РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И. М. ГУБКИНА ФАКУЛЬТЕТ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАФЕДРА БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН Волик Д. А. Горные машины и проведение горно-разведочных выработок (Учебное пособие для студентов специальности 130 101 – Прикладная геология. Специализация – Геология нефти и газа) Москва 2013 2 Введение В общем комплексе работ при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых горно-разведочные работы занимают важное место, обеспечивая высокое качество и достоверность получаемых геологических данных, особенно в условиях разведки месторождений цветных, редких и благородных металлов. А G D C B Рис. 1. Строение земли. А – земная кора; B,C,D –мантия; G – ядро. 3 Классификация горных пород Изверженные (магматические) – образуются при кристализации расплавов (магмы), поднимающихся с больших глубин. Магма изливается на поверхность при извержении вулканов. Значительная часть расплавов кристализуется внутри земной коры. Осадочные – образуются в морях как продукт разрушения и переотложения ранее существовавших горных пород. Метаморфические – формируются в результате преобразований изверженных и осадочных пород, когда на них оказывают воздействие высокие температуры и давления. Земная кора на 95% состоит из изверженных пород, представленных преимущественно гранитами. В 100 т гранитных пород содержится в среднем: - 8 т алюминия; - 5 т железа; - 540 кг титана; - 80 кг марганца; - 30 кг хрома; - 18 кг никеля; - 9 кг меди; - 5 кг вольфрама; - 1,8 кг свинца. Осадочные отложения залегают на поверхности нашей планеты. В них содержатся нефть, газ, уголь, соли. Ресурсы земных недр 1 группа – Месторождения полезных ископаемых: 1.1. Месторождения твёрдых, жидких или газообразных полезных ископаемых одного состава (в недрах земной суши, в прибрежной части, на дне и под дном); 1.2. Комплексные месторождения твёрдых, жидких и газообразных полезных ископаемых. Они имеют различный химико-минерологический состав. (Рудно-цветные металлы – свинцово-цинковые, бокситов и черных металлов – железа и марганца, газоконденсатные и нефтегазоконденсатные месторождения). II группа – Горные породы вскрыши, размещаемые при открытой разработке месторождений в породных отвалах. III группа – Отходы горно-обогатительного и металлургического производств. 4 IV группа – Глубинные источники пресных, минеральных и термальных вод. V- группа – Внутреннее – глубинное тепло недр. VI –Природные и созданные человеком (техногенные) полости в в земных недрах. Таблица 1. Удельное количество разных элементов в земной коре Общие сведения о горных породах По виду породообразующего материала и характеру связей между минеральными зернами горные породы подразделяют на твердые (скальные, полускальные), связные и сыпучие. К скальным относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы, имеющие предел прочности на сжатие от 5 • 10 до 3 • 10 Па (граниты, андезиты, базальты, песчаники и т. п.). Они характеризуются наличием значительных молекулярных сил сцепления и трения между частицами, имеют обычно высокую твердость и относительно трудно разрушаются. К полускальным относятся часть изверженных и метаморфических, а также большая часть осадочных пород со слабым сцеплением между частицами, имеющих предел прочности пород на сжатие от 2 • 10 до 5 • 10 Па (сланцы, мергели, крепкий каменный уголь и т. п.). В скальных и части полускальных пород разведочные выработки зачастую проводят без крепления или с частичным креплением при пересечении участков сильно трещиноватых и раздробленных пород. Связные породы (типа глин) характеризуются значительными силами сцепления между частицами. Однако их свойства сильно изменяются в 5 зависимости от влажности. От скальных пород они отличаются высокой пластичностью, небольшой абразивностью и малой прочностью. Стенки канав, шурфов небольшой глубины в этих породах (если они не насыщены водой) обычно устойчивы и крепление их не производится. Связные породы в увлажненном состоянии ведут себя как типичные пластические тела, легко изменяя свою форму при деформации без разрыва связей между частицами, однако в сухом состоянии может иметь место и хрупкое разрушение. Для сыпучих пород характерно отсутствие связей между зернами и обломками или же связи эти ничтожно малы. Механические свойства их определяются трением на поверхностях соприкосновения частиц. Общие сведения о горных выработках Горная выработка – сооружение в недрах Земли или на её поверхности, созданное в результате ведения горных работ и представляющее собой полость в массиве. Горные выработки, проведенные в недрах Земли, независимо от того, имеют они выход на поверхность или нет, называются подземными, а проведенные на поверхности - открытыми. Горные выработки могут иметь: - два выхода на поверхность - тоннели; - один выход - шахтные стволы, шурфы, буровые скважины; - ни одного выхода - квершлаги, штреки, бремсберги, уклоны. Промышленное предприятие, имеющее своим назначением разведку или разработку месторождений полезных ископаемых, называется горным. Под горно-разведочным объектом понимается горнотехнический комплекс, состоящий из системы подземных или открытых выработок, производственно-бытовых сооружений (на земной поверхности и в самих выработках) и оборудования. Разведочная шахта представляет собой горно-разведочный объект, включающий ствол шахты со всеми проводимыми из него выработками, комплекс наземных и подземных сооружений, машин и механизмов для спуско-подземных операций, выдачи горной массы в отвал и обеспечения проходческих работ на объекте. Вскрывающие выработки - выработки, служащие для вскрытия шахтного поля на первом и последующем горизонтах. Все вскрывающие выработки являются капитальными. К ним относятся вертикальные и наклонные стволы, штольни, наклонные (спиральные) съезды, около-ствольные дворы, капитальные квершлаги, гезенки, центральные вентиляционные шурфы, бремсберги. Капитальные выработки - выработки, проведенные за счет капитальных вложений и числящиеся на балансе основных фондов предприятия. 6 Расчистка - выработка в виде выемки, проводимая в покровных отложениях с целью обнажения коренных пород при геологической съемке и поисковых работах. Расчистки проводят вручную на склонах при мощности наносов 0,5...0,6 м. Размеры расчисток понизу 0,2 х 0,2 м, поверху 0,4 х 0,4 м. Копуша - выработка в виде выемки произвольной формы, проводимая в покровных отложениях с целью изучения покровного слоя и взятия пробы коренных пород при поисковых работах. Размеры копуши: поверху от 0,8 х 0,8 до 1 х 1 м; понизу 0,5 х 0,6 м; глубина от 0,5 до 1 м. Разведочная канава - выработка, длина которой в 3 раза и более превышает ширину, проводимая с целью геологического изучения коренных пород и взятия проб по дну выработки. Площадь сечения канав от 0,6 до 20 м2 . Глубина канав изменяется от 0,5 до 5.7 м. Протяженность от нескольких метров до 1 км и более. Разведочная траншея - выработка, проводимая при разведке россыпных месторождений для взятия крупнообъемных проб. Она отличается от канавы большими размерами поперечного сечения и небольшой протяженностью. Ширина траншеи понизу обычно до 3 м, но может быть до 40...80 м, глубина - до 6 м. Однако известны случаи, когда глубина траншеи достигала 20 м. Разведочный карьер - открытая горно-разведочная выработка, обширная по площади, не имеющая явно выраженной длины и ширины, ши которая служит для изучения закономерности залегания пород, взятия технологических проб и попутной добычи полезного ископаемого. Рис. 2. Способы разведки месторождений. а - канавками; 1- канавка; б – шурфами; 2 – шурфы; в – системой выработок; 3 – скважины; г – шурфами с рассечками. 4 – штольни; 5 – рассечки. 7 Рис. 3. Открытые горно-разведочные выработки 1 – расчистка; 4 – траншея; 7 – торец. 2 – копуша; 5 – дно; 3 – канава; 6 – борта; а - карьер Рис. 4. Разведочный карьер. 1 – покровные отложения; 4 – верхняя площадка; 6 – откос уступа; 2, 3 – первый и второй уступы; 5 – торец уступа; 7, 8 – верхняя и нижняя бровки. 8 Рис. 5. Общий вид карьера. Подземные горно-разведочные выработки К подземным горно-разведочным выработкам относятся разведочные шурфы – вертикальные, реже наклонные выработки, проводимые с земной поверхности при геологической съемке, поисках и разведке ископаемых с целью геологического изучения и взятия проб, оборудованные для доступа людей в рабочие зоны и оснащенные шурфовыми подъемными устройствами. Ствол разведочной шахты - вертикальная или наклонная подземная горно-разведочная выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность и оборудованная подъемными машинами или лебедкой; является основной в системе горно-разведочных выработок на шахте. Штольня - горная выработка, проведенная к месторождению с поверхности горизонтально или с незначительным подъемом, имеющая непосредственный выход на поверхность и предназначенная для обслуживания подземных горных работ при разведке или разработке полезного ископаемого. Штрек - горизонтальная (с углом наклона не более 3°) подземная горная выработка проведенная по простиранию наклонно залегающего месторождения или в любом направлении при его горизонтальном залегании. 9 Квершлаг - горизонтальная или наклонная (реже) подземная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность, проведенная по вмещающим породам в крест простирания или под углом к простиранию рудного тела и обеспечивающая доступ к полезному ископаемому, транспортирование грузов, передвижение людей, проветривание и пр. Восстающий - вертикальная или наклонная горная выработка, проводимая по восстанию залежи и служащая для проветривания, передвижения людей, спуска полезного ископаемого или породы, доставки материалов и оборудования, подачи энергии и воды, а также для разведочных целей. Разведочная рассечка - подземная горизонтальная горно-разведочная выработка, проводимая из других выработок (шурфов, штолен, штреков и восстающих) в крест простирания горных пород для установления сплошности и границ оруденения, поисков и разведки апофиз или «слепых» тел полезного ископаемого. От квершлага рассечка отличается размерами и назначением. Длина рассечек 3.5 м, иногда 20…40 м, реже - более 50 м. При разведке глубоко залегающих россыпей рассечки длиной 75…120 м могут проходиться из наклонного ствола. Гезенк - вертикальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для спуска полезного ископаемого под действием собственного веса или в специальных сосудах механическим способом. Уклон - подземная наклонная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для подъема полезного ископаемого. Слепой ствол разведочной шахты - ствол шахты, пройденный из подземной выработки чаще всего для вскрытия нижележащих горизонтов месторождения (по отношению к ранее разведанным) и для обслуживания горно-разведочных работ на этих горизонтах. Бремсберг - подземная наклонная горная выработка (не имеющая выхода на поверхность), проводимая, как правило, по направлению падения пласта или залежи полезного ископаемого на откаточный горизонт этажа или шахты. Предназначен для спуска полезного ископаемого на откаточный горизонт этажа или шахты. Печь - подземная горная выработка, проводимая по полезному ископаемому, по восстанию пласта или залежи (без подрывки боковых пород) и предназначенная для проветривания, передвижения людей, транспортирования грузов. Просек - подземная горная выработка, проводимая обычно в толще полезного ископаемого по простиранию пласта или залежи и предназначенная для проветривания, транспортирования грузов, передвижения людей и пр. 10 Очистными называются выработки, образующиеся в результате непосредственной выемки полезного ископаемого. Их размеры зависят от горно-геологических условий залегания пластов, а такжеот принятой системы разработки. Околоствольный двор является главной подземной станцией, пропускающей весь груз, выдаваемый на поверхность (полезное ископаемое, горная порода), а также поступающие с поверхности порожние вагонетки, вагонетки с крепежными, закладочными и другими материалами, оборудованием и пр. Кроме того, околоствольный двор является конечным пунктом движения состава с людьми. 10 8 1 6 7 4 3 2 5 9 13 5 Рис. 6. Подземные горные выработки. 1 - копер; 3 - сопряжение ствола с рабочим горизонтом; 5 - штрек; 7 - зарядное депо; 9 - служебная камера; 11 - камера; 13 - гезенк; 15 - рудное тело (жила). 14 13 2 - вертикальный ствол; 4 - зумпф; 6 - околоствольный двор; 8 - квершлаг; 10 - рассечка; 12 - восстающий; 14 - шурф; 11 Элементы горно-разведочных выработок Выделяют следующие элементы горно-разведочных выработок: устье, забой, кровлю, бока (стенки). Плоскость пересечения подземной выработки с земной поверхностью или с другой выработкой называется устьем, а торцевая поверхность горноразведочной выработки, перемещающаяся в пространстве в результате отделения горных пород от массива при проведении выработки, называется забоем. Кровля горно-разведочной выработки - это поверхность горных пород, ограничивающая подземную горизонтальную или наклонную выработку сверху. Поверхность горных пород, ограничивающая выработку снизу, называется почвой, а поверхность горных пород, ограничивающая подземную выработку сбоку, - стенкой. Призабойное пространство - участок горно-разведочной выработки у забоя, в котором размещается проходческое оборудование и рабочие. Приустьевое пространство - это участок горно-разведочной выработки, примыкающий к ее устью. Место пересечения двух или более подземных горно-разведочных выработок, ограниченное поверхностями перехода одной выработки в другую, и участки соответствующих выработок, примыкающие к этому месту, называются сопряжением. Рис. 7. Элементы горно-разведочных выработок. 1 – устье; 2 – забой; 3 – кровля; 4 – почва; 5 – стенки (бока). 12 Рис. 8. Сопряжения выработок. а – прямое; б – прямое пересечение; в – косое; г – двухстороннее косое; д – треугольный узел; е – косое пересечение. Основы механики горных пород. Общие сведения о горных породах. По виду породообразующего материала и характеру связей между минеральными зернами горные породы подразделяют на твердые (скальные, полускальные), связные и сыпучие. К скальным относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы, имеющие предел прочности на сжатие от 5 • 10 до 3 • 10 Па (граниты, андезиты, базальты, песчаники и т. п.). Они характеризуются наличием значительных молекулярных сил сцепления и трения между частицами, имеют обычно высокую твердость и относительно трудно разрушаются. К полускальным относятся часть изверженных и метаморфических, а также большая часть осадочных пород со слабым сцеплением между частицами, имеющих предел прочности пород на сжатие от 2 • 10 до 5 • 10 Па (сланцы, мергели, крепкий каменный уголь и т. п.). В скальных и части полускальных пород разведочные выработки зачастую проводят без крепления или с частичным креплением при пересечении участков сильно трещиноватых и раздробленных пород. Связные породы (типа глин) характеризуются значительными силами сцепления между частицами. Однако их свойства сильно изменяются в зависимости от влажности. От скальных пород они отличаются высокой пластичностью, небольшой абразивностью и малой прочностью. Стенки канав, шурфов небольшой глубины в этих породах (если они не 13 насыщены водой) обычно устойчивы и крепление их не производится. Связные породы в увлажненном состоянии ведут себя как типичные пластические тела, легко изменяя свою форму при деформации без разрыва связей между частицами, однако в сухом состоянии может иметь место и хрупкое разрушение. Для сыпучих пород характерно отсутствие связей между зернами и обломками или же связи эти ничтожно малы. Механические свойства их определяются трением на поверхностях соприкосновения часиц. Физические свойства горных пород. Физические свойства горных пород характеризуют их физическое состояние. К ним относятся: степень связности, пористость, плотность, структура, текстура, зернистость, гранулометрический состав и др. Структура характеризует внутреннее строение, т. е. форму, размер и взаимное расположение минералов в породе, состав цемента в осадочных породах, а также вид связей между зернами. Мелкозернистые породы при одинаковом минеральном составе, как правило, обладают более высокой прочностью, чем крупнозернистые или породы неравномерно-зернистого строения. Прочность и устойчивость осадочных горных пород зависят главным образом от состава цементирующего вещества, а также типа цементации. По составу цементирующие вещества в осадочных породах могут быть кремнистыми, известковыми, глинистыми, а также сложными, например карбонатно-глинистыми и слюдистыми. Наиболее прочными являются кремнистые и карбонатные цементы, наименее прочными – глинистые. Таблица 2. Структура горных пород. Структура Характеристика пород Кристаллическая Порода целиком состоит из крупнозернистая кристаллических зерен Среднезернистая размером 1.5 мм. Размер зерен Мелкозернистая до 1 мм. Размер зерен менее 1 Афанитовая мм. Зерна различимы лишь в Скрытокристаллическая лупу. Кристаллы не видны даже Стекловатая при увеличении Сплошная Порфировая стекловидная масса В общую Обломочная стекловатую или скрытокристаллическую массу вкраплены кристаллические зерна Порода сцементирована из обломков 14 Текстура горных пород характеризует закономерности в распределении и расположении структурных элементов. Для многих литологических разновидностей осадочных пород характерна слоистая текстура. На плоскостях раздела может наблюдаться повышенное содержание слюдистых минералов и остатков обуглившейся растительности, что приводит к ослаблению сцеплени слоев. Слоистые породы в подземных выработках имеют более слабую сопротивляемость деформационным и разрушающим нагрузкам, чем монолитные. Элементы строения массива (структура и текстура) во многом определяют его прочностные свойства Таблица 3. Текстура горных пород. Текстура Массивная Пористая Слоистая Характеристика пород Частицы горной породы не ориентированы, плотно прилегают друг к другу В горной породе имеется множество микропустот Частицы породы чередуются с другими частицами, образуя слои и напластования Рис. 9. Виды пустот в различных породах. а - скальная порода с проницаемостью по отдельным трещинам; б - кавернозная порода с крупными пустотами, подвергающимися растворению и выщелачиванию; в - рыхлая песчаная порода с высокой пористостью; г - рыхлая порода с небольшой пористостью вследствие плохой отсортированности зерен; д - песчаная порода с небольшой пористостью вследствие образования в порах цемента; е - глинистая порода. 15 Под плотностью горных пород и породообразующих минералов следует понимать массу единицы объема со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами P0 . Она может быть определена по формуле: P0 = m/V, где: т - масса образца породы, т; V - объем минеральных (твердых) частиц образца породы, м3. Слоистость является одной из форм текстуры и обусловливается чередованием в накоплении осадков по крупности зерен, составу, окраске и пр. Слоистость оценивается обычно визуально: по признакам масштаба – макрослоистость, микрослоистость; по геометрии - параллельная, косая, прерывная; по резкости проявления - неясная, отчетливая. Со слоистостью связана способность горных пород разделяться на отдельные слои или расслаиваться. Это явление уменьшает устойчивость обнажений горных выработок. Породы могут легко распадаться на слои на границах перерывов в осадконакоплениях. В некоторых горных породах имеется система мелких субпараллельных плоскостей тектонического происхождения (на тонкие пластинки, мелкие призмочки, линзы и т. д.). Это явление называется кливажем. Необходимо помнить, что по трещинам кливажа значительные массы угля и пород неожиданно могут отслаиваться и обрушаться, что может привести к травмированию людей, разрушению крепи, коммуникаций и пр. По этому при проведении горно-разведочных выработок в таких породах необходимо тщательно выполнять закладку пустот за крепью, соблюдать особую осторожность при выполнении проходческих процессов. Трещиноватость - это также одно из характерных свойств массива горных пород. Различают следующие типы трещин: тектонические, трещины отдельности, выветривания, откоса, отслаивания, напластования и смещения. Трещины по происхождению делятся на прирожденные и тектонические. Прирожденная трещиноватость возникает в процессе превращения осадка в породу вследствие сокращения объема вещества. Образуется при этом целая система трещин основных и торцовых, расположенных поперек основных. Трещины нередко заполнены минеральным веществом. Под влиянием тектонических сил в породах возникают новые трещины - тектонические, которые направлены под разными углами к напластованию. На поверхности этих трещин часто имеются бороздки и зеркала скольжения. Совокупность прирожденных и тектонических трещин приводит к значительному снижению прочностных свойств пород в массиве. 