Выемка — это процесс извлечения желаемой руды или другого минерала из подземной шахты , при котором остается открытое пространство, называемое очистным забоем . [1] Выемка применяется, когда вмещающая порода достаточно прочна, чтобы не обрушиться в очистной забой, хотя в большинстве случаев также обеспечивается искусственная поддержка.
Самые ранние формы забоя проводились с помощью ручных инструментов или поджога ; позже был введен порох . С 19-го века и далее стали использоваться различные другие взрывчатые вещества, электроинструменты и машины. По мере продвижения добычи забой часто засыпается хвостами или , когда это необходимо для прочности, смесью хвостов и цемента. В старых шахтах забои часто обрушаются в более позднее время, оставляя кратеры или вспышки на поверхности. Они представляют собой неожиданную опасность, когда записи о подземной добыче были утеряны с течением времени.
Выемка угля считается «продуктивной работой» и противопоставляется «мертвой работе», работе, необходимой только для доступа к месторождению полезных ископаемых, такой как проходка стволов и шурфов , прокладка штолен , туннелей и уровней, а также создание вентиляции и транспортировки. [2]
Забой может быть создан различными способами. Конкретный метод забоя зависит от ряда соображений, как технических, так и экономических, основанных в основном на геологии добываемого рудного тела. К ним относятся наклон месторождения (плоский, наклонный или вертикальный), ширина месторождения, сорт руды, твердость и прочность окружающей породы и стоимость материалов для опор. [3]
Обычно шахты роют вертикально вниз, чтобы достичь рудного тела, а затем через него прокладывают горизонтальные уровни. Затем выемка производится с этих уровней.
Когда рудное тело более или менее горизонтально, могут иметь место различные формы камерной и столбовой выемки, выемки и закладки [ 4] или добыча длинными забоями . В крутопадающих рудных телах, таких как залежи олова , выемки становятся длинными узкими почти вертикальными пространствами, которые, если достигают поверхности, известны как гуннис или гоффен. [1] Распространенным методом добычи таких вертикальных рудных тел является выемка с забоем, см. ниже.
Открытая выемка обычно делится на две основные формы в зависимости от направления: верхняя и нижняя выемка, которые относятся к извлечению руды сверху или снизу уровня соответственно. Также возможно объединить эти два способа в одну операцию.
Подручная выемка, также известная как горизонтальная подручная выемка или подручная выемка, представляет собой разработку рудного месторождения сверху вниз. Как и подручная выемка, подручная выемка наиболее подходит для крутопадающих рудных тел. [5] Из-за механического преимущества, которое она дает ручным инструментам, ударяющим вниз (а не вверх, против силы тяжести), этот метод был доминирующим до изобретения взрывных работ и механизированных инструментов. [6]
При открытой выемке месторождение разрабатывается снизу вверх, в противоположность открытой выемке. С появлением взрывных работ и электробуров это стало преобладающим направлением выемки. [3]
При комбинированной выемке месторождение разрабатывается одновременно снизу вверх и сверху вниз, объединяя методы верхней и нижней выемки в единый подход.
Метод отбойки — это метод, используемый в горизонтальных или почти горизонтальных рудных телах, где гравитация не может использоваться для перемещения руды. [7] Метод отбойки не имеет характерных «шагов» ни нижней, ни верхней выемки, поскольку добыча ведется одним проходом. Камерно-столбовая система — это тип метода отбойки.
Выемка с помощью стойл — это форма выемки, используемая при добыче твердых пород , при которой используется систематическая или случайная крепление («стойлами»), размещаемая между подошвой и висячим боком жилы. Метод требует, чтобы висячий бок и часто лежачий бок были из прочной породы, поскольку стойлы обеспечивают единственную искусственную поддержку. Этот тип выемки использовался на глубине до 3500 футов (1077 м) и с интервалами до 12 футов (3,7 м) в ширину. [8] Катастрофа на шахте Долкот в Корнуолле в 1893 году была вызвана разрушением стоек, удерживающих огромный вес пустой породы. [9]
Квадратная опалубка была изобретена в Комсток-Лоде , Вирджиния-Сити, штат Невада, в 1860-х годах.
Квадратная выемка — это исторический метод выемки, который основан на блокировке брусьев, установленных на месте, образуя сетку, плотно прижатую к скале. По мере продвижения добычи, как правило, вверх, добавляются новые комплекты брусьев, чтобы заполнить пустоты. Руда свободно сбрасывается через комплекты или подается в желоба и либо загружается в рудовозы, либо вывозится оттуда.
В зависимости от состояния горных пород и других технических соображений, как только забой достигнет своей проектной высоты, его можно оставить открытым или засыпать для поддержки. Распространенный исторический метод гидравлической засыпки включал сброс пустой породы в готовый забой, затем размешивание в смеси измельченного песка и воды. Вода стекает, оставляя песок для фиксации засыпки на месте. Другие методы гидравлической засыпки с использованием цемента и измельченного песка, такие как засыпка пастой, являются более современными методами засыпки и вряд ли используются в сочетании с устаревшим методом квадратной крепи.
Выемка с усадкой наиболее подходит для крутопадающих рудных тел (70°—90°). При выемке с усадкой добыча ведется снизу вверх, горизонтальными слоями (аналогично выемке и заполнению), при этом отбитая руда остается на месте, чтобы шахтеры могли работать. Поскольку взорванная порода занимает больший объем, чем порода на месте (из-за фактора разбухания), часть взорванной руды (примерно 40%) должна быть удалена, чтобы обеспечить рабочее пространство для следующего слоя руды. После того, как будет достигнута верхняя часть забоя, вся руда удаляется из забоя. Забой может быть засыпан или оставлен пустым, в зависимости от состояния породы. [10]
Длинная выемка, как следует из названия, использует скважины, пробуренные производственным буром по заранее определенной схеме, разработанной горным инженером. Длинная выемка является высокоселективным и производительным методом добычи и может обслуживать различные толщины руды и углы падения (0–90 градусов). Она отличается от ручных методов, таких как крепление древесиной и усадка, тем, что после начала фазы взрывных работ в выемке к ней не может получить доступ персонал. По этой причине взорванная порода спроектирована так, чтобы падать в поддерживаемый выпускной пункт или удаляться с помощью дистанционно управляемой LHD (погрузочно-доставочной, самосвальной машины) .
Самым большим ограничением этого метода является длина скважин, которые можно точно пробурить с помощью эксплуатационной буровой установки. Скважины большего диаметра, пробуренные с помощью перфораторов, могут иметь точность более 100 м в длину, в то время как буровые установки с плавающей стрелой и верхним гидромолотом ограничены длиной около ~30 м.
Скважины, пробуренные под землей, обычно бурятся перпендикулярно, радиально вокруг привода. Для того чтобы взрывные скважины успешно извлекали рудный материал, они должны иметь возможность выстреливать в пустоту впереди. В каждом очистном забое требуется щель для обеспечения начальной пустоты. Щель часто является самым сложным, дорогостоящим и наиболее рискованным компонентом добычи в очистном забое. В зависимости от формы, высоты и других факторов могут использоваться различные методы создания щели, такие как: