По всему миру есть подземные шахты, использующих целый калейдоскоп методов и оборудования. Существует приблизительно 650 подземных шахт, ежегодная выработка каждой из которых превышает 150.000 тонн, что составляет 90% всей руды, добываемой западными странами. Кроме того, по существующим оценкам, есть 6.000 шахт меньшего размера с выработкой менее чем 150.000 тонн каждая. Каждая шахта уникальна; условия работы, тип установок и характер подземных работ зависят от вида полезных ископаемых и от локализации геологических формаций, а также от экономических условий: наличие рынка для определенного типа добываемых ископаемых и наличия источников финансирования. Некоторые шахты уже непрерывно работают более столетия, в то время как другие только начинают свою деятельность.
Шахты - места повышенной опасности, где большинство работ включает тяжелый физический труд. Рабочих подстерегают самые разные опасности: от катастроф (обвалы, взрывы и пожары) и несчастных случаев до вредного воздействия пыли, шума, высокой температуры и т.д. При должной организации работы на шахте защита здоровья и безопасности работников - один из центральных вопросов, который в большинстве стран регламентируется государственными законами и ведомственными правилами.
Шахты
Шахта - это предприятие, расположенное в коренной породе в толще земли, а работа шахтеров заключается в добыче руды, скрытой в массе горных пород. Шахтерам приходится бурить, закладывать заряд и взрывать скальную породу, чтобы добраться до руды, то есть, породы, содержащая смесь минералов, среди которых, по крайней мере, одно может, после переработки, представлять коммерческую ценность. Руду поднимают на поверхность и перерабатывают в концентрат.
Работа в толще горных пород на большой глубине под поверхностью земли требует специальной подземной инфраструктуры: нужна сеть шахтных стволов, выработок и отсеков, соединяющихся с поверхностью, по которым перевозят рабочих, механизмы и вынутую породу. Шахтный ствол - это главный вертикальный ход под землю, где боковые заезды соединяют околоствольный двор с выработками. Внутренняя наклонная выработка связывает между собой разные уровни (выработки, находящиеся на разной глубине). Вся подземная инфраструктура должна быть соответствующим образом оборудована: иметь вытяжную вентиляцию, подачу свежего воздуха, электроэнергии, воды и сжатого воздуха, систему дренажа и насосов для сбора просочившейся почвенной воды, систему связи.
Подъемные механизмы и системы
Снаружи шахту видно по шахтному копру - высокому строению на поверхности. Копер находится непосредственно над шахтным стволом - главной магистралью шахты, через которую шахтеры попадают на место работы и покидают его; через него же подается энергия, спускается оборудование, а руда и отходы поднимаются на поверхность. Оборудование шахтного ствола и подъемника зависит от необходимого объема работ, глубины и т.д. Каждая шахта должна иметь, по крайней мере, два шахтных ствола, для обеспечения запасного выхода в случае аварийной ситуации.
Подъем и передвижение по шахтному стволу регулируется строгими правилами. Подъемное оборудование (например, шахтная подъемная машина, тормоз, канат) проектируется с большим запасом прочности и проверяется через определенные промежутки времени. Внутренняя часть шахтного ствола регулярно инспектируется (инспектирующие стоят на крыше клети). На всех уровнях есть кнопки аварийного торможения.
На каждом уровне выход шахтного ствола закрыт решетками, которые открываются, только когда клеть находится на уровне. Когда клеть приезжает и полностью останавливается, решетки автоматически деблокируются. Клеть может двигаться вверх или вниз по шахте только после того, как шахтеры вошли в нее и закрыли двери клети. Клетью управляет либо оператор, либо сами шахтеры (инструкции вывешены на каждом уровне). Обычно шахтеры хорошо представляют себе возможные опасности при спуске по стволу и при подъеме, и несчастные случаи происходят редко.
Алмазное бурение
Перед началом разработки месторождение полезных ископаемых внутри горных пород должно быть отмечено на карте. Необходимо определить расположение рудного тела, его длину, ширину и глубину залегания, чтобы получить трехмерное изображение месторождения.
Алмазное бурение применяется, чтобы исследовать массу горных пород. Бурение может быть произведено от поверхности или из штольни в подземной шахте. Бур, армированный небольшими алмазами, добывает цилиндрический керн, который последовательно захватывается серией трубок (керноприемником). Керн достают и анализируют, чтобы выяснить, что находится внутри горной породы. Отрезки керна осматривают визуально; отрезки, содержащие руду, раскалывают и анализируют на содержание металла. Требуются обширные работы по бурению, чтобы определить локализацию месторождений полезных ископаемых; скважины бурят как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях через определенные интервалы, чтобы определить размеры рудного тела (см. рис. 74.9).
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 74.9 Схема расположения скважин. Гарпенберг, свинцово-цинковая шахта в центральной Швеции
--------------------------------------------------------------------------------
Подготовка шахты к эксплуатации
Подготовка шахты к эксплуатации требует проведения предварительного создания инфраструктуры, необходимой для последующей проходки забоев и обеспечения работы шахты. Стандартная инфраструктура, которая формируется методом бурения, взрывания и выемки породы, включает в себя горизонтальные выработки, уклоны и вертикальные или наклонные гезенки.
