Вскрытие месторождений

Вскрытие месторождений

ВСКРЫТИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, совокупность горных работ для достижения месторождения полезного ископаемого с целью последующей эксплуатации. К вскрытию месторождения приступают после установления детальной разведкой рентабельности эксплуатации данного месторождения. Способ вскрытия месторождения устанавливается в зависимости от условий залегания, количества, качества и характера полезного ископаемого (твердое, жидкое, газообразное), размера основного капитала и некоторых других факторов. При неглубоком залегании (1—5 м) полезного ископаемого вскрытие его заключается в большинстве случаев в сносе верхнего покровного слоя (наносов) и устройстве карьера (открытые горные разработки). К этому типу относится вскрытие месторождений большинства строительных материалов: песчаников, кварцитов, известняков, мрамора и т. д., залегающих обычно в форме пластов или пластообразных залежей неглубоко от поверхности. В тех случаях, когда месторождение полезного ископаемого залегает на значительной глубине, когда, следовательно, применение открытых разработок является невыгодным и приходится прибегать к подземным работам, вскрытие месторождений осуществляется серией более сложных горных работ.

Вскрытие пластовых месторождений (свиты пластов) в зависимости от различных факторов может осуществляться: отдельными на каждый пласт шахтами, центральной (капитальной) шахтой с квершлагом, то же с гезенком, наклонной шахтой, проводимой по пласту полезного ископаемого или по пустым породам, и, наконец, при благоприятном рельефе поверхности - штольнями.

Вскрытие месторождений

При вскрытии отдельными шахтами каждый пласт свиты разрабатывается самостоятельной шахтой (фиг. 1); при вскрытии центральной шахтой с квершлагом или гезенком углубляется только одна шахта, и затем уже от нее свита прорезывается на все расстояние между крайними пластами квершлагом (фиг. 2) или гезенком (фиг. 3).

Вскрытие месторождений

Вскрытие месторождений штольней (фиг. 4) можно рассматривать как частный случай вскрытия свиты шахтой с квершлагом, когда глубина шахты равна нулю.

Вскрытие месторождений

При вскрытии наклонной шахтой, последняя обычно ведется непосредственно по пласту полезного ископаемого, остальные же пласты свиты вскрываются квершлагом (фиг. 5) или гезенком, проводимыми из наклонной шахты.

Вскрытие месторождений

В большинстве случаев оказывается выгодным вскрытие свиты осуществлять комбинированным способом, например, более глубокие горизонты пластов вырабатывать через центральную (капитальную) шахту, а верхи свиты разрабатывать или отдельными шахтами на каждый пласт, или шахтами с квершлагами (или гезенками), соединяющими не все пласты свиты, а только часть их, или наклонными шахтами, или, наконец, при мощных пластах открытыми разработками (например, разработка каменного угля в Челябинском районе на Урале). Факторами, определяющими способ вскрытия месторождения ископаемого, являются: 1) природные условия залегания, к которым относятся: угол падения пластов, число пластов, расстояние между пластами, мощность пластов, крепость окружающих пород и т. д., 2) условия аренды, 3) размер основного капитала, вкладываемого в предприятие, 4) предполагаемая глубина разработки, 5) состояние рынка и некоторые другие, чисто местные факторы.

С увеличением угла падения свиты стоимость вскрытия, как показывают исследования, вообще возрастает. Чем больше угол падения, тем больше шансов приобретает способ вскрытия месторождения центральной шахтой с квершлагом; при пологом падении преимущество переходит на сторону шахты с гезенком. С увеличением числа пластов стоимость вскрытия месторождения отдельными на каждый пласт шахтами возрастает, стоимость же вскрытия центральной шахтой уменьшается, так как большие капитальные затраты окупаются здесь большними вскрываемыми запасами. Значительное расстояние между пластами является условием, благоприятствующим вскрытию каждого пласта отдельной шахтой, так как проведение при этом квершлагов или гезенков может обойтись значительно дороже, чем проведение отдельных шахт и их оборудование. Наоборот, незначительное расстояние между пластами дает преимущества центральной шахте. С увеличением мощности нижних пластов и уменьшением расстояний между пластами от верхних пластов к нижним, при одинаковых прочих условиях, разработка центральной шахтой с гезенком приобретает преимущество над системой отдельных шахт, и, наоборот, когда мощные пласты свиты находятся вверху и расстояния между пластами возрастают от верхних пластов к нижним, разработка отдельными шахтами становится выгоднее. Крепость окружающих пород также не остается без влияния на способ вскрытия месторождения. Весьма крепкие окружающие породы могут создать условия, более выгодные для разработки данного месторождения наклонной шахтой, т. к. при проходке этой последней стоимость проведения шахты будет частично окупаться за счет получаемого при проходке полезного ископаемого.

Условия аренды оказывают влияние в том смысле, что подсчитанный наивыгоднейший способ вскрытия месторождения приходится, вследствие каких- либо условий договора, заменять другим менее выгодным вариантом, например, когда ставится условием непременная выработка месторождения до известной глубины или когда вносятся территориальные ограничения в отношении права закладки эксплуатационной шахты и т. п. Размер основного капитала, который может быть вложен в предприятие, оказывает весьма существенное влияние на способ вскрытия месторождения. Ограниченный размер основного капитала может, например, заставить отказаться от наивыгоднейшего в данных условиях вскрытия месторождения наиболее глубокой центральной шахтой, как требующей больших начальных затрат, и перейти на менее выгодную разработку отдельными мелкими шахтами; точно так же недостаточный размер основного капитала может привести к тому, что из всех пластов свиты будет выгодно разрабатывать только наиболее мощные пласты.

С увеличением глубины разработки, выгодность вскрытия месторождения центральной шахтой, вообще говоря, возрастает, т. к. проведение отдельных на каждый пласт шахт на значительную глубину делается невыгодным; однако при разработке глубоких горизонтов центральной шахтой может оказаться экономически выгодным произвести вскрытие верхов свиты на небольшую глубину и отдельными шахтами. Состояние рынка может оказать также влияние на отступление от наивыгоднейшего способа вскрытия. Если при данных природных условиях залегания месторождения оказалось наиболее выгодным вскрытие месторождения глубокой центральной шахтой, что потребует значительного времени, а на рынке ощущается острая потребность в данном виде полезного ископаемого, то может оказаться выгодным начать добычу полезного ископаемого через отдельные неглубокие шахты, сократив т. о. время на вскрытие и подготовку. Убыток же, который получится при отступлении от наивыгоднейшего способа, может с избытком окупиться прибылью от продажи полезного ископаемого по более высоким ценам.

Кроме перечисленных факторов, оказывающих влияние на способ вскрытия месторождения, существуют еще чисто местные, индивидуальные, присущие каждому данному месторождению факторы, которые, разумеется, также д. б. введены в учет при выборе способа вскрытия месторождения. Чрезвычайно большое количество различных трудно поддающихся математическому учету факторов, которые необходимо принимать во внимание при построении рационального способа вскрытия каждого данного месторождения, чрезвычайно осложняют создание общей теории для разрешения этого актуального вопроса, имеющего в горном деле первостепенное значение. Теория вскрытия месторождений в настоящее время проработана только отчасти и далеко еще, конечно, не исчерпывает вопроса. В основе современной теории построения рационального способа вскрытия месторождений лежат исследования русских ученых во главе с профессором Б. И. Бокием. Выгодность того или иного способа вскрытия свиты пластов, по теории профессора Б. И. Бокия, базируется главным образом, на учете капитальных затрат, к которым относятся: стоимость проходки капитальных выработок (шахт, квершлагов, гезенков, камер и пр.), оборудование подъема, водоотлива, вентиляции, постройка технических и хозяйственных сооружений, подъездной железнодорожной ветки и постройка жилой колонии для рабочих. Вводя в анализ каждого способа вскрытия месторождений поименованные выше факторы и сопоставляя результаты анализов между собой, профессор Бокий приходит к следующему выводу. При выборе способа вскрытия нетронутой предшествовавшими разработками и не ограниченной, как по падению, так и по простиранию, свиты каменноугольных пластов тонких и средней мощности, сначала находят угол α по формуле:

Vskrytie mestorojd 5

Здесь Кк. - стоимость проведения и оборудования п. м. квершлага в рублях; Кг. — то же гезенка; Кп.ш. - то же подъемной шахты; Кв.ш. - то же вентиляционной шахты; ∑а - расстояние между крайними пластами свиты по нормали в м; ∑р - производительность свиты в т, равная р1 + р2 + р3 + ... + рn, где р1, p2, ... pn - производительности (вес полезного ископаемого в тоннах in situ на площади пласта в 1 м2) отдельных пластов свиты, начиная с верхнего; n - число пластов в свите; А = a1p1 + а21 + р2) + а31 + р2 + р3) + ... + an-1(p1 + р2 + ... + pn-1), где a1, а2,..., an-1 — последовательные, начиная с верхних, нормальные расстояния между пластами в м.

Если угол падения свиты β будет больше или равен найденному углу α, то данную свиту выгоднее эксплуатировать при помощи шахты с квершлагом. Тогда находят глубину Hq м, до которой данную свиту выгодно эксплуатировать отдельными на каждый пласт шахтами, по формуле:

Vskrytie mestorojd 6

Здесь обозначения те же и Кo.ш. - стоимость проведения и оборудования п. м. отдельной шахты в рублях. Если концессия не долгосрочная и открываемого отдельными шахтами глубиной Hq м запаса полезного ископаемого достаточно для обеспечения рудника на заданное число лет при установленной годовой добыче, то система вскрытия отдельными шахтами в этом случае будет наиболее выгодной; если же открываемый отдельными шахтами запас является недостаточным и, следовательно, имеется необходимость работать более глубокие горизонты, то преимущество в отношении экономии капитальных затрат будет иметь центральная шахта с капитальным квершлагом.

Если угол падения свиты β будет меньше угла α, определенного по указанной выше формуле, то выгоднее будет шахта с гезенком. Тогда по формуле:

Vskrytie mestorojd 7

(значения букв здесь те же) находим глубину Нп м, до которой выгоднее работать системой отдельных шахт на каждый пласт. Если запас полезного ископаемого, открываемый отдельными шахтами глубиной Нп м, является достаточным, то вскрытие месторождений выгоднее вести отдельными шахтами, в противном случае - более выгодным является вскрытие центральной шахтой с гезенком, если при этом месторождение не является ограниченным по падению предельной глубиной разработки. Если же нижний горизонт разработки месторождения ограничен предельной глубиной Н м, то о выгодности того или другого способа вскрытия судим по формулам:

Vskrytie mestorojd 8

При Н"<Н>Н' разработка будет выгоднее шахтой с гезенком, при Н">Н>Н' - шахтой с квершлагом, при Н"<Н<Н' - отдельными шахтами; наконец, при Н">Н<Н' - центральная шахта с квершлагом и отдельные шахты имеют преимущество перед шахтой с гезенком, причем при Нq>H - многошахтная система будет более выгодной, а при Hq<H выгоднее будет центральная шахта с квершлагом.

Если уклон поверхности без большой погрешности можно принять равным углу γ, то в смысле капитальных затрат вскрытие свиты штольней будет выгоднее шахты с квершлагом при

Vskrytie mestorojd 9

Вообще же вскрытие штольней может быть выгоднее, чем шахтой при β>γ, т. е. когда угол падения свиты пластов больше угла уклона местности.

Приведенным, конечно, не исчерпываются все возможные случаи вскрытия свиты пластов, поэтому при проектировании приходится прибегать еще дополнительно к так называемому способу вариантов. Этот последний заключается в том, что предварительно по какой-либо вполне определенной системе вскрытия месторождения делается подсчет как капитальных, так и эксплуатационных расходов; затем намечается второй вариант с теми или иными отступлениями от первого, и по нему также подсчитываются указанные выше расходы и т. д. Сравнение общих сумм затрат по различным вариантам дает указание на наивыгоднейший, по которому и осуществляется в дальнейшем вскрытие месторождения ископаемых.

Неразрывно связанным с вопросом вскрытия месторождений является вопрос об определении размеров рудничного поля по простиранию свиты. Если концессия рудника имеет небольшие размеры и небольшие запасы, то она обычно вскрывается и разрабатывается при помощи одной шахты. Если размеры концессии и запасы полезного ископаемого так велики, что за время существования рудника (обычно 25—30 лет) извлечь их полностью не представляется возможным, то возникает вопрос об определении наивыгоднейших размеров рудничного поля. Главнейшим фактором, на базе которого профессором Б. И. Бокием разрешается этот вопрос, является учет стоимости проходки и ремонта горных выработок. Обозначая общий запас полезного ископаемого, подлежащего извлечению, через Т тонн, срок существования рудника М месяцев, наклонную высоту этажа L метров, стоимость проведения одного п. м. бремсберга с ходком Кб. руб., стоимость ремонта 1 п. м. штрека в месяц rштр. р., бремсберга с ходком - rб. р., шахты - rш. р. (остальные буквы сохраняют прежнее значение), профессор Бокий дает формулы для определения наивыгоднейших размеров рудничного поля по простиранию S м при различных способах вскрытия:

1) при вскрытии отдельными на каждый пласт шахтами:

Vskrytie mestorojd 10

2) при вскрытии центральной шахтой с этажными квершлагами:

Vskrytie mestorojd 11

3) при вскрытии центральной шахтой с этажными гезенками:

Vskrytie mestorojd 12

где С = Kn. ш. + Kв. ш. + Мrш. (в рублях). После того как местоположение шахт и размеры рудничного поля определены, приступают к проектированию горных выработок, непосредственно связанных с шахтой (рудничных дворов, камер и т. д.).

Основные способы вскрытия месторождений сохраняются также и при вскрытии жильных месторождений и месторождений неправильной формы (гнезд, штоков, буценов, штокверков, буценверков и т. д.). В виду крайней прихотливости и непостоянства формы этого вида залежей и различного обогащения рудной массой выбор способа вскрытия месторождений здесь является еще более осложненным, чем при разработке пластовых месторождений. Теория вскрытия жильных и неправильной формы месторождений до настоящего времени, вообще говоря, еще не создана; единственной базой, на которой строится проект вскрытия месторождений, в настоящее время является упомянутый выше способ вариантов.

Вскрытие месторождений полезных ископаемых жидких и газообразных (нефть, минеральные воды, горючие газы) осуществляется обычно буровыми скважинами, проводимыми с поверхности до горизонта пластов, к которым приурочено месторождение. При неглубоком залегании пласта, содержащего жидкое полезное ископаемое, вскрытие иногда производится при помощи колодцев - неглубоких шурфов, служащих для эксплуатационных целей.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.