Понятие о горных породах и полезных ископаемых

Верхняя твердая оболочка Земли называется земной корой (литосферой). Мощность ее на материках достигает 30—40 км, под горными хребтами 70 км и под океанами 6—15 км. Наиболее распространенные элементы, входящие в состав литосферы: кислород — 49%; кремний — 26%; алюминий — 7,45%; железо — 4,2%; кальций — 3,25% и т. д. Только немногие элементы встречаются в самородном виде (золото, платина, медь, сера). Большинство же элементов находится в виде химических соединений, называемых минералами (например, кварц, кальцит, магнетит и др.).

Агрегаты минералов более или менее постоянного состава называют горными породами. Горные породы состоят из одного или из нескольких минералов. Так, например, мрамор состоит только из кристаллических зерен кальцита. К много минеральным породам относятся: гранит, состоящий из кварца, полевых шпатов и слюды; сиенит и др.

Горные породы и минералы, добываемые из земных недр с целью использования их в народном хозяйстве, называются полезными ископаемыми. Полезные ископаемые встречаются в природе в газообразном (горючие газы), жидком (нефть) и твердом (уголь, железная руда и др.) состояниях.

Одни полезные ископаемые (уголь, горючие сланцы и сера) используются в народном хозяйстве непосредственно после извлечения их из недр земли, другие (медная руда, железная руда и пр.) требуют предварительной переработки для извлечения из них полезного компонента (меди, железа или другого металла).

Рудой называют минеральное вещество, из которого с достаточным экономическим эффектом могут быть извлечены полезные компоненты (металлы или минералы). Горные породы, не содержащие полезных минералов или содержащие их в недостаточном для переработки количестве, называют пустыми породами.

Понятия «руда» и «пустая порода» — относительны и зависят от уровня развития промышленности и местных условий. Так, добываемые в настоящее время железные руды с содержанием железа 16—17% (Качканарское месторождение на Урале) считались пустыми породами; известняк, окружающий залежь железной руды, считается пустой породой, а известняк, добываемый в специальных карьерах для доменного или цементного производства, — полезным ископаемым.

По процентному содержанию металла руды бывают богатыми, средними и бедными. Медные руды считают богатыми при содержании меди более 2%, средними — от 1 до 2%, бедными — менее 1%. Для руд других металлов установлены другие градации. По количеству содержащихся в руде металлов они бывают простыми (если содержат один металл) и полиметаллическими (если содержат несколько металлов).

Полезным ископаемым называют всякое природное минеральное вещество, которое при современных технико-экономических условиях целесообразно извлекать из недр земли для промышленного использования.

Месторождением полезного ископаемого называют естественное скопление этого ископаемого в земной коре. Месторождение считается промышленным, если разработка его целесообразна в данных экономических и географических условиях при современном уровне техники. Если разработка месторождения экономически нецелесообразна, то его называют непромышленным.

По физическому состоянию полезные ископаемые бывают твердыми (уголь, руды металлов, соли, строительное сырье и др.), жидкими (нефть, минеральные воды), газообразными (горючие газы).

Твердые полезные ископаемые по промышленному назначению и характеру использования в народном хозяйстве подразделяют на три группы:

· горючие или топливо (уголь, горючие сланцы, торф);

· металлические ископаемые — руды металлов (железные, медные, алюминиевые, золотые и др.);

· неметаллические ископаемые (сера, поваренная соль, апатит, огнеупоры, флюсы, стройматериалы и др.).

Принято также подразделять полезные ископаемые на рудные и нерудные.

Отличительной чертой рудных ископаемых является необходимость дальнейшей их переработки для извлечения содержащихся в них полезных компонентов.

Горные породы, окружающие месторождение или включенные в него, совсем не содержащие металла (полезного минерала) или содержащие, но в количестве, недостаточном для промышленной переработки, называют пустой породой.

Граница между рудными и нерудными ископаемыми условна. Многие полезные ископаемые, которые раньше использовались сразу же после добычи, в настоящее время подвергаются комплексной переработке для извлечения их них всех полезных компонентов. Иногда полезное ископаемое, например известняк, не подвергают переработке, иногда его используют как химическое сырье. Поэтому сейчас термин руда теряет свое первоначальное значение. Его применяют также и ко многим нерудным полезным ископаемым. В этом смысле понятием руда мы будем пользоваться дальше.

Формы и элементы залегания месторождений.Рудные месторождения отличаются многообразием форм залегания. Наиболее правильную форму имеет пласт — рудное тело с приблизительно параллельными боковыми поверхностями. Породы, окружающие пласт, -I называются вмещающими. Размеры и положение пласта определяются элементами залегания: простиранием, падением и мощностью (рис. 1).

Простирание определяется линией простирания, представляющей пересечение пласта с горизонтальной плоскостью. Угол, образованный линией простирания и магнитным (или истинным) меридианом, называется углом простирания. Угол простирания месторождения показывает его положение относительно стран света. Линия, лежащая в плоскости пласта перпендикулярно линии простирания, называется линией падения. Угол, образованный этой линией с горизонтальной плоскостью, называется углом падения (а).

По углу падения месторождения делят на горизонтальные, пологие (от 0 до 20—25°), наклонные (от 20—25 до 45°) и крутопадающие (более 45°). Длина месторождений по простиранию и падению измеряется от десятков метров до нескольких километров.

Мощность пласта, измеренная как кратчайшее расстояние между боковыми поверхностями пласта (по перпендикуляру), называется истинной или нормальной. Мощность, измеренная в горизонтальной плоскости, называется горизонтальной. В горизонтальных пластах часто указывают мощность, измеренную в вертикальной плоскости.

По мощности рудные месторождения делят на весьма тонкие (т < 0,6 м); тонкие (т = 0,6—2,0 м); средней мощности (т = 2- 5 м), мощные (т = 5-20 м); весьма мощные (т >20 м).

Рудные тела, близкие по форме к пласту, называютпластообразными.

Жила представляет собой трещину в земной коре, заполненную минеральным веществом. Иногда жилы имеют выдержанные элементы залегания, но чаще их мощность, углы падения и простирание меняются с глубиной и простиранием. Совокупность нескольких жил называют свитой жил, а наиболее мощную из них — главной жилой.

Шток — рудное тело неправильной формы; штокообразные тела очень больших размеров называют батолитами.

Линзы — чечевицеобразные залежи с уменьшающейся к периферии мощностью. Длина линз по простиранию измеряется десятками, а иногда сотнями метров.

Гнездообразное месторождение представляет собой скопление мелких рудных включений неправильной формы.

Рудные месторождения бывают представлены одним или несколькими рудными телами.

Горообразовательные процессы нарушают первоначальное залегание месторождений, вызывая изменение угла падения, складки, разрывы рудных тел с последующим перемещением частей относительно друг друга (сдвиги и сбросы).

Физико-механические свойства горных пород. По строению горные породы подразделяют на связные, сыпучие и плывучие.

В связных породах минеральные частицы соединены между собой силами внутреннего сцепления. Сыпучие породы состоят из отдельных зерен, не имеющих между собой связи. Некоторые сыпучие породы при насыщении их водой приобретают свойства текучести, образуя плывуны.

Сила сцепления между частицами породы определяет устойчивость горных пород, имеющую большое значение при ведении горных работ, особенно подземным способом. Под устойчивостью понимают способность горных пород не обрушаться после обнажения их на той или иной площади. Устойчивость пород снижается при образовании в них трещин в результате высокого давления горных пород или при взрывных работах.

По степени устойчивости руды и вмещающие породы можно подразделить на следующие группы.

1. Очень устойчивые — допускают обнажения снизу на площади десятков и сотен квадратных метров и не обрушаются в течение десятков лет.

2. Устойчивые — допускают значительные обнажения без обрушения в течение нескольких месяцев. Выработки небольших размеров могут стоять без крепления в течение ряда лет.

3. Средней устойчивости — допускают значительные обнажения на относительно короткий срок.

4. Неустойчивые — требуют крепления вслед за обнажением.

5. Весьма неустойчивые — совсем не допускают обнажений и,какправило, требуют применения опережающей крепи.

