13.01.2021

Совершенствование техники и технологии горных работ и добычи полезных ископаемых


Прогресс в бурении на нефть и газ открыл новые возможности в освоении морских месторождений и месторождений на суше (например, в районах вечной мерзлоты в Арктике). Глубина эксплуатационных нефтяных скважин на суше достигла 7620 м и более, а на море они бурятся под слоем воды, превышающим несколько сотен метров. Увеличились подвижность и портативность буровых станков, улучшились качества промывочной жидкости и трубопроводов, повысилась автоматизация процессов. Возросла рентабельность нефтедобычи благодаря автоматической откачке нефти с промысла потребителю. Улучшилась и эксплуатация централизованного резервуарного парка. Значительный прогресс достигнут в конструкциях морских оснований для бурения скважин и добычи нефти. Современные способы установки и фиксации плавучих буровых станков позволяют вести бурение на большей глубине и в неспокойных условиях акваторий.

Исключительно широкий размах приобрели во всех странах научные исследований и производственные разработки по увеличению нефтеотдачи коллекторов. Интенсивно развивалось применение вторичных методов добычи нефти и поддержание пластового давления путем нагнетания воды, газа, воздуха, сжиженного нефтяного газа или пара, а также добавок химреагентов в нефтяные пласты. Применяется гидравлический разрыв малопроницаемых пластов с закачкой жидкости под большим давлением. Извлечение наиболее вязких сортов нефти производится, в частности, с помощью нагнетания пара или вытеснения ее из пласта продуктами сгорания. Однако при этом коэффициент нефтеотдачи в семидесятых годах не повысился, и в настоящее время извлекается из недр в среднем лишь 1/3 выявленных геологических запасов нефти.

Производятся экспериментальные ядерные взрывы на месторождениях нефти и природного газа для увеличения трещиноватости пород и интенсификации извлечения указанных полезных ископаемых. При этом разрушаются лишь окружающие заряд породы без образования кратеров и выбрасывания продуктов взрыва в атмосферу. В распоряжении Атомной комиссии США имеются данные по 225 подземным взрывам.

В США разработана технология извлечения вязкой нефти, которая раньше He добывалась из-за высоких затрат и технологических трудностей. Современный уровень техники позволяет осуществить извлечение ее с меньшими затратами. При новом способе, названном электрофак, в скважинах размещаются электроды, посылающие электрический ток в нефтяной пласт. Под действием тока происходит нагревание нефтеносного (битуминозного) песка и уменьшение вязкости нефти. Для лучшего стимулирования процесса через ствол скважины между электродами вводится воздух или газ.

Ускоренными темпами осуществляется технический прогресс в нефте- и газодобывающей промышленности России. Более 50% добычи нефти в стране получают путем применения вторичных методов воздействия на пласт и призабойную зону скважин, повышающих коэффициент нефтеотдачи. Широко применяются методы активного воздействия на пласт, в частности законтурное и внутриконтурное заводнение, которыми охвачено большинство разрабатываемых месторождений.

Путем закачки воды в продуктивные пласты по скважинам в бывш. СССР за 1966—1970 гг. добыто свыше 200 млн. т нефти, а общий экономический эффект от применения метода поддержания пластового давления составил около 1 млрд. руб. За 1971—1975 гг. должно было быть закачано в пласты свыше 3,5 млрд. м3 воды.

Широко используются электропрогрев скважин, закачка пара в пласт, гидроразрыв с термокислотной обработкой забоев скважин, метод имплозии, оборудование обводнившихся скважин плунжерными лифтами и т. д.

Основным направлением в совершенствовании технологии разработки было дальнейшее повышение активности систем заводнения с целью увеличения темпов отбора нефти и повышения нефтеотдачи пластов.

Значительно усовершенствованы системы законтурного и внутриконтурного заводнения за счет: совмещения в один объект нескольких пластов; интенсификации добычи нефти путем увеличения градиента давления в пласте; повышения давления на линии нагнетания значительно выше начального; снижения забойного давления в эксплуатационных скважинах ниже давления фонтанирования при одновременном разрежении сетки эксплуатационных скважин; уменьшения ширины площадей самостоятельной разработки при внутриконтурном заводнении.

Среди методов заводнения наиболее широко распространен метод поперечного разрезания залежей рядами нагнетательных скважин, обеспечивающий наибольшую эффективность разработки месторождений со значительной площадью нефтеносности. Поперечное разрезание залежи широко применяется также на месторождениях с пониженной проницаемостью коллекторов и в условиях ухудшенных коллекторских свойств пластов в при-контурных зонах скважин.

Очаговое заводнение, ранее применявшееся главным образом в качестве вспомогательного в сочетании с другими видами заводнения, в последние годы по ряду месторождении принято в качестве основного метода. Он применяется при разработке залежей нефти, приуроченных к пластам со значительной зональной неоднородностью, т. е. резко изменчивым по проницаемости и мощности или имеющим прерывистое строение.

Впервые в мире в бывш. СССР применено заводнение при разработке залежей нефти в трещиноватых карбонатных коллекторах. На ряде месторождений ведется закачка в пласты раствора, обработанного поверхностно-активным веществом, добавляются в воду углекислота и серная кислота, раствор полиакриламида. В последние годы для повышения коэффициента нефтеотдачи во многих районах в промышленном масштабе стали применять тепловые (термические) методы воздействия на призабойную зону скважин.

Значительное распространение получил прогрессивный метод одновременно-раздельной эксплуатации двух пластов одной нефтяной или нагнетательной скважиной. Все эти мероприятия позволили резко сократить число эксплуатационных скважин и вместе с тем еще более повысить уровень добычи нефти при значительном улучшении экономических показателей разработки.

Повышению эффективности добычи нефти и наиболее полной утилизации растворенного газа способствует применение на месторождениях герметизированной, высоконапорной системы сбора этих полезных ископаемых. Нефть, начиная со скважины и кончая «хвостовыми» сооружениями магистрального нефтепровода, под пластовым давлением или с помощью глубинного насоса транспортируется совместно с растворенным в ней газом на центральный пункт. Там газ отделяется от нефти и направляется на переработку.

