Особенности разработки талых и мерзлых россыпей

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ РОССЫПЕЙ

Условия применения

Из всех способов горных работ наиболее трудоемким, дорогостоящим и обеспечивающим наименьшую комфортность для работающих является подземный. Эти недостатки и являются причиной того, что основным направлением технического прогресса в горнодобывающей промышленности является преимущественное развитие открытого способа разработки.

Подземная разработка россыпей во многих случаях связана с большими трудностями, чем, например, подземная разработка рудных месторождений. Это объясняется небольшой мощностью пласта песков (0,5—3 м) при горизонтальном его залегании. Поэтому шахтные поля имеют небольшие размеры. Даже при значительных размерах разрабатываемой россыпи нельзя создавать шахты, рассчитанные на высокую производительность и длительный срок эксплуатации. Площадь, занимаемая шахтным полем, и его длина в этом случае будут так велики, что затраты на проведение выработок и транспортирование по ним песков значительно превысят допустимые размеры и сделают невыгодной разработку россыпи. При небольших размерах и кратковременном существовании шахт, разрабатывающих россыпи, практически невозможно обеспечить на горных работах такую же степень комфортности, которая сейчас обеспечивается на крупных рудниках.

Подземным способом в настоящее время разрабатываются многолетнемерзлые россыпи и талые (реже). При подземной разработке россыпей отсутствуют условия для применения высокопроизводительных механизмов, поэтому до сих пор велико значение ручного труда на многих производственных процессах. Огромное количество труда и средств затрачивается, например, при разработке талых россыпей на их осушение и крепление горных выработок. Поэтому во всех случаях, когда есть возможность выбора, предпочтение должно быть отдано открытому способу разработки талых россыпей.

В нашей стране подземный способ впервые был применен для разработки талых россыпей и длительное время находил широкое применение на россыпях Бодайбинского и Алданского районов. Это объясняется тем, что на приисках в то время не было средств механизации, которые позволяли бы удалять покрывающий слой пустых пород. Вручную же проще было пройти вертикальные подземные выработки, из которых можно было разрабатывать пласт песков. В этом случае объем работ был значительно меньше, хотя сами работы не только труднее, но и опаснее для работающих.

Подземный способ разработки многолетнемерзлых россыпей в значительных масштабах стали применять в середине 30-х гг. XX в. на Северо-Востоке страны. Мерзлые россыпи разрабатывались и раньше в различных районах Сибири, однако тогда существовали только отдельные, чаще старательские шахты. В ближайшей перспективе подземный способ разработки в нашей стране будет применяться в основном на многолетнемерзлых россыпях. Существующая землеройная техника позволяет перемещать большие объемы горной массы, поэтому для талых россыпей всегда будет наиболее эффективным открытый способ разработки. Следует отметить, что в дальнейшем даже в районах распространения сплошной толщи многолетнемерзлых пород будут разрабатываться россыпи, залегающие на такой глубине, где температура пород положительна. Уже сейчас ведутся подземные работы на глубине 100—150 м. В дальнейшем эта глубина будет возрастать, что приведет к необходимости разрабатывать россыпи в более сложных условиях, чем в настоящее время.

Область применения подземных работ определена «Правилами технической эксплуатации». Для многолетнемерзлых россыпей она начинается с глубины залегания 8 м. По существующей методике подсчета запасов все многолетнемерзлые россыпи, залегающие на глубине более 8 м, могут быть отнесены к запасам для подземной разработки. Эта глубина определена по фактору обеспечения безопасности работ без учета экономической целесообразности.

С учетом современного состояния техники и технологии подземный способ целесообразно применять в следующих условиях. Для разработки талых россыпей область применения подземных работ начинается с глубины залегания не менее 20 м. Однако и при значительно больших глубинах, если есть возможность выбора, надо производить расчет, который должен подтвердить экономическую целесообразность подземного способа. В случае разработки многолетнемерзлых россыпей экономически оправдана подземная разработка на глубине более 15 м. Однако и здесь нельзя руководствоваться только глубиной залегания. Поэтому нужно пользоваться следующим правилом. В тех случаях, когда глубина залегания россыпи не превышает 12 м, подземная разработка может быть допущена только в условиях, где невозможно применение других способов разработки (например, когда россыпь залегает в узком каньоне, где невозможна открытая разработка). Для глубины 12—25 м выбор способа разработки производится только на основе тщательного технико-экономического расчета. При экономической равноценности способов предпочтение должно отдаваться открытой разработке. И только при глубине залегания более 25 м многолетнемерзлую россыпь можно разрабатывать подземным способом без технико-экономических расчетов.

Что касается ширины многолетнемерзлых россыпей и её влияние на выбор наиболее рационального варианта разработки открытым или подземным способом, то этот параметр определяющего значения при обосновании такого выбора практически не имеет, за исключением крайне узких россыпей с крутыми увалами и повышенной (более 15—20 м) глубиной залегания металлоносного пласта. Решающим фактором при этом является мощность приповерхностного мерзлотного покрова (торфов) россыпи и техническая и экономическая эффективность его разупрочнения, обеспечивающего возможность осуществления открытых горных работ.

