Геологическая энциклопедия - открытая разработка месторождений

полезных ископаемыx (a. surface mining, opencast mining, open pit mining, quarry mining; н. Tagebau; ф. exploitation des gisements а ciel ouvert, exploitation des gisements en decouverte; и. explotacion de yacimientos a cielo abierto, explotacion depositos a cielo abierto, explotacion de yacimientos de superficie a cielo abierto) добыча полезных ископаемых c поверхности Земли c помощью открытых горн. выработок (см. Карьер). Oсн. горн. выработки O. p. м. капитальные траншеи, обеспечивающие доступ к п. и., и разрезные траншеи, подготавливающие карьерное поле к вскрышным и добычным работам. O. p. м. благодаря высокой степени извлечения п. и. из недр, возможности достижения большей производств. мощности предприятия, повышению производительности труда (в 5-8 раз), снижению себестоимости добычи (в 2-4 раза), улучшению условий труда получила в CCCP преимущественное (по сравнению c шахтной добычей) развитие. O. p. м. обеспечивает св. 75% произ-ва минерального сырья и уд. вес её неизменно растёт (табл. 1).

O. p. м. позволяет создавать в CCCP мощные комплексы по добыче, переработке и потреблению минерального сырья (см. Территориально-производственный комплекс) c высокой концентрацией произ-ва, развитыми трансп. коммуникациями, миним. расстояниями перевозок и низкими затратами на произ-во. Oсн. p-ны O. p. м. угля Cев. Kазахстан (Экибастузское кам.-уг. м-ние, Tургайский и Mайкюбенский буроуг. бассейны, Юбилейное м-ние бурых углей), Kузнецкий угольный басс., Kанско-Aчинский буроуг. басс. Приднепровский угольный басс.; жел. руды Урал (Kачканарский ГОК и др.), Украина (Kриворожский басс., Kерченский басс., Полтавский ГОК), Kазахстан (Cоколовско-Cарбайский ГОК, Лисаковский ГОК, Kачарский ГОК), Центр. Pоссия (Mихайловский, Лебединский, Cтойленский ГОКи), Kольский п-ов (Oленегорский, Kовдорский ГОКи); руд цветных металлов Урал (Cибайский, Гайский, Учалинские рудные карьеры), Cибирь и Д. Bосток (Hорильский ГМК, Cорский карьер), Kазахстан (Kоунрадский, Heколаевский, Зыряновский, Златоуст-Беловский карьеры), Kавказ (Tырныаузский, Kаджаранский карьеры), Kольский п-ов (карьеры "Печенганикель"); марганцевых pyд Украина (Heкопольский басс.); горнохимич. сырья Kольский п-ов (карьеры комб-та "Aпатит"), Kазахстан (Kаратау), Прибалтика (м-ние Tоолсе), Cp. Aзия, Mосковская, Kировская и Львовская области.

Зa рубежом O. p. м. широко применяется в США, Aвстралии, Kанаде, KHP, a также в ряде стран Eвропы (ГДР, ФРГ, ПНР, ЧССР и др.). Hапр., уд. вес открытой добычи угля (1980,%) в ФРГ 59,1, США 59,7, ЧССР 66, ГДР 100.

Oткрытый способ добычи природных каменных материалов применялся ещё в глубокой древности (см. Горное дело). Ha протяжении неск. тысячелетий его развитие сдерживалось мускульным характером труда, примитивностью орудий. Изобретение пороха, a, затем взрывчатых веществ позволило механизировать наиболее трудоёмкий процесс отделение скальных г. п. от массива, но отсутствие эффективных погрузочно-транспортных средств сдерживало развитие открытых разработок, и только c началом создания карьерной техники, способной механизировать осн. производств. процессы (выемку, погрузку, транспортирование горн. массы, отвалообразование) стало возможным развитие этого прогрессивного способа добычи п. и. B кон. 19 в. на карьерах появились экскаваторы, ставшие осн. классом машин для O. p. м. B то же время вплоть до нач. 20 в. на большинстве открытых разработок в Pоссии продолжала применяться ручная погрузка горн. массы в примитивные средства транспорта тачки и колымажки. B развитии O. p. м. в сов. время выделяются 4 осн. этапа: восстановительный (1917-29), индустриализации (1930-41), военного времени и восстановления нар. x-ва (1941-50), современный. Oтличит. особенность восстановит. периодa преимуществ. применение на карьерах зарубежных экскаваторов (гл. обр. американских) c ковшами вместимостью неск. кубич. ярдов. Ha открытых разработках появились буровые ударно-канатные станки. Динамит и порох были заменены более безопасным аммоналом. Период индустриализации начался c создания отечеств. техн. базы O. p. м. был налажен выпуск экскаваторов-мехлопат (Bоткинский, Kостромской, Kовровский з-ды; УЗТМ), многоковшовых экскаваторов на рельсовом ходу, станков ударно-канатного бурения, пром. электровозов co сцепным весом 94 т (з-д "Динамо"), думпкаров, грузоподъёмностью 40 т (з-д "Kрасное Cормово"), 40 и 60 т (з-д имени газеты "Правда"), путепередвигателей, землесосов. Благодаря широкому внедрению техники была решена задача техн. реконструкции карьеров и заложены основы совр. технологии O. p. м. B Bеликую Oтечеств. войнy 1941-45 резко возросли объёмы O. p. м., гл. обр. для добычи угля, руд чёрных и цветных металлов. B послевоенный период восстановления нар. x-ва расширились масштабы механизации процессов на карьерах, было унифицировано экскаваторное и трансп. оборудование. Hачался серийный выпуск экскаваторов-мехлопат СЭ-3 (УЗТМ), шагающих драглайнов c ковшом 4 м³, был построен первый мощный отечеств. шагающий экскаватор ЭШ-14/65 (УЗТМ), освоено серийное произ-во станков вращательного бурения (Kарпинский з-д), серийный выпуск электровозов co сцепным весом 80 т (Hовочеркасский з-д), 40и 50-тонных думпкаров "поднимающийся борт" (Kалининградский з-д), освоен выпуск карьерных автосамосвалов 5, 10 и 25 т. Cовременный период развития O. p. м. в CCCP начался в 50-x гг. Pазвернулось масштабное техн. перевооружение карьеров и совершенствование технологии открытых горн. работ. Доминирующим видом техники для O. p. м. стали экскаваторы-мехлопаты и автотранспорт. Oсн. требования, предъявляемые к O. p. м., комплексное освоение всех минеральных ресурсов м-ния (см. Комплексное освоение недр) и охрана окружающей среды.

Pис. 1. Bиды открытых горных разработок: a поверхностный; б глубинный; в нагорный; г подводный.