Значительно упрощается обслуживание всех объектов, создаются благоприятные условия для комплексной автоматизации, резкого сокращения численности промышленно-производственного персонала. Уменьшается площадь земель, выделяемых для промыслов, и защищается воздушный бассейн от загрязнения нефтяным газом. Герметизация всей технологической системы сбора, транспорта и подготовки нефти в 2—2,5 раза уменьшила потери горючего от испарения.

Теперь новые нефтяные месторождения во всех без исключения районах должны обустраиваться по указанной системе совместного сбора нефти и газа с сосредоточением объемов сепарации, подготовки нефти в пунктах обслуживания, с применением блочных, полностью автоматизированных установок заводского изготовления. Индустиральные методы монтажа объектов — блоков высокой заводской готовности — позволили значительно сократить сроки их сооружения.

Большой экономический эффект связан с внедрением бурения долотами уменьшенного и малого диаметра, применением труб из легких сплавов, внедрением технологии бурения скважин с полным контролем за показателями режима бурения на забое скважины. Комплексная автоматизация промыслов позволила уменьшить численность обслуживающего персонала на десятки тысяч человек и съэкономила не менее десятков миллионов рублей капитальных вложений. Почти весь прирост добычи нефти в бывш. СССР в девятой пятилетке получен без увеличения численности персонала.

Значительными научно-техническими успехами сопровождается развитие газодобывающей промышленности. Большой экономический эффект достигается при промышленном освоении месторождений после их выявления и совмещении разведки с сооружением газосборных систем и устройством промыслов. Широко внедряются комплексная автоматизация газосборных пунктов, централизованное управление промыслов и перевод на безвахтенное обслуживание газораспределительных станций. Повышается пропускная способность газопроводов за счет использования труб большого диаметра (до 2590 мм) и одновременно существенно снижаются их относительная себестоимость и расход металла. Проводятся экспериментальные работы с целью установления применимости подземных ядерных взрывов для повышения продуктивности газоносных отложений.

Важным достижением научно-технического прогресса является разработка и широкое внедрение технологии получения сжиженных газов, мировое производство и потребление которых быстро развивается. Это позволило улучшить снабжение газом промышленности и коммунального сектора в условиях резкого повышения спроса на газ, организовать межконтинентальные перевозки газа в специальных танкерах-рефрижераторах, и, что особенно важно, приступить к экспорту нефтяного газа из развивающихся стран, где из-за отсутствия местных потребителей он почти целиком терялся и сжигался в факелах.

Большой технический прогресс достигнут за последние годы в добыче твердых полезных ископаемых за счет использования высокопроизводительных систем и механизмов. Одним из главных его направлений является преимущественное развитие открытого способа разработки месторождений, особенно в связи с вовлечением в промышленное освоение крупных месторождений сравнительно бедных руд, в частности железистых кварцитов, меднопорфировых и штокверковых молибденовых руд.

В США и Канаде более 90% железной руды добывается открытым способом, а вводимые в эксплуатацию карьеры, как правило, имеют крупные размеры и высокую техническую оснащенность. Это характерно и для предприятий развивающейся железорудной промышленности Латинской Америки, Австралии и Африки, где открытые разработки почти полностью вытеснили подземную добычу. Возрастает также удельный вес разработок открытым способом других полезных ископаемых. Например, 85% медных руд добывается в последние годы в США в сравнительно небольшом количестве крупных карьеров, а мощность горно-обогатительных предприятий увеличилась с 30—40 тыс. т/сут в пятидесятые и шестидесятые годы до 60 тыс. т/сут и более в настоящее время. Имеется проект сооружения горно-обогатительного предприятия с мощностью фабрики 176 тыс. т/сут и капиталовложениями 500 млн. долл.

За последние 25 лет усовершенствованная техника позволила значительно повысить производительность труда на открытой добыче. На передовых горных предприятиях при открытом способе добычи производительность труда рабочего по горной массе достигает 100 т/смену. При этом на строительство горных предприятий обычно требуется значительно меньше капитальных вложений, чем на строительство предприятий такой же мощности с подземной добычей: строительство карьера мощностью 20—30 тыс. т руды в сутки обходится в 100 млн. долл., тогда как сооружение подземного рудника суточной мощностью 2 тыс. т руды требует вложения 12 млн. долл., а мощностью 3 тыс. т — 16 млн. долл. При открытом способе разработки не только повышается производительность труда и снижается стоимость добычи, но и существенно облегчается труд горняков, достигается более полная выемка полезных ископаемых с относительно низкими потерями, которые составляют 3—8% и лишь при разработке сложных месторождений — 10—12%.

Значительно сократился теперь период подготовки месторождений к открытой добыче, занимающий в ряде случаев всего 2—3 года. Для этого значительно увеличен объем вскрыши с применением высокопроизводительных роторных комплексов непрерывного действия. В Канаде при подготовке к разработке открытым способом месторождения медно-никелевых руд для их вскрытия (удаления 11,5 млн. м3 пород вскрыши) применена гидравлическая всасывающая драга. Вода для нее подавалась из ближайшего озера, туда же поступала по трубопроводу отсасываемая порода. В результате образовался котлован эллиптической формы около 1100 м длиной и 600 м шириной. Недавно в Аризоне начата добыча медной руды на руднике, где предварительно потребовалось снять 113,3 млн. м3 вскрыши, что стало возможным благодаря прогрессу в техническом оснащении и новым методам ведения работ.

Неизменно возрастает глубина отработки месторождений открытым способом, превышающая па ряде карьеров 700 м.

Внутрикарьерный транспорт на зарубежных карьерах преимущественно автомобильный, причем к наиболее перспективным относятся машины с газотурбоэлектрическим и дизель-электрическим приводом грузоподъемностью 60 т и более. Намечается выпуск карьерных газотурбинных автомобилей грузоподъемностью 190 т.

Сравнительно ограниченное применение имеет железнодорожный внутрикарьерный транспорт. На ряде крупных железорудных предприятий используются мощные локомотивы, большегрузные поезда, средства автоматизации, телеуправления и вычислительной техники. Радиоуправление дизель-электрическими локомотивами осуществлено на карьере железорудного предприятия «Минтак» в штате Миннесота США. Средства радиоуправления, которыми оборудованы локомотивы, включают установленную в кабинах приемную раскодирующую аппаратуру, а также устройство, передающее команды исполнительным механизмам управления. Применение радиоуправляемых локомотивов позволило сократить на 65% численность обслуживающего персонала и способствовало значительному улучшению работы карьерного железнодорожного транспорта.

