7.2. Месторождения полезных ископаемых

Полезные ископаемые - это природные минеральные вещества, которые при данном уровне техники могут быть использованы в народном хозяйстве в есте­ственном виде или после предварительной обработки.

Полезные ископаемые могут находиться в недрах Земли в твердом, жидком или газообразном состояниях.

Скопление твердого полезного ископаемого, залегающее среди горных пород, называется рудным телом. Руды залегают в земной коре в виде геологических тел различной формы.

Рассмотрим основные виды полезных ископаемых.

1. Топливно-энергетическое сырье, к которому относят нефть, газ, уголь, сла­нец, урановую руду.

Еще в начале века основными видами топлива были каменный и бурый уголь. По состоянию на конец 2005 г. в мировом энергетическом балансе уголь занимал 33,8 %, нефть — 35.9, газ 24,9, гидроэнергия 2,9, атомная энергия — 2,2, гео­термальная и другие возобновляемые источники энергии — 0,2 %.

2. Руды черных и легирующих металлов являются сырьевой базой черной и цветной металлургии. Черная металлургия является потребителем марганцевых, хромитовых, никелевых, кобальтовых, молибденванадиевых руд. Их добыча рас­тет также высокими темпами.

3. Цветные металлы — это медь, свинец, цинк, олово и др. За 70 лет XX в. в мире было добыто 94,3 млн т цветных металлов. В 2000 г. их производство удвои­лось. Самыми высокими темпами увеличивается производство алюминия, самы­ми низкими — добыча меди (из-за ограниченности разведанных запасов)

4. Благородные металлы включают в себя золото, серебро, платиноиды. Основным производителем золота является Южно-Африканская Республика.

5. Неметаллическое сырье — апатит, фосфориты, калийные соли, асбест, сера, графит, алмазы, слюда, плавиковый шпат, строительные материалы.

Естественное скопление полезного ископаемого (минерала или агрегата мине­ралов) в земной коре, разработка которого экономична, называется месторождением полезного ископаемого. Месторождения могут быть коренными и россыпными.

Россыпные месторождения образовались в процессе физического выветри­вания коренных горных пород и химического воздействия на них различных фак­торов. Россыпные месторождения разделяются на элювиальные (залегают на ме­сте разрушения коренных пород), делювиальные (перемещенные на некоторое расстояние от коренного месторождения и в большинстве случаев являющиеся продолжением элювиальных), аллювиальные (перемещенные на значительные расстояния водными потоками), береговые, ледниковые и эоловые (элювиальные россыпи, перенесенные силой ветра).

По добываемому полезному ископаемому различают рудные и нерудные ме­сторождения. Рудой называется естественное минеральное вещество, из которо­го путем соответствующей переработки извлекаются содержащиеся в нем метал­лы и полезные минералы (табл. 2.2).

Раздел 8. Природно-технические системы освоения месторождений полезных ископаемых

8.1. Технические объекты освоения месторождений

Освоение запасов любого месторождения представляет собой создание и экс­плуатацию технической системы по добыче и переработке вещества литосферы, которое всегда сопровождается разрушением как абиоты, так и биоты природных экосистем. В настоящее время в обиход вошло понятие природно-технической си­стемы как единого объекта, состоящего из природной и технической частей, кото­рые взаимосвязаны друг с другом и выполняют единую социально-экономическую функцию. В этой системе добычу полезного ископаемого осуществляет горное предприятие — самостоятельная производственная единица, осуществляющая эксплуатационную разведку, добычу и обогащение полезных ископаемых. Горное предприятие, осуществляющее добычу и первичное обогащение полезных иско­паемых, называется горнодобывающим. Существуют следующие виды горнодо­бывающих предприятий: шахта, рудник, карьер, разрез, прииск, промысел.

Шахта — горное предприятие, предназначенное для добычи в основном угля подземным способом.

Рудник - горное предприятие, служащее в основном для подземной добычи руд горно-химического сырья и строительных материалов. Этим понятием иногда пользуются для обозначения нескольких шахт (карьеров), объединенных в еди­ную административно-хозяйственную единицу с централизованным хозяйством.

Карьер - горное предприятие, осуществляющее добычу полезных ископае­мых открытым способом (рис. 8.1). Разрез — это карьер по добыче угля. При разработке разрезов и карьеров используют оборудование, представленное на рис. 8.2 – 8.12.

Рис. 8.1.Общий вид карьера

Рис. 8.2. Самоходный скрепер МоАЗ-60071

Рис. 8.3. Карьерный погрузчик

Рис. 8.4. Промышленный электровоз

Рис. 8.5. Думпкар

Рис. 8.6. Автосамосвал БелАЗ-75131

Рис. 8.7. Конвейерный отвалообразователь

Рис. 8.8. Станок вращательного бурения типа СБШ

Рис.8.9. Одноковшовый экскаватор с прямой лопатой

Рис.8.10. Одноковшовый экскаватор драглайн

Рис. 8.11. Цепной экскаватор на рельсовом ходу

Рис. 8.12 Роторный экскаватор ЭР-1250

Прииск - горное предприятие по разработке россыпных месторождений (зо­лота, алмазов, олова и др.).

Промысел — горное предприятие по разработке жидких и газообразных по­лезных ископаемых (нефтяной промысел).

Производительность горных предприятий, называемая также производ­ственной мощностью, исчисляется в тоннах полезного ископаемого, добываемо­го в течение года. Производительность горных предприятий устанавливают в за­висимости от величины балансовых запасов полезных ископаемых в шахтных (ка­рьерных) полях и потребности в них. Для рудников и шахт она составляет от десят­ков тысяч до нескольких миллионов тонн; производственная мощность крупных карьеров нередко измеряется десятками миллионов тонн.

Сроки существования горных предприятий выбирают в пределах от 5-7 до 50 лет и более. На крупных шахтных (карьерных) полях сооружают горные предпри­ятия большой производственной мощности с длительным сроком существования.

Все работы при функционировании любого горного предприятия ведутся только в пределах горного отвода.

Горный отвод - часть недр, предоставленная организации или предприя­тию для промышленной разработки содержащихся в ней залежей полезных ис­копаемых Горный отвод не дает право на использование поверхности в его гра­ницах, т.е. площадь горного отвода не отождествляется с площадью земельного отвода, а определяется производственной мощностью и сроком службы горного предприятия. Предоставление и оформление горного отвода осуществляют органы Госгортехнадзора.

Разработкой месторождения называют комплекс работ по вскрытию, подго­товке и очистной выемке. Эти работы являются стадиями разработки месторож­дения. Вскрытие и подготовка осуществляются посредством проведения вырабо­ток. Забои проводимых выработок называют подготовительными. Выемку (добы­чу) полезного ископаемого ведут в очистных забоях, применяя при этом различ­ные способы его разрушения. Это в общем справедливо для твердых полезных ископаемых как при подземных, так и открытых горных работах.

Для строительства наземной части горного предприятия выделяется земель­ный отвод - участок земельной площади, предоставленный в пользование пред­приятию пли организации с определенным целевым назначением. Типовая струк­тура земельного отвода горнодобывающего предприятия включает в себя:

- промплощадку рудника;

- отвалы породи бедных руд;

- внутренние транспортные магистрали;

- промплощадку обогатительной фабрики;

- хвостохранилище;

- территорию под жилой фонд

В состав природной составляющей при создании природно-технической си­стемы входят участки:

- литосферы в пределах горного отвода;

- литосферы с измененными геофизическими свойствами;

- природных экосистем в пределах земельного отвода;

- природных экосистем вокруг земельного отвода, на которые распространя­ется воздействие техногенных факторов горного производства.

Мониторинг природно-технических систем является одной из составляющих мониторинга окружающей среды и составляющих мониторинга промышленной безопасности.

Геологическая среда в инженерной геологии рассматривается как часть литосферы, взаимодействующая (сейчас или потенциально в будущем) с различными инженерно-хозяйственными объектами или инженерными сооружениями, созданными человеком. Под инженерными сооружениями здесь понимаются любые техногенные объекты техносферы, созданные человеком в процессе инженерно-хозяйственной деятельности в пределах геологической среды или на ее поверхности, включая открытые или подземные выемки.

Сами же инженерные сооружения рассматриваются как источники техногенных воздействий той или иной на геологическую среду в целом или на ее отдельные элементы (горные породы, рельеф, подземные воды и др.). При этом источником техногенного воздействия не может служить какая-либо инженерно-хозяйственная деятельность человека сама по себе, например, строительная, сельскохозяйственная и т.п.

Техногенными воздействиями называются различные по своей природе, механизму, длительности и интенсивности влияния, оказываемые человеком на объекты геологической среды в процессе его жизнедеятельности и хозяйственного производства.

А.Л. Ревзон (1992) считает, что «геотехническая система» - совокупность форм взаимодействия инженерных сооружений с геологической средой, частью подсистемы природно-технической системы. Последняя наряду с геотехнической включает в себя подсистемы: тропотехническую, акватехническую, биотехническую и историко-архитектурную.

Г.К. Бондариком было предложено понятие «литотехническая система».

М.А. Шубиным введено понятие «геосистемы (природно-технической системы)», ориентированное на комплексирование геосистемного и программно-целевого подходов.

Понятие «геотехническая система» не следует путать с понятием «геолого-техногенная система», под которой М.С. Голицын и В.Н. Островский понимают часть геологической среды, взаимодействующую с техногенными объектами. Определения геотехнической системы и геолого-техногенной системы подразумевают, что природные и техногенные компоненты взаимодействуют на равных.

По В.К. Епишину (1985), природно-технической системой (ПТС) называется совокупность инженерного сооружения (комплекса инженерных сооружений) с частью геологической среды в зоне его (их) влияния, имеющей операционально фиксированные границы.

В общем виде взаимодействие инженерного сооружения с геологической средой можно представить в виде схем, по В.К. Епишину и В.Т. Трофимову, показанных на рис. 8.13, на которых дано (в раз­резе) простейшее инженерное сооружение с эпюрами напряжений в массиве горных пород («элементарная» ПТС, по М.А. Шубину).

Рис. 8.13 Схема взаимодействия инженерного сооружения с геологической средой (объяснения в тексте)

На рис.8.13,а показана проектируемая ПТС с теоретической эпюрой напряжений в основании сооружения. Она отличается от реальной ПТС (построенного сооружения) тем, что эпюра напряжений в массиве горных пород имеет более сложный (отличный от теоретического) вид (рис.8.13,б), отражающий реальную неоднородность массива и различные его особенности, которые на стадии проектирования не всегда удается заранее оценить. Из этого следует, что уже на стадии проектирования ПТС должны быть выполнены прогнозы взаимодействия (не существующего пока) инженерного сооружения с изученной в процессе инженерно-геологических изысканий геологической средой, с тем, чтобы в конечном итоге добиться максимального соответствия проектируемой и реальной ПТС. При этом понятие «проектирование ПТС» шире по объему, чем понятие «проектирование инженерного сооружения», так как помимо сооружения ПТС включает и часть геологической среды в границах взаимодействия с сооружением.

Действительные качественные и количественные характеристики фактического взаимодействия «сооружения с геологической средой определяются лишь на стадии эксплуатации инженерного сооружения посредством различные процедур контроля функционирования ПТС. Такой контроль обеспечивается системой мониторинга геологической среды в пределах данной ПТС.

Воздействие геологической среды на механическую устойчивость и деформируемость инженерного сооружения может привести к переводу ПТС из стабильного (рис. 8.13,б) в аварийное состояние (рис. 8.13,г). Для исключения этого состояния прогноз корректируется осуществляемым с помощью мониторинга фактическим учетом изменения во времени прочностных и деформационных характеристик пород и оценкой вероятности воздействия на сооружение парагенетического комплекса эндо- и экзогенных геологических процессов, характерных для данного типа инженерно-геологических условий, а также учетом фактических деформаций и изменения механической устойчивости инженерного сооружения. Помимо воздействия, оказываемого геологической средой на сооружение, происходит и обратное воздействие. Оно может проявляться в деформируемости пород основания, их разрушении, увлажнении за счет неконтролируемых утечек воды и т.п., что может вызвать нарушение механической устойчивости сооружения. Это также вызывает необходимость контроля функционирования данной ПТС, обеспечиваемого мониторингом.

Таким образом, структуру ПТС и взаимодействие инженерного сооружения (технической системы) с геологической средой и другими внешними средами более детально можно представить в виде схемы, показанной на рис 8.14.

Как видно из этой схемы, ПТС охватывает некоторое пространство, включающее собственно техническую систему (ТС), а также некоторую часть окружающей и геологической среды в пределах так называемой зоны влияния (ЗВ) или зоны воздействия технической системы на геологическую среду. Рассматривая ПТС с позиций системного анализа, считают, что граница ПТС выбирается так, чтобы ограничить изменение геоло­гической и окружающей среды под воздействием ТС в некотором оптимальном диапазоне по заранее выбранным критериям оптимальности. Эти границы в общей теории систем называются "гомеостатические". Они характеризуют допустимый диапазон изменений характеристик ПТС, внутри которого данная ПТС еще сохраняет механическую устойчивость или «гомеостазис системы» (от греч. homoios - подобный, тот же самый и stasis - состояние, неподвижность), т.е. не переходит в другую систему.

Рис. 8.14. Взаимодействие технической системы с внешними средами: TС техническая система; ПТС - природно-техническая система; ЗВ - зона воздействия (влияния) технической системы на геологическую среду