1.1. Сущность и основные понятия открытых горных работ

Добыча полезных ископаемых осуществляется двумя спо­собами – открытым и подземным.

Открытый способ разработки применялся издавна, когда извлекались только те полезные ископаемые, которые залегали наиболее близко к земной поверхности. По мере увеличения глубины работ открытый способ становился невыгодным, так как удаление увеличивающегося объема пустых пород посред­ством мускульного труда было слишком дорогим. Поэтому от­крытый способ разработки на длительное время был вытеснен подземным, при котором не требовалась выемка пустых пород. Лишь с конца позапрошлого века в связи с внедрением горных ма­шин открытые работы начали получать распространение, а в последние десятилетия все более интенсивное развитие.

Горные работы, производимые непосредственно с земной поверх­ности в открытых горных выработках (в траншеях или полутраншеях), носят название открытых горных работ. Основной целью открытых горных работ является разработка месторождений по­лезных ископаемых. Способ разработки месторождений полезных ископаемых с применением открытых горных работ называется от­крытым способом. Горное предприятие, осуществляющее добычу полезного ископаемого открытым способом, называется карьером. В практике открытой разработки угольных и россыпных месторож­дении вместо термина «карьер» применяются названия «разрез» и «прииск».

В процессе производства открытых горных работ земная по­верхность месторождения нарушается и образуется выработанное пространство, ограниченное искусственно созданной поверхностью. Это выработанное пространство, представляющее собой совокуп­ность горных выработок, также носит название «карьер». Таким образом, понятие «карьер» может употребляться в хозяйственном и техническом значениях.

При значительных размерах выработан­ного пространства (современные карьеры имеют объем выработан­ного пространства сотни миллионов кубометров и достигают глу­бины нескольких сотен метров) нарушается естественное равно­весие массива горных пород, окружающих карьер. Это может при­вести к деформациям боковой поверхности карьера (оползни и об­рушения), к нарушению нормального ведения горных работ и к авариям. Во избежание таких последствий боковым поверхно­стям карьера придают определенный наклон, обеспечивающий их устойчивость. В связи с этим возникает необходимость выемки значительных объемов покрывающих и вмещающих полезное ис­копаемое горных пород, которые называются вскрышными, или вскрышей.

Годовые объемы вскрыши, перемещаемые в современ­ных карьерах, составляют десятки миллионов кубометров и часто во много раз превышают объемы добываемого полезного ископае­мого. Полезное ископаемое и вскрыша вывозятся из карьера на поверхность. В благоприятных условиях залегания полезного ис­копаемого вскрыша, отделенная от массива, может и не выво­зиться из карьера, а размещаться в его выработанном прост­ранстве.

Разработка массива горных пород (вскрыши и полезного иско­паемого) в границах карьера производится горизонтальными или слабонаклонными слоями. Слои обычно отрабатываются парал­лельно с некоторым отставанием работ в пространстве и во времени на лежащем ниже слое. Таким образом, боковая поверхность карьера приобретает ступенчатую форму.

Часть толщи горных пород в карьере, имеющая рабочую по­верхность в форме ступени и разрабатываемая самостоятель­ными средствами выемки, погрузки и транспорта, называетсяуступом.

Различают рабочие и нерабочие уступы. На ра­бочих уступах производится выемка пустых пород или добыча полезного ископаемого.

Уступ имеет нижнюю и верхнюю площадки, откос и бровки.

Откосом уступа называется наклонная поверхность, ограничивающая уступ со стороны выработанного пространства. Линии пересечения откоса уступа с его верхней и нижней площадками называются, соответственно, верхней и нижней бровками.

Горизонтальные поверхности рабочего уступа, ограничиваю­щие его по высоте, называют верхней и нижней площад­ками. Площадка, на которой расположено оборудование, пред­назначенное для разработки (буровые станки, экскаваторы, транспортные средства), называется рабочей пло­щадкой. Если площадка остается свободной, то ее называют не­рабочей.

Уступ обычно разрабатывают последовательными параллель­ными полосами – заходками. Торец заходки называется забоем, непосредст­венно в котором осуществляется выемка породы или полезного ископаемого, в результате чего забой перемещается и отраба­тывается заходка.

Высота уступа устанавливается с учетом безопасной ра­боты и зависит от размера экскаваторов и физико-технических свойств пород.

При разработке пластов пространство, образую­щееся в карьерном поле после извлечения полезного ископае­мого, называется выработанным. Его, если это технически возможно, необходимо использовать для размеще­ния пород вскрыши или транспортных коммуникаций, по кото­рым вывозится полезное ископаемое или вскрыша.

Насыпь горных пород, удаленных при разработке месторож­дения, называется породным отвалом. Отвалы, распола­гаемые в выработанном пространстве, называются внутрен­ними, а на поверхности вне контура – внешними.

Производство открытых горных работ связано с наруше­ниями земной поверхности и использованием земельных площа­дей. Для того чтобы исключить или существенно снизить от­рицательное воздействие открытых работ на окружающую среду, в процессе разработки и после отработки месторожде­ния производится рекультивация отвалов, выработанного про­странства и других нарушенных участков земной поверхности, а также водоемов.

Преимущества открытых горных работ по сравнению с под­земными состоят в следующем:

1. На карьерах обеспечиваются более высокая безопасность труда и лучшие производственные условия.

2. Производительность труда на карьерах, как правило, в 5 – 8 раз выше, а себестоимость в 2 – 4 раза ниже, чем в шах­тах. При этом на карьерах обеспечиваются более высокие темпы ро­ста производительности труда.

3. Сроки строительства карьеров меньше сроков строитель­ства шахт равной производственной мощности. Удельные капи­тальные затраты на строительство карьеров в 2 – 4 раза меньше, чем на строительство шахт.

4. При открытой разработке меньше потери полезного иско­паемого и легче производить раздельную добычу его различных сортов.

5. При открытой разработке месторождений легче увеличить в случае надобности производственную мощность предприя­тия.

Недостатки открытых разработок:

1. Производство открытых горных работ требует отчужде­ния больших земельных площадей, иногда приводит к пониже­нию уровня грунтовых вод на больших площадях и т.д.

2. Открытые работы зависят от климатических условий, что наиболее сильно проявляется в условиях Заполярья.

Недостатки открытых горных работ в большинстве случаев перекрываются их преимуществами. Поэтому в настоящее время открытый способ разработки месторождений является эффективным, перспективным и быстро развивается. Увеличи­ваются не только объемы открытой разработки, но и удельный вес этого способа в общей добыче полезных ископаемых.

Преобладание открытого способа разработки в развитии горной промышленности наблюдается во всем мире, там, где имеются для этого необходимые геологические условия.

Ограничениями для эффективного применения открытого способа разработки являются:

1. Большая мощность покрывающих пород и значительная глубина месторождения при относительно небольшой мощности залежи, т. е. такие условия залегания, когда объем породы, приходящийся на 1 т добычи полезного ископаемого (коэффи­циент вскрыши), превышает экономически допустимый предел. В настоящее время граничный коэффициент вскрыши состав­ляет 5 – 15 м³/т.

2. Отсутствие в данной местности достаточно свободных зе­мельных площадей для размещения отвалов и другие ограни­чения, вызываемые охраной окружающей среды.

3. Необходимость вложения в короткие сроки очень боль­ших капитальных затрат, размер которых определяется боль­шими размерами современных мощных карьеров.