Подземный способ добычи

Подземный способ добычи — это совокупность технологических процессов и операций по извлечению полезных ископаемых из земных недр с проведением горных выработок под поверхностью земли, без вскрытия дневной поверхности в пределах разрабатываемого месторождения. Относится к закрытому (шахтному) методу добычи, противопоставляется открытому (карьерному) способу. Применяется для разработки месторождений, залегающих на глубине от нескольких десятков метров до нескольких километров, а также при неблагоприятных горно-геологических условиях или требованиях сохранения земной поверхности.

История

Подземная добыча полезных ископаемых известна с древнейших времен. Первые подземные выработки (штольни, колодцы) для добычи кремня, меди, золота и серебра датируются эпохой неолита (VI–IV тыс. до н. э.). На Руси подземная добыча соли и руд зародилась в XI–XII веках.

В индустриальную эпоху (XVIII–XIX века) с развитием паровых машин и взрывчатых веществ глубина шахт увеличилась до 500–1000 м. Крупные месторождения угля, железа, полиметаллов разрабатывали подземным способом системы с креплением выработок. В XX веке, с внедрением электрификации, пневматического оборудования, самоходной техники и автоматизации, глубина подземных рудников достигла 3–4 км (золотодобывающие шахты ЮАР). В России крупнейшие подземные рудники разрабатывают медно-никелевые, алмазные, угольные, калийные месторождения.

Горно-геологические условия применения

Подземный способ добычи применяют при следующих основных условиях:

• Глубина залегания — от 50–100 м (бортовые выработки) до 3–4 км (сверхглубокие шахты). Экономически целесообразно разрабатывать подземным способом запасы на глубинах, где вскрытие открытыми работами технически сложно или экономически невыгодно.
• Мощность залежи — как крутопадающие (угол падения более 45°), так и пологие (до 15°) пласты и жилы, мощностью от 0,5–1 м (тонкие жилы) до десятков метров.
• Физико-механические свойства пород — прочность, трещиноватость, обводненность. Для слабых и неустойчивых пород требуются специальные способы крепления и управления горным давлением.
• Экологические ограничения — подземная добыча менее нарушает земную поверхность (отсутствие карьерных отвалов, больших площадей нарушенных земель), но создает риски провалов, сдвижения пород и загрязнения подземных вод.

Технологический процесс

Подземная добыча включает несколько последовательных этапов:

Вскрытие и подготовка

• Вскрытие — проведение капитальных горных выработок (шахтных стволов, штолен, квершлагов), соединяющих поверхность с месторождением.
• Подготовка — проведение транспортных, вентиляционных, водоотливных выработок (штреков, скатов, бремсбергов) для разделения месторождения на блоки или панели.

Очистная выемка

Основной процесс — разрушение и извлечение полезного ископаемого из массива. Методы зависят от формы залежи, крепости руды и угля:

• Буровзрывные работы — бурение шпуров и скважин, закладка взрывчатых веществ, взрывание, погрузка отбитой горной массы.
• Механическая выемка — использование комбайнов (угольные шахты), проходческих щитов, стругов, гидромониторов (гидравлическая добыча).
• Специальные методы — камерная выемка, слоевая выемка, система с закладкой выработанного пространства.

Доставка и транспортировка

• Внутришахтный транспорт — электровозная откатка, конвейеры, скиповые и клетьевые подъемы, гидротранспорт.
• Подъем на поверхность — через шахтные стволы (скипами, клетями) или наклонные выработки (конвейерами, вагонетками).

Вентиляция и водоотлив

• Вентиляция — подача свежего воздуха по одним выработкам, отвод загрязненного — по другим. Обеспечивает удаление газов (метан, углекислый газ, радон), пыли, поддержание температуры и влажности.
• Водоотлив — сбор и откачка подземных вод из выработок с помощью насосных станций, дренажных скважин.

Классификация систем разработки

Системы подземной разработки полезных ископаемых подразделяют по способу управления горным давлением, форме залежи и порядку выемки:

Системы с обрушением руды и пород

Применяют для устойчивых руд и вмещающих пород. Руда отбивается с образованием пустот; по мере выемки происходит обрушение вышележащих пород. Примеры: слоевое обрушение, камерно-столбовая система с последующим обрушением.

Системы с закладкой выработанного пространства

Выработанное пространство заполняют закладочным материалом (песок, шлак, хвосты обогащения, твердеющие смеси). Обеспечивает устойчивость целиков, уменьшает деформацию поверхности. Применяют для ценных руд (золото, медь, алмазы) и при необходимости охраны земной поверхности.

Системы с открытым очистным пространством

Выемка руды ведется с оставлением рудных или породных целиков, которые поддерживают кровлю. Устойчивость обеспечивается естественными опорами. Примеры: камерно-столбовая система (уголь, калийные соли), система подэтажных штреков.

Системы с магазинированием руды

Отбитая руда временно оставляется в камере для поддержания боковых пород и доступа к забою. После завершения выемки её выпускают через специальные отверстия.

Технологические особенности по видам ископаемых

Уголь

Подземная добыча угля ведется преимущественно в пологих и наклонных пластах. Основные системы: длинные очистные забои (лава) с механизированной крепью, камерно-столбовая. Средняя глубина угольных шахт в мире — 300–600 м, в России (Кузбасс, Донбасс) — до 1,2 км.

Руды цветных и черных металлов

Для крутопадающих рудных тел (медь, цинк, свинец, никель, железо) применяют системы с обрушением, закладкой, подэтажными штреками. Глубина рудников достигает 1,5–2 км. В России крупнейшие подземные рудники — «Норильск-1» (медно-никелевые руды), «Уралмедь» (медь), «Яковлевский» (железные руды).

Алмазы

Подземные рудники разрабатывают кимберлитовые трубки (Якутия, ЮАР). Используют камерно-столбовую, слоевую и системы с закладкой. Глубина до 1 км. Основной вызов — высокая стоимость предотвращения попадания породы в алмазоносную руду.

Калийные и каменные соли

Разработка ведется слоевыми и камерными системами с механизированной выемкой комбайнами. Характерны низкая прочность пород, высокая опасность водопритоков и обрушений. Крупнейшие предприятия — «Уралкалий», «Беларуськалий».

Техника безопасности и экологические аспекты

Подземный способ добычи сопряжен с рядом опасностей:

• Обрушения горной массы — требуют применения крепи, анкеровки, контроля деформаций.
• Газодинамические явления — выбросы метана, углекислого газа, рудничной пыли; взрывы газовоздушных смесей (особенно на угольных шахтах).
• Затопление — прорывы подземных вод, водопритоки при пересечении водоносных горизонтов.
• Пожары — эндогенные (самовозгорание угля, сульфидных руд) и экзогенные (короткое замыкание, трение конвейерных лент).
• Профзаболевания — пневмокониоз, силикоз, тугоухость, общая вибрационная болезнь.

Для снижения рисков применяют системы мониторинга газов (датчики метана, CO, CO₂), вентиляцию расчетной производительности, автоматизированное управление шахтным транспортом, средства индивидуальной защиты (респираторы, самоспасатели). В России действуют строгие федеральные нормы и правила промышленной безопасности (Ростехнадзор).

Экологические последствия подземной добычи менее масштабны, чем открытой, но включают:

• Оседание и провалы земной поверхности (до нескольких метров) — характерно для систем с обрушением;
• Сдвижение пород — деформации зданий, дорог, коммуникаций;
• Сброс шахтных вод с высоким содержанием взвешенных веществ, солей, тяжелых металлов;
• Выбросы метана в атмосферу (парниковый газ);
• Накопление породных отвалов (терриконы) — занимают площадь, требуют рекультивации.

Экономика и перспективы

Подземный способ добычи требует значительно больших капитальных и эксплуатационных затрат на 1 тонну извлеченного сырья по сравнению с открытым. Основные статьи расходов: проходка горных выработок (35–40 %), оборудование (15–25 %), вентиляция и водоотлив (10–15 %), оплата труда (10–15 %).

В XXI веке развитие подземной добычи направлено на:

• Автоматизацию — роботизированные буровые установки, автономные погрузочно-доставочные машины, дистанционное управление комбайнами.
• Цифровизацию — мониторинг состояния массива с помощью сейсмоакустики, прогноз геодинамических событий, проектирование горных работ в 3D-моделях.
• Энергоэффективность — использование возобновляемых источников энергии, рекуперация тепла шахтного воздуха и воды.
• Глубокую переработку — извлечение попутных компонентов, снижение энергоемкости процессов.
• Безотходность — закладка пустой породы и хвостов обогащения в выработанное пространство, минимизация отвалов.

В России подземным способом добывают более 40 % угля (остальное — открытым), свыше 30 % руд черных и цветных металлов, около 100 % калийных солей и алмазов. Крупнейшие угольные шахты сосредоточены в Кузбассе (шахта «Распадская», «Шахта № 12»), рудные — в Норильске, Мурманской области, Хакасии.

Подземный способ остается основным для извлечения ценных, глубокозалегающих или пространственно ограниченных полезных ископаемых и будет сохранять свою роль в горнодобывающей промышленности России и мира в связи с постепенным истощением доступных для открытых работ запасов.