Добывающая промышленность – это совокупность отраслей производства, занимающихся добычей различного сырья и топлива из недр Земли, из вод и лесов. Основные отрасли: добыча полезных ископаемых (уголь, нефть, торф, природный газ, руда, нерудное сырье и др.), заготовка древесины. Горная порода, которая может быть использована человеком для различных целей, называется полезным ископаемым. Горная порода, не являющаяся объектом извлечения полезного ископаемого, называется пустой. Естественное скопление полезных ископаемых в земной коре называется месторождением.
Добыча полезных ископаемых – процессы извлечения твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых из недр Земли с помощью технических средств. Процесс добычи состоит в извлечении ценного компонента в относительно чистом виде (например, нефть, природный газ, каменный уголь, драгоценные камни и др.) или в виде горной массы (например, руды металлов), которые в дальнейшем подвергаются переработке.
На суше добычу полезных ископаемых ведут в шахтах, карьерах и на буровых скважинах; в морских акваториях – буровыми скважинами, драгами и специальными автономными аппаратами, которые осуществляют сбор конкреций со дна. Конкреции – это минеральные образования округлой формы в осадочных горных породах, возникающие при преобразовании рыхлых пород в осадочные и резко отличающиеся от вмещающей породы составом и формой. В современных океанических осадках распространены конкреции окислов железа и марганца, образующие рудные скопления.
Мировые объемы добычи полезных ископаемых в ХХ веке удваиваются примерно в течение каждых 12-20 лет. Суммарная добыча важнейших полезных ископаемых за последние 100 лет составила 137 млрд. т угля, 46,7 млрд. т нефти, 20 трлн. кубических метров природного газа, 24,5 млрд. т железной руды.
Следует отметить, что с ростом добычи повышаются непроизводительные потери полезных ископаемых в недрах. Теряется около половины калийных солей, до 15-20% угля, руд черных и цветных металлов. Например, на действующих рудниках Криворожского бассейна железистые кварциты подрабатываются в процессе добычи богатых руд, попадают в зоны обрушений и безвозвратно теряются. Особенно велики потери ценных компонентов при обогащении, которые в 2-5 раз превышают потери при их добыче. В черной металлургии доля используемых попутно добываемых горных пород составляет всего 32%, в т.ч. для строительных нужд – 2,5%, в цветной металлургии только 3-4% вскрышных пород направляются на производство щебня.
Добывающие предприятия и их отличительные особенности
В добывающей промышленности различают следующие добывающие предприятия: шахта, рудник, карьер.
Шахта – горнопромышленное предприятие по добыче полезного ископаемого подземным способом. Включает наземные сооружения и горные выработки.
Рудник – горное предприятие по добыче полезного ископаемого (преимущественно руды) открытым и подземным способами.
Карьер – горное предприятие по добыче полезных ископаемых открытым способом. Применительно к карьеру по добыче угля используется термин «разрез».
Горное дело существует с давних времен и в наши дни является одной из основ экономической деятельности человека.
Горное дело прошло долгий исторический путь. А.И. Арсентьев и В.А. Падуков выделяют четыре этапа развития горной техники: биоэнергетический, машинного производства, электрификации, автоматизации.
Биоэнергетический этап (человек-инструмент-предмет труда) связан с использованием в качестве энергии мускульной силы человека и животного.
Этап машинного производства (человек-машина-инструмент-предмет труда) связан с изобретением и использованием паровой машины, развитием машинного производства и расширением масштабов горнодобывающей промышленности.
Этап электрификации позволил интенсифицировать производство, повысить производительность машин и оборудования.
Этап автоматизации характеризуется передачей функций управления горной техникой специальным устройствам.
Расширение области применения непрерывных процессов – одно из важнейших направлений в развитии горнодобывающей промышленности. В последние годы на горных предприятиях широкое распространение получают циклично-поточная и поточная технологии добычи скальных, осадочных пород и руд при одновременном увеличении доли открытых работ.
Работы по проходке и поддержанию горных выработок, выемке горных пород называют горными. Для разработки месторождения при помощи горных работ по определенному плану проводят сеть подземных или открытых горных выработок, в которых осуществляются производственные процессы. В практике горных работ выделяют два основных способа разработки месторождений твердых полезных ископаемых: подземный и открытый.
Подземным называют способ, при котором месторождения разрабатывают с помощью подземных выработок. При открытом способе месторождения разрабатывают с помощью открытых горных выработок. Подземные горные выработки могут при этом использоваться лишь в некоторых случаях: для размещения конвейеров в наклонных выработках, для выдачи руды из карьера Ингулецкого ГОКа, для подачи железнодорожных составов, для погрузки руды со дна карьера (Центральный рудник в Хибинах) или для осушения водоносных пород. Ряд месторождений полезных ископаемых разрабатывают комбинированным способом: верхнюю часть – открытым, нижнюю – подземным способом.
В процессе разработки месторождения подземным способом выделяют три стадии горных работ: вскрытие, подготовку и очистную выемку. К особенностям добывающих предприятий следует отнести:
1. Обязательное проведение поисков и разведки месторождения полезных ископаемых.
Поиск – комплекс геологоразведочных работ, направленных на выявление промышленно-ценных скоплений полезных ископаемых как возможных источников минерального сырья для нужд народного хозяйства и на их прогнозируемую геолого-экономическую оценку.
Разведка – комплекс работ, проводимых с целью определения промышленного значения месторождений полезных ископаемых, получивших положительную оценку в результате поисково-оценочных работ.
2. Полная взаимосвязь с природной средой.
Эта взаимосвязь характерна для технологических процессов, являющихся источниками воздействия на природную среду, среди которых следует отметить:
1) устройство промплощадок под буровые и другие геологоразведочные работы;
2) строительство дорог, коммуникаций промышленного и коммунального назначения, зданий и сооружений предприятий;
3) проходку вскрывающих и подготовительных горных выработок;
4) добычу полезных ископаемых подземным и открытым способами;
5) складирование пород и отходов производства;
6) засыпку естественных углублений рельефа (балок, оврагов, русел, ручьев и т.д.);
7) строительство опор, акведуков для прокладки водопроводов большого диаметра;
8) оврагообразование при сбросе сточных вод и др.
Основные количественные характеристики источников геомеханических нарушений следующие:
длина и площадь фронта горных работ;
скорость подвигания фронта работ;
глубина работ от поверхности;
мощность выносимых пород, толщина нарушаемого слоя почвы;
высота насыпки пород;
мощность обрушивающихся при подземных горных работах пород, высота сводов обрушения, параметры зон сдвижения пород над очистными и подготовительными выработками;
объемы извлекаемых полезных ископаемых, пород, сопутствующих компонентов;
объемы, площади и скорости движения сточных вод по рельефу местности.
3. Мобильность основных средств труда.
Очистное, проходческое и другое оборудование при работе постоянно перемещается и при его эксплуатации попадает в различные горно-геологические условия, в то время как в других отраслях промышленности средства труда устанавливаются и работают в стационарных условиях.
Технологический и жизненный циклы добывающих предприятий
Различают жизненный и технологический циклы добывающих предприятий.
Жизненный цикл – период от дня проектирования предприятия до его закрытия.
Технологический цикл – период от начала использования определенной технологии до смены ее другой. Так, для угольной отрасли характерны технологические циклы, связанные с использованием широкозахватной выемочной техники, затем узкозахватной с применением индивидуальной крепи и этой же техники с применением механизированных крепей.
Срок службы предприятия – предельное время, считая от начала эксплуатации технического объекта, в течение которого он функционирует с требуемой эффективностью, включая время работы объекта по прямому назначению, а также время простоев из-за ремонтов, по организационным причинам и т.д. Например, при минимальной производственной мощности строящейся шахты (1-2 млн. т в год) срок ее службы должен быть не менее 25-30 лет.
Известны следующие этапы производственного цикла:
1) поиск и разведка полезных ископаемых (их определения приведены в предыдущих разделах);
2) проектирование и строительство горных предприятий.
Проектирование – это разработка комплексной технической документации (проекта), содержащей технико-экономические обоснования, расчеты, чертежи, макеты, сметы, пояснительные записки и другие материалы, необходимые для строистельства (реконструкции) горного предприятия.
Процес строительства горного предприятия подразделяют на несколько периодов: подготовительный (внутриплощадочные и внеплощадочные работы); первый основной (оснащение и проходка стволов); переходной (от проходки стволов к проведению протяженных выработок); второй основной период (проведение горизонтальных и наклонных выработок, строительство шахтной поверхности, подготовка к сдаче предприятия в эксплуатацию);
3) эксплуатация месторождения полезных ископаемых или его части.
Горно-геологические условия разработки полезных ископаемых
На эффективность ведения горных работ влияют следующие основные горно-геологические факторы:
1. Глубина разработки. С увеличением глубины разработки возрастает вредное влияние горного давления; интенсивнее проявляются пластические свойства горных пород; увеличивается температура горных пород на глубине 1000 м до 36-40°С; возрастают число и интенсивность горных ударов внезапных выбросов угля, пород, газа и др. При углублении горных работ на каждые 30 м для угленосных и 45-50 м для рудоносных отложений температура повышается на 1°С.