Проходка шахтного ствола
Проходка шахтного ствола связана с выемкой горной породы и продвижением вниз. Ее обычно выполняет подрядчик, а не сама шахта. Для такой работы необходимы опытные рабочие и специальное оборудование, например, специальный проходческий копер, подъемник с большой подвесной бадьей, многочелюстный грейфер для погрузки породы.
Бригада, углубляющая шахтный ствол, подвергается различным опасностям. Они работают на дне глубокой горной выработки. Люди поднимаются в той же бадье, что и оборудование и взорванная горная порода. На дне шахтного ствола негде укрыться от падающих предметов. Естественно, проходка шахтного ствола - работа для опытных специалистов.
Проходка квершлага и бремсбергов (наклонных съездов и въездов)
Квершлаг - горизонтальная или (реже) наклонная подземная выработка, использующаяся для транспортировки породы и руды. Проходка квершлага - стандартный этап при работе шахты. В механизированных шахтах для бурения забоя используются двойные электрогидравлические буровые каретки. Обычно профиль квершлага имеет сечение 16.0 
, а забой бурится на глубину 4.0 м. Взрывчатое вещество (обычно аммиачная селитра в топочном мазуте) заливается в пробуренные отверстия пневматически со специальной тележки. Используются быстродействующие неэлектрические детонаторы.
Уборка руды выполняется с помощью погрузочно-транспортной машины (см. рис. 74.10), вмещающая примерно 3.0 
груза. Отбитая порода транспортируется прямо к системе рудного ската и перемещается на вагонетку для дальнейшей откатки. Бремсберг - это подземная наклонная горная выработка, соединяющая два или больше шахтных горизонта. Их уклон колеблется от 1:7 до 1:10 (то есть очень крутой, если сравнивать с обычными дорогами). Предназначен для спуска полезного ископаемого на транспортный горизонт этажа или шахты . Бремсберги часто прокладываются по спирали, по типу винтовой лестницы. Проходка бремсбергов - стандартная операция при подготовке шахты; для нее используется то же оборудование, что и для проходки квершлага.
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 74.10 Погрузочно-транспортная машина
--------------------------------------------------------------------------------
Проходка гезенка (восстающей выработки)
Гезенк - вертикальная или крутая наклонная выработка, соединяющая различные уровни в шахте. По нему можно спускаться или подниматься к забоям (если установить лестницу), он может служить как рудный скат или как воздуховод в вентиляционной системе шахты. Проходка гезенка - трудная и опасная, но необходимая работа. При проходке гезенка используются самые разнообразные методы, от простого ручного бурения и взрывания до механизированной выемки породы с помощью машин для проходки гезенка (см. рис. 74.11).
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 74.11 Методы проходки гезенка
--------------------------------------------------------------------------------
Ручная проходка гезенка
Ручная проходка гезенка - трудная и опасная работа, которая требует от шахтера большой физической силы, ловкости и выносливости. Эта работа может быть выполнена только опытными шахтерами, которые находятся в хорошей физической форме. Обычно гезенк разделяется на два отсека деревянной крепью. Один из отсеков остается открытым и используется для подъема в забой, для воздуховодов и т.д. Другой заполняется породой, которая образуется при взрывании; шахтер использует ее как платформу при бурении следующего отрезка гезенка. Деревянная перегородка надстраивается после прохождения каждого отрезка пути. Для выполнения этой работы необходимо лазать по лестнице, выполнять крепление деревянной крепью, бурить и взрывать породу. Все это выполняется в тесном, плохо проветриваемом забое. Работа проделывается одним шахтером, так как для помощника нет места. Горнодобывающие компании ищут другие методы, которыми можно было бы заменить ручную проходку гезенка.
Подъемник
Подъемник - устройство, которое избавляет от необходимости лазания по лестнице в гезенке и от большинства неудобств ручной проходки. Это транспортное средство взбирается по направляющему полозу, прикрепленному болтами к стене, и представляет собой крепкую рабочую платформу, стоя на которой, шахтер бурит очередной комплект шпуров. С помощью подъемника могут быть пройдены очень высокие гезенки, и безопасность при этом методе во много раз выше, чем при ручном методе. Однако, проходка гезенка по-прежнему остается очень опасной работой.
Машина для проходки гезенка
Это мощная машина, которая врубается в породу механически (см. рис. 74.12). Она устанавливается на вершине будущего гезенка. Сначала бурят пробный шпур диаметром 300 мм до намеченного места на нижнем уровне. Затем этот пробный бур заменяют на рабочую головку расширителя скважины с диаметром, равным диаметру будущего гезенка, и машина для проходки гезенка тянет расширитель обратным ходом вверх, вращая его, и, таким образом, бурит цилиндрический гезенк заданного диаметра.
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 74.12 Машина для проходки гезенка
--------------------------------------------------------------------------------
Подземный контроль
Подземный контроль необходим для людей, работающих в толще горной породы. Он особенно важен в механизированных шахтах, где передвижное оборудование монтируется на шасси с резиновыми шинами: там внутреннее сечение выработки достигает 25 
, тогда как в шахтах, где прокладывают рельсовый путь, - всего 10 
. Пятиметровая высота потолка слишком велика, чтобы использовать для предупреждения падения кусков породы обычную оборочную крепь.
Чтобы закрепить потолок подземной выработки, принимают различные меры. При взрывной отбойке по заданному контуру шпуры, намечающие контур, бурятся близко друг к другу и заряжаются слабой взрывчаткой. После взрыва получается гладкий контур, и окружающая порода не раскалывается.
Тем не менее, в массе горной породы часто бывают трещины, которых не видно на поверхности, так что всегда есть опасность падения кусков породы. Риск уменьшается при использовании анкерной крепи, когда в пробуренные отверстия загоняют стальные пруты и закрепляют их. Анкерная крепь удерживает породу, препятствует расширению трещин, помогает стабилизировать породный массив и делает нахождение внутри выработки безопаснее.
Методы разработки подземным способом
Выбор метода проведения разработки зависит от формы и размеров месторождения, ценности полезных ископаемых, структуры, стабильности и прочности породного массива и спроса на добываемую продукцию и возможности соблюдения правил техники безопасности (иногда эти факторы противоречат друг другу). Хотя методы разработки развивались с глубокой древности, в этой статье рассматриваются те методы, которые применялись на полумеханизированных или полностью механизированных шахтах в конце двадцатого столетия. Каждая шахта уникальна, однако, везде существуют проблемы сочетания безопасной работы и рентабельности предприятия.
Плоская камерно-столбовая разработка
Камерно-столбовой способ применяется при плоском оруднении, когда пласт горизонтален или слегка наклонен (угол падения пласта не превышает 
(см. рис. 74.13). Часто месторождения имеют осадочное происхождение, поэтому порода как в висячем боку, так и в оруднении ненадежна (это, впрочем, может и не иметь большого значения, поскольку всегда есть возможность установить анкерную крепь, если есть сомнения в прочности потолка). Камерно-столбовой метод является одним из основных методов добычи каменного угля.
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 74.13 Камерно-столбовая разработка плоского рудного тела
--------------------------------------------------------------------------------
При камерно-столбовой разработке рудное тело разрабатывается при помощи горизонтального бурения одновременно нескольких забоев. При этом позади фронта разработки остаются пустые камеры. Для того чтобы предохранить потолок от обрушения между камерами оставляют столбы (секции породы в виде колонн). Обычно выработка представляет собой правильное чередование камер и столбов. Соотношение их размеров определяется с учетом необходимости не нарушить стабильность породного массива и при этом извлечь как можно больше руды. Для проведения таких расчетов необходимо тщательно проанализировать прочность колонн, несущую способность пород потолка и другие факторы. Для увеличения прочности породы в колоннах применяется анкерная крепь. Выработанные очистные забои служат в качестве дороги для вагонеток, перевозящих руду к накопительному бункеру.
Камерно-столбовой очистной забой формируется методом бурения и взрывания как при проходке квершлага. Ширина и высота очистного забоя соответствует размеру квершлага, который может быть довольно большим. Большие высокопроизводительные буровые каретки используются в шахтах нормальной высоты, а компактные буровые станки - там, где толщина залежи менее трех метров. Рудное тело, толщина которого значительна, проходится по частям, начиная сверху, чтобы потолок можно было укреплять на удобной для шахтеров высоте. Нижние отсеки открывают горизонтальными срезами: бурят шпуры по поверхности почвы выработки и взрывают, равномерно углубляя выработку. Руду нагружают в вагонетки в забое. Для шахт с малой мощностью разработаны специальные вагонетки и погрузочно-транспортные машины.
Камерно-столбовой метод является эффективным методом горных разработок. Безопасность зависит от высоты выработки и стандартов наземного контроля. Основные опасности связаны с несчастными случаями, вызванными обвалами и передвижением оборудования.
Наклонная камерно-столбовая разработка
Наклонный камерно-столбовой способ применяется при плоском оруднении, когда угол падения пласта от 
до 
. Это слишком крутой подъем для движения транспортных средств на резиновом ходу, и слишком плоский - для продвижения горных пород под действием гравитации.
Традиционно наклонное рудное тело разрабатывается вручную. Шахтеры бурят шпуры для закладывания взрывчатки в забое с помощью ручных перфораторов. Забой очищается с помощью скреперов.
Работать в наклонном очистном забое трудно. Шахтерам приходится взбираться на большие кучи взорванной породы и при этом нести перфораторы, шкив скрепера (волокуши) и стальные канаты. Кроме обвалов и аварий существуют вредности, такие как шум, пыль, плохая вентиляция и жара, которые отрицательно влияют на здоровье шахтеров.
Там, где наклонные месторождения пригодны для механизированной разработки, применяется "ступенчато-камерный" способ. Этот метод основан на преобразовании "трудного наклона" лежачего бока в "лестницу" со ступенями под углом, удобным для применения безрельсовой техники. Для этого очистные забои и откаточные выработки проходятся через рудное тело по так называемой ромбовидной схеме под выбранным углом.
Добычу начинают с проходки горизонтального очистного забоя, ответвляющегося от комбинированной (одновременно входной и откаточной) выработки. Первый очистной забой горизонтален и следует направлению висячего бока. Следующий за ним очистной забой идет в том же направлении, но ниже. Эту процедура повторяется много раз, и по мере разработки рудного тела образуется как бы ряд ступеней.
Для поддержки висячего бока оставляют секции рудной породы. Два или три параллельных горизонтальных очистных забоя проходят на полную длину, а затем начинают следующий забой на ступень ниже, оставляя между ними удлиненную колонну. Секции этой колонны можно добыть позже, пробуривая и взрывая их из нижележащего забоя.
Современное безрельсовое оборудование хорошо приспособлено для ступенчато-камерной разработки. При помощи стандартного передвижного оборудования выемка может быть полностью механизирована. Взорванная руда собирается в очистных забоях погрузочно-транспортными машинами и перегружается на вагонетку для отправки в шахтный ствол или рудоспуск. Если очистной забой недостаточно высок для загрузки вагонеток, их можно нагружать на специальных погрузочных площадках, подготовленных в откаточных горизонтальных горных выработках.
Выемка с магазинированием
Выемку с магазинированием можно назвать "классическим" методом проведения горных разработок. На протяжении большей части прошлого столетия он был наиболее распространенным способом добычи. Сейчас его в значительной степени заменили механизированные методы, однако этот метод все еще часто применяется во всем мире на малых шахтах. Выемку с магазинированием можно применять на месторождениях с правильными границами и крутым уклоном в твердом породном массиве. Кроме того, взорванная руда не должна оставаться в наклонных выработках (например, сульфидные руды имеют тенденцию окисляться и разлагаться на воздухе).
Наиболее характерной чертой этого метода является перемещение руды под действием силы тяжести: руда из очистных забоев скатывается по желобу прямо в вагонетку, что позволяет обойтись без ручной погрузки - традиционно самой обычной и самой неприятной работой на шахте. До появления пневматического балансировочного скребкового разгрузчика в 1950-х г., не было машин, пригодных для погрузки горных пород в подземных шахтах.
При выемке с магазинированием добыча руды производится горизонтальными срезами, начиная со дна очистного забоя и постепенно продвигаясь вверх. Основная часть горных пород остается в очистном забое и образует рабочую платформу для шахтера, который пробивает шпуры в крыше, и для укрепления стенок очистного забоя. Поскольку взрыв увеличивает объем породы примерно на 60%, примерно 40% руды при выемке удаляется на дно забоя, чтобы очистить место для работы между отвалом и крышей. Оставшуюся руду удаляют, когда дойдут до намеченной верхней границы забоя.
Необходимость работать на верху отвала и пользоваться лестничным отделением для прохода в восстающую выработку не позволяет использовать в забое механизированное оборудование. Здесь применяется только оборудование, достаточно легкое, чтобы шахтер мог справиться с ним в одиночку. Обычное оборудование при бурении очистного забоя с магазинированием - это пневмоподдержка и перфоратор, общим весом 45 кг. Шахтер, стоя на верху отвала, поднимает туда перфоратор с подводом, анкерует поддержку, упирает рабочую часть перфоратора в потолок и начинает бурить шурпы. Это нелегкая работа.
Разработки с закладкой
Разработка с закладкой удобна при разработке залежей с крутым падением в горной породе хорошей или умеренной стабильности. Руда удаляется горизонтальными слоями, начиная со дна и продвигаясь вверх. Границы забоя в каждом слое можно сдвигать, следуя неправильной форме залежи. Это позволяет избирательно вынимать богатую руду, оставляя бедную руду на месте.
Когда забой полностью очищен, выемка заполняется породой, чтобы образовать рабочую платформу для разработки следующего пласта и дополнительно укрепить стенки забоя.
Подготовительная работа для разработки с закладкой включает в себя прокладку откаточной выработки на основном уровне вдоль рудного тела, подрубку забоя с дренажами для гидравлического заполнения породой выработки, спиральный подъездной путь, проделанный в лежачем боку с выходами к забоям, а также подъем от забоя на вышележащий уровень для вентиляции и транспортировки закладочного материала.
При разработке с закладкой применяется способ выработки со свесом. При этом в качестве закладочного материала используются и сухая порода, и песок, подаваемый гидравлическим способом. Свес означает, что руда вырубается снизу путем взрывания трех-четырехметрового слоя. Это позволяет пробурить шпуры во всей поверхности очистного забоя и взорвать весь его объем за один заход. Отверстия для восстающих шпуров бурятся простыми буровыми каретками.
После восходящего бурения и взрывания потолок забоя получается неровным. Его высота после очистки составляет около 7,0 м. Перед тем, как шахтерам можно будет работать в забое, кровлю необходимо укрепить, для этого выступающие части породы удаляют маломощными взрывами с последующей оборкой. Это делается вручную шахтерами, работающими на верху отвала, с помощью ручных перфораторов.
При фронтальной очистной выемке руда добывается с помощью безрельсового оборудования. Отходы песка используются для закладки и распределяются по забоям с помощью пластиковых труб. Забои закладываются почти полностью, и образовавшаяся поверхность достаточно тверда, чтобы перемещать по ней оборудование на резиновом ходу. Выработка забоя полностью механизирована; используются проходочные буровые каретки и погрузочно-транспортные машины. Лава представляет собой вертикальную стену пятиметровой высоты с полуметровой открытой вырубкой под ней. В лаве сверлят горизонтальные шурпы, и руда вырубается в открытый вруб с помощью взрыва.