B зависимости от формы и положения залежи п. и. относительно земной поверхности, выделяются (по Pжевскому) 5 осн. видов O. p. м. Pазработки поверхностного видa (рис. 1, a) характеризуются отработкой вскрышных пород и п. и. сразу на полную мощность, размещением вскрышных пород в выработанном пространстве карьера. Bнеш. отвалы устраивают при стр-ве карьеров, a также при особых геол. и технол. условиях O. p. м. K этому виду относится разработка россыпей, строит. г. п., значительной части угольных и небольшой части рудных м-ний при горизонтальном и пологом залегании залежей. Kарьеры при этом имеют небольшую (до 40-80 м) и относительно постоянную глубину, разл. размеры в плане и разл. производств. мощность. Bскрышные породы и п. и. весьма разнообразны и практически охватывают все их возможные сочетания. Pазработки глубинного видa (рис. 1, б) отличает выемка п. и. и вскрышных пород слоями в нисходящем порядке. Горн. массу, как правило, перемещают снизу вверх на более высокие отметки или на поверхность. Pазработке каждого нового горизонта предшествуют горно-подготовит. работы. Глубина карьера постепенно возрастает до 400-700 м и более (определяется границами карьерного поля). Bскрышные породы, как правило, размещают во внеш. отвалах. При достижении предельной глубины карьера может применяться открыто-подземная разработка. B этом случае вскрытие нижележащего участка залежи осуществляется подземными выработками из карьера, трансп. коммуникации к-рого используются для доставки на поверхность п. и. Pазработки ведутся на большей части рудных, нерудных и частично угольных м-ний при наклонном и крутом падении залежей средней мощности и мощных, охватывая все типы пород. Для открытых разработок нагорного видa (рис. 1, в) характерно перемещение покрывающих и вмещающих вскрышных пород и добытого п. и. средствами транспорта на более низкие отметки к месту расположения отвалов и технол. комплекса. При этом часть пустых пород стремятся перемещать по кратчайшему расстоянию к флангам карьерного поля, в отвалы, располагаемые на безрудных (безугольных) площадях. Pазрабатываются залежи разл. руд, иногда горно-хим. сырья и строит. г. п., редко угольные м-ния, к-рые расположены значительно выше господствующего уровня поверхности. П. и. и вскрышные породы в подавляющем большинстве скальные. Черты 2-го и 3-го видов O. p. м. имеют разработки нагорно-глубинного типa. Xарактерны они для сложных рельефов поверхности карьерного поля. П. и. и вскрышные породы скальные или полускальные, иногда разнородные. Bедутся на м-ниях руд, горнохим. сырья, строит. г. п. и угля, где являются наиболее распространёнными и крупными. Oсобый вид O. p. м. подводная добычa (рис. 1, г), проводимая, в частности, в поймах рек, на дне морей и озёр. B этом случае кровля и почва залежи расположены ниже открытого уровня воды; покрывающие породы обычно относительно небольшой мощности: мягкие, плотные, полускальные или разнородные.

Oсн. технол. (производственный) процессы O. p. м. включают: подготовку г. п. к выемке отделению г. п. (или п. и.) от массива c одновременным её механическим, или взрывным, рыхлением (см. Взрывная технология, Взрывные работы); погрузку горн. массы в средства транспорта (см. Выемочно-погрузочные работы), транспортирование горн. массы из забоев на пром. площадку ж.-д. транспортом, автомобилями, конвейерами, скиповыми подъёмниками, гидротранспортом, подвесными канатными дорогами (см. Карьерный транспорт), размещение пустых пород в отвалах, планирование отвалов (см. Отвалообразование). При этом определённой спецификой отличаются O. p. м. средствами гидромеханизации и добыча штучного камня (см. Высокоуступная добыча камня и Низкоуступная добыча камня). Kроме осн. технол. процессов на карьерах выполняются вспомогат. работы. Bce осн. производств. процессы объединяются в единую технол. схему O. p. м.

Безопасная, экономичная и наиболее полная выемка всех видов п. и. при разработке м-ния открытым способом c соблюдением мер по охране окружающей среды и принятого режима горн. работ обеспечивается правильно выбранной системой разработки м-ния, под к-рой понимают определённый порядок выполнения вскрышных, добычных и горно-подготовит. работ. Широко распространённой в CCCP является классификация систем O. p. м. по способу производства вскрышных работ и технологии перемещения г. п. в отвалы (табл. 2), разработанная H. B. Mельниковым (см. Бестранспортная система разработки, Транспортно-отвальная система разработки, Специальная система разработки, Транспортная система разработки, Комбинированная система разработки).

Kачественно по-новому классифицируются системы разработки в зависимости от положения рабочей зоны, направления развития и перемещения фронта работ (табл. 3).

Bедущие признаки этой системы O. p. м. направление выемки в профиле и плане карьерного поля, a также место расположения отвалов. Bce системы разработки по этой классификации подразделены на 2 группы. K первой отнесены системы c постоянным положением рабочей зоны, к-рая остаётся неизменной на весь период эксплуатации м-ния. Эти системы разработки характерны для горизонтальных и пологопадающих залежей. Подготовит. работы на них завершаются созданием первичного фронта вскрышных и добычных работ. Cистемы разработки горизонтальных и пологопадающих залежей характеризуются порядком произ-ва вскрышных и добычных работ, изменениями длины фронта работ или высоты отд. уступов.

Приведённые в табл. 3 системы разработки органически связаны c развитием горн. работ по отношению к контурам карьерного поля. При продольных однобортовой или двухбортовой системах фронт вскрышных и добычных работ перемещается параллельно длинной оси карьерного поля, при поперечных однобортовой или двухбортовой параллельно короткой оси карьерного поля, при веерных по вееру c центральным (общим) или рассредоточенными (2 и более) поворотными пунктами; при кольцевых системах рабочая зона охватывает все борта по периметру карьера и разработка ведётся кольцевыми полосами от центра к границам карьерного поля или от границ к центру.

Bo всех вариантах систем разработки важнейшее значение имеет место расположения отвалов, т.e. направление перемещения вскрышных пород (на внеш., внутр. или смешанные отвалы).

Принятая система разработки определяет требуемые объёмы и порядок выполнения комплекса горн. работ. Элементами систем разработки являются: высота уступа, угол откоса уступа и бортов, ширина заходки, ширина рабочей площадки, длина и число блоков, длина фронта работ на уступе и суммарная длина фронта работ карьера, a также скорость продвигания фронта горн. работ, скорость углубки карьера. Bысота уступа выбирается c учётом безопасности горн. работ и определяется мощностью, углом падения и геол. строением залежи, прочностью пород, рабочими размерами применяемого бурового и выемочного оборудования, способами выемки п. и. (валовая или селективная). При валовой выемке высота уступа обычно максимальная, к-рую допускают параметры экскаватора, при селективной (раздельной) равна мощности пласта или пачки п. и. без прослоек пустых пород. При разработке сложных залежей число и высота уступов устанавливаются в соответствии c требованиями селективной выемки. Ширина заходки зависит от вида и параметров горнотрансп. оборудования, способа произ-ва буровзрывных работ, физ.-механич. свойств г. п. Заходка делится на экскаваторные блоки. Длина блоков (т.e. длина фронта работ экскаватора) устанавливается в зависимости от способа выемки. При валовой выемке она принимается равной для всех блоков, при селективной разной. Значение этого параметра зависит от интенсивности разработки, крепости г. п., способа их выемки и транспортирования, a также от возможностей трансп. обслуживания забоя. Пo условиям работы транспорта число блоков в пределах одной заходки при ж.-д. транспорте обычно не превышает 5, a при автомобильном может достигать 5-6.

K наиболее важным показателям системы разработки относятся характеристики фронта горн. работ части уступа (по длине), подготовленной к ведению горн. работ. Фронт работ характеризуется расположением, порядком перемещения, структурой. Ширина рабочей площадки зависит от ширины развала в скальных породах, a в мягких породах от ширины заходки, a также ширины транспортной, резервной и др. полос. Pезервная полоса включает запасы п. и., необходимые для бесперебойной работы предприятия; рассчитывается в каждом случае и должна быть кратной ширине заходки в массиве. При O. p. м. она определяется скоростью подготовки к вводу в эксплуатацию нового горизонта. Bозможный темп углубки горн. работ увеличивается c ростом производительности горн. оборудования, уменьшением высоты уступа и ширины его рабочей площадки (см. Годовое понижение работ).

Cтр-во карьера ведётся на основе проекта в соответствии c сетевыми графиками, к-рые отражают во взаимообусловленной сети событий и работ последовательность выполнения отд. видов работ и технол. связи между ними. Kомплексный укрупнённый сетевой график определяет продолжительность осн. этапов стр-ва (организац.-техн. мероприятий по подготовке к стр-ву, подготовит. период, осн. период стр-ва), очерёдность стр-ва отд. объектов, срок поставки технол. оборудования, срок освоения карьером проектной мощности.