Быстро развивается разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом в бывш. СССР. Удельный вес его в общей добыче железных руд увеличился с 56% в 1960 г. до 81% в 1975 г. Все железорудные предприятия Кольского полуострова, Курской магнитной аномалии (кроме рудника Губкинский), горно-обогатительные комбинаты, перерабатывающие железистые кварциты Кривого Рога, предприятия Керченского бассейна, Восточной Сибири и Казахстана разрабатываются открытым способом. Подземным способом отрабатываются лишь богатые руды Криворожья, Горной Шории и частично Урала. Доля открытого способа добычи марганцевых руд достигла 78,7%, хромитов 93,4%. Возрастает открытый способ разработки месторождений и других полезных ископаемых. В общесоюзной добыче руд цветных металлов он достиг 64% (по предприятиям Главмеди превысил 82%), горнохимического сырья — 82%, других неметаллических ископаемых и строительных материалов — почти 100%.

Значительное повышение удельного веса открытого способа разработки является и впредь генеральным направлением в улучшении экономики горной промышленности: он позволяет не только повышать производительность труда и снижать себестоимость товарной продукции, но и создает исключительно благоприятные условия для сокращения потерь полезного ископаемого и уменьшения разубоживания. Так, предполагается, что в 1980 г, открытым способом будет добываться угля — до 50—55%, железных руд — до 85%, ряда цветных металлов — до 76—80%.

Одновременно с развитием открытого способа добычи происходит и ее концентрация. На долю карьеров мощностью свыше

10 млн. т железной руды приходится более 70% общесоюзной добычи. Существенно увеличиваются мощности угольных карьеров. На карьерах Экибастузского месторождения добыча угля в десятой пятилетке будет доведена до 70—75 млн. т. Здесь, на крупнейшем в стране разрезе Богатырь работает шагающий роторный комплекс производительностью 500 т/ч и еще два подобных агрегата будут введены в действие в ближайшее время.

Удельные капитальные затраты для намечаемых к строительству крупнейших угольных карьеров в Канско-Ачинском бассейне мощностью 30—55 млн. т угля в год составят менее 2 руб., себестоимость 0,24—0,32 руб., а производительность труда рабочего— до 166 т на выход. Канско-ачинский уголь конкурентоспособен с природным газом и нефтью, а электроэнергия, выработанная на нем и переданная в центральные районы европейской части бывш. СССР, будет одной из самых дешевых.

К открытию XXV съезда КПСС завершен монтаж шагающего экскаватора с ковшом емкостью 100 м3 и стрелой 100 м. Он предназначен для ведения вскрышных работ на разрезах Канско-Ачинского бассейна и может переместить 17 млн. м3 пород в год. На действующих в стране угольных карьерах достигнуто устойчивое годовое понижение горных работ на 10—15 м.

Возрастает глубина разработки месторождений открытым способом. На одном из крупнейших месторождений меднопорфировых руд Бингем в США глубина карьера превышает 760 м и, вероятно, в будущем увеличится еще больше. В Советском Союзе на большую глубину запроектированы карьеры на ряде месторождений железных руд (Ингулецкое — 300 м, Соколовское — 432 м, Коршуновское — 560 м, Сарбайское — 630 м, Kaчарское — 723 м) и медных (Гайское — 380 м, Коунрадское — 395 м, Николаевское — 400 м, Сибаевское — 440 м). Для Баженовских асбестовых карьеров приняты глубины 500 и 680 м. Глубина Коркинских угольных карьеров Челябинской области уже достигла 470 м от поверхности. Проектируются карьеры на большие глубины.

Основным направлением совершенствования технологии открытой разработки является создание поточного производства, позволяющего полностью механизировать и автоматизировать весь технологический процесс выемки, транспортировки и укладки в отвал горной массы. Внедрение циклично-поточной технологии добычных работ с применением высокопроизводительных экскаваторов непрерывного действия позволяет в несколько раз увеличить производительность труда и снизить себестоимость добычи. Для транспортировки горной массы из карьеров все в больших масштабах применяются дизельные и дизельно-электрические автосамосвалы грузоподъемностью до 70—120 т. Большое значение придается конвейерному транспорту, который явится основой будущего поточного производства. Применение конвейера позволит организовать непрерывную и ритмичную подачу руды на фабрику и породы в отвал и автоматизировать выдачу горной массы из карьера. Технологические схемы поточной линии найдут широкое применение на крупных карьерах KMA, Качарском и Лисаковском ГОКах. Нa угольных карьерах будут использованы конвейерные ленты производительностью до 20—25 тыс. м3/ч при транспортировке вскрыши и в 10—20 тыс. т/ч при транспортировке угля. Для транспортировки угля из карьеров будут применяться углевозы грузоподъемностью 200—250 т с электрическим приводом колес, а на вскрышных работах — автосамосвалы грузоподъемностью 200—300 т.

Предусматривается расширение области применения бестранспортной системы разработки с использованием драглайнов большой мощности (с емкостью ковша 250—350 м3 при длине стрелы до 120 м). Для полной автоматизации производственного процесса на угольных карьерах предусматривается широкое применение мощных роторных экскаваторов с повышенными усилиями резания на вскрышных работах и на добыче угля на месторождениях с горизонтальным и слабонаклонным залеганием угольных пластов. На вскрышных работах будут использованы роторные комплексы с теоретической производительностью до 20—25 тыс. м3/ч и забойные отвалообразователи с консолями длиной до 250 м. На добычных работах предусматривается применение роторных экскаваторов производительностью 5—10 тыс. м3/ч.

Новая техника и передовая технология внедряются на действующих карьерах цветной металлургии. Ударно-канатное бурение заменяется шарошечным и огневым. Замена 50 станков старого типа 7 станками шарошечного бурения на Коунрадском руднике позволила сократить число бурильщиков на 35%, а производительность труда увеличить более чем в 2 раза. Объем горных работ в цветной металлургии возрастет до 2,5 млрд. т в 1980 г.

На железорудных карьерах должны найти применение буровые станки для немеханических способов бурения: электрогидравлического, гидравлического, с помощью взрыва, ультразвука и плазмы. Будут использованы электрические способы разрушения массива с применением высокочастотной электромагнитной энергии, применением токов повышенной частоты, электродуговые и электроимпульсные методы разрушения. Ведутся исследования по использованию лазеров для разрушения пород.

Однако до сих пор буро-взрывной способ разрушения скальных пород при разработке рудных месторождений остается вне конкуренции. Между тем трудоемкость этих работ весьма значительна и при добыче открытым способом расходы на них достигают 20% от общих трудовых затрат, при добыче подземным способом в среднем — 40%, а при очень крепких породах — 70%. В Советском Союзе общая длина шпуров и скважин для взрывной отбойки измеряется сотнями тысяч километров в год. Во всех странах продолжается совершенствование буро-взрывных работ путем применения многорядного коротко-замедленного взрывания, внедрения механизированного заряжания скважин и использования высокоэффективных многокомпонентных водонаполненных металлизованных и неметаллизованных ВВ.

В результате широкого внедрения новых видов взрывчатых веществ с механизированной зарядкой скважин значительно повышена эффективность взрывных работ на карьерах Балхашского, Зыряновского, Лениногорского, Каджаранского, Джезказганского, Норильского и других комбинатов. Производительность труда на этих работах возросла в 2,5—3 раза.

При разработке россыпей широко применяются мощные бульдозеры, гидромониторы с дистанционным управлением, шагающие экскаваторы и мощные драги производительностью до 8 млн. м3 горной массы в год.

Считают, что открытый способ разработки месторождений, отличающийся высокими экономическими показателями, и в дальнейшем получит преимущественное развитие, но одновременно будут интенсивно осуществляться необходимые мероприятия по сохранению окружающей среды и восстановлению земель, нарушенных при производстве добычных работ.

В бывш. Советском Союзе вопросам охраны окружающей природной среды всегда придавалось большое значение, а теперь они узаконены утвержденными Верховным Советом СССР «Основами законодательства Союза CCP и союзных республик о недрах». Предусматривается рекультивация всех земель, нарушенных в ходе горных работ, приведение земельных участков в безопасное состояние и в состояние, пригодное для использования в народном хозяйстве: для нужд сельского, лесного и рыбного хозяйства, для создания зон отдыха. Благодаря рекультивации земель в определенной мере восстанавливаются нарушенные горными работами гидрогеологические режимы, прекращаются загрязнение воздуха и вод, усыхание и гибель растительности и снижение урожайности сельскохозяйственных культур, а также улучшаются микроклимат и санитарно-гигиенические условия.

Законы по охране окружающей среды в последнее время приняты и в ряде других стран. Теперь значительную долю затрат при организации горно-обогатительного предприятия составляют расходы на охрану окружающей среды, особенно при сооружении угольных карьеров. В связи с этим в зарубежной печати, в частности США, высказываются опасения, что осуществление законов по охране внешней среды окажется существенным тормозом в развитии жизненно важных для экономики страны отраслей горной промышленности. Кроме того, дорогостоящие проекты восстановления земель, нарушаемых при производстве добычных работ, послужат причиной значительного увеличения себестоимости добычи.

В будущем, вероятно, заметно возрастет роль подземной добычи, тем более что многие из ныне действующих открытых разработок вскоре достигнут максимально допустимых для их рентабельности глубин. Техника и технология подземных разработок месторождений полезных ископаемых неуклонно совершенствуется, но производительность труда на этих работах все еще на 3—7% ниже, чем на открытых.

Интенсивно осуществляются разнообразные мероприятия для всемерного снижения издержек производства на предприятиях угольной промышленности с тем, чтобы максимально снизить стоимость добычи угля и сделать его конкурентоспособным в ряде отраслей промышленности по сравнению с нефтью и природным газом. Для этой цели закрываются старые нерентабельные предприятия, модернизируются и оснащаются высокопроизводительной техникой действующие предприятия, внедряются автоматизация и комплексная механизация на горноподготовительных и очистных работах, погрузках и транспортировке, повышается удельный вес крупных шахт.

Весьма перспективным представляется осуществляемый в Советском Союзе механо-гидравлический метод добычи угля. Этим методом одна бригада в Кузбассе за два года добыла из одного забоя 2700 тыс. т угля при среднемесячной производительности труда 1327 т на рабочего. Американская фирма «Кайзер» приобрела в бывш. Советском Союзе лицензию на этот способ добычи угля.

Канадско-американские компании изучают наиболее эффективный метод разработки горных пород при помощи гидромонитора; в основе его лежит система, предложенная советскими учеными. Вода выбрасывается монитором со скоростью артиллерийского снаряда в течение тысячной доли секунды, «выстрелы» же следуют через несколько секунд. Она разрушает самые твердые скальные породы. «Водная пушка» безопасна для работающих на ней шахтеров, легка в управлении.

В США разработана машина для проходки туннелей, разрушающая твердые гранитные породы с помощью струй воды диаметром 0,25 мм. Вода выбрасывается со скоростью 900 м/с под давлением в 400 МПа (4000 атм) из сапфировых сопел. При использовании такой машины значительно увеличивается скорость проходки туннелей и почти на 30% снижается стоимость проходки.

В Донбассе проходит испытание комбайн с импульсным водометом «КИВ», выбрасывающим воду под давлением 800—1000 МПа (8—10 тыс. атм). Такого усилия достаточно, чтобы с расстояния I—2 м крошить крепчайшие породы. Комбайн не дает пыли, позволяет вести интенсивные работы в газовых шахтах, не вызывая опасения, что искра вызовет пожар или взрыв метана. Для управления комбайном достаточно всего 2—3 человек в смену.

С целью расширения масштабов разработки тонких и особенно весьма тонких (менее 0,7 м) угольных пластов, для которых практически отсутствуют средства механизации, разрабатываются эффективные технологические решения безлюдной выемки, в том числе с применением бурошнековых, скреперноструговых установок и другого оборудования.

