ГОРНОЕ ДЕЛО - область практической деятельности человека, связанная с извлечением полезных ископаемых из недр Земли. Обычно под горным делом понимают добычу рудных полезных ископаемых, содержащих в качестве ценных компонентов металлы. Однако горная промышленность поставляет также большое количество нерудных и твердых горючих полезных ископаемых, таких, как ископаемый уголь, сера, калийная и каменная соли, строительные материалы, флюсы и многие другие виды минерального сырья. "Объем" (в денежном выражении) добытых нерудных и твердых горючих полезных ископаемых превышает объем добытых рудных полезных ископаемых. Например, в конце 1990-х годов в США их соотношение составило соответственно 3:1.
ИСТОРИЯ
Истоки горного дела уходят в доисторические времена, когда человек впервые занялся поиском кремней и их обработкой для использования в качестве скребков, ножей, наконечников для копий и других изделий. Позже орудия труда стали ковать из меди. Для ее извлечения медесодержащие породы истирались с помощью более твердых камней. В других случаях эти породы разрушали нагреванием на огне, а затем охлаждением водой. Позднее аналогичным образом стали добывать золото, серебро и некоторые драгоценные камни. Добыча камня для древнеегипетских пирамид велась примитивными способами. Первоначально твердыми каменными рубилами в породах создавались узкие врубы, затем в них вставляли деревянные клинья, которые пропитывались водой до тех пор, пока они не разбухали и не раскалывали породы на отдельные блоки. До изобретения письменности горное искусство уже прошло долгий путь. В библейские времена выплавка железа из руды была уже сложившимся ремеслом, возникшим благодаря случайному открытию способа получения железа в результате воздействия на железную руду раскаленного древесного угля. Рудники в библейский период систематически разрабатывались с помощью весьма несовершенных орудий. Изучение многих горных выработок того времени показало, что, несмотря на отсутствие надлежащего оборудования, добычные работы проводились в очень большом объеме. Около 700 н.э. на Ближнем Востоке медь и золото выплавляли в продуваемых ущельях в горнах из огнеупорного материала, внутрь которых помещали руду и древесный уголь. Индейцы на севере Мичигана задолго до первых белых поселенцев выплавляли медь из руды, используя в качестве топлива и восстановителя дрова. Еще древние греки и римляне, в том числе Страбон и Плиний Старший, подробно описывали методы горных работ. Один из первых источников информации о горном искусстве - труд Г.Агриколы О горном деле и металлургии (De re metallica; рус. перевод 1962, кн. 1-12) - был опубликован в 1556. К 16 в. технология горных работ была достаточно развита. Разрушение скальных пород выполнялось путем попеременного нагревания и резкого охлаждения водой. Этот метод применялся для вскрытия залежей и добычи полезных ископаемых. Подземные выработки обычно укреплялись лесоматериалами и каменной кладкой. На ранней стадии развития горного дела разведывались и разрабатывались наиболее богатые месторождения с высоким содержанием металла. По мере совершенствования способов добычи руды и извлечения из нее металлов стали использовать более бедные руды, относимые ранее к пустым или малоценным породам, в связи с чем многие заброшенные рудники возобновляли свою работу. В горной промышленности стало почти аксиомой, что сегодняшние пустые породы могут завтра оказаться рудами. В Новом Свете становление горного дела происходило медленно. До появления европейцев индейцы эпизодически вели открытую разработку медных руд в районе Великих Озер и в Аппалачах. В 1790 Б.Франклин, обосновывая введение бумажных денег, заявил: "Золото и серебро не производятся в Северной Америке, не имеющей рудников". Однако позднее и там были найдены месторождения драгоценных металлов и железных руд. С 1798 началась непрерывная эксплуатация Миссурийского свинцового пояса, открытого в 1720. В 1845 были обнаружены железные руды в районе озера Верхнего. В 1852 были открыты месторождения коксующегося угля, а в 1859 доказана его применимость для выплавки железа. Эти открытия содействовали развитию железнодорожного транспорта; рост дорожной сети стимулировал расцвет горной промышленности. Это происходило в то время, когда в Европе добыча сырья на многих долго эксплуатируемых рудниках уже шла на убыль. Политико-экономический климат в США благоприятствовал свободному предпринимательству, благодаря чему происходил быстрый рост производства. В 18 в. Америка ввозила почти всю необходимую ей горно-металлургическую продукцию, а в 19 в. сама стала крупным экспортером основных металлов и минерального сырья. После открытия в 1848 месторождений золота в Калифорнии последовали многочисленные открытия месторождений руд меди, свинца, цинка и других металлов. Поиски полезных ископаемых стали вестись в тундре и суровых северных районах Канады. Использование паровой и электрической энергии способствовало изобретению и производству промышленного оборудования. Развитие горнодобывающей техники обеспечивало удовлетворение растущих потребностей в минеральном сырье и позволило разрабатывать месторождения горных пород, добыча и переработка которых ранее считалась нерентабельной. По мере развития промышленности возрастали объемы потребления основных металлов - железа, меди, свинца, цинка, золота и серебра. Вырос также спрос на уголь, серу, фосфаты, гипс, цементное сырье и другую продукцию горного производства. Нашли свое применение в промышленности многие из менее распространенных металлов, такие, как сурьма, кадмий, кобальт, никель, ртуть, вольфрам и ванадий. Можно ожидать, что и другие малозначимые в настоящее время материалы в будущем приобретут жизненно важное значение (как, например, это произошло с ураном в 1942, когда его уникальные свойства были впервые использованы в ядерных реакциях). После Второй мировой войны началась интеграция мировой экономики и значительно возросла роль горнодобывающей отрасли промышленности.
ПОИСКИ И РАЗВЕДКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Поисковые работы нацелены на выявление признаков месторождений. При обнаружении выходов минерала на дневную поверхность проводится детальная разведка местности для установления размеров и ценности месторождения. В случае положительных результатов и благоприятных маркетинговых, транспортных и других условий можно готовить месторождение к активной эксплуатации.
Индивидуальные поиски. Наиболее легко распознаваемые и доступные месторождения давным-давно открыты. В дополнение к традиционным инструментам геолога-поисковика - кайлу и лотку для промывки проб - в современных условиях необходимы счетчик Гейгера или сцинтиллятор, если ведется поиск радиоактивных минералов, приборы ультрафиолетового излучения при поиске флюоресцирующих минералов, бериллометр (прибор, обнаруживающий бериллий с помощью облучения пород радиоактивными изотопами) при разведке бериллиевых руд.
Разведывательные бригады. Современные горнодобывающие компании для поиска минерального сырья нанимают разведывательные бригады, оснащенные полноприводными автомобилями и транспортными средствами на гусеничном ходу, малой авиацией и вертолетами, а также геофизическими приборами, химическими и микрохимическими лабораториями, портативными буровыми станками. Иногда для бороздового опробования исследуемых зон и получения представительных образцов разведывательные партии применяют землеройную технику.
Территории, перспективные для разведки. С каждым годом проблема выбора участка для проведения разведочных работ с вероятностью успеха выше средней усложняется. Не последнюю роль в этом играет элемент случайности. Многие экономически важные месторождения были обнаружены в непосредственной близости от старых действующих рудников. Как правило, они залегают глубже эксплуатируемых залежей. Поскольку поверхность Земли на 71% покрыта водой, объектами исследований стали также морская вода и дно океана. Теперь из морской воды извлекают магний. В связи с открытием марганцевых конкреций на дне океанов требуется сконцентрировать внимание на разработке методов их добычи. Планируются более развернутые подводные исследования с целью поиска других ценных материалов. В будущем, возможно, развернутся работы по извлечению полезных компонентов из металлоносных илов, покрывающих обширные площади дна Тихого океана, а также из высокоминерализованных вод Красного моря.
Методы разведки. Выбор методики исследований часто определяется формой и условиями залегания рудного тела. Если рудная залежь представлена пологозалегающим пластом, то для ее разведки используют сеть вертикальных скважин. Аналогичным образом изучают массивные месторождения вкрапленных руд. Если залежь крутопадающая, то для оконтуривания месторождения на глубине бурят наклонные скважины. Трубо- или чечевицеобразные рудные зоны в жилах требуют еще более тщательного выбора расположения буровых скважин. Обычно глубокозалегающие месторождения полезных ископаемых не поддаются изучению простыми методами, а требуют подробных и сложных исследований. Сначала проводятся исследования земной поверхности, на которой можно обнаружить поисковые признаки скрытых в недрах рудных тел. Зоны красной горной породы или грунта ("железные шляпы") связаны с окислением железосодержащих минералов и часто оказываются признаком руд железа, золота, свинца, цинка и бокситов. На присутствие марганца указывают черные или коричневые пятна (т.н. "пустынный загар"). Светло-желтая окраска может свидетельствовать о присутствии урана, зеленая или голубая - меди, бледно-зеленая - никеля или мышьяка. Легко распознаются черные выветрившиеся обнажения угля. В результате выветривания рудовмещающих пород ряд минералов в них может растворяться, оставляя небольшие полости или "ядра" (породы, заполняющие внутренние полости), сохраняющие форму выщелоченного минерала. Эти породы с ячеистой структурой служат индикаторами нижележащих рудных зон. Кроме того, благоприятными поисковыми признаками являются зоны сильно измененных коренных пород или разрывов, где в результате смещения земной коры образовались положительные и отрицательные формы рельефа.
Геофизические исследования. При разведке рудных участков применяются чувствительные приборы, регистрирующие изменения гравитационного и магнитного полей, электропроводности и других физических свойств горных пород земной коры. Геофизическое оборудование (магнитометры для поиска магнитных руд и гравиметры для выявления различий в плотности горных пород) может быть портативным или устанавливаться на автомобилях и самолетах. Применение авиационных бортовых геофизических устройств значительно ускорило процесс разведки и повысило ее эффективность.
Микрохимические, геоботанические и биогеохимические методы.
Микрохимический анализ относительно малых количеств вещества в большом числе проб используется для обнаружения металлов, присутствующих в незначительных количествах. Обобщение результатов таких количественных исследований позволяет в дальнейшем выявлять скопления полезных ископаемых геофизическими методами. Методы геоботанической индикации, основанные на воздействии определенных минералов на различные растения, были разработаны в начале 1940-х годов. Наиболее широко они использовались в СССР, где с 1955 стали обычными в работе разведочных партий. Растения, растущие на грунтах повышенной минерализации, отличаются аномалиями окраски, формы и роста. Для выявления площадей, в пределах которых растения-индикаторы реагируют на присутствие определенных минералов, совместно применяются аэрофотосъемка и наземный контроль. "Универсальными" индикаторами называются растения, которые всегда реагируют на присутствие данного элемента, а "локальными" - такие, которые действуют лишь в пределах ограниченного района. Так, индикаторами цинка служат определенные виды горчицы и гвоздики, хотя до сих пор по их присутствию не были открыты новые цинковые месторождения. Среди индикаторов меди выделяются растения из семейства гвоздичных, разные виды мяты и мхи. В Швеции на основе изучения состава бриофлоры были обнаружены три месторождения меди. По некоторым видам астрагала и других бобовых - индикаторов селена - в США было обнаружено месторождение урановых руд на плато Колорадо. В биоиндикации важным признаком являются аномалии морфологии растений, а также их фенологических циклов. Присутствие в почве алюминия ведет к укорачиванию корней, увяданию и пятнистости листьев, а никеля - к появлению белых мертвых пятен на листьях. Биогеохимический анализ растений особенно полезен, когда зоны оруденения расположены глубоко. Образцы растений (трав, кустарников, деревьев) обычно исследуются колориметрическим или спектрографическим методами для определения микродоз различных элементов и выявления отклонений от нормы их содержания. Выбор растений для химических анализов определяется глубиной и мощностью их корневой системы, возрастом, высотой и "коэффициентом аккумуляции", показывающим, насколько больше минерал абсорбируется растениями, растущими в пределах ареала рудного тела, по сравнению с теми, которые растут в иных почвенно-грунтовых условиях.
Трассирование потоков рассеяния. Потоками рассеяния называют отторженные обломки и компоненты полезного ископаемого, вынесенные эрозионными процессами из месторождения. Когда находят такие полезные компоненты, то прослеживают их путь вплоть до самого источника (рис. 1). Наиболее успешно этот метод применяется в аридных районах. Однако это чрезвычайно трудно выполнить в тропиках, где пышная растительность и мощный почвенный покров надежно маскируют исходную залежь. Иногда там, где эрозия полностью разрушила зону оруденения, единственное, что остается от месторождения, это поток рассеяния полезных компонентов.
Рис. 1. ЗОЛОТОНОСНАЯ ЖИЛА, выходящая на поверхность, подвергается выветриванию, возникают потоки рассеяния, которые переносятся вниз по склону. В поисках золота, вымываемого водотоками, эти отложения промывают и прослеживают путь потока рассеяния до основной жилы.
