Как прибыль определяет, что мы добываем, и почему это важно

Горное дело — это не просто рыть яму. Это процесс извлечения полезных ископаемых с поверхности Земли, включая моря. Но вот в чем загвоздка. Минерал — это неорганическое вещество с определенной химической формулой и характерными физическими свойствами. Уголь является исключением: это органическое вещество, которое часто включают в эту группу. Затем есть руда. Руда — это рудный минерал или совокупность таких минералов и пустой породы (горной породы, не имеющей экономической ценности), которые можно добывать с прибылью.

Минеральное месторождение обозначает естественное скопление полезного минерала. Рудное месторождение означает минеральное месторождение достаточных масштабов и концентрации, чтобы его можно было осваивать. Видите разницу? Все сводится к деньгам.

Почему ценники определяют геологическую реальность

При оценке минеральных месторождений крайне важно учитывать прибыльность. Общее количество минерала в данном месторождении называется минеральной запасной базой. Только то количество, которое можно добыть с прибылью, называется рудными запасами. По мере роста цены продажи минерала или снижения затрат на добычу доля минеральной запасной базы, классифицируемой как руда, увеличивается.

Очевидно, верно и обратное. Шахта может прекратить производство, потому что минерал исчерпан. Или потому, что цены упали или затраты возросли настолько, что то, что раньше было рудой, теперь лишь минерал. Это меняющееся определение. Земля не меняется. Меняются цифры.

Глубокие корни добычи

Археологические находки свидетельствуют о том, что горное дело велось в доисторические времена. Первым используемым минералом был кремень. Его раковистый излом позволял раскалывать его на острые осколки. Полезные в качестве скребков, ножей и наконечников стрел. В неолитический период (примерно 8000–2000 гг. до н. э.) во Франции и Великобритании в мягких меловых отложениях были вырыты шахты глубиной до 100 метров (330 футов). Им нужны были кремневые гальки. Красная охра и медный минерал малахит служили пигментами.

Старейшая известная в мире подземная шахта была вырыта более 40 000 лет назад. Она расположена на гребне Бомву в горах Нгвенья, Свазиленд. Там добывали охру для погребальных церемоний и раскрашивания тела. Золото было одним из первых используемых металлов. Его добывали из русел рек, состоящих из песка и гравия, где оно встречалось в виде чистого металла благодаря химической стабильности. Медь, химически менее стабильная, встречается в самородном виде и, вероятно, была вторым открытым металлом. Серебро также находили в чистом виде. В одно время оно ценилось выше золота.

Древняя плавка и монументальный камень

Историки говорят, что египтяне добывали медь на Синайском полуострове еще в 3000 г. до н. э. Некоторые образцы бронзы (сплава меди с оловом) датируются примерно 3700 г. до н. э. Железо датируется примерно 2800 г. до н. э. Египетские записи о выплавке железной руды датируются 1300 г. до н. э. Свинец, найденный в древних руинах Трои, производился уже в 2500 г. до н. э.

Одним из самых ранних свидетельств строительства из камня, добытого в карьерах, было строительство (2600 г. до н. э.) великих пирамид в Египте. Пирамида Хеопса, самая большая, имеет 236 метров (775 футов) по сторонам основания. Она содержит примерно 2,3 миллиона блоков двух типов известняка и красного гранита. Считается, что известняк был добыт в карьере на противоположном берегу Нила. Блоки весом до 15 000 кг (33 000 фунтов) транспортировались на большие расстояния. Поднимались на место. Они демонстрируют точную резку, которая привела к созданию плотно подогнанной кладки.

От поджигания породы к пневматической энергии

Одним из самых полных ранних трудов по методам горного дела в Европе является работа немецкого ученого Георгия Агриколы «De re metallica» (1556). Он описывает подробные методы проходки шахт и тоннелей. Мягкую руду и породу кропотливо добывали киркой. Более твердая руда требовала кирки и молота, клиньев или нагрева.

Поджигание породы заключалось в том, чтобы сложить кучу бревен у лицевой поверхности породы и сжечь их. Тепло ослабляло или раскалывало породу из-за теплового расширения. При необходимости использовались примитивные системы вентиляции и откачки воды. Подъем по шахтам и наклонным выработкам осуществлялся с помощью ворот. Транспортировка производилась в «вагонетках» и тачках. В тоннелях применялись системы деревящей крепи.

Великий прогресс в горном деле был достигнут, когда секрет черного пороха попал на Запад. Вероятно, из Китая в конце Средневековья. В середине XIX века в качестве взрывчатого вещества его заменил динамит. С 1956 года широко используются как нитроаммиачные взрывчатые вещества, так и шлам-взрывчатые вещества (смеси воды, топлива и окислителей). Стальной бур с клиновидным наконечником и молоток впервые использовались для бурения скважин для установки взрывчатки. Опыт показал, что правильное расположение скважин и порядок взрыва важны для достижения максимального разрушения породы в шахтах.

Изобретение механических буров, работающих на сжатом воздухе (пневматических молотов), значительно увеличило возможности по добыче твердых пород. Это снизило затраты и время на выемку в несколько раз. Сообщается, что англичанин Ричард Тревитик изобрел ротационный паровой бур в 1813 году. Механические поршневые буры, использующие прикрепленные к бурильным штангам долота и движущиеся вверх и вниз, как поршень в цилиндре, появились в 1843 году. В Германии в 1853 году был изобретен бур, напоминающий современные пневмобуры. Поршневые буры были вытеснены отбойными молотками, работающими на сжатом воздухе. Их производительность улучшилась благодаря лучшему дизайну и доступности качественной стали.

Развитие бурения сопровождалось улучшениями в методах погрузки. От ручной погрузки лопатами до различных типов механических погрузчиков. Транспортировка также эволюционировала от переноски людьми и животными. К рудничным вагонам, тягачами которых служили электрические локомотивы и конвейеры. А затем к крупногабаритным автомобилям на резиновых шинах. Аналогичные разработки произошли в открытой добыче. Резко увеличив объем производства и снизив стоимость металлических и неметаллических продуктов. Крупные экскаваторы с ковшовыми колесами, используемые в открытой добыче угля, применяются и в других типах карьеров.

Как шахтеры решили проблему с водой и освещением

Вода раньше была главным врагом шахтеров. Она затопляла шахты, портила оборудование и делала глубокую добычу практически невозможной. Затем в XVIII веке Джеймс Уатт представил паровую машину. Внезапно паровые насосы смогли откачивать воду из глубоких шахт. Проблема не исчезла, но стала управляемой.

Освещение шло по схожему пути. Ранние шахтеры полагались на свечи или масляные лампы, сжигающие китовый жир, каменноугольную нефть или керосин. Свет был тусклым. Это было опасно. К 1890-м годам стало ярче, но и взрывоопаснее. Ацетиленовый газ, получаемый при капании воды на карбид кальция, горел в металлическом отражателе. Пламя зажигалось кремнем. Света хватало для работы, но горючий газ в шахте? Это прямой путь к катастрофе.

Настоящий перелом наступил в 1930-х годах с появлением аккумуляторных шахтерских ламп. Никакого открытого пламени. Никаких баллонов с ацетиленом. Просто свет. С тех пор инженеры совершенствовали срок службы батарей, вес и интенсивность света. Теперь шахтеры могут четко видеть, не неся на голове потенциальный взрыв.

Легко романтизировать горное дело. Вспомните одинокого золотоискателя с киркой. Этот образ мертв. Современная добыча — это машины, обеспечивающие грубую силу, и обученные специалисты, отвечающие за стратегию. Мы извлекаем золото с глубины 4000 метров. Это более 13 000 футов. Открытые карьеры копают на глубину более 700 метров. Масштаб промышленный, а не ремесленный.

Как находить минералы с помощью современных методов разведки

Поиск месторождения полезных ископаемых называется разведкой. Когда вы находите потенциальное место, называемое перспективным участком, вы проводите его изучение. Вам нужно знать размер, форму, ориентацию и качество минералов. Вам нужно знать, где находятся ценные руды относительно поверхности.

Традиционные разведчики обходили землю пешком. Они изучали обнажения, почву и осадки. Прямое наблюдение по-прежнему работает. Но современные разведчики используют инструменты для сужения радиуса поиска. Они ищут аномалии. Аномалия — это разница между тем, что вы видите, и тем, что вы ожидаете увидеть.

Аэрофотосъемка и спутниковые снимки помогают быстро сканировать большие территории. Изменения в геологической структуре, типе горных пород, почве или растительности могут указывать на минерализацию ниже. Геофизическая разведка проникает глубже. Она использует гравиметрические, магнитные, электрические, сейсмические и радиометрические методы. Эти инструменты измеряют свойства горных пород, такие как плотность, магнитная восприимчивость, электропроводность и радиоактивный распад.

Геохимическая разведка ищет химические подсказки. Ученые собирают образцы почвы, озерных осадков, воды, ледниковых отложений, горных пород, растительности, тканей животных, микроорганизмов, газов и воздуха. Они тестируют их на наличие микроэлементов. Необычные концентрации указывают на месторождение.

Методы разведки: траншеи, штольни и отбор кернов

После выявления перспективных участков начинается полевая разведка. Метод зависит от типа и глубины месторождения. Если месторождение выходит на поверхность, неглубокие траншеи выкапываются бульдозерами или экскаваторами. Траншейные работы дают точные данные о приповерхностных слоях и большие объемы образцов. Но они ограничены глубиной, на которую может работать оборудование.

Иногда прокладываются специальные штольни. Это дорого и медленно. Штольни в основном используются для создания площадок для бурения. Оттуда можно изучить большой объем породы, чтобы построить трехмерную модель рудного тела. Старые шахты и штольни также полезны. Они обеспечивают легкий доступ для отбора проб существующих запасов или изучения продолжений.

Наиболее распространенным методом является бурение скважин. Алмазный буровой инструмент вырезает узкую прорезь в породе. Он извлекает цилиндрический керн из центра. Это отбор кернов. Скважины могут иметь длину в сотни или тысячи метров. Стандартный диаметр составляет около 50 миллиметров.

Керны помещаются в специальные ящики в том порядке, в котором они были извлечены. Геологи ведут журнал каждого керна. Они описывают типы горных пород, минералы и структурные особенности, такие как трещины, разломы и слои. Они оценивают прочность породы. Керн часто распиливается вдоль. Одна половина отправляется в лабораторию для определения содержания полезных компонентов.

Очерчивание рудного тела с помощью карт и моделей

Скважины бурятся по регулярной схеме. Их местоположение наносится на плановые карты. Для визуализации месторождения на глубине скважины также наносятся на вертикальные плоскости, называемые разрезами. Геолог изучает каждый разрез. Используя данные с карт, журналов кернов и знания геологических структур, он заполняет пробелы между скважинами и плоскостями.

Этот метод создает модель рудного тела. Он хорошо работает для месторождений среднего и малого размера с четкими границами между рудой и пустой породой. Их часто добывают подземным способом. Но для крупных месторождений, добываемых открытым способом, этот подход встречается реже. Он в значительной степени был заменен блочными моделями. Они подробно описаны в разделе о добыче открытым способом.

Цель — не просто найти породу. Это понять ее структуру, качество и объем, прежде чем сдвинется первая лопата.

Отрасль перешла от догадок к точности. Аномалии больше не просто визуальные курьезы. Это точки данных. А точки данных принимают решения на миллиарды долларов.

Картирование рудного тела

Месторождения полезных ископаемых не расположены случайным образом. Они имеют определенную форму. Большинство из них имеют таблитчатую форму, словно клин, зажатый между параллельными слоями горных пород, подобно ломтику хлеба в буханке. Для ориентирования в таких структурах горняки опираются на два измерения. Дип показывает угол наклона относительно горизонта. Азимут простирания указывает направление по компасу.

Также необходимо знать, что находится над месторождением, а что под ним. Порода, залегающая над месторождением, называется потолком (hanging wall). Материал, находящийся под ним, — полом (footwall). Простые термины. Критически важные для безопасности.

Содержание полезного компонента не является статичным

Не вся руда одинакова. Концентрация ценного минерала называется содержанием полезного компонента (grade). Это значение может сильно колебаться в пределах одного месторождения.

Вот суровая правда. Само по себе наличие минерала не означает, что его выгодно добывать. Существует отсечка по содержанию (mine cutoff grade). Ниже этого порога добыча материала приводит к убыткам. Как только порода извлечена из-под земли, возникает еще одно препятствие. Отсечка по переработке (mill cutoff grade). Это точка, ниже которой переработка породы больше не приносит прибыли.

Затем есть безубыточное содержание (break-even grade). Это точка перелома. Затраты равны выручке. Все, что выше, — руда. Все, что ниже, — пустая порода.

Так как же определить, какие запасы являются экономически целесообразными? Нужно смотреть на цифры. Затраты на добычу сильно варьируются. Они зависят от системы разработки, техники и срока службы рудника. Это сложный расчет.

Рассмотрим открытые горные работы. Они начинаются с поверхности. Дешево. Просто. Но по мере углубления меняются физические условия. В конце концов, может потребоваться переход на подземную добычу. Стоимость за тонну резко возрастает. Чтобы оправдать этот скачок, подземная руда должна иметь более высокое содержание полезного компонента. Если этого нет, руду оставляют в недрах.

Открытые горные работы доминируют

Более двух третей мирового годового производства полезных ископаемых приходится на открытые горные работы. Это основной метод.

Существует три основных типа:
— Открытая разработка (карьеры)
— Отвалы (strip mining)
— Каменоломни

Они различаются по форме, технике и тому, что извлекается из недр.

Открытая разработка создает огромную выработку. Иногда она срезает вершину холма. Отвалы — это другое дело. Они линейны. Драглайн или гигантский экскаватор снимает длинные узкие полосы земли. Вы выкапываете полезное ископаемое, переходите к следующей полосе и сбрасываете отходы из новой полосы в яму, которую только что сделали. Это эффективно для тонких, плоских угольных месторождений. Поэтому их часто выделяют в отдельную категорию.

Каменоломни делятся на два направления. Одно — для декоративного камня. Определенные цвета, размеры, формы. Дорогая работа. Другое — для песка, гравия и щебня. Используется для дорог, цемента, бетона. Техники здесь зеркально отражают открытую разработку. Поэтому мы сосредоточимся на декоративной стороне. На премиальном сегменте.

Геометрия карьера

Открытые горные работы строятся слоями, называемыми банками.

Какова их толщина? Обычно 12–15 метров. Примерно 40–50 футов. Зависит от породы и оборудования. Горняки работают на нескольких банках одновременно. Они перемещаются по ним с помощью пандусов. Эти пандусы широкие. 20–40 метров в ширину. Вы опускаете пандус вниз, чтобы начать новый уровень. Вырезаете глубоко, затем расширяете. Так формируется новое дно карьера.

Стенки имеют огромное значение.

Угол наклона определяется прочностью породы. Стабильность не подлежит обсуждению. Особенно по мере углубления карьера.

Вот в чем напряженность. Увеличение угла наклона всего на несколько градусов может сэкономить миллионы долларов на вскрышных работах. Это может увеличить извлечение руды. Но это также провоцирует обрушение. Срывы откосов могут вовлекать миллионы тонн материала. Это риск. Рудники проводят постоянные программы по обеспечению устойчивости. Они анализируют структурные данные, уровень грунтовых вод и схемы взрывных работ. Один крупный карьер может использовать пять или более различных углов наклона откосов.

По мере углубления вы удаляете больше пустой породы. В конце концов, математика ломается. Стоимость извлечения обнаженной руды превышает ее стоимость. Добыча останавливается.

Этот баланс называется коэффициентом вскрыши. Пустая порода, деленная на извлеченную руду. Безубыточный коэффициент вскрыши зависит от стоимости руды и затрат. Когда вы его достигаете, работа завершена.

Как рассчитать запасы руды для открытых горных работ

Оценка запасов — это не просто предположения. Она начинается с бурения разведочных скважин. Нанесите их местоположение на карту. Постройте вертикальные разрезы через них. Вы получите вертикальную протяженность рудного тела. Расположение уступов определяется исходя из этого.

Но добыча ведется горизонтальными слоями. Поэтому запасы рассчитываются также по горизонтальным срезам. Каждый срез соответствует высоте уступа. Эти срезы разбиваются на блоки по линиям координат. Длина и ширина блока? Как правило, в один-три раза больше высоты уступа.

Определите содержание полезного компонента для каждого отдельного блока. Сложите их вместе. У вас получится блочная модель. Она должна быть больше фактических запасов руды. Почему? Потому что вам нужно вырыть карьер, чтобы обнажить их.

Теперь добавьте в уравнение деньги. Затраты варьируются. Ожидаемая выручка варьируется. Имеет значение содержание полезного компонента. Имеет значение местоположение. Это создает экономическую блочную модель. Некоторые блоки оказываются внутри карьера. Другие остаются снаружи. Как решить, какие из них добывать?

Метод плавающего конуса является стандартным. Сначала представьте это в двух измерениях. Чтобы удалить блок руды, необходимо удалить все, что находится над ним. Нарисуйте перевернутый треугольник. Стороны соответствуют углу откоса. Основание находится на поверхности. Вершина касается блока руды. В трех измерениях? Это конус.

Сравните стоимость руды в вершине со стоимостью удаления всего конуса. Положительная чистая стоимость? Добывайте. Проведите эту проверку для каждого блока в модели. Результатом будет окончательный контур карьера.

Буровзрывные работы на открытых горных предприятиях

Крупные рудники перемещают почти миллион тонн материала ежедневно. А мелкие? Несколько тысяч. Процесс сводится к четырем этапам: бурение, взрывание, погрузка, транспортировка.

На крупных рудниках используются роторные буровые установки. Скважины имеют диаметр от 150 до 450 мм. Бурильный инструмент имеет три конуса с зубьями из стали или карбида вольфрама. Он вращается под большой нагрузкой. Разрушает породу путем сжатия и сдвига. Воздушные компрессоры выдувают буровой шлам через центр бурильной колонны.

На мелких карьерах используются пневматические или гидравлические ударные машины. Они устанавливаются на грузовиках или гусеничных платформах. Скважины меньше, от 75 до 120 мм.

Важна схема расстановки скважин. Вам нужна определенная степень дробления для последующей погрузки и дробления. Схема определяется двумя терминами: заряд и шаг. Заряд — это кратчайшее расстояние от скважины до лицевой поверхности уступа. Шаг — это расстояние между скважинами. Заряд обычно составляет от 25 до 35 диаметров скважины. Шаг обычно равен заряду.

Большинство взрывчатых веществ — это ААВ (аммиачная селитра с топливным маслом). Суспензия нитрата аммония, смешанная с топливным маслом. Перекачивается из цистерн. Одна скважина диаметром 400 мм и глубиной 7,5 метра может генерировать около одного миллиарда лошадиных сил. Это много энергии. Цель — полезное дробление. Не просто шум. Взрывники detonate скважины в контролируемой последовательности, чтобы управлять силой взрыва.

Погрузка и транспортировка тяжелых материалов

Цель взрывания проста. Разрушить породу. Переместить ее в кучу. Сделать погрузку легкой.

Электрические или дизель-электрические экскаваторы выполняют подъем на крупных карьерах. Также используются гидравлические экскаваторы. Размер определяется объемом ковша или ведра. Обычные вместимости варьируются от 15 до 50 кубических метров. Один захват может поднять от 30 до 100 тонн.

Грузовики должны соответствовать экскаватору. Эмпирическое правило? Заполнять грузовик за четыре-шесть движений экскаватора. Экскаватор с ковшом объемом 15 кубических метров сочетается с грузовиком грузоподъемностью 120–180 тонн. Самые большие грузовики перевозят более 350 тонн. Их двигатели развивают мощность более 3500 лошадиных сил. Диаметр шин превышает 3 метра.

Фронтальные погрузчики также играют роль. Их высокая мобильность помогает.

Транспортировка руды из глубоких карьеров

Карьеры становятся глубже. Самые глубокие превышают 800 метров. Транспортировка грузовиками на такую высоту обходится дорого. Появляются альтернативы.

Ленточные конвейеры распространены. Но они требуют дробления в карьере. Руда прямого выхода должна быть измельчена перед транспортировкой. Крутые углы — проблема. Большинство лент выдерживают максимум 18 градусов. Транспортировка непосредственно вверх по стенкам карьера? Инженеры все еще разрабатывают технологии для этого.

Что происходит после того, как руда вывезена из-под земли

Грузовик уезжает. Буровые отвалы отправляются на свалку. Ценное сырье — руда — поступает на перерабатывающий завод. Иногда, если качество достаточно высокое для прямой отгрузки, этап переработки полностью пропускается. Но это редкость. В большинстве случаев предприятия сортируют субрудные породы в отдельные кучи. Их могут вывезти позже. Или обработать химикатами прямо на свалке. Это называется щелочным выщелачиванием. Этот метод извлекает металлы без необходимости перемещать породу на обогатительную фабрику.

Почему мы добываем камень, не содержащий металлов

Из гранита небоскребы не строят. Обычно. Но он нам нужен. Он красиво выглядит. Он долговечен. Его легко чистить. Гранит, известняк, песчаник, мрамор, сланец, гнейс, серпентинит. Это основные породы. Если камень используется для несущих конструкций, стен, полов или просто в качестве декора, это строительный камень. Если его режут на блоки определенных размеров для строительства или памятников, он становится каменным блоком.

Хороший каменный блок должен быть однородным. Один цвет. Одна текстура. Без трещин. Он должен поддаваться полировке. Он должен выдерживать дождь. Этот раздел не о добыче земли. Он о резке камня.

Как формируется карьер

Карьеры не всегда представляют собой ямы в земле. Иногда это склоны холмов. Первый этап — очистка. Деревья убирают. Подлесок убирают. Затем снимают верхний слой почвы. Его складывают в штабеля для последующего рекультивирования. Просто выбросить его нельзя.

Камень добывают террасами. Срезами. Обычно толщиной от 4,5 до 6 метров. Но природа не следует правилам. Если есть естественный шов, карьер следует ему.

Блоки, которые вынимают, огромны. Иногда их называют лофами. Шесть метров в высоту. Шесть метров в глубину. До 18 метров в длину. Это 1200–2000 тонн. Такую массу не перемещают вилочным погрузчиком. Традиционно эту работу выполняли стационарные краны. Радиус действия крана определял форму карьера. Сейчас их вытесняют мобильные фронтальные погрузчики. Они поднимают блоки весом 30 тонн. Планировка меняется, потому что меняется техника.

Отходы здесь — главный враг. Лишь 15–20% добытого камня пригодны для использования. Остальное — щебень. Планирование места для отвалов отходов — важная часть работы.

Как резать камень, не ломая его

Как отделить блок от горы?

Много лет канатная пила была королем. Это стальной трос, спиральный, толщиной около 6 мм. Он несет суспензию воды и абразива — песка, оксида алюминия, карбида кремния. Трос не режет камень. Абразив режет. Трос лишь доставляет его.

Трос изнашивается. Прорезь становится уже. Если трос порвется, вы застрянете. Начинать заново — кошмар. Поэтому трос должен быть достаточно длинным, чтобы завершить работу. В граните используется около 27 метров троса на каждый квадратный метр реза. Один рез размером 6×9 метров требует 1450 метров. Вся установка может использовать от 3 до 5 километров троса. Приводится в действие электрическими или дизельными двигателями. Направляется шкивами. Один трос может делать несколько резов, если правильно настроить угол шкивов.

Преимущество? Гладкий рез. Без повреждения окружающей породы. Меньше работы позже. Но это медленно. И это заменяется.

Сжигание и бурение сквозь камень

Для твердых пород, таких как гранит, работает тепло. Струйные горелки используют мазут и кислород или воздух. Они горят как миниатюрный ракетный двигатель. Высокая температура. Высокая скорость. Они прорезают канал шириной 75–150 мм и глубиной до 6 метров. Ручные или автоматизированные. Они пропекают путь сквозь камень.

Или можно бурить. Пневматические или гидравлические ударные буры делают длинные параллельные отверстия. Линейное бурение использует близко расположенные пилотные отверстия. Затем более крупное долото расширяет середину. В более мягкой породе просто выбивают перемычку между отверстиями.

Выбор метода зависит от породы. Твердый гранит может быть вырезан огнем. Мягкий камень бурится. Цель всегда одна. Извлечь блок. Не сломать его. Не растерять.

Раскалывание камня без взрыва

Взрывчатка — не единственный способ разрушить камень. Иногда нужен чистый раскол, а не кратер.

Если просверлить отверстия на расстоянии 125–250 мм друг от друга, можно расколоть камень между ними. Здесь важна точность. Один из методов использует специальную взрывчатку. Она не выбрасывает камень наружу. Она давит на стенки отверстия высоконапорным газом. Давление нарастает. Затем треск. Вдоль линии залпа образуется трещина. Контролируемый хаос.

Рабочие старой школы используют клинья и распорки. Это механический метод. Жестокий. Эффективный.

Распорки состоят из двух полукруглых стальных пластин. Их забивают в каждое отверстие вдоль стороны блока. Затем между каждой парой пластин вставляют клин. По клину бьют кувалдой. Сила передаётся на распорки. Камень не хочет двигаться. Давлению некуда деться, кроме как сквозь камень. Появляется линия раскола.

Этот приём позволяет отделить нижнюю часть блока. Он также разрезает крупные куски на более мелкие. Для последнего шага нужны лишь неглубокие отверстия. Глубиной в несколько сантиметров. Небольшого диаметра.

Существуют и другие приёмы. Специальные цементные растворы, расширяющиеся при затвердевании. Гидравлическое давление. Все они делают одно и то же: давят, пока камень не поддастся.

Преимущества алмазной канатной пилы

Новые технологии тише. Чистее. Точнее.

Встречайте алмазную канатную пилу. Она выглядит как толстый трос. В основе — 6-мм стальная проволока. Обмотана бусинами, пропитанными алмазами. Между бусинами находятся пластиковые проставки. Эти проставки важны. Они не дают камню перетирать стальной трос в пыль. Они удерживают алмазы на месте.

Воду здесь можно назвать основным рабочим инструментом. Чистая вода промывает рез. Она охлаждает канат. Она предотвращает перегрев и затупление алмазов.

Для начала реза нужны два буровых отверстия. Одно сверлится вертикально из верхнего угла. Другое — горизонтально из нижней части. Они пересекаются. Через них протягивают канат. Приводной механизм тянет его. Напряжение — ключевой фактор.

Рез узкий. Очень узкий. Это означает меньше отходов. Меньше камня превращается в пыль. Камень не трескается и не образует трещин от вибрации. Как только канат образует петлю и начинает двигаться, оператору даже не нужно стоять рядом. Он просто работает.

Бензопилы для камня

Да, бензопилы могут резать камень. Не дерево. Камень.

Это не инструменты для дачного участка. Они массивные. Выглядят как лесопилы, но оснащены режущими элементами с напайками из карбида вольфрама или алмазов. Они работают с мягкими породами. Мрамор. Известняк. Травертин. Слоистые породы, такие как сланец. Некоторые песчаники.

Цепь состоит из съёмных звеньев. Они держат режущие элементы. Цепь движется по направляющему каналу. Стенки и дно этого канала заменяемые. Они изнашиваются. Вы их меняете. Машина перемещается сама. Механизм с шестерней и рейкой двигает её по модульным рельсам.

Это тяжёлая техника. Она шумная. Но она работает с материалами, которые испортят стандартный диск.

Каналы водяной струёй

Если нужна тишина, используйте воду.

Высоконапорные водяные струи вырезают каналы в камне. Чистая вода может справиться с этим. Или вода, смешанная с абразивным веществом. Вода выстреливает через крошечное сопло. Скорость экстремальная.

Она создаёт новые трещины. Она проникает в существующие. Тонкие слои камня срезаются. Слой за слоем.

Результат? Узкие, прямые каналы. Почти нет шума. Нет повреждений поверхности окружающей стены. Это щадящий метод, несмотря на силу воздействия.

Подземная добыча

Почему глубокая добыча обходится дороже за тонну

Открытая добыча упирается в предел. Не физический, а математический. Когда руда залегает глубоко под землей, объем пустой породы, которую необходимо вывезти, чтобы добраться до нее, становится слишком большим. Приходится переходить на подземные методы. Это дорого. Каждая тонна, добытая подземным способом, обходится дороже, чем аналогичная тонна при открытой добыче. Почему? Оборудование меньше. Геологические условия и геометрия рудного тела ограничивают габариты машин. Доступ затруднен. Производительность падает. Выход продукции на одного рабочего за смену может быть в пять–пятьдесят раз ниже по сравнению с карьерами.

Здесь есть компромисс. Подземные шахтеры добывают только руду. В открытых карьерах на каждую тонну ценной породы приходится тонны пустой породы. Эта селективность имеет ценность.

Выбор правильного метода подземной добычи

Как только вы принимаете решение о переходе на подземную добычу, метод зависит от свойств горной породы. Имеет значение размер. Имеет значение форма. Имеет значение ориентация. Имеет значение содержание полезного компонента. Если руда высококонцентрированная или имеет высокую стоимость, вы можете позволить себе дорогие методы. Вам нужно разделять руду и пустую породу. Высокоселективная добыча решает эту задачу. Но если вы можете отсортировать их позже, возможно, с помощью магнитов для магнетита, вы можете использовать массовую добычу. Она дешевле. Менее селективна. Быстрее.

Угол падения рудного тела меняет все. Угол падения более 50 градусов позволяет использовать силу тяжести. Руда падает вниз. Легко. Угол падения менее 25 градусов требует использования колесной техники для перевозки руды. Промежуточные углы сложны. Для них требуются специальные конструкции.

Выработки, которые вы создаете, называются камерами или штреками. Добыча происходит в два этапа. Первый — подготовительные работы. Вы подготавливаете блоки руды. Это дорого. Второй этап — добыча. Вы добываете руду. Это дешевле. Вы стремитесь максимизировать объем добычи на каждую единицу подготовительных работ. Для крутопадающих рудных тел уровни добычи располагают на большом расстоянии друг от друга. Большие выработки позволяют использовать более крупное оборудование. Меньше машин. Меньше работы.

Прочность горной породы ограничивает размеры выработок. Горная порода прочнее дорожного бетона. Но она имеет дефекты. Трещины. Разломы. Если эти дефекты расположены близко друг к другу или заполнены разрушенным материалом, вы должны поддерживать малые размеры выработок.

Глубина создает давление. По мере углубления вес вышележащей породы увеличивается. Боковое давление тоже растет. Оно может составлять одну треть от вертикального давления или быть в три раза выше. В самых глубоких шахтах, на глубине более 4 километров, давление интенсивно. Порода взрывается. Это называется горными ударами. Они останавливают добычу. Инженерия горного дела занимается этим вопросом. Она изучает, как массив горной породы взаимодействует с горными выработками.

Создание инфраструктуры шахты

Без подготовительных работ добыча невозможна. Капитальные вложения идут первыми. В открытых карьерах строят дороги и снимают пустую породу. Подземные шахты более сложны.

Вертикальный доступ и шахтные стволы

Главный вход — это шахтный ствол. Вертикальная скважина, пробуренная с поверхности. Она опускается ниже самого глубокого запланированного уровня добычи. Горизонтальные штольни отходят от ствола на регулярных интервалах. Они называются горизонтами. Лифты, или клетии, опускают рабочих и машины вниз. Руда поднимается вверх в скипах. Специальных транспортных средствах.

Стволы имеют отделения. В них проходят линии сжатого воздуха. Электрические кабели. Водопроводные трубы. Они также обеспечивают вентиляцию шахты. Свежий воздух поступает через один ствол. Отработанный воздух выходит через другой. Или наоборот.

Рампы предлагают другой способ спуска. Тоннели, пробитые вниз с поверхности. Внутренние рампы соединяют горизонты. В горах можно пробивать горизонтальные тоннели с боков. Это штольни. Распространены в добыче металлов.

Почему гравитация берет на себя основную нагрузку при транспортировке руды

Добытая руда не просто лежит на месте. Ее сбрасывают в рудоспускные шахты — вертикальные или близкие к вертикальным выработки, позволяющие гравитации сделать всю работу. Горная порода падает прямо вниз на самый нижний уровень шахты. Оттуда она дробится, загружается в бункеры и помещается в скипы. Эти скипы поднимаются к наземной рудоспускной башне, сбрасывают груз и опускаются обратно. И так по кругу.

Некоторые шахты вместо этого используют конвейерные ленты или грузовики. Отходы горной породы? Часто оставляют под землей, чтобы сэкономить место. Когда их все же нужно переместить, используются аналогичные вертикальные выработки.

Механика создания подъемных и спусковых стволов

Создание этих вертикальных связей — это не просто копка вверх. Этот процесс называется подъемом (raising). Работники начинают снизу и продвигаются вверх. Машины для бурения подъемных стволов сверлят отверстия шириной от 2 до 5 метров, протяженностью в сотни метров. Эти выработки служат нескольким целям: рудоспускные шахты, желоба для отходов или вентиляционные шахты.

Спуск вниз с верхнего уровня? Это винз (winze). Представьте его как внутренний ствол.

Горизонтальные выработки: горизонтальный каркас

Все горизонтальные тоннели — это горизонтальные выработки (drifts). Просто и понятно. Их размер и форма зависят от задачи. Транспортировка? Вентиляция? Разведка? Каждой требуется своя конфигурация.

• Выработка по подошве рудного тела : проходит параллельно рудному телу, располагаясь в породе под ним.
• Перпендикулярная выработка : пробивается от подошвы через рудное тело.
• Рампа : наклонная выработка, все еще классифицируемая под этим общим термином.

Как продлевать горизонтальную выработку, круг за кругом

Строительство горизонтальной выработки — это цикл из пяти шагов. Вы повторяете его для каждого «круга» породы, который хотите удалить.

1. Бурение
2. Взрывание
3. Загрузка и транспортировка
4. Очистка от нависших кусков
5. Укрепление

Методы бурения варьируются. Тип породы, размер выработки и уровень механизации определяют подход. Большинство шахт полагаются на дизельные карьерные машины на пневмошинах, несущие несколько буров. Это буровые каретки. Сами буры работают на сжатом воздухе или гидравлической жидкости.

Ударное бурение — это жесткий процесс. Поршень бьет туда-сюда. На рабочем ходе он ударяет по стальной штанге. Специальный резец, или долото, прикрепленный к передней части, вдавливается в породу. Поршень отходит, долото вращается, и цикл повторяется. Высокая энергия, высокая частота — от 2000 до 3000 ударов в минуту. Твердая порода не имеет шансов.

Искусство взрывной схемы

Лицо забоя бурится параллельными скважинами. Диаметры варьируются от 38 до 64 мм. Но вот в чем хитрость: одна или несколько более крупных скважин остаются незаряженными. Они служат свободной поверхностью. Они дают породе куда разрушаться внутрь. Пространство для расширения.

От динамита к аммонитам

Взрывчатые вещества помещаются в эти скважины. Палочки, патроны или закачиваемая суспензия. Химическая реакция создает огромное давление газа. Это давление создает новые трещины и расширяет существующие. Порода разрушается. Она перемещается.

Динамит когда-то был стандартом. Но не больше. Сейчас доминирует аммонит (ANFO). Это смесь нитрата аммония и топочного масла. По отдельности ни то, ни другое не является взрывчатым. Смешайте их — 94,5% нитрата аммония, 5,5% топочного масла — и подожгите. Реакция будет жестокой. Эффективной. Дешевой.

Синхронизация взрыва и перемещение породы

Последствия взрыва — это хаос. Вы получаете углекислый газ, водяной пар и азот. Это стандартные компоненты воздуха. Но если нарушить соотношение топлива и воздуха, получится яд. Избыток топлива приводит к образованию угарного газа. Недостаток топлива — к образованию оксидов азота. Оба газа смертельны. Именно поэтому вентиляционные системы откачивают эти газы. Взрывные работы обычно проводятся между сменами или после того, как последний шахтер выйдет на поверхность. Пустые шахты — безопасные шахты.

Порядок имеет значение. Нельзя одновременно поджигать все заряды. Начинают с пустого пространства, так называемой «свободной поверхности». Затем движение идет наружу. Это создает пространство, куда может переместиться разрушенная порода. Это хореография разрушения. Время решает всё.

В старых электрических системах в капсюле-детонаторе использовался резистивный элемент. Ток нагревает его. Он воспламеняет головку запала. Запал сгорает химическое соединение с заданной скоростью. Эта задержка активирует детонатор — обычно азид свинца или ПЭТН. Детонатор взрывается, поджигая основной заряд АНФО. Интервал между задержками? Обычно 25 миллисекунд.

В новых капсюлях используется микроэлектроника. Электрические задержки. Они точнее. Меньше разброс. Больше вариантов для временных последовательностей. Точность стоит денег, но она экономит породу и время.

После того как порода разрушена, её нужно переместить. Машины погрузки, транспортировки и выгрузки (LHD — Load, Haul, Dump) — это рабочие лошадки отрасли. Они варьируются от крошечных машин, поднимающих менее тонны, до гигантов, вывозящих 25 тонн. В узких жилах можно встретить погрузчики с опрокидывающимся ковшом. Они загоняют ковш в кучу, поднимают его и поворачивают назад, чтобы выгрузить груз. Часто они приводятся в действие сжатым воздухом.

Другие погрузчики используют сборные руки. Они сметают обломки в питатель, а затем на конвейерную ленту в грузовики. Некоторые из них управляются дистанционно. В кабине нет водителя. Только человек, наблюдающий за телевизором в милях от места работы.

Очистка и удержание свода

Прежде чем проводить следующий взрыв, нужно навести порядок. Этот процесс называется расчисткой (scaling). Нестабильная порода на потолке или стенах — это смертельная ловушка. В небольших тоннелях шахтеры используют длинные стальные или алюминиевые пруты, чтобы вручную сбивать её. В крупных механизированных шахтах машины с ударными молотками или когтями для расчистки выполняют работу с безопасного расстояния.

Безопасность — это не только удаление неустойчивых камней. Это также предотвращение падения остальной породы. В идеале порода должна поддерживать себя сама. Вы сверлите отверстия и вставляете анкерные болты. Стальной болт с расширяющимся анкеровочным устройством вставляется в отверстие. Вы его закручиваете. Анкер расширяется, прижимаясь к стенке отверстия. Лицевая пластина прижимается к поверхности породы. Она скрепляет блоки вместе.

Это создает арку. Самонесущую конструкцию внутри массива породы. Если порода фрагментирована, между болтами добавляется стальная сетка, похожая на сетку-рабицу. В некоторых шахтах в отверстия заливается раствор с арматурой или стальными тросами. Другие наносят на поверхности торкрет-бетон — бетон, наносимый слоями. Это грязно, громко и эффективно.

Поддержание движения и охлаждения воздуха

Вентиляция не подлежит обсуждению. Шахтерам нужно дышать. Но дело не только в этом. Дизельным двигателям нужен кислород для сжигания топлива. Они также производят выхлопные газы, которые нужно разбавлять. Взрывчатые вещества создают газы, которые нужно выветривать.

Вентиляторы нагнетают свежий воздух внутрь. Они откачивают загрязненный воздух наружу. В холодном климате поступающий воздух замерзает. Калориферы нагревают его. В глубоких шахтах порода горячая. Воздух возвращается измученным жарой. Системы охлаждения понижают его температуру. Это потребляет огромное количество энергии.

Высокие затраты энергии стимулируют изменения. Шахты закрывают неиспользуемые участки, чтобы уменьшить объем перемещаемого воздуха. Они переходят с дизельных машин на электрические. Электрическое оборудование выделяет меньше тепла и не производит выхлопных газов. Это упрощает вентиляционную задачу.

Почему это важно? Потому что подземная среда враждебна. Воздух — это жизнь. Порода — это опасность. Технологии заполняют разрыв между сохранением жизни и выполнением работы.

Расчистка — чрезвычайно важный шаг для обеспечения безопасности рабочего места.

Это не просто процедура. Это ритуал. Вы взрываете. Вы погрузаете. Вы расчищаете. Вы укрепляете. Вы вентилируете. Повторяйте. Цикл неумолим.

Как подземные шахты обеспечивают освещение

Хорошее освещение — это не просто приятная опция. Это разница между тем, чтобы заметить опасность, и тем, чтобы в неё вступить.

У каждого шахтёра, спускающегося в забой, на каске закреплён фонарь. Батарея тяжёло висит на поясе. В некоторых старых или небольших предприятиях этот единственный луч — всё, что есть. Вы работаете при свете собственного налобного фонаря. Однако в современных условиях тяжёлую работу выполняют тяжёлые машины — и тяжёлое освещение. Эти комплексы оснащены мощными прожекторами, которые заливают рабочее пространство светом, отгоняя тьму, чтобы люди могли видеть, что они делают.