Практически возможный порядок разработки многолетнемерзлых россыпей

различной ширины открытым и подземным способами

Любой технико-экономический расчет должен учитывать ряд показателей. Ориентировочный расчет только по одному какому-либо показателю, например, по сумме затрат на отработку россыпи (шахтного поля), может привести к неправильным выводам. Следует помнить, что количество полезного ископаемого, добываемое при разработке россыпи различными способами, будет разным в результате изменения уровней потерь и разубоживания. Поэтому при сравнении обязательно должны учитываться количество добываемого полезного ископаемого, сроки отработки россыпи, затраты на разработку, приходящиеся на 1 м² площади россыпи, и др.

Существенным преимуществом подземного способа разработки россыпей (по сравнению с открытым) является то, что он обеспечивает меньшие нарушения природных условий, минимальное разубоживание и перемещение меньших объемов горной массы. Это имеет большое значение в тех районах, где в широких масштабах ведутся сельскохозяйственные работы, строительство и др. Это обстоятельство имеет меньшее значение для районов Крайнего Севера и Северо-Востока страны. Однако во всех случаях ущерб от производства горных работ, наносимый природе, должен быть принят во внимание. Поэтому в экономических расчетах необходимо учитывать затраты на восстановление природных условий. Если же такой необходимости нет, то это должно быть тщательно обосновано.

При предварительном выборе способа разработки можно пользоваться табл. 12.1, где условия залегания россыпей разделены на три группы. При наличии условий, которые одновременно могут быть отнесены ко II и III группам, необходимо тщательное проектирование горных работ с детальной проработкой вопросов безопасности труда и составлением специальных мероприятий, нейтрализующих действие неблагоприятных факторов. Сочетание условий I и II групп свидетельствует вообще о неприменимости подземной разработки в данных условиях.

Таблица 12.1

На талых россыпях практически трудно назвать условия, которые в полной мере благоприятствовали бы применению здесь подземного способа. К наиболее благоприятным из них можно отнести глубину залегания россыпи (более 30 м), малую обводненность и наличие глинистых пород. Последние позволяют обнажать значительные площади и работать без забивной (опережающей) крепи. В то же время глинистые породы с большой обводненностью осушить весьма затруднительно, что для подземной разработки крайне неблагоприятно.

Приисковые районы и характеристика россыпей, разрабатываемых подземным способом, приведены в приложении VI, табл. VI.2.

Терминология

Терминология подземной разработки россыпей несколько отличается от общепринятой терминологии подземных работ. Произошло это в силу того, что подземная разработка талых россыпей начиналась старателями и в ней закрепились термины, не применявшиеся при разработке рудных и пластовых месторождений. Несколько иначе начиналась подземная разработка мерзлых россыпей, где с самого начала работы производились в больших масштабах при интенсивной их механизации. Здесь также появились местные термины. Многие термины были заимствованы из практики разработки пластовых месторождений, так как в условиях залегания мерзлых россыпей и пластовых месторождений имеется сходство.

При разработке талых россыпей самыми трудоемкими являются работы по осушению и креплению. Именно с этими работами связаны термины, наиболее отличные от общепринятых.

Передовой штрек — штрек, пройденный по россыпи с опережением по отношению к подготовительным выработкам и предназначенный для дренажа (сбора воды).

Штрек в плотике (вассерштрек) — осушительная выработка, которую проходят в плотике на 2—3 м ниже россыпи.

Водосливная выработка — штольня или вертикальная шахта, через которую вода из шахты самотеком сливается на поверхность.

Забивная крепь (пали) — прямоугольные брусья, которые забиваются вплотную друг к другу под кровлю выработки и под прикрытием которых устанавливаются верхняки крепежных рам.

Фальшивочные ломы, фальшивочные скобы — приспособления, позволяющие временно поддерживать верхняки до постановки стоек.

Каменная укладка — искусственные целики прямоугольной формы из камня.

Следует отметить, что при разработке талых россыпей нет строго установленных названий горизонтальных выработок. Чаще выработки, которые проведены по простиранию россыпи, называют штреками, а пройденные поперек — просечками. Однако иногда просечками называют только нарезные выработки.

Терминология подземной разработки многолетнемерзлых россыпей в значительной степени заимствована. Попытки изменить ее успеха пока не имели. Ниже мы будем придерживаться существующих терминов, предварительно разъяснив те из них, которые несколько отличаются от общепринятых.

Как правило, здесь все горизонтальные подготовительные выработки (независимо от их ориентации относительно россыпи) называются штреками. Штреки разделяются по их назначению (вентиляционный, транспортный, сборный) или по расположению относительно участков шахтного поля (панельный, блоковый). Проходка вскрывающих, подготовительных и нарезных выработок называется подземными горно-подготовительными работами.

