Лекции по "Геологии"

Лекция 3 (6 часов)

Технология подготовки горных пород в выемке

 

Процесс подготовки горных пород к выемке является основным в технологии их разработки и заключается  в рыхлении горного массива механическим или взрывным способом.

Механический способ без предварительного взрывания применяется в основном в мягких, рыхлых и плотных горных породах. Иногда в полускальных породах.

Взрывной способ используется в полускальных и скальных породах.

Подготовка мягких горных пород

Массив рыхлых и мягких пород может разрабатываться экскаваторами или другими выемочными машинами. При этом усилие копания, развиваемые рабочими органами, машин, должны быть достаточными. Кроме этого породы этой группы могут быть смерзшимися или слежавшимися. Особенно это касается так называемых техногенных месторождений (отвалов). Поэтому их перед выемкой необходимо рыхлить механическим путем или взрывом. Обычно механическими лопатами с ковшом емкостью менее 1 м³ можно разрабатывать без предварительного рыхления слой мерзлой породы мощностью не более 0,2 – 0,3 м, а при ковше ёмкостью более 4 м³ – слой мощностью до 0.7 м.

В комплекс работ по подготовке мягких и рыхлых пород к выемке в зимнее время входит: предотвращение промерзания площадок и откосов, когда слой для выемки превышает  допустимо возможную мощность для выемки; оттаивание пород путем электрообогрева, поверхностного пожога с помощью горячих газов, пара и.т.п.; рыхление посредством буровзрывных работ или механическими рыхлителями.

Для утепления площадок с целью предохранения пород  от промерзания чаще всего используют предварительное рыхление с помощью бульдозерных рыхлителей на глубину до 1 м или экскаваторами на глубину до 2 метров. Иногда площадки накрывают стекловатой, шлаком опилками, покрывают слоем из замороженной водовоздушной пены или другим теплоизоляционным материалом. В последнее время теплоизоляционные материалы используются реже, так как теперь выпускается мощные бульдозерно-рыхлительные агрегаты на гусеничном и колесном ходах, как отечественного, так им импортного производства. В качестве рабочего органа используются одно и многозубые механические рыхлители (таб.1-3). Такие агрегаты способны рыхлить мерзлые грунты глубиной более одного метра и транспортировать породу до 100 – 150 м. Причем призма волочения достигает 20 и более м³. При движении рыхлителя порода разгружается в контуре трапециевидной прорези (рис. 1). Расстояние между прорезями зависит от плотности и трещиноватости пород. Чем мягче порода, чем меньше показатель трудности ее разборки, тем больше возможность заглубления рыхлителя и техническая скорость рыхления (таб. 4).

Требуемая кусковатость рыхления и производительность рыхлителя  регулируются изменением глубины рыхления, угла рыхления, расстояния между смежными проходами и схемы движения рыхлителя.

Рыхление массива производится при параллельных смежных проходах на горизонтальной или наклонной (до 20 градусов) площадке. Проходы могут быть прямые, зубообразные и другие. На горизонтальной площадке рыхлитель движется по челноковой схеме. Длина рабочего участка составляет 100 – 300м. На наклонной площадке рабочее движение осуществляется только под уклон, а вверх машина перемещается в холостую.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Производительность рыхлителя (м³/час.) при параллельных ходах может быть определена по формуле

 

Qt = chk/ (1/v + t/l),

 

где с – расстояние между смежными ходами рыхлителя, м; h – глубина рыхления, м; k – коэффициент использования рыхлителя (k = 0,7 – 0,8); v – техническая скорость рыхления м /час.; t – время переезда на следующую борозду, ч; l – длина параллельного хода, м.

Производительность рыхлителя  в твердых породах достигает 1000 –1500 м³/ч при длине участка рыхления 100 – 300 м.

Рыхлители успешно используются при разработке тонких угольных пластов, при добыче фосфоритовых и апатитовых руд, для разрушения маломощных слоев сланцев, песчаников, полускальных известняков, а также так называемых техногенных месторождений (отвалов).

 

 

 

 

 

- таблица  1	Техническая характеристика бульдозеры ОАО "ЧТЗ - Уралтрак"
	Б-170М	Б10	ДЭТ-250	ДЭТ-350
Двигатель	Д180 .111-1	Д180 .111-1	В-31М2	В-35ИН
Мощность, кВт/л.с	125/170	132//180	237/323	257/350
Масса агрегата, т	18,5	21,5	41,3	44,4
Тип отвала	SU	SU	SU	SU
Размеры отвала (ВхН), мм	З310х1310	3420х1310	4250х1850	4250х1850
Объем призмы волочения, куб.м	4,1	4,3	10,5	10,5
Число зубьев рыхлителя	1 или 3		1	1
Удельное давление на грунт, МПа	н.д.	0,074	0,093	0,11

Колесные бульдозеры обладают примерно в три раза большей  скоростью движения, чем гусеничные. Это сообщает им маневренность, возможность  обслуживания нескольких объектов и производства различных работ в карьере. Вместе с тем увеличенное примерно в три раза (до 0,2-0,3 МПа) давление на грунт и сравнительно «меньший» коэффициент сцепления (0,55-0,65) предопределяют их применение на достаточно прочных грунтах. Одним из обстоятельств, определяющих выбор колесных бульдозеров, является повышенный износ шин. В итоге, маневренность и высокая скорость движения делают колесные бульдозеры особенно пригодными для работы по подборке породы возле экскаваторов, при работе на складах, планировке дорог. Для повышения срока службы шин колеса обвязывают мощными цепями.

В последнее время  широко стали использоваться гидроударники (гидромолоты) в основном импортного производства, например фирмы Крупп  или Раммер. Наши гидроударники менее  надежны в работе. В последнее время импортным гидроударникам могут создать конкуренцию гидромолоты Воронежского экскаваторного завода. Гидромолоты, для разработки скальных и полускальных пород навешиваются на экскаваторы. В зависимости от энергии удара выбирается вес экскаватора.

Иногда подготовка мягких пород к выемке заключается в  осушении массива.

Из специальных методов  локального осушения применяется предварительное  дренирование горизонтальными скважинами, пробуренными в основании уступа.

Локальное осушение возможно также посредством электрического поля. Для этого в осушаемом массиве создается напряжение, благодаря которому начинается движение катионов воды в электрическом поле.

Осушение осуществляется также путем создания цементных  завес или из других химических (твердеющих) составов, нагнетаемых через вертикальные скважины на границе участка в зоне подпитки грунтовыми водами. Однако бурение скважин в рыхлых породах осложнено по причине «прихвата» бурового инструмента и завала ствола скважин. Поэтому для бурения применяют ряд мер, например, установку, так называемых кондукторов.

В климатических условиях с длительным периодом низких температур применяется оттаивание через вертикальные скважины различными теплоносителями, например паром.

При гидромониторной  разработке мягких горных пород применяют предварительное водонасыщение массива через вертикальные скважины под давлением. Скважины располагают на расстоянии 3 – 4 м друг от друга в ряд.

 

 

- таблица  2-	Техническая характеристика бульдозеров ОАО "Промтрактор"
	Т-15.01	Т-20.01	Т-25.01	ТМ-25.01	Т-35.01	Т-330	Т-500
Двигатель	ЯМЗ-238НД	ЯМЗ-238Б	ЯМЗ-8501.10	ЯМЗ-8501.10	ЯМЗ-850.10	8DBT33 ОА	ЯМЗ- 850.10
Мощность, кВт/л.с	176/240	206/280	279/380	279/380	353/480	250/340	353/480
Масса трактора, т	22,2	26,3	36,0	38,7	45,0	41,8	41,8
Масса агрегата, т	28,0	36,0	47,5	51,0	61,5	54,8	59,5
Тип отвала	SU	SU	SU	SU	SU	SU	SU
Размеры отвала (ВхН), мм	3820х1520	3940х1700	4180х1890	5110х1890	4710х2120	4860х1820	4530х2120
Объем призмы волочения, куб.м	6,8	10,0	11,0	14,1	18,5	13	18,5
Число зубьев рыхлителя	3	3	1	1 или 3	1 или 3	1	1
Удельное давление на грунт, МПа	0,086	0,11	0,12	0,086	0,132	0,113	0,132

 

- таблица  3	Бульдозеры "Caterpillar"
	D6RXL	D7R	D8R	D9R	D10R	D11R
Двигатель	3306Т	3306Т	3406СТА	3408E	3412TA	3508BTA
Мощность, кВт/л.с	130/175	171/230	228/305	306/410	425/570	634/850
Масса трактора, т	16,6	23,9	28,5	37,8	55,2	81,1
Масса рыхлителя, т	1,45	3,26	4,13	4,46	6,7	8,6
Масса отвала, т	2,95	3,59	4,93	6,54	10,2	14,9
Тип отвала	SU	SU	SU	SU	SU	SU
Размеры отвала, мм	3260х1410	3690х1524	3940х1690	4310х1934	4860х2120	5600х2370
Объем призмы волочения, м3	5,61	6,86	8,68	13,5	18,5	27,2

  

Показатели рыхлимости горных пород

Таблица 4

Породы	Показатель трудности  разрушения породы	Коэффициент крепости по Протодьяконову	Техническая скорость рыхления, м/с	Возможное заглубление  зуба рыхлителя на базе бульдозера ДЭТ 250
Плотные с включениями  валунов, каменный уголь, сцементированная щебнистая масса, разрушенные сланцы	0,5 – 2,2	1 –2	0,9 – 1,5	1,0 – 0,8
Мягкий известняк, сланцы, мергель, мел, опока, гипс, отвердевшие и мерзлые глины. Сильнотрещиноватые известняки, доломиты, песчаники и сланцы	2,2 – 4,5	2 – 3	0,8 – 1,2	0,8 – 0,6
Среднетрещиноватые известняки, доломиты, песчаники, мрамор, глинистые  сланцы	4,5 – 7.0	3,6	0,4 –0,8	0,6 – 0,2
Мелкослоистые прочные  известняки, железные рыды, прослойки  очень прочных пород мощностью  до 0,2 – 0,3 м	4,5- 7,0	До 8	0,4 – 0,8	0,6 – 0,2
Малотрещиноватые прочные  известняки, песчаники и более  прочные породы	> 7	> 10 - 12	-	-

Подготовка к выемке скальных и  полускальных пород осуществляется посредством взрывных работ.

Взрывные работы должны обеспечивать экономичность и безопасность ведения работ и иметь следующие  основные показатели.

1. Необходимую степень  дробления горных пород при сохранении сортности и качества полезного ископаемого и полное разрушение массива взрывного блока;

2. Соответствие размеров  и формы развала ГМ параметрам  конкретного комплекта оборудования  технологического потока;

3. Объем ГМ в забое,  достаточный для бесперебойной и производительной работы выемочного - погрузочного оборудования;

4 Ровную поверхность  рабочей площадки, при соблюдении  допустимых отклонений отметок  проекту;

1. Горные породы или  полезные ископаемые после взрыва  называются горной массой (ГМ).

ГМ характеризуется показателем  состава по крупности и коэффициентом  разрыхления.

Академик Н.В. Мельников предложил  классификацию фракций ГМ состоящую  из 14 классов:

1 класс – 0 – 5 мм; 2 класс –  5 – 30 мм; 3 класс – 30 – 80 мм; 4 класс – 80 – 120 мм; 5 класс – 120 – 200 мм; 6 класс – 200 – 270 мм; 7 класс – 270 – 400 мм; 8 класс – 400 – 600 мм; 9 класс – 600 – 730 мм; 10 класс - 730 – 1000 мм; 11 класс – 1000 – 1300 мм; 12 класс – 1300 - 1500 мм; 13 класс – 1500 – 2000 мм; 14 класс – фракции более 2000 мм.

Кусковатость (фракционность) ГМ должна быть оптимальной. Уменьшение размера  кусков способствует повышению производительности экскаваторов и транспортных средств, но ведет к увеличению затрат на буровзрывные работы.

Оптимальная степень дробления  определяется по размеру среднего куска, при котором общие затраты по законченному циклу производственных процессов будут наименьшими.

Существует несколько способов определения среднего размер куска. По гипотезе Реттингира, по гипотезе Кирпичева  – Кика, по гипотезе Бонда, по С.Е. Андрееву.

Средневзвешенный размер куска ГМ (мм) определяется по выражению

 

D_ср = ∑d_i×n_i/∑n,

 

где d_i – средний размер i – той фракции (среднее арифметическое из крайних), n_i – число кусков i – ого класса, ∑n – общее число кусков, полученных при взрыве; n – число фракций.

При использовании мехлотап с ковшом емкостью 4 – 8 м³ в комплексе с автосамосвалами или думпкарами оптимальный средний кусок d_ср при взрывании пород равен 0,3 – 0, 5 м, при взрывании руд – 0,2 – 0,25 м. В то же время, уменьшение размера куска влечет за собой необоснованные потери при погрузке и транспортировании (просыпи), дроблении на дробильно-обогатительных комплексах (повышенный отсев в отходы при грохочении).