Подготовка горных пород к выемке Исполнитель

Тема: Подготовка горных пород к выемке

План:

1. Общие сведения
2. Предохранения пород от промерзания.
3. Оттаивание мерзлых пород .
4. Механическое рыхление горных пород
5. Основные

Цель занятия – формирование знаний о способах подготовки горных пород к выемке и раскрыть сущность механического способа подготовки горных пород.

{spoiler=Продолжать Читать}

Общие сведения

Подготовка горных пород к выемке производится с целью обеспечения безопасности горных работ, необходимого качества добываемого сырья, технической возможности и наилучших условий применения средств механизации последующих процессов. Подготовка включает: обеспечение устойчивости откосов уступов; осушение горных пород, подлежащих извлечению в данный период разработки; разупрочнение и изменение их агрегатного состояния; разрушение (разрыхление) породного массива и другие виды воздействия на горные породы для облегчения их выемки.

Подготовка к выемке может осуществляться механическими способами (исполнительными органами горных машин), взрывными работами, гидравлическими способами (нагнетанием, насыщением водой, растворением), физическими способами (электромагнитным и термическим воздействием), химическим и комбинированными способами. Выбор способа подготовки горных пород к выемке зависит, прежде всего, от вида, агрегатного состояния и свойств пород в массиве, мощности предприятия, наличных технических средств, предъявляемых требований качеству добываемого сырья, а также от природных условий ведения работ. Затраты на подготовку к выемке составляют от 5 до 40% общих затрат на горные работы.

Выемка мягких, песчаных и естественно мелкоразрушенных пород в обычном состоянии успешно производится всеми видами выемочно-погрузочного оборудования. При этом подготовка совмещена с выемкой и производится одними и теми же средствами механизации.

Выемка плотных пород также может осуществляться непосредственно из массива выемочными машинами с повышенными усилиями копания. Если усилия, развиваемые выемочными машинами, недостаточны, производится подготовка таких пород к выемке, которая заключается в их предварительном механическом рыхлении или взрывание на сотрясение. В мерзлом состоянии эти породы только при больших отрицательных температурах могут разрабатываться непосредственно выемочными машинами с повышенными усилиями копания. Как правило, в этих условиях требуется подготовка к выемке механическим или взрывным способом или предварительное оттаивание. Используются также методы предохранения пород от промерзания.

Скальные и полускальные породы обычно подготовляются к выемке взрывным способом. Процессами подготовки в этом случае являются бурение и взрывание.

Предохранение пород от промерзания.

На производство открытых горных работ существенно влияют климатические условия. Особо жесткие условия работы людей и оборудования при низкой температуре воздуха создает ветер. Общая оценка жесткости климата (погоды) производится обычно в баллах по эмпирическим формулам. Одной из наиболее распостранненых является формула Бодмана, по которой жесткость погоды выражается в виде

Ж= (1-0,04t)(1+0,272v) баллов

Где – t – температура воздуха, ⁰С, v- скорость ветра, м/с

Климатические условия влияют на выбор карьерного оборудования и его использование. В районах с суровым климатом конструкции оборудования и аппаратуры должны быть морозостойкими, герметичными, устойчивыми при сильных ветрах и обледенении, автономными, хорошо видимыми ( в тумане, при метелях, полярной ночью, при интенсивной солнечной радиации), надежными в эксплуатации при пониженном давлении и большой влажности.

Обычно механическими лопатами с ковшом емкостью Е≤1 м³ можно разрабатывать без предварительного рыхления слой мерлой породы мощностью е более 0,2-0,3 м, а при        Е= 4м³  - до 0,5-0,7 м. Бульдозерами, скреперами, а также многоковшовыми экскаваторами в большинстве случаев невозможно разрабатывать мерзлые породы без их предварительного рыхления. Поэтому в нашей стране в зимний период, как правило, выемку пород многоковшовыми экскаваторами не производят. При использовании этого оборудования вскрышные работы ( иногда и добычные) ведут на карьере сезонно, при положительной температуре воздуха. Вместе с тем часто требуется вести горные работы круглогодично. Подготовка горных работ к выемке и зимних условиях включают комплекс мероприятий по предотвращению промерзания пород, рыхлению мерзлых пород и приведению их в талое состояние (оттаивание).

Для предохранения пород от промирзания используют вскрышу, глубокое рыхление и боронованию поверхности разрабатываемого зимой слоя, создают  над ним снеговой или искуственный льдо-воздушный покров, а также утепляют поверхность теплоизоляционными материалами или устраивают специальные навесы и теплянки, производят химическую обработку пород. Выбор способа предохранения определяется в первую очередь глубиной промирзания пород, которая зависит от температуры воздуха, длительности промерзания, направления и скорости ветра, а также от свойств и состояния горных пород.

Вспышка, рыхление и борнование поверхности позволяют уменьшить ьеплопроводность породы благодаря образованию в ней рыхлого слоя. Вспышку и рыхление производят специальными плугами или рыхлителями на глубину 30-40 см, а боронование – на глубину до 20 см. Применяют также глубокое ( на 1-1,8 м и более) рыхление пород  экскаваторами, что уменьшает глубину их промерзания в 2-3 раза.

Для предохранения от промерзания как мягких, так и разрушенных пород применяется в настоящее время пенолед и замороженная водовоздушная пена. Для получения пены могут быть использованы алкидсульфат, вода и сжатый воздух. Слой замороженной при t< - 15 ⁰C  пены толщиной 15-20 см, равномерно наносимой с помощью пеногеператорной установки на поверхность любой конфигурации, затем дополнительно еще 3-5 раз покрывают пеной для образования защитной пенистой корки льда толщиной 3-4 мм.

Оттаивание мерзлых пород

Оттаивание может осуществляться путем электрообогрева, поверхностного пожога, с помоью горячих газов, воды, сжиганием термохимических патронов и т.п.

Электрообогрев может быть глубинным или поверхностным, низко- или высокочастотным.

При глубинном электрообогреве переменным током промышленной частоты напряжением 12-380 В электроды размещают в шпурах, пробуренных на лубину промерзания породы по квадратной или шахматной сетке на расстоянии 50-70 см от другого. Электрическая цепь замыкается по талой породе под мерзлым слоем. В результате нагрева талой породы и передачи тепла выщележащим слоям происходит их постепенное оттаивание снизу вверх. Расход электроэнергиии при этом составляет до 20 кВт·ч/м³.

При поверхностном электрообогреве полосовые электроды в виде сеток из тонкой медной проволки, длина которых равна наклонной высоте уступа, укладывают на его откос. Питание оссуществляется от генератора высококачетсвенных колебаний.

Поверхностный пожог ( сжигание слоя угля толщиной 20-35 см на поверхности слоя мерзлых пород) иногда используется на карьерах по добыче глин; промезания до глубины 2 м глина полностью оттаивает в течении 6-10 дней. Расход топлива на 1 м³ оттаянной породы составляет: дров 0,15 м³, угля 30-60 кг, торфа 120-140 кг.

Для поверхностного оттаивания пород газообразным топливом используются горячие газы, поступающие в карьр по газопроводу или доставляемые в баллонах. В последнее время развиваются методы оттаивания пород инфокрасным излучением.

Оттаивание паром  производится с помощью паровых игл (стальных труб внутренним диаметром 19-22 мм и длиной 1,7-3 м), вставляемых в шпуры или забиваемых по мере их оттаивания на расстоянии 2-2,5 м друг от друга. Используется насыщенный пар с температурой 102-110⁰С под давлением 2-5 кгс/см². Продолжительность оттаивания тяжелых глин 4-6 часов, расход пара на 1 м³ мерзлоты приблизительно 26 кг. Достоинство способа – относительная экономичность, недостаток-увлажнение пород, способствующее их повторному замерзанию. Подобным же образом осуществляется оттаивание горячей водой.

Оттаивание речной водой производят посредством нагнетания ее по погружаемым в мерзлые породы трубчатым иглам, проведения дренажных канав или дождевания.

Оттаивание речной водой может производится также при естественном просачивании ее из расположенной на возвышенной части массива оросительной канавы  в расположенной ниже на расстоянии 70-150м дренажную канаву глубиной до 2-3 м. От оросительной канавы могут проводиться поперечные канавы глубиной до 0,7 м, оканчивающиеся в 30-50 м от дренажной. Расход воды на 1 м³ мерзлых пород состовляет 120-200  м³.

При водооттаивании дождеванием распыленная стационарной или передвижной дождевой дождевальной установкой вода просачивается по верхнему талому слою мерзлоты, постепенно понижает ее уровень.

Гидрооттавивание и парооттаивание широко применяют на разработках россыпей в районах вечной мерзлоты. За ходом оттаивания наблюдают с помощью щупов и замеров температуры или электросопративления в контрольных иглах и скважинах.

При разработке вечной мерзлоты интенсифицируют естественное оттаивание. Для этого за несколько лет до начала разработки на участке удаляют растительный слой и проводят осушительную водосборную канаву. Иногда этот способ сочетают с затоплением участка водой для ускорения процесса оттаивания.

Механические способы подготовки к выемке естественного камня

Сохранение физико-механических свойств и декоративности, а также достижение определенных размеров и формы камня возможны при использовании специальных методов и средств направленного отделения блоков или штучного камня от массива, обеспечивающих концентрацию критических напряжений строго в необходимых плоскостях раскола или реза. Применение взрывчатых веществ при добыче блоков не рекомендуется, так как это приводит к появлению трещин в массиве и нарушению его сплошности.

При механическом (безвзрывном) отделении крупных монолитов камня от массива используются буроклиновой способ, терморезаки, канатные пилы, ченнелеры и бурогидроклиновой метод; крупные монолиты затем разделяют на товарные блоки. Для непосредственного отделения от массива стенового камня или облицовочных блоков применяют камнерезные машины (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Механизированные способы подготовки к выемке блоков

естественного камня

При буроклиновом способе подготовка боков к выемке состоит из двух взаимосвязанных процессов: бурение рядов сближенных шпуров в вертикальном, горизонтальном и наклонном направлениях по занятым плоскостям; последующего клинового откола камня.

При разделке гранитных монолитов на кондиционные блоки шпуры диаметром 20-40 мм бурят на глубину 8-10 см, расстояние между шпурами 5-10 см. В шпуры вставляют простые или сложные (состоящие из двух щечек и собственно клина) клинья. Последовательными ударами кувалдой по клиньям от монолита отделяют кондиционные блоки.

При разработке мраморных месторождений шпуры бурят на всю высоту или ширину блока. Расстояние между ними составляет 10-20 см в зависимости от способности мрамора к расколу и размеров добываемых блоков: на 1 м³ горной массы бурят до 6-10 м шпуров. Производительность труда бурильщика при бурении горизонтальных шпуров составляет 15-20 м/смену, вертикальных 25-35 м/смену. Производительность рабочего по отколу 2-3 м³/ч. Суммарная производительность труда рабочего по производству готовых блоков 0,2-0,6 м³/смену, трудоемкость работ при этом равна 1,7-5 чел-смен/м³.

Достоинство буроклинового способа подготовки мраморных блоков: простота, мобильность, максимальное использование природных трещин, возможность применения в сложных горно-геологических условиях и отбойки блока любого размера и любой прочности. Недостатки: большой удельный весь ручного труда, низкая производительность труда, высокая себестоимость блоков и трудоемкость работ, сложность обеспечения безопасности работ.

Перспективным методом направленного откола боков от массива или от крупных монолитов мрамора является использование закладных клиньев с гидравлическим приводом.Концентрация напряжений в необходимой плоскости и направленный откол блоков возможны только при групповой синхронной работе нескольких гидроклиньев (рис. 3.1). Использование таких

Рис. 3.1. Гидроклиноваяустановка:

1 - насос; 2 - измерительная аппаратура; 3- золотниковый распределитель; 4 - шланги; 5 - закладные гидроклинья; 6- породный блок

клиньев позволяет увеличить расстояние между шпурами до 30-40 см, что значительно сокращает объем выполняемых буровых работ и повышает производительность труда рабочих.

Канатные пилы (рис. 3.2) моделей КР-528 и «Пеллегрини» (Италия) в настоящее время применяют на многих карьерах мира по добыче мрамора и мраморизованного известняка. Процесс пиления осуществляется за счет абразивного действия кварцевого песка, непрерывно подаваемого с водой в забой. Производительность канатных установок составляет 1,2-1,5 м²/ч. Достоинства канатных пил: простота конструкции и обслуживания, получение блоков необходимого размера и правильной формы, относительно невысокая энергоемкость пропила. Недостатки: сезонность работы, резкое снижение эффективности при наличии твердых включений и повышенной трещиноватости массива, большой объем горноподготовительных работ.

Рис. 2.2. Схема канатной пилы:

1 - приводная станция; 2 - направляющие шкивы; 3 - пильные стойки; 4 - натяжное устройство; 5 – канат

Механическое рыхление горных пород

Механическое рыхление пород осуществляется прицепными или навесными рыхлителями, использующими массу тягача для заглубления рабочего органа рыхлителя. Глубина рыхления прицепными рыхлителями обычно до 0,4-0,5 м, а навесными - до 1,5-2 м.

Рыхлители могут иметь до пяти зубьев с цельными или составными наконечниками. Для подготовки полускальных пород применяют однозубые рыхлители, а плотных в породах целесообразнее использовать многозубые рыхлители для увеличения их производительности. Навесные рыхлители имеют гидравлическую систему изменения глубины рыхления. Рыхление мало- и среднетрещиноватых полускальных пород производят зубьями с прямыми стойками. Для рыхления хрупких и сильнотрещиноватых пород используют зубья сложной формы.

К параметрам рабочего органа рыхлителя относятся (рис. 3.3): угол резания , угол заострения , задний угол , толщина и длина зуба, расстояние между зубьями.

Рис. 3.3. Схема рабочего органа рыхлителя

Сила резания рыхлителя зависит от угла рыхления. Оптимальный угол рыхления при полускальных и мерзлых породах составляет 30-45⁰. Увеличение его от 40 до 60⁰ удваивает лобовое сопротивление зубу. Уменьшение угла резания до величин менее 30⁰ также сопровождается ростом сопротивления.

Угол заострения наконечников = 20-30⁰. Он принимается таким, чтобы при любом заглублении зубьев задний угол ≥8-10⁰ при рыхлении мерзлых и ≥5-7⁰ при рыхлении скальных и полускальных пород. Уменьшение  ведет к смятию породы задней гранью наконечника, увеличению его износа и сопротивления породы рыхлению.

При движении рыхлителя порода разрушается в границах трапециевидной прорези. В монолитных породах в нижней части прорези образуется щель (рис 2.4, а), ширина основания которой  близка толщине наконечника зуба , а высота =(0,15-0,2), где -заглубление зуба рыхлителя. Угол наклона боковых стенок прорези  изменяется от 40 до 60⁰ в зависимости от трудности разрушения пород и параметров наконечника.

Рыхлимость пород определяется возможным заглублением зуба рыхлителя  и зависит от прочности пород и трещиноватости массива. Рыхление монолитных пород происходит в основном за счет преодоления сопротивления их растяжению, а трещиноватых пород – сцепления по контактам структурных блоков. В результате их отрыва породы интенсивно разрушаются в пределах заглубления зуба (рис. 2.4, б). При естественной трещиноватости или развитой слоистости пород эффективность механического рыхления возрастает.

Рыхление породного массива производится при параллельных смежных проходах рыхлителя на горизонтальной или наклонной площадке. В результате создается слой разрушенной породы. При рыхлении наклонными слоями (до 20⁰) максимальное использование тяговых усилий достигается при рабочем движении его под уклон и холостом перегоне машины вверх. Рыхление горизонтальными слоями производится при челноковой схеме рабочих проходов рыхлителя.

Рис. 3.4. Схемы механического рыхления пород:

а – вязких монолитных; б–хрупких трещиноватых

Параметры механического рыхления  определяются по величине возможного заглубления  зуба  (см. табл. 3.2)

Ширина одиночной борозды по верху

                                                                             (3.1)

где - коэффициент, учитывающий форму поперечного сечения прорези (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Значения коэффициентов ,  и ширины основания прорези

 – ширина наконечника рыхлителя,м.

Величина возрастает в 1,5-2 раза при оснащении рыхлителя уширителем, прикрепленным к стойке.

Глубина эффективного рыхления массива при параллельных проходах рыхлителя

                                                                     (3.2)

где - расстояние между смежными проходами;- коэффициент, учитывающий влияние состояния массива на размеры не разрушенных гребней (см. табл. 3.2).

При перекрестных проходах с расстоянием между смежными проходами =(1,2 – 1,5) Сглубина эффективного рыхления .

Если известна величина  (например, при раздельнойпослойной выемке), из выражения (2.2) может быть определено расстояние между смежными параллельными проходами рыхлителя .

При полном использовании возможной глубины рыхления оптимальное расстояние между смежными проходами рыхлителя определяется из условия достижения максимального объема подготовки горной массы за один проход:

, м.                                                                       (3.3)

При этом:

, м.                                                                (3.4)

Производительность рыхлителя:

при параллельных проходах

, м³/ч,                                                          (3.5)

при параллельно-перекрестных проходах

, м³/ч.                                                    (3.6)

где - коэффициент использования рыхлителя (=0,7-0,8); - техническая скорость рыхления, м/с;  – время переезда рыхлителя на следующую борозду, с (при челночных проходах ==30÷60 с, а при работе с холостым перегоном );  и  соответственно длина параллельного и перекрестного реза, м; - скорость движения тягача на первой передаче, м/с.

Производительность рыхлителей в плотных породах достигает 1000-1500м³/ч; она существенно зависит от длины параллельных резов, которую целесообразно принимать в пределах 100-300м.

Механическое рыхление позволяет облегчить условия раздельной выемки маломощных горизонтальных и наклонных (до 20⁰) пластов, эффективно регулировать кусковатость горной массы, уменьшить потери и разубоживание полезного ископаемого благодаря отсутствию развала и перемешивания пород, минимально переизмельчать и разупрочнять горные породы (что особенно важно при добывании строительных горных пород), повысить безопасность работ.

Рыхлители успешно применяются при разработке угля, фосфоритных и апатитовых руд, сланцев, песчаников, полускальных известняков, а также маломощных слоев скальных сильно- и чрезвычайно трещиноватых руд и пород. Механическое рыхление эффективно при гидравлической разработке тяжелых глинистых пород, разработке мерзлых пород и при вспомогательных работах (проведение дренажных канав, выкорчевывание пней, рыхление недомыва и др.). Хорошее качество подготовки небольшая мощность разрыхленного слоя позволяют вести выемку горной массы скреперами, бульдозерами и одноковшовыми погрузчиками.

Ключевые термины:

декоративность                                          критическое напряжение

буроклиновой способ                                гидроклиновая установка

закладные клинья                                      канатные пилы

рыхление                                                   кусковатость

Контрольные вопросы:

1. Какие производственные процессы объединяются понятием «подготовка горных пород к выемке и погрузке»?
2. Какие условия предъявляются при подготовке к выемке естественного камня?
3. Какова физическая сущность буроклинового способа подготовки?
4. Достоинство и недостатки канатных пил.
5. Какие средства используются при механическом рыхлении?
6. Основные технологические параметры рабочего органа рыхлителя.
7. Достоинства механического рыхления горных пород.
8. Основные технические и технологические показатели рыхлителя.
9. По какой формуле определяется производительность рыхлителя?
10. На какие группы разделяются породы с технологической точки

     зрения подготовки горных пород к выемке?

Рекомендуемая литература по разделу

1. Сиренко В.Н. Параметры механического рыхления горных пород на карьерах. – В кн.: Технология, механизация и организация горных работ. М., Наука, 1969, с. 82-97.
2. Теория и практика открытых разработок/Н.В. Мельников, Э.И. Реентович, Б.А. Симкин и др. 2-е изд. М., Недра, 1979. 636 с.
3. Ржевский В.В. Процессы открытых горных работ. М., «НЕДРА», 1978,

     544 с.

4. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Производственные процессы. М., «НЕДРА», 1985.

{/spoilers}