Отвал песков на поверхности, имеющий коническую форму, называется конусным отвалом, или террикоником. Преобразование такого отвала в плоский производится при помощи бульдозера и называется разваловкой. Этим же термином обозначается и образование плоского отвала бульдозером непосредственно после выдачи песков на поверхность. В остальном терминология почти не отличается от общепринятой и не требует специальных пояснений.

При подземной разработке россыпей заключительным этапом является промывка, которая производится на переставных промывочных установках или на стационарных (полустационарных) обогатительных фабриках. При открытой разработке процессы выемки песков и их промывки совмещаются. При подземной разработке пески из шахты выдаются на поверхность, где они либо поступают непосредственно на промывку, либо складируются в отвалы. В последнем случае промывка осуществляется с наступлением теплого периода (промывочного сезона). Поэтому имеется различие в понятии «пески, подготовленные к промывке» для открытой и подземной разработки. Для открытой разработки понятия «готовые к выемке» и «подготовленные к промывке» могут совпадать. Для подземной разработки подготовленными к промывке называются пески, добытые и уложенные в отвал, которому придана форма, необходимая для его разработки (после его разваловки).

Понятие «шахтное поле» встречается очень часто. Под ним следует понимать участок россыпи, который отрабатывается одним добычным объектом (шахтой).

В данном случае не всегда можно считать число полей по числу вскрывающих выработок (шахт, штолен). Шахтное поле — это понятие технологическое, так как добычной объект определяется единством технологической схемы независимо от числа вскрывающих выработок.

Особенности разработки талых и мерзлых россыпей

Между подземной разработкой талых и мерзлых россыпей имеются принципиальные различия. В силу этого в дальнейшем будут отдельно рассмотрены вопросы, связанные с технологией и техникой горных работ. Здесь же мы предварительно сформулируем основные различия, чтобы в дальнейшем не было необходимости в каждом конкретном случае давать пояснения.

Для разработки талых россыпей наиболее характерными особенностями являются недостаточная устойчивость вмещающих пород и песков (что приводит к необходимости применения малопроизводительных систем разработки и к большой трудоемкости работ по креплению и управлению кровлей), необходимость осуществления мероприятий по осушению россыпи и шахтному водоотливу, неблагоприятные условия для механизации основных и вспомогательных работ. Все это приводит к значительному увеличению удельного веса проходческих работ и, естественно, к общему усложнению и удорожанию всего комплекса подземной разработки. В частности, если на многолетнемерзлых россыпях подготовительные и нарезные работы составляют от 8—12 %(сплошные системы разработки) до 25—30 % (столбовые и камерные системы), то на талых россыпях удельный вес таких работ достигает 40—50 %. Однако заметным преимуществом является возможность непосредственной отбойки песков и пустых пород без их предварительного рыхления. Наиболее целесообразно производить разработку талой россыпи снизу вверх, сбивая между собой все шахтные поля. Это позволяет создать единую систему осушения для всей россыпи.

Для разработки мерзлых россыпей характерными являются такие особенности, как большая устойчивость вмещающих пород и песков, обеспечивающая возможность применения высокопроизводительных систем разработки (с открытым забоем и малым объемом работ по креплению) и механизации всех основных и вспомогательных работ, необходимость применения буровзрывной отбойки песков и пустых пород при проведении выработок и очистной выемке, зависимость устойчивости вмещающих пород от их температуры (при повышении температуры устойчивость снижается), силикозоопасность работ в связи с сухими забоями и большим количеством выделяемой при производственных процессах пыли, отсутствие необходимости в водоотливе (при условии работы шахты в зимний период).

Из сопоставления этих особенностей видно, что проектировать и организовывать горные работы на талых и мерзлых россыпях необходимо по-разному. Для разработки мерзлых россыпей большое значение имеет сезонность работ, так как поступление теплого воздуха в выработки приводит к снижению их устойчивости. Для талых россыпей это обстоятельство значения не имеет.

Для применения подземного способа разработки на многолетнемерзлых россыпях имеются несравнимо лучшие условия, чем на талых россыпях. Поэтому производительность труда при подземной разработке многолетнемерзлых россыпей в среднем в 10 раз выше, чем при подземной разработке талых россыпей. Значительно шире и перспективы совершенствования техники и технологии подземной разработки многолетнемерзлых россыпей.

Кроме талых и мерзлых россыпей встречаются и промежуточные их формы. Обычно это россыпи с «вялой» мерзлотой, температура которых выше минус 2 °С. При такой температуре монолитность и устойчивость мерзлых рыхлых пород резко снижаются, и они становятся пластичными. В районах распространения многолетнемерзлых пород часто встречаются участки такой «вялой» мерзлоты (это имеет место вблизи русел крупных рек). Разработка таких участков усложняется и является как бы промежуточным звеном между разработкой талых и мерзлых россыпей.