К наиболее устойчивым относятся вязкие породы, имеющие большую силу сцепления между частицами (кварциты, мелкозернистые-граниты, окремненные известняки и пр.); к неустойчивым — мягкие и рыхлые (глины, суглинки); к очень неустойчивым — сыпучие породы (песок, осыпи) и плывуны.

На добываемость горных пород оказывает большое влияние их крепость, зависящая от твердости, вязкости и упругости пород.

Давая характеристику горных пород по плотности, обычно приводят значение объемного веса — веса породы в единице объема (т/м³). Объемный вес обычно численно меньше удельного веса за счет естественной пористости горных пород. Среднее значение объемного веса горных пород земной коры 2,7 т/м³; объемный вес некоторых горных пород (например, железной руды) 3,5—4 т/м³.

При отделении породы от массива и дроблении ее на куски она увеличивается в объеме (разрыхляется). Разрыхляемость пород характеризуется коэффициентом разрыхления, показывающим отношение объема породы в разрушенном состоянии к объему этой же породы в массиве. Коэффициент разрыхления изменяется от 1,1—1,2 (пески, супеси) до 1,8—2,0 (монолитные скальные породы — граниты, сиениты, базальты).

На выбор и условия ведения горных работ оказывают влияние также такие свойства руд, как влагоемкость (способность руды вследствие пористости удерживать в себе воду), слеживаемость (способность разрыхленных руд к уплотнению), возгораемость (способность некоторых руд с высоким содержанием серы самовозгораться, особенно в присутствии древесины).

Для решения ряда вопросов, связанных с горными работами (нормирование, определение горного давления и т. п.), необходимо иметь классификацию горных пород по тем или иным признакам.

Наиболее проста и распространена классификация горных пород проф. М. М. Протодьяконова (1874—1930 гг.). По этой классификации все породы разделены на 10 категорий по крепости (табл. 1).

Для пород, способных выдерживать испытание на сжатие, коэффициент крепости равен отвлеченному числу, в сто раз меньшему временного сопротивления на сжатие. Например, если при испытании на раздавливание образец породы размером 5 * 5 * 5 см начинает разрушаться при давлении 30 000 кг, то коэффициент крепости этой породы будет 30000/ 25.100

1.2. Горные выработки

В процессе горного производства в самом месторождении или в окружающих породах образуются полости — горные выработки. Горные выработки подразделяются на открытые и подземные.

Открытыми называются такие выработки, которые примыкают к поверхности земли и имеют незамкнутый контур поперечного сечения. Выработки, имеющие замкнутый контур поперечного сечения и расположенные на некоторой глубине от поверхности, называются подземными.

По своему положению в пространстве горные выработки разделяют на горизонтальные, вертикальные и наклонные. В зависимости от расположения по отношению к залежи полезного ископаемого различают горные выработки, проводимые по пустым породам, полезному ископаемому, частично по полезному ископаемому и по пустым породам.

Горные выработки могут проводиться по простиранию, по восстанию, по падению и вкрест простирания или же под некоторым углом к простиранию.

По назначению различают горные выработки разведочные (проводят с целью разведки месторождения полезного ископаемого) и эксплуатационные (необходимы при разработке уже разведанного месторождения).

В свою очередь, эксплуатационные горные выработки делят по назначению на вскрывающие (капитальные) горные выработки, с помощью которых обеспечивается доступ с земной поверхности к месторождению или его части; подготовительные выработки, в результате проведения которых месторождение или его часть подготавливается к добыванию полезного ископаемого, и очистные выработки, служащие для добывания полезного ископаемого.

Выделяют особую группу подземных выработок, которые имеют небольшую длину по сравнению с размерами поперечного сечения. Такие выработки называются камерами.

Как у подземных, так и у открытых горных выработок различают следующие элементы (рис. 12). Поверхность горных пород, ограничивающая горную выработку снизу, называется подошвой (почвой) 1, поверхности горных пород, ограничивающие горную выработку с боков - боками 2.

Поверхность горных пород, ограничивающая подземную выработку сверху, называется кровлей 3.

Поверхность горных пород, ограничивающая горную выработку и перемещающаяся в результате ведения горных работ, называется забоем 4. Начало горной выработки, иначе говоря, место выхода ее на земную поверхность или примыкания к другой выработке, называется устьем.

Горные выработки используются (за исключением скважин и шпуров) для транспортирования добытого полезного ископаемого, пустых пород, различных материалов и оборудования, для передвижения людей. По горным выработкам циркулирует воздушная струя, в них размещается различное оборудование, а также прокладываются трубопроводы (водоотливные, гидротранспортные, сжатого воздуха) и электрические кабели.

В большинстве горных выработок для сохранения необходимых форм и размеров устанавливают крепь.

Факторы, обусловливающие форму и размеры горных выработок, будут рассмотрены в соответствующих главах.

1.4. Классификация и наименование подземных горных выработок

По положению в пространстве различают вертикальные, горизонтальные и наклонные выработки. Основные подземные выработки шахты и их взаимное положение показаны на рис. 1.4.

Вертикальные горные выработки.

Шахтный ствол (1, 11) — вертикальная или наклонная горная выработка, имеющая непосредственный выход на поверхность и предназначенная для подъема полезного ископаемого, спуска и подъема людей и материалов. По стволу шахты проложены электрические кабели, трубы для воды и сжатого воздуха; через шахтные стволы осуществляют проветривание всех подземных выработок. Верхняя часть ствола называется устьем, нижняя — зумпфом. В зависимости от назначения различают главные и вспомогательные шахтные

Рис. 4. Схема расположения подземных выработок

стволы. Обычно один ствол выполняет несколько функций, но иногда проходят стволы специального назначения, например, для спуска в подземные выработки закладочного материала (закладочный ствол), для проветривания (вентиляционный ствол), для водоотлива и пр.

В поперечном сечении шахтные стволы имеют круглую или прямоугольную, иногда эллиптическую форму. Стволы круглого сечения крепят бетонной или железобетонной крепью. Диаметр стволов составляет 4—8 м. Стволы прямоугольной формы крепят деревянной или металлической крепью, они имеют площадь поперечного сечения 8—25 м². Глубина стволов определяется глубиной залегания месторождения и достигает иногда 2—3 км. По всей длине шахтный ствол бывает разделен на несколько отделений (клетевое, скиповое,. лестничное и пр.).

На каждой шахте находятся в действии минимум два шахтных; ствола. В этом случае один ствол называется главным (по нем выдают на поверхность добываемое полезное ископаемое), а второй ствол — вспомогательным (по нему из шахты выдают пустую породу, спускают материалы и оборудование, а также производят спуск и подъем людей). На крупных шахтах число шахтных стволов может достигать шести — восьми; при этом отдельные стволы выполняют специализированные функции (вентиляционные водоотливные, закладочные стволы и т. п.).

Иногда шахтные стволы называют в зависимости от вида подъемной установки, которой он оборудован (скиповой, клетевой, скипо-клетевой).

Слепым стволом (8) называют вертикальную или наклонную выработку, не имеющую непосредственного выхода на поверхность (назначение то же, что и обычного шахтного ствола). Слепой ствол оборудуют подъемной установкой.

Восстающий (гезенк) (6, 7) — вертикальная или наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и служащая для спуска полезного ископаемого, перемещения людей, спуска и подъема материалов, проветривания. В отличие от слепого ствола по восстающему не поднимают пустые породы или руду. Восстающие обычно имеют прямоугольную форму поперечного сечения, но при большом сроке службы их крепят бетоном, и они имеют круглую форму. Если восстающие предназначены для различных целей, они имеют несколько отделений. Восстающие проходят, как правило, между откаточными горизонтами и их длина равна высоте этажа (40—80 ж), но иногда восстающий обслуживает несколько этажей и длина его достигает несколькихсотен метров. Восстающие проходят в направлении снизу вверх. Глубина гезенков может превышать иногда 100 м. Оборудование гезенков в значительной степени напоминает оборудование шахтных стволов.

Шурфом (10) называется вертикальная или наклонная горная выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность и служащая для геологоразведочных или эксплуатационных работ. Шурф также служит для разведки месторождения, вентиляции, спуска материалов и других вспомогательных целей. Шурфы имеют обычно сравнительно небольшой срок службы. Глубина шурфов, как правило, не превышает 50—90 м. На эксплуатационных шахтах шурфы служат для вентиляции — вентиляционные, для спуска крепежного леса — лесоспускные — или закладочного материала — закладочные. Шурфы, как правило, оборудуют лестницами для передвижения людей, благодаря чему их можно использовать как запасные выходы t из шахты на земную поверхность. Шурфы используют также для введения взрывных работ методом камерных зарядов.

Горизонтальные горные выработки. Все горизонтальные выработки имеют незначительный уклон для обеспечения стока рудничных вод и облегчения откатки груженых составов с полезным ископаемым.

Сначала рассмотрим горизонтальные выработки, имеющие непосредственный выход на земную поверхность.

Штольня (9) — горизонтальная горная выработка, имеющая непосредственный выход на поверхность и предназначенная для обслуживания подземных работ. Штольня служит для тех же целей, что и шахтный ствол, но в связи с горизонтальным расположением ее выдача руды на поверхность, доставка материалов, а иногда и перевозка людей по этой выработке осуществляются средствами рельсового или безрельсового транспорта. По форме и размерам штольня не отличается от других горизонтальных выработок. Штольни можно применять только при гористом или холмистом рельефе местности и могут проводиться как по простиранию, так и вкрест простирания месторождения. Чаще всего штольни имеют трапециевидную или сводчатую форму поперечного сечения. Обычно штольня является главной капитальной выработкой, имеющей значительный срок службы.

Штрек (3, 4), квершлаг (2) и орт (5) — горизонтальные горные выработки, не имеющие непосредственного выхода на поверхность и предназначенные для откатки грузов, передвижения людей, проветривания, водоотлива и т. п. Различие между ними заключается в положении относительно рудного тела. Штрек проводят по простиранию рудного тела, квершлаг и орт — вкрест простирания, причем квершлаг проводят только по пустым породам, а орт — по руде. Штрек может располагаться как в пустых породах (4) — в этом случае его называют полевым, так и в рудном теле (3) — называемый рудным.

Горизонтальные выработки для стока воды имеют небольшой уклон (2—5 м на 1000 м длины выработок) в сторону ствола шахты. Горизонтальные выработки в неустойчивых породах крепят деревом, бетоном, металлической крепью, а в устойчивых породах часто проходят без крепления. В зависимости от типа крепи они имеют трапециевидную, сводообразную и прямоугольную форму.

Тоннель — горизонтальная горная выработка, имеющая два выхода на земную поверхность. Тоннели в горном деле встречаются крайне редко.

Штольня — горизонтальная горная выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность и служащая. Для разведки или разработки месторождения.

Квершлаг — горизонтальная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и проводимая под углом к простиранию месторождения, чаще всего вкрест простирания (см. рис. 1.3). Квершлаги, как и штольни, могут иметь трапециевидную или сводчатую форму поперечного сечения. При проведении квершлагов по крепким и устойчивым породам они могут в течение длительного времени оставаться без крепи.

Длина квершлагов на шахтах может достигать нескольких километров.

Штрек — горизонтальная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и проводимая целиком или частично (т. е. с подрывкой боковых пород) по пласту полезного ископаемого в направлении его простирания при пологом, наклонном и крутом падении и в любом направлении при горизонтальном залегании. Штреки, проводимые по пустым породам, называют полевыми.

В зависимости от основного назначения штреки подразделяют на откаточные и вентиляционные. В откаточных штреках, как правило, применяется локомотивный транспорт. Если же транспортирование полезного ископаемого осуществляется конвейерами, штрек может называться конвейерным,

Вентиляционные штреки служат, как правило, для отвода отработанной струи воздуха и для вспомогательных целей. Длина штреков может достигать нескольких километров.

Орт — горизонтальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность; проводится вкрест простирания залежи междуее висячим и лежачим боками полезного ископаемого. Формы поперечного сечения орта и штрека аналогичны. Орты проводят толькопо мощным пластам или жилам.

Просек — вспомогательная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и проводимая обычно по пласту полезного ископаемого в направлении его простирания. Просек имеет небольшие размеры поперечного сечения и небольшой срок службы. Обычно его проводят параллельно штреку и крепят деревом.

Сбойки — нарезные выработки, проводимые только по полезному ископаемому и соединяющие две какие-либо близко расположенные выработки.

Наклонные выработки. Наклонные стволы проводятся в большинстве случаев по полезному ископаемому; наклон ствола к горизонту определяется обычно углом падения пласта или залежи. Реже наклонные стволы проводятся по пустым породам, причем угол наклона ствола к горизонту в этом случае обычно не превышает 18°, т', е, такого угла, при котором возможно осуществлять транспортирование полезного ископаемого ленточными конвейерами.

При пологом залегании пластов или залежей иногда с целью сокращения длины квершлага его проводят наклонно к горизонту под углом 15—25°.

К типичным наклонным выработкам относятся: бремсберги, уклоны, ходки и скаты.

Бремсбергом называется наклонная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и проводимая обычно по пласту полезного ископаемого. Бремсберги служат для спуска добытого полезного ископаемого с вышележащего горизонтана нижележащий. Бремсберги применяют только при наклонном и пологом падении залежей.

Уклоном называется наклонная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность; проводится обычно по пласту полезного ископаемого и служит для подъема полезного ископаемого с нижележащего горизонта на вышележащий.

По правилам безопасности передвижение людей по бремсбергам и уклонам допускается только в том случае, когда транспортирование по ним производится конвейерами. Форма поперечного сечения бремсбергов и уклонов трапециевидная или арочная в зависимости от конструкции и типа крепи.

Как правило, параллельно бремсбергу и уклону также в плоскости пласта проводят выработки — ходки, служащие для передвижения людей.

Скатом называется наклонная выработка, проводимая обычно по полезному ископаемому и не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность. Скаты служат для спуска полезного ископаемого с вышележащего горизонта на нижележащий под действием собственного веса — самотеком.

Скаты применяют обычно при разработке крутых пластов или жил. В скатах устраивают ходовые и углеспускные (рудоспускные) отделения. В горнорудной практике скаты называют рудоспусками.

Наклонными горными выработками, не имеющими непосредственного выхода на земную поверхность, могут быть печи — выработки, проводимые только по полезному ископаемому без подрывки боковых пород. Печи служат для вентиляции, транспортирования угля, передвижения людей и т. п. Печи, проводимые для подготовки очистной выработки, называются разрезными, или рассечными. Печи, которые служат для спуска угля, называются углеспускными, а для пропуска воздуха — вентиляционными.

В печах обычно применяют легкую деревянную или разборную металлическую крепь. В отдельных случаях при выбуривании печей по крепкому углю они имеют круглую форму поперечного сечения и оставляются без крепи.

Камеры. Различают камеры, проводимые по полезному ископаемому с целью его извлечения, и камеры, которые служат для размещения в них машин, механизмов и оборудования. Около главных и вспомогательных стволов в шахте и на руднике обычно проводят ряд камер для размещения оборудования, механизмов и для других целей.

Совокупность подземных выработок, расположенных около стволов и предназначенных для обслуживания подземного хозяйства шахты, называют околоствольным двором. В околоствольных Дворах осуществляются транспортно-маневровые работы с прибывающими к стволам и отправляемыми к забоям составами вагонеток.

Выработки небольшого поперечного сечения. К ним относятся шпуры и скважины, которые могут занимать любое положение в пространстве.

Шпур — выработка круглого поперечного сечения, выбуриваемая в толще пустых пород или полезного ископаемого для размещения в ней заряда взрывчатых веществ или же для других целей, связанных с разведкой и разработкой месторождений. Диаметр шпура составляет обычно 30—40 мм, а в отдельных случаях 60—70 мм (шпуры большого диаметра). Длина шпуров может достигать 5—10 м. Обычно шпуры бурятся длиной 1,5—2 м.

Скважина — выработка, отличающаяся от шпура увеличенными диаметром (100—150 мм и более) и длиной. Длина скважин колеблется от 10—15 м до нескольких тысяч метров.

Скважины применяют для разведки месторождений полезных ископаемых, их добычи (нефть, вода, газ), размещения заряда, взрывчатых веществ, а также для прокладки кабелей, спуска заиловочной пульпы и других вспомогательных целей.