23.1. Разработка горных пород

Месторождения камня, гравия и песка должны удовлетворять следующим требованиям:

разведанные запасы, подлежащие разработке, должны быть не ближе 400-600 м от любых жилых зданий, дорог, газопроводов;

полезная толща не должна содержать линз и прослоек некачественных материалов;

предельное отношение толщи вскрыши к мощности полезного ископаемого не должно превышать 1:1 при разработке песчано-гравийных смесей и 1:1,5 - камня.

Для использования месторождения создают производственное предприятие - карьер. Карьеры подразделяются на промышленные и строительные.

Промышленные карьеры - постоянно действующие, капитально оборудованные предприятия, зачастую автоматизированные. Они снабжают дорожные стройки в радиусе 1000-1500 км. Промышленные карьеры, как правило, не подчинены дорожным хозяйствам.

Строительные карьеры - предприятия временного типа со сроком эксплуатации 1-3 года. Сооружения на таких карьерах временного типа, сборно-разборные и передвижные. Строительные карьеры бывают притрассовые и базисные. Притрассовые карьеры создают вблизи трассы строящейся автомобильной дороги. Базисные создают на мощных притрассовых месторождениях, удаленных от трассы. После окончания строительства эти карьеры часто используют для нужд эксплуатации дорог.

В практике дорожного строительства используют все виды карьеров. Целесообразность разработки того или иного карьера определяется следующими критериями: мощность запасов материалов, объем вскрышных работ, качество, дальность возки и себестоимость продукции франко-место потребления.

Несмотря на сравнительно высокую стоимость продукции строительных карьеров в сравнении с промышленными, их разработка целесообразна благодаря близости к местам потребления.

Разработке горных пород предшествуют изыскания месторождений песка, гравия и камня, которые подразделяются на следующие стадии: рекогносцировка, поиск, разведка.

Рекогносцировкой определяют район поиска. Отчет по рекогносцировке включает описание месторождения, глазомерный план или карту и служит только для планирования строительства.

При поиске устанавливают: ориентировочные запасы, ценность и пригодность материалов для строительства автомобильных дорог. Для поисковых работ используют топографическую карту крупного масштаба, геологические и геолого-литологические карты. При поисках делают выработки легкого типа (расчистки - неглубокие канавы).

Работы, проводимые после того, как поисками установлено наличие запасов, и имеющие целью всестороннее изучение месторождения, носят название разведки. Материалы разведки служат основой для расчета запасов месторождений. Метод разведки выбирается в зависимости от характера месторождения, вида полезного ископаемого и мощности пластов. Разведочные работы проводят при помощи контрольных шурфов и скважин. При бурении скважин вырезают карты.

Разведка гранитов ограничивается выяснением мощности вскрыши и зоны выветривания. Для этой цели на 100-метровой сетке закладывается сеть шурфов или скважин в толще покрывающих слой наносов. Центральные и несколько полевых шурфов углубляют до 1,5 м в нетронутый выветриванием гранит. При разведке больших месторождений гранита на площади 15-20 га проходят 4-5 скважин на полную мощность пласта полезного ископаемого, которая проектируется для разработки. Эти скважины выявляют однородность массива и наличие в нем жил.

При разведке месторождений известняков, состоящих из нескольких слоев полезного ископаемого и пропластов пустых пород между ними, сеть разработок сгущается. При расположении разведочного участка на берегу реки, склоне долин разведка упрощается за счет проведения ступенчатых расчисток, характеризующих месторождение.

Разведку гравийных месторождений рекомендуется производить шурфами, поскольку скважинами не обеспечиваются данные для характеристики месторождения. Для гравийных месторождений характерны значительные колебания мощностей полезной толщи и пустых пород. При разведке притрассового гравийного карьера площадью 1,5-2,0 га рекомендуется в зависимости от геологического строения местности закладывать от 4 до 8 выработок.

При разведке месторождений песка применяют проходку шурфов-скважин и дудок. Проходка шурфа-скважины заключается в том, что на всю мощность вскрыши и на глубину не более 2-3 м по полезному ископаемому делают шурф. Дальнейшее углубление и проходка полезного слоя производятся буровым снарядом диаметром не менее 9 мм. При однородных песках бурение допускается после углубления в полезную толщину на 0,5 м.

При разведке месторождения для притрассового карьера можно ограничиться разведкой верхних пластов. Глубина выработок в среднем составляет 3-4 м и не превышает 10 м. Если карьер расположен вблизи реки, необходимо, кроме определения условий залегания материалов, произвести определение горизонтов воды, установить затопляемость карьера, а следовательно, допустимую сезонность разработки карьера.

Производство разведочных работ сопровождается заполнением специального журнала. На одной странице журнала вычерчивают план и разрез проходимых пород, на другой странице записывают результаты наблюдений и вычислений. На плане, выполненном в масштабе 1:2000, наносят все шурфы, скважины и естественные обнажения. По данным журнала составляют геологические разрезы и планы залежей. По ним определяют, как залегает ископаемое и до какой глубины следует разрабатывать месторождение.

По степени разведанности месторождений, изученности качества полезного ископаемого различают запасы трех категорий: А, В, С с подразделением третьей категории на С₁ и С₂.

К категории А относят месторождения, запасы, качество и условия залегания которых полностью изучены и оконтурены буровыми скважинами или горными выработками. Эти сведения обеспечивают проектирование и построение на базе разведанного месторождения предприятия соответствующей мощности.

К категории В относят месторождения, запасы которых изучены без точного отображения пространственного положения каждого пласта.

Запасы, примыкающие к контурам запасов А и В и определенные на основании редкой сетки бурения, относят к категории С₁. Качество и состав материала, условия разработки месторождения в данном случае изучены на основе отдельных проб и образцов. К категории С₂ относят месторождения, предварительно оцененные на основе отдельных проб и образцов.

До разработки карьера, в соответствии с земельным законодательством Российской Федерации, должна быть подготовлена соответствующая документация: горноотводные документы, разрешение на право производства горных и буровых работ, на хранение взрывчатых материалов, план горных работ с пояснительной запиской и др.

Технологический процесс разработки месторождения состоит из следующих работ: подготовительных, вскрышных, добычных, транспортных и погрузочно-разгрузочных (рис. 23.1).

Рис. 23.1. Технологический процесс разработки месторождений:

I - удаление вскрыши; II - бурение скважин; III - закладка зарядов в скважину; IV - погрузочно-транспортные работы; 1 - скрепер; 2 - буровой станок; 3 - скважина; 4 - электропровод; 5 - передвижная электростанция с контрольным рубильником; 6 - блиндаж для укрытия; 7 - развал горной породы после взрыва; 8 - экскаватор; 9 - автомобиль-самосвал

Основными процессами при разработке месторождений являются добыча породы и транспортировка ее на камнедробильные заводы. Извлечение полезного ископаемого производят слоями. В результате разрабатываемый массив горных пород приобретает форму уступов. Каждый уступ (рис. 23.2) характеризуется высотной отметкой горизонта расположения на нем транспортных путей.

Поверхности, ограничивающие уступ по высоте, называют нижней и верхней площадками. Наклонную плоскость, ограничивающую уступ со стороны выработанного пространства, называют откосом уступа, а угол наклона уступа к горизонтальной плоскости - углом откоса уступа. Линии пересечения уступа с нижней и верхней площадками называют нижней и верхней бровками. Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах производят выемку горных пород, поэтому нижнюю площадку этого уступа называют рабочей. Здесь располагают выемочно-погрузочные машины и транспортные пути, необходимые для удаления полезного ископаемого.

Рис. 23.2. Элементы уступа горной выработки:

1 - верхняя и нижняя площадки; 2 - откос уступа; 3 - бровка вскрыши; 4 - вскрыша; 5 - развал взрывной породы; 6 - экскаватор; α - угол откоса уступа; β - угол откоса вскрыши; H_у - высота полезной толщи породы; h - высота уступа

Подготовленную для разработки часть уступа по длине называют фронтом работ уступа, поверхность горных пород в пределах уступа или развала, являющуюся объектом выемки - забоем. Для планомерной добычи породы и рационального использования строительных и транспортных машин месторождение разрабатывают слоями. Толщина и возможное число слоев зависят от мощности залежи и пустой породы, от параметров выемочно-погрузочного оборудования. Выемку слоев ведут последовательно сверху вниз независимо от направления напластования горных пород.

Залежи толщиной менее 2-3 м разрабатывают одним уступом. Наклоненные и крутопадающие залежи горизонтальной мощностью 20-40 м разрабатывают в несколько уступов, причем нарезка нового уступа связана с полной выемкой полезного ископаемого на вышележащем горизонте.