При изысканиях на золото пробы последовательно отбираются вдоль водотока вверх по течению. Таким образом ведется поиск других тяжелых минералов (в России этот метод называется шлиховым опробованием). Когда частицы золота обнаруживают в русле водотока, на прилежащих склонах намечается система перпендикулярных линий, располагающихся на одинаковом расстоянии друг от друга. Образцы, отбираемые в узлах этой равномерной сетки, промываются, а количество частиц золота подсчитывается для того, чтобы найти коренной источник их происхождения. Коренное месторождение с поверхности вскрывают траншеями или канавами, а на глубину - штольнями, шурфами и шахтами. Затем подсчитывают запасы и определяют ценность месторождения.
Опробование. В рыхлых отложениях, перекрывающих рудную жилу, опробование ведут шурфами или канавами. Когда в этих поверхностных породах обнаруживаются признаки оруденения, из свежих стенок канав и шурфов отбираются более представительные пробы. При колонковом опробовании в грунт через определенные интервалы, часто вручную, забиваются буры - секции труб диаметром 2,5 или 5 см с острой режущей кромкой. Затем исследуются отобранные буром пробы. Этот метод применим лишь при изучении рыхлых отложений, не содержащих камней или валунов. В России известен метод "отодвигания" встретившихся валунов или остроугольных обломков. Для получения более полной и надежной информации о мощности и особенностях залежей, выходящих на поверхность, проводят комплексное опробование с помощью шурфов, канав и ручных колонковых буров.
Бурение. Там, где исследуемые участки перекрыты мощной осадочной толщей или твердыми породами, необходимо бурение скважин (рис. 2) при помощи разных буровых установок - шнековых, ударно-канатных, вращательных, а также станков "Эмпайр".
Рис. 2. БУРЕНИЕ, часто используемое для определения положения рудных тел и изучения качества руд.
Шнековые установки применяются для бурения мягких грунтов. Вращение шнека осуществляется вручную, либо с использованием лошадиной тяги, либо механическими средствами. Шнековое бурение ведется в основном до глубины ок. 200 м. Станки "Эмпайр" широко используются для бурения рыхлых отложений до глубины 9-12 м при разведке бокситовых и других месторождений латеритного генезиса. Основной частью установки является тяжелая обсадная труба с режущим башмаком на нижнем торце и круглой стальной платформой на верхнем торце. Чтобы платформа вместе с обсадной трубой могла вращаться, к ней крепится поворотный рычаг. В случае мягкого грунта труба под действием веса человека, стоящего на платформе, вдавливается в почву. В глинах и других более плотных породах дополнительную вдавливающую силу обеспечивают приводные плунжеры, которые можно поднимать и сбрасывать. Рыхлый материал, скапливающийся внутри обсадной трубы, разжижается водой. Установки ударно-канатного бурения состоят из тяжелого долота, ударной штанги, ударников и замка, к которому крепится канат. Для забивания бурового снаряда используется вышка с силовой установкой, поднимающей и сбрасывающей рабочий орган. Раздробленная масса извлекается из скважины желонкой или змеевиком. При ударно-канатном бурении скважины редко бывают прямыми, а опробование - точным. Поскольку породы, в которые забивается буровой снаряд, дробятся, часто бывает трудно получить ясное представление об их генезисе. Несмотря на то, что в настоящее время ударно-канатное бурение применяется редко, оно сыграло важную роль в практике разведки и подготовки к эксплуатации многих месторождений полезных ископаемых. Установки вращательного бурения обеспечивают низкую себестоимость бескернового бурения в непродуктивных отложениях. Отбор керна проводят лишь в продуктивной зоне. Некоторые конструкции таких установок предназначены для наклонного бурения под любыми углами. Самая глубокая в мире скважина (12 066 м, Кольский п-ов) была пробурена с применением вращательного бурения. Размеры буровых установок различны - от небольших станков, монтаж и управление которыми в подземных выработках могут осуществлять два человека, до огромных, смонтированных на стальных вышках и обслуживаемых бригадой квалифицированных буровиков. Имеются установки, смонтированные на автомобильных шасси или полозьях. Вращательное бурение нефтяных и газовых скважин (роторное) осуществляется также со специальных судов и стационарных морских платформ. До недавнего времени использовались стальные буровые штанги, поэтому предельная глубина бурения определялась мощностью станка, удерживающего буровую колонну. Появление алюминиевых буровых штанг, хотя и более дорогих, чем стальные, позволило бурить более глубокие скважины. Когда установки вращательного бурения используются для отбора керна, на конец колонковой трубы навинчивается буровая коронка, армированная алмазами или твердыми сплавами, например карбидом вольфрама (победитом). В этой системе полые буровые штанги удерживаются буродержателем, закрепленным на торце полой колонковой трубы, оснащенной резьбой. Буровой раствор под давлением подается вниз по полым штангам для охлаждения коронки и удаления раздробленной массы и шлама. По мере продвижения коронки в керноприемнике колонковой трубы формируется цилиндр из ненарушенной горной породы (керн). Когда коронка углубится на расстояние, равное длине колонковой трубы (от 1,5 до 3,6 м), колонна штанг, колонковая труба и коронка извлекаются из скважины, а керн - из колонковой трубы. Затем он отправляется на разного рода анализы. При бурении бескерновыми вращательными установками (роторное бурение) исследуется раздробленная масса и шлам, вынесенные сжатым воздухом или буровым раствором через полые буровые штанги. Как правило, роторное бурение быстрее и дешевле колонкового. Общая глубина скважин, пробуриваемых за смену, может меняться в широком диапазоне в зависимости от геологических условий и размеров скважин - от нескольких сотен метров до 1,5-3 м в скальных породах. Буровые установки с алмазными буровыми наконечниками используются для проходки скважин глубиной до 3 км. Некоторые из этих установок снабжены специальными колонковыми трубами, позволяющими извлекать керн через штанги с помощью троса. Установки такого типа позволяют достигать более высоких скоростей бурения за счет меньших временнх затрат на извлечение керна без подъема на поверхность всей буровой колонны. Для проходки бурением относительно неглубоких шахтных стволов применяются специальные установки вращательного бурения с использованием твердосплавных коронок или коронок дробового бурения диаметром 1 м и более. Установки такого типа используются также в некоторых системах разработки для буровой проходки очистных горных выработок (например, при подземной разработке калийных солей).
ИССЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКА РЕСУРСОВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Перспектива получения прибыли в результате добычи полезных ископаемых оценивается, как правило, заранее. Оценка ресурсов какого-либо месторождения (в пределах площади, региона, страны) в соответствии с общим планом включает несколько последовательных этапов: начальный (составление геологических, тектонических, металлогенических карт, сбор фондовых материалов), промежуточный (бурение, геофизические исследования, опробование, анализ проб и проч.) и заключительный (подсчет ресурсов и запасов математическими методами, оценка экономических, горно-геологических и прочих условий месторождения в пределах площади, региона, страны и т.д.). В зависимости от степени изученности суммарное количество полезного ископаемого делится на категории в соответствии с классификацией, принятой в данной стране. Известно несколько классификаций, из которых наиболее употребительными являются американские, российская, а также международная классификация ООН. Американские классификации, разработанные Горным бюро и Геологической службой США, приняты также в Канаде, Германии и некоторых других странах. Следует заметить, что термин "ресурсы" (resources) может иметь двоякое значение: суммарное количество полезного ископаемого всех категорий и количество полезного ископаемого наименее изученных категорий (тогда наиболее детально изученные категории называются запасами). Одна из американских классификаций включает измеренные (measured) и исчисленные (indicated) запасы. Их сумма называется доказанными (demonstrated) запасами, и они подсчитываются с точностью не менее 20%. На основе этой категории запасов проводится проектирование добывающих, обогатительных и других предприятий и рассчитывается степень риска разработки месторождения. Полезное ископаемое, залегающее часто на не доступных для непосредственного обследования глубинах, количество и качество которого определены косвенным путем, т.е. на основе геологических предпосылок и теоретических построений, выделяется в категорию предполагаемых (inferred) ресурсов. В России и странах СНГ принята другая классификация ресурсов. По степени изученности они подразделяются на разведанные (категории А, В и С1) и предварительно оцененные (категория С2) запасы. Выделяют также прогнозные ресурсы (категории Р1, Р2 и Р3). По хозяйственному значению запасы делятся на балансовые и забалансовые. Количество полезного ископаемого должно быть определено весьма тщательно, с учетом потерь, связанных с применяемыми системами разработки, засорением руды в процессе добычи пустыми породами, технологией обогащения руды и металлургической переработкой, производственных затрат и капитальных вложений. На основе этих расчетов прогнозируют объем товарного сырья. Если месторождение уже отрабатывалось раньше, то исследуют пробы, отобранные из старых горных выработок, анализируют имеющуюся производственную документацию, карты и т.д. Иногда дополнительно проводят бурение для поиска новых рудных тел. На ранних стадиях изучения старых рудников устанавливают причину прекращения их эксплуатации, так как вполне возможно, что применение новых технологий разработки месторождений и переработки руды может превратить их в прибыльные предприятия.
