Шахтная разработка месторождений

ШАХТНАЯ РАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ полезных ископаемых (а. underground mining; н. Untertageabbau; ф. exploitation miniere; и. explotacion de yacimientos par minas) — добыча полезных ископаемых на шахтах.

Истоки зарождения шахтной разработки месторождений восходят к глубокой древности и связаны с добычей кремня. По мере приобретения навыков при отработке выходов залежей этого полезного ископаемого по крутым берегам рек, в оврагах и балках, осуществляемой путём проведения горизонтальных подземных выработок, начался переход к разработке пластов или конкреций кремня в известняках с помощью вертикальных выработок. Первоначально эти выработки представляли собой котлованообразные ямы, а позднее вертикальные стволы (шахты), соединяемые под землёй горизонтальными (наклонными) выработками. Форма подземных выработок, их трассы и протяжённость, как правило, соответствовали конфигурации разрабатываемого рудного тела. Для предотвращения или снижения вероятности обрушения кровли выработок оставлялись целики полезных ископаемых, возводились удерживающие кровлю сооружения из камня, применялись простейшие деревянные крепи. С этой же целью поперечному сечению выработок придавали сводчатую форму. Проветривание при шахтной разработке месторождений в тот период осуществлялось за счёт естественной тяги; предотвращение затопления ливневыми водами древних шахт — сооружением защитных плотин вокруг стволов. Осуществлялся сбор подземных вод в специальных подземных ямах — водосборниках с последующей её выдачей кожаными вёдрами на дневную поверхность. Подземные выработки освещались огнём сжигаемых лучин, хвороста, а позднее масляными светильниками. Спуск и подъём людей осуществлялся по ступеням, вырубаемым в стенах вертикальной выработки или с помощью специально подготовленных брёвен. Подъём полезных ископаемых на поверхность производили в корзинах или кожаных мешках.

В 6 в. до н.э. в результате совершенствования железоделательного производства для шахтной разработки месторождений стали использовать сложные орудия труда. Зарождение естествознания в странах античного мира способствовало дальнейшему развитию этого способа добычи. При шахтной разработке месторождений начинают применять геометрические измерения для ориентирования подземных горных выработок. Появляются первые механические приспособления для подъёма полезных ископаемых и водоотлива из шахт глубиной до 100 м.

В 16-18 вв. происходит становление нового периода в развитии шахтной разработки месторождений, связанного с началом использования в шахтах пороха и с появлением первых горных машин (прототип шахтной подъёмной машины с цилиндрическим барабаном для навивки каната, бура, эрлифта; конный ворот для шахтного подъёма, рудничная вагонетка, примитивный вентилятор, простейшие вентиляционные устройства, маркшейдерские инструменты и т.п.). Расширяется применение водяного колеса в качестве привода шахтных подъёмных машин, а к началу 19 века составной частью конструкции горных машин становится паровой котёл (пароатмосферная водоподъёмная машина, паровой насос, универсальный паровой двигатель Дж. Уатта). В результате широкого использования подобной техники формируется облик крупного подземного горного производства, основополагающие принципы которого практически мало изменились в последующее время.

Шахты 19 века представляли собой упорядоченную систему подземных горных выработок, отличающуюся постоянством сечений выработок, их рациональным размещением в горном массиве, дифференцированностью по функциональной принадлежности.

Достижения научно-технического прогресса 19 — начала 20 вв. вызвали в шахтной разработке месторождений больше количественные, чем качественные изменения. Появление мощных взрывчатых веществ и электропривода горных машин сыграло решающую роль в повышении производительности основных производственных процессов, однако не привело к существенной перестройке пространственной схемы шахты. Вместе с тем разнообразие средств и способов ведения горных работ, воздействия на горные породы приводят к совершенствованию имеющихся и созданию новых систем разработки месторождений полезных ископаемых, позволяющих в максимальной степени использовать возможности горных машин и механизмов.

Во 2-й половине 20 века шахтные разработки месторождений основываются на принципах вначале комплексной механизации и автоматизации отдельных процессов горного производства, а затем их основных совокупностей. Наряду с этим новые возможности высокопроизводительной горной техники начинают сдерживаться излишне громоздкой инфраструктурой подземной части горнодобывающих предприятий. В сложившейся к началу 20 века форме шахтная разработка месторождений перестаёт соответствовать возможностям научно-технического прогресса и социально-экономическим требованиям современности.

Первые попытки принципиальной реконструкции сложившейся инфраструктуры шахтной разработки месторождений были сделаны в гидравлической добыче угля и бесшахтной подготовке подземных газогенераторов для подземной газификации угля. В последней четверти 20 века в CCCP и ряде зарубежных стран всё возрастающее внимание проявляется к методам физического, химического и физико-химического воздействия на полезные ископаемые с целью их извлечения бесшахтным способом через скважины, пробуренные с поверхности.

Исторический путь развития шахтной разработки месторождений может быть представлен последовательно сменяющимися этапами, отличающимися степенью функциональной дифференцированности горных выработок, составляющих производственную инфраструктуру шахты. Первоначальный этап шахтной разработки месторождений характеризовался исключительной её простотой на древних рудниках — с помощью одной горной выработки решались все функциональные цели предприятия (рис., а).

Необходимость увеличения объёмов добычи, обеспечиваемых только вскрывающими выработками, вызвала потребность проведения горизонтальных выработок, существенно увеличивших интенсивность шахтной разработки месторождений.

Дальнейшее дифференцирование горных выработок по их функциональному назначению стало характерной чертой всего последующего периода развития шахтной разработки месторождений, основанного на механическом способе разрушения горных пород. На современном этапе это исключительно связано с особенностью добычных машин и технологий, требующих предварительного оконтуривания намечаемых к выемке запасов полезных ископаемых. Для добычи полезных ископаемых приходится проводить, поддерживать и эксплуатировать вспомогательные горные выработки во всё возрастающем объёме и протяжённости (рис., б).

Необходимость сокращения непроизводительных затрат на развитие подземной инфраструктуры шахты лежит в основе становления качественно нового этапа в развитии шахтной разработки месторождений, который отличает интеграция функций подземных горных выработок, разработка без нарезных выработок (рис., в).

Интенсивность этого процесса связана с созданием специальных технических средств и технологий, позволяющих быстро вовлекать в разработку значительные части месторождений (например, "шахта-лава" и т.п.). Максимальная простота производственной инфраструктуры подземного горнодобывающего предприятия, состоящего только из вскрывающих выработок (стволы, скважины), в перспективе может быть обеспечена при использовании скважинных методов добычи твёрдых полезных ископаемых. Зарождающийся этап в развитии шахтной разработки месторождений является как бы повторением её начального этапа, но с качественно иным техническим и технологическим уровнем реализации идеи шахтной разработки.