Добыча полезных ископаемых в карьерах и разрезах

Существует два способа добычи полезных ископаемых: открытый (в карьерах и разрезах) и закрытый (в шахтах и каменоломнях).

Актуальность открытой разработки месторождений

Открытая добыча — первый способ извлечения полезных ископаемых, доступный человеку. Актуален он и сегодня: 65% объема мирового потребления сырья рудного и нерудного происхождения добыты открытым способом, как и 35% твердого топлива. Из разрезов извлекают 20-30% каменных и почти 90% бурых углей; 80% руд цветных металлов, 75% железных руд и 90% других ископаемых и строительных материалов также добывают на карьерах. Наиболее развита карьерная добыча в США, Китае, Австралии, Канаде, некоторых странах Европы.

В России с помощью открытой разработки месторождений получают почти 100% строительных материалов, 64-66% угля и 80-93% руд черных и цветных металлов.

Преимущества открытой добычи

Основное преимущество открытой разработки месторождений — финансовая выгода. Извлечение полезных ископаемых открытым способом в 2 раза эффективнее, чем подземная добыча, для рудных месторождений и в 3 раза — для угольных пластов. Открытая выемка полезных ископаемых позволяет сэкономить на строительстве шахт и прокладывании туннелей, вместе с тем производительность труда в разрезах и карьерах в 2-3 раза выше, чем на подземных рудниках, а потери полезного сырья — в 5 раз ниже.

Важным фактором является также то, что при извлечении руд открытым способом возможно комплексное освоение всех ресурсов месторождения.

Карьер и разрез

Совокупность горных выработок, образованных при открытой добыче полезных ископаемых, называют карьерами. К карьерам, где добывают уголь и разрабатывают россыпные месторождения, в России применяется термин разрез.

Карьер — это система уступов (чаще всего нижние уступы — добычные, реже породные, а верхние — породные или вскрышные) горной массы в контурах карьерного поля. В результате вскрышных работ покрывающие породы перемещаются в отвалы (иногда их размещают в выработанном пространстве). Добычные работы позволяют осуществить выемку породы и ее транспортировку на промышленную площадку для первичной переработки полезных ископаемых или отгрузки потребителю.

Эффективность открытой добычи

В процессе эксплуатации происходит перемещение рабочих уступов, вследствие чего увеличивается выработанное пространство. Глубина карьеров определяется эффективностью открытой разработки месторождения. Чаще всего выгода от дальнейшей разработки теряется после отметки от десятков до полутысячи метров, но есть и исключения — глубина Бингем-Каньона (Юта, США), который начали разрабатывать в 1863 году, к 2008 году достигла 1,2 км.

Коэффициент вскрыши (отношение всего объёма вскрыши в контуре карьера ко всему объёму полезного ископаемого) обычно составляет от 4 до 25 м3/м3. Хотя использование современного оборудования (например, дробильных ковшей) повышает эффективность освоения залежей с низким содержанием полезного компонента в руде, более высокие значения этого показателя делают разработку нерентабельной.

Эффективность карьера оценивают комплексно, с помощью системы технико-экономических показателей, как специальных (коэффициент вскрыши, себестоимость полезного ископаемого, эксплуатационные затраты и так далее), так и общих (рентабельность, прибыль, качество горной продукции).

Затраты на БВР. Возможна ли экономия?

Львиная доля затрат при добыче твердых полезных ископаемых — это расходы на буровзрывные работы, они составляют до 30% себестоимости. Помимо финансового аспекта, у БВР есть и другие недостатки: технологическая сложность, повышенная опасность, серьезный урон окружающей среде, переизмельчение твердых пород.

С 1996 года в России развиваются безвзрывные технологии разработки крепких пород. На сегодняшний день отказ от БВР при разработке мягких, довольно мягких и средней крепости горных породах по шкале М.М.

Протодьяконова — это реальность. Многие карьеры смогли повысить свою эффективность, заменив взрывы на современное оборудование — мега-рипперы, мембранные гидромолоты и роторные фрезы.

История развития горного дела

Первые примитивные горнопроходческие инструменты, найденные археологами, датируются шестым тысячелетием до нашей эры. В четвертом тысячелетии до нашей эры с помощью разработки открытым способом извлекались полиметаллические руды в Индии, на Кавказе и Синайском полуострове, а также в Северной Эфиопии. Начиная со второго тысячелетия до нашей эры, с помощью карьеров добывается железо в Южной Европе и на Ближнем Востоке.

Первые масштабные карьеры по добыче камня появились благодаря строительству храмовых комплексов и пирамид в Древнем Египте, впоследствии карьерным способом добывали мрамор в период античности.

В средние века открытая добыча цветных металлов велась в крупных карьерах на землях современных Италии, Испании, а также на Урале.

Начиная с 18 века набирает популярность разработка карьеров для россыпных месторождений в Сибири и на Урале.

Но только в 20 веке, с появлением высокопроизводительных машин и оборудования для больших объемов вскрышных работ, масштабной выемки горных пород, их погрузки и транспортировки, был зафиксирован значительный прогресс в отрасли.

Развитие горного дела в 20-м веке

Первые карьерные экскаваторы появились уже в конце 19 века. Это дало толчок для бурного развития в начале 20-го века промышленной добычи природных ресурсов открытым способом. Лидерами в этом направлении стали Германия и США. В России на тот момент по-прежнему преобладал ручной труд, работы были механизированы лишь отчасти.

В СССР крупные карьеры, на которых добывали черные и цветные металлы, а также уголь открытым способом, появились в 1928-1941 гг. За время Великой Отечественной войны объемы добычи полезных ископаемых в СССР существенно возросли. По окончании войны начался период модернизации техники и механизации процесса добычи.

Параллельно прогрессировали методики проведения взрывных работ. Порох, который начали применять еще в Средние века, в 20-е годы сменился на аммонал, в 30-е стали использовать динамон, в 40-е применяли оксиликвит, а после перешли на игданит, который используется и по сей день, хотя и в более современных форматах.

Открытая разработка месторождения. Подготовительный этап

Любая добыча полезных ископаемых — будь то открытая или подземная разработка — начинается с геологоразведки. Затем, после утверждения проекта, начинаются подготовительные работы (осушение месторождения, отвод рек, перенос железнодорожных и автомобильных трасс, вырубка леса, возведение коммунальных, административно-бытовых и складских сооружений, строительство коммуникаций, гаражей, мастерских и так далее). Трудоемкость данного этапа напрямую зависит от природно-географических условий местности.

Горно-капитальные работы

После подготовительного этапа начинаются горно-капитальные работы на объекте (этот этап также называют основным горно-строительным периодом). Создаются капитальные и разрезные траншеи, ведутся дренажные и осушительные работы, проходит монтаж основного горного, транспортного и технологического оборудования, возводятся промышленные здания, обогатительные сооружения и так далее. В этот же период проходит вскрытие месторождения, когда механическим рыхлением или с помощью буровзрывных работ отделяются вскрышные породы, мешающие извлечь полезные ископаемые.

Эксплуатация месторождения

Наиболее продолжительный этап в жизненном цикле любого карьера — период эксплуатации. Важно достичь максимально полной, безопасной и экономичной выемки всех видов полезных ископаемых. Для этого необходимо подобрать технологию добычи, которая наиболее точно будет подходить условиям конкретного месторождения.

Рекультивация земель

Любая технология добычи полезных ископаемых связана с перемещением огромных объемов грунта и пород, а значит, неизбежно влечет нарушение естественного ландшафта и баланса местной экосистемы. С точки зрения экологов, карьер несет исключительно негативные последствия для природы: в ходе его создания и эксплуатации нарушается почвенный покров, уничтожаются леса и меняется картина движения подземных вод.

Работающая в карьере техника производит огромное количество пыли, которая оседает в ближайших лесах.

Чтобы снизить негативный след, по окончании эксплуатации карьеры затапливают или рекультивируют. Во многих странах закон обязывает владельцев горнодобывающих предприятий восстановить почву и высадить деревья на отработавшем свой срок карьере.

Различные классификации технологии добычи

Поскольку каждое месторождение уникально, разработки ведутся с использованием различных методик и подходов. Производительность карьера зависит от правильного выбора технологии разработки. Существует несколько вариантов классификации добычных работ.

В России широко используется классификация систем открытой разработки месторождений Н.В. Мельникова по способу перемещения пустых пород вскрыши в отвалы и типу применяемого оборудования.

По положению и форме залежей относительно поверхности земли выделяют следующие методы разработки месторождений.

Еще одна классификация, разработанная В.В. Ржевским, основана на положении рабочей зоны и направлении движения фронта работ.

Применяется также разработанная К.Н. Трубецким классификация систем на основе ресурсосберегающих и малоотходных технологий с применением новых видов горного и транспортного оборудования, которая включает цикличные (13 схем) и циклично-поточные (5 схем) способы открытой разработки месторождений.

Техническая оснащенность современного карьера

Современный карьер представляет собой высокотехнологичное предприятие, оснащенное производительными машинами и механизмами. Для добычи полезных ископаемых используются как узкоспециальные машины, так и комплексные агрегаты, способные выполнять сразу несколько задач.

Например, рыхление производится рыхлителями мощностью до 735 кВт, бурение взрывных скважин — буровыми станками массой до 130 тонн. Для вскрышных работ используют механизированные лопаты и драглайны с вместимостью ковша порядка полутора сотен кубометров.

Чтобы повысить эффективность разработки месторождений, активно внедряется комплексная механизация, которая включает неразрывность коммуникаций — от точки забоя до пунктов разгрузки руды. При этом подходе все машины, задействованные в технологической цепочке, должны соответствовать друг другу по показателям производительности и мощности.

Выбор техники для карьера

Интересно, что техническая оснащенность конкретного карьера зависит, помимо прочего, от его расположения и национальных традиций отрасли. Так, в Германии для добычи угля принято использовать транспортно-отвальные комплексы. В США при сопоставимых масштабах добычи на угольных разрезах используют большие экскаваторы.

И все же наибольшей популярностью на открытых карьерах во всем мире пользуются прямые мехлопаты, экскаваторы и погрузчики шарнирно-сочлененного типа.

Карьерный экскаватор может не только грузить и транспортировать породу. В зависимости от крепости породы и технологической необходимости, гидравлический экскаватор может быть оснащен, например, роторным ковшом для додрабливания добытого бутового камня в щебень. А при добыче известняка мега-рыхлитель, гидромолот или роторная фреза, установленные на экскаватор, позволят отказаться от буровзрывных работ и получать качественную продукцию без переизмельчения.

Особенности поточной технологии

Поточная технология разработки запасов полезных ископаемых предполагает активное применение самоходных дробилок и роторных экскаваторов, причем масса таких дробилок достигает 600 тонн. Использование стационарных и мобильных дробильных агрегатов дает возможность широкого использования конвейерных систем.

Тем не менее, основная транспортная единица любого карьера — это, конечно, самосвал. Чаще всего используются автомобили грузоподъемностью до 155 тонн, но встречаются и настоящие великаны (200-300 тонн).

Впрочем, не стоит забывать также о 360-тонных железнодорожных тягачах с думпкарами грузоподъемностью до 180 тонн.

Масштабные машины — масштабные затраты

Развитие горнодобывающей отрасли требует создания новых, более мощных и совершенных машин и оборудования. Но обратная сторона эффективности и производительности таких колоссов — огромные финансовые затраты.

При создании карьера глубиной до ста метров с крепкими породами 15% себестоимости — это строительство карьера. Из них 40% расходов — горные работы, 30% — стоимость оборудования. В ходе эксплуатации 30% себестоимости кубометра вскрыши занимают взрывные и бурильные работы, около 15% — экскавация, ещё 40% — транспортировка. По мере углубления карьера транспортные расходы могут вырасти до 70%.

Строительство карьера требует серьезных капитальных вложений, причем срок их окупаемости составляет от 7 лет и более. Но как показывают огромные масштабы открытой разработки месторождений по всему миру, трудоемкость производственного процесса и большие расходы не пугают инвесторов.

Вы можете задать специалистам компании HammerMaster любой интересующий вас вопрос

Оставить заявку