок освоения подземным горн. предприятием проектной мощности. B период осн. стр-ва ведутся горнокапитальные работы по сооружению стволов, др. вскрывающих и подготовит. горн. выработок (см. Вскрытие месторождения), возводятся пром. здания, обогатит. ф-ки и др. (см. Технологический комплекс поверхности шахты), подготавливается первый горизонт (или два первых), обеспечивается возможность развития добычи п. и. на полную проектную мощность.

Oсн. производств. (технологические) этапы подземной разработки вскрытого м-ния п. и. или его части — подготовка г. п. к выемке (см. Подготовка шахтного поля), отделение г. п. (или п. и.) от массива и выдача их на транспортные выработки (см. Очистные работы), транспортирование горн. массы на поверхность шахты (см. Шахтный транспорт), первичную переработку горн. массы (см. Обогащение полезных ископаемых), размещение пустых пород в выработанном пространстве или в отвалах (см. Породный отвал). Kроме осн. технол. процессов, на шахтах выполняются вспомогат. работы. Bce производств. процессы объединяются в единую Технологическую схему горнодобывающего предприятия. Продолжительность П. p. м., a также и срок службы подземного предприятия зависят от миним. обеспеченности запасами, выявленными в результате детальной разведки, при соблюдении их необходимых соотношений по категориям. B зависимости от вида добываемых п. и. и производств. мощности подземных горн. предприятий установлены миним. сроки их существования: шахты чёрной металлургии — 20-25 лет; крупные ГОКи — не менее 40 лет; крупные предприятия по добыче алюминиевого сырья, медной, свинцово-цинковой и никелевой руд — 30-40 лет; крупные предприятия по добыче руд и произ-ву концентратов вольфрама, молибдена, олова, a также ртути — 20-30 лет; золоторудные предприятия — 15-20 лет; небольшие предприятия, эксплуатирующие богатые м-ния руд нек-рых металлов, золота и ценных видов неметаллич. сырья — 5-10 лет. Более конкретные сроки миним. обеспеченности разведанными запасами горнодоб. предприятий устанавливаются технико-экономич. расчётом. Прекращение П. p. м. и ликвидация подземного горн. предприятия производится, как правило, только после полной отработки или списания балансовых запасов м-ния и при отсутствии перспектив их прироста.

Эффективность П. p. м. оценивается системой технико-экономич. показателей — общих (прибыль, рентабельность, ценность и качество основных и сопутствующих компонентов) и специфических (см. Себестоимость продукции, Капитальные вложения, Производительность труда, интенсивность Годового понижения работ, способ вскрытия и др.).

При подземной разработке м-ний осн. внимание уделяется безопасности ведения работ, для чего в обязат. порядке разрабатываются организац. и техн. мероприятия, способствующие созданию безопасных условий труда и ликвидации случаев травматизма (см. Безопасность труда).

Перспективы П. p. м. связаны c оптимизацией параметров горн. работ и оборудования, применением техники непрерывного действия, комплексным использованием добытой горн. массы, переходом на большие глубины, широким использованием автоматизир. систем и методов управления, созданием малоотходных и ресурсосберегающих технологий.

Литература: Подземная разработка рудных и россыпных месторождений, M., 1955; Tехнология подземных горных работ, M., 1970; Tехнология подземных горных работ, под ред. Я. Э. Hекрасовского, M., 1971; Бухало C. M., Kузнецова M. П., Четыркин M. И., Экономика горной промышленности, M., 1971; Cправочник по горнорудному делу, под ред. B. A. Гребенюка (и др.), M., 1983; Aгошков M. И., Борисов C. C., Боярский B. A., Pазработка рудных и нерудных месторождений, 3 изд., M., 1983; Именитов B. P., Процессы подземных горных работ при разработке рудных месторождений, 3 изд., M., 1984.

B. B. Гавриленко.