Открытая разработка месторождения полезных ископаемых

ОТКРЫТАЯ РАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ  — добыча полезных ископаемых с поверхности Земли с помощью открытых горных выработок. Основные горные выработки открытых разработок месторождений — капитальные траншеи, обеспечивающие доступ к полезным ископаемым, и разрезные траншеи, подготавливающие карьерное поле к вскрышным и добычным работам.

Открытая разработка месторождений благодаря высокой степени извлечения полезных ископаемых из недр, возможности достижения большей производственной мощности предприятия, повышению производительности труда (в 5-8 раз), снижению себестоимости добычи (в 2-4 раза), улучшению условий труда получила в CCCP преимущественное (по сравнению с шахтной добычей) развитие. Открытая разработка месторождений обеспечивает свыше 75% производства минерального сырья и удельный вес её неизменно растёт (табл. 1). Открытая разработка месторождений позволяет создавать в CCCP мощные комплексы по добыче, переработке и потреблению минерального сырья (см. Территориально-производственный комплекс) с высокой концентрацией производства, развитыми транспортными коммуникациями, минимальными расстояниями перевозок и низкими затратами на производство. Основные районы открытых разработок месторождений угля — Северный Казахстан (Экибастузское каменноугольное месторождение, Тургайский и Майкюбенский буроугольный бассейны, Юбилейное месторождение бурых углей), Кузнецкий угольный бассейн, Канско-Ачинский буроугольный бассейн, Приднепровский угольный бассейн; железной руды — Урал (Качканарский ГОК и др.), Украина (Криворожский бассейн, Керченский бассейн, Полтавский ГОК), Казахстан (Соколовско-Сарбайский ГОК, Лисаковский ГОК, Качарский ГОК), Центральная Россия (Михайловский, Лебединский, Стойленский ГОКи), Кольский полуостров (Оленегорский, Ковдорский ГОКи);руд цветных металлов — Урал (Сибайский, Гайский, Учалинские рудные карьеры), Сибирь и Дальний Восток (Норильский ГМК, Сорский карьер), Казахстан (Коунрадский, Николаевский, Зыряновский, Златоуст-Беловский карьеры), Кавказ (Тырныаузский, Каджаранский карьеры), Кольский полуостров (карьеры "Печенганикель"); марганцевых руд — Украина (Никопольский бассейн); горно-химического сырья — Кольский полуостров (карьеры комбината "Апатит"), Казахстан (Каратау), Прибалтика (месторождение Тоолсе), Средняя Азия, Московская, Кировская и Львовская области. 

Открытый способ добычи природных каменных материалов применялся ещё в глубокой древности (см. Горное дело). На протяжении нескольких тысячелетий его развитие сдерживалось мускульным характером труда, примитивностью орудий. Изобретение пороха, а, затем взрывчатых веществ позволило механизировать наиболее трудоёмкий процесс — отделение скальных горных пород от массива, но отсутствие эффективных погрузочно-транспортных средств сдерживало развитие открытых разработок, и только с началом создания карьерной техники, способной механизировать основные производственные процессы (выемку, погрузку, транспортирование горной массы, отвалообразование) стало возможным развитие этого прогрессивного способа добычи полезных ископаемых. В конце 19 века на карьерах появились экскаваторы, ставшие основным классом машин для открытых разработок месторождений. В то же время вплоть до начала 20 века на большинстве открытых разработок в России продолжала применяться ручная погрузка горной массы в примитивные средства транспорта — тачки и колымажки. В развитии открытых разработок месторождений в советское время выделяются 4 основных этапа: восстановительный (1917-29), индустриализации (1930-41), военного времени и восстановления народного хозяйства (1941-50), современный. Отличительная особенность восстановительного периода — преимущественное применение на карьерах зарубежных экскаваторов (главным образом американских) с ковшами вместимостью несколько кубических ярдов. На открытых разработках появились буровые ударно-канатные станки. Динамит и порох были заменены более безопасным аммоналом.

