Лекція 1
Тема: мета, предмет та задачікурсу «Основи гірничого виробництва». Основні відомості про гірськіпороди та корисні копалини
Мета:отримати уявлення про курс«Основи гірничого виробництва», з'ясувати його значення дляпідготовки фахівців з економіки; сформувати та розвинути знання про кориснікопалини та гірські породи
План
1. Мета, предмет та задачі курсу «Основи гірничого виробництва»
2. Короткі історичні відомості про розвиток гірничої справи
3. Класифікація гірських порід та їх основні фізико-механічні властивості
4. Класифікація корисних копалин та основні їх родовища в Україні
Гірнича справа єоднією з найдавніших, відомих людству, наук. Ще первісна людина здійснювалапримітивні гірничі роботи для задоволення своїх потреб. Потім людству сталивідомі метали, але для їх отримання необхідно було видобувати сировину.Поступово удосконалювалася техніка та технологія ведення гірничих робіт, агірнича справа оформилася як окрема галузь науки та техніки. Метоюнашого курсу є вивчення принципів таметодів організації, планування і ведення гірничих робіт. Предметом курсу є сукупність процесіввидобування корисних копалин з надр землі.
Основними завданнями курсу є:
· отриманнявідомостей про кориснікопалини та їх властивості;
· вивченняосновних способіввидобутку корисних копалин;
· ознайомленняз технологією видобутку корисних копалин;
Історіягірничої справи та історія людства невід'ємні одна від одної.
Цілеспрямованій розробці надр передувало збирання кам'яноїсировини (ранній палеоліт — близько 2,5 млн. років тому). Цей період характеризувавсязбиранням із земної поверхні кам'яного матеріалу. Використовувалося близько 20мінералів і більше 10 видів гірничих порід (яшма, обсидіан, роговик). У епохунеоліту з'явилося використання кам'яних інструментів, а потім і рогів тварин якгірничого устаткування. Першими достовірними відомостями про ведення гірничихробіт можна вважати різноманітні предмети бронзового віку, знайдені археологамипри вивченні розкопок стародавніх держав Середземномор'я, Малої Азії, наБалканах, і, особливо в Давньому Єгипті, який саме за рахунок високорозвинутої(на ті часи) гірничодобувної промисловості (а саме через контроль великоїкількості мідних і золотих копалень), зміг стати на довгий час однією знайбільших держав старовини.
Основним будівельним матеріалом були камінь, дерево, цегла.Розповсюдження того чи іншого матеріалу залежало від наявності місцевихресурсів. Але ведучим будівельним матеріалом став камінь під впливом потреби вмонументальних спорудах.
Розгорнуте будівництво вимагало великої кількості каменю. М'якікамені вирубували. Для добування більш твердих порід металевим засобом робиливруби, куди вбивали сухі дерев'яні клини. Ці клини потім деякий час розмочуваливодою: набухаючи, вони рвали міцний камінь.
Початок використання мідного знаряддя був орієнтовно у 5-6тисячолітті до н.е. Видобувалися, в основному, мідь, золото, олово, свинець.Пізніше почали використовувати залізні долота і кайла (Вірменія, Алтай, Балканиі ін.). Для виймання руди з поверхневих пластів викопували ями і котловани, якіз часом почали називати кар'єрами. Виробки такого типу досягали довжини 100 м іглибини 20-30 м.
Новим способом, що використовувався аж до XVI ст., був такзваний вогневий спосіб видобутку руди. При цьому в забої розпалювали вогнище,яке нагрівало породу, а потім пласт обливали водою. Внаслідок цього породатріскалась, і, таким чином, значно полегшувалось видобування корисних копалин.
Перехід до розробки більш глибоких горизонтів вимагав новихзнарядь для відкачки води. Для розв'язання цієї задачі почали широковикористовувати водовідливні штольні, а також найпростіші водовідливнімеханізми, такі як Архімедів гвинт та водочерпальні колеса.
З приходом феодального ладу пов'язаний новий підйомпродуктивних сил і збільшення видобутку КК. Так в 4-5 століттях починаєтьсярозробка вугільних родовищ в районі Льєжа, в 13 столітті в Європі починаєтьсявидобуток кам'яної солі методом розчинення.
Збільшення виплавки та обробки металів викликало змінувідношення й до гірничої справи, яка перетворилась у особливу сферудіяльності.
Розвиток продуктивних сил у середні віки вимагав збільшеннявидобутку залізної руди, кам'яного вугілля й інших корисних копалин.Розширення торгівлі збільшувало попит на дорогоцінні метали — золото і срібло,видобуток яких у зв'язку з цим значно зріс.
Великий виробничий досвід в галузі гірничої справи,накопичений до початку XVI ст. у країнах Західної Європи, був упершеузагальнений «батьком» гірничої справи, як науки — видатнимнімецьким вченим Г. Агріколою (1508-1557) у праці «Про гірничу справу іметалургію» (1550р.). Ця книга протягом 200 років була основним посібникомз гірничої справи.
У XVIII ст. стали робити перші досліди із застосуваннямпороху для руйнування гірничої породи. Гірничі роботи велися за допомогоюручних залізних гірничих знарядь (кайл, кирок, молотів, лопат і т.п.). Увинятково твердих породах дозволялося застосовувати вогневий метод. Видобутуруду доставляли по гірничих виробках у тачках або чотириколісних візках.Використовували також різного виду коловороти (ручні, зі шкіряним приводом абогідравлічними колесами). Маркшейдерські роботи поступово виділилися всамостійну галузь гірничої справи.
Епоха гірничих машин пов'язана з виникненням мануфактурноговиробництва. В цей час особливо важливу роль зіграв винахід парового котла і,значною мірою, універсального двигуна Дж. Уатта в 1774 р.
Величезний вплив на гірничу справу зробив винахід паровоїмашини. Це позначилося на конструкції багатьох машин, що були створені в цейперіод (вентилятори, компресори, перфоратори). В усіх цих машинах панує принципзворотно-поступального руху, тобто принцип, найбільш повно використовуваний впоршневій парової машині.
Якісно новий період настав під час промислового переворотув 19 столітті з початком виробництва гірничих машин. Так, в 1834 р. Г. Отіс(США) розробив перший паровий одноківшовий екскаватор на залізничному ході.
З другої половини XIX ст. одержало розповсюдження канатнебуріння, при якому штанга з закріпленим на її кінці долотом опускалась в свердловинуна канаті, а не на системі жорстких штанг. Після пробурювання невеликоїчастини свердловини долото легко підіймалось на поверхню, а для очищеннясвердловини від породи туди на канаті опускали видовжене відро — «желонку».
Проте при канатному бурінні штанга поверталася з дужевеликим зусиллям. Тому незабаром з'явилися «самообертальні» ударніштанги. Були створені спеціальні бурові верстати для буріння свердловин наглибину понад 1000 м.
У першій половині XIX ст. були проведені роботи з механізації транспортуваннякорисних копалин. На багатьох рудниках і шахтах стала використовуватисяканатна відкатка, при якій вагонетки прикріплялися до нескінченно рухомогоканату, закріпленого між двома шківами, один з яких приводився в рух абоконем, або паровою машиною.
Найбільш цікаві винаходи у галузі транспортування корисних копалинбули зроблені в золотопромисловості. У 1861 р. інженером А.Лопатіним буввинайдений так званий пісковоз. Це був перший стрічковий конвеєр, призначенийдля транспортування золотоносних пісків до машин, а відмитих пісків у відвал.Лопатін широко застосовував свій винахід на копальнях Східного Сибіру.Заглиблення гірничих виробок і збільшення їх довжини різко погіршили рудничнуатмосферу. Це призвело до зростання числа вибухів в шахтах. Застосуванняпарової машини в рудниках також викликало ряд великих катастроф. Тому проблемупровітрювання шахт стала дуже гострою. У XIX ст. застосовуютьсяпоршневі вентилятори, діаметр поршня доходив до 5,5 м. Громіздкість і малаефективність таких вентиляторів змушувала шукати нове рішення. Новим засобомстав відцентровий вентилятор.
Уперше успішно працюючий відцентровий вентилятор був винайденийінженером А.А.Саблуковим в 1832 р. Проблему освітлення в шахтах вирішив винахідв 1815 р. англійським хіміком Г.Деві вибухобезпечної лампи.
Першаконструкція бурового верстата для обертального буріння була виготовлена у 1862р., яка пізніше була удосконалена і забезпечена важільним регулятором тискукоронки на вибій. У другій половині дев'ятнадцятого століття масштабнебудівництво залізниць і каналів, а також розвиток гірничовидобувних робітпривів до необхідності переміщення великих мас землі, яке вже не могло бутиздійснене за допомогою ручної праці землекопів. Це привело до активногорозвитку різноманітних землерийних машин. Так, наприклад, у Німеччинізастосовувалися «будівельні локомобілі», оснащені одноканатними грейферами.
У 1906 р. англієць Сеткайф сконструював стрічковий конвеєр дляпластів невеликої потужності. Спочатку в конвеєрі застосовувались бавовняністрічки, а пізніше — прогумовані.
Після першої Світової війни, одночасно із загальнимрозвитком техніки, активізувався і розвиток екскаваторів. Двигуни внутрішньогозгорання і електропривод, застосування гусеничного (і крокуючого) ходудозволили істотно збільшити потужності і мобільність екскаваторів. Екскаватористали повноповоротними, збільшилася номенклатура їх робочого устаткування(пряма і зворотна лопата, драглайн, струг і ін.) і сфера їх застосування(розкривні, тунельні роботи і ін.). У США і в Росії удосконалювалися одноківшовіекскаватори. Вже на початку 50-х років XX століття використовувалися гігантськіекскаватори з ковшами об'ємом до 30 куб.м.
У Німеччині та Франції почали будувати все більш могутнібагатоковшові екскаватори.
Революція в розвитку гірничих робіт наступила іззастосуванням для приводу машин і механізмів електроенергії. На змінумалопотужним машинам приходять високопродуктивні машини і механізми. Длябуріння свердловин застосовувались верстати ударно-канатного буріння, на змінуяким прийшли шарошкові та ін.високопродуктивні верстати. Зростає місткість ковша і параметри кар'єрних ірозкривних екскаваторів. Все ширше застосовуються драглайни.
Ростуть об'єми видобутку бідної залізної руди, яка ранішене вважалася корисною копалиною через низький вміст корисного компоненту, узв'язку з чим в 50-х роках почалося будівництво великих ГЗК.
У наш час глибина сучасних кар'єрів досягла відмітки300-450 м, а в деяких випадках до 800 м. Щорічно з кар'єру вивозяться десятки,а іноді і сотні мільйонів кубометрів гірської маси, які можна також використатине тільки в гірничій промисловості, а і в інших галузях народного господарства.
Таким чином, зараз гірська справа забезпечує сировиннийресурс промисловості, транспорту, сільського господарства і будівництва. Вона єсуспільним виробництвом, в якому працюють сотні тисяч людей.
Давайте з Вамивизначимося з основними поняттями, якими ми будемо оперувати впроцесі вивчення курсу ОГВ:
Гірничасправа– розділтехніки, який охоплює комплекс процесів по видобутку корисних копалин з надрземлі та їх первинної обробки.
Мінерал— природне хімічне поєднання, якеоднорідне за складом та будовою та є складовою частиною гірських порід та руд(кварц, кальцит, магнетит). Вони зустрічаються у природі в твердому стані(кварц, слюда, кальцит), рідше в рідкому (самородна ртуть) та газоподібному(сірководень). Виникають мінерали в результаті різноманітних фізико-хімічнихпроцесів, які відбуваються в земній корі, включаючи життєдіяльністьмікроорганізмів. В природі відомо близько 2000 мінералів. Мінерали класифікуютьза хімічним складом та кристалічною структурою та поділяють на самородні,сульфіди, окисли, галоїди та солі кисневих кислот.
Гірськапорода –геологічне тіло, яке складене агрегатами мінералів більш-менш постійного складута утворене при різноманітних геологічних процесах всередині землі та на їїповерхні. Гірські породи складаються з одного або декільком мінералів (мармур,граніт та ін).
Кориснакопалина– гірські породи або мінерали, які видобуваються з надр землі з метою їхподальшого використання. Корисні копалини в природі зустрічаються у декількохстанах – твердому (вугілля, руда, мармур), рідкому(нафта) та газоподібному(природний газ). Корисні копалини в залежності від використання поділяються наруди чорних та кольорових металів( вугілля, залізна руда, марганець, цинк таін), хімічну сировину (сіль, сірка, апатит та ін) та будівельні матеріали(граніт, мармур, вапняк).
Родовищекорисної копалини – природне скупчення корисної копалини в земній корі, якемає геологічну та просторову відособленість від оточуючих гірських порід.Родовище називають промисловим, якщо його розробка економічно доцільна,непромисловим – у протилежному випадку.
Порожняпорода –це гірська порода, яка не містить корисної копалини або містить її унедостатній кількості. Поняття корисна копалина та порожня порода доситьвідносні. При розробці рудних родовищ вапняк та глина є порожніми породами,оскільки вони не містять заліза, а на родовищах будівельних матеріалів ці ж гірськіпороди є корисними копалинами.
Гірськамаса –вся маса руди та порожньої породи, яка видається на поверхню шахти (кар’єру) якв змішаному вигляді, так і окремо.
Класифікують гірські породи за різнимиознаками:
Класифікаційна ознака
Вид гірської породи За агрегатним станом
· тверді (руда, вугілля та ін);
· рідкі (нафта, вода);
· природні гази. За походженням
· магматичні (утворені в процесі охолодження та затвердіння магматичних розплавів в надрах землі та на її поверхні);
· осадові(утворюються в результаті руйнування раніш сформованих гірських порід та наступного накопичення та перетворення продуктів цього руйнування);
· метаморфічні (утворюються з магматичних та осадових порід, які піддаються впливу високих температур, тиску та хімічних речовин) В залежності від характеру зв'язків
· пухкі (пісок, гравій, галька);
· зв’язні (глини, суглинки, боксити);
· тверді – скельні та напівскельні (граніти, гнейси). Як об’єкт гірничих розробок
· скельні;
· напівскельні;
· щільні;
· м'які;
· сипучі;
· зруйновані. За структурою
· кристалічні;
· приховано кристалічні;
· склуваті;
· порфірові;
· уламкові. За текстурою
· масивні;
· пористі;
· шаруваті.
До основних фізико-механічнихвластивостей гірських порід слід віднести:
Щільність вмасиві –відношення маси гірської породи в природному заляганні до об’єму, який воназаймає. Щільність коливається в широких границях від 0,8 до 23 ( гіпс 2,3,алмаз 3,5, корунд 4 і т.д.)
Міцність характеризується границеюміцності, тобто максимальною напругою, яку може витримати зразок породи,вимірюється в МПа
Твердість – здатність гірської породичинити опір входженню в неї більш твердого інструменту. Твердість обумовленасилою зчеплення частинок. Для оцінки твердості застосовується шкала Мооса.
В’язкість – опір породи силам, які роз’єднуютьїї частинки
Пружність – здатність гірської породивідновлювати свою форму та об’єм після припинення дії зовнішніх сил
Абразивність – здатність гірської породизношувати деталі, які контактують з нею. За методикою Барона та Кузнєцовапоказник абразивності визначають як сумарну втрату маси (в мг) стержня, щообертається з частотою 400 об/хв., притиснутого до породи при осьовомунавантаженні 150 Н за 10 хвилин.
Коефіцієнтрозпушення – відношення об’єму породи в порушеному стані до її об’єму в масиві.
Кускуватість гірських порідхарактеризується вмістом в ній шматків певного розміру.
Влагоємність – здатність поглинати таутримувати воду.
Коефіцієнтміцності– запропонований М.М. Протод'яконовим і характеризує здатність гірської породиопиратися руйнуванню.
Кориснікопалинитакож мають свою класифікацію:
№
Класифікаційна ознака
Вид корисної копалини 1 За умовами утворення
· ендогенні(магматичні, пегматитові, карбонатитові, гідротермальні та ін.);
· екзогенні (розсипні, осадові);
· метаморфогенні 2 За походженням
· органічного походження;
· неорганічного походження; 3 За фізичним станом
· тверді;
· рідкі;
· газоподібні 4 За умовами залягання
· пластові
· жильні та ін 5 За промисловим використанням
· металеві (рудні)
· неметалеві (нерудні)
· горючі (паливні)
· гідромінеральні
Давайтедетальніше розглянемо корисні копалини за останньою класифікаційною ознакою. Дорудних корисних копалин відносяться такі:
· рудичорних металів ( залізо, марганець, хром, титан, ванадій), основні родовища:залізні руди (Криворізький, Кременчуцький, Бєлозерський та Керченськийбасейни), марганцеві руди (Нікопольське марганцеве родовище), титану(титаноносні кори вивітрювання Волинського масиву та Українського щита),ванадій (Керченський залізорудний басейн, Український щит), хромові руди вУкраїні не добувають.
· рудилегких металів (алюміній) представлені в Приазов’ї, Закарпатті та в межахУкраїнського щита.
· рудикольорових металів (мідь, свинець, цинк, нікель). Родовища міді, свинцю тацинку в Україні невідомі, родовища нікелю виявлені на Побужжі та вПридністров’ї.
· рудирідкісних металів (олово, вольфрам, молібден, ртуть, берилій, літій). Рудопрояви олова відомі в межах Українського щита та Приазов’я; вольфрам – у межахУкраїнського щита, ртутні руди Микитівське родовище на Донбасі), а також наЗакарпатті; берилій зустрічається у рудах в межах Українського щита та вПриазов’ї; літій ( Єсаулівське – Донбас, та в межах Українського щита),родовища молібдену в Україні не розвідані.
· рудиблагородних металів (золото, срібло, платиноїди) золото в Україні видобуваютьна Закарпатті (Мужіївське родовище), в межах Українського щита, в Донецькомурегіоні та у Карпатській золотоносній провінції; родовищ срібла та платиниУкраїна не має.
· рудирадіоактивних металів (уран, торій, радій) родовища уранових руд є в Україні вПриазов’ї (Слісевське пегматитове родовище), Донбасі, частково у Карпатах,Побужжі, та серед порід Криворізько-Кременчуцької залізорудної смуги.
· рудирозсіяних металів (актиній, рубідій, селен, германій, телур та ін)
До неметалевихкорисних копалин відносять такі:
· горно-хімічнасировина ( калійна, кам'яна сіль, сірка, фосфатніруди). Родовища цих корисних копалин відомі в Івано-Франківській, Львівськійобл. (калійні солі), Прикарпатті (сірка), Донбасі та Закарпатті (кам'яна сіль),Придністров'я, Прикарпаття та Сумщина (фосфорити), вогнетривкі та бентонітовіглини, флюсові вапняки, доломіти, формувальні піски, цеоліти та графіти. Родовищацих корисних копалин відомі на Донбасі (Часовоярське, Новорайське), Придніпров’я(П'ятихатське, Кіровоградське) у Криму
· гірничотехнічнасировина (слюда, азбест, графіт, тальк). Їх родовища виявлені на Побужжі,Приазов’ї, Криворіжжі (слюди, талькові руди), в межах Українського щита(графіт)
· неруднібудівельні матеріали (граніт, лабрадорит, вапняк, мармур, мергель та ін). їхвидобувають в межах Українського щита (граніт, вапняк, лабрадорит), на Донбасі(вапняк, мармур, мергель), у Криму (вапняк, мармур), на Закарпатті (мармур)
· п'єзооптична сировина ( кварц,ісландський шпат). Їх родовища розташовані в Приазов’ї та в межах Українськогощита.
· коштовнекаміння (бурштин) – Рівненська, Київська, Житомирська, Львівська та Харківськаобл.
До горючих(паливних) корисних копалин відносять такі:
· тверді(кам'яне та буре вугілля, торф, горючі сланці, сапропеліти). Вони зустрічаютьсяу межах Дніпровсько-Донецької западини (горючі сланці), у Карпатах (горючісланці), у Криму (горючі сланці), Закарпатті (буре вугілля), Передкарпатті(буре вугілля), Донбасі (кам'яне вугілля, сапропеліти)
· Рідкі(нафта, асфальт, озокерит) корисні копалини в Україні видобувають в межахДніпропетровсько-Донецької області та в шельфі Чорного моря, в Львівськійобласті (озокерит)
· Газоподібні(природні горючі гази) в межах Дніпровсько-Донецького району, Прикарпаття, наХарківщині.
Гідромінеральнікорисні копалини – мінеральні води знаходяться в Україні в межах українськихКарпат ( Нафтуся, Свалява, Поляна Квасова), Українського щита (Хмільник),Дніпровсько-Донецької западини (Миргород) та ін.
Рекомендована література:
1. Гірничий енциклопедичний словник: В3т. – Донецьк.: Східний видавничий дім, 2001.
2. Борисов С.С. Горное дело: Учебник длятехникумов. – М.: Недра, 1988. – 320с.: ил.
3. Анистратов Ю.И. технология открытойдобычи руд редких и радиоактивных металлов: Учебник для вузов. – М.: Недра. –1988. – 430 с.: ил.