ОЦЕНКА СТОИМОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ
Для экономической оценки горных работ необходимо учитывать имеющиеся природные ресурсы, капитал и оборудование, эффективность производства, трудовые ресурсы, налоги, а также ключевые факторы спроса и предложения. Определяются текущая стоимость и перспективы ее изменения, выявляются и оцениваются риски. Полная экономическая оценка является в известной мере ориентировочной; только в редких случаях действительные результаты работ согласуются с предварительно рассчитанными. После того, как данные о запасах руды, затратах на добычу, источниках финансирования и прочие условия изучены, проводятся математические расчеты и определяется стоимостное выражение ценности месторождения и ожидаемая прибыль. Существует множество методик оценки стоимости горных работ.
СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Выбор способа разработки определяется главным образом размерами, конфигурацией и глубиной положения залежи, а также физическими свойствами полезного ископаемого и вмещающих пород.
Рис. 3,а. РАЗРАБОТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ - способ добычи руды из глубоко залегающих месторождений. Отбитая руда доставляется на поверхность подъемниками по главному стволу; для поддержания циркуляции воздуха используется вентиляция.
Рис. 3,б. РАЗРАБОТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ НАКЛОННЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, ведущих к рудному горизонту. Руда транспортируется на поверхность автокарами.
Рис. 3,в. ОТКРЫТАЯ РАЗРАБОТКА (карьер или разрез) применяется, когда руда или уголь залегают близко от земной поверхности.
Рис. 3,г. ШТОЛЬНИ - горизонтальные горные выработки, обычно расположенные на склоне горы в местах, где уголь или руда выходят на поверхность или близки к поверхности.
Открытая разработка - наиболее дешевый способ, поскольку при этом используется мощное производственное оборудование, позволяющее за смену извлекать большое количество полезного ископаемого. Условия работы при открытой разработке менее опасны для здоровья работающих, причем требуется меньшая численность контролирующего персонала, чем при подземной добыче. В процессе открытой разработки первоначально проводят вскрышные работы, т.е. удаление пустых пород, покрывающих залежь.
РАЗРАБОТКА ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ. Бульдозер удаляет вскрышные породы на месторождении серы.
Для удаления рыхлых вскрышных масс применяются механизмы, используемые в капитальном строительстве, - скреперы, конвейерные погрузчики, механические лопаты, драглайны, многоковшовые роторные экскаваторы и др. Для перемещения пустых пород применяются в основном большегрузные самосвалы, скреперы и ленточные и другие конвейеры, реже - вода, подаваемая под высоким давлением. Если вскрышные породы слишком крепки, то их обрабатывают с помощью тракторов, оснащенных рыхлителями, либо разрушают буровзрывным способом. Когда залежь или пласт подготовлены к извлечению, выбирается оптимальная система их разработки. Некоторые массивные руды типа знаменитых месторождений меди в каньоне Бингем в штате Юта разрабатываются уступами, которые поступательно подвигаются (рис. 4). Пластовые месторождения (угля, калийных солей и фосфатов) эксплуатируются открытым способом с применением рыхления. На тех карьерах, где для дробления породы требуется проведение буровзрывных работ, при бурении часто используются шнековые или электрические установки или дизельные станки вращательного бурения. Иногда для открытых разработок применяются пневматические устройства типа отбойного молотка или перфоратора, установленные на платформах или на гусеничном шасси. В самых прочных породах наиболее эффективно термическое бурение, при котором для разрушения используется сжигание под давлением нефти или керосина в смеси с кислородом. Термическое бурение достигает температур 3000° С. Взрывные работы при открытой добыче осуществляются с применением порошкообразных взрывчатых веществ (ВВ) или аммиачной селитры. Электрические взрыватели используются чаще, чем обычные детонаторы. Важнейшим фактором при открытых разработках является устойчивость откосов бортов карьера. Если рельеф и свойства горных пород не позволяют осуществить оптимальную выемку с нормальным расположением системы уступов, соответствующим форме рудного тела, то для повышения устойчивости бортов карьера и обеспечения большей крутизны откосов используют тросовые анкеры.
АЭРОФОТОСНИМОК МЕДНОГО РУДНИКА (шт. Юта, США), разрабатывающегося открытым способом.
Рис. 4. ОТКРЫТАЯ РАЗРАБОТКА КАРЬЕРОМ
Для погрузки отбитого полезного ископаемого в автомобили или железнодорожные вагоны применяют драглайны или механические лопаты, ковшовые погрузчики с опрокидывающимся назад ковшом. Иногда используются многоковшовые роторные экскаваторы, которые непрерывно перегружают добытый материал на конвейер для перемещения его к пункту погрузки. Производительность крупных роторных экскаваторов достигает 9900 м3/ч. Подземная разработка рудных месторождений. Способы подземной разработки более многочисленны и сложны, что связано с разнообразием форм рудных тел. Одним из наиболее распространенных является обрушение, применяющееся при разработке массивных рудных тел, в которых при проходке горных выработок и подсечке блоков руды образуются трещины и происходит дробление породы на отдельности. Отбитая руда перепускается в систему откаточных выработок, располагающихся под обрушаемым блоком, и оттуда доставляется на поверхность. Наиболее разнообразны способы эксплуатации пластообразных рудных тел или жил. Для отработки мощных жил применяют специальные варианты системы с обрушением. Там, где мощные жилы сложены малопрочным материалом, используется разработка длинными очистными забоями, которая начинается с верхней части рудного блока. По мере продвижения над кровлей нижележащего горизонта устанавливается крепь. Отбитая руда сбрасывается на нижний горизонт для последующего подъема на поверхность. Тонкие жилы отрабатываются системой с магазинированием руды. При этом рудный блок подрывается снизу, часто из вспомогательного штрека, пройденного по жиле выше откаточного штрека; между вспомогательным и откаточным штреками через постоянные интервалы пробивают выработки и оставляют от 5 до 10 рудных целиков. Желоба с затворами располагаются в них таким образом, чтобы отбитая руда могла перепускаться на откаточный горизонт. Затем из вспомогательных или подэтажных штреков вертикально отбивается новая партия руды. После того, как будет выпущено достаточное количество отбитой руды для образования соответствующего рабочего пространства, горняки, располагающиеся на поверхности массива руды, отбитой предыдущей заходкой, разбуривают следующую секцию вертикальной жилы. Там, где свойства руды не позволяют применять системы с магазинированием, используются системы с закладкой выработанного пространства пустыми породами сразу после отбойки и выемки руды. Иногда используется система с открытым забоем. Открытое очистное пространство представляет собой подземную полость или камеру, созданную в результате выемки руды. Для устойчивости этой выработки в ней оставляют блоки из неотбитой руды (целики); реже возводится крепь. При добыче угля чаще всего применяется камерно-столбовая система разработки.
См. также УГОЛЬ ИСКОПАЕМЫЙ.
Бурение. При буровзрывной отбойке прежде всего бурят шпуры для размещения в них ВВ. В течение долгого времени стандартным был ручной способ бурения шпуров; он до сих пор применяется при разведочных работах, в малых рудниках и даже на отдельных изолированных участках крупных рудников, где затраты на обеспечение сжатым воздухом и на механическое оборудование неоправданны. При ручном бурении шпуров обычно используется шестигранный бур диаметром 22 мм, заостренный на конце в виде долота. Бурение шпура, производимое одним человеком, осуществляется с помощью молотка массой 1,8 или 2,2 кг. Для проходки шпуров глубиной 90-150 см используются несколько буров разной длины. Существуют разные типы механических буровых станков. Большинство операций по бурению в угольных шахтах производится пневматическими или электрическими вращательными установками шнекового типа. В крепких породах обычно используются ударные пневматические поршневые перфораторы, в которых поршень, совершающий возвратно-поступательные движения, наносит сильные удары по хвостовику рабочего органа (бура), эластично закрепленного в патроне на переднем конце перфоратора. В то же время механизм перфоратора предусматривает вращение бура. Перфораторы типа отбойного молотка меньших размеров бывают ручными либо на цилиндрической пневмоподдержке. По мере того, как в процессе бурения рабочий орган перфоратора углубляется, пневмоподдержка поднимается, удерживая положение перфоратора и его рабочего органа на одной линии с пробуриваемым шпуром. Пневматические бурильные молотки большей мощности, называемы