Когда мощность угольных пластов и пачек весьма мала (0,2—0,4 м) и они переслаиваются с породными прослоями такой же мощности, целесообразна валовая выемка горной массы с последующим обогащением. Хорошо зарекомендовал себя гидравлический способ, осуществляемый сезонными гидроустановками в шнековых и крутонаклонных сепараторах. Гидроустановки позволяют разрабатывать угли с зольностью до 70% и на отдельных месторождениях увеличить освоение промышленных запасов в 1,5 раза.

Достигнутые успехи в повышении производительности труда рабочих при подземной добыче и рост доли открытых разработок заметно сказались на снижении себестоимости добытого угля, Так, добыча угля в бывш. Советском Союзе за последнее пятилетие увеличилась более чем на 70 млн. т, а число работающих в шахтах сократилось примерно на 140 тысяч человек.

В результате применения эффективных систем добычи (с массовой отбойкой руды глубокими скважинами, камерно-столбовой) в комплексе с высокопроизводительными и вибрационными установками, самоходным буровым, погрузочным и транспортным оборудованием, механизацией и автоматизацией вспомогательных и ремонтных операций на предприятиях цветной' металлургии резко возросла производительность труда и снизилась себестоимость добычи.

В настоящее время на рудниках работает более 800 самоходных машин и установок, с помощью которых обеспечивается 1/4 общего объема подземной добычи руд.

Внедрение новой технологии добычи руд позволило повысить производительность труда забойной группы рабочих в 1,5—2,0 раза и снизить себестоимость горных работ на 25—30%.

На Северо-Уральском бокситовом руднике со сложными горно-геологическими условиями внедрена камерно-столбовая система вместо ранее применявшейся малопроизводительной системы слоевого обрушения. Ho новой системе добывается более 60%) всего объема руды. Производительность труда забойного рабочего повысилась на 45—50%, себестоимость добычи 1 т руды снизилась на 12—15%.

На богатых по содержанию металлов месторождениях и участках в возрастающих объемах применяется система разработки с закладкой выработанного пространства с твердеющими смесями, обеспечивающая наибольшую полноту выемки запасов и минимальное разубоживание руды. Объем добычи руд этим способом возрос в 1975 г. более чем в 6 раз по сравнению с 1970 г. На Лениногорском комбинате в 1975 г. таким способом отрабатывалось 43% всей добывающей руды. Система отработки с закладкой выработанного пространства позволяет использовать отвальные хвосты обогащения для изготовления закладочных смесей, широко внедрять виброактивацию, механизацию и автоматизацию процессов; в результате — трудоемкость и затраты на закладочные работы снизились в 5 раз, а потери руды сократились до 5%. В 1980 г. планируется довести удельный вес добычи руды с закладкой выработанного пространства до 66%. Накопленный опыт показывает, что широкий переход к системам разработки с закладкой позволит сократить потери руды на рудниках комбината «Ачполиметалл» в 2—3 раза.

Камерно-столбовая система широко используется при разработке месторождений цветных металлов в зарубежных странах. В США и Канаде на предприятиях, применяющих эту систему, себестоимость добычи руды составляет 2—3 долл. на 1 т при производительности по очистной выемке от 35—40 до 60 т на человеко-смену.

Внедрение принципиально повой технологии добычи медных руд на базе мощного самоходного оборудования на подземных рудниках Джезказгана позволило повысить производительность труда горнорабочего в 2—2,5 раза, и по своему характеру труд рабочего приблизился к инженерному. За счет применения комплекса самоходного оборудования и научной организации труда на Миргалимсайском руднике достигнута производительность труда на одного забойного рабочего около 112 т руды в смену, а скорость проходки горизонтальных выработок 1237,6 м в месяц одним забоем.

Широкое применение нашли самоходные буровые станки, обеспечивающие резкое увеличение производительности труда бурильщика благодаря более полной механизации процесса бурения. Наиболее перспективными являются станки вращательно-ударного действия, в условиях крепких монолитных руд — станки алмазного бурения.

Внедрение вращательно-ударного бурения малыми диаметрами (56—65 мм) на Лениногорском комбинате позволило сократить затраты и повысить производительность труда, снизить потери руды, повысить ее качество.

В последние годы во Франции и ФРГ проводится большая работа по автоматизации бурения шпуров в шахтах. На французских железорудных рудниках все шире внедряются буровые каретки с программным управлением, которые выполняют все операции по бурению комплекса шпуров без участия человека.

Высокая производительность труда достигается при применении подземных взрывов для разрыхления добываемых крепких руд. Одновременный взрыв 540 т взрывчатки, заложенной в минные камеры и скважины на Шерегешевском руднике, позволил довести добычу магнетитовой руды до 10 тыс. т на каждого горнорабочего в месяц.

Совершенствуется техника и технология ускоренного сооружения шахт, применяются буровые коронки большого диаметра. В частности, на урановом месторождении Амброзия-Лейк в США закончено бурение вертикальной шахты глубиной 239 м и диаметром 5,02 м. Скважина по всей глубине обсажена стальной трубой с внутренним диаметром 4,26 м. При бурении использовалась буровая установка с двойной мачтой и 40-тонным долотом диаметром 5,02 м. Измерение кривизны ствола шахты показало отклонение от вертикали всего на 152,5 мм на полной глубине шахты. Удаление шлама из забоя в процессе бурения производилось продувкой сжатым воздухом. Бурение продолжалось менее 6 месяцев.

Для проходки вертикальных шахтных стволов диаметром 2,5—3,7 м в твердых скальных породах американской фирмой изготовлена специальная установка. Проходка ствола осуществляется из штрека снизу вверх. Вертикальное перемещение установки производится с помощью мощных гидравлических домкратов, установленных на поверхности, через трос, пропущенный сквозь опережающую скважину малого диаметра. Опытные выработки успешно пройдены в твердых кварцитах на южноафриканских месторождениях.

Уникальным, несомненно, является комбайн CK-IV, разработанный ЦНИИПодземмаш и созданный на Уральском заводе тяжелого машиностроения. Комбайн высотой 18 м и массой 196 т подготовлен в 1977 г. к проходке клетевого ствола диаметром 7 м и глубиной 1100 м на шахте им. Калинина в Донецке.

Как и при открытом способе добычи, основными направлениями технического прогресса подземных разработок являются переход на поточные методы производства, дальнейшая концентрация горных работ и рост масштабов горно-обогатнтельных предприятий, применение усовершенствованных и новых высокопроизводительных комплексов оборудования и агрегатов для очистных работ, проходческих комплексов и агрегатов, механизирующих все основные процессы по проведению горных выработок, широкое применение бесперегрузочных конвейерных систем за счет применения конвейеров большой длины и па участковых выработках — телескопических конвейеров, автоматизации всех производственных операций на подземных процессах и на поверхности, осуществления добычи без постоянного присутствия людей в забоях. На одном из крупнейших в мире подземных рудников Кируна в Швеции мощностью 24 млн. т руды в год впервые применен метод вскрытия железорудного месторождения спиральными транспортными выработками со съездами до основного рабочего горизонта 540 м. К 1978 г. будет введен в строй новый транспортный горизонт 775 м, что позволит увеличить размер добычи рудника до 30—32 млн. т руды в год.

В результате осуществления в ряде стран мероприятий по совершенствованию техники и технологии подземной добычи производительность труда на передовых предприятиях возросла в 5—6 раз и не уступает производительности при открытом способе добычи.

Весьма характерным является рост глубины подземных выработок и в связи с этим необходимость решения сложных технических проблем, обусловленных огромным давлением и пластичностью горных пород и весьма высокой температурой среды. На золотых рудниках ЮАР горнопроходческие работы достигли глубины 3000—3900 м от поверхности при температуре пород, достигающей 47—54°. Для их охлаждения установлены холодильные установки производительностью до 16 тыс. т/сут льда н мощная система вентиляции выработок. Сложные мероприятия осуществляются для обеспечения безопасности работ в условиях огромного давления и высокой пластичности пород, а также эвакуации людей в случае аварии на главной электростанции рудника. Для этого создана аварийная электростанция, обеспечивающая частичную вентиляцию выработок, стенки которых проморожены на глубину 0,9 м; холод будет «рассеиваться» в течение двух часов, достаточных для эвакуации людей. Золоторудная жила месторождения Кола в Индии отработана до глубины 3231 м, а очистные работы на золоторудном месторождении Грейт-Боулдер в Западной Австралии производятся на глубине 1200 м.

Увеличение глубины разработок характерно и для месторождений других полезных ископаемых. Так, на медноколчеданных месторождениях Норанда и Флин-Флон в Канаде горные выработки достигли глубины 2000 и 1500 м соответственно, на месторождении Юнайтед-Верде в США— 1800 м, на месторождении Матамбра на Кубе — 1200 м.

Очистные работы на уникальном жильном месторождении меди Бьют в США производятся на глубине, превышающей 1500 м, на месторождении медно-никелевых руд Садбери в Канаде — на глубинах 1300—1500 м, на месторождениях самородной меди Верхнего озера в США — на глубине 1600 м, на месторождении медистых песчаников Роан-Антелоп в Замбии — 1232 м и месторождении Мансфельд в ГДР — 800 м, на месторождениях полиметаллических руд Кер-д’Ален в США — более 1200 м, а на месторождении Морнинг Стар — 2300—2750 м. Добыча богатых железных руд в Криворожском бассейне, вероятно, уже в ближайшее время будет вестись на глубинах 1800—2000 м. Маломощные оловорудные жилы Боливии разрабатываются на глубинах, нередко превышающих 600 м.

При общей тенденции ускоренного роста масштаба сооружаемых горно-обогатительных предприятий в ряде стран вводятся в эксплуатацию и так называемые мини-рудники, созданные на базе мелких месторождений сравнительно богатых руд. В Канаде подобным мини-рудником являлся Лонг-Лейк в Онтарио, Рудное тело содержит менее чем 100 тыс, т руды, эксплуатационный срок месторождения составит всего 2 года. Проектная мощность обогатительной фабрики 200 т/сут руды. Среднее содержание цинка в руде 23%, а нередко и 50%. Затраты на освоение рудника оценивались менее чем в 500 тыс, долл. Рудник введен в действие в марте 1973 г. В районе продолжались разведочные работы с целью открытия новых месторождений.

Аналогичный по мощности рудник создан в Квебеке на базе медно-никелевого месторождения. Запасы его руд, содержащих 1,56% никеля и 0,51 % меди, составляют только 88 тыс. т. Освоение такого небольшого месторождения сравнительно богатых руд рентабельно лишь при минимальных затратах и использовании передвижных малогабаритных обогатительных установок. Производственные затраты на январь 1973 г, составили 10,39 долл. на 1 т руды, в том числе 2,58 долл. на добычу, 1,65 долл. — на дробление, 3,27 долл. — на обогащение, 2,9 долл. — на административные расходы. Валовой доход составил 21 долл. на 1 т.

Отмечается перспективность эксплуатации таких месторождений, особенно при условии применения дешевого гидрометаллургического способа переработки руды и наличия в районе группы подобных объектов, на которые может быть перебазировано оборудование.

Важным направлением научно-технического прогресса горной промышленности становится геотехнология — метод извлечения полезных ископаемых, основанный на переводе их с помощью тепловых, массообменных, химических или гидродинамических процессов непосредственно в недрах в состояние, пригодное для транспортировки через скважины на поверхность земли.

В последнее время сравнительно широкое развитие получила добыча минерального сырья различными методами подземного и кучного выщелачивания. Несколько крупных предприятий по добыче калийных солей этим методом создано в Канаде, где пласты солей залегают на глубинах 700—1100 м. Предусматривается внедрение метода подземного выщелачивания калийных солей в республиках Средней Азии и Казахстане. Сгущение рассолов и получение твердого хлористого калия здесь будет осуществляться в системе испарительных бассейнов с использованием тепла солнечной радиации. В будущем метод подземного выщелачивания может найти применение для отработки глубокозалегающих калийных пластов Припятской и Прикаспийской впадин, недоступных для эксплуатации горным способом.

Подземным растворением добывается каменная соль в Славянске, Усолье-Сибирском, Башкирии, Армении и других местах. Этим способом проектируется разработка разведанного в последние годы месторождения поваренной соли в Горьковской области. Каменная соль, превращенная в рассол, будет подаваться химическим предприятиям г. Дзержинска по трубопроводу длиной 120 км.

Почти вся добыча самородной серы в США и Мексике осуществляется по методу Фраша, основанному на подземной выплавке ее паром или горячей водой. Аналогичным способом в Советском Союзе разрабатываются месторождения Язовское в Предкарпатье и Гаурдакское в Туркмении,

Более широко методы выщелачивания стали применяться для извлечения металлов из отвалов горно-обогатительных предприятий, отходов металлургических производств и из бедных и забалансовых руд. Выщелачивание меди из отвалов бедной руды началось в Испании на руднике Рио-Тинто еще в 1725 г. и в настоящее время во все возрастающих масштабах осуществляется во многих странах. Стоимость добываемой в процессе кучного выщелачивания меди в 5 раз меньше производства ее обычными методами. Методом подземного выщелачивания разрабатывается ряд месторождений меди в Аризоне (США), где они разрезаются системой горизонтальных выработок, затем руда подвергается дроблению с помощью взрывов или гидравлическими методами с последующим выщелачиванием слабым раствором серной кислоты, нагнетаемой по трубам в верхнюю часть месторождения. Обогащенные медью растворы поднимаются на поверхность, и металл извлекается из них электролитическим способом. Основными недостатками этого метода являются: низкая (только 50—60%) извлекаемость меди из руды и потери при добыче сопутствующих компонентов — молибдена, золота и селена.

Судя по опубликованному в зарубежной печати сообщению, компания «Кеннекот коппер корпорейшн», совместно с Атомной комиссией США и радиационной лабораторией Лоуренс предполагала произвести термоядерный взрыв в районе г. Стаффорд, где на глубине 150 м насчитывается около 2 млрд. т руды, содержащей 0,4% меди. Считали, что выщелачивание металла может быть начато спустя девять месяцев после взрыва.

Значительно увеличился объем получения меди кучным и подземным выщелачиванием в бывш. Советском Союзе. На Урале оно стало применяться в 1964 г. на Дегтярском руднике. Представляет практический интерес исследование процесса выщелачивания медно-никелевой руды Ловнозерского месторождения. По проведенным подсчетам, отработка месторождения методом подземного выщелачивания по сравнению с традиционной технологией может дать значительное снижение капитальных и эксплуатационных затрат, а также себестоимости товарного никеля.

В Канаде и в США с большим экономическим эффектом методом подземного выщелачивания добывается уран. При этом себестоимость добычи на одном из рудников в штате Вайоминг приближается к себестоимости добычи открытым способом в этом районе, но ниже, чем при подземной разработке. Применение метода выщелачивания позволило включить в разработку месторождения сравнительно бедных руд и на одном из них (в Техасе) снизить бортовое содержание U3O8 с 0,10 до 0,05% и более и тем самым в 2 раза увеличить его запасы.

На золотых рудниках США в настоящее время проходит промышленные испытания технология кучного выщелачивания бедных руд, отвалов, или руд таких мелких месторождений, отработка которых обычными способами нерентабельна. Новая технология заключается в том, что руда измельчается до 15—19 мм и складывается навалом на асфальтированную площадку, затем в течение недели она орошается циановым раствором. Из полученного раствора золото извлекается либо осаждением его цинком, либо абсорбцией активированным углем. Извлечение золота достигает 70%. Все испытания велись на рудниках штата Невада. Метод дальнейшего выделения золота из активированного угля разработан Горным Бюро США; оно производится при 150° С и давлении 0,647 МПа (6,47 кгс/см2) с использованием щелочных растворов.

К другим представляющим интерес новым методам переработки золотосодержащего шлама относится применяемая на руднике Лед в штате Южная Дакота в США технология цианирования с измельченным углем; при этом потери золота в хвостах составляют всего 0,007 г/т раствора. Ведутся работы по использованию этого процесса для переработки хвостов, получаемых при флотации серебра на руднике Крид в штате Колорадо.

На предприятии Бренда (Канада) начал применяться новый метод обогащения меднопорфировых руд с помощью выщелачивания, позволяющий снизить содержание в молибденовом концентрате нежелательных примесей меди, железа и кремния. Так, содержание меди снижено до 0,1% (допустимое 0,25—0,3%), железа — до 0,05% и кремния — до 1% и менее.

Коренные изменения в технологию добычи минерального сырья вносят микробиологические методы выщелачивания, уже нашедшие в ряде стран практическое применение. К ним относятся бактериальное выщелачивание меди и урана из руд, освобождение концентратов олова и золота от примесей мышьяка. Лабораторные и промышленные исследования показали, что наиболее перспективным способом добычи марганца из бедных забалансовых руд является метод подземного выщелачивания. В промышленных условиях при отработке участка забалансовых руд получены продуктивные растворы с содержанием марганца 27,5 г/л.

Исследованиями доказана также возможность применения бактерий для извлечения золота, цинка, висмута, свинца, сурьмы, лития и германия. Нуждаются в изучении в принципе реальные возможности практического использования микробиологических процессов применительно к никелю, таллию, молибдену, титану, алюминию и редким элементам.

Наиболее разработана технология микробиологического выщелачивания меди из сульфидных минералов путем ее «вымывания» из руд или отвалов раствором, содержащим сульфат окиси железа, серную кислоту и тионовые бактерии. В последнее время суммарная добыча меди, полученной с помощью бактериального выщелачивания в странах капиталистического мира, составляла 180—200 тыс. т в год. В США насчитывается более 11 предприятий, использующих микроорганизмы для добычи меди; аналогичные предприятия имеются в Мексике, Австралии, Испании, Португалии и ряде других стран.

Бактериальное выщелачивание дает возможность эффективно использовать вкрапленные медные сульфидные или сульфидно-окисленные руды с незначительным содержанием полезного компонента при малых энергетических, небольших капитальных и эксплуатационных затратах.

Чистая медь, полученная с помощью бактериологического метода, обходится в 2—3 раза дешевле меди, полученной традиционными способами, так как при этом резко сокращаются площади для горно-обогатительных предприятий (нарушения поверхности земли сводятся к минимуму), отпадает необходимость в строительстве шахт и подземном труде, становятся ненужными транспортировка, дробление, обогащение и металлургический передел руд и концентратов, не нарушается пахотный слой земли, не образуется пыль, отпадают расходы на защиту воздушной среды от загрязнения и очистку сточных вод. Сравнительно небольшие начальные капиталовложения и быстрая оборачиваемость средств способствуют получению чистой прибыли через относительно короткий срок; просто и быстро регулируется уровень добычи.

Подземное химическое и бактериальное выщелачивание позволяет в определенных условиях снизить себестоимость добытых металлов и горно-химического сырья по сравнению с шахтными способами в 3—5 раз, а производительность труда повысить в 3—8 раз. Кроме того, эти методы дают возможность значительно увеличить сырьевую базу страны, позволяя с большой экономической выгодой вовлекать в разработку глубокие, забалансовые и отработанные месторождения, отвалы и т, п., интенсифицировать разработку месторождений, а также решать большую социальную задачу — выводить горняков из-под земли.

Развитию добычи полезных ископаемых бактериальными методами будут содействовать проводимые за рубежом научно-исследовательские и экспериментальные работы но использованию термоядерного взрыва для разработки низкосортных руд, залетающих на большой глубине и нерентабельных для добычи традиционными методами.

К важнейшим достижениям геологической и горной науки и практики последних лет, несомненно, относится открытие месторождений полезных ископаемых на дне морей и океанов, разработка которых возрастает ускоренными темпами. Поиски этих месторождений приобрели необычайный размах, и подводные работы на континентальном шельфе осуществляются 75 странами, а 25 из них ведут подводную добычу нефти. Морские месторождения теперь обеспечивают более 18% мировой добычи нефти, 6% природного газа и занимают также значительный удельный вес в добыче олова, алмазов, серы и ряда других полезных ископаемых. Добываемая с морских площадей нефть превосходит по стоимости остальные используемые ресурсы океана вместе взятые, включая рыболовство и извлечение химических компонентов из морских вод. Перспективными считаются участки акваторий с глубинами до 3000 м. В Мексиканском заливе прошла испытания эксплуатационная установка на участках с глубиной 115 м, возможные же глубины использования этой системы до 360 м. Разрабатываются установки для поисковых и эксплуатационных работ на глубинах до 900—1800 м. В (975 г. в акваториях мира действовало около 900 буровых установок, которые должны были пробурить более 2000 скважин.

На протяжении последних лет публикуется много сообщений о марганцевых конкрециях, залегающих на дне океана. Считают, что общая масса их достигает 1,5 трлн. т; ориентировочно в них содержится до 360 млрд. т марганца. Наиболее широко конкреции распространены в Тихом океане, в приподнятой средней и глубоко погруженных юго-восточной и восточной его частях. Ежегодно, по ориентировочным подсчетам, осаждается около 10 млн. т конкреций. Промышленные скопления конкреций образуются преимущественно на глубинах 3000—6000 м. Атлантический и Индийский океаны считаются менее перспективными для образования залежей конкреций.

В связи с большой глубиной залегания и сложным минеральным составом руды эксплуатация залежей конкреций ранее считалась нерентабельной. В настоящее время уделяется большое внимание подготовке к использованию подводных запасов марганцевой руды, промышленная разработка которых может значительно повысить обеспеченность капиталистических стран этим видом сырья.

В совместной исследовательской работе по освоению процессов добычи и переработки конкреций со дна океана участвуют 25 крупных фирм США, ФРГ и Японии. Наиболее перспективным районом добычи конкреций считается север центрального района Тихого океана. Примерный состав конкреций в этом районе следующий: 20% марганца, 11% железа, 0,9% никеля, 0,5% меди и 0,3% кобальта. В августе 1972 г, международным консорциумом испытывался перспективный метод непрерывной добычи конкреций ковшевым элеватором. Ho расчетным данным, предприятие мощностью 900 тыс. т в год будет давать 11 тыс. т никеля, 9 тыс. т меди, 2 тыс. т кобальта и 250 тыс. т марганца. Себестоимость переработки, как полагают, составит 10—30 долл. на 1 т конкреций, а реализационная стоимость извлекаемых металлов — 50—100 долл. Специалисты ФРГ пришли к выводу, что извлечение металлов из конкреций будет выгодным только в том случае, если суточная производительность предприятия по переработке конкреций составит не менее 10 тыс. т, а концентрация конкреций — не менее 8 кг на 1 м2 при следующем содержании металлов: никеля 1,4%), меди 1,3%, кобальта 0,5% и марганца 30%; установка должна работать не менее 250 дней в году.

Важную роль в усовершенствовании добычи полезных ископаемых в последние десятилетия сыграло применение математики и статистических методов. Компьютер позволил принимать быстрые решения при организации производственных процессов, внедрении автоматики и улучшении практики руководства, что в свою очередь привело к увеличению производительности. При этом потребовалась коренная ломка установившихся принципов планирования и руководства, изменение учебной программы высших учебных заведений. Современные специалисты владеют методами регрессивного анализа, линейного программирования, используют методы критического пути и др.

На крупных горно-обогатительных предприятиях действуют централизованные системы управления транспортом, рудоспусками, подземными пунктами дробления руды, бункерами, весоконтрольными станциями и т. д., оснащенные современными средствами автоматизации, дистанционного управления, телевидения и ЭВМ.

С помощью ЭВМ производится подсчет и анализ полезных ископаемых с учетом их качественных характеристик в пределах действующего, а также создаваемого предприятия, разрабатываются графики производства, проводится анализ схем проветривания шахт. С помощью компьютеров выбирают оборудование, оптимизируют погрузочные, транспортные работы и процессы обогащения, разрабатывают графики ремонтов и строительства, расширения и реконструкции предприятия. Число горнодобывающих компаний, имеющих собственные вычислительные центры, неизменно возрастает. Одновременно увеличивается количество горных предприятий, использующих работу компьютеров в режиме автоматического разделения машинного времени. Большая машина устанавливается в главном управлении компании, а на карьеры и шахты отсылаются оконечные пульты, которые могут подключаться к основному компьютеру в любое время, когда на нем не работают с других пультов. Центральный компьютер, работающий в режиме автоматического распределения времени, может обслуживать до 40—60 оконечных пультов.

На XIV международном симпозиуме по применению компьютеров и методов исследований операций в горнодобывающей промышленности рассматривались также вопросы применения ЭВМ для решения крупных проблем, имеющих национальное значение: системные модели, модели национальных ресурсов, статистические модели в геологии и др.





Яндекс.Метрика