Открытый способ добычи

Открытый способ добычи — это технология извлечения полезных ископаемых из недр Земли, осуществляемая с поверхности земли без проведения подземных горных выработок. Данный метод противопоставляется подземному (шахтному) способу добычи и применяется для месторождений, залегающих на относительно небольшой глубине или имеющих значительную протяжённость по площади. Открытый способ характеризуется высокой производительностью, относительно низкой себестоимостью продукции и значительным воздействием на ландшафт, почвенный покров и атмосферу.

История развития

Древний период

Открытая добыча камня, песка, глины и руд известна с глубокой древности. Первые карьеры появились в эпоху неолита для добычи кремня и строительного камня. В Древнем Египте открытым способом разрабатывали медные руды на Синайском полуострове, а в античной Греции и Риме — мрамор, известняк и железные руды.

Средневековье и Новое время

В Средние века масштабы открытых горных работ были ограничены из-за примитивной техники. С XVI века, с распространением пороха, начали применять взрывные работы для вскрытия пород. К XVIII веку в Европе и на Урале открытые разработки велись для добычи железных, медных и полиметаллических руд.

Индустриальная эпоха (XIX–XX века)

Массовое развитие открытого способа началось в конце XIX — начале XX века с внедрением паровых экскаваторов, а затем — мощных карьерных самосвалов и буровых станков. В СССР открытая добыча активно развивалась в 1930-е годы при освоении Курской магнитной аномалии, угольных разрезов Кузбасса и буроугольных месторождений Подмосковья. В послевоенные годы доля открытого способа в мировой горной промышленности постоянно росла.

Современный этап

В XXI веке открытая добыча остаётся доминирующим методом для большинства распространённых полезных ископаемых (уголь, железная руда, марганец, бокситы, фосфориты, строительные материалы). Развитие техники позволяет вести разработку на глубинах до 700–800 метров, а в отдельных случаях — до 1 км и более (например, карьер «Бингем-Каньон» в США).

Технологический процесс

Общая схема открытых горных работ включает две основные стадии: вскрышные работы и добычные работы.

Вскрышные работы

Вскрышными работами называют удаление пустых пород, перекрывающих или вмещающих полезное ископаемое. Их объём характеризуется коэффициентом вскрыши — отношением количества удаляемой пустой породы к количеству добытого полезного ископаемого (м³/т или м³/м³). Вскрыша может удаляться несколькими способами:

• Транспортная вскрыша — с использованием карьерных самосвалов, железнодорожного транспорта или конвейеров.
• Бестранспортная вскрыша — порода перемещается во внешние или внутренние отвалы с помощью драглайнов, шагающих экскаваторов, бульдозеров или гидромониторов (редко).
• Комбинированная схема — сочетание транспортной и бестранспортной выемки.

Добычные работы

При добычных работах осуществляется выемка полезного ископаемого с последующей погрузкой на транспорт. Основные операции:

1. Подготовка породы к выемке (рыхление механическое или взрывное).
2. Экскавация (черпание) — выполняется экскаваторами различных типов (механическая лопата, драглайн, роторный или цепной экскаватор).
3. Погрузка в транспортные средства (самосвалы, вагоны, конвейеры).
4. Транспортировка до пунктов приёма (дробильные фабрики, отвалы, склады).

Буровзрывные работы

Для рыхления крепких скальных пород и полезных ископаемых применяют взрывные работы. Бурятся скважины (шпуры) диаметром от 50 до 400 мм, в которые закладывается взрывчатое вещество. После взрыва образуется разрыхлённая горная масса, пригодная для черпания экскаватором.

Виды и классификации

По расположению выработки

• Карьер — открытая горная выработка значительных размеров (обычно более 100 м в поперечнике) для добычи руд, угля, нерудных материалов.
• Разрез — термин, традиционно применяемый в угольной промышленности (угольный разрез).
• Прииск — небольшая открытая выработка для добычи россыпных месторождений (золото, алмазы, платина).
• Гидравлический полигон — участок добычи с использованием гидромониторов или земснарядов (песок, гравий, россыпи).

По форме ведения работ

• Сплошной (валовой) — одновременная выемка всей горной массы без разделения на типы пород.
• Селективный (раздельный) — раздельная отработка пустой породы и полезного ископаемого, что позволяет снизить разубоживание.
• Система с продвигающимся фронтом — фронт работ последовательно перемещается вдоль забоя.
• Система с глубокими заходами (траншейная) — разработка ведётся глубокими траншеями.

Оборудование

Основное горно-транспортное оборудование

Вспомогательная техника

Бульдозеры, автогрейдеры, поливомоечные машины (для борьбы с пылью), тягачи, вахтовые автобусы, осветительные мачты.

Преимущества и недостатки

Преимущества открытого способа

• Высокая производительность — открытые работы позволяют добывать сотни тысяч и миллионы тонн сырья в год на одном предприятии.
• Относительно низкая себестоимость — отсутствие затрат на крепление выработок, вентиляцию, водопонижение (в благоприятных условиях).
• Безопасность — меньший риск обвалов, взрывов метана (по сравнению с угольными шахтами), лучшие условия труда (освещение, проветривание).
• Полнота извлечения — возможность добыть до 90–95 % балансовых запасов месторождения (против 50–70 % при подземном способе).

Недостатки и ограничения

• Большое воздействие на окружающую среду — образование карьерных выемок, отвалов пустых пород, пылевое загрязнение, нарушение гидрологического режима.
• Зависимость от климата — в регионах с суровыми зимами (Сибирь, Север) возможны обледенение, снежные заносы, снижение производительности техники.
• Ограничение по глубине — с ростом глубины резко увеличивается коэффициент вскрыши и, соответственно, себестоимость.
• Землеёмкость — требуется большая площадь для размещения карьера, отвалов, транспортных коммуникаций.

Экологические аспекты

Основные виды воздействия

1. Землеотвод — изъятие земель из сельскохозяйственного и лесного оборота. Площадь карьера может достигать десятков квадратных километров.
2. Пылевое загрязнение — при взрывных работах, экскавации, транспортировке сухой породы.
3. Газовые выбросы — продукты взрывчатки, выхлопные газы техники, пылегазовые облака.
4. Нарушение гидрогеологического режима — осушение водоносных горизонтов, образование карьерных озёр, изменение уровня грунтовых вод.
5. Шум и вибрация — от работы бульдозеров, самосвалов, взрывов.

Рекультивация

По окончании отработки месторождения обязательна рекультивация нарушенных земель. Она включает технический этап (планировка отвалов, нанесение плодородного слоя) и биологический этап (лесонасаждение, посев трав, создание водных объектов). В России рекультивация регулируется Земельным кодексом и отраслевыми инструкциями.

Применение в России

Россия занимает одно из ведущих мест в мире по объёму добычи открытым способом. Крупнейшие объекты:

• Угольные разрезы — «Бородинский» (Канско-Ачинский бассейн, Красноярский край), «Назаровский», «Тугнуйский» (Бурятия), разрезы Кузбасса.
• Железорудные карьеры — Лебединский (Белгородская область), Михайловский (Курская область), Качканарский (Свердловская область).
• Медные и медно-никелевые карьеры — «Удокан» (Забайкалье), «Медвежий ручей» (Норильск).
• Алмазные карьеры — «Мир» (Якутия) — один из крупнейших алмазных карьеров мира (глубина 525 м).

Доля открытой добычи в общем объёме добычи угля в России составляет около 60–65 %, по рудам чёрных и цветных металлов — до 70–80 %.

Перспективы развития

Совершенствование открытого способа добычи связано с внедрением:

• Цифровых систем управления горнотранспортным комплексом (диспетчеризация, контроль загрузки, беспилотные самосвалы).
• Роботизированных экскаваторов и буровых станков.
• Экологически менее опасных взрывчатых веществ (эмульсионные взрывчатки, сокращение ядовитых продуктов детонации).
• Технологий глубокой переработки отвалов (извлечение полезных компонентов из вскрышных пород).
• Создания «безотходных» технологических схем с максимальным использованием всей извлечённой массы.