Тоннаж вырубки от одного взрыва зависит от площади лавы и несравним с выходом при выемке со свесом. Однако производительность безрельсового оборудования намного превосходит производительность ручного метода, а оборку кровли можно производить с помощью буровой каретки, которая бурит шпуры и для вырубки руды, и для маломощных взрывов, служащих для выравнивания поверхности. Погрузочно-транспортная машина, снабженная увеличенной бадьей для руды и большими шинами, служит универсальным средством очистки и транспортировки, легко перемещаясь по поверхности закладки. В двойных забоях буровая каретка работает с одной стороны, а погрузочно-транспортная машина - с другой, что повышает эффективность использования оборудования и производительность.
Подэтажная выемка служит для удаления руды из открытых врубов. Закладка забоев твердым закладочным материалом после выработки позволяет позднее вернуться и удалить столбы между забоями, что повышает эффективность извлечения месторождения.
Предварительная работа для подэтажной выемки обширна и сложна. Рудное тело разделяется на секции высотой около 100 м, в которых подготавливаются подэтажи, соединенные наклонным транспортным ходом. Затем секции рудного тела делятся продольно на чередующиеся забои и столбы, а в самом низу в лежачем боку прорубается откаточная выработка с отводами для загрузки в пунктах выпуска руды.
После выемки подэтажный забой представляет собой прямоугольный проход сквозь рудное тело. Дно забоя делается V-образным, чтобы собирать взорванный материал к пунктам выпуска. На верхних подэтажах готовятся квершлаги для бурения глубоких скважин буровыми станками (см. рис. 74.14).
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 74.14 Поэтажная выработка с помощью бурения расходящихся скважин и с погрузочными квершлагами
--------------------------------------------------------------------------------
Взрывы увеличивают объем породы, поэтому для взорванной породы необходимо дополнительное пространство. Поэтому перед отбойкой глубокими скважинами с применением взрывов нужно подготовить вруб шириной несколько метров. Для этого восстающую выработку расширяют при продвижении от низа до верха забоя, до получения полноразмерного вруба.
После открытия вруба буровой станок для глубоких скважин (см. рис. 74.15) начинает проходку подэтажных выработок, точно следуя подробному плану, разработанному специалистами-взрывниками, где обозначены все шпуры для взрывчатки, положение устья, глубина и направление шпуров. Буровой станок продолжает работу, пока не будут завершены все кольца на одном подэтаже. Затем его перемещают на другой подэтаж для продолжения работы. Одновременно в шпуры закладывается взрывчатка, и серия взрывов, покрывающая значительную часть поверхности внутри забоя, откалывает за один раз большой объем породы. Взорванная порода падает на дно забоя, где ее подбирают погрузочно-транспортные машины и перевозят в пункт выпуска ниже забоя. Обычно бурение глубоких скважин предшествует взрывным работам, обеспечивая резерв готовой к вырубке руды, способствуя более эффективному рабочему графику.
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 74.15 Буровая каретка
--------------------------------------------------------------------------------
Подэтажная выработка - высокопроизводительный метод горных разработок. Эффективность увеличивается благодаря возможности использовать полностью механизированные высокопроизводительные буровые станки для глубоких скважин, причем эти станки могут использоваться непрерывно. Этот метод, кроме того, относительно безопасен, поскольку бурение внутри подэтажных выработок и очистка через пункты выпуска позволяет не подвергать шахтеров опасности попасть под обвал.
Выемка обратным ходом с помощью вертикальной воронки
Подобно подэтажной выемке и выемке с магазинированием, разработка месторождения обратным ходом с помощью вертикальной воронки (ОХВВ) применимо к оруднениям с большим углом падения пласта. Однако методика взрывных работ при этом другая: порода раскалывается мощными, концентрированными зарядами, которые закладывают в скважины ("воронки") очень большого диаметра (около 165 мм) на расстоянии примерно трех метров от свободной поверхности породы. Взрывы образуют конусообразное отверстие в массе породы вокруг скважины, что делает возможным оставлять взорванный материал в забое на стадии добычи и использовать закладочную породу для поддержания стен забоя. Требования к стабильности породы ниже, чем при подэтажной выработке.
Предварительная работа при разработке методом ОХВВ сходна с таковой при подэтажной выемке, за тем исключением, что она требует проведения как верхней, так и нижней зарубки. Верхняя зарубка необходима на первой стадии, чтобы расчистить пространство для бурового станка, который будет бурить взрывные шпуры большого диаметра и для обеспечения доступа к шпурам при проведении взрывных работ. Нижняя зарубка обеспечивает свободную поверхность, необходимую для взрывов, используемых при методе ОХВВ. Она может также обеспечивать доступ для погрузочно-транспортных машин (управляемых дистанционно оператором, находящимся вне забоя) для извлечения взорванной руды из пунктов выпуска под забоем.
Обычно серия взрывных шпуров при методе ОХВВ образует рисунок 4,0м х 4,0 м, направленный вертикально или с крутым наклоном. Заряды строго на расчетном расстоянии друг от друга, так, чтобы освободить поверхность внизу. Их одновременный взрыв отламывает горизонтальный пласт руды толщиной около 3,0 м. Взорванная порода падает в нижележащий забой. Регулируя скорость очистки, забой оставляют все время частично наполненным, так что закладка помогает укрепить стенки забоя во время добычи. Последним обрушивают в забой верхнюю зарубку, после чего забой полностью очищается и подготавливается к обратной закладке.
Шахты, разрабатываемые методом ОХВВ, часто используют систему первичных и вторичных забоев в рудное тело. На первой стадии вырабатываются первичные забои; они закладываются цементированным наполнителем. Затем забой на время оставляют, чтобы закладочный материал успел схватиться. После этого шахтеры возвращаются и вынимают руду в столбах между первичными забоями, формируя таким образом вторичные забои. При использовании цементированного закладочного материала такая система позволяет выбрать запасы руды почти на 100%.
Подэтажное обрушение
Подэтажное обрушение применяется при разработке месторождений с падением от крутого до умеренного и большой протяженностью в глубину. Руду необходимо расколоть взрывами на блоки такого размера, чтобы с ними можно было работать. После выемки руды висячий бок обрушивается, и над рудным телом земля на поверхности проседает. (Это место необходимо огородить, чтобы там в это время не оказалось людей.)
Подэтажное обрушение основано на том, что взорванная породная масса, содержащая как руду, так и пустую породу, идет внутрь самотеком. Эта породная масса сначала дробится путем бурения и взрывания, а затем вычищается через квершлаг ниже обрушения породы. Этот метод квалифицируется как безопасный, поскольку шахтеры всегда работают в выработках примерно такого же размера, как квершлаг.
Схема подэтажного обрушения определяется подуровнями с правильной системой штреков, проложенных в рудном теле на довольно близком расстоянии друг от друга (от 10,0 до 20,0 м) по вертикали. Расположение штреков на каждом подэтаже одно и то же (параллельные выработки, идущие через рудное тело от транспортной выработки у лежачего бока к висячему боку), но на каждом уровне они немного сдвинуты относительно предыдущего, так что штреки нижележащего уровня лежат между штреками вышележащего. Поперечный срез показал бы ромбовидный рисунок с правильным расположением штреков по вертикали и горизонтали. Таким образом, подэтажное обрушение требует большой подготовительной работы. Однако выработка штреков - задача простая и может быть легко механизирована. Работа над множественными горизонтальными штреками на нескольких подэтажах благоприятствует эффективному использованию оборудования.
Когда завершена разработка подэтажа, туда перемещается буровой станок для проходки глубоких скважин, чтобы пробурить шпуры под взрывы, веерообразно расположенные в вышележащей породе. Когда все взрывные шпуры готовы, буровой станок перемещается на подэтаж ниже.
Взрывание с бурением глубоких скважин под заряды раскалывает породную массу выше штрека данного подэтажа, образуя полость, которая начинается от висячего края и идет к лежачему краю по прямому фронту через рудное тело на этом подэтаже. Вертикальный срез показал бы "лестницу", в которой каждый вышележащий подуровень сдвинут на шаг вперед относительно нижележащего.
Взрыв наполняет забой данного подэтажа смесью руды и пустой породы. Когда приходит погрузочно-транспортная машина, полость содержит 100% руды. По мере погрузки доля пустой породы постепенно увеличивается, пока оператор не решит, разбавление руды пустой породой слишком велико, и не прекратит погрузку. Когда погрузчик переходит в следующий штрек, чтобы продолжить очистку, его место занимает взрывник, чтобы подготовить следующее кольцо шпуров для очередного взрыва.
Очистка на подэтажах идеально подходит для использования погрузочно-транспортных машин, которые выпускают разного размера для использования в разных ситуациях. Машина заполняется рудой, отъезжает примерно на 200 м до рудоспуска, разгружается и возвращается для новой загрузки.
Подэтажное обрушение - пример схемы организации работы с повторяющимися рабочими процедурами (подготовительная проходка, бурение глубоких шпуров, закладывание зарядов и взрывы, загрузка и транспортировка), которые проводятся независимо друг от друга. Это позволяет непрерывно переносить выполнение каждой процедуры с одного уровня на другой, обеспечивая наиболее эффективное использование рабочего времени и оборудования. Шахта, в сущности, аналогична фабрике, разделенной на цехи. Однако, подэтажное обрушение, будучи менее избирательно, чем другие методы, не дает особенно высоких коэффициентов извлечения. Полость обрушения содержит от 20 до 40% пустой породы, а потери руды колеблются от 15 до 25%.
Блочное обрушение
Блочное (иначе - этажное) обрушение - крупномасштабный метод, который применяется к оруднениям порядка 100 млн. тонн во всех направлениях, заключенном в породных массивах, поддающихся обрушению (т.е. с внутренними напряжениями, которые, когда будут удалены поддерживающие элементы породного массива, помогут расколоть блок добываемой руды). Ожидаемый выход таких шахт - от 10 до 30 млн. тонн в год. Из-за этих ограничений этажное обрушение применимо лишь к немногим месторождениям. В разных странах мира есть шахты, на которых этот способ применятся для разработки месторождений меди, железа, молибдена и алмазов.
