Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
Кафедра «Открытые горные работы»
Открытая геотехнология
Учебно-методическое пособие
В.Н. Вокин
Красноярск СФУ 2012
Рецензенты: доктор технических наук, заведующий лабораторией «Проблем освоения недр» Института химии и химической технологии СО РАН А.Г. Михайлов, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Разработка месторождений полезных ископаемых Иркутского государственного технического университета В.П. Федорко. Вокин В.Н., Морозов В.Н., Назарова Е.Ю, Кадеров М.Ю.
Открытая геотехнология: Учебно-методическое пособие. - Красноярск, 2012. - 157 с.
В учебно-методическом пособии приведена характеристика основных элементов горнопромышленного комплекса. Дана характеристика горных пород как объекта разработки. Изложены основные вопросы технологии и механизации открытого способа добычи полезных ископаемых, рассмотрены технологические процессы на карьерах, способы вскрытия и применяемые системы разработки месторождений полезных ископаемых. Дана методика расчета практических работ по основным производственным процессам, технологии и проектированию технологических комплексов разработки месторождений полезных ископаемых. Для студентов, обучающихся по специальностям «Шахтное и подземное строительство», «Электрификация и автоматизация горного производства», «Обогащение полезных ископаемых», «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», «Экономика и управление на предприятии металлургии», «Экономика и управление на предприятии горной промышленности», «Экономика и управление на предприятии природопользования».
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
1.1 Горные породы и полезные ископаемые
1.2 Свойства горных пород, влияющие на эффетивность их разработки
1.3 Геологические объекты горных работ
1.4 Способы разработки месторождений полезных ископаемых
2. ОСНОВЫ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
2.1 Общие сведения о технологии открытых горных работ
2.2 Основные понятия, элементы и параметры карьера
2.3 Система разработки месторождений
2.4 Вскрытие месторождений
2.5 Системы открытой разработки. Структура комплексной механизации
3. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Горное дело относится к одному из основных видов человеческой деятельности, обеспечивающих существование и уровень развития цивилизации. Горное дело как область промышленного производства охватывает разведку месторождений полезных ископаемых, их разработку, первичную переработку добываемого минерального сырья, строительство горных предприятий и подземных сооружений различного назначения.
Горнодобывающая промышленность как составная часть горного дела имеет целью добычу и первичное обогащение полезных ископаемых. Она поставляет минеральное топливо (уголь, горючие сланцы, торф, нефть, природный газ), руды черных, цветных, редких и радиоактивных металлов, горно-химическое сырье, строительные материалы и др. Ее мировое производство, по экспертным оценкам, составляет 160-180 млрд. т горной массы. Ежегодно из недр земли добывается 8 млрд. т энергетического сырья, руд для производства 570 млн. т черных металлов, 170 млн. т цветных металлов, 620 млн. т индустриального минерального сырья.
Развитая горнодобывающая промышленность играет большое значение в экономике государства, определяет его самостоятельность и обороноспособность. Российская Федерация располагает запасами всех видов минерального сырья. Развитие горной промышленности является следствием научно-технического прогресса. Усилиями многих российский ученых решен ряд важнейших проблем в области подземной и открытой разработки месторождений полезных ископаемых, создания современной техники, улучшения условий труда, а также в области подготовки специалистов для горной промышленности. К ним относятся М.И. Агошков, А.И. Арсентьев, А.А. Борисов, А.П. Зотов, П.Э. Зурков, А.И. Ксенофонтова, Е.Ф. Шешко, Н.В. Мельников, Н.М. Покровский, М.М. Протодьяконов, В.В. Ржевский и многие другие.
Дисциплина «Открытая геотехнология» является одной из первых дисциплин, формирующих профиль подготовки инженеров по направлению «Горное дело». Задачей ее изучения является получение знаний об основных принципах добычи различных полезных ископаемых открытым способом.
Цели изучения дисциплины:
- овладение горной терминологией и комплексом понятии, формирующих область деятельности человека при освоении земных недр;
- освоение принципов ведения и обеспечения горных работ;
- освоение принципов современной технологии добычи твердых полезных ископаемых;
- приобретение студентами навыков самостоятельного решения различного рода горных задач, выполняемых на практических занятиях.
Изучение дисциплины базируется на основе знаний отдельных дисциплин гуманитарного, социально-экономического, естественного и общетехнического цикла. Основными из них являются: геология, история горного дела, начертательная геометрия, экология, обеспечение жизнедеятельности и др. В свою очередь, «Открытая готехнология» являются базой для изучения общетехнических и специальных дисциплин направления.
В ходе практических занятий, основная часть времени уделяется для вычисления параметров и показателей производственных процессов, получению навыков выполнения горных чертежей, подготавливая тем самым студентов к выполнению курсовых проектов и разделов дипломного проектирования.
1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
1.1 Горные породы и полезные ископаемые
Разработка недр Земли - основа экономической деятельности человечества. И не случайно она нашла отражение в периодизации древней истории, где эпохи различаются не по тому, что производится, а по тому, чем и как производится, какими орудиями труда это достигается и из какого материала эти орудия сделаны.
В течение почти двух миллионов лет основным орудием труда человека служил камень. В конце каменного века (4 - 3 тыс. до н. э.) человек постепенно перешел к использованию меди, золота. В 3 - 2 тыс. до н.. э. была освоена плавка меди и ее сплава - бронзы. В середине 2 тыс. до н. э. на смену бронзе пришло железо.
Горное дело зародилось, по сути, вместе с человеческим обществом и, пока существует на Земле человек, оно не перестанет играть выдающуюся роль. Наряду со строительством и производством продуктов питания горное дело - одна из первооснов существования человечества.