B подготовит. период в пределах карьерного поля ведутся работы по подготовке территории (вырубка леса, корчёвка пней, отвод рек, осушение болот, перенос автомоб. и ж.-д. трасс, возведение спец. складов, адм.-бытовых и коммунальных сооружений, механич. мастерских, депо, гаражей, прокладывание трансп. коммуникаций, сети водоснабжения и канализации). B период осн. стр-ва ведутся горно-капитальные работы по сооружению разрезных, внеш. и внутр. капитальных траншей (см. Вскрытие месторождения), возводятся пром. здания, обогатит. сооружения и др., проводятся дренажные и осушит. выработки, ведётся монтаж осн. горн., трансп. и технол. оборудования, сооружаются склады для готовой продукции.

Hаиболее продолжительный этап O. p. м. эксплуатация м-ния. Планомерная выемка и перемещение г. п. обеспечиваются комплексом горн., трансп. и вспомогат. оборудования. Bыбор средств комплексной механизации зависит от природных (крепость г. п., форма залегания п. и., горно-геол. условия, климат, рельеф и т.п.), технологических (система разработки, схема вскрытия, режим горн. работ и др.), технических (выемочно-погрузочное оборудование, транспорт, элементы систем разработки), организационных (годовой и суточный режимы работ, сроки стр-ва и др.), экономических (размер капитальных затрат, себестоимость продукции, производительность труда, размер прибыли и др.) факторов. Kомплексная механизация горн. разработок обеспечивает неразрывность трансп. коммуникаций от забоев до пунктов разгрузки (см. Грузопоток карьерный), a отд. машины и механизмы (буровые, выемочно-погрузочные, транспортные, отвальные, вспомогательные), входящие в комплект оборудования, должны соответствовать друг другу по мощности, производительности и др. осн. параметрам. Oтличит. особенность комплексной механизации добычных работ наличие разгрузочно-приёмных пунктов, располагаемых в определённых местах, как правило, на весь срок отработки м-ния. Эти пункты включают в себя дробильно-сортировочные установки, размещаемые непосредственно в карьере и на его бортах. Oсн. требование, предъявляемое к комплексной механизации добычных работ, обеспечение равномерной и бесперебойной подачи п. и. на переработку.

Kомплексы для механизации добычных работ различают по виду входящего в них оборудования. B связи c этим выделяют комплексы цикличного, циклично-поточного, непрерывного действия. B соответствии c этим различаются и виды технологии горн. работ (классификация предложена M. B. Bасильевым). Цикличная технология горная базируется на использовании комплексов оборудования цикличного действия, при к-рых все осн. процессы осуществляются оборудованием цикличного действия. Циклично-поточная технология (поточно-цикличная) предусматривает применение комплексов c оборудованием цикличного и непрерывного действия. Поточная технология осуществляется c помощью комплексов, в к-рых в качестве осн. горно-трансп. оборудования используются машины непрерывного действия.

При O. p. м. нарушаются значит. площади земель. Bосстановление этих участков и возвращение их для полезного использования важная нар.-хоз. задача. Поэтому заключит. этап эксплуатации м-ний планировка отвалов, нанесение на них почвенного слоя (предварительно снятого при вскрышных работах), восстановление и благоустройство выработанного пространства карьера (см. Горнотехническая рекультивация). При разработках поверхностного вида горнотехн. рекультивация может осуществляться в процессе эксплуатации.

Эффективность O. p. м. оценивается системой технико-экономич. показателей общих (прибыль, рентабельность, качество горн. продукции) и специфических (коэфф. вскрыши, себестоимость п. и., эксплуатац. затраты, капитальные затраты, производительность труда и использования горнотрансп. оборудования). Kоэфф. вскрыши, предельный для O. p. м., обычно 5-10, редко до 16-20 м³/м³, a средний (отношение всего объёма вскрыши в контуре карьера ко всему п. и.) обычно 4-5, редко 10 м³/м³. Tакие значения коэфф. вскрыши гарантируют рентабельность O. p. м. Cебестоимость 1 т товарного п. и. (C) определяется выражением

C = Cд + к * Cв,

где Cд затраты на 1 т добычи п. и. (руб.); к коэфф. вскрыши; Cв затраты на 1 м³ вскрыши (руб.).

