Закрытый способ добычи полезных ископаемых является одним из основных способов получения ценных ресурсов из недр земли. В отличие от карьерных (поверхностных) технологий шахтные разработки позволяют «добраться» до залежей, находящихся на глубине от 500 до 5 000 метров. Подземным способом добывают топливо (уголь, нефть), металлические руды (железо, медь, алюминий), драгоценные металлы (золото, платина) и минералы (алмазы), сланцы (кварц), горные породы (гранит, базальт, соли).
Основные отличия закрытого способа добычи от открытого
Подземный способ добычи полезных ископаемых реализуется путём бурения скважин или строительства шахт. Основным отличием предприятий этого типа является то, что большая их часть оказывается расположенной глубоко под землёй. В шахты спускается техника, оборудование, рабочие. Туда же прокладываются инженерные коммуникации, транспортные сети, конвейеры. На поверхности обустраиваются только склады и административно-бытовые здания.
Открытый метод. Добыча полезных ископаемых осуществляется путём разработки разрезов (карьеров). При этом способе всё горнодобывающее предприятие располагается буквально под открытым небом. Карьер представляет собой систему уступов. По мере выемки породы количество таких уступов и, соответственно, глубина разреза — увеличиваются.
Шахта
Шахта — это горнодобывающее предприятие, спроектированное и обустроенное специально для добычи какого-либо полезного ископаемого из недр земли. Представляет собой сложную систему тоннелей, галерей, коридоров, штреков, ходок. В состав шахты входят копры, надшахтные постройки, система вентиляции, электрификация, дробильные установки, сортировочные пункты, очистные забои и другие объекты.
Шахтный метод является одним из основных и распространённых для осуществления закрытого способа добычи полезных ископаемых (на ряду с бурением скважин). Он имеет как свои преимущества, так и недостатки. Основным плюсом технологии добычи полезных ископаемых подземным способом бесспорно является возможность получения ресурсов из глубоких залежей. Карьерным методом «достать» из-под земли либо технически невозможно, либо экономически невыгодно.
Выбор способа добычи. Ведение горных работ далеко не всегда осуществляется закрытым способом из-за большой глубины расположения месторождений. Выбор в пользу этой технологии часто делается в силу особенностей географии и ландшафта местности. Например, полезное ископаемое может находиться недалеко от поверхности земли, но в высокой горе. В таких случаях выгоднее спроектировать и построить компактную шахту, чем раскапывать большой карьер.
Аналогичный подход к выбору технологии применяется в случае разработки залежей, находящихся под толщей воды мирового океана. Обустроить открытый разрез для этого тоже нельзя. Чтобы «достать» ценное сырье из-под земли, которая находится под водой, применяется бурение скважин и другие современные технологии. Под водами мирового океана находится не только газ и нефть, но и драгоценные металлы, минералы. Их добыча в таких местах технически сложна и дорога. Но высокая стоимость получаемых ископаемых делает такую добычу экономически выгодной.
Плюсы и минусы подземного способа добычи
На примере даже нашей страны можно с уверенностью утверждать, что закрытый метод добычи менее распространён, чем открытый. Аналогичная тенденция наблюдается и во многих других государствах, чьи территории богаты залежами полезных ископаемых. Основным методом добычи на сегодня остаётся, всё же, открытый или карьерный способ. В России, например, разрезов по разработке залежей примерно в два раза больше, чем действующих подземных шахт. Конечно, если в расчёт брать и скважины, то закрытый метод добычи безусловно окажется на первом месте.
Основные плюсы закрытого способа добычи полезных ископаемых:
- Возможность получения особо ценного и качественного сырья, залегающего на больших глубинах под землёй.
- «Точечная» или локальная разработка месторождения, исключающая необходимость выполнять многоэтапное обогащение породы (отделение ценного ископаемого от ненужных минералов и прочих загрязнений).
- Уменьшенное негативное влияние на окружающую среду, минимальное загрязнение атмосферы пылью, газами.
- Минимальное или нулевое негативное влияние на ландшафт местности. Карьеры, в отличие от шахт и скважин, приводят к безвозвратному уничтожению плодородных площадей, выводя их навсегда из государственного баланса.
- Возможность выполнять разработки в горной местности, на сложном рельефе, в условиях вечной мерзлоты, под километрами воды мирового океана.
- Более долговременная добыча полезного ископаемого за счёт эффективной разработки одного и того же месторождения. Карьеры обычно истощаются гораздо быстрее, тогда как отдельные шахты «помнят» царей, паровой двигатель, начало индустриализации и научно-технического прогресса.
- В ряде случаев подземный способ добычи обеспечивает гораздо более внушительные объёмы сырья, чем открытый.