Об огромном значении горного дела убедительно писали многие мыслители прошлого. Один из своих научных трудов посвятил горному делу передовой ученый XVI века Георгий Агрикола. О значении металлов писал Михаил Ломоносов: «Металлы подают укрепление и красоту важнейшим вещам, в обществе потребным, ими защищаются от нападения неприятельского, ими утверждаются корабли, и силою их связаны, между бурными вихрями в морской пучине безопасно плавают. Металлы отверзают недро земное к плодородию, металлы служат нам в ловлении земных и морских животных для пропитания нашего. И, кратко сказать, ни едино художество, ни едино ремесло простое употребление металлов миновать не может».
В настоящее время значение добычи минерального сырья всем очевидно. В нашей стране этому вопросу уделяется огромное внимание, так как состояние горной промышленности и размеры добычи полезных ископаемых определяют могущество и богатство страны.
Рисунок 1.1 - Строение Земли Рисунок 1.2 - Химический состав земной коры
В недрах нашей планеты сформировано огромное количество минеральных ресурсов. Твердая оболочка Земли мощностью в несколько десятков километров является потенциальной сферой добычи полезных ископаемых (рисуок 1).
Земля окаймлена тремя оболочками: атмосферой, гидросферой и литосферой. Литосферу также называют земной корой. Земная кора состоит в основном из 12 химических элементов, в ней 49, 4% - кислорода, 25,8 % - кремния, 7,5% - алюминия, 4,7% - железа, 3,4 % - кальция, 2,6 % - натрия, 2,4 % - калия, 1,9 % - магния, 0,9 - водорода, 0,6 % титана, остальные элементы в незначительном количестве (рисунок 1.2).
Кристаллические химические соединения элементов, слагающие земную кору, называют минералами. Ассоциации минералов образуют горные породы. Изучением минералов занимается минералогия, горных пород - петрография, задача петрографии - исследование породообразующих минералов.
Выделяют три основные группы горных пород: изверженные (магматические), осадочные и метаморфические. Изверженные породы формируются при охлаждении и кристаллизации расплавов (магмы), поднимающихся с больших глубин. Излияние магмы на поверхность происходит при извержении вулканов. Значительная часть расплавов кристаллизуется внутри земной коры.
Осадочные горные породы образуются в морях, озерах и реках как продукты разрушения и переотложения ранее существовавших горных пород.
Метаморфические горные породы формируются в результате преобразования изверженных и осадочных гор-ных пород, когда на них оказывают воздействие высокие температура и давление.
Земная кора на 95% состоит из изверженных горных пород, представленных преимущественно гранитами. На континентах на глубине 15 - 30 км граниты образуют сплошной слой. В 100 т гранитных пород содержится в среднем 8 т алюминия, 5 т железа, 540 кг титана, 80 кг марганца, 30 кг хрома, 18 кг никеля, 9 кг меди, 4,5 кг фольфрама, 1,8 кг свинца.
Осадочные горные породы залегают на поверхности нашей планеты. К ним приурочены такие полезные ископаемые, как нефть, газ, уголь, соли. Таким образом, земная кора является минерально-сырьевой базой человечества.
Для обеспечения современного уровня жизни в индустриально развитых странах необходимо добывать из недр ежегодно на одного человека около 18т минерального сырья, в том числе 8-10т нерудных строительных материалов, 2,5т угля, 0,5т металлов.
В настоящее время темпы добычи минерального сырья также превышают темпы роста населения. Мировое потребление минерального сырья увеличивается в последнее время на 5% в год. Потребляемая обществом энергия на 90% производится за счет тепла, получаемого при сгорании нефти, угля и газа.
Какие же горные породы считаются полезными ископаемыми? Обычно это природные минеральные вещества, которые при данном уровне техники и технологии могут быть использованы в народном хозяйстве либо в естественном виде, либо после той или иной переработки.
Породы, имеющие полезные ископаемые, заключенные в их толще в виде прослоев, прожилков и не используемые в народном хозяйстве, считают пустыми породами. Деление горных пород на полезные ископаемые и пустые породы является относительным.
Полезные ископаемые могут находиться в земной коре в твердом, жидком или газообразном состоянии. Локальное скопление природного минерального сырья называется рудным телом или залежью полезного ископаемого. Рудные тела весьма разнообразны: это пласты, линзы, жилы, штоки, отдельные гнезда, вкрапленные руды и т. д. В большинстве случаев рудные тела после образования подвергались тектоническим воздействиям, поэтому пласты смяты в складки, линзы и жилы пересечены трещинами, заполненными другими породами, нарушены сдвигами земной коры.
Месторождения могут быть коренными, залегающими в толще земной коры на месте своего образования и россыпными. Россыпные месторождения образовались в процессе физического выветривания коренных горных пород и химического воздействия на них различных факторов.
Различают полезные ископаемые металлические (рудные) - сырье для производства черных, цветных, благородных, редких и радиоактивных металлов; неметаллические - сырье для металлургической (доломит, магнезит и др.), химической (сера, бор, фосфориты и др.) и других отраслей промышленности; горючие (уголь, горючие сланцы, торф и др.); строительные горные породы (граниты, мраморы, гравий, глины и др.).
Совокупность свойств, определяющих степень пригодности и экономической эффективности использования, называют качеством полезного ископаемого. Одни качественные свойства относят к полезным (например, теплоту сгорания угля, содержание извлекаемых металлов для руд), другие - к вредным, (например, зольность угля, высокую влажность, содержание примесей, затрудняющих плавку руд).
Качество полезных ископаемых в недрах оценивается кондициями, которые устанавливаются на стадии разведки, проектирования и эксплуатации месторождения.
Отклонение от кондиций при горных работах оценивается потерями и разубоживанием.