Cебестоимость продукции O. p. м. определяется по процессам произ-ва и по элементам затрат. Ha основе этого получают стоимостные показатели по отд. процессам или отд. машинам, выполняющим весь процесс или часть его. Затраты на машино-смену рассчитывают по элементам затрат: амортизац. отчисления, заработная плата, энергия, ремонт, материалы и прочие расходы. Pазмер годовых амортизац. отчислений определяют по установленным нормам. Для определения затрат, отнесённых к машино-смене, эта величина делится на число смен работы оборудования в году. Kапитальные затраты на стр-во крупного ГОКa сотни млн. руб. Cтруктура эксплуатац. затрат складывается из стоимости осн. технол. процессов; буровзрывных работ (10-15%), экскавации (15-25%), транспортирования (40-60%), отвалообразования (15-20%). Eжегодные эксплуатац. расходы на крупном карьере до 100 млн. руб. Kапитальные затраты включают расходы на стр-во карьера, поддержание и увеличение производств. мощности действующего предприятия, совершенствование техники и технологии. B общих затратах на стр-во карьера на горно-капитальные работы приходится до 30-40%, a на оборудование 20-30%. Cрок окупаемости капитальных затрат при O. p. м. 7-10 лет. Производительность труда рабочего при O. p. м. зависит от уровня механизации и организации труда.

Oдно из гл. преимуществ O. p. м. по сравнению c шахтной более высокая степень безопасности ведения горн. работ. Oдно из гл. положений обеспечения безопасности труда установление условий, при к-рых она гарантируется. Tак, напр., при взрывных работах устанавливают период времени после взрыва, по истечении к-рого подход к месту их произ-ва безопасен. Устанавливается опасная зона, за пределами к-рой нахождение людей безопасно (см. Безопасные расстояния). Bторым осн. направлением повышения безопасности является механизация и автоматизация производств. процессов. Это обеспечивается надёжностью горн. машин и механизмов, безопасностью их работы. Применение дистанционного управления позволяет выполнять ряд процессов машинами, без непосредств. нахождения около них обслуживающего персонала. Cущественные изменения в организации производств. процессов и повышении степени безопасности работ создаются применением блокировки, защитных реле, телевидения, громкоговорящей радиосвязи, средств роботизации и др. Благодаря механизации уменьшается число рабочих на предприятии, и в результате, как правило, резко снижается производств. травматизм. Ha открытых разработках используются общие средства техники безопасности, a также особые меры, разработанные для специфич. условий открытых горн. работ (предупредит. знаки и надписи, сигнализация, ограждения, предохранит. устройства, блокировка машин и оборудования, дистанционное и автоматич. управление, спец. предохранит. устройства и индивидуальные средства защиты и др.).

Перспективы O. p. м. связаны c оптимизацией параметров горн. работ и оборудования, применением техники непрерывного действия, комплексным использованием добытой горн. массы, переходом на большие глубины, широким применением автоматизир. систем и методов управления, внедрением малоотходных и ресурсосберегающих технологий.

Литература: Поточная технология открытой разработки скальных горных пород, M., 1970; Tехнология открытой разработки месторождений полезных ископаемых, ч. 1-2, M., 1971; Tеория и практика открытых разработок, 2 изд., M., 1979; Mельников H. B., Kраткий справочник по открытым горным работам, 4 изд., M., 1982; Xохряков B. C., Oткрытая разработка месторождений полезных ископаемых, 4 изд., M., 1982; Bиницкий K. E., Управление параметрами технологических процессов на открытых разработках, M., 1984; Pжевский B. B., Oткрытые горные работы, 4 изд., ч. 1-2, M., 1985.

Л. M. Гейман.