Подземная геотехнология

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

ПОДЗЕМНАЯ  ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

Учебное пособие

Красноярск

СФУ
2017

УДК 622.222(07)
ББК 33.21я73

П442

А в т о р ы: 
А.Н. Анушенков, Б.А. Ахпашев, Е.П. Волков, А.И. Голованов, Н.А. Шкаруба

Р е ц е н з е н т ы:
А.Г. Михайлов, доктор технических наук, заведующий лабораторией проблем освоения недр ИХХТ СО РАН;
А.П. Андриевский, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник 
ИХХТ СО РАН

П44
Подземная геотехнология : учеб. пособие / А.Н. Анушенков, 

Б.А. Ахпашев, Е.П. Волков [и др.]. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т,
2017. – 304 с.

ISBN 978-5-7638-3725-4

Изложен комплекс вопросов, связанных с подземной разработкой рудных 

месторождений на современных горнодобывающих предприятиях, приведена характеристика рудной базы и основных регионов добычи сырья. Даны определения 
понятий и классификация способов вскрытия запасов. Рассмотрены системы разработки. Представлены сведения о технологических процессах добычи руд. Описаны 
динамические явления при выемке удароопасных рудных тел.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 21.05.04 

«Горное дело».

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 622.222(07)
ББК 33.21я73

ISBN 978-5-7638-3725-4
© Сибирский федеральный университет, 2017

ВВЕДЕНИЕ

Природные ресурсы России являются в настоящее время и оста
нуются в обозримой перспективе основой ее экономического развития. В составе природно-ресурсной компоненты значительная часть 
стоимости приходится на рудные месторождения полезных ископаемых (МПИ), разрабатываемых подземным способом. Главной особенностью подземных разработок является постоянное углубление 
горных работ. В достаточно близкой перспективе на рудниках Норильского региона горные работы будут вестись на глубинах 1,5–
2,0 км, на рудниках Дальнего Востока, Горной Шории – более 1,0 км. 
Уже в настоящее время подземная добыча руд в Индии и ЮАР осуществляется на глубинах более 3,5 км, США и Канаде – более 2,5 км.

В подобных условиях безопасность горных работ можно обес
печить лишь при всестороннем изучении геомеханических процессов, 
происходящих в разрабатываемом массиве, создании надежных методов прогноза и контроля состояния толщи пород и поверхности земли 
в различные периоды преобразования недр.

Эти задачи, функциональные по своему характеру, имеют боль
шое практическое значение для выбора способа управления горным 
давлением, обоснования параметров систем разработки, достижения 
качества, полноты и комплексности извлечения полезных ископаемых 
из недр.

Поэтому возрастает потребность науки и промышленности 

в специалистах в области горного дела, которое является частью фундаментальных наук о Земле и тесно связано с другими горными науками: горнопромышленной геологией, разрушением горных пород, 
рудничной аэрогазодинамикой, горной теплофизикой, информатикой, 
геотехнологией и т.д.

Горнорудная промышленность – ведущая отрасль промышлен
ности России и ряда высокоразвитых стран Северной и Южной Америки, Австралии и Скандинавии. Наиболее ценные руды добываются 
подземным способом и, как отмечено выше, во все усложняющихся 
природных условиях больших глубин.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ
РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

В условиях ограниченности финансовых, экологических и энер
гетических ресурсов, дефицита ряда ископаемых требуется обоснование новых подходов к недрам Земли. Настало время рассматривать 
«недра не только как источник минерального сырья, воды, газов, тепла, но и принципиально в ином плане – как природный многофункциональный ресурс жизнеобеспечения общества, находящийся в процессе постоянного преобразования» [1].

1.1. Предмет горных наук

Охрана недр Земли, изменяемых в своем состоянии и общест
венном назначении, может быть осуществлена только посредством 
целенаправленного их воссоздания в новом полезном качестве. То 
есть добыча полезного ископаемого должна позволять проводить геологоразведку глубоких горизонтов месторождений из подземных выработок, некоторые из них после реконструкции использовать в качестве вместилища производственных объектов (складов, хранилищ отходов, цехов перерабатывающего комплекса и т.д.). Подземные выработки также могут служить для утилизации тепла Земли или забора 
воды и теплообеспечения производственной и социальной инфраструктуры. 

Строительство подземных объектов различного назначения – ак
тивно развивающаяся отрасль. Большинству специалистов известно 
об объекте «Красноярск-26», где построен и функционирует в течение 
более 50 лет подземный город. В этой области главенствующее положение среди горных наук занимает геомеханика.

Изменение концепции горных наук от обоснования технических 

решений при разработке месторождений к выявлению закономерностей развития геосистем в связи с последствиями освоения недр для 

природы и общества потребовало по-новому представить классификацию (табл. 1.1.1) горных наук [1].

Таблица 1.1.1

Современная классификация горных наук

Группа горных 

наук
Горная наука

1. Горное недропользование

Горнопромышленная геология
Геометрия и квалиметрия недр
Геомеханика
Разрушение горных пород
Рудничная аэрогазодинамика
Горная теплофизика

2. Горная системалогия

Теория проектирования освоения недр
Экономика освоения георесурсов
Горная экология
Горная информатика

3. Геотехнология
Физико-техническая геотехнология
Физико-химическая геотехнология
Строительная геотехнология
Геотехника

4. Обогащение 
полезных ископаемых

Технологическая минералогия
Дезинтеграция и подготовка минерального сырья к обогащению
Физические и химические процессы разделения, концентрации и переработки минералов и извлечения полезных 
компонентов

Научные дисциплины первой группы объединены общей иде
ей – выявить закономерности техногенной эволюции недр.

Горная системалогия включает в себя науки, которые изучают 

закономерности развития геосистем и выявляют последствия техногенного освоения недр.

Геотехнологии объединяют науки об извлечении полезных ис
копаемых из недр и водоемов, исследуют технологические процессы, 
технические средства, технологии и способы ведения горных работ.

Комплекс наук об обогащении полезных ископаемых изучает 

способность тех или иных методов извлекать минералы и полезные 
компоненты из массы добытого полезного ископаемого.

1.2. Краткая характеристика рудной базы

и основные регионы добычи сырья

Если укрупненно характеризовать богатство России относитель
но мирового сообщества, то это: территория суши – 12 %, шельфа акватории мирового океана – около 30 %, на которой запасы лесных ресурсов составляют 22 %, пресных вод – 20 %, минеральных ресурсов – 16 % [2].

В составе минерально-ресурсной компоненты большую роль иг
рают рудные ископаемые. Рассмотрим ниже состояние рудной базы 
страны и основные регионы их размещения.

1. Черная металлургия. По запасам железных руд Россия занима
ет ведущие позиции в мире, уступая ряду стран по качеству (содержанию железа) сырья. В государственном балансе полезных ископаемых 
учтено более 100 месторождений, из которых разрабатываются 52. Основная добыча осуществляется в Центральном регионе (Курская магнитная аномалия). На его долю приходится более 50 % добываемых 
руд. Около 20 % железных руд извлекаются из месторождений Уральского и Северо-Западного округов. Доля Сибирского региона составляет 7–8 %. Основные месторождения здесь – Таштагольское, Шерегешевское, Коршуновское, Белорецкое, Тейское, Абаканское и др.

Запасы марганцевых руд на территории России являются остро
дефицитными, основные потребности экономики удовлетворяются 
за счет импорта. Наиболее известное месторождение Усинское 
(Кемеровская область) располагает достаточными запасами руд 
(>11,5 млн т), но не разрабатывается из-за отсутствия эффективной 
технологии обогащения.

Дефицитным сырьем являются также запасы хромитовых руд. Со
средоточены они в Пермской области (Сарановское месторождение). 
Прогнозные ресурсы хрома оцениваются высоко, располагаются они 
на севере Свердловской области и Кольском полуострове. В 1998 г.
из Сарановского месторождения было добыто около 70 тыс. т хромитовой руды при потребности страны до 1 600 тыс. т [2]. 

2. Цветная металлургия. По геологическим запасам, объему 

производства никеля Россия занимает ведущие позиции в мире. Основные запасы его сосредоточены в Норильском регионе (более 60 %) 
на северной окраине Сибирской платформы. Сульфидные медноникелевые 
залежи 
сформированы
вкрапленными, 
прожилково
вкрапленными и сплошными рудами. Помимо никеля и меди руды 
содержат промышленные запасы платиноидов, кобальта и других 

ценных компонентов. Около 20 %
запасов никеля приходится 

на Кольский полуостров.

Общемировые запасы меди (без стран СНГ) составляют 

840 млн т, разведанные – около 470 млн т. В России известно более 
120 месторождений этого металла. Подавляющая часть запасов его 
сосредоточена в Норильском регионе и на Удоканском месторождении. Месторождения Урала – основные производители меди в прошлые годы – к настоящему времени играют менее значительную
роль. Потребности страны в меди удовлетворяются не полностью. 
Это требует ускоренного освоения Удоканского месторождения, способного производить металла до 300 тыс. т/год [2].

Минерально-сырьевая база олова в последние годы заметно 

ухудшилась. Месторождения этого металла на территории России 
располагаются от Ледовитого океана вдоль тихоокеанского побережья, Республики Саха (Якутия) через Магаданскую область в Хабаровский и Приморский края. В настоящее время добыча оловянных 
руд в значительно уменьшенных масштабах ведется на Депутатском 
и Правоурминском месторождениях [2].

Запасы свинца и цинка в РФ имеются в достаточном количестве. 

Их добыча ведется на Горевском месторождении (Красноярский 
край) и группе Приморских рудников ОАО «ГМК "Дальполиметалл"». В ближайшие годы вводится в эксплуатацию Карбалихинское 
месторождение (Алтайский край). Дальнейшие перспективы развития
рудной базы свинца и цинка зависят от сроков освоения НовоШироковского (Читинская область), Холоднинского и Озерного месторождений (Бурятия), обладающих значительными запасами этих 
металлов [3]. 

В России известны 13 месторождений молибдена, из них 9 име
ют утвержденные балансовые запасы, которые оцениваются как достаточные для обеспечения потребностей страны. Большинство запасов (82 %) сосредоточены в Сибирском округе. В настоящее время 
добыча этого металла осуществляется на Сорском (Хакасия) и Жирекенском (Читинская область) месторождениях [34].

Основная добыча вольфрамовых концентратов в РФ ведется 

в Приморском крае на месторождениях «Восток-2» и Лермонтовском. 
В Кабардино-Балкарии разрабатывается Тырнаузское месторождение, 
в рудах которого помимо вольфрама содержатся молибден, медь, 
висмут. В небольших масштабах добывается этот металл на БомГорхонском месторождении (Читинская область). Обеспеченность запасами на всех предприятиях оценивается как достаточная. 

По масштабам производства алюминия Россия в мировой эконо
мике занимает первое место. Основным сырьем для его производства 
являются бокситы, добываемые на глубоких рудниках Северного 
Урала и в небольших объемах в Ленинградской и Архангельской областях. Другим важным источником глинозема (оксида алюминия) 
служат месторождения нефелиновых сиенитов (Кемеровская область) 
и сынныритов (Бурятия и Читинская область).

Экономическая мощь государств в большей степени характери
зуется наличием валютного минерального сырья – золота, серебра, 
платиноидов и алмазов (табл. 1.2.1). Россия ежегодно добывает 130–
140 т золота, занимая ведущее место в мире. В государственном балансе страны числятся более 5,5 тыс. месторождений этого драгоценного металла, в том числе более 220 коренных, 5 275 россыпных, 
128 комплексных. Основные разведанные запасы золота сосредоточены в Сибирском федеральном округе. 

Наиболее крупные объекты коренных месторождений распо
ложены и разрабатываются на территории Красноярского (Олимпиадинское, Советское) и Хабаровского краев, Иркутской области 
(Сухой Лог). Основная добыча россыпного золота осуществляется 
в Республике Саха (Якутия), в Магаданской, Иркутской и Амурской 
областях.

По запасам платиноидов Россия, наряду с ЮАР, занимает лиди
рующее положение в мире. Основные запасы их сосредоточены 
на разрабатываемых месторождениях медно-никелевых руд Норильского района. Платиноиды широко используются в качестве катализаторов и полностью удовлетворяют внутренний рынок страны [34]. 

Серебро в основном добывается попутно при разработке поли
металлических, медных и золотосодержащих рудных залежей. Крупные серебряные месторождения разрабатываются в Магаданской области (Дукатское, Карамкенское).

По запасам и производству алмазов Россия занимает одно 

из первых мест в мире. Промышленное значение имеют алмазоносные кимберлитовые породы и формирующиеся за их счет различные 
россыпные месторождения. Сырьевая база алмазов расположена 
в трех районах: Республике Саха (Якутия), Архангельской и Пермской областях. Основная их добыча (98 %) приходится на кимберлитовые трубки Республики Саха (Якутия): «Мир», «Удачная», «Интернациональная», «Юбилейная», «Айхал». Среднее содержание алмазов 
в разрабатываемых месторождениях нашей страны в 2–4 раза выше, 
чем за рубежом [4]. 

Таблица 1.2.1 

Классификация стратегических видов минерального сырья 

по их ресурсному потенциалу

№

группы

Потенциал месторождений полезных 

ископаемых
Минеральное сырье

I
Добывающие предприятия обеспечены высококачественными, 
конкурентоспособ
ными на мировом рынке запасами; имеется 
фонд резервных месторождений. Прогнозный потенциал надежный

Газ, алмазы, никель, 
платина, бериллий

II
Может быть обеспечен высокий уровень 
эффективности добычи только на ближайшую перспективу (5–7 лет), есть резерв 
подготовленных объектов, освоение которых требует крупных инвестиций. Прогнозный потенциал хороший или удовлетворительный

Нефть, золото, медь, 
свинец, цинк, германий, литий, сурьма 
и редкие металлы

III
Нет запасов высококачественных конкурентоспособных руд, требуется применение 
сложных, неотработанных технологий обогащения, подготовлены небольшие резервные месторождения с хорошим или удовлетворительным качеством сырья; освоение 
требует инвестиций. Прогнозный потенциал 
удовлетворительный или ограниченный; необходим частичный импорт сырья

Бокситы, 
молибден, 

вольфрам, титан, цирконий

IV
Остродефицитные в России: их запасы 
весьма ограничены или практически отсутствуют, нет подготовленных к освоению 
крупных месторождений, реализация прогнозного потенциала требует проведения 
значительных объемов геологоразведочных работ с возможностью решения проблем сырьевой обеспеченности только через 5–12 лет, необходимо долгосрочное соглашение по импорту

Уран, марганец, хром, 
кварцевое сырье

Анализ текущей и долговременной промышленной конъюнкту
ры с прогнозом потребностей рынка в минеральном сырье на перспективу выдвигает перед Россией требования дальнейшего развития 
рудной базы. В ближайшее десятилетие будут строиться крупные 
по масштабам горнорудные предприятия в Читинской и Архангельской областях, Красноярском крае.

Большой интерес представляет север Читинской области, где 

проходит Байкало-Амурская магистраль. Район исключительно богат 
ценнейшими природными ресурсами, сконцентрированными компактно, что создает благоприятные предпосылки для их комплексного
освоения в рамках единого территориально-производственного образования. Наряду с уникальным Удоканским, в районе выявлен целый 
ряд крупных месторождений и рудопроявлений меди с весьма ценными попутными компонентами. Помимо меди здесь имеются промышленные запасы титана, редких металлов, золота, серебра, молибдена, вольфрама, олова, редкоземельных элементов, железистых 
кварцитов. На крупном редкоземельном Катучинском месторождении 
кроме тантала, ниобия, циркония обнаружен природный криолит –
ценнейшее сырье для алюминиевой промышленности. Огромны запасы ванадия, ильменит-титаномагнетитовых, медно-никелевых руд 
на Чигинском месторождении, к которому строится железная дорога. 
Имеются рудопроявления алмазов, дефицитного в стране хрома, которые могут вырасти в промышленные объекты разработки.

Вторым по ценности природно-ресурсного потенциала считается

регион Нижнее Приангарье. Федеральное значение здесь имеют запасы свинца, цинка, меди, сурьмы, редких металлов, бокситов, марганца, а запасы золота – мировое значение. Особенностью минеральносырьевых ресурсов региона является многокомпонентность руд с высоким содержанием полезных ископаемых. Все известные месторождения сосредоточены на небольшой площади, что благоприятно для 
поэтапного их освоения в рамках единого производственного комплекса.

Большое горнодобывающее предприятие будет строиться на ба
зе алмазоносных кимберлитовых трубок Архангельского месторождения. 

1.3. Стадии разработки и показатели 

ее эффективности

При освоении рудных месторождений выделяют три стадии гор
ных работ: вскрытие, подготовку и очистную выемку.

Вскрытие состоит в проведении горных выработок, открываю
щих транспортный доступ с поверхности к рудному телу, обеспечивающих возможность проходки подготовительных выработок. Выработки вскрытия – шахтные стволы, спиральные съезды, околостволь