СПОСОБ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
RECOVERY METHOD OF MINERALS

Открытый способ добычи полезных ископаемых, применяемый при неглубоком залегании ископаемого, включает в себя ведение ступенчатых горизонтальных открытых горных выработок с рыхлением покрывающих пород, осуществляемое буровзрывным методом с ее погрузкой и транспортированием (перемещением) за пределы карьера, рыхление, погрузка и транспортирование полезного ископаемого, погрузка и транспортирование горной массы ранее взрыхленной породы обратно в карьер при восстановлении нарушенной поверхности земли.
Технико-экономические показатели открытой разработки определяются в основном стоимостью и трудоемкостью транспортирования горной массы и ее погрузкой.
Высокая производительность труда на разрезе по сравнению с подземным способом добычи угля обеспечивается большой площадью открытого карьера с применением техники большой единичной мощностью и исключением ручного труда, при этом значительная площадь земли с учетом площади отвала исключена из сельскохозяйственного оборота.
1. Потапов М.Г. Карьерный транспорт. Недра. 1985 г., стр.3.
2. Килячков А.П. Горное дело. Недра. 1989 г., стр.228.
Подземный способ добычи угля, применяемый при более глубоком залегании полезного ископаемого, включает в себя ведение подземных горных выработок - вскрывающих, подготовительных, очистных, которые требуют значительных материальных затрат и трудоемкости из-за необходимости их крепления, работы в стесненных условиях, что исключает применение техники большой единичной мощностью с той же необходимостью транспортирования горной массы из забоев тупиковых горных подготовительных выработок на поверхность или в ранее выработанное пространство и полезного ископаемого из очистных забоев на поверхность с оставлением пустот в недрах земли, крепежного материала, при этом работу осложняет выделяющийся из угля взрывоопасный газ метан, который легче воздуха и может скапливаться в тупиковых, куполообразных или в длинных горизонтальных выработках.
3. Петров А.И. Проходчик горных выработок. Недра. 1991 г.
4. Яцких В.Г. Горные машины и комплексы. Недра. 1984 г.
Известен способ добычи полезных ископаемых (авторское свидетельство SU 1176078 A1, 30.08.1985) - 5, принятый за прототип.
Цель изобретения - снижение себестоимости добытого угля и других полезных ископаемых исключением транспортирования прикрывающих пород при вскрытии полезного ископаемого путем удаления их после отбойки от массива под действием силы тяжести в отвал выработанного пространства без существенного нарушения недр и поверхности земли.
Способ добычи полезных ископаемых, согласно которому располагают ступенчато параллельно ряды одинаковых горизонтальных вскрывающих горных выработок, ограниченных с одной стороны забоем, а с другой - отвалом и расположенных друг над другом с образованием общей соединяющей их полости, представляющей одну наклонную ступенчатую выработку, по которой осуществляют извлечение полезного ископаемого на поверхность из очистных горизонтальных выработок, при этом забой каждой нижерасположенной или каждой вышерасположенной выработки продвигают с отставанием с образованием обратных уступов разрабатываемого монолитного массива, горизонтальная часть которых является кровлей нижележащей выработки, причем забой каждой вышележащей выработки располагают над средней частью нижележащей выработки, при этом используют расположенные параллельно со смещением на двух уровнях добычные устройства, перекрывающие непрерывно попарно своими частями горизонтальные выработки, при этом одним из устройств поддерживают кровлю и осуществляют проходку верхней выработки под обратным уступом массива с опорой на почву нижележащей горизонтальной выработки или на уступ ее отвала с сохранением горизонтального транспортного сообщения с частью другого устройства, расположенного в этой же горизонтальной выработке на одном уровне, при этом каждым устройством проводят выработку, забой которой располагают над и перед уступом, на котором устройство установлено с возможностью транспортирования под действием силы тяжести отбитой горной массы сверху вниз в емкость перед уступом, ограниченным с другой стороны от засыпания третьей нижней выработки нижестоящим устройством через пространство или зазор между уступами.
Суть предлагаемого способа добычи полезных ископаемых состоит в параллельном расположении ступенчатого ряда одинаковых горизонтальных вскрывающих горных выработок, ограниченных с одной стороны забоем, с другой - отвалом и расположенных одна над другой или одна под другой с образованием общей соединяющей их полости, представляющей одну наклонную ступенчатую выработку, по которой осуществляется извлечение полезного ископаемого на поверхность из очистных горизонтальных выработок, при этом забой каждой нижерасположенной выработки продвигается с опережением или забой каждой вышерасположенной выработки продвигается с отставанием с образованием обратных уступов разрабатываемого монолитного массива, горизонтальная часть которых является кровлей выработки, и при этом забой каждой выработки располагается над средней частью нижележащей выработки и над концом последующей нижней выработки, ограниченной уступами горной массой, горизонтальная часть которых является почвой выработки.
Сущность способа состоит в последовательном использовании параллельных рядов со смещением двухуровневых устройств, перекрывающих непрерывно попарно своими частями горизонтальные выработки с разделением их между собой - одному устройству кровля и забой, а второму устройству - почва и отвал одной и той же горизонтальной выработки, или одно и то же устройство поддерживает кровлю и ведет забой верхней выработки под обратным уступом массива с опорой на почву нижележащей горизонтальной выработки или на ее уступ отвала с ее ограничением и с сохранением горизонтального транспортного сообщения между собой из-за нахождения двух частей разных устройств в одной и той же горизонтальной выработке на одном уровне, при этом ведение забоя каждого устройства осуществляется над и перед уступом, на котором он установлен с возможностью транспортировки под действием силы тяжести отбитой горной массы сверху вниз в емкость перед уступом, ограниченной с другой стороны от засыпания третьей нижней выработки нижестоящим устройством через пространство или зазор между устройствами.
Установка ступенчатого ряда по одному устройству в каждой горизонтальной горной выработке с полной опорой на отвал и перекрытием всей площади кровли, когда забой каждой вышерасположенной горизонтальной выработки расположен над концом нижерасположенной горизонтальной выработки, не обеспечивает последовательного транспортного перехода между ними с поверхности до глубины залегания полезного ископаемого отсутствием общей объединяющей их полости и невозможности извлечения и транспортирования через них на поверхность полезного ископаемого, если не использовать дополнительные горные выработки, которые не приведут к снижению себестоимости добычи как при использовании секций механизированной крепи в очистных забоях при подземной добычи угля.
Установка ступенчатого ряда устройств с частичной опорой на уступы отвала и друг на друга с образованием общей соединяющей их полостью через щитовое перекрытие каждого устройства и нахождением каждого устройства в одной горизонтальной выработке увеличивает длину устройств с ослаблением их жесткости прохождением через них транспортных путей извлеченного полезного ископаемого и сбрасывания горной массы в отвал с возможностью их взаимного перемещения с той же необходимостью поддержания кровли горизонтальной выработки с опорой на почву нижележащей выработки, осуществляемое через нижестоящее устройство, тогда как в предлагаемом варианте между кровлей и почвой находится одно короткое, но высокое неослабленное устройство, работающее на сжатие, а не на изгиб с горизонтальными переходами между собой и с возможностью совершать более короткие развороты, чем длинное устройства, является разновидностью одного и того же способа добычи, заявленного ранее, и отличается конструктивно тем, что длинные устройства повернуты в вертикальной плоскости на девяносто градусов с отдельной независимой установкой их между кровлей и почвой двух горизонтальных выработок с достижением одной и той же цели - снижением себестоимости добычи полезного ископаемого.
Вскрывающие горные выработки, проводимые в карьере при открытом способе добычи угля, расположены на уступах вдоль бортов карьера ступенчато, при этом забой каждой нижележащей выработки продвигается с запаздыванием от вышерасположенной, т.к. в противном случае при опережении нижерасположенного забоя и ведении его под разрабатываемом массивом необходимы меры по креплению кровли выработки как при подземном способе добычи угля, которая будет являться почвой верхней выработки, забой которой отстает от забоя нижней выработки и в которой так же необходимо крепить кровлю, которая в свою очередь будет являться почвой следующей верхней выработки, забой которой продвигается с запаздыванием с повторением этой последовательности от глубины залегания полезного ископаемого до поверхности с нагромождением крепей горных выработок друг на друге, что технически и материально невыполнимо, поэтому забой нижней выработки проводится с запаздыванием относительно забоя верхней выработки или разработка месторождения ведется сверху вниз с опорой погрузочных устройств (экскаваторов) на горизонтальный уступ массива и транспортировкой по нему отбитой горной массы за пределы карьера, тогда как в предлагаемом способе устройства, ведущие забои с опережением относительно верхнего, расположены на уступах отвала горной массы аналогично самосвалам, осуществляющим транспортировку горной массы по уступам отвала без нагромождения и взаимного по нарастающей вниз увеличения массы.
При подземной разработке месторождения очистные горные выработки так же ведутся с опережением верхней выработки или с отставанием нижней на уступах разрабатываемого массива полезного ископаемого, при этом глубина и объем выработанного пространства ограничен из-за давления обрушенных пород на крепи с необходимостью оставления целиков и перехода разработки на более низкий горизонт под ним. Ведение очистного забоя с отставанием верхнего с опорой на уступы горной массы затруднено отсутствием ее в том объеме, который необходим для наращивания длины ступеней для продвижения устройств за забоем, транспортировка ее из других подготовительных выработок не совпадает по времени, трудоемка, тогда как в предлагаемом варианте поступление горной массы с поверхности осуществимо в любом регулируемом количестве вниз по уступам отвала, забоя, между устройствами и через них.
Устройства осуществления предлагаемого способа добычи угля обладают рядом свойств, известных раздельно и применяемых при подземной разработке месторождения, а именно с возможностью полной опоры на уступ отвала с полным поддержанием кровли выработки, взаимным перемещением с сохранением транспортного сообщения между собой обладает горизонтальный ряд секций механизированных крепей и отличие состоит в развороте всего ряда секций в вертикальный ряд и их смещении по уступам отвала, при этом горизонтальное транспортное сообщение сохраняется между ними при использовании двухэтажных крепей, по конструкции аналогичных многоэтажным подвесным проходческим полкам, используемых при проходе вертикальных горных выработках, где вместо круглого используется прямоугольное сечение, и ведущих разноуровневый забой и отвал с межэтажных перекрытий противоположными сторонами с расположенными разноуровневыми горизонтальными переходными отверстиями с вертикальным сообщением их между собой внутри устройства.
С повышением глубины залегания полезного ископаемого его себестоимость растет за счет увеличения количества устройств и их забоев при их подвижке, т.е. от объема буровзрывных работ, увеличивающихся линейно возможностью перемещения отбитой горной массы от массива под действием собственного веса без затрат в емкость отработанного пространства за нижестоящими устройствами на любой глубине, нахождением любого забоя над ступенями отвала, тогда как при открытом способе с повышением глубины разработки себестоимость растет за счет повышения объема вскрывающих пород из-за наклонных бортов карьера, над которыми также необходимо произвести буровзрывные работы, но основные затраты ложатся на транспортирование горной массы с большей глубины разработки на большую высоту отвала, находящегося за пределами большего карьера, тогда как в предложенном варианте возможно сокращение объема буровзрывных работ расширением зоны их действия к низу, где находится полезное ископаемое, возможностью ступенчатого смещения устройств относительно друг друга как вперед по направлению продвижения забоя, так и в стороны с расширением площади забоя, а так же с возможностью разворота устройств и продвижения очистных забоев по выгодной траектории.
Полезное ископаемое залегает под обширной земной поверхностью с разделением по участкам отработки на шахтовые или карьерные поля, и при их отработке возвратно-поступательным перемещением по ним ступенчатых устройств с одной стороны образуется наклонный столб разрыхленной породы на глубину залегания с боковым давлением на устройства, повышающимся с глубиной с меньшей интенсивностью, чем при его вертикальном положении за счет перераспределения давления, получаемого несовпадением длины с направлением силы тяжести.
Боковое давление значительно ниже давления полного веса горной массы, которое действует на подземные горные выработки и при необходимости оставления перегородок из цельного монолитного массива оно будет значительно меньше, чем горизонтальные целики, оставляемые в шахтах, при этом в данном случае не остаются пустоты выработанного пространства, что в сочетании с небольшими размерами общей наклонной выработки с ее постоянным перемещением по разрабатываемому полю позволит снизить и уравновесить горное давление на устройства с отработкой всего объема отведенного поля без оставления целиков, которые и в случае их оставления отрабатываются тем же методом с поверхности по истечении определенного времени, и при отработке бывшего шахтного поля предлагаемый способ способен проходить оставленные целики и пустоты с возможностью поступления горной массы под опорные уступы с поверхности с полным извлечением полезного ископаемого и восстановлением недр земли.
Дальнейшая сущность поясняется на графических примерах, где на фиг.1 изображен общий вид устройств, фиг.2, 3, 4, 5, 6 - сечения устройств.
Устройства 1 находятся в наклонной горной выработке между отвалом горной массы 2 и разрабатываемого горного массива 3 на глубине залегания полезного ископаемого 4 и установлены на горизонтальных уступах 5 горной массы 2 с образованием емкостей 6 по линии откоса отвала и торцовой части устройств 1.
Устройство 1 состоит из основания 7 с передвижным механизмом 8, щитового перекрытия 9 и межэтажного среднего перекрытия 10 между ними, соединенных между собой вертикальными стойками 11, усиленных перегородками 12 с образованием двухуровневых рабочих зон верхнего и нижнего этажа 13 и 14, сообщающихся между собой с помощью лебедки 15 или другим грузоподъемным механизмом, закрепленным на щитовом перекрытии 9 над центральным отверстием 16 межэтажного среднего перекрытия 10, и отделенных от призабойного участка 17, расположенного на одной из сторон верхнего этажа 13 между щитовым перекрытием 9 и средним перекрытием 10 с бурильной установкой 18 для ведения забоя 19 под уступом массива 3 и боковых подъездных проходов 20 к нему с боковыми оградительными перегородками 21 и призабойными щитами 22, заканчивающимися в противоположной стороне от призабойного участка 17 транспортным проемом 23 верхнего этажа 13. Сторона нижнего этажа 14 под транспортным проемом 23 верхнего этажа 13 перекрыта ограждающим щитом 24, противоположная сторона служит транспортным проемом 25 нижнего этажа 14. Боковые наружные поверхности устройств 1 имеют наклонные поворотные щитки 26, на основании 7 и среднем перекрытии 10 в зоне транспортных проемов 23 и 25 установлены соединительные выдвижные рельсы 27 или другое телескопическое соединение, соединяющие основные пути 28 устройств 1 с возможностью их движения между собой, торцовые поверхности основания 7, среднего и щитового перекрытия 10 и 9 в зоне забоя 19 имеют направляющие щитки 29 и необходимые проемы 30 для предотвращения засыпания транспортного коридора между устройствами 1. Нижнее устройство 1 выполнено на базе проходческого комбайна 31 и имеет погрузочное устройство 32.
Комплекс устройств 1 установлен с частичным торцовым перекрытием друг друга в ступенчато-наклонной горной выработке с размещением каждой на своем уступе 5 горной массы 2 первоначального массива 6 так, чтобы транспортный проем 25 нижнего этажа 14 соединялся с транспортным проемом 23 верхнего этажа 13, забой 19 верхнего этажа 13 располагался над стыком устройств 1 с повторяющейся последовательностью на глубину залегания полезного ископаемого 4 и оснащен технологической оснасткой - вагонетками 33 или другими транспортными емкостями, вентиляцией, водоотливом, электрическими кабелями и др. Добыча полезного ископаемого 4 производится нижним устройством 1 с помощью комбайна 31, погрузочное устройство 32 которого загружает вагонетки 33 или другие емкости, которые лебедкой 15 перемещаются с нижнего этажа 14 на верхний 13, оттуда через транспортный проем 23 горизонтально через зазор по выдвижным рельсам 27 при необходимости в транспортный проем 25 нижнего этажа 14 следующего устройства 1, стоящего на вышерасположенном уступе 5 горной массы 2 с последующим повторением циклов подъема грузоподъемными механизмами 15 на верхний этаж 13, горизонтальный переход через транспортные проемы 23 и 25 соответствующих сторон устройств 1 и выдачи полезного ископаемого 4 на поверхность земли с использованием двухстороннего движения разделением перегородкой 12 для спуска пустых вагонеток 33 для повышения производительности.
Одновременно с ведением забоя 19 в нижнем этаже 14 комбайном 31 ведется забой 19 в верхнем втором этаже 13 известными механизмами отбойки угля или породы в зависимости от мощности пласта с отправкой их вагонетками 33 на поверхность или в отвал, предварительно образованной в емкости 6 за оградительным щитом 24 нижнего этажа 14 перед уступом через зазор или специальные проемы 30, при этом расстояние транспортировки несоизмеримо меньше и находится в пределах размеров устройства 1 в сравнении с транспортировкой горной массы 2 на поверхность и за пределы карьера как при открытом способе добычи угля.
После подвигания обоих забоев 19 комбайн 31 продвигает устройство 1 вслед за забоями 19 с продвижением за ним оградительного щита 24 и освобождением пространства или емкости 6 за ним перед верхним уступом 5, на котором стоит следующее устройство 1, и осуществляет дальнейшую непрерывную пошаговую выемку полезного ископаемого 4 с одновременным ведением верхнего забоя 19.
Вышестоящее на уступе 5 двухэтажное устройство 1 осуществляет прием груженых вагонеток 33 и выдачу пустых в верхний 13 этаж нижнего устройства 1 и ведет забой 19 с отставанием от забоя 19 нижнего устройства 1 на границе их стыка по площади вертикального сечения верхнего этажа 13 любым известным способом, например буровзрывным, с шагом отбойки, равным размеру выдвижных элементов 27 между устройствами 1 частями или циклично по всей плоскости забоя 19 сразу с транспортировкой отбитой горной массы 2 через зазор между устройствами 1, направляющие щитки 29 которых направляют поток отбитой горной массы 2 по сторонам мимо транспортного коридора вагонеток 33 в освободившуюся емкость 6 за оградительным щитом 24 нижнего устройства 1 перед своим уступом 5, после заполнения которого происходит перемещение по нему устройства 1 вслед за продвинутым забоем 19 и нижнего уже продвинутого устройства 1, при этом осуществляется так же смещение своего оградительного щита 24 нижнего этажа 14 с освобождением емкости 6 перед очередным верхним уступом 5, который будет заполнятся и удлинять уступ 5 от вертикально расположенного от него забоя 19 верхнего этажа 13 следующего устройства 1 самотеком отбитой от массива 3 горной массы 2 через зазор между устройствами 1 с последующим передвижением по нему вслед за своим забоем 19 с одновременной транзитной транспортировкой полезного ископаемого 4 и т.д. до самого верхнего, при этом продвижение каждого устройства 1 вперед осуществляется после продвижения нижестоящего по мере освобождения емкости 6 перед своим уступом 5 без ожидания окончания цикла всеми вышестоящими устройствами 1, чем обеспечивается высокая производительность, зависящая только от скорости ведения буровзрывных работ.
Угольные пласты имеют различную мощность и различный наклон или кривизну залегания, и при необходимости с образованием значительного пустого пространства от извлеченного полезного ископаемого 4 несколькими устройствами 1 дополнительное количество горной массы 2 без затрат самотеком под действием силы тяжести может поступать с поверхности через зазоры между устройствами 1 и разрабатываемым уступом массива 3 или через забои 19 и специальные перекрываемые отверстия в щитовом перекрытии 9 и лотки, а так же через отвал применением шарнирных оградительных щитов, применяемых в механизированных крепях.
Себестоимость добытого полезного ископаемого 4 данным способом складывается из стоимости устройств 1, количество и цена которых соразмерна количеству и цене карьерных самосвалов, расходу энергии для доставки полезного ископаемого 4 на поверхность, на что расходуется и энергия при открытом способе, ведение буровзрывных работ, проводимых в открытом карьере более производительно, но в том же объеме или большем за счет наклонных бортов, что примерно одинаково по цене.
В отличие от открытого способа добычи в предлагаемом варианте необходима принудительная вентиляция выработок, трубопроводы которой входят в цену комплекта устройств 1 как аналоги самосвалов и косвенно влияют на себестоимость угля как влияют условия труда в стесненных условиях, вероятность взрыва пыли и газа, которая намного меньше, чем в шахтовых условиях практически наличием одной наклонной горной выработки, возможностью обвала уступа разрабатываемого массива 3, которая меньше той вероятности, которая присутствует при проведении длинных подземных горных выработок постоянным поступательным передвижением с постоянным снятием горного давления и т.д., которая снимается возможностью автоматизации протекающих процессов из-за их цикличности и протекания их в зоне действия одного устройства 1, как автоматизируются различные машины и устройства в различных областях техники в отличие от трудновыполнимых попыток автоматизировать движение транспорта, его погрузку из-за большой протяженности и часто меняющихся характеристик дороги.
В себестоимость добытого полезного ископаемого 4 открытым способом входит так же погрузка горной массы 2 экскаватором в самосвалы, эксплуатационные расходы по транспортировке этой массы 3 в отвал за пределы разрабатываемого месторождения, а так же после извлечения полезного ископаемого 4 погрузка горной массы 2 экскаваторами в самосвалы и обратная транспортировка ее в выработанное пространство, которая может и не проводится в виду высокой стоимости, тогда как в предлагаемом случае нет никаких транспортных затрат с автоматической рекультивацией передвинутой породы, при этом сохраняется слойность породы со смещением вниз без серьезного нарушения ее водопроницаемости и структуры.
Производительность труда складывается и зависит вместе с интенсивностью извлечения полезного ископаемого 4 от скорости продвижения устройств по закрывающим полезное ископаемое 4 породам 3, при этом буровые работы, укладка зарядов в пробуренные отверстия и их забойка могут вестись во всех забоях 19 одновременно, а взрывание, с которым совмещено перемещение отбитой породы 3 в отвал, происходит мгновенно и только после перемещения нижнего устройства 1 с освобождением необходимой емкости 6 внизу.
Если использовать конкретные данные по подземной проходке горных выработок буровзрывным методом (Петров А.И. Проходчик горных выработок. Недра. 1991 г., стр.591) в предлагаемом варианте добычи угля и сравнить ее с производительностью, достигаемой при добычи угля открытым способом, то результаты не только соизмеримы, но и более высокие, а именно:
бурение 80-90 шпуров на глубину подвигания забоя 2,25 метров с площадью забоя 26 м, объемом 58,5 м составила по времени 2 час 40 мин, заряжение и взрывание за 1,5 ч. БелАЗ 7519 грузоподъемностью 110 тонн с соизмеримым объемом кузова 44 м и другие (Потапов М.Г. Карьерный транспорт. Недра. 1985 г., стр.150) в среднем совершает рейс за 20 мин (по опыту), и для вскрытия полезного ископаемого, находящегося на глубине 100 м, для сравнения вертикального столба того же приблизительного объема шириной 2,25 м, длиной 8 м и высотой 3 м ему необходимо совершить приблизительно 40 рейсов, которые займут 13 часов непрерывной работы одной машиной или 4 часа - тремя машинами в сравнении с почти одновременным движением всех ступенчато установленных устройств после проведенных одних буровзрывных работ, производимых так же за 4 часа приблизительно.
Та же производительность при применении предлагаемого способа устройствами, ступенчато установленными на уступах отвала с ведением забоя под уступами разрабатываемого массива, остается и при залегании полезного ископаемого на глубине и 200 метров, и 1000 метров с сохранением той же последовательности запаздывания взрывания после перемещения нижнего устройства, тогда как производительность открытого способа с увеличением глубины падает, при этом максимальная глубина карьеров ограничивается 100-200 метрами из-за повышенных транспортных расходов.