Вскрытие месторождения

ВСКРЫТИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ (а. deposit opening, deposit stripping; н. Aufschluß des Lagers; ф. deсоupage du gisement; и. destape de yacimiento) — проведение горных выработок (траншей, шахтных стволов, буровых скважин и др.), открывающих доступ с поверхности к залежам полезных ископаемых в недрах. В зависимости от принимаемого способа разработки различают карьерное, шахтное и скважинное вскрытие месторождения.

Карьерное вскрытие месторождения осуществляется с помощью капитальных траншей и полутраншей (наклонных и крутых) и разрезных траншей (горизонтальных), реже подземными горными выработками (рудоспусками, штольнями, стволами и наклонными тоннелями). В отдельных случаях производят бестраншейное вскрытие месторождения (с помощью башенных экскаваторов и кабельных кранов, а также землесосных снарядов). Траншеи используются для вскрытия месторождений в равнинной местности, полутраншеи — в холмистой. В зависимости от расположения вскрывающей выработки относительно контура карьерного поля, числа обслуживаемых горизонтов, назначения и стационарности вскрытие производят капитальными траншеями (полутраншеями) внешнего или внутреннего заложения, отдельными, групповыми или общими, одинарными или парными, стационарными или скользящими.

Вскрытие месторождения внешними траншеями (рис. 1, а) и полутраншеями, располагаемыми за контуром карьерного поля, ограничивается двумя-тремя горизонтами, т.к. объём горно-строительных работ по их проведению добавляется к объёму горных работ, выполняемых внутри карьерного поля. Работы по проведению внутренних траншей (рис. 1, б), которые располагаются внутри карьерного поля, составляют часть общего объёма горных работ; затраты на горно-строительные работы сокращаются. Однако их использование усложняет трассу, ведёт к некоторому увеличению расходов на транспортирование горной массы в процессе эксплуатации карьера.

Вскрытие месторождения отдельными траншеями, когда каждый уступ вскрывается независимой траншеей, применяется при большой производственной мощности карьера, как правило, на горизонтальных и пологих залежах полезных ископаемых. Такое вскрытие упрощает транспортные подступы, рассредоточивает грузопотоки и способствует уменьшению расходов на транспортирование горной породы. Недостаток этого способа вскрытия месторождения — значительный объём горнокапитальных работ. При вскрытии месторождения общими траншеями (рис. 1, в) или полутраншеями грузотранспортная связь всех забоев с пунктами приёма горной массы на поверхности осуществляется через одну траншею. Основное достоинство этого вида вскрытия месторождения — относительно небольшой объём работы по проведению вскрывающей выработки (по сравнению с вскрытием месторождения отдельными траншеями), особенно при большой глубине вскрываемой зоны и значительном числе вскрываемых горизонтов; недостаток — усложнение схемы транспортных коммуникаций и связанное с этим увеличение эксплуатационных расходов на транспорт.

Вскрытие месторождения групповыми траншеями (рис. 1, г) производится при необходимости разделения грузопотоков. В этом случае каждая траншея обслуживает группу горизонтов. Вскрытие месторождения этим способом наиболее эффективно при наличии различных по природным свойствам зон карьерного поля; по достоинствам и недостаткам занимает промежуточное место между вскрытием месторождения отдельными и общими траншеями. При вскрытии месторождения парными траншеями (рис. 1, д) для создания поточного движения транспорта один, группа или все уступы вскрывают двумя (в отличие от вскрытия месторождения одинарными траншеями, в которых движение транспорта осуществляется в обоих направлениях) траншеями внешнего или внутреннего заложения. При этом порожний и гружёный транспорт разделяются по направлениям, производится его поточная подача под погрузку.

К стационарным относят траншеи, располагаемые за контуром или на нерабочем борту карьера. Скользящие траншеи, часто применяемые при вскрытии месторождения крутых залежей, располагаются в рабочей зоне карьера и по мере развития горных работ перемещаются в сторону предельного контура карьера. Здесь они, при отработке соответствующего горизонта, переходят в продолжение стационарной траншеи. Вскрытие горизонтов скользящими траншеями наиболее распространено при автомобильном транспорте; осуществляется с минимальными затратами времени.

В зависимости от конфигурации карьерного поля в плане, его глубины, производственной мощности и вида используемого транспорта трасса, вскрывающая карьерное поле горных выработок, может быть простой (на борту карьера не меняет своего направления) и сложной — тупиковой (перемена направления движения транспорта осуществляется на тупиковых площадках), петлевой (изменение направления движения в основном автомобильного транспорта осуществляется путём петлевых разворотов на площадках), спиральной (проходит по всем бортам карьера в виде спирали, огибающей контур залежи) или комбинированной (сочетание спиральной трассы с тупиковой или петлевой). Трасса вскрывающих выработок в профиле состоит из наклонных участков, соединяющих горизонты; пунктов примыкания рабочих горизонтов к трассе; сопрягающих кривых. В плане элементы трассы — закругления, тупики, станции и разминовки. Уклон наклонных участков трассы определяется параметрами используемого транспорта, необходимой пропускной способностью траншеи, режимом и организацией движения транспортных единиц и др.

Примыкание рабочих горизонтов к трассе вскрывающей выработки осуществляется на горизонтальных, а также с руководящим или смягчённым (меньше руководящего) подъёмами площадках. Пунктами примыкания вся трасса обычно разбивается на перегоны. Параметры (количество путей или полос движения, уклон, конструкция основания) наиболее грузонапряжённого перегона (т.н. ограничивающего) принимаются за исходные для определения параметров капитальной траншеи.

Крутыми траншеями (рис. 1, е), располагаемыми на постоянно или временно нерабочем борту, осуществляется вскрытие глубоких горизонтов карьерных полей при комбинированном транспорте. Глубина заложения траншей определяется местом расположения перегрузочного пункта с забойного транспорта на подъёмный.

Крутые траншеи (рудоскаты) применяют также для вскрытия месторождения с косогорным рельефом поверхности (рис. 2).

В этом случае траншеи располагаются вне карьерного поля и предназначаются для спуска (гравитационное транспортирование) горной массы. Трасса рудоската с учётом допустимого угла наклона основания выбирается из условия минимального расстояния между карьером и пунктом приёма груза. При небольших уклонах и малой мощности грузопотока в нижней части рудоската устраивается аккумулирующий бункер, при значительных уклонах и большой мощности грузопотока — аккумулирующие площадки.

Разрезные траншеи и полутраншеи при вскрытии месторождения проводятся с целью подготовки горизонта к эксплуатации. В общем случае место заложения разрезной траншеи определяется на основе анализа режима горных работ. На горизонтальных пластообразных залежах разрезные траншеи проходят с учётом направления развития и скорости подвигания фронта работ. На пологих и пластообразных залежах их располагают со стороны лежачего бока залежи у границ выхода пласта под наносы; при вскрытии наклонных и крутых пластообразных залежей малой и средней мощности — по контакту пласта со стороны висячего, а на мощных — по полезные ископаемые у контакта лежачего бока залежи.

Взаимная увязка мест заложений разрезных и капитальных, траншей при вскрытии месторождения производится с учётом специфики, присущей каждой из этих выработок. Горизонтальные месторождения при параллельном подвигании фронта работ, большой длине разрезной траншеи и размещении пород вскрыши в выработанном пространстве часто вскрывают внешними парными капитальными траншеями; в тех же условиях при коротком фронте работ (для уменьшения затрат на горнокапитальные работы) — внешней общей капитальной траншеей для колёсного транспорта и внутренней — для конвейерного. При этом для упрощения конфигурации трассы в плане внешней траншеи по возможности стремятся расположить под прямым углом к разрезной траншее. Аналогично вскрываются пологие залежи. При значительной длине карьерного поля для транспортирования полезных ископаемых осуществляют центральное заложение капитальной траншеи, вскрышных пород — фланговое. При веерном подвигании фронта работ (перевозка вскрышных пород в выработанное пространство железнодорожным транспортом) вскрытие месторождения производят внешней капитальной траншеей с виадуком для транспорта вскрыши. Вскрытие наклонных и крутых пластообразных месторождений обычно осуществляется системой внешних капитальных и внутренних траншей. Рудные крутые залежи вскрывают, как правило, внутренними траншеями, учитывая эффективность отработки месторождения этапами по глубине. В этом случае срок службы капитальных траншей ограничивается временем отработки каждого этапа. Место расположения разрезных траншей при вскрытии рудных месторождений определяется положением трассы в контурах, соответствующих данному этапу разработки. При спиральной трассе (используется наиболее часто) разрезная траншея на каждом горизонте располагается по предельному контуру с веерным развитием фронта работ на каждом вскрываемом горизонте вокруг места примыкания внутренней капитальной траншеи к разрезной.

На характер карьерного вскрытия месторождения значительное влияние оказывает применение средств вскрытия месторождения при гидромеханизации. В этом случае проводят горные выработки, не только открывающие доступ к залежам полезных ископаемых, но и создающие акваторию для работы плавучих земснарядов или обеспечивающие использование землесосного оборудования. В зависимости от вида вскрывающих выработок при применении плавучих земснарядов различают вскрытие месторождения: пионерным котлованом, траншеей-каналом, заводнением поверхности месторождения, бестраншейным способом. При вскрытии месторождения пионерным котлованом (наиболее распространённый способ вскрытия месторождений) выработка проходится в основном в виде сектора в пределах карьерного поля и после отрывки заполняется грунтовыми водами. Глубина первоначального котлована относительно уровня грунтовых вод принимается в зависимости от водопроизводительности землесосного снаряда. Объём котлована обычно несколько тысяч м³. Вскрытие месторождения траншеей-каналом, проводимой в контур месторождения, осуществляется, как правило, при расположении водоисточника (реки, озера) вблизи месторождения (рис. 3).

Ширина выработки по дну на 10 м превышает 1/5 длины снаряда, а высота уровня воды в канале — на 0,6-1 м величину осадки земснаряда. При вскрытии месторождения заводнением поверхности месторождения, которое осуществляется при расположении её выше уровня вод в водоисточнике, подъём воды производят плотинами, другими специальными сооружениями, насосами. В последнем случае предварительно обваловывают заполняемое водой пространство специальными дамбами. Размеры этого участка должны обеспечить нормальные условия папильонирования землесосным снарядом с углом поворота не менее 60°, а также размещение не менее трёх звеньев плавучего пульпопровода.

Бестраншейное вскрытие месторождения применяется при разработке месторождений, находящихся в пределах акватории водоисточника (например, в русле реки). В зависимости от количества вскрываемых горизонтов вскрытие месторождения возможно отдельными, групповыми и общими котлованами, траншеями-каналами. Эти вскрывающие выработки могут быть внутреннего и внешнего заложения. Вскрытие одного горизонта может производиться несколькими котлованами, в каждом из которых работает землесосный снаряд. При бестраншейном вскрытии месторождения и самотёчном транспортировании пульпы проводят только пульпоприёмные канавы, которые в дальнейшем переходят в лотки. Подземные выработки, где располагается гидротранспортное оборудование, применяются для вскрытия нагорных и глубокозалегающих месторождений.

При шахтном вскрытии месторождения различают вскрытие вертикальными (рис. 4) и наклонными (рис. 5) шахтными стволами.

Осуществляют также вскрытие месторождения комбинированным способом (рис. 6), при котором в пределах одного шахтного поля применяются совместно выработки того и другого типа.

При сложном рельефе поверхности в горах или на сильно пересечённой местности, как правило, осуществляют вскрытие месторождения штольнями (рис. 7) или применяют комбинированный способ (штольни в сочетании с вертикальными или наклонными стволами).

Наиболее универсальный и распространённый способ вскрытия месторождения — вертикальными стволами, которые могут пересекать горные породы и пласты (залежи) полезных ископаемых или находиться в их почве (лежачем боку). Наклонные стволы обычно проходят (см. горно-капитальные работы) по пласту, реже во вмещающих породах; штольни — как по пласту, так и по породе лежачего или висячего бока, по простиранию или вкрест простирания пласта (рудного тела). Стволы сооружают сразу на полную глубину или до определённого горизонта с последующей углубкой (см. горнопроходческие работы). В связи с этим различают вскрытие месторождения с одним или несколькими транспортными горизонтами. При вскрытии месторождения наклонными стволами практически возможны только многогоризонтные способы, а при штольнях — одногоризонтные и комбинированные.

Главный ствол для выдачи из шахты полезных ископаемых располагают так, чтобы он делил шахтное поле как по падению, так и по простиранию примерно на две равные части. Вспомогательные вертикальные стволы (один или несколько), сооружаемые для создания не менее двух отдельных выходов на поверхность, выдачи породы, спуска (подъёма) людей, материалов и т.п., по отношению к главному стволу могут иметь центральное, центрально-отнесённое, фланговое, комбинированное и секционное расположение. В первом случае он располагается рядом с главным стволом. При центрально-отнесённом расположении его проходят у верхний границы шахтного поля, при фланговом — также у верхней границы на флангах; при комбинированном — кроме двух (реже трёх) стволов, в центре шахтного поля, в каждой панели (группе панелей) сооружают дополнительные вентиляционные стволы или шурфы у верхней границы поля.

При секционной схеме главные и вспомогательные стволы находятся в центре одного из блоков шахтного поля, в других блоках сооружают свои вентиляционные центральные или центрально-отнесённые стволы, позволяющие обеспечить прямоточное проветривание подземных горных выработок. Центральные стволы выполняют все транспортные функции и служат для подачи свежего воздуха в шахту (кроме ствола со скиповым подъёмом для выдачи полезных ископаемых на угольных шахтах). Вентиляционные стволы используют для отвода исходящей струи воздуха из шахты и др. На месторождениях, представленных свитой пластов или совместно залегающих рудных тел, вскрытие месторождения осуществляют самостоятельно по отношению к отдельным из них капитальным выработкам или их комплексом различного типа. В последнем случае вскрытие месторождения производится вертикальными стволами и капитальными, этажными и погоризонтными квершлагами, штольнями и вертикальными стволами и т.п.

Одногоризонтная схема вскрытия свиты пологих пластов вертикальными стволами и капитальным квершлагом применяется при угле падения пластов 8-18° и размерах шахтного поля по падению не более 2,5 км. Её отличают относительно большой объём наклонных капитальных выработок, снижающий эффективность производства из-за использования малопроизводительной канатной откатки, а также значительной утечки воздуха, возникающие при движении его по наклонным выработкам в противоположных направлениях.

Многогоризонтное вскрытие пологих пластов вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами производится при углах падения пластов 8-18° и размерах шахтного поля по падению от 2,5 до 4 км и более. Схема требует последовательной углубки стволов и проходки нескольких параллельных квершлагов (на одном или нескольких горизонтах). Если верхняя граница шахтного поля находится сравнительно близко от земной поверхности, для проветривания выработок в каждой панели первого горизонта проходят шурфы или сооружают один фланговый ствол у границ смежных панелей и вентиляционный квершлаг.

При разделении шахтного поля на блоки вскрытие месторождения свит газоносных пластов производится двумя или тремя стволами в средней части центрального блока, от которых в обе стороны проводят один или два полевых откаточных штрека, соединяемых, в свою очередь, между собой квершлагами, сооружаемыми в каждом блоке. В непосредственной близости от блоковых квершлагов проходят воздухоподающий блоковый ствол, а у верхний границы блока (в средней его части или на флангах) — воздуховыдающие. Такой способ вскрытия месторождения обеспечивает обособленное проветривание выработок блоков, создаёт в их пределах условия для концентрации грузопотоков и полной конвейеризации транспорта. По блоковым квершлагам и главному штреку полезные ископаемые доставляются к стволам в большегрузных вагонетках электровозами тяжёлого типа.

Весьма пологие и горизонтальные пласты вскрывают вертикальными стволами с одновременной проходкой квершлагов, наклонных гезенков и уклонов по породе и с разделением шахтного поля на блоки; крутые пласты — вертикальными стволами с этажными квершлагами. Транспортирование полезных ископаемых при данном способе вскрытие месторождения осуществляют в вагонетках по горизонтальным выработкам от очистных забоев до бункеров у ствола и затем скиповым подъёмом на поверхность. Горные выработки при этом проветривают, как правило, по центральной возвратноточной схеме, реже — по диагональной с использованием фланговых вентиляционных стволов.

На действующих шахтах вскрытие новых горизонтов производится путём проходки (углубки) стволов, уклонов, квершлагов, гезенков, выработок околоствольных дворов. При этом по типу выработки, используемой для выдачи породы нового горизонта, и по числу одновременно вскрываемых горизонтов выделяются три основные группы вскрытия: уклонами, углубкой ранее пройденных (рис. 8) или проходкой новых стволов до подготавливаемого горизонта или на этаж ниже его, сдвоенными этажами.

Вскрытие крутопадающих рудных тел в ряде случаев осуществляют вертикальными стволами с концентрационными горизонтами. По этой схеме на 2-4 этажа сооружают один основной, концентрационный горизонт и 1-3 промежуточных (рис. 9).

На концентрационном горизонте сооружается весь комплекс выработок околоствольного двора с дробильной установкой и квершлагами, а на промежуточных горизонтах — только вспомогательные квершлаги для подачи воздуха, доставки людей и материалов. Руда по квершлагам промежуточного горизонта доставляется только до капитального рудоспуска, пройденного на концентрационный горизонт в районе рудного тела.

На больших глубинах рудные залежи вскрывают по двухступенчатой схеме, при которой вертикальные стволы проходят до глубины 1500-1800 м, ниже сооружают слепые вертикальные или наклонные стволы (рис. 10).

Вскрытие нескольких изолированных рудных тел на относительно небольшом по площади участке осуществляют совместно по групповой схеме, при которой на единый концентрационный горизонт перепускают полезные ископаемые с вышележащих этажей отдельных рудных тел и доставляют его к общему рудоподъёмному стволу. В гористой местности часто вскрытие рудных тел производят траншеями в нагорной части, отрабатываемой затем карьером, а также штольнями, стволами и капитальными рудоспусками при подземной разработке. Рудное тело ниже штольневого горизонта вскрывают слепыми стволами. Штольневой горизонт — основной транспортный; вспомогательные стволы проходят для вентиляции, спуска-подъёма людей и грузов.

Основная особенность вскрытия месторождения при подземной гидродобыче заключается в значительном сокращении объёма вскрывающих (и подготовительных) выработок, т.к. применение гидротранспорта и гидроподъёма накладывает ограничения на сечение выработок только по нормам вентиляции. Шахтные поля гидрошахт вскрывают наклонными стволами, пройденными по угольным пластам (как правило, неглубокие горизонты); вертикальными стволами с квершлагами и без них, совместно наклонными и вертикальными стволами.

Вскрытие месторождения свиты пологих и наклонных пластов на гидрошахте осуществляется вертикальными стволами без капитальных квершлагов. На каждом вскрываемом пласте производится рассечка околоствольных выработок (приёмных площадок вспомогательного подъёма). На нижнем из группы пластов сооружается околоствольная станция гидроподъёма. Данный способ вскрытия месторождения может сочетаться со схемой, предусматривающей проведение квершлагов. Такая комбинация способов вскрытия месторождения применяется, когда в пределах шахтного поля группа наклонных пластов залегает наряду с группами сближенных пластов. Свиты наклонных пластов могут вскрываться центрально-сдвоенными стволами и блоковыми квершлагами. Стволы проходят до нижнего пласта, где устраивается околоствольный двор. Из него проводят два полевых штрека, а на некотором расстоянии от них — блоковые квершлаги с повышенным уклоном (0,08) для гидротранспорта. Для вентиляции у верхней границы шахтного поля проходится вентиляционный квершлаг и вентиляционный шурф. При данной схеме вскрытия месторождения (и подготовки) упрощается транспорт гидросмеси и вспомогательных материалов; снижаются общие затраты на поддержание, т.к. выработки с длительным сроком службы проводятся полевыми.

Вскрытие месторождения свиты крутых пластов осуществляется также центрально- сдвоенными вертикальными стволами с блоковыми квершлагами. Пласты вскрываются одновременно. Стволы проходят в породах лежачего бока. От этажных квершлагов в сторону шахтного поля по простиранию проводят групповые аккумулирующие штреки на нижнем горизонте и откаточные групповые штреки на среднем горизонте. При средней длине крыла шахтного поля 2000-2500 м и уклоне аккумулирующих групповых штреков 0,05 высота этажа вблизи ствола составляет 110-135 м. Размеры шахтного поля по падению принимаются исходя из условия обеспечения 15-25-летнего срока службы горизонта.

Скважинное вскрытие месторождения включает бурение и крепление, оборудование забоя и устья, обустройство и освоение буровых скважин для последующей добычи полезных ископаемых. Применяют на залежах нефти, природного газа, подземных вод, а также твёрдых полезных ископаемых, подвергаемых тепловому (например, газификация), химическому (выщелачивание, растворение), гидравлическому и гидромеханическому (скважинная гидродобыча) воздействию.

Расположение и количество скважин на месторождении определяется из условий наиболее полного извлечения полезных ископаемых из пласта и уровня капитальных затрат на разработку месторождения. Как правило, продуктивные пласты нефтяных и газовых залежей вскрывают скважинами на всю их толщину с последующим креплением обсадной колонной и изоляцией (тампонажным раствором) всех вскрытых нефтяных, газовых, водонасыщенных пластов. Затем осуществляют вторичное вскрытие пластов полезных ископаемых пулевыми, кумулятивными или гидропескоструйными перфораторами. Залежи нефти вскрывают также многозабойными скважинами.

Выбор способа вскрытия пластов полезных ископаемых зависит от значения пластового давления. Пласты с аномально высокими давлениями вскрывают с использованием утяжелённых буровых растворов высокой плотности; с давлениями, близкими к гидростатическим, — нормальных буровых растворов; с давлением менее гидростатического — облегчённых растворов (аэрированных, на углеводородной основе, пенами) или продувки газообразными агентами. Устье бурящихся скважин оборудуют противовыбросовыми устройствами для предупреждения и ликвидации нефтегазоводопроявлений.

При скважинном вскрытии месторождения твёрдых полезных ископаемых пласты вскрывают на всю толщину с отбором керна в их кровле, продуктивной части и подошве. Затем скважину углубляют в подстилающих породах для размещения добычного оборудования (например, при скважинной гидродобыче полезных ископаемых). Скважину крепят обсадной колонной до кровли залежи (пласта). Пласты полезных ископаемых в устойчивых породах обсадной колонной не закрепляют, а представленные легко разрушающимися породами крепят тампонажными минеральными или полимерными материалами, используют также различне фильтры, ограничивающие поступление частиц породы из пласта в скважину. Фильтры спускают в скважину — включают в состав обсадной колонны или намывают в кольцевое пространство (гравийные фильтры); используют также их комбинации.

После перфорации обсадной колонны (или установки фильтра) и спуска в скважину насосно-компрессорных труб устье скважины оборудуют специальной арматурой и производят работы по вызову притока пластовых флюидов. Вызов притока в скважинах, на пластах с аномально высокими давлениями осуществляют путём замены плотного бурового раствора на менее плотный или на воду. При пластовых давлениях, близких к гидростатическому или менее него, скважину осваивают снижением забойного давления за счёт аэрации раствора, понижения уровня жидкости в скважине компрессорным способом, а также при помощи поршня (сваба) или желонки.

Принятый способ вскрытия месторождения в сочетании с подготовкой и системами разработки, мощностью и размерами карьерного (шахтного) поля, обустройством и освоением буровых скважин должен обеспечивать высокий технической уровень и надёжность работы предприятия; возможность конструктивного приспособления сети горных выработок к изменяющимся условиям строительства, производства и окружающей среды, а также быстрого осуществления работ по подготовке новых горизонтов, техническому перевооружению или реконструкции горного предприятия.