Лекции по "Геологии"

Размеры максимально допустимого  куска в ГМ определяются параметрами  транспортных средств, дробилок и других приемных устройств, через которые должны проходить куски породы, а также условиями работы оборудования и стремлением снизить ударное воздействие от кусков породы при ее перегрузке.

Максимально допустимый линейный размер куска породы, м, по данным исследований имеет следующие параметры.

- для одноковшовых  экскаваторов : l_max = 0,8 × ³√q.

- для транспортных сосудов : l_max = 0,5 × ³√Q

- для конвейерного транспорта: l_max = 0,5 В_л - 0,1.

- для дробилок: l_max= 0,75 b_д.

Где q – емкость ковша экскаватора, м³; Q – емкость кузова автосамосвала или думпкара, м³; В_л – ширина конвейерной ленты, м; b_д – ширина приемного отверстия дробилки, м.

2. Развал взорванной  породы в плане должен быть  минимальным. Это уменьшает ширину рабочей площадки, размер которой существенно влияет на горно-капитальные работы. А по высоте развал должен быть как можно выше. Это позволяет повысить производительность экскаватора. За счет сокращения передвижек. Однако развал ГМ по высоте, согласно правилам безопасности, не должен превышать высоту черпания экскаватора в 1,5 раза.

3. Объем ГМ в забое  определяется из условий бесперебойной  работы выемочно-погрузочного оборудования  и должен превышать производительность  выемочно-погрузочных машин за  период между взрывными работами. В каждом конкретном случае рассчитывается оптимальный объем ГМ, чтобы исключить «омертвление» эксплуатационных затрат.

4. Требование полного  дробления взрываемого блока  относится в основном к проработке  подошвы. Завышение или занижение уровня подошвы требует дополнительных затрат для приведения его в соответствие проекту, так как снижает производительность экскаватора, является причиной поломок и аварий, ухудшает работу транспорта.

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

Увеличение доли крупных  кусков, тем более негабаритов  приводит к снижению производительности, поломкам и авариям горного и транспортного оборудования, а также к дополнительным расходам по дополнительному дроблению.

В монолитных породах  средней крепости средний выход  негабарита должен не превышать 5 - 10 %, в очень крепких трещиноватых породах 20 – 25 %.

Развитие взрывных работ на карьерах происходило в зависимости от совершенствования средств взрывания и проходки полостей для размещения взрывчатого вещества в массиве. На рис. 2 приведены существующие в настоящее время методы взрывного разрушения горных пород взрывом.

 

 

1. Метод накладных зарядов. Заключается в заложении заряда непосредственно на поверхности массива и используется при вторичном дроблении и на вспомогательных работах.

2. Метод камерных зарядов. В период отсутствия или малой механизации взрывчатые вещества (ВВ) в массиве размещали в естественных полостях, трещинах (малокамерный заряд «рукава») или в специально сооружаемых подземных выработках – штольнях или шурфах (камерные заряды), располагаемых на расчетном расстоянии друг от друга. После закладки заряда, такие выработки заполняли мелкой горной породой.

При таком способе взрывания  регулировать дробление породы практически было невозможно. Массив разваливался на куски естественной блочности и состоял в основном из негабаритов. Поэтому взрывные работы происходили в две стадии. Вторая стадия дробления взрывом заключалась в заложении накладных зарядов для разборки завалов и вторичного дробления.

В настоящее время камерные заряды используются в основном для производства взрыва на выброс при сооружении траншей  или полутраншей. Параметрами камерных зарядов являются объем зарядной камеры (V), величина заряда (Q) и расстояние между камерами а.

Величину зарядов определяют расчетным  путем по линии наименьшего сопротивления W_л.н.с., то есть минимального расстояния от заряда до обнаженной поверхности (ЛНС).

3. Метод котловых зарядов. При недостаточном количестве буровых средств и высоких уступах для обуривания массива при взрывном рыхлении применяется метод котловых зарядов. Он заключается в расширении (простреле) пробуренного шпура или скважины в основании посредством малого заряда ВВ. В отдельных случаях применяется термическое бурение. В образующиеся после прострела полости размещается основной заряд ВВ. Патрон боевик размешается внутри заряда. Этот метод обуславливает хорошую проработку подошвы уступа, но в тоже время обладает рядом недостатков. Это трудность расчета и управления образованием котла, нарушение естественного состояния массива и образование в нем трещин, большой объем немеханизированного труда.

Параметрами котловых зарядов являются: величина заряда Q, величина заряда для образования котла Q_k, расстояние между зарядами в ряду а, ЛНС W_л.н.с , длина забойки.

4. Метод шпуровых зарядов. Шпур - это цилиндрическая полость в горной породе, имеющая глубину не более 5 м и диаметр до 75 мм. Используется при разработке тонких ценных жил, рыхления слоя слежавшейся или мерзлых пород, дробления негабаритных кусков и выравнивания подошвы, а также в гористой местности на низкоуступной части рабочего горизонта карьера. За рубежом шпуры имеют диаметры от 25 до 100 мм. Использование шпуровых зарядов при рыхлении массива позволяет сохранить структуру полезного ископаемого при равномерном дроблении. Недостатками метода являются относительно большая трудоемкость и повышенный расход средств взрывания.

5. Метод скважинных зарядов. Наиболее распространенный способ подготовки горных пород для рыхления взрывом. Используется на большинстве карьеров в разнообразных природных условиях при различных масштабах и условиях горных работ. В настоящее время имеются эффективные и разнообразные средства для бурения скважин на карьерах в любых породах.

Скважина – это цилиндрическая полость, имеющая диаметр более 75 мм и глубину более 5 м. Изменяя  диаметр скважин, количество рядов, угол наклона скважин, можно более  равномерно распределять взрывчатые вещества в массиве в зависимости от его свойств.

Скважинный способ позволяет управлять  взрывом для получения необходимого состав ГМ по крупности посредством  регулирования параметров скважин  и скважинных зарядов.

Сущность скважинного метода заключается  в размещении ВВ в наклонных или  вертикальных скважинах с забойкой в верхней части их инертными материалами из песка, буровой мелочи или забоечного материала специального состава. Скважины располагаются параллельно верхней бровке уступа в один или несколько рядов и размещаются друг от друга на расчетном расстоянии по прямоугольной сетке или в шахматном порядке. Расстояние первого ряда от верхней бровки должно обеспечивать безопасность бурового станка на уступе и рабочих по зарядке скважин.

Бурятся скважины горными машинами, которые называются бурильными. Для открытых горных работ бурильные машины принято называть буровыми станками (установками).

Бурение скважин в скальных породах  – трудоемкий и дорогостоящий  процесс.

Буримость горных пород характеризуется  относительным показателем трудности  бурения породы П_б, который определяется из эмпирического выражения

 

П_б = 0,07_.(σ_сж. + σ_сдв.) + 0,0007γ,

 

γ – плотность пород, кг/м³;

 

Все горные породы по буримости делятся  на 25 категорий и подразделяются на пять классов:

1 класс – легкобуримые (П_б = 1 ÷ 5); категории 1, 2, 3,4, 5; II класс – средней трудности бурения (П_б = 5,1 ÷ 10); категории 6, 7, 8, 9, 10; III класс – труднобуримые (П_б = 10,1 ÷ 15); категории 11, 12, 13, 14, 15; IV класс – весьма труднобуримые (П_б = 15.1 ÷ 20); категории 16, 17, 18, 19,20; V класс – исключительно труднобуримые (П_б = 20,1 ÷ 25; категории 21, 22, 23, 24, 25.

Породы с показателем  более 20 относятся к внекатегорийным.

Бурение скважин осуществляется станками вращательного и ударно-вращательного  действия. Буровые станки вращательного действия наиболее распространены и подразделяются на шнековые и шарошечные.

Шнековые станки вращательного действия имеют рабочий орган в виде бурового става шнековых штанг винтовой формы и буровой коронки – резца, армированного лезвиями или штырями из твердого сплава. При вращении бурового става с частотой 120 – 220 об/мин и под воздействием осевого усилия резец разрушает породу в забое скважины, а буровая мелочь с помощью шнека выдается на поверхность. Сейчас используется шнеко-пневматический способ очистки скважин. В зависимости от буримости пород применяют резцы различных типов. Резцы рассчитаны на бурение 1000 м, а штанги до 4000 м.

Станки шнекового бурения  СБР – 125 и СБР – 150 применяются  для бурения вертикальных и наклонных  скважин диаметром 125 – 160 мм и глубиной до 25 м в породах с П_б = 2 ÷ 5. В основном их используют на угольных разрезах и при разработке непрочных строительных пород (мергель, гипс и др.). Ход станка СБР – 125 шагающий, СБР – 150 гусеничный. Производительность станков зависит от крепости пород и режима бурения и составляет 15 – 100м/смену. Станки характеризуются простотой конструкции и эксплуатации, при их работе обеспечиваются благоприятные санитарно-гигиенические условия.

Станки шарошечного  бурения имеют в качестве рабочего органа конусообразные трехшарошочные долотья с зубьями или штырями из твердого сплава. Конструктивно шарошки выполняются трех видов: с зубчатыми венцами, штыревые из твердого сплава и комбинированные. Первые предназначены для бурения мягких и средних по крепости породах, вторые в крепких и третьи в разнопрочных. Сами штыри в зависимости от крепости и вязкости пород имеют рабочую поверхность в виде клина или полусферы. Долото привинчивается к буровой штанге трубчатого вида.

Удаление буровой мелочи из забоя скважины осуществляется сжатым воздухом, или воздушно-водяной смесью, через специальные, имеющиеся в буровых штангах и в самом долоте каналам. Буровая мелочь поднимается по скважине по затрубному кольцевому пространству.

Буровые штанги изготовляются из цельнотянутых труб. Буровые штанги соединяются между собой конической замковой резьбой. С помощью такой же резьбы соединяется и шарошечное долото с буровой штангой.

Промышленностью выпускается 13 типов  трехшарошечных долот. Каждый тип долота предназначен для бурения пород с определенными свойствами.

Шарошки лапы долот, где крепятся шарошки, изготовляют из хромоникелевой стали 12ХН2, 2ХН3А и никель-молибденовой стали 17Н3МА и подвергают химико-термической  обработке.

При вращении бурового става, состоящего из буровых штанг при большом осевом усилии шарошки, перекатываясь по забою скважины, разрушают своими зубьями или штырями породу за счет ее смятия и раздавливания.

Скорость бурения зависит от осевого давления на долото, частоты  его вращения и расхода воздуха, подаваемого в скважину. На практике частота вращения бурового инструмента составляет 50 – 200 об/мин, а осевое давление 7 – 18 кН на 1 см диаметра долота. С увеличением крепости пород осевое давление должно возрастать. А частота вращения снижаться. Стойкость долот в крепких скальных породах (П_б = 14 ÷ 15) составляет 100 – 150 м.

По массе (М_с), развиваемому осевому давлению (P_ос) и диаметру скважин d_с станки шарошечного бурения подразделяются на три класса.

1. Легкие, например СБШ - 200 (М_с ≤ 40 т; P_ос ≤ 200 кН, d_с ≤ 216 мм). Рациональная область применения по буримости пород - П_б = 6 ÷ 10

2 Средние, например 2СБШ – 200Н, 2СБШ – 250 – 32МН (М_с ≤ 65 т, P_ос ≤ 350 кН, мм, d_с = 216 ÷ 270 мм. Рациональная область применения по буримости пород - П_б = 10 ÷ 14.

3. Тяжелые, например СБШ – 320 (М_с > 85 т, P_ос > 350 кН, d_с > 270 мм. Рациональная область применения по буримости пород - П_б = 14 ÷ 18

Основные технические  параметры станков шарошечного  бурения приведены в таблице 5

Буровые станки смонтированы на гусеничном ходу – обычно на УГ60 (унифицированном гусеничном).

Станки шарошечного  бурения получили наибольшее распространение (ими производится 70 % объема буровых  работ). Основными достоинствами  этих станков являются: высокая производительность (20 – 150 м/смену), непрерывность процесса бурения, возможность его автоматизации. Недостатки: большая масса станков и малая стойкость долот при бурении труднобуримых породах.

Обслуживают во время  работы шарошечные буровые станки два  специалиста: машинист и помощник машиниста.

Пневмоударные станки (СБУ) ударно-вращательного действия имеют в качестве рабочего органа пневмоударник, погруженный в скважину при помощи штанги. Сжатый воздух, поступающий по буровой штанге, приводит в действие пневмоударник. Буровая коронка, которого наносит по забою скважины 1700 – 2500 ударов в минуты. Одновременно пневмоударник вращается вместе со штангой. Буровая мелочь удаляется из скважины водовоздушной смесью или сжатым воздухом. Коронки для бурения скважин используются разнообразной конструкции: однодолотчатые, крестовые и др. Основные модели станков и их характеристики приведены в таблице 6.

Станки с погружными пневмоударниками применяются для  бурения скважин в породах  с П_б = 5 ÷ 20 Станки очень удобны для заоткоски бортов, выравнивании подошвы уступов. Эти станки целесообразно применять при высокоабразивных, весьма и исключительно труднобуримых породах, производительность станков при этом достигает 10 – 25 м/см. Затраты на обуривание 1 м³ породы в 1.5 – 2.5 раза выше. Чем при шарошечном бурении. Основные недостатки: малая стойкость буровых коронок, низкая производительность и большое пылеобразование. Эти недостатки относятся в основном к станкам отечественного производства. Станки импортного производства, например Фирмы Атлас Копко обладают высокой производительностью, высокой стойкостью буровых коронок, имеют надежные пылесборники. Буровой шлам, поступающий в пылесборники в дальнейшем используется геологической службой для определения качества полезного ископаемого.