2. Форма месторождения. От форм месторождения зависит принимаемая схема его вскрытия, технологические схемы ведения горных работ, обводненность и др.
3. Физические и механические свойства полезного ископаемого. Физические свойства породы – это специфическое ее поведение при воздействии определенных внешних физических полей или тел. Физическое свойство породы оценивается несколькими показателями, которые называются параметрами и являются количественной мерой свойства. В соответствии с классификацией, принятой в физике горных пород, основными группами физических свойств, в зависимости от вида внешнего физического поля, считаются: плотностные, механические, тепловые, электрические, магнитные, волновые, радиационные, гидрогазодинамические.
Механические свойства горных пород характеризуют изменения формы, размеров и сплошности горных пород под воздействием механических нагрузок, которые возникают в результате действия естественных или искусственных факторов.
4. Состав и строение пород. Горные породы по составу и строению весьма разнообразны. Насчитывается свыше 4000 различных пород, свойства которых зависят от их минералогического состава и структуры. Свойства пород учитываются при выборе оборудования, типа взрывчатых веществ, схем расположения скважин и шпуров, на методы взрывания оказывают влияние трещиноватость и пористость, вязкость, пластичность, упругие показатели, пределы прочности горных пород.
5. Обводненность месторождений. Это насыщенность массива из горных пород подземными водами, которая определяет величину ожидаемого притока воды в выработки и осложняет ведение горных работ. Подземная разработка обводненных месторождений может сопровождаться внезапными прорывами воды и плывунов, пучением почвы, обрушением кровли; открытая разработка – оползнями и др. Критерием оценки степени обводненности месторождения является тип месторождения по обводненности. Для каждого из выделенных типов месторождений по этому фактору разработаны методы расчета водопритоков в выработки, инженерные мероприятия по защите их от воды и снижению отрицательного влияния подземных и поверхностных вод на условия ведения горных работ.
Содержание в породах и поступление воды в горные выработки определяется величиной коэффициента водообильности шахты – количество воды (кубические метры), которое выдается из шахты водоотливными установками на 1 т добычи полезного ископаемого в течение года. Для разных шахт коэффициент водообильности изменяется от десятых долей до 35 и более.
6. Экологические условия. При строительстве и эксплуатации горных предприятий нарушается рельеф местности, изменяются состав и режим поверхностных и подземных вод, загрязняется водный и воздушный бассейны и меняется продуктивность почв. В результате этого первоначальная (естественная) экологическая система окружающего района претерпевает значительные изменения. Нарушаются ее энергетика, естественный круговорот веществ, биохимические и другие процессы. Эти условия учитывают при комплексном решении вопросов взаимодействия горных предприятий с окружающей природной средой и создании рационального функционирования природно-промышленных систем разного уровня. Следует разрабатывать и практически осуществлять технически возможные, экономически необходимые и целесообразные мероприятия, обеспечивающие рациональное использование и охрану природных ресурсов с учетом интересов настоящих и будущих поколений.
7. Газовыделения при разработке месторождений. При ведении горных работ происходит выделение газов в атмосферу шахты или карьера. В угольных шахтах источники газовыделения: разрабатываемые, смежные подрабатываемые или надрабатываемые пласты угля и пропластки, вмещающие породы. Выделяются газы (в основном метан и углекислый) через свободную поверхность пласта и из отбитого угля.
В условиях шахтной разработки рудных, соляных и нефтяных месторождений происходит выделение газов, содержащих взрывоопасные углеводородные компоненты (метан и его гомологи, водород, пары бензина), а также вредных ядовитых газов (углекислого, сероводородного, окиси углерода, окислов азота, акролеина). Источники выделения углеводородных газов (до 2000-3000 м3/сут) – осадочные породы, вредных и ядовитых – горное оборудование с двигателями внутреннего сгорания, взрывные работы.
Основные источники газовыделения в карьерах: вмещающие породы и полезные ископаемые, горное оборудование и взрывные работы. Газовыделение из полезных ископаемых и вмещающих пород связано в основном с окислительными процессами, особенно при разработке месторождений сульфидных руд и углей.
Для очищения горных выработок от газообразных продуктов и пыли, образующихся при работе горных машин, выполнении взрывных работ и других производственных процессах, от углекислого газа, а также для снижения температуры воздуха и обеспечения его нормального состава служит проветривание.
В карьерах для снижения поступления вредных газов вскрытые участки изолируют от доступа окислителей; производят химическое ингибирование, интенсификацию выемки окисляющихся участков полезных ископаемых.