» » Системы подземной разработки рудных месторождений
15.05.2015

Системой разработки месторождения или его части называется определенный порядок проведения подготовительных и очистных выработок, увязанный, в пространстве и времени. Выбор системы разработки — одно из наиболее сложных и важных вопросов в горнорудном деле, так как принятая система в значительной мере предопределяет основные технико-экономические показатели разработки.
Правильно выбранная система разработки месторождения или части его должна обеспечить безопасность работ, наибольшую экономичность и высокую интенсивность выемки.
Экономичность применяемой системы может быть оценена по рентабельности, руб.:
D=V-U,

где D — рентабельность системы, руб.;
V — стоимость извлекаемого полезного компонента из балансовых запасов руды в массиве по государственной оптовой цене, руб.;
U — все технологические затраты, относящиеся к запасам руды в массиве, руб.
Показатели V и U определяют с учетом технологии переработки руды на обогатительной фабрике и заводе. При выборе системы учитывают особенности разработки.
Большинство рудных месторождений представлено линзами, штоками, куполами, гнездами, жилами или комплексом рудных тел. Элементы залегания весьма не постоянны, часто изменяется угол падения и направление простирания. Особенно сложны для разработки жильные месторождения руд цветных и редких металлов, представленные комплексом маломощных жил с невыдержанными элементами залегания; разработка таких месторождений требует проведения большого объема разведочных работ и систематической увязки этих работ с требованиями эксплуатации.
Характерная особенность, рудных месторождений — разнообразие свойств руд и вмещающих пород, а также сложность состава руд. Как руды, так и боковые породы встречаются от рыхлых до весьма крепких, от слабых до весьма устойчивых.
Месторождения полиметаллических руд цветных металлов обычно сложного состава. Полиметаллические руды часто разделяются на сорта и классы, требующие различных способов переработки (богатые и бедные, сульфидные и окисленные, медные и медно-цинковые, медный и серный колчедан и др.).
Вследствие высоких требований технологии и необходимости выдачи руды различных сортов и классов селективная выемка при разработке рудных месторождений приобретает в ряде случаев первостепенное значение. Большое значение при разработке весьма тонких рудных тел имеет также раздельная выемка руды и вмещающих пород и отсортировка пустой породы в подземных выработках и на поверхности.
Основные горно-технические характеристики рудных месторождений влияют на выбор системы разработки и отдельных операций очистной выемки.
Угол падения предопределяет способы перемещения руды в пределах очистного пространства. По углу падения рудные тела делятся на горизонтальные и условно горизонтальные — 0—3° (рельсовый транспорт): пологопадающие — 3—30° (скрепера и конвейеры); наклонно-падающие — 30—45° (спуск по желобам, трубам и обшитым скатам); крутопадающие 45—90° (спуск под действием собственного веса).
Мощность рудных тел учитывают при выборе способа проведения выработок по рудному телу (с подрывкой или без подрывки вмещающих пород) или при выборе направления очистной выемки (по простиранию или вкрест простирания рудного тела).
По мощности рудные тела делятся на весьма тонкие (мощностью до 0,7—0,8 м — проходка подготовительных выработок с подрывкой), тонкие (мощностью от 0,7—0,8 до 2,0 м — очистная выемка без подрывки), средней мощности (от 2 до 5 м — проходка подготовительных выработок без подрывки), мощные (от 5 до 15—20 м — очистная выемка рудного тела по простиранию) и весьма мощные (выше 15—20 м — очистная выемка рудного тела вкрест простирания).
Крепость руды и вмещающих пород учитывают при очистных и подготовительных работах. Крепость может быть охарактеризована по шкале М.М. Протодьяконова (за единицу крепости принята сопротивляемость горных пород сжатию в 100 кг/см2). Величины коэффициента крепости руды и вмещающих пород от 0,3 до 20.
При проектировании буровзрывных работ и определении их показателей пользуются специальными классификациями пород по буримости и взрываемости. Впервые эти классификации предложил проф. докт. техн. наук А.Ф. Суханов. В настоящее время имеются отраслевые классификации пород по буримости и взрываемости.
Одним из важнейших свойств руды и вмещающих пород, принимаемых во внимание при выборе системы разработки, является их устойчивость — способность не обрушаться при обнажении снизу и с боков.
Характеристика устойчивости руды и вмещающих пород следующая.
Породы слабые и весьма не устойчивые, не допускающие даже малых обнажений в кровле и боках выработки.
Породы неустойчивые, допускающие весьма ограниченное обнажение кровли и боков выработки непосредственно у забоя. При неустойчивых породах требуется немедленно закреплять кровлю и бока выработки вслед за выемкой породы.
Породы средней устойчивости, допускающие ограниченное обнажение кровли и боков выработки. Необходимость искусственно поддерживать такие обнаженные породы возникает не сразу и не всегда по всей площади обнажения.
Породы устойчивые, допускающие значительные обнажения кровли и особенно боков и требующие крепления только в отдельных местах или, через некоторые интервалы.
Породы весьма устойчивые, допускающие очень большие обнажения кровли и боков без крепления.
Несмотря на существенный недостаток этой классификации — отсутствие количественного показателя — она все же позволяет при практическом выборе систем разработки учитывать ту или иную степень устойчивости пород.
Практика разработки рудных месторождений в настоящее время позволяет ориентировочно устанавливать допустимые площади обнажения кровли или боков в пределах до 200 м2 при породах средней устойчивости, до 500 при устойчивых породах и до 1000 и более при весьма устойчивых породах. Эти размеры площадей обнажения в каждом отдельном случае и надо уточнять.
Проводимые исследования позволят более точно устанавливать допустимые площади обнажения и находить целесообразный способ управления давлением горных пород при тех или иных условиях разработки.
При выборе систем разработки и определении основных показателей необходимо всегда помнить, что свойства крепости и устойчивости на практике часто не совпадают: крепкая руда может быть неустойчивой, а устойчивая — некрепкой.
Для безопасного и удобного ведения очистных работ выработанное пространство искусственно поддерживают или обрушают. Чтобы искусственно поддерживать выработанное пространство, оставляют постоянные целики руды или на время оставляют отбитую (замагазннированную) руду, размещают в выработанном пространстве закладочный материал (пустую породу, шлак и др.) или устанавливают крепь различной конструкции. При руде и боковых породах, склонных к обрушению, выработанное пространство обычно поддерживают только непосредственно в забое (рабочее пространство), остальное же пространство заполняют обрушенными породами.
В практике разработки рудных месторождений применяются различные формы линии очистных забоев в зависимости от горно-геологических условий разработки и требований производительной, удобной и безопасной отбойки горной массы. Различают следующие три основных способа очистной выемки в зависимости от формы линии очистных забоев; потолкоуступная, почвоуступная и сплошная.
Разработка рудных месторождений многообразна и сложна, поэтому количество применяемых систем разработки превышает 150. Многообразие условий разработки и большое количество систем осложняют создание стройной и простой классификации систем разработки рудных месторождений.
Большинство специалистов горнорудного дела в России считают, что в основу классификации систем разработки должны быть положены способы поддержания очистного пространства или его состояние.
Под очистным пространством следует нанимать пространство, образовавшейся в результате выемки рудного массиву. Несомненно, способ поддержания очистного пространства или его состояние — главные признаки, характеризующие систему разработки, так как они предопределяют конструктивное оформление системы и ее технико-экономические показатели. Однако эти признаки не отражают полностью всех особенностей системы, в частности, не отражают общего порядка выемки и связанной с этим подготовки.
Способ поддержания очистного пространства или его состояние — это основание для разделения систем на классы; общий порядок выемки, предопределяющий во многих случаях объем и направление подготовительных работ — это основание для paздeления систем на группы, а признаки, характеризующие детали очистной выемки (способы отбойки, форма забоев, вид крепи и др.) — на подгруппы.
При качественной оценке классификаций основанных на способе поддержания или на состоянии очистного пространства, предложенных или значительно измененных и усовершенствованных специалистами горнорудного дела в России, надо отметить, что большая работа над усовершенствованием классификации систем разработки рудных месторождений в России была проведена Н.И. Трушковым. Предложенная, им классификация методов (систем) разработки была принята за основу в горнорудной промышленности цветной металлургии.
Позже специалистами горнорудного, дела в России был внесен ряд дополнений и уточнений в классификацию, основанную на способе поддержания очистного пространства или на его состоянии. Из последних классификаций заслуживает внимания классификация систем разработки рудных месторождений М.И. Агошкова.
Преимущество этой классификации перед предыдущими заключается в четкости установления отдельных классов систем: главным признаком класса системы является состояние очистного пространства в момент разработки.
За основу в настоящей работе принимаем классификацию систем разработки рудных месторождений М.И. Агошкова с изменениями и дополнениями, касающимися групп и подгрупп систем разработки (изменения и дополнения сделаны Г.Н. Поповым). В приведенной ниже классификации классы систем обозначаются римскими цифрами I—VIlI, группы систем — арабскими 1, 2, 3, 4.
Пользуясь этой классификацией, следует иметь в виду, что для систем первой группы — с выемкой руды блоками — характерно разделение всего рудного тела на отдельные блоки, вынимаемые по всей площади, без оставления вертикальных или наклонных (по высоте этажа) целиков.
Для систем второй грунты — с выемкой руды камерами по простиранию или вкрест простирания — характерна первоочередная выемка камер с оставлением целиков, обычно вынимаемых во вторую очередь; для систем третей группы характерно то. что рудное тело или этаж на блоки, камеры и целики не разделяется и очистная, выемка производится в каком-либо одном или нескольких определенных направлениях (от центра к флангам, от флангов к центру или одновременно по всей площади рудного тела).
Системы четвертой группы — с камерно-столбовой выемкой характеризуются тем, что вынимают камеры и оставляют постоянные целики столбы.
В классификации (табл. 67) приведены классы и часто применяемые группы систем разработки рудных месторождений.
Системы подземной разработки рудных месторождений

К классу комбинированных систем разработки в приведенной классификации относятся системы с выемкой камер одной системой и выемкой целиков другой.
Важнейшим мероприятием в области классификации систем разработки является установление единой научно-обоснованной классификации систем разработки месторождений твердых полезных ископаемых (угля, руды, нерудных ископаемых), которой до сего времени еще нет.
За прошедшее десятилетие удельный вес отдельных систем значительно изменился, особенно на рудниках цветной металлургии. Уменьшился удельный вес наиболее трудоемких систем с креплением и закладкой и существенно повысился удельный вес малотрудоемких и высокопроизводительных систем с обрушением руды и вмещающих пород. Большой удельный вес имеют также системы слоевого обрушения (с обрушением вмещающих пород) и системы с открытым очистным пространством, хотя удельный вес их в общей добыче руды за последнее время несколько уменьшился. Ниже показан удельный вес отдельных систем разработки на рудниках цветной металлургии в 1946 и в 1955 г. (по данным, собранным П.Д. Луневским) %:
Системы подземной разработки рудных месторождений
Системы подземной разработки рудных месторождений

Наибольший удельный вес при разработке железорудных месторождений в России имеют системы VII класса (системы подэтажного и этажного обрушения), меньший удельный вес — системы с открытым очистным пространством (с отбойкой руды из подэтажных штреков или ортов) и весьма ограниченный удельный вес — системы с обрушением вмещающих пород (системы слоевого обрушения).
Учитывая отечественную и зарубежную практику, следует считать, что на горнорудных предприятиях России системы VI класса будут применяться в основном при выемке целиков и весьма ценных руд. Системы разработки II класса будут широко применяться при разработке тонких и маломощных месторождений с устойчивыми вмешающими породами. Системы III, IV и V классов (с закладкой и креплением) будут применяться в основном при выемке тонких и маломощных жильных месторождений высокоценных руд при неустойчивых вмещающих породах. Удельный вес систем с закладкой и креплением в последующем может несколько повыситься в связи с переходом на большие глубины. Особенно большое значение будут иметь системы разработки I и VII классов с массовой отбойкой руды. Июньский Пленум ЦК КПСС 1959 г. в своем решении отметил необходимость широкого применения на горнорудных предприятиях этажного и подэтажного принудительного обрушения, подэтажных штреков с отбойкой руды глубокими скважинами и использованием высокопроизводительных машин и механизмов.
Системы подземной разработки рудных месторождений

Перед разработкой рудного месторождения ведутся подготовительные работы. Подготовка шахтного поля к очистной выемке заключается в разделении его на этажи выработками откаточного горизонта и в разделении каждого этажа на выемочные участки (блоки) восстающими выработками. Горизонтальные и весьма пологие месторождения разрабатывают с разделением шахтного поля на панели (рис. 28). В этом случае в шахтном поле проводят главные и панельные штреки, обслуживающие панели, каждую панель часто разделяют по длине на выемочные поля. Подготовительные выработки проходят по рудному телу или по пустой породе (полевая подготовка). Иногда этажи и панели подготавливают одновременно рудными и полевыми выработками (смешанная подготовка) (рис. 29).
Системы подземной разработки рудных месторождений

Кроме откаточных штреков, ортов и восстающих, проходимых почти при каждой системе разработки, при подготовке блока к очистной выемке проходят и другие выработки в зависимости от конструктивного оформления применяемой системы разработки: рудоспуски, выработки специального горизонта дробления или скреперования, подэтажные или слоевые выработки (при разделении этажа на подэтажи или слои) и другие.
Объем подготовительных работ характеризуется двумя показателями; 1) удельным объемом подготовительных работ, выражаемым в процентах руды, получаемой при проходке подготовительных выработок, к общему извлекаемому запасу руды в этаже или блоке (колеблется в пределах от 2—3% до 10—15% и иногда более); 2) количеством руды на 1 пог. м подготовительных выработок.
Принятый способ и порядок подготовки этажа к очистной выемке должен обеспечить безопасные и удобные условия очистной выемки при принятой системе разработки, а также наименьшие затраты и своевременную подготовку этажа и блоков к очистной выемке, хорошее проветривание очистных забоев, наименьшие потери руды в целиках и своевременный дренаж месторождения (при разработке сильно обводненных месторождений).
На горнорудных предприятиях основными мероприятиями, по технике и организации подготовительных работ следует считать следующие;
1) ускоренную подготовку блоков при широком использовании многозабойного и многомолоткового методов работ и техники скоростного проведения горных выработок, включая применение сборной железобетонной и других новых видов крепи; применение мощных погрузочных машин, большегрузных вагонов, производительных способов бурения и сильных взрывчатых веществ;
2) проведение подготовки мощных месторождений с проходкой полевых штреков и организацией кольцевой откатки;
3) замену в ряде случаев горизонта дробления горизонтом скреперования с применением мощных скреперных лебедок, люков большого сечения, большегрузных вагонов и подземных дробилок.