16 В результате этого возникают прихваты бурового инструмента в процессе бурения, обрушение кровли, стенок выработок и пр. Трещиноватость горных пород определяется по числу трещин или расстоянию между ними. Таблица 4. Плотность некоторых пород и минералов Горные Плотность, Горные Плотность, породы и т/м3 породы и т/м3 минералы минералы Интрузивные и эффузивные Опока 1,3 породы Базальт 3,3 Песок 1,65 Габбро 2,95 Лесс 2,64 Гранит 2,7 Торф 1,05 Диорит 2,95 Породообразующие и рудные минералы Порфир 2,75 Ангидрит 2,69 Диабаз 2,85 Апатит 3,21 Андезит 2,49 Барит 4,5 Пироксенит 3,19 Вольфрамит 7,3 Перидотит 3,19 Галит 2,17 Осадочные породы Графит 2,2 Песчаник 2,67 Каолинит 2,59 Алевролит 2,69 Касситерит 7,03 Глина 1,6 Нефелин 2,62 Аргиллит 2,3 Опал 2 Мергель 2,1 Биотит 3,06 Известняк 2,65 Мусковит 2,93 Мел 2,69 Тальк 2,78 Брекчия 2,3 Кварц 2,57 Ангидрит 2,55 Полевой шпат 2,65 Таблица 5. Пористость некоторых горных пород. Порода Гранит Кристаллический сланец, гнейс, габбро и диабаз Кварцит Базальт Порфирит Пористость, % 1,2 0,2...1,8 0,8 0,63…1,3 40 2,0 17 Порода Сиенит Известняк, мрамор, доломит Глинистый сланец Песчаник Мел Однородные пески Смешанные Гравий Суглинок Глина Лесс Торфяной грунт Пористость, % 0,5...0,6 0,53...13,4 4 4,8...28,3 30 26…47 35...40 35...40 52…55 44…47 45 81 Таблица 6. Классификация трещиноватости горных пород. Категория трещиноватости I II III IV V Степень трещиноватости (блочности) массива Среднее расстояние между естественными трещинами всех систем, м Чрезвычайно трещиноватый 0, (мелкоблочный) Сильнотрещиноватый 0,1...0,5 (среднеблочный) Среднетрещиноватый 0,5...1,0 (крупноблочный) Мелкотрещиноватый 1,0...1,5 (весьма крупноблочный) Практически-монолитный Практически-монолитный >1,5 (исключительно крупноблочный) Механические свойства горных пород. Механические свойства горных пород являются разновидностью физических свойств. Они выражаются в способности горных пород оказывать сопротивление деформированию и разрушению под действием внешних сил. К ним относятся: прочность, абразивность, упругость, хрупкость, пластичность и др. 18 Прочностью горной породы называется способность ее сопротивляться внешним силам, стремящимся разрушить связь между зернами, слагающими эту породу. Она в значительной степени зависит от способа деформации. Поэтому различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб и скалывание. Прочность пород также зависит от их минералогического состава, структуры, текстуры, пористости, характера связи между зернами, твердости частиц и степени выветривания. Мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые. Прочность сцементированных пород зависит от рода цемента. Прочность глинистых пород падает с увеличением влажности. Наибольшая прочность горных пород проявляется при сжатии. σсж = Рк/F. При всестороннем объемном сжатии (забой шпура, скважины) сопротивление пород увеличивается. Сопротивление горных пород сжатию изменяется в зависимости от направления действия сил по отношению к кристаллографическим осям, слоистости и сланцеватости пород. Так, у сланцевых пород прочность вдоль плоскости сланцеватости составляет 0,5-0,75 от прочности в направлении, перпендикулярном к этой плоскости. Прочность при скалывании в 10-15 раз меньше прочности на сжатие, а прочность при растяжении в 1,5-2 раза меньше, чем прочность при скалывании. Твердостью называется способность пород оказывать сопротивление проникновению в нее другого, более твердого тела и является частным случаем прочности при местном приложении разрушающих нагрузок. Это очень важное свойство горных пород, определяющее величину внедрения лезвия головки буров (резцов) и поэтому существенно влияющее на скорость бурения шпуров, скважин. Различают агрегатную твердость, т. е. твердость породы в целом, и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Агрегатная твердость зависит от твердости отдельных минеральных зерен, цементирующего вещества и плотности горной породы. Твердость горных пород зависит также от способа приложения нагрузок, которые могут быть статическими и динамическими. Динамическая твердость почти в 10 раз меньше статической. Твердость можно определять различными методами: царапаньем, затухающими колебаниями, вдавливанием штампа, истиранием, резанием, отскоком бойка и др. Абразивностью называется способность горной породы изнашивать контактирующие с ней поверхности горных машин или горного оборудования в процессе их работы. 19 Абразивность пород зависит от твердости породообразующих минералов, характера сцепления зерен друг с другом, крупности и формы зерен, плотности пород и степени ее трещиноватости. Чем тверже и крупнее зерна минералов, чем острее их ребра, тем выше абразивность пород. Наибольшей абразивностью обладает порода с мягким цементом. Абразивность горных пород имеет существенное влияние на техникоэкономические показатели проведения горно-разведочных выработок (выбор более или менее энергоемких и трудоемких средств бурения шпуров, погрузки породы, обмена вагонеток и пр.). Таблица 7. Прочность некоторых горных пород. Горная порода Базальт Прочность на сжатие, МПа 500 Горная порода Прочность на сжатие, МПа Песчаник 100 - 200 Габбро 120 – 360 Аргиллит 200 Диорит 80 – 250 Глин. Сланец 100 Гранит 150 – 200 Ангидрит 120 Сиенит 300 Гипс 50 Кварц 100 – 260 Камен. Уголь 1,0 – 40 Известняк 100 - 200 Глина 0,2 – 1,0 Деформационные свойства горных пород. Горные породы под действием приложенных нагрузок в одних случаях меняют только свою форму и объем без разрыва сплошности (пластичная деформация), в других разрушаются на отдельные элементы без заметной пластичной деформации. В связи с этим выделяют такие важные свойства пород, как пластичность, хрупкость и упругость. Пластичностью горных пород называется свойство горных пород в известных условиях и пределах под воздействием сил претерпевать остаточную деформацию (пластические деформации после снятия нагрузки) без микроскопических нарушений сплошности. Пластичности обычно противопоставляется понятие хрупкость, т. е. способность горных пород под воздействием сил разрушаться без заметных пластических деформаций. Эти породы имеют слабую сопротивляемость разрушению при действии на нее ударной нагрузки. В породах с повышенной хрупкостью повышается эффект взрыва, но увеличиваются 20 переборы по сечению, что приводит к лишним затратам при погрузке породы, креплении выработки и пр. Упругость - способность породы восстанавливать первоначальную форму и объем после снятия нагрузки. Проявление тех или иных свойств горных пород в значительной мере связано с условиями нагружения. При мгновенном нагружении многие горные породы (песчаники, сланцы и др.) разрушаются на отдельные осколки, проявляя типичное свойство хрупкости. Вместе с тем эти же породы при постепенном нагружении ведут себя как упругие тела, т. е. пропорционально силам растут деформации. При длительном воздействии нагрузки в них проявляются остаточные деформации, т. е. породы проявляют пластичность. Таким образом, упругость, хрупкость и пластичность имеют относительный характер. Хрупкость и пластичность оцениваются коэффициентом пластичности (хрупкости), равным отношению общей работы деформации до разрушения Аобщ к работе упругой деформации Аупр, т. е. k = Аобщ / Аупр. Хрупкое разрушение в чистом виде оценивается коэффициентом к = 1. При пластических свойствах коэффициент к увеличивается. Упругость твердых горных пород характеризуется модулем упругости Е (модуль Юнга), коэффициентом Пуассона µ, модулем сдвига G. Кроме них иногда пользуются такими показателями, как модуль деформации Е0 и динамический модуль упругости Ед. Модуль Юнга представляет собой отношение нормального напряжения σ, к относительной деформации ζу. Коэффициент Пуассона представляет собой отношение относительных деформаций - поперечной к продольной: µ = ζ1у / ζу . Модуль Юнга и коэффициент Пуассона вычисляют по данным лабораторных испытаний пород. Модуль сдвига по сложности его определения лабораторным путем может быть определен по формуле: G = E/2(1 + µ) Модуль деформации есть отношение нормального напряжения к полной относительной деформации Еп, т. е. Е0 = σ / Еп. 21 Необходимость введения этого модуля связана как с криволинейной зависимостью между деформациями и напряжениями, так и с неоднородностью горных пород. Чем больше в породе слабых зерен, а также чем выше пористость этой