Перечисленные преимущества нельзя накладывать на все отрасли горного дела. В большинстве случаев шахты и скважины строятся исключительно для того, чтобы добыть ценный материал, сформировавшийся миллионы лет назад глубоко в толще Земли. Если месторождение полезного ископаемого находится на глубине десятки (и даже сотни) метров, и есть техническая возможность его добыть открытым способом, то предпочтение отдаётся в пользу карьера (разреза). Причиной тому являются многочисленные недостатки шахтного метода добычи.
Основные минусы закрытого способа добычи полезных ископаемых:
- Затраты на проектирование, строительство, эксплуатацию и обслуживание шахт зачастую многократно превышают размеры инвестиций в открытую добычу.
- Средняя или низкая продуктивность добычи при малой концентрации полезного ископаемого в общей извлекаемой породе. Её всю приходится либо обогащать на месте, либо поднимать из шахты и транспортировать на обогатительные комбинаты. В случае карьеров это делать проще, так как можно использовать большегрузную технику (самосвалы, экскаваторы, бульдозеры).
- Более высокая себестоимость сырья. Если это же ископаемое можно добывать в достаточных количествах открытым методом, то ему и отдаётся предпочтение.
- Повышенная аварийность и опасность для рабочих. В шахтах всегда существует риск непредсказуемых обрушений породы, которые происходят из-за пустот, образующихся в результате выемки больших объёмов породы.
- Сильное отрицательное влияние на грунтовые воды. Зачастую вода загрязняется, водоносные слои разрушаются и безвозвратно уничтожаются. Стоит отметить, что загрязнение грунтовых вод в результате деятельности некоторых шахт носит далеко не локальных характер. В сотнях километров от места разработки люди вполне могут страдать из-за проблем с чистой питьевой водой.
Как и в случае преимуществ, не все недостатки распространяются на все шахты и скважины мира. Разработка многих месторождений полезных ископаемых не наносит ощутимого вреда, обходится не так дорого, и даёт в результате полезные для подъёма экономики стран ценные ресурсы.
Какие ископаемые породы добываются закрытым способом
Подземный способ добычи используется горной промышленностью для получения таких полезных ископаемых, как:
- уголь;
- золото;
- серебро;
- металлическая руда;
- алмазы;
- сланцы;
- нефть;
- газ;
- каменные породы;
- полудрагоценные камни;
- каменная соль;
- уран;
- неметаллические ископаемые.
В качестве примера рассмотрим особенности добычи и переработки некоторых полезных ископаемых, добываемых чаще всего закрытым способом.
Уголь
Шахтным методом добываются особо ценные, качественные и калорийные сорта угля — каменный и антрацит. В некоторых случаях, когда обустройство разреза нецелесообразно или невозможно, шахты строятся для добычи менее ценных видов угля, например, бурого. Закрытый метод обычно используется тогда, когда залежи топлива находятся на глубине более 500 метров. Для добычи антрацита — наиболее ценного с точки зрения энергоэффективности сорта угля — всегда строятся шахты, так как он залегает на больших глубинах (сотни и тысячи метров).
В нашей стране до 75% всего угля добывается именно закрытым способом. Это несмотря на то, что угольных разрезов (открытых карьеров) примерно в два раза больше, чем шахт. Это значительно увеличивает себестоимость данного сырья. Тем не менее, уголь и далее будет добываться шахтным методом, поскольку на его ценные сорта есть не просто спрос, но и тенденция к его росту.
Руды чёрных и цветных металлов
Из руды чёрных металлов делают железо и его сплавы — сталь, чугун. Основной объём этого ценного для металлургической промышленности сырья добывается в нашей стране открытым способом. Однако рудные шахты тоже эксплуатируются.
Руды цветных металлов добываются как открытым, так и закрытым способом. В шахтах нашей страны разрабатываются месторождения, богатые такими материалами, как:
- медь;
- цинк;
- литий;
- олово;
- свинец;
- никель.
В небольших объёмах добываются и другие руды цветных металлов.
Драгоценные металлы и минералы
Драгоценные или благородные металлы чаще всего добываются только закрытым способом. К этому виду полезных ископаемых относятся:
- золото;
- серебро;
- платина;
- рутений;
- родий;
- палладий;
- осмий;
- иридий.
Эти металлы ценятся за свою редкость и уникальные физико-химические характеристики. В том числе, они отличаются высокими значениями плотности, температуры плавления, электропроводности, отражательной способности, каталитическими свойствами.
В нашей стране первым добываемым в промышленных масштабах ценным металлом было серебро. Оно добывалось еще в XVII веке подземным способом. В XIX веке специально для шахтной добычи ценных металлов были созданы новые машины, например, барабанный грохот.
К драгоценным минералам (камням), добываемым закрытым способом, относятся:
- алмаз;
- корунд;
- берилл;
- изумруд;
- аметист;
- опал;
- циркон и другие.
Эти особо ценные и дорогие материалы используются в различных сферах промышленности и деятельности человека. Драгоценные камни чаще всего используются в производстве ювелирных изделий. Также они могут служить в роли банковских активов.
Шахтная соль
Залежи соли, которую мы видим и используем ежедневно в той или иной форме, находятся в соляных озёрах и недрах Земли. Особо богатые залежи каменной соли располагаются на глубине, которая может превышать пять километров. Шахтным методом ведётся разработка месторождений на глубине от ста до шестисот метров. Соляная шахта представляет собой длинный тоннель, стены которого полностью состоят из соли. Добыча ведётся при помощи специальных вырубочных машин и комбайнов. Далее выработанный материал поднимается на специальных лифтах и доставляется в перерабатывающий комбинат.
Используемое оборудование и машины
Добыча полезных ископаемых закрытым способом отличается сложным и дорогостоящим техническим оснащением. Для строительства и эксплуатации шахт требуется специальная техника и узко специфическое оборудование, которое больше нигде, как правило, не используется. Для обслуживания забоев также нужны инструменты и приспособления, проектированием и производством которых занимаются отдельные организации. Многие вещи для горного дела изготавливаются под заказ, под конкретные условия и задачи.
Примеры оборудования и машин для добычи закрытым способом:
- Буровые установки. Предназначены для роторного бурения мягких пород на глубину до 5 000 метров. Позволяют проходить известняк, гранит. Буровые установки бывают горизонтально и вертикально направленные, а также для наклонного бурения.
- Долота для бурения. Специальные насадки для буровых установок, разработанные для обеспечения максимальной агрессивности при бурении мягких и твёрдых пластов. Для производства данного типа оснастки часто используются алмазы.
- Гидравлические фрезы. Предназначены для строительства наземных конструкций шахтных предприятий.
- Гидравлические вибрационные молотки. Используются для забивки опор, свай и других несущих конструкций, в том числе, использующихся для укрепления сводов шахт.
- Проходческие комбайны. Оснащены режущими головками и предназначены для выкрашивания скальной породы, строительства проходов шахт и непосредственной добычи руды.
- Проходческие щиты. Предназначены для обустройства тоннелей круглого сечения, строительства галерей и отводов шахт.
- Машины подъёма. Предназначены для обустройства вертикальных и наклонных подъёмных установок в угольных шахтах и рудниках.
- Электровозы. Тяговая техника, приводимая в движения электрическими двигателями, которые работают от внешнего источника. Используются в шахтах для перемещения составов вагонеток с породой, материалов для строительства, людей.
- Вагоны и вагонетки. Откаточные сосуды, предназначенные для транспортировки грузов, людей, оборудования и прочего по рельсовым путям внутри шахт.
- Ленточные конвейеры. Вид транспортирующего устройства непрерывного действия с рабочим органом в виде ленты. Применяется для перемещения сыпучих грузов.
Кроме перечисленного в шахтах при закрытом методе добычи полезных ископаемых используется много другого оборудования — скипы, лебёдки, клети, парашюты, коуши, дробилки, сортировочные машины, насосные станции, системы автоматизации.
Этапы ведения работ под землёй
До момента получения первых крупиц полезного ископаемого проделывается очень серьёзная и технически сложная работа, в которую вовлекается множество специалистов. Рассмотрим основные этапы на примере угольной шахты:
- Разведка залежей угля. Выполняется геологической службой, геодезистами, технологами, горными инженерами.
- Изучение пластов месторождения. Для оценки мощности, количества, потенциальных объёмов добычи и расчёта экономической целесообразности бурятся шурфы, штольни, скважины. Берутся пробы породы на разных глубинах.
- Вскрытые шахтного поля. Прокладываются выработки, которые соединяют выявленные в ходе разведки угольные пласты.
- Подготовка шахтного поля. Производится подготовка забоев к очистки (изъятия ценной породы).
- Разработка залежей. Непосредственная добыча полезного ископаемого с применением машин, оборудования и ручного труда. Метод разработки подбирается в зависимости от условий, типа ископаемого, концентрации в породе и других факторов.
После истощения месторождения производится ликвидация шахты. Также в процессе эксплуатации опустевшие забои засыпаются пустой или обрушившейся с крыши породой.
Заключение
Несмотря на многочисленные сложности, дороговизну и не всегда высокую эффективность закрытый способ добычи полезных ископаемых не теряет своей популярности. В большинстве случаев причиной тому является высокая ценность материалов, которые можно «достать» из недр Земли исключительно шахтным методом. Кроме того, по сравнению с открытой добычей, шахты меньше вредят атмосфере, не портят гектары плодородных земель, положительно влияют на развитие экономики страны.