Период индустриализации начался с создания отечественной  технической базы открытых разработок месторождений — был налажен  выпуск экскаваторов-мехлопат (Воткинский, Костромской, Ковровский заводы; УЗТМ), многоковшовых экскаваторов на рельсовом ходу, станков ударно-канатного бурения, промышленных электровозов со сцепным весом 94 т (завод "Динамо"), думпкаров, грузоподъёмностью 40 т (завод "Красное Сормово"), 40 и 60 т (завод имени газеты "Правда"), путепередвигателей, землесосов. Благодаря широкому внедрению техники была решена задача технической реконструкции карьеров и заложены основы современной технологии открытых разработок месторождений. В Великую Отечественную войну 1941-45 резко возросли объёмы открытых разработок месторождений, главным образом для добычи угля, руд чёрных и цветных металлов. В послевоенный период восстановления народного хозяйства расширились масштабы механизации процессов на карьерах, было унифицировано экскаваторное и транспортное оборудование. Начался серийный выпуск экскаваторов-мехлопат СЭ-3 (УЗТМ), шагающих драглайнов с ковшом 4 м3, был построен первый мощный отечественный шагающий экскаватор ЭШ-14/65 (УЗТМ), освоено серийное производство станков вращательного бурения (Карпинский завод), серийный выпуск электровозов со сцепным весом 80 т (Новочеркасский завод), 40- и 50-тонных думпкаров "поднимающийся борт" (Калининградский завод), освоен выпуск карьерных автосамосвалов 5, 10 и 25 т. Современный период развития открытых разработок месторождений в CCCP начался в 50-х гг. Развернулось масштабное техническое перевооружение карьеров и совершенствование технологии открытых горных работ. Доминирующим видом техники для открытых разработок месторождений стали экскаваторы-мехлопаты и автотранспорт. Основные требования, предъявляемые к открытым разработкам месторождений, — комплексное освоение всех минеральных ресурсов месторождения (см. Комплексное освоение недр) и охрана окружающей среды. 

В зависимости от формы и положения залежи полезных ископаемых относительно земной поверхности, выделяются (по Ржевскому) 5 основных видов открытых разработок месторождений. Разработки поверхностного вида (рис. 2, а) характеризуются отработкой вскрышных пород и полезных ископаемых сразу на полную мощность, размещением вскрышных пород в выработанном пространстве карьера. Внешние отвалы устраивают при строительстве карьеров, а также при особых геологических и технологических условиях открытых разработок месторождений. К этому виду относится разработка россыпей, строительных горных пород, значительной части угольных и небольшой части рудных месторождений при горизонтальном и пологом залегании залежей. Карьеры при этом имеют небольшую (до 40-80 м) и относительно постоянную глубину, различные размеры в плане и различную производственную мощность. Вскрышные породы и полезные ископаемые весьма разнообразны и практически охватывают все их возможные сочетания. Разработки глубинного вида (рис. 2, б) отличает выемка полезных ископаемых и вскрышных пород слоями в нисходящем порядке. Горную массу, как правило, перемещают снизу вверх на более высокие отметки или на поверхность. Разработке каждого нового горизонта предшествуют горно-подготовительные работы. Глубина карьера постепенно возрастает до 400-700 м и более (определяется границами карьерного поля). Вскрышные породы, как правило, размещают во внешних отвалах. При достижении предельной глубины карьера может применяться открыто-подземная разработка. В этом случае вскрытие нижележащего участка залежи осуществляется подземными выработками из карьера, транспортные коммуникации которого используются для доставки на поверхность полезных ископаемых.

Разработки ведутся на большей части рудных, нерудных и частично угольных месторождений при наклонном и крутом падении залежей средней мощности и мощных, охватывая все типы пород. Для открытых разработок нагорного вида (рис. 2, в) характерно перемещение покрывающих и вмещающих вскрышных пород и добытого полезного ископаемого средствами транспорта на более низкие отметки к месту расположения отвалов и технологического комплекса. При этом часть пустых пород стремятся перемещать по кратчайшему расстоянию к флангам карьерного поля, в отвалы, располагаемые на безрудных (безугольных) площадях. Разрабатываются залежи различных руд, иногда горно-химического сырья и строительные горные породы, редко угольные месторождения, которые расположены значительно выше господствующего уровня поверхности. Полезные ископаемые и вскрышные породы в подавляющем большинстве скальные. Черты 2-го и 3-го видов открытых разработок месторождений имеют разработки нагорно-глубинного типа. Характерны они для сложных рельефов поверхности карьерного поля. Полезные ископаемые и вскрышные породы скальные или полускальные, иногда разнородные. Ведутся на месторождениях руд, горно-химического сырья, строительных горных пород и угля, где являются наиболее распространёнными и крупными. Особый вид открытых разработок месторождений — подводная добыча (рис. 2, г), проводимая, в частности, в поймах рек, на дне морей и озёр. В этом случае кровля и почва залежи расположены ниже открытого уровня воды; покрывающие породы — обычно относительно небольшой мощности: мягкие, плотные, полускальные или разнородные. 

Основные технологические (производственные) процессы открытых разработок месторождений включают: подготовку горных пород к выемке — отделению горных пород (или полезных ископаемых) от массива с одновременным её механическим, или взрывным, рыхлением (см. Взрывная технология, Взрывные работы); погрузку горной массы в средства транспорта (см. Выемочно-погрузочные работы), транспортирование горной массы из забоев на промышленную площадку железнодорожным транспортом, автомобилями, конвейерами, скиповыми подъёмниками, гидротранспортом, подвесными канатными дорогами (см. Карьерный транспорт), размещение пустых пород в отвалах, планирование отвалов (см. Отвалообразование). При этом определённой спецификой отличаются открытые разработки месторождений средствами гидромеханизации и добычей штучного камня (см. Высокоуступная добыча камня и Низкоуступная добыча камня). Кроме основных технологических процессов на карьерах выполняются вспомогательные работы. Все основные производственные процессы объединяются в единую технологическую схему открытых разработок месторождений. 

Безопасная, экономичная и наиболее полная выемка всех видов полезных ископаемых при разработке месторождения открытым способом с соблюдением мер по охране окружающей среды и принятого режима горных работ обеспечивается правильно выбранной системой разработки месторождения, под которой понимают определённый порядок выполнения вскрышных, добычных и горно-подготовительных работ. Широко распространённой в CCCP является классификация систем открытых разработок месторождений по способу производства вскрышных работ и технологии перемещения горных пород в отвалы, разработанная Н. В. Мельниковым. 

Ведущие признаки этой системы открытых разработок месторождений — направление выемки в профиле и плане карьерного поля, а также место расположения отвалов. Все системы разработки по этой классификации подразделены на 2 группы. К первой отнесены системы с постоянным положением рабочей зоны, которая остаётся неизменной на весь период эксплуатации месторождения. Эти системы разработки характерны для горизонтальных и пологопадающих залежей. Подготовительные работы на них завершаются созданием первичного фронта вскрышных и добычных работ. Системы разработки горизонтальных и пологопадающих залежей характеризуются порядком производства вскрышных и добычных работ, изменениями длины фронта работ или высоты отдельных уступов. 

Во всех вариантах систем разработки важнейшее значение имеет место расположения отвалов, т.е. направление перемещения вскрышных пород (на внешние, внутренние или смешанные отвалы). 

Принятая система разработки определяет требуемые объёмы и порядок выполнения комплекса горных работ. Элементами систем разработки являются: высота уступа, угол откоса уступа и бортов, ширина заходки, ширина рабочей площадки, длина и число блоков, длина фронта работ на уступе и суммарная длина фронта работ карьера, а также скорость продвигания фронта горных работ, скорость углубки карьера. Высота уступа выбирается с учётом безопасности горных работ и определяется мощностью, углом падения и геологическим строением залежи, прочностью пород, рабочими размерами применяемого бурового и выемочного оборудования, способами выемки полезных ископаемых (валовая или селективная). Приваловой выемке высота уступа обычно максимальная, которую допускают параметры экскаватора, при селективной (раздельной) — равна мощности пласта или пачки полезных ископаемых без прослоек пустых пород. При разработке сложных залежей число и высота уступов устанавливаются в соответствии с требованиями селективной выемки. Ширина заходки зависит от вида и параметров горнотранспортного оборудования, способа производства буровзрывных работ, физико-механических свойств горной породы. Заходка делится на экскаваторные блоки. Длина блоков (т.е. длина фронта работ экскаватора) устанавливается в зависимости от способа выемки. При валовой выемке она принимается равной для всех блоков, при селективной — разной. Значение этого параметра зависит от интенсивности разработки, крепости горных пород, способа их выемки и транспортирования, а также от возможностей транспортного обслуживания забоя. По условиям работы транспорта число блоков в пределах одной заходки при железнодорожном транспорте обычно не превышает 5, а при автомобильном может достигать 5-6. 

К наиболее важным показателям системы разработки относятся характеристики фронта горных работ — части уступа (по длине), подготовленной к ведению горных работ. Фронт работ характеризуется расположением, порядком перемещения, структурой. Ширина рабочей площадки зависит от ширины развала в скальных породах, а в мягких породах — от ширины заходки, а также ширины транспортной, резервной и других полос. Резервная полоса включает запасы полезных ископаемых, необходимые для бесперебойной работы предприятия; рассчитывается в каждом случае и должна быть кратной ширине заходки в массиве. При открытой разработке месторождений она определяется скоростью подготовки к вводу в эксплуатацию нового горизонта. Возможный темп углубки горных работ увеличивается с ростом производительности горного оборудования, уменьшением высоты уступа и ширины его рабочей площадки (см. Годовое понижение работ). 

 
Строительство карьера ведётся на основе проекта в соответствии с сетевыми графиками, которые отражают во взаимообусловленной сети событий и работ последовательность выполнения отдельных видов работ и технологические связи между ними. Комплексный укрупнённый сетевой график определяет продолжительность основных этапов строительства (организационно-технических мероприятий по подготовке к строительству, подготовительный период, основной период строительства), очерёдность строительства отдельных объектов, срок поставки технологического оборудования, срок освоения карьером проектной мощности. 

В подготовительный период в пределах карьерного поля ведутся работы по подготовке территории (вырубка леса, корчёвка пней, отвод рек, осушение болот, перенос автомобильных и железнодорожных трасс, возведение специальных складов, административно-бытовых и коммунальных сооружений, механических мастерских, депо, гаражей, прокладывание транспортных коммуникаций, сети водоснабжения и канализации). В период основного строительства ведутся горно-капитальные работы по сооружению разрезных, внешних и внутренних капитальных траншей (см. Вскрытие месторождения), возводятся промышленные здания, обогатительные сооружения и др., проводятся дренажные и осушительные выработки, ведётся монтаж основного горного, транспортного и технологического оборудования, сооружаются склады для готовой продукции. 

Наиболее продолжительный этап открытых разработок месторождений — эксплуатация месторождения. Планомерная выемка и перемещение горной породы обеспечиваются комплексом горного, транспортного и вспомогательного оборудования. Выбор средств комплексной механизации зависит от природных (крепость горной породы, форма залегания полезных ископаемых, горно-геологические условия, климат, рельеф и т.п.), технологических (система разработки, схема вскрытия,режим горных работ и др.), технических (выемочно-погрузочное оборудование, транспорт, элементы систем разработки), организационных (годовой и суточный режим работ, сроки строительства и др.), экономических (размер капитальных затрат, себестоимость продукции, производительность труда, размер прибыли и др.) факторов. Комплексная механизация горных разработок обеспечивает неразрывность транспортных коммуникаций от забоев до пунктов разгрузки (см. Грузопоток карьерный), а отдельные машины и механизмы (буровые, выемочно-погрузочные, транспортные, отвальные, вспомогательные), входящие в комплект оборудования, должны соответствовать друг другу по мощности, производительности и другим основным параметрам. Отличительная особенность комплексной механизации добычных работ — наличие разгрузочно-приёмных пунктов, располагаемых в определённых местах, как правило, на весь срок отработки месторождения. Эти пункты включают в себя дробильно-сортировочные установки, размещаемые непосредственно в карьере и на его бортах. Основное требование, предъявляемое к комплексной механизации добычных работ, — обеспечение равномерной и бесперебойной подачи полезных ископаемых на переработку.