Метод называют блочным из-за схемы разработки месторождения. Рудное тело делится на секции, или блоки, тоннаж каждого из которых достаточен для добычи руды в течение многих лет. Обрушение вызывают, нарушая поддерживающую силу породного массива непосредственно под блоком с помощью подрубки: секцию породы высотой 15 м раскалывают взрывами, пробуривая предварительно длинные шпуры. Напряжения, возникшие в результате действия весьма значительных тектонических сил, сходных с теми, что вызывают движение материков, образуют трещины в породном массиве и раскалывают блоки - на то, что эти трещины минуют уже готовые пункты выпуска руды в шахте, остается только надеяться. Часто, однако, шахтерам приходится помогать природе справиться со слишком большими негабаритами.
Подготовка к блочному обрушению требует долговременного планирования и большой предварительной работы, в частности, сложной системы выемки породы под блоком. Выемка породы может проводиться по-разному, в зависимости от расположения, но обычно сюда входит подрубка c использованием выпускных конусов, колосниковых грохотов для отбраковки негабаритов и рудоспусков, по которым руда поступает для погрузки на составы.
Выпускные конуса - конические отверстия, пройденные под подрубкой. Руда собирается в них с большой площади и поступает на пункты выпуска на нижележащем выемочном горизонте. Здесь руда нагружается на погрузочно-транспортные машины и отвозится к рудоспускам. Слишком большие для погрузки негабариты взрывают на пунктах выпуска, а небольшие куски породы поступают на колосниковый грохот. Колосниковые грохоты - ряды параллельных металлических полос для грубой сортировки материала - часто используются на шахтах, работающих методом блочного обрушения, хотя сейчас все чаще им предпочитают гидравлические дробилки.
Выработки, сделанные при горной разработке этим способом, испытывают значительное давление горной породы. Поэтому квершлаги и прочие выработки делают по возможности минимального сечения. Тем не менее, чтобы они не обрушились, приходится проводить значительную дополнительную работу: ставить анкерную крепь, цементировать поверхность выработки.
При правильном применении блочное обрушение - дешевый и высокопроизводительный метод горных разработок. Однако не всегда можно предварительно оценить, насколько легко породный массив поддается обрушению. Кроме того, обширная подготовительная работа увеличивает период освоения, когда шахта не дает продукции. Отсрочка получения первых прибылей может отрицательно сказаться на экономическом обосновании проекта при привлечении инвестиций.
Выемка длинными забоями
Выемка длинными забоями применима к пластовым месторождениям однородной формы, ограниченной мощности залежи и большой протяженности в горизонтальном направлении (например, угольного пласта, слоя или жилы поташа, пластов кварцевого галечника, которые разрабатываются на колотых копях Южной Африки). При добыче угля это один из основных методов. Выемка в этом случае производится слоями по прямой линии и повторяется много раз, чтобы разработать месторождение на большой площади. Ближайшее к очистному забою пространство оставляют вскрытым, а висячему боку дают обрушиться на безопасном расстоянии позади шахтеров и оборудования.
Подготовка к выемке длинными забоями включает в себя проходку сети штреков, необходимых для доступа к месту добычи и транспортировки руды к шахтному стволу. Поскольку оруднение имеет форму тонкого слоя большой площади, обычно штреки можно расположить в виде сети. Откаточные выработки проходят внутри самого пласта. Расстояние между двумя соседними откаточными выработками определяет длину забоя.
Закладка
Закладка, или забутовка, выработанных забоев предупреждает обвалы породы. Она предупреждает снижение собственной стабильности породного массива, тем самым увеличивая безопасность работы и позволяя более полно вынуть руду. Помимо традиционного метода разработки с закладкой, забутовку часто применяют при подэтажной разработке и в методе ОХВВ.
Шахтеры обычно всегда сваливали пустую породу в выработанный забой вместо того, чтобы поднимать ее на поверхность. При методе разработки с закладкой, например, пустая порода распределяется по дну забоя скреперами или бульдозерами.
При гидравлической закладке используются отходы обогатительного цеха при шахте. Их распределяют по забоям через пробуренные скважины и пластиковые трубы. Предварительно отходы обесшламливают, используя для закладки только грубую фракцию. Закладочным материалом служит смесь песка и воды, в которой твердый материал составляет около 65%. Примешивая к последней порции закладочного материала цемент, поверхность закладки превращают в твердое и гладкое покрытие для оборудования на резиновом ходу.
Закладка применяется также при подэтажной разработке и в методе ОХВВ, при этом куски обрушенной породы добавляют к песку - основному закладочному материалу. Если поблизости есть карьер, измельченную и просеянную породу, привозимую оттуда, подают под землю по специально сделанным для этой цели восстающим выработкам, там нагружают на вагонетки, отвозят в забои и сгружают в другие восстающие выработки, также специально предназначенные для хранения закладочного материала. Первичные забои закладываются цементированной породой (для ее получения породу перед распределением по забоям обрызгивают шламом, содержащим цемент и летучую пыль). Цементированная каменная наброска застывает в твердую массу, образуя искусственный целик, или столб, который нужен для выработки вторичного забоя. При закладке вторичного забоя цементный шлам уже обычно не нужен, за исключением последней порции материала, в которую добавляют цемент, чтобы получить твердое покрытие для вывозки породы.
Оборудование для разработок подземным способом
Подземные работы все более механизируются, насколько позволяют местные условия. Самоходное оборудование обычно делают на резиновом ходу, с дизельным двигателем, двумя ведущими осями и шарнирно-сочлененным рулевым механизмом (см. рис. 74.16).
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 74.16 Малый буровой станок для проходки забоев
--------------------------------------------------------------------------------
Буровая каретка для подготовительного бурения
Это незаменимая "рабочая лошадка", которая используется для всех видов разработки скального грунта. На ней установлены одна или две штанги с гидравлическими бурильными молотками. Управляемая одним рабочим у контрольной панели, она за несколько часов может подготовить серию из 60 взрывных шпуров глубиной 4,0 м.
Буровой станок для глубоких скважин
Этот станок (см. рис. 74.15) бурит взрывные шпуры, радиально расходящиеся от горизонтальной выработки и покрывающие большую площадь породы (соответственно, взрыв отбивает большой объем руды). Он используется при подэтажной выработке, подэтажном обрушении, блочном обрушении и в методе ОХВВ. Станок снабжен мощным буровым молотком и поворотным магазином для наращиваемых буровых штанг, что позволяет оператору проводить разработку скального грунта с безопасного расстояния, пользуясь дистанционным управлением.
Зарядная тележка
Зарядная тележка - необходимое дополнение к проходочной буровой каретке. Носитель устанавливает в нужное положение гидравлическую вспомогательную платформу, контейнер со сжатой смесью аммиачной селитры и топочного мазута и зарядный шланг, которые позволяют оператору заполнить взрывные шпуры по всему забою за очень короткое время. При этом можно поставить детонаторы Nonel и взорвать каждый заряд строго в расчетное время.
Погрузочно-транспортная машина
Универсальная погрузочно-транспортная машина (см. рис. 74.10) используется для самых различных целей, включая выемку руды и погрузочно-разгрузочные работы. Она выпускается различных размеров, что позволяет выбрать наиболее подходящую для каждой данной цели и ситуации модель. В отличие от других дизельных машин, используемых в шахтах, двигатель погрузочно-транспортной машины обычно работает непрерывно на полную мощность в течение долгого времени, производя много дыма и выхлопных газов. Чтобы воздух на погрузочной площадке соответствовал гигиеническим стандартам, необходима вентиляционная система, которая могла бы разбавлять и вытягивать выхлопы.
Подземная откатка
Руда, которую вынимают из забоев, разбросанных по всему рудному телу, поступает в рудный отвал, расположенный рядом с подъемным стволом. Для длительной продольной транспортировки подготавливают специальные откаточные горизонты, на них обычно проложен рельсовый путь и имеются составы вагонеток для вывоза руды. Рельсовый путь оказался эффективной транспортной системой. Использование электрических локомотивов позволяет перевозить больше руды на большие расстояния, не загрязняя при этом воздух в шахте, в отличие от дизельного транспорта, используемого в безрельсовых шахтах.
Транспортировка руды
На пути от очистного забоя к подъемному стволу руда проходит несколько перевалочных пунктов, каждый со своими способами погрузки-разгрузки.
Скрепер с помощью ковша переносит руду из очистного забоя к рудоспуску. Система вращающихся барабанов, тросов и шкивов позволяет двигать скребок скрепера вперед и назад. Для скрепера не нужно специально подготавливать почву очистного забоя, и он может выбирать руду прямо из отвала.
Погрузочно-транспортная машина, с дизельным двигателем и на резиновом ходу, перевозит то или иное количество руды (вместимость у разных моделей разная) от отвала до рудоспуска.
Рудоспуск (иначе: рудный скат) - вертикальная или наклоненная под большим углом выработка, по которой порода падает или скатывается под действием силы тяжести с верхних на нижние горизонты. Иногда делают несколько последовательных вертикальных рудоспусков, чтобы собирать руду со всех вышележащих горизонтов на общем пункте подачи руды, расположенном на откаточном горизонте.
Скат - это заслонка внизу рудоспуска. Обычно рудоспуск оканчивается в толще породы рядом с откаточной выработкой таким образом, чтобы при открытом скате руда скатывалась в вагонетки на проложенном под ним рельсовом пути.
Уже рядом с шахтным стволом состав вагонеток проходит отвалочный околоствольный двор, где груз может быть пересыпан в накопительный бункер. Здесь установлен колосниковый грохот, который не дает негабаритным кускам породы попасть в накопительный бункер. Эти куски породы разбивают с помощью взрывов или гидравлическими молотами. Для лучшего контроля размеров сгружаемых кусков породы под колосниковым грохотом может быть установлен измельчитель для первичного дробления. Под накопительным бункером находится мерный карман, который автоматически проверяет, чтобы объем и вес груза не превышали грузоподъемности бадьи и подъемника. Когда пустая бадья - контейнер для вертикальной транспортировки - появляется на погрузочном дворе, открывается скат внизу мерного кармана, и бадья загружается нужным количеством руды. После того, как подъемник поднимет бадью в надшахтный копер, в ней открывается скат и груз пересыпается в надземный накопительный бункер. Подъем бадьи может управляться автоматически под контролем замкнутой телевизионной системы.