Затем есть стационарная инфраструктура. Транспортные выработки, стволы, пункты сброса — всё это оснащается постоянными светильниками. Невозможно ориентироваться в шахте в полной темноте.

Управление уровнем грунтовых вод

Вода — это переменная, которую нельзя игнорировать.

Некоторые шахты сталкиваются с незначительной просачиванием. Они перерабатывают воду, используемую для бурения, поддерживают её чистоту и повторно используют. Просто. Другие шахты сталкиваются с наводнением. Вода устремляется из окружающих пород, угрожая поглотить всё предприятие целиком. В таких экстремальных случаях инженеры строят специальные водонепроницаемые двери и усиленные подземные камеры. Они предназначены для удержания внезапных массовых притоков воды до того, как шахта затопится.

Куда уходит вода? Она стекает или откачивается в центральное место, называемое сumpом. Оттуда трубы поднимают её по стволу на поверхность. Поверх земли вода проходит очистку и надлежащую утилизацию. Нельзя просто сливать сырую шахтную воду в местный ручей.

Почему важны пластовые месторождения

Большинство рудных месторождений, которые мы разрабатываем сегодня, зародились в воде. Дно древнего океана. Предисторическая болотистая местность. На протяжении миллионов лет давление уплотняло эти осадки. Они могли немного сместиться или деформироваться, но сохранили свой базовый горизонтальный слой.

Эта структура влияет на то, как вы копаете.

Если пласт горизонтальный, у вас есть два основных варианта: отработка длинными стенами или отработка камерами и столбами. Выбор зависит от нескольких факторов. Насколько толстый пласт? Достаточно ли прочны породы над ним, чтобы выдержать нагрузку? Можно ли позволить поверхности осесть?

Это расчёт риска и выгоды.

Метод камер и столбов

Этот метод соответствует своему названию. Вы выемаете руду из камер. Вы оставляете столбы невыработанного материала.

Почему метод камерно-столбовой разработки является стандартом

Камерно-столбовая разработка — это не просто один из методов. Это стандартный вариант. Представьте себе ванильное мороженое среди подземных способов добычи. Вы прокладываете параллельные тоннели, называемые штреками. Затем вы соединяете их. Через регулярные интервалы. Если шаг одинаков в обоих направлениях, получается сетка. Шахматная доска из выработанных камер и оставленных столбов.

Эти столбы — не декорация. Они удерживают кровлю. Без них шахта обрушится. Простая физика. В некоторых случаях, когда добыча достигает границы месторождения, шахтеры возвращаются и добывают эти столбы. Это рискованно. Это означает контролируемое обрушение. Но это позволяет извлечь больше руды.

Как работает метод длинного забоя для мягких минералов

Добыча методом длинного забоя отличается. Она индустриальная. Механизированная. Точная.

Рудное тело разрезается на прямоугольные панели. Два параллельных штрека проходят вдоль длинных сторон. Они обеспечивают вентиляцию и транспортировку. Поперечный выработанный проход соединяет их в конце. Этот поперечный проход — рабочая лошадка. Он называется забоем длинного забоя.

Вот в чем суть. Передвижные гидравлические крепи продвигаются вперед. Они создают безопасный навес. Под этой кровлей резальная машина курсирует туда-сюда. Она срезает минерал. Бронированный конвейер отвозит нагрузку. Крепи продвигаются вперед. Кровля за ними обрушивается. Намеренно. Это для мягких пород. Трона. Соль. Калий. Уголь. Минерализованные сланцы. Вещи, которые машина действительно может резать.

Твердые породы меняют правила игры. Золотые жилы в Южной Африке? Платина? Их нельзя просто срезать. Их бурят и взрывают. Руда скребется к точке сбора. Поддержка обеспечивается гидравлическими стойками, деревянными подкладками или заполнением пустоты породой и песком. Та же схема. Разные инструменты.

Почему крутопадающие месторождения требуют другого подхода

Не все жилы лежат горизонтально. Многие вертикальны. Или почти вертикальны. Геология сложна. Происходят искажения. Углы заложения варьируются. Резкие границы между рудой и пустой породой делают это управляемым. Если угол падения крутой — больше 55 градусов — и порода прочная, вы меняете тактику.

Метод шпуровой выемки для вертикальных рудных тел

Здесь вступает в дело метод шпуровой выемки. Он предназначен для толстых, крутопадающих месторождений с регулярными границами.

Начинайте снизу. Проложите штрек вдоль руды. Расширьте его в желоб. В конце этого желоба проведите подъемный штрек до уровня выше. Взрывайте этот подъемный штрек в вертикальный шпур. Он охватывает ширину рудного тела.

С уровня бурения выше пробурите длинные параллельные шпуры. Около 4–6 дюймов в диаметре. Взрывание начинается со шпура. Шахтеры отступают вниз по штреку. Они взрывают последовательные слои. Открывается большая камера.

Как вынуть руду из этого желоба? Несколько техник. Решетки. Конвейеры. Лопаты. Метод зависит от планировки. Цель остается той же. Извлечь руду. Оставить пустую породу. Не дать кровле раздавить вас.

Варианты разработки с откатом по подуровням и вертикальная откатная разработка

Классическая методика разработки с помощью взрывных скважин — не единственный способ добычи. Геометрию можно корректировать в зависимости от свойств горной массы. Возьмем, к примеру, разработку с подуровней. Вместо одной массивной вертикальной шпуры бурятся более короткие взрывные скважины из подуровней, расположенных на меньших вертикальных интервалах. Это пошаговый подъем: бурение ведется сверху вниз отдельными управляемыми участками.

Вертикальная откатная разработка полностью меняет подход. Выработанное пространство не напоминает вертикальный «кусок торта». Оно имеет форму лотка. Представьте его как горизонтальную шпуру. Взрывчаткой заряжается только самая нижняя часть скважин. Взрыв. Тонкий горизонтальный пласт руды падает в лоток. Вы перемещаетесь выше. Заряжаете следующий короткий участок скважины. Повторяете. Вы продолжаете взрывать горизонтальные пласты, поднимаясь вверх, пока не достигнете кровли. Это методичный процесс. Пласт за пластом.

Принцип действия разработки с обрушением в узких жилах

Затем идет разработка с обрушением (shrinkage stoping). Этот метод выбирает свои условия. Он применим только к крутопадающим, относительно узким рудным телам. Границы также должны быть регулярными. Никаких неровных, непредсказуемых краев.

Сама горная масса должна быть благоприятной. Как кровля, так и подошва должны быть прочными. Руда тоже должна сохранять устойчивость. Она не должна разрушаться просто потому, что находится в выработанном пространстве, пока ведется добыча вокруг нее. Разработка с обрушением опирается на саму руду для поддержания открытого пространства в процессе работы. Если горная порода слабая или если руда осыпается во время хранения, этот метод становится неприменимым.

Как работает метод с уменьшением объема в практике

Это вертикальный танец. Шахтеры поднимаются через завалы, буря отверстия в твердом потолке выработки. Они заполняют эти отверстия взрывчаткой. Затем они извлекают 30–40% разрушенной руды снизу.

Почему не забрать все сразу?

Потому что им нужно пространство. Оставшаяся руда служит временным полом и опорой. Они взрывают следующий слой сверху, позволяя ему обрушиться и заполнить образовавшуюся пустоту. Шахтеры возвращаются в хаос, ступая по новым обломкам, чтобы повторить процесс.

Это работает. Но это медленно. И это трудно автоматизировать.

Задержка между началом разработки и окончательным вывозом каждой последней горной породы может значительно увеличиваться. Это метод, который зависит от человеческого времени и физического присутствия, а не только от тяжелой техники.

Почему метод с засыпкой лучше адаптируется

Если метод с уменьшением объема жесткий, то метод с засыпкой гибкий. Он справляется с необычными формами рудных тел и нестабильным грунтом, где другие методы терпят неудачу. Наряду с камерно-столбовым методом, это самый адаптируемый подземный метод, доступный сегодня.

Логика проста. Вы добываете горизонтальный слой руды. Затем вы заполняете пустое пространство.

Обычно засыпка состоит из пустой породы или хвостов, образующихся на перерабатывающем заводе. Это превращает отходы в инструмент. Как только пустота заполнена, вы добываете следующий слой выше. Или ниже.

Засыпка становится платформой для следующего среза.

Существует два основных способа сделать это.

Верхний метод с засыпкой начинается снизу и движется вверх. Это стандартный подход. Гравитация помогает. Засыпка находится под вами, поддерживая ваш вес, пока вы добываете слой выше.

Нижний метод с засыпкой меняет поток. Вы начинаете сверху и копаете вниз. Это сложнее. Когда вы удаляете руду сверху, у вас остается потолок из воздуха. Вы не можете просто бросить туда пустую породу. Она не удержится.

Вы должны добавить цемент в засыпку. Это создает прочную, похожую на бетон крышу. Только тогда рабочие могут безопасно войти в пространство ниже, чтобы продолжить цикл. Это стоит больше материалов. Но это позволяет добывать месторождения, которые в противном случае были бы слишком опасными или нестабильными для разработки.

Выгрузка с помощью пандусов или гибридные методы рилл-добычи

Посмотрите еще раз на эту схему. Пандус ведет непосредственно в выработанное пространство (стопу). Это точка доступа. По мере того как шахтеры поднимаются выше, они создают подъемные штреки внутри самого заполнителя. Это не просто декоративные элементы. Они служат проходами для перемещения персонала или желобами для гравитационного потока руды. Конечно, можно полностью отказаться от внутренних подъемных штреков. Загружать взорванную породу в ЛПМ — машину погрузочно-транспортную (Load Haul Dump) — и везти ее к желобу в подошве рудного тела. Это выбор между вертикальной инфраструктурой и горизонтальным транспортированием.

При благоприятных геологических условиях существует еще один вариант. Рилл-добыча.

Это гибридный метод. Часть — это метод с заполнением, часть — это подэтажная выемка. Через рудное тело прокладываются штреки, но они не плотно забиты. Они разделены прослойкой руды высотой в два или три обычных слоя. Бурение производится длинными скважинами. Взрывание удаляет вертикальные слои. Но вот в чем загвоздка: по мере удаления каждого слоя заполнитель сразу же поступает внутрь. Вы держите открытое пространство небольшим. Меньше открытой породы означает меньшую вероятность обрушения. Это стабильность за счет постоянного замещения.

Как на самом деле работает подэтажное обрушение

Название все объясняет, если знать, куда смотреть.

Подэтажный относится к рабочему пространству. Шахтеры работают не только на основных горизонтах. Они трудятся на нескольких промежуточных уровнях, расположенных между основными тоннелями. Это вертикальный «сэндвич» активности.

Обрушение — это следствие. В этой конкретной схеме вы не поддерживаете кровлю с помощью деревянных или цементных конструкций. По мере извлечения руды навесная стена над ней обрушивается. Поверхность над ней также проседает. Порода падает в пустоту. Это контролируемый хаос. Метод опирается на способность грунта предсказуемо обрушаться после удаления поддерживающего материала.

Как поперечная ступенчатая методика разработки с обрушением управляет пустой породой и разбавлением

Рассмотрим геометрию. Параллельные поперечные штреки пересекают рудное тело. Они проходят от штрека по подошве до штрека по крыше. Каждое промежуточное горизонтальное рабочее место (ступень) выполняет эту функцию. Следующая ступень ниже? Она расположена точно между вышележащими. Сдвинутая.

Буровые скважины бурятся веером. Через регулярные интервалы вдоль этих поперечных штреков. Затем производится взрыв. Начинайте с крыши на самой верхней ступени.

Вот сложная часть. По мере того как вы выгружаете обрушенную руду, материал сверху следует за ней. Пустая порода с крыши обрушивается. Чем больше руды вы выгружаете, тем больше пустой породы попадает вместе с ней. Разбавление возрастает. У вас есть предел. Как только количество пустой породы достигает определенного порога, вы прекращаете погрузку. Взрываете следующий веер. Ждете, пока смесь осядет. Повторяете.

Всегда ли это плохо? Нет. Это зависит от того, что именно вы добываете. Магнетит прощает ошибки. Руда и пустая порода легко отделяются друг от друга. Дешево. Здесь разбавление имеет меньшее значение. Для других минералов смешивание пустой породы с вашим продуктом — это катастрофа. Вы платите за переработку породы, которая не является рудой.

Для определенных минералов, таких как магнетит, в которых руда и пустая порода могут быть легко и недорого разделены, разбавление руды является меньшей проблемой, чем для других минералов.

Когда использовать панельную и блочную методики обрушения для массивных месторождений

Методы камерной разработки подходят для некоторых задач. Ступенчатая методика с обрушением решает другие. Но массивные месторождения требуют другого подхода. Панельное обрушение. Блочное обрушение. Это метод, специально разработанный для масштаба.

Он не универсален. Вам нужны определенные условия. Четыре из них.

1. Крупные рудные тела с крутым падением. Горная порода должна скользить.
2. Массивное вертикальное протяжение. Вам нужна глубина. Много ее.
3. Порода, которая обрушается естественно. Она должна раскалываться на управляемые куски. Если она остается в виде огромных валунов, вы застряли.
4. Поверхность, допускающая проседание. Земля сверху опустится. Вам нужно пространство для этого.

Если у вас есть эти четыре условия, панельное обрушение, вероятно, будет вашим лучшим выбором. Оно использует вес породы против самой себя. Гравитация делает раскалывание. Вы просто управляете потоком.

Почему метод «нижняя выемка и заполнение» позволяет руде разрушаться самостоятельно

Вы копаете шахту. Затем вы копаете еще одну на 15 метров выше.

Вот такая схема.

Эти два уровня находятся на глубине от 100 до 300 метров ниже верхней части рудного тела. Вы не начинаете сверху. Вы начинаете с глубины.

На этом верхнем уровне нижней выемки прокладываются параллельные тоннели. Затем взрывается порода между ними. Бум. Получается огромный горизонтальный шпур. Этот шпур выполняет основную работу. Он убирает опору, удерживающую вышележащую руду.

В дело вступает гравитация.

Руда обрушается. Она раскалывается на куски, достаточно мелкие для обработки. Она падает в приемные воронки на нижнем производственном уровне. Это, по сути, нижние лотки, ожидающие, чтобы поймать обломки.

Машины LHD (погрузка, транспортировка, разгрузка) въезжают. Они загребают разрушенную руду. Они транспортируют ее к рудопроводам.

Вот в чем хитрость.

Только та порода, которая использовалась для создания этих начальных лотков и нижних выемок, требует бурения и взрыва. А остальное? Она разрушается сама. Она скатывается вниз по мере того, как обрушение поднимается вверх к поверхности.

Основная работа заключается не в разрушении породы. Она заключается в том, чтобы держать эти точки выемки открытыми, пока гора обрушается вокруг них. Если лотки забьются, шахта остановится. Вам нужно поддерживать поток в период выемки.

Чем аллювиальная добыча отличается от подземной разработки

Аллювиальная добыча — это совершенно другое дело.

Вы не бури твердую породу. Вы не взрываете. Вы не ждете, пока гравитация обрушит шахту.

Аллювиальные месторождения рыхлые. Это гравий, песок или грязь. Ценные минералы — обычно золото, но также олово или драгоценные камни — были вымыты из своего первоисточника. Они осели в руслах рек, на пляжах или в поймах.

Поскольку материал неконсолидированный, вам не нужна массивная инфраструктура операции «нижняя выемка и заполнение». Никаких приемных воронок. Никаких машин LHD, маневрирующих в узких тоннелях.

Вам просто нужно отделить тяжелые частицы от легких.

Вода — ваш основной инструмент. Она смывает песок и грязь. Плотные минералы тонут.

Этот метод дешевле. Быстрее. Менее опасен. Но он работает только в том случае, если руда не заперта в матрице твердой породы. Вы не можете вести аллювиальную добычу кварцевой жилы. Вы можете добывать только то, что река уже сделала за вас.

Так почему мы все еще спускаемся под землю?

Потому что лучшие жилы находятся не в речном русле. Они глубокие. Плотно закрытые. Ждут, пока вы их раскроете.

Почему тяжелые минералы тонут, а песок остается на поверхности

Прослои (placer) — это беспорядочные скопления. Это кучи неконсолидированного дестриального материала, которые случайно содержат ценные минералы. Природа создает их посредством химического выветривания, течения рек, морских процессов или ветра. Результатом является концентрат того, что имеет значение.

Золото. Олово. Платина. Алмазы. Вы также найдете титаноносные и железистые пески, драгоценные камни, такие как рубины и изумруды, и абразивы, такие как рутил и циркон. Это не случайный выбор. Они обладают двумя общими чертами. Высокая удельная плотность. Физическая прочность. Они выживают в пути. Все остальное смывается.

Где найти самые прибыльные россыпные месторождения

Не все россыпи одинаковы. Речные (или аллювиальные) россыпи и пляжные россыпи доминируют в экономической сфере. Бегущая вода формирует речные россыпи. Прибойные волны воздействуют на существующие речные отложения, создавая пляжные россыпи.

Геология хаотична в долгосрочной перспективе. Уровень моря поднимается. Земля смещается. Это означает, что вы можете найти россыпи на любой высоте. Значительно выше уровня моря. Глубоко ниже его. Местоположение не определяет метод так сильно, как физические условия.

Горняки смотрят на протяженность. Толщину. Характер коренных пород. Они проверяют ориентацию месторождения. Насколько толща покрывающих пород? Есть ли доступная вода? Какова стоимость на единицу объема?

Если месторождение слишком тонкое или слишком глубоко для поверхностной добычи, горняки переходят под землю. Они опускают шахты. Они прокладывают горизонтальные выработки. Материал, однако, неконсолидированный. Он обрушивается. Тяжелая поддержка обязательна. Это дорого и сложно.

Большинство россыпей, однако, остаются на поверхности. Операции делятся на два лагеря. Наземные. Или плавающие установки.

Как промывка разделяет ценность от отходов

Промывка в лотке — это предок всей современной россыпной добычи. Это просто. Это эффективно. Это полностью основано на различиях в плотности.

Вы кладете осадок в лоток. Добавляете воду. Перемешиваете. Тяжелые минералы — золото, алмазы, платина — тонут на дно. Более легкий песок и гравий вращаются над краем и исчезают.

Это медленно. Это трудоемко. Но это доказывает концепцию. Если вы можете разделить тяжелые материалы от легких вручную, вы можете сделать это с помощью машин. Принцип остается тем же. Гравитация делает работу. Вы просто предоставляете среду.

Почему промывка в лотке остается упрямой нормой для поиска золота

Промывка в лотке — это метод грубой силы. Он ручной, потный и неумолимый. Вы наполняете лоток россыпной землей, погружаете его в неподвижную воду и приступаете к работе.

Под водой вы разминаете грязь обеими руками. Вы разбиваете комки, растворяете глину, выбираете гальку. Это тактильно. Грязно. Затем приходит время трясти. Держите лоток горизонтально. Встряхивайте его. Тяжелые частицы оседают.

Быстрые наклоны. Быстрые подъемы. Смывайте легкий верхний слой. Повторяйте, пока на дне не останутся только плотные, ценные минералы.

Это просто. Это также изматывающе.

Где вы действительно находите золото этим методом?

Вы не выбираете случайное место. Вы ищете остатки. Неразработанную землю рядом со старыми месторождениями. Трещины в коренных породах русел рек. Старые речные бары. Сухие русла ручьев, где вода раньше сносила тяжелые частицы вниз.

Если вода там двигалась раньше, золото может все еще быть там. Ждет.

Секрет не только в промывке. Это знание того, где вода перестала нести вес.

Промывка в желобе меняет игру. Она масштабирует процесс. Вместо одного лотка вы используете длинный узкий желоб. Вода течет через него, унося землю и мусор. Рифли — эти небольшие гребни на дне — задерживают тяжелые частицы, в то время как легкий ил смывается.

Это быстрее. Меньше сгибаний. Но это требует потока воды. Постоянного потока. Вы не можете промывать в луже.

Механика лотков и конструкция грядок

Вы также можете использовать лоток. Это прочный прямоугольный ящик, обычно из древесины, с открытым верхом. Дно шероховатое благодаря грядкам. Чаще всего это поперечно установленные деревянные брусья. Иногда это столбы, камень, железо или резина. Вода и россыпной грунт вводятся в верхнюю часть наклонного лотка. По мере движения вниз специально сформированные грядки создают турбулентность в потоке. Это предотвращает осаждение более легких материалов. Ценные тяжелые минералы задерживаются.

Механизированные наземные россыпные разработки

Механизированные наземные работы используют драги, экскаваторы-погрузчики, экскаваторы-загрузчики и бульдозеры для выемки россыпного материала. Материал доставляется на обогатительные фабрики или в лотки для извлечения минералов. Эти методы подходят для узких, неглубоких или валунных месторождений. Они также работают на неровном и крутом рельефе, с которым не справляются другие методы.

Наземная промывка — это особый метод. Он разрабатывает естественные россыпи и искусственные, такие как кучи хвостов. Естественный поток воды разрушает и транспортирует материал через лоток. Ценные минералы концентрируются там. Гидравлическая разработка — это другой метод. Вы направляете струю воды под высоким давлением через насадку на забой. Образовавшаяся пульпа перемещается в нисходящий канал. Затем в замкнутый контур для обогащения. Гидравлическая разработка иногда используется для подземной добычи угля. Но ее основное применение — открытая добыча. Она практична для мелкозернистого, неконсолидированного материала из россыпей, хвостов, аллювия и латеритных месторождений. Важным применением является снятие вскрышных пород для карьеров.

Плавучие установки с драгами или экскаваторами-погрузчиками

Иногда наиболее экономично выемку россыпного материала производить береговой драгой или экскаватором-погрузчиком. Их сочетают с плавучей обогатительной установкой. Землеройное оборудование может находиться на отдельной барже или на той же. Материал выкапывается со стенок и дна карьера. Он падает в бункер промывочной установки. Крупнофракционный материал отбраковывается ситом. Он отправляется в отвалы. Мелкофракционный материал распределяется по системе гравитационного разделения. Сюда входят лотки с грядками, jig-установки или аналогичное оборудование. После обработки как можно больше отходов возвращается в карьер. Увеличение объема означает, что часть отходов откладывается за пределами карьера. Карьер перемещается вместе с фронтом разработки.

Метод экскаватора-погрузчика обеспечивает мощную выемку и хороший контроль.

Методы дноуглубления: механические и гидравлические

Дноуглубление — это подводная выемка россыпного месторождения плавучим оборудованием. Системы бывают механическими или гидравлическими. Это зависит от метода транспортировки материала.

Бункерно-лестничный, или бункерно-цепной, земснаряд — традиционный. Он остается наиболее гибким методом для меняющихся условий. Одиночный корпус поддерживает механизмы выемки и подъема, обогатительные контуры и системы утилизации отходов. Бесконечная цепь открытых бункеров движется вокруг фермы или лестницы. Нижний конец опирается на забой. Это дно карьера, где происходит выемка. Верхний конец находится рядом с центром земснаряда, у приемного бункера. Цепь проходит вокруг приводной звездочки, называемой верхней звездочкой. Она опускается вниз к неподвижной звездочке, называемой нижней звездочкой. Заполненные бункеры, поддерживаемые роликами, поднимаются по лестнице. Они высыпают свой груз в бункер. После того как обогатительная установка извлекает ценный материал, отходы сбрасываются с задней части.

Земснаряд-ковш — это другая механическая система. Он использует большой одиночный ковш на конце тросов. Он работает в более глубокой воде, чем другие системы. Он хорошо справляется с крупными частицами и мусором. Но это прерывистая, пакетная система. Она делает около одного захвата в минуту.

Чисто гидравлические системы дноуглубления используют чистое всасывание, всасывание с помощью гидроудара или полностью гидроудар. Они подходят для выемки мелкозернистого рыхлого материала. Представьте песок и гравий, морские ракушечниковые отложения, хвосты мельниц и неконсолидированные вскрышные породы. Гидравлическое дноуглубление также разрабатывает месторождения алмазов, олова, вольфрама, ниобия-тантала, титана, монацита и редкоземельных элементов.

Подводные режущие головки значительно увеличивают мощность выемки. Земснаряд с режущей головкой имеет вращающуюся режущую головку. Она рыхлит и смешивает почву на забое. Материал падает в вход центробежного насоса. Это транспортирует пульпу с 20–25% твердых частиц на обогатительную фабрику. Свая, называемая шпудом, удерживает земснаряд на месте во время резки. Лебедки и тросы поворачивают земснаряд по дуге вокруг сваи. Он удаляет весь материал в дуге. Затем земснаряд перемещается вперед. Процесс повторяется.

Земснаряд с режущей головкой подходит для более мягких месторождений. Материал имеет относительно низкую удельную массу или мелкий размер частиц. Например, песчано-гравийные карьеры, фосфатные рудники и различные солевые месторождения.

Лопастные земснаряды против земснарядов с режущим устройством

Лопастный земснаряд очень похож на земснаряд с режущим устройством. Основная идея та же самая. Но если заменить вращающийся режущий инструмент на колесный экскаватор, получится совершенно другое устройство.

Оно копает твердее. Лучше справляется с дном выемки. И оно захватывает тяжелые материалы — золото, олово, — которые обычно проскальзывают мимо стандартного режущего устройства.

Но есть подвох. Оно механически сложное. И дорогое. Вы платите за эту точность.

Почему мы еще не начали добычу полезных ископаемых в океане

Океан — это по сути склад минералов. Огромный. Мы едва ли коснулись его.

Почему?

Потому что добыча минералов на суше проще. Дешевле. Сейчас нет реальной необходимости переходить под воду.

Кроме того, технологии еще не совсем готовы. Мы не совсем знаем, как экономически выгодно эксплуатировать морское дно. Мы даже не до конца понимаем, какие ресурсы там находятся.

Но если бы мы знали? Океан делится на три основные зоны:

• Сами морские воды
• Пляжи и континентальные шельфы
• Глубоководное морское дно

Что на самом деле содержится в морской воде

Морская вода содержит около 3,5% растворенных твердых веществ по весу.

Главные компоненты? Хлориды. Натрий. Сульфаты. Магний. Кальций. Калий. Бром. Бикарбонаты.

Это не только открытый океан. Внутренние соленые моря, такие как Мертвое море или Большое Соленое озеро, также извлекают минералы.

Магний — один из основных элементов, добываемых из морской воды. Но соли занимают ведущее положение.

Поваренная соль (хлорид натрия, NaCl) — король. Затем хлориды калия. Хлориды магния. Сульфаты калия и магния.

Как их извлекают? Испарением.

Дешево. Просто. Используйте Солнце.

Идеальная соляная ферма

Вы не можете просто выкопать пруд в любом месте и ждать соли. Нужны определенные условия.

• Жаркий, сухой климат. Сухие ветры помогают.
• Земля рядом с морем.
• Почва, которая не впитывает воду. Непроницаемая.
• Ровная местность. На уровне моря или ниже.
• Мало осадков в месяцы испарения.
• Отсутствие пресноводных потоков, разбавляющих рассол.
• Дешевый транспорт или близость рынков сбыта.

Если вы соответствуете всем этим пунктам, вы строите прудовое сооружение.

Как это выглядит?

• Непроницаемые грунты основания и дамбы для удержания рассола.
• Каналы для перемещения рассола от источника к пруду.
• Насосы для подъема рассола над дамбами и перепадами высот.
• Конструкции для управления потоком между прудами.

Это инженерия, встречающаяся с погодой. Никакой магии. Просто физика.

Добыча соли из морской воды

Современные солевые пруды не просто стоят и ждут чуда. Они активно перекачивают исходную рассол в зоны предварительной концентрации. Испарение выполняет основную работу, повышая уровень хлорида натрия до насыщения. Рассол достигает 19–21% хлорида натрия и 28–30% общих растворенных твердых веществ. Затем он перемещается в кристаллизационный пруд.

Время варьируется. На Большом Соленом озере приходится ждать около года. Хлорид натрия выпадает первым. Другие растворенные вещества еще не достигли насыщения. Если вам нужна только поваренная соль, рассол сливают рано. Это предотвращает загрязнение. Если нужны калийные соли, испарение продолжают. Выжимают каждый последний ион натрия, прежде чем целевой продукт достигнет насыщения.

Как только соль кристаллизуется на дне пруда, наступает время сбора урожая. Градеры, фронтальные погрузчики и самосвалы перемещают материал на перерабатывающие заводы. Это промышленное сельское хозяйство для минералов.

Почему отработанный рассол — это золото

Опреснительные установки производят пресную воду из морской. Оставшийся сточный раствор обычно является проблемой утилизации. Теперь это ресурс. Извлечение солей из этого потока отходов экономит деньги и энергию.

Три причины. Во-первых, опреснительный завод оплачивает перекачку. Во-вторых, рассол горячий. Теплая вода испаряется быстрее. В-третьих, концентрация соли в четыре раза выше, чем в первичной морской воде. Вы начинаете с преимуществом. Экономически целесообразно добывать ресурсы из отходов.

Тяжелые минералы на побережье

Пляжи — это не только песок и ракушки. Слюда, полевые шпаты, кварц — они составляют основную массу. Но там скрываются и тяжелые минералы. Колумбит, магнетит, ильменит, рутил, циркон. Они устойчивы к химическому выветриванию и механической эрозии. Они остаются на месте, пока более легкий материал смывается.

Существуют редкие находки. Золото, алмазы, касситерит, шеелит, вольфрамит, монацит, платина. Концентрации, пригодные для добычи, встречаются реже, но ценны.

Добыча над уровнем моря использует традиционные открытые методы. Драглайны работают в прибойной зоне. Офшорная добыча требует другого оборудования. Проводные методы опускают ведра на стальных тросах. Грейперные ведра, похожие на клешни или апельсиновые дольки, врезаются в осадки. Они закрываются, удерживают нагрузку и поднимают ее. На поверхности раковина открывается. Выгрузка. Повторение.

Затворы обеспечивают непрерывный процесс. Ведерные эскалаторные земснаряды копают в зависимости от размера ведра и мощности. Они добывали золото, олово, платину и алмазы по всему миру. В офшорных условиях они в основном ориентированы на золото и олово. Гидравлические всасывающие земснаряды удаляют вскрышные породы. Они перемещают несцементированные осадки с низкой удельной плотностью на большие расстояния. Требуется стабильный водоснабжение.

Полусцементированные осадки требуют ведерных или режущих всасывающих земснарядов. Воздушно-лифтовые земснаряды удивительно просты. Нет погруженных движущихся частей. Сжатый воздух впрыскивается в трубу на глубине погружения 60%. Столб жидкости внутри теряет плотность. Если верх трубы не слишком высоко над водой, воздушно-водная смесь переливается. Вода и осадки устремляются внутрь, чтобы заменить ее. Мощность для подъема твердых веществ значительна. Простота побеждает.

Глубоководное морское дно

Океанические впадины не плоские. Доминируют пологие холмы. Уклоны редко превышают несколько градусов. Рельеф варьируется на несколько сотен метров. Средняя глубина? 3800 метров. Примерно 12 500 футов.

Два основных типа осадков покрывают дно. Известковые илы и красная глина.

Известковые илы происходят от планктонных организмов. Их раковины и скелеты оседают. Около $10^{16}$ тонн покрывают 130 миллионов квадратных километров. Это 50 миллионов квадратных миль. Близко ко многим побережьям. Некоторые залежи почти чистого карбоната кальция. Другие напоминают известняк, используемый в портландцементе. Потенциальный строительный материал в глубинах.

Красная глина покрывает еще 104 миллиона квадратных километров. Примерно $10^{16}$ тонн. Состав не впечатляет. Но он может иметь ценность. Сырье для глиняных изделий. Или будущий источник металлов. Средняя доля глинозема составляет 15%. В некоторых местах достигает 25%. Медь достигает 0,20%. Никель и кобальт присутствуют в крошечных долях. Марганец составляет около одного процента. Эти металлы скрываются в микронодулярных фракциях глины. Ситовые или физические методы могут их отделить.

Морское дно — это склад. Мы только учимся открывать двери.

Настоящие деньги — в иле и соли

Взгляните внимательнее на горячий рассол в Красном море. Под ним скрывается нечто гораздо более интересное, чем гидротермальные источники. Бассейны, заполненные богатой металлами осадочной породой. Они просто лежат там, ожидая своего часа. Самым крупным является глубоководная впадина Атлантида II. По оценкам, она содержит значительные запасы меди, цинка, серебра и золота. Эти бассейны находятся на глубине около 2000 метров. Примерно 6600 футов. Прямо между Суданом и Аравийским полуостровом.

Вот в чем подвох. Осадочная порода имеет гелеобразную консистенцию. Ее перекачивание на поверхность может оказаться довольно простым делом. Она формируется прямо сейчас. В текущих геохимических условиях. Она очень похожа на крупные месторождения руд на суше. Просто находится глубже.

Но настоящие «тяжеловесы» находятся в другом месте. Марганцевые конкреции. Фосфориты тоже есть, но именно марганцевые конкреции несут основную экономическую ценность. Это конкреции диоксида марганца. Обычно их диаметр составляет около 3 сантиметров. Крошечные камни с огромным потенциалом.

Подумайте о масштабах. Только на дне Тихого океана, по оценкам, находится 1,5 триллиона тонн этих конкреций. Они лежат плотно. До 38 600 тонн на квадратный километр. Химический состав богат. Здесь содержится 2,5% меди, 2% никеля, 0,2% кобальта и 35% марганца. В некоторых месторождениях содержание марганца достигает 50%. На суше это считалось бы рудой высокого качества. А здесь они просто разбросаны по дну.

Как их поднять? Две основные идеи имеют право на существование. Глубоководный драговый земснаряд и глубоководный гидравлический земснаряд.

Драговый земснаряд работает как гигантский пылесос на поводке. Он срезает тонкий слой со дна океана. Заполняет свое ковшовое устройство. Затем поднимается вверх. Рельсовая система на задней части судна поднимает ковш. Груз вываливается в бункер. Можно добывать от 10 000 до 15 000 тонн в день. С глубины 6000 метров. Но процесс идет рывками. Опустить ковш. Поднять его. Выгрузить. Это непродуктивное время убивает экономическую эффективность. Процесс слишком прерывистый.

Непрерывная система работает лучше. На сцену выходит гидравлический земснаряд. Он использует насос и систему пневмоподъема. Самодвижущийся сборщик перемещается по дну. Он может использовать ковша, скребки или водяные струи. Ключевой момент — соотношение жидкости и твердых частиц. Необходимо управлять скоростью потока в трубе. Если мощность насоса слишком высока или слишком низка, смесь разрушается. Это хрупкий баланс физических процессов.

Мы еще не добывали марганец коммерческим способом. Это слишком дорого. Но мы уже добывали алмазы со дна океана. Для этой работы используются дистанционно управляемые аппараты (ROV) и вертикальные туннельные резаки. Технологии существуют. Экономика просто еще не догнала их.

Как растворная добыча превращает камень в жидкость

Забудьте на секунду об океане. Посмотрите на землю. Естественные рассольные скважины дают нам большую часть мирового запаса брома. Лития. Бора. А также калийных солей и трона. Но мы создаем и искусственные рассолы. Мы растворяем пласты растворимых минералов. Галит. Это каменная соль. Калийные соли. Трон. Бор.

Это растворная добыча рассолов. Или просто растворная добыча. Именно так мы получаем соль, не вырывая ямы и не вывозя камни.

Все начинается со скважины. Бурение ведется до верхней части пласта соли. Скважина обсадывается стальной трубой. Затем отверстие расширяется до нижней части пласта. После этого выбирается конфигурация. Существует четыре основных способа проведения работ.

Техника верхней инъекции проста. Внутрь скважины опускается tubing (тубинг) до самого дна. Внутрь аннulusа (кольцевого пространства между внутренней трубой и обсадной колонной) нагнетается вода. Вода попадает в верхнюю часть пласта соли. Она растворяет соль прямо там. Рассол тяжелее. Он опускается вниз. Он выталкивается наружу через тубинг. В результате образуется пещера в форме «утренней славы» (Morning Glory). Широкая вверху. Узкая внизу.

Нижняя инъекция меняет правила игры. Сладкая вода нагнетается через опущенный тубинг в нижней части. Рассол откачивается через аннulus в верхней части. Пещера изначально имеет грушевидную форму. Широкая внизу. По мере роста она становится бочкообразной. Если продолжить, она тоже превратится в форму «утренней славы».

Нижняя кольцевая инъекция отличается. Вода поступает через аннulus обсадной колонны вблизи дна. Рассол выходит через тубинг, установленный немного глубже. Это создает бочкообразную пещеру. Стабильную. Предсказуемую.

Существует вариация, обеспечивающая дополнительный контроль. Две концентрические трубы в скважине. Вода поступает через аннulus между ними. Рассол выходит через нижнюю внутреннюю трубу. Но вот в чем хитрость. В аннulus между обсадной колонной и первой трубой нагнетается нефть или воздух. Нефть и воздух легче воды. Они всплывают к верхней части пещеры. Они образуют подушку. Эта подушка останавливает рост пещеры вверх. Она заставляет пещеру расти вширь. Вы получаете широкую пещеру, не рискуя структурной целостностью вышележащих пород. Когда расширение завершено. Вы удаляете нефтяную или воздушную подушку. Пещера начинает расти вверх. Вы контролируете форму. Вы контролируете ресурс.

Объединение пещер повышает эффективность

Здесь имеет значение размер. Используя упомянутые ранее методы, можно выработать пещеры диаметром 100 метров и более. Это работает в слоистой соли. Это работает в купольной соли. Но главный секрет заключается не просто в выкапывании ямы. Он заключается в их соединении.

Когда соседние пещеры сливаются, добыча резко возрастает. Вы перестаете рассматривать скважины как изолированные единицы. Вместо этого вы создаете систему. Одна скважина закачивает жидкость. Другая откачивает ее. Это скоординированный танец. Обычно используется пятиточечная схема. Одна нагнетательная скважина находится в самом центре. Четыре добывающие скважины окружают ее, подобно спутникам.

Рассол поднимается горячим и соленым. Он направляется на завод. Или, возможно, в солнечный пруд. Там испарение берет на себя основную работу. Вода уходит. Соль остается. Простая физика. Эффективная химия.

Как процесс Фраса извлекает серу

Сера не просто лежит на поверхности в ожидании вас. Она заключена в ловушку. А именно, в крышке соляных куполов. Сера находится внутри пористого или трещиноватого известняка. Этот известник зажаты между слоями породы, которые бесплодны, непроницаемы и нерастворимы. Природа создала идеальный контейнер. Процесс Фраса — это ключ к его открытию.

Этот метод применим как к слоистым, так и к купольным месторождениям. Но конфигурация куполов является классическим примером. Вот как выглядит инженерная часть процесса.

Вы начинаете со скважины в крышечной породе. Вы устанавливаете обсадную колонну. Ее ширина составляет примерно 200–250 мм. Примерно 8–10 дюймов. Оттуда вы бурите вниз до нижней части слоя известняка с серой. Вы устанавливаете трубу. Диаметр 150 мм. Шесть дюймов. Эта труба имеет перфорации. Два уровня перфораций.

Внутри этой трубы диаметром 150 мм находится еще одна. Ширина 75 мм. Три дюйма. Она идет почти до дна. Наконец, крошечная труба диаметром 25 мм подвешена от поверхности внутри трубы диаметром 75 мм. Всего один дюйм в ширину.

Три трубы. Вложенные друг в друга, как матрешки. Зачем так много? Потому что вам нужны отдельные каналы для разных задач.

В систему поступает перегретая вода. Она горячая. Примерно 170 °C. Это 340 °F. Она течет вниз по пространству между трубами диаметром 150 мм и 75 мм. Она вырывается из верхних перфораций. Тепло воздействует на известняк. Температура повышается. Она превышает температуру плавления серы. 115 °C. 240 °F.

Твердая сера превращается в жидкость.

Жидкая сера плотная. Тяжелее воды. Поэтому она оседает. Она скапливается на дне пласта. Гравитация делает свою работу. Расплавленная сера течет в нижние перфорации трубы диаметром 150 мм. Она попадает в трубу диаметром 75 мм.

Теперь ей нужно подняться. Она густая. Она тяжелая. Она не поднимется сама по себе. Вы закачиваете сжатый воздух через эту крошечную трубу диаметром 25 мм. Воздух смешивается с серой. Это снижает плотность. Представьте, что вы делаете суспензию легче. Смесь пузырится. Расплавленная сера поднимается на поверхность.

Это грубая сила термодинамики. Нагрейте. Дайте осесть. Уменьшите нагрузку. Поднимите. Никакой копки. Никакой добычи. Только трубы и давление.