породы, тем быстрее возникают остаточные деформации и величины их больше. Величины модулей упругости и деформации зависят от влажности: с увеличением последней модули снижаются. Динамический модуль упругости Ед определяется на основе измерения скорости продольных ультразвуковых волн, которая связана с ним функциональной зависимостью. Определение упругих характеристик Е и µ связано с проведением тщательных и достаточно точных измерений деформации образца породы при сжатии или изгибе. На практике в настоящее время для измерения малых деформаций пользуются индикаторами часового типа или же электрическими тензодатчиками сопротивления. Вязкость - это сопротивление пород силам, стремящимся разъединить их частицы. В однородных и простых породах вязкость равномерна во всех направлениях. В породах неоднородного сложения или сложных вязкость, как и твердость, меньше вдоль слоев и больше в направлении, перпендикулярном к слоям. Наибольшей вязкостью обладают мелкозернистые породы. Разрыхляемость - способность горных пород к разукрупнению, разрыхлению и укладке (в т. ч. и в емкости). Разрыхляемость породы характеризуется коэффициентом разрыхления кр. Коэффициент разрыхления - это отношение объема породы в состоянии разрыхления Vр к первоначальному объему той же породы в массиве V, т. е. kр = Vр / V 22 Таблица 8. Классификация горных пород по ЕНВ 1977. Категория породы по ЕНВ, 1977 I – II III IV V – VI VII VIII IX - XII Порода Коэффициент разрыхления, кр Песок, супесь, растительный грунт, торф Лессовидный суглинок, влажный лесс, гравий до 15 мм Жирная глина, тяжелый суглинок, лесс естественной влажности, крупныйгравии Ломовая глина, суглинок со щебнем Отвердевший лесс, мягкий мергель, опоки, трепел Крепкий мергель, трещиноватый скальный грунт Глинистые, песчаные сланцы Песчаники, известняки 1,08-1,17 1,2-1,31, 14-1,28 1,24-1,3 1,26-1,32 1,33-1,37 1,3 – 1,45 1,8 – 2,0 Горно-технологические свойства горных пород. Буримость - способность горной породы сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента. Буримость породы характеризуют скоростью бурения (мм/мин), реже продолжительностью бурения 1 м шпура (мин/м). Буримость горных пород положена в основу современной классификации горных пород. Взрываемостъ горных пород - сопротивляемость горной породы разрушению действием взрыва ВВ. Определяется удельным расходом ВВ (кг/м ) или количеством энергии(удельная затрата энергии ВВ), необходимым для образования прямоугольной воронки взрыва при глубине заложения заряда 1 м при помещении его в шпур с конечным диаметром 40 мм, расположенный под углом 45° к горизонтальной свободной поверхности. Взрываемость определяет выбор типа ВВ, конструкции вруба, заряда и пр. Буримость и взрываемость позволяют оценить трудность бурения и взрывания одной породы по сравнению с другой. Понятие буримости и взрываемости развивают понятие крепости при конкретных видах работ. 23 Крепость - способность горной породы сопротивляться бурению, отбойке, взрыванию и другим внешним воздействиям, т. е. сопротивляться разрушению от действия внешних усилий. Понятие о крепости дает общую характеристику горной породы при любых производственных процессах, в том числе при бурении и взрывании. Наиболее распространено определение крепости породы по временному сопротивлению на раздавливание. Классификация горных пород. Первые попытки классифицировать горные породы относятся к концу XVIII в. В настоящее время известны классификации горных пород М.М. Протодьяконова, П.М. Цимбаревича, А.Ф. Суханова, В.В. Ржевского, Союзвзрывпрома, Криворожская, Главшахтстроя, по буримости, взрываемости и др. Известные классификации горных пород разбиваются на две большие группы: общие и частные. В общих классификациях горные породы разбиваются на большие группы по генетическому принципу, признаку минерального состава, по признаку строения или по тому и другому одновременно. Частные классификации для целей горного дела используются при решении производственных или научных задач и основаны на разделении пород по какому-либо одному физическому свойству или характеристике. Из частных классификаций можно указать: классификацию горных пород по коэффициенту крепости (различают породы в основном по пределу прочности на сжатие); по пористости, плотности, твердости, электропроводности, теплопроводности и т. д.. Технологические классификации по какому-либо технологическому параметру (по буримости, взрываемости, экскавации, дробимости, обогатимости и др.). Все общие классификации пород являются качественными. Частные классификации являются количественными классификациями. В настоящее время наибольшее распространение нашли частные классификации. Наиболее известной классификацией горных пород по крепости является шкала проф. М. М. Протодьяконова, в которой породы характеризуются коэффициентом крепости. Для ориентировочного отнесения пород к той или иной категории крепости М.М. Протодьяконов предложил кажущийся коэффициент, или коэффициент крепости породы, который определяется путем деления на 100 предела прочности данной породы при одноосном сжатии, т. е. f = σсж /100. 24 В дальнейшем в коэффициент крепости Л. И. Бароном была внесена поправка: f = σсж /300+√ σсж / 30 Коэффициент крепости f и кажущийся угол внутреннего трения связаны зависимостью: f = tg φ. Для сыпучих пород в качестве коэффициента крепости принимается числовое значение коэффициента внутреннего трения. Коэффициент крепости пород широко используется в инженерных расчетах, особенно при определении параметров буровзрывных работ. Единая классификация горных пород по буримости введена в действие с 1 января 1969 г. Классификация разработана в Центральном бюро планирования и нормирования труда (ЦБПНТ) в 1968 г. В основу ее положено время основного (чистого) бурения 1 м шпура в минутах в идентичных условиях различных по физическим свойствам пород. Все горные породы разбиты на двадцать категорий. Испытания горных пород по буримости проводились при следующих стандартных технических условиях: - давление сжатого воздуха у перфоратора - 0,5 МПа; - коронки однодолотчатой формы (в трещиноватых породах крестовой формы), армированные твердыми сплавами ВК-15, ВК-8В, ВК-11В, с углом заострения 110° и диаметром 40 мм (для перфораторов ПТ36 и КС-50 диаметр коронки бура 85 мм); - бурение ручным молотком (перфораторами) с пневмоподдержкой, соответствующей типу молотка, с промывкой шпуров водой. Таблица 9. Классификация горных пород. Наименование Категория пород классификации Категория пород по V VI - XI - XIII - XV XVI ЕНВ, X XII XIV XVII 1969 г. Коэффициент 4 4 -5 6 - 8 6 - 10 12 - 15 16 крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова XVIII XIX XX 18 20 25 Таблица 10. Классификация горных пород по крепости ( Протодьяконова). Кате- Степень гория крепости пород I II III IIIа IV IVа V Vа VI VIа VII VIIа VIII IX X Порода Коэфф. крепо сти f В высшей Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты 20 степени и базальты. Исключительные по крепости крепкие другие породы Очень Очень крепкие гранитовые породы, 15 крепкие кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец. Менее крепкие, чем указано выше, кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки. Очень крепкие железные руды Крепкие Гранит (плотные) и гранитовые породы. Очень 10 крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат То же Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. 10 Крепкие песчаники. Крепкий мрамор. Доломит Довольно Кварцит с трещинами. Обыкновенный 6 крепкие песчаник. Железные руды (средней крепости) То же Песчанистые сланцы. Сланцевые песчаники 5 Средние Крепкий глинистый сланец. Некрепкий 4 песчаник и известняк. Мягкий конгломерат То же Различные сланцы (некрепкие).Плотный 3 мергель Довольно Мягкий сланец. Очень мягкий известняк, мел, 2 мягкие каменная соль, гипс, мерзлый грунт, антрацит. Обыкновенный мергель. Разрушенный песчаник, сцементированная галька и каменистый грунт То же Щебенистый грунт. Разрушенный сланец, 1,5 слежавшаяся галька и щебень, крепкий каменный уголь. Отвердевшая глина Мягкие Глина (плотная). Мягкий каменный уголь. 1,0 Крепкий нанос. Глинистый грунт То же Легкая песчанистая глина. Лесс. Гравий 0,8 Землистые Растительная земля. Торф. Легкий суглинок. 0,6 Сырой песок Сыпучие Песок осыпь. Мелкий гравий. Насыпная земля. 0,5 Добытый уголь Плывучие Плывуны. Болотистый грунт. Разжиженный 0,3 лесс и другие разжиженные грунты 26 Буровзрывные работы Способы разрушения горных пород и их классификация. В геологоразведочных организациях стран СНГ ежегодно проходилось около 300 км подземных и более 100 млн. м открытых горных выработок. Более 90 % подземных и 35 % открытых выработок проходится с использованием взрывчатых веществ (ВВ). Для размещения зарядов ВВ в массиве породы, подлежащей отбойке, создаются зарядные камеры (в подземных выработках это в основном шпуры, на открытых - могут быть шпуры и скважины). Бурение шпуров скважин до настоящего времени является одним из трудоемких и дорогостоящих способов создания искусственных полостей. Процесс бурения состоит в разрушении пород буровым инструментом и ее удалении за пределы шпура (скважины). Шпуром называется пробуренная в породе цилиндрическая полость глубиной до 5 м и диаметром до 75 мм. Шпуры бурят для разрушения взрывом ВВ негабаритных блоков горных пород, для выравнивания подошвы уступа, при проходке горных выработок и на очистных работах, рыхлении мерзлых грунтов, корчевке пней, валке деревьев, а также для разрушения различных объектов при строительстве сооружений и во многих других случаях. Бурение шпуров эффективно при добыче штучного камня, при создании гладкого неразрушенного откоса, при сооружении канала и траншей методом контурного взрывания. Широко используется бурение шпуров при взрывных работах негорного характера (обрушении зданий и сооружений и для других целей). Скважиной называется горная выработка цилиндрической формы глубиной свыше 5 м и диаметром более 75 мм. Скважины бурят в основном при добыче полезных ископаемых открытым способом. По направлению к земной поверхности скважины бурят вертикальными, горизонтальными и наклонными. По природе разрушающих горную породу напряжений все способы бурения делятся на механические, при которых разрушение происходит вследствие развития в породе механических напряжений, и термические, при которых разрушение происходит вследствие развития в породе температурных напряжений. К механическим способам бурения относятся ударный, вращательный, ударно-вращательный, вращательно-ударный, ультразвуковой, взрывной, электрогидравлический и гидравлический. К термическим способам относятся огневое, плазменное, электротермическое бурение. 27 По видам передачи энергии породе способы бурения делятся на: контактные (ударное, вращательное, ударно-вращательное, вращательноударное, взрывное, электротермическое) и бесконтактные (термическое, плазменное, гидравлическое, электрогидравлическое, ультразвуковое). Способы воздействия на породу: - твердым породоразрушающим инструментом (ударное, вращательное, - ударно-вращательное, вращательно-ударное бурение); - газами (взрывное бурение патронированными зарядами); - жидкостью (электрогидравлическое и гидравлическое бурение); - электрическим током (электротермическое и электроимпульсное бурение); - комбинированные (с помощью газов и тепла - струйное взрывобурение, огневое, плазменное бурение; с помощью абразива и жидкости - ультразвуковое бурение). По способу разрушения забоя может быть колонковое бурение с отбором керна и бурение сплошным забоем. По способу удаления продуктов разрушения из забоя различают: периодическую (с помощью желонок, различных буров и грунтоносов) и непрерывную очистку, осуществляемую механически с помощью витых штанг и шнеков при вращательном бурении и циркулирующим жидким, аэрированным (водовоздушная смесь) или газообразным агентом при шарошечном и ударном бурении. По способу подачи промывочного агента к забою возможна прямая очистка, при которой агент движется внутри бурильных труб или штанг и перфоратора, омывает забой и вместе с продуктами разрушения поднимается по затрубному пространству на поверхность, и обратная очистка, когда промывочный агент подается по затрубному пространству, поступает вместе с продуктами разрушения внутрь бурового става и поднимается на поверхность. Последний способ при бурении шпуров широко применяется при отсосе шлама. По виду используемой энергии различают ручное бурение, когда все операции выполняются вручную, и машинное, когда все процессы бурения выполняются различными механизмами. Механическое разрушение - отделение горных пород от массива или их дробление (измельчение) путем воздействия на породу породоразрушающего инструмента - резца, фрезы, шарошки, ударника, алмазных и абразивных кругов и коронок, скалывателей и др. В результате действия того или иного механического фактора протекают физические процессы чисто механического разрушения породы: сжатие, раздавливание, дробление, скалывание, резание и др. Гидравлическое разрушение осуществляется воздействием на горную породу струй воды под высоким давлением. Термическое разрушение пород происходит под действием физических полей, создаваемых без использования специальных породоразрушающих 28 инструментов за счет физико-химических процессов, протекающих под действием высокой температуры. Термическому разрушению способствует низкая теплопроводность породы, ее анизотропия, высокий коэффициент теплового расширения и т. д. Взрывоударное разрушение - разрушение и перемещение горных пород под действием энергии взрывчатых веществ, размещенных в массиве (в скважинах, шпурах, камерах и пр.). Электрические способы ослабления и разрушения основаны на воздействии на горную породу электрической энергии в виде электромагнитного поля, электрического разряда, электрического тока и др. При проведении горно-разведочных выработок в основном имеет место взрывоударное разрушение горных пород и применение связанных с ним механических способов, необходимых для создания в массиве пород полостей с целью заложения заряда ВВ. При вращательном способе порода разрушается при вращении породоразрушающего инструмента с наложением постоянно действующего (статического) осевого усилия. Этот способ в основном применяется при бурении шпуров в мягких и средней крепости породах (f < 10). При ударном способе разрушение породы происходит путем нанесения ударов породоразрушающим инструментом с определенной силой и скоростью. Выделяются следующие комбинации ударного и вращательного способов бурения: - ударно-поворотное бурение обычными и погружными бурильными молотками (перфораторами), при котором инструмент в промежутках между ударами поворачивается на определенный угол (к ударно-поворотному относится и ударно-канатное бурение скважин); - ударно-вращательное бурение погружными пневмо - или гидроударниками и перфораторами с независимым вращением, при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту. При указанных двух способах бурения порода разрушается в основном в результате ударов. При вращательно-ударном бурении удары наносятся по непрерывно вращающемуся под большим осевым усилием инструменту. При вибрационном способе происходит погружение специального забойного инструмента, обычно цилиндрической формы, в рыхлую породу под действием вынужденных продольных колебаний - вибраций и осевого усилия. При способе задавливания происходит погружение породоразрушающего инструмента, имеющего форму конуса или полого цилиндра, в мягкую породу под действием осевого усилия. Разрушаемая порода в этом случае уплотняется в стенках скважины. При вибрационно-вращательном способе разрушение пород происходит при вращении специального инструмента и действии осевого усилия. 29 В результате взаимодействия инструмента с породой наблюдаются три основных типа разрушения. Первый - разрушение под лезвием инструмента монолита в мелкодисперсную массу. Размеры частиц меньше глубины внедрения инструмента и меньше первоначальных кристаллов и зерен породы. Второй - скалывание по краям зоны дробления, которое за счет неоднородности и начальных дефектов в породе приводит к тому, что размеры зоны разрушения несколько отличаются от правильных. Размеры частиц значительны. Третий - образование трещин в породе под зоной (ядром) измельчения, позволяющих при повторных воздействиях увеличивать зону разрушения. В геологоразведочной практике применяются машины ударноповоротного действия, в основном работающие на пневмоэнергии. Характер процесса внедрения лезвия бура в породу зависит от физикомеханических свойств породы, состояния поверхности в забое шпура, от величины и формы инструмента и механических свойств материала, из которого изготовлен инструмент, мощности бурильной машины и режима ее работы. Лезвие бура при внедрении должно преодолеть силы сцепления частиц породы ниже поверхности самого забоя и по поверхности цилиндра шпура (в стенках). Для внедрения лезвия в породу ниже поверхности забоя необходимо преодолеть сопротивление, соответствующее прочности породы, находящейся в условиях объемного напряженного состояния, при котором временное сопротивление, как известно, больше, чем при одноосном нагружении. После каждого удара бур поворачивается вокруг своей оси на некоторый угол. Рис. 10. Классификация способов бурения шпуров и скважин. 30 Рис. 11. Схема внедрения инструмента в горную породу при ударноповоротном бурении. При бурении шпуров машинами ударно-поворотного действия породоразрушающий инструмент подвергается одновременному действию нескольких нагрузок: - динамических, периодически и с большой частотой воздействующих на буровой наконечник, что способствует эффективности разрушения породы и снижению износа лезвий по сравнению с вращательным бурением; - статического осевого усилия, заглубляющего в забой режущую кромку лезвий долота; - вращающего момента, вызывающего скол породы, находящейся впереди заглубленных резцов. Для бурения шпуров в породах мягких, реже средней крепости и крепких, но малоабразивных применяют вращательные бурильные машины (электрические или пневматические). В последние годы разработаны вращательные бурильные машины с гидроприводом. При вращательном бурении разрушение горных пород производит резец, который под действием осевого усилия Р внедряется в породу, вращаясь производит разрушение ее по площади забоя шпура и с каждым 31 оборотом перемещается поступательно под действием силы Q. Толщина снимаемой стружки h. Таким образом, резец движется по винтовой поверхности (сочетание поступательного и вращательного движения). Рис. 12. Схема разрушения породы при вращательном бурении. Машины для бурения шпуров и скважин. Классификация машин для бурения шпуров и скважин. Машины для бурения шпуров классифицируются: По роду потребляемой энергии - электрические, пневматические, гидравлические, от двигателей внутреннего сгорания. 32 По устройству и принципу действия - ударно-поворотные, вращательные, ударно-вращательные и вращательно-ударные. По углу наклона шпуров - для бурения горизонтальных и нисходящих шпуров (ручные, колонковые) и для бурения шпуров по восстанию (телескопные). По мощности и способу установки - ручные и колонковые. Для бурения шпуров диаметром до 46 мм и глубиной до 3 м в породах мягких и средней крепости предназначены ручные электросверла массой до 20 кг. При бурении в породах с f = 3.5 применяют ручные электросверла с принудительной (механической) подачей. Ручные пневмосверла предназначены для бурения шпуров в условиях опасных по взрыву газа или пыли. Колонковые электросверла применяют для бурения шпуров и скважин в горизонтальных и наклонных выработках в углях и породах с f < 12. Электро и пневмо свёрдла. Для бурения шпуров диаметром до 46 мм и глубиной до 3 м в породах мягких и средней крепости предназначены ручные электросверла массой до 20 кг. При бурении в породах с f = 3.5 применяют ручные электросверла с принудительной (механической) подачей. Ручные пневмосверла предназначены для бурения шпуров в условиях опасных по взрыву газа или пыли. Колонковые электросверла применяют для бурения шпуров и скважин в горизонтальных и наклонных выработках в углях и породах с f < 12. Рис. 13. Ручное электросверло СЭР-19М. а – общий вид; б – конструкция. 33 Рис. 14. Кинематическая схема колонкового электросверла. 1 – шестерни; 2 – втулка; 3 – шпиндель4 4 – гайка; 5 – патрон4 6 – промежуточный валик; 7 – электродвигатель; 8 – кулачковая муфта; 9 – узел переключения; 10 – ручка. Бурильные машины ударно-поворотного действия (перфораторы). 1. Ручные бурильные машины ударно-поворотного действия (перфораторы); 2. Колонковые бурильные машины - применяют для бурения шпуров с колонок, манипуляторов и бурильных кареток при проведении горизонтальных и наклонных выработок в породах от средней крепости до самых крепких. При очистных работах колонковые перфораторы применяют для бурения скважин глубиной до 25 м из подэтажных штреков. Колонковый перфоратор имеет такое же устройство, как и ручной, но отличается большими размерами и имеет приливы для крепления и передвижения их в салазках автоподатчика. 3. Телескопные бурильные машины применяют при бурении шпуров в восстающих, в кровле горизонтальных выработок для навески коммуникаций и под анкерную крепь. 34 Рис. 15. Схема перфоратора. 1 – виброгасящее устройство; 9 – выхлопное отверстие; 16 – буровая штанга; 18 – автоматическая маслёнка; 2 – впускной кран; 15 – буродержатель; 17 – стяжные болты; 19 – воздушная магистраль. Рис.16. Схема бурения телескопным перфоратором. 1 - буровая коронка; 2 - буровая штанга; 3 - перфоратор; 4 - шланги для подачи воды и сжатого воздуха; 5 – автомасленка. 35 Бурильные установки. Для бурения шпуров в горизонтальных выработках угольных шахт широкое распространение получили бурильные установки БЭУ-1, БЭУ-1М, БКГ-2, БУР-2 с электроприводом и бурильные установки БУ-1, БУ-1М, БУР2 и 1СБУ-2 с пневмоприводом. Установки БУ-1, БУ-1М, БЭУ-1 и БЭУ-1 М оборудованы одной бурильной машиной на манипуляторе, остальные - двумя машинами. При вращательном бурении шпуров с промывкой водой применяют круглые пустотелые штанги диаметром 32 мм с центральным отверстием диаметром 9 мм и породные резцы БИ-741, БУ-1-1100, РП-42 и РУ-43. Рис. 17. Самоходная бурильная установка СБКН-2М 1 – ходовая тележка, заимствованная от погрузочной машины ППН-2СМ; 2 – рама; 3 – манипулятор; 4 – автоподатчик; 5 – перфоратор ПК-60; 6 – маслостанция; 7 – пульт управления 36 Рис.18. Бурильная установка УБШ-214А. 1 - бурильная машина включающая в себя бурильную головку (перфоратор), буровой инструмент, телескопический подающий механизм, механизм распора, импульсный цилиндр; 2 - универсальный манипулятор; 3 - пульта управления; 4 - колесно-рельсовый ход; 5 - сиденья оператора (машиниста); 6 – маслостанция, смонтированной на платформе. Рис. 19. Схема установки бурильной машины на пневмоподдержке в забое 1– пневмоподдержка; 2 – перфоратор. 37 Рис. 20. Распорная колонка. 1 - стойка с распорной пятой; 3 - ползуны; 5 - кран; 7 - пневмоцилиндр; 9 - пульт управления; 2 - трубчатая рама; 4 - канатно-поршневой податчик; 6 - распорный шток; 8 - перфоратор; 10 - резиновый шланг для подачи сжатого воздуха. 38 Рис. 21. Конструкция пневматической поддержки. 1 - цилиндр (наружная труба); 2 - головка цилиндра; 3 - поршень; 4 - шток (внутренняя труба); 5 - трубка (канал) для подачи сжатого воздуха; 6 - фиксатор; 7 - острие; 8 - шпора; 9 - кронштейн для крепления перфоратора; 10 - патрубок; 11 - кольцевой кран; 12 - шланг для сжатого воздуха; 13 - тройник; 14 - гибкий шланг для подвода воздуха к перфоратору; 15 - уплотняющие манжеты. 39 Буровой инструмент. Инструмент для ударно-поворотного бурения. Рабочим органом инструмента для ударно-поворотного бурения шпуров является бур, состоящий из коронки, буровой штанги, хвостовика с буртиком. Хвостовик воспринимает удары поршня бурильного молотка, а коронка бура воздействует на породу и разрушает ее. Буртик служит для ограничения длины хвостовика и удержания штанги в грандбуксе перфоратора. Буровые штанги могут применяться со съемным резинометаллическим буртом. Буровые штанги для ручных и телескопных перфораторов изготовляют из шестигранной стали с шестигранной формой поперечного сечения диаметром 19; 22; 25 мм, длиной 0,7...2,5 м, для колонковых - из круглой стали типа ШБВ-32, ШБВ-40 диаметром 32 и 40 мм, длиной от 1 до 5 м. Бурение шпуров ударно-поворотным и вращательно-ударным способами осуществляется коронкой, армированной твердосплавными вставками. Коронки выпускаются в основном пяти типов: - долотчатые пластинчатые (КДП), - долотчатые штыревые (КДШ), - крестовые пластинчатые (ККП), - трехперьевые штыревые (КТШ), - штыревые со сферическими вставками (КСТ) или (КШС). 40 Рис. 22. Шестигранный бур с центральной промывкой. а - бур; б - хвостовик буровой штанги; в - штанга со съемным резинометаллическим буртом (шестигранная и круглая): 1 - хвостовик буровой штанги; 2 - буровая штанга; 3 - коронка; 4 - резиновое кольцо; 5 - конусная гильза с продольным разрезом; 6 - корпус резинометаллического бурта; 7 - гайка; 8 – втулка. 41 Рис. 23. Твердосплавные коронки. а - коронка типа КДП; б - коронка БКПМ-36; в - коронка БКПМ-40; г - коронка БКПМ-36Ф. 42 Рис. 24. Твердосплавные коронки. д - коронка БКПМ-40Ф; е - коронка ККП; ж - коронка КТШ; з - коронка К-52; и - коронка БКПМ-КМ; к - коронка БКР. 43 Инструмент для вращательного бурения шпуров. Буровые штанги для сверл изготовляются из прутков углеродистой стали марок У7, У9 и У10. Прутки витые длиной 5.7 м, форма поперечного сечения прутков ромбическая, 18 и 36 мм. Рис. 25. Инструмент для вращательного бурения шпуров. а - ручных; б - колонковых; 1 - головка; 2 - штанга; 3 - хвостовик; 4 - замок Съемные резцы изготовляются ковкой или штамповкой из высокоуглеродистых сортов стали. 44 Рис. 26. Коронки и резцы для вращательного бурения. а - пластинчатая, типа БУ; б - штыревая, типа КУВШ; в - резец для бурения мягких пород; г - резец для бурения пород средней крепости; д - общий вид резцов; 1 - пластинки твердого сплава; 2 - перья; 3 - корпус; 4 - хвостовик; 5 - отверстие для промывки. 45 Удаление продуктов разрушения из шпура и борьба с пылью. Очистка шпуров, удаление продуктов разрушения из шпура при бурении пневматическими бурильными машинами осуществляются водой или продувкой воздухом. Водоснабжение забоев может быть централизованным или индивидуальным из бака. Существуют две схемы подачи воды. По первой схеме промывочная вода под давлением 0,2…0,3 МПа от центральной магистрали или индивидуальных бачков подается по напорным рукавам к перфоратору, затем по трубке, проходящей внутри перфоратора, попадает в канал буровой штанги и, выходя из отверстия в воронке, омывает забой. По второй схеме - вода по шлангу и затем промывочной муфте, надетой на хвостовик бура, попадает в канал буровой штанги, минуя корпус перфоратора. Бурение с сухим пылеулавливанием. В некоторых условиях бурение шпуров с промывкой водой становится невозможным (многолетнемерзлые породы и отрицательная температура в забое, высокогорные или безводные районы, сильная слеживаемость смоченной породы, образование сальников на буре и др.). В этих случаях применяется сухое пылеулавливание. Буровая пыль отсасывается через канал бура и пылеотводящую трубку перфоратора по шлангу в пылеуловитель. Поступление воздуха с пылью в пылеуловитель обеспечивается эжектором, специальным вентилятором или вакуумным насосом. 46 Рис. 27. Схемы промывки шпуров. 1 - водяная завеса; 3 - насосная установка; 5 - дозатор смачивателя ДСУ-4; 7 - вентиль; 9 - переходник; 11 - перфоратор; 13 - муфта; 15 - водоподводящий рукав; 2 - зумпф; 4 - фильтр; 6 - магнитная установка; 8 - расходомер; 10 - напорный рукав; 12 - бур; 14 - поддерживающая колонка; 16 - бачок индивидуального водоснабжения забоя. 47 Рис. 28. Схема обеспыливания воздуха при бурении шпуров с сухим пылеулавливанием. 1 - буровая штанга; 5 - автомасленка; 2 - перфоратор; 6 - пневмоподдержка; 3 - шланг; 7 - пылеулавливающая установка ВНИИ-1. 4 - напорный рукав; Производство и транспортировка сжатого воздуха. При проведении горно-разведочных выработок сжатый воздух применяется для работы перфораторов, отбойных молотков, погрузочных машин, насосов, эрлифтов и др. Несмотря на то что КПД пневматических установок значительно ниже электрических, сжатый воздух находит широкое применение благодаря безопасности обслуживания, простоте конструкций и небольшим размерам пневматического оборудования, простоте эксплуатации и регулирования, надежности работы в тяжелых условиях; большей производительности бурильных машин при бурении крепких пород, чем электрических. В последнее время на предприятиях стран СНГ появилась тенденция перехода на машины с электрогидравлическим приводом. При поисково-разведочных работах применяются в основном передвижные компрессоры. Однако при значительных объемах разведочных работ и достаточной их концентрации применяются стационарные компрессоры. 48 Компрессоры по принципу действия подразделяются на турбокомпрессоры, ротационные, винтовые, гидрокомпрессоры и поршневые. Рис. 29. Схема работы секции турбокомпрессора. 1 – рабочее колесо; 2 – вал; 3 – каналы рабочего колеса; 4 – направляющий аппарат (диффузор). 49 Рис. 30. Схема работы ротационного компрессора. 1 - ось ротора; 2 - ротор; 3 - