Глава 1. основные параметры рудника
Г.Г. МИЛЕХИН
ВСКРЫТИЕ И ПОДГОТОВКА
РУДНЫХ месторождений
Допущено Учебно-методическим объединением
вузов Российской Федерации
по образованию в области горного дела
в качестве учебного пособия
по дисциплине "Вскрытие и подготовка рудных месторождений"
для специальности 090200 "Подземная разработка
месторождений полезных ископаемых"
Мурманск
УДК 622.34
ББК 33.32
М 60
Милехин, Г.Г. Вскрытие и подготовка рудных месторождений: Учеб. пособие по дисциплине ''Вскрытие и подготовка рудных месторождений'' для специальности 090200 ''Подземная разработка месторождений полезных ископаемых'' / Г.Г. Милехин. – Мурманск: Изд-во МГТУ, 2004. – 113 с.
Рассмотрены технологические схемы вскрытия и подготовки рудных месторождений. Приведены методики расчета основных параметров рудника и выбора способа вскрытия.
Даны классификации вскрывающих, подготовительных и нарезных выработок. Освещены особенности технологии проходки нарезных выработок.
Предназначено для студентов горных специальностей.
The layouts of ore deposits opening and development have been considered. The main mine and deposit opening parameters have been presented. Classifications of access and development openings have been shown with highlighting the specifics of driving the access wokings.
Intendent for students of mining departments.
Ил. 49, табл. 10, список лит. – 12 названий.
Рецензенты – Ю.В. Дядькин, д-р техн. наук, профессор кафедры разработки месторождений подземным способом Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета);
А.Г. Васильев, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник того же института.
Ю.В. Демидов, д-р техн. наук, зав. сектором Горного института Кольского научного центра РАН;
Георгий Георгиевич Милехин
ВСКРЫТИЕ И ПОДГОТОВКА РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Редактор Е.В. Попова
© Мурманский государственный
Технический университет, 2004
© Г.Г. Милехин, 2004
ISBN
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.. 5
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РУДНИКА... 6
1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАПАСОВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯ 6
1.2. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ МОЩНОСТЬ РУДНИКА.. 9
1.3. СРОК СУЩЕСТВОВАНИЯ РУДНИКА.. 12
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВСКРЫТИЯ... 13
2.1. ОБЩИЙ ПОРЯДОК РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ.. 13
2.2. РАЗМЕРЫ ШАХТНОГО ПОЛЯ.. 15
2.3. ВЫСОТА ЭТАЖА.. 16
2.4. СТУПЕНИ ВСКРЫТИЯ И ИХ ПАРАМЕТРЫ... 17
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ГОРНЫХ РАБОТ НА ОКРУЖАЮЩИЙ ГОРНЫЙ МАССИВ 18
3.1. ВИДЫ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.. 18
3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН СДВИЖЕНИЯ.. 19
3.3. ПОСТРОЕНИЕ ОХРАННЫХ ЦЕЛИКОВ.. 20
ГЛАВА 4. СПОСОБЫ ВСКРЫТИЯ 22
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВСКРЫВАЮЩИХ ВЫРАБОТОК.. 22
4.2. СХЕМЫ РАСПОЛОЖЕНИЯ ОСНОВНЫХ ВСКРЫВАЮЩИХ ВЫРАБОТОК
И ИХ ЧИСЛО.. 22
4.3. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ВСКРЫТИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.. 28
4.4. ВСКРЫТИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ СТВОЛАМИ.. 29
4.5. ВСКРЫТИЕ НАКЛОННЫМИ СТВОЛАМИ.. 34
4.6. ВСКРЫТИЕ ШТОЛЬНЯМИ.. 40
4.7. КОМБИНИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ ВСКРЫТИЯ.. 42
ГЛАВА 5. ВЫБОР СПОСОБА ВСКРЫТИЯ………………………………….51
5.1. СУЩНОСТЬ МЕТОДА ВАРИАНТОВ……..………………………………………55
5.2 ТРЕБОВАНИЯ К СХЕМЕ ВСКРЫТИЯ…………………………………………….55
5.3. ВЫБОР СЕЧЕНИЙ ВСКРЫВАЮЩИХ ВЫРАБОТОК…………………………...56
5.4. ПРОВЕРКА РАЗМЕРОВ СЕЧЕНИЙ ВСКРЫВАЮЩИХ ВЫРАБОТОК
ПО КРИТЕРИЮ ДОПУСТИМОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ВОЗДУХА…..62
5.5. РАСЧЕТ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ НА СТРОИТЕЛЬСТВО РУДНИКА……...73
5.6. РАСЧЕТ ПРИВЕДЕННЫХ ЗАТРАТ И ВЫБОР ВАРИАНТА ВСКРЫТИЯ…….80
5.7. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН СТРОИТЕЛЬСТВА РУДНИКА………………………..84
ГЛАВА 6. ПОДГОТОВКА БАЛАНСОВЫХ ЗАПАСОВ
К ОЧИСТНОЙ ВЫЕМКЕ……………………………………………………..88
6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫРАБОТОК ЭТАПА ПОДГОТОВКИ…………………88
6.2. СПОСОБЫ ПОДГОТОВКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ..…………………..91
6.3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОВЕДЕНИЯ БУРОВЫХ
ВЫРАБОТОК……………………………………………………………………………..92
6.4. СПОСОБЫ ПРОХОДКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И НАКЛОННЫХ
ВЫРАБОТОК……………………………………………………………………………..95
6.5. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОХОДКИ ВЫПУСКНЫХ ВЫРАБОТОК……...……………104
6.6. СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДСЕЧКИ И ОТРЕЗНЫХ ЩЕЛЕЙ………...107
6.7. ПОКАЗАТЕЛИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНО-НАРЕЗНЫХ РАБОТ
И ТРЕБОВАНИЯ К ПОДГОТОВКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ………………………….110
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА…………………………………………..112
ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………………….114
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап развития общества характеризуется все возрастающими потребностями человечества в минеральном сырье, добыча которого удваивается каждые 15–20 лет.
Минеральным сырьем называют полезные ископаемые, которые извлекаются из недр. Различают следующие виды минерального сырья:
– руды – полезные ископаемые, которые требуют переработки с целью извлечения из них различных металлов или минералов;
– горючие полезные ископаемые – уголь, нефть, газ, торф, сланцы, которые можно использовать без переработки как энергетическое сырье;
– нерудные полезные ископаемые – горные породы, которые используются в производстве без существенной переработки (например, строительные материалы: щебенка, гравий и т. п.).
Около 1/3 руд добывается подземным способом, отличительной чертой которого является необходимость присутствия людей в подземных горных выработках.
Работы, выполняемые на месторождении и связанные с извлечением полезного ископаемого из недр, называются разработкой месторождения. Разработка месторождения состоит из трех основных стадий – вскрытия, подготовки рудной залежи и извлечения руды.
Технология разработки рудных месторождений существенно отличается от разработки угольных и сланцевых месторождений из-за необходимости применения взрывной отбойки, поэтому вскрытие и подготовка рудных месторождений имеют свои особенности.
В данном учебном пособии рассмотрены способы и схемы вскрытия рудных месторождений при их подземной разработке, приведены методики расчета их основных параметров и выбора способа вскрытия, описаны способы и схемы подготовки рудных месторождений, технология проведения нарезных выработок в добычных блоках и участках.
При написании учебного пособия автор опирался на многолетний опыт преподавания в Санкт-Петербургском государственном горном институте дисциплины "Вскрытие и подготовка рудных месторождений" для студентов специальности 090200 "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых" (специализация "Разработка рудных месторождений").
Главы 1–3 написаны совместно с В.Ю. Казаковым.
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РУДНИКА
К основным параметрам рудника относятся:
– промышленные запасы месторождения;
– производственная мощность рудника;
– срок существования рудника.
1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАПАСОВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Запасы полезного ископаемого являются одним из основных факторов, влияющих на промышленную оценку месторождения, масштаб и срок деятельности горнодобывающего предприятия.
Подсчет запасов руды и содержащихся в ней полезных компонентов производится по данным геологической разведки. В зависимости от степени разведанности запасов полезных ископаемых месторождения принимается решение о строительстве рудника.
По степени разведанности все запасы разделяются на четыре категории – А, В, С1 и С2.
Запасы категории А вполне разведаны в геологическом и гидрогеологическом отношении. Они оконтурены скважинами и выработками, в них выявлены содержание полезных компонентов и сорта руд, а также определена технология их разработки.
Запасы категории В разведаны и оконтурены, выявлены условия залегания, типы и сорта полезных ископаемых, их качественные и технологические характеристики без детализации. В достаточной степени изучены гидрогеологические условия
Запасы категории С1разведаны на основании редкой сетки скважин или выработок. Типы руд, их качественные и технологические характеристики не выявлены в достаточной степени, особенно в сложных месторождениях. Общие условия разработки и гидрогеологические условия изучены предварительно.
Запасы категории С2 примыкают к запасам, разведанным по категориям А, В и С1, а также к запасам, предполагаемым на основании данных геологических и геофизических исследований, подтвержденных данными опробования из отдельных скважин и выработок.
Запасы полезного ископаемого в пределах разведанной части месторождения называются геологическими. По возможности использования они подразделяются на балансовые и забалансовые.
Балансовые запасы – это запасы, которые выгодны для разработки по комплексу горнотехнических и экономических факторов.
Забалансовые запасы – это запасы, разработка которых при существующей технологии добычи и переработки руды экономически нецелесообразна.
При оценке запасов месторождения пользуются кондициями на минеральное сырье. Кондиции на минеральное сырье (или промышленные кондиции) представляют собой совокупность требований к качеству и количеству полезных ископаемых, горно-геологическим, горно-техническим
и другим условиям разработки месторождений. Параметры кондиций являются предельными значениями натуральных показателей для подсчета
и оценки запасов. Они устанавливаются отдельными горнодобывающими предприятиями или объединениями предприятий в соответствии с ценой на добываемый вид полезного компонента, условиями разработки месторождения и техническим оснащением предприятия.
Разработка проектов строительства новых и реконструкции действующих рудников производится на основе балансовых запасов полезных ископаемых категорий А, В и С1, утвержденных Государственной комиссией по запасам.
В балансовые запасы включаютпромышленные запасы и общерудничные потери.
Промышленные запасы месторождения – это часть балансовых запасов, которая предусмотрена к отработке планами горных работ.
Величина промышленных запасов зависит от размеров месторождения и может быть рассчитана по следующим формулам:
– для горизонтального месторождения – по формуле
| Q = S m rр, т; | (1.1) |
– для наклонных и крутопадающих месторождений – по формуле
 , т, | (1.2) |
где S – площадь месторождения, м2; m – нормальная мощность рудного тела, м; rр – плотность руды в массиве, т/м3; L –длина рудного тела по простиранию, м; H –вертикальная высота рудного тела, м; a – угол падения рудного тела, град.
К общерудничным потерям относят неизвлекаемые запасы, оставляемые в охранных целиках около капитальных горных выработок, а также под зданиями, сооружениями, водоемами, водоносными горизонтами и не предусмотренные к разработке планами горных работ.
В процессе добычи руды часть промышленных запасов по различным причинам остается в недрах, это – эксплуатационные потери. Таким образом, промышленные запасы подразделяются на извлекаемыезапасы и эксплуатационные потери.
При извлечении руды содержание полезного компонента в ней по различным причинам (в основном из-за примешивания пород) снижается. Этот процесс называется разубоживанием руды.
Извлекаемые запасы вместе с примешанной породой называют рудной массой или добытой рудой.
При проходке горных выработок вне рудной залежи извлекаемые породы выдаются на поверхность отдельно от рудной массы. Совокупность выдаваемых на поверхность рудной массы и пород, извлеченных при проходке горных выработок, называют горной массой.
Эффективная разработка месторождения возможна при условии согласования во времени трех стадий подземной разработки: вскрытия, подготовки и извлечения руды.
Вскрытие – это проведение вскрывающих выработок, обеспечивающих доступ к месторождению с поверхности.
Подготовка месторождения состоит из двух этапов:
а) горно-подготовительных работ – проведения выработок с целью разделения вскрытой части месторождения на добычные участки или блоки;
б) нарезных работ – проведения выработок, необходимых для извлечения полезного ископаемого, на этих участках или в блоках.
Извлечение руды – это выполнение комплекса производственных процессов по добыче руды от ее отбойки до выдачи на поверхность. При строительстве рудника все стадии осуществляются последовательно,
а в процессе его эксплуатации – параллельно.
В соответствии со стадиями разработки выделяют следующие виды промышленных запасов: вскрытые, подготовленные и готовые к выемке.
Вскрытые запасы – это запасы руды в разрабатываемом месторождении или его части, находящиеся выше горизонта их подсечения вскрывающими выработками.
Подготовленные запасы – часть вскрытых запасов, в которой пройдены все подготовительные выработки.
Готовые к выемке запасы – это часть подготовленных запасов, в которой пройдены все нарезные выработки.
Между указанными видами запасов должно соблюдаться определенное соотношение: вскрытых запасов должно быть больше, чем подготовленных, а подготовленных – больше, чем готовых к выемке. Для каждого рудника устанавливаются нормативы (минимальное количество) каждого вида запасов на любой момент работы рудника. Единица измерения нормативов – месяцы (для вскрытых запасов – годы) непрерывной работы рудника на этих запасах с заданной производительностью.
Обеспеченность рудника вскрытыми запасами определяется исходя из времени, необходимого для вскрытия следующего участка или горизонта месторождения. Ориентировочно минимально допустимые нормативы обеспеченности в зависимости от технологии разработки месторождения составляют: для подготовленных запасов от 6 до 20 месяцев, для готовых
к выемке – от 2 до 8 месяцев [7].
1.2. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ МОЩНОСТЬ
РУДНИКА
Производственная мощность рудника определяется количеством руды (в тоннах), добываемой за определенный период его работы (за смену, сутки, месяц, год). На рудниках за период работы принимается год, поэтому производственную мощность называют годовой производительностью рудника. От годовой производительности горного предприятия зависят размер капитальных вложений в его строительство или реконструкцию, себестоимость добычи и переработки 1 т полезного ископаемого, приведенные затраты, ожидаемая или полученная прибыль, эффективность капиталовложений и другие технико-экономические показатели.
Производительность современных горных предприятий колеблется
в значительных пределах: от 100 тыс. т/год до 5 млн т/год. Производительность большинства горнорудных предприятий составляет от 0,5 до 3 млн т/год.
Производственная мощность предприятия зависит от горных возможностей [4]: размеров месторождения, его запасов, условий залегания месторождения, технологии и организации горных работ.
Годовая производительность рудника по горным возможностям Аг при угле падения рудных тел более 30º определяется по формуле
 , т/год, | (1.3) |
где v – среднегодовое понижение уровня выемки, м; К1, К2, К3 и К4 – поправочные коэффициенты к величине годового понижения в соответствии с углами падения, мощностью рудных залежей, применяемыми системами разработки и числом этажей, находящихся одновременно в отработке; Sг – средняя горизонтальная рудная площадь этажа, м2; g – плотность руды, т/м3; п и р –соответственно коэффициенты потерь и разубоживания руды при ее добыче.
Среднегодовое понижение уровня выемки зависит от средней горизонтальной рудной площади этажа:
;
где Lш.п – длина шахтного поля по простиранию, м; mг – горизонтальная мощность рудного тела, м; m – нормальная мощность рудного тела, м; a – угол падения рудного тела, град.
Эта зависимость выражается следующим образом:
| Sг, тыс. м2 | Менее 5 | 5–12 | 12–25 | Более 25 |
| v, м/год | 30–25 | 25–22 |
Поправочный коэффициент К1 определяется углом падения рудного тела a:
| a,град | ||||
| К1 | 1,2 | 1,0 | 0,9 | 0,8 |
Поправочный коэффициент К2 определяется мощностью рудного тела:
| m, м | < 3 | 3–5 | 5–15 | 15–25 | > 25 |
| К2 | 1,3 | 1,2 | 1,0 | 0,8 | 0,6 |
В зависимости от применяемых систем разработки поправочный коэффициент К3 и ориентировочные показатели потерь П и разубоживания руды Р имеют следующие значения:
| Система разработки | К3 | П, доли ед. | Р, доли ед. |
| С открытым выработанным пространством без выемки целиков | 1,0 | 0,3–0,5 | 0,05–0,1 |
| С открытым выработанным пространством с выемкой целиков | 1,0 | 0,08–0,12 | 0,12–0,15 |
| С магазинированием | 1,0 | 0,05–0,1 | 0,1–0,15 |
| С креплением | 0,9 | 0,05–0,07 | 0,05–0,1 |
| С закладкой | 0,8 | 0,02–0,05 | 0,05–0,1 |
| Со слоевым обрушением | 0,8 | 0,03–0,05 | 0,05–0,07 |
| С этажным обрушением | 1,0 | 0,1–0,15 | 0,15–0,2 |
| С подэтажным обрушением | 1,0 | 0,07–0,15 | 0,07–0,15 |
Поправочный коэффициент К4определяется числом этажей Nэ, находящихся в одновременной отработке:
| Nэ | > 3 | ||
| К4 | 1,0 | 1,2–1,5 | 1,5–1,7 |
Годовая производительность рудника по горным возможностям Аг при угле падения рудных тел менее 30º определяется по формуле
Аг = S Ки  , | (1.4) |
где S – горизонтальная площадь месторождения, тыс. м2; Ки – коэффициент использования рудной площади; ki – доля применяемых систем разработки в общем объеме добычи руды рудником, доли ед.; di –производительность блока или панели в зависимости от применяемой системы разработки, т/год; Si – площадь блока или панели в очистной выемке, в зависимости от применяемой системы разработки, тыс. м2; n – число применяемых на руднике систем разработки.
Коэффициент использования рудной площади Ки зависит от горизонтальной площади месторождения S:
Горизонтальная площадь…………………………………………….Коэффициент Ки
месторождения, тыс. м2………………………………………………………………....
5–10………………………………………………………………………….....0,35–0,27
10–20………………………………………………………………...…………0,27–0,23
20–50………………………………………………………………...…………0,23–0,17
50–100……………………………………………………………...…………..0,17–0,13
100–200…………………………………………………………………...……0,13–0,09
200–400…………………………………………………...……………………0,09–0,06
Более 400………………………………………………………...…………………..0,06
Производительность выемочного участка при камерно-столбовых системах разработки может составлять 360–720 тыс. т/год, а его площадь – 30–60 тыс. м2, при столбовых системах разработки – соответственно 720–1200 тыс. т/год и 60–90 тыс. м2.
Помимо понятия годовой производительности рудника по горным возможностям существует понятие экономически целесообразной или оптимальной годовой производительности, при которой возможно достижение наиболее высоких экономических показателей разработки месторождения.
Экономически целесообразная годовая производительность Аэ может быть приблизительно рассчитана по эмпирической формуле
| Аэ = КрБз0,765, млн т/год, | (1.5) |
где Кр – коэффициент условий разработки (Кр = 0,1 при легких и Кр = 0,075 – при сложных условиях и большой глубине горных работ); Бз – балансовые запасы, млн т.