Учебное пособие: Горные породы и полезные ископаемые

Рисунок 2.5. Схема сплошной системы разработки: Нк - глубина карьера,

hв - высота вскрышного уступа, hд - высота добычного уступа, Ав - шрина вскрышной заходки, Ад - ширина добычной заходки, Ао - ширина отвальной заходки, Б - транспортная полоса, Rр - радиус разгрузки экскаватора.

При разработке наклонных и крутых залежей в период эксплуатации ведутся вскрытие и нарезка новых рабочих горизонтов. В этом случае положение рабочей зоны постоянно меняется, поэтому системы разработки таких месторождений относятся к группе углубочных систем - с переменным положением рабочей зон (рисунок 2.6).

Весь комплекс горных работ на карьерах можно разделить на связанные между собой производственные процессы. Процесс (от латинского слова - processus - продвижение) - совокупность последовательных действий для достижения какого-либо результата. При ведении горных работ общим результатом производственных процессов является добыча полезного ископаемого.

Рисунок 2.6. Элементы и параметры карьера: 1 - выработанное пространство; 2 - рабочий борт карьера; 3 - конечные контуры карьера; б - угол откоса уступа; ц - угол откоса рабочего борта; гВ - угол откоса нерабочего борта со стороны висячего бока залежи; гЛ - угол откоса нерабочего борта со стороны лежачего бока залежи; П - ширина рабочей площадки; h - высота уступа; НК - конечная глубина карьера; ВК - ширина карьера по верхнему контуру; LК - длина карьера по верхнему контуру; bТ - ширина траншеи

Основными производственными процессами на карьерах, которые определяют характер производства, являются: подготовка горных пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, перемещение (транспортирование) горной массы, отвалообразование вскрышных пород и разгрузка или складирование полезного ископаемого.

Подготовка горных пород к выемке

Подготовка горных пород к выемке заключается в разрушении массива различными способами на куски, удобные для последующей выемки, погрузки и транспортирования. Рыхлые и мягкие породы могут разрабатываться непосредственно из массива экскаваторами или другими выемочными машинами. Подготовка плотных и наименее прочных полускальных пород ведется обычно навесными рыхлителями на тракторах тяжелого типа. Подготовка к выемке скальных и полускальных пород осуществляется посредством буровзрывных работ, при этом кусковатость взорванных пород должна быть оптимальной.

Размеры максимально допустимого куска во взорванной горной массе определяются параметрами транспортных средств, дробилок и других приемных устройств, а также условиями работы оборудования.

Максимально допустимый линейный размер куска породы dк (м), равен:

для одноковшовых экскаваторов - ;

для транспортных средств - ;

для конвейерного транспорта - ;

для дробилок - ,

где Е - вместимость ковша экскаватора, м3; V - вместимость кузова автосамосвала или думпкара, м3; Вк - ширина конвейерной ленты, м;
Ад - ширина приемного отверстия дробилки, м.

Куски, имеющие размеры больше допустимых, называют негабаритными и подвергают дополнительному дроблению.

Подготовку пород к выемке ведут следующими способами: механическими (используя органы горных машин), гидравлическими (нагнетанием, насыщением водой, растворением), физическими (токами высокой и промышленной частоты, электромагнитным полем, высокотемпературной газовой струей и пр.), химическими, с использованием энергии взрыва, комбинированными. На выбор способа подготовки влияют: вид и свойство пород, мощность предприятия, требования к качеству добываемого сырья, а также климатические условия.

Наиболее универсально и эффективно взрывное разрушение - основной способ подготовки к выемке на месторождениях с полускальными и скальными породами.

Под взрывом понимают чрезвычайно быстрые окислительные химические реакции с образованием новых соединений, выделением большого количества тепла (3400-6000 кДж/кг) и газов, способных производить разрушение и перемещение окружающей среды. В горной промышленности применяют взрывы с использованием химических взрывчатых веществ.

Взрывчатыми веществами (ВВ) называют химические соединения или механические смеси, которые под воздействием внешнего импульса (нагревание, трение, удар и т.д.) взрываются (детонируют). В химии известно большое количество химических соединений, которые способны под воздействием внешнего импульса взрываться. Но к промышленным ВВ (пригодным для промышленных взрывов) относятся соединения и смеси, достаточно безопасные в изготовлении и обращении, эффективные в применении, технически и экономически доступные в изготовлении, не меняющие своих физических и химических свойств при их длительном хранении.

Область применения различных ВВ обусловлена прочностью, обводненностью и трещиноватостью массива (таблица 2.1).

Для передачи максимальной энергии взрыва среде ВВ должно быть расположено, как правило внутри массива разрушаемой породы в искусственно создаваемых полостях. Цилиндрические полости именуют шпурами или скважинами. Скважины имеют диаметр более 75 мм и глубину свыше 5 м.

Таблица 2.1. Рекомендуемая область применения взрывчатых веществ

Процесс искусственного образования в массиве шпуров и скважин называют бурением. Для этой цели используют бурильные машины и агрегаты. Процесс бурения состоит в разрушении породы на забое буровым инструментом и ее удалении из шпура или скважины.

Для бурения шпуров и скважин применяют разнообразные сверла и молотки, буровые каретки, буровые станки и установки. При всех способах процесс бурения состоит из выполнения следующих основных операций:

- подготовка и установка бурильной машины для начала работ;

- бурение (разрушение породы) с очисткой забоя скважины от продуктов разрушения (буровой мелочи);

- наращивание бурового става для достижения требуемой глубины бурения и его разборка после окончания работ;

- смена изношенного бурового инструмента;

- передвижение машины на новую точку бурения шпура или скважины.

В настоящее время применяют вращательное, ударное, ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение скважин, которые иногда называют механическими способами бурения.

При вращательном бурении инструмент вращается вокруг оси, совпадающей с осью шпура или скважин и одновременно с определенным усилием подается на забой скважины. Величину усилия задают из расчета превышения предела прочности породы на вдавливание на площади контакта режущих лезвий инструмента с породой. При этом происходят последовательное скалывание частиц породы с забоя и углубление инструмента по винтовой линии. Удаление продуктов разрушения производят механическим способом с помощью витых штанг (при бурении шпуров), шнеков (при бурении скважин), промывкой забоя водой или продувкой воздухом. Вращательное бурение применяют в породах с коэффициентом крепости f = 2-6.

В горной промышленности применяют:

- вращательное бурение резцами шпуров с помощью ручных и колонковых сверл;

- вращательное (шнековое) бурение резцами скважин с помощью буровых станков типа СБР (см. прил. 5).

При ударном бурении с помощью ударника инструмент наносит удар по забою и разрушает породу под лезвием. После каждого удара инструмент поворачивается на некоторый угол, обеспечивая получение круглого сечения шпура или скважины.

Различают следующие виды ударного бурения:

Ударно-поворотное бурение обычными и погружными бурильными молотками, при котором инструмент поворачивается только в промежутках между ударами вмонтированным в молоток поворотным устройством.

Ударно-вращательное бурение погружными пневмоударниками и бурильными молотками с независимым вращением, при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту. Разрушение породы при этих двух способах бурения происходит только за счет его внедрения при ударах.

Вращательно-ударное бурение, при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся под большим (в 10 раз большим, чем при ударно-вращательном) осевым усилием инструменту. Разрушение происходит как за счет внедрения инструмента при ударах, так и за счет поворота при вращении инструмента.

Станки ударно-вращательного бурения с погружными пневмоударниками (СБУ) применяются для бурения крепких и очень крепких, труднобуримых породах с f > 10 (см. прил.7).

Бурение шарошечными долотами относится к ударному, при долотах чистого качения и к вращательно-ударному при долотах, в которых зубцы наряду с перекатыванием по забою срезают ее скользящим движением вдоль поверхности забоя (долота со скольжением). Этот способ бурения один из самых распространенных и перспективных на карьерах. Для бурения пород с f = 6-8 используются станки легкого типа (СБШ-160), в породах с f = 8-14 - среднего типа (2СБШ-200-32, СБШ-250МНА-32), а при коэффициенте крепости пород f > 14 - станки тяжелого типа (СБШ-320-36, СБШ-400-55). Техническая характеристика станков шарошечного бурения приведена в прил.6.

На карьерах наиболее распространен метод скваженных зарядов. К основным параметрам взрывных скважин относятся диаметр (dc), глубина (Lc) и угол наклона (вc) (рисунок 2.7).

Диаметр скважины зависит от физико-механических свойств пород, диаметра бурового инструмента, требуемой степени дробления пород, масштаба и организации горных работ.

Глубина скважины определяется высотой взрываемого уступа h, углом наклона скважины к горизонту вc и величиной перебура скважины lп ниже отметки подошвы уступа. Перебур необходим для качественного разрушения пород в подошве уступа.

В зависимости от угла наклона скважины к горизонтальной плоскости различают горизонтальные, наклонные и вертикальные скважины. В основном на карьерах применяют вертикальные скважины (см. рисунок 2.7 а, б). Горизонтальные скважины используют изредка и, как правило, в сочетании с вертикальными, для взрывания высоких уступов или их выполаживания (заоткоски) при подходе к предельному контуру. Наклонные скважины, пробуренные параллельно откосу уступа (см. рисунок 2.7 в, г), обеспечивают отрыв породы по линии скважины, высокую степень дробления и хорошую проработку подошвы, так как сопротивление породы взрыванию постоянно по высоте уступа.

Рисунок 2.7. Конструкция скважинных зарядов: а - сплошной в вертикальных скважинах; б - рассредоточенный забойкой в вертикальных скважинах; в - сплошной в наклонных скважинах; г - рассредоточенный забойкой в наклонных скважинах

Заряд ВВ в скважине может быть сплошным или рассредоточенным (рисунок 2.7). Сплошные заряды применяют в обводненных и трудновзрываемых породах, располагается в нижней части скважины и воздействует в основном на нижнюю часть уступа. Поэтому при взрывании сплошных зарядов образуются негабариты. В рассредоточенных зарядах основную массы ВВ располагают в нижней части скважины, а один, реже - два одинаковых дополнительных заряда - в средней и верхней частях, что позволяет улучшить дробление породы. Забойка скважины должна быть плотной, а ее длина достаточной для предотвращения утечек продуктов взрыва, выброса породы и образования сильной ударной воздушной волны. Для забойки используют буровую мелочь, песок с размерами частиц до 50 мм.

Расположение скважин на уступе может быть однорядным и многорядным (рисунок 2.8). Основными параметрами расположения скважин являются: линия сопротивления по подошве уступа (ЛСПП) W, расстояние а между скважинами в ряду, расстояние b между рядами скважин и число взрываемых рядов. Большое влияние на результаты взрыва оказывает величина W, которая зависит от диаметра скважины, высоты уступа и угла наклона его откоса, мощности ВВ, плотности заряжания. При завышении величины W плохо прорабатывается подошва уступа, а при ее занижении энергия взрыва в большей степени тратится на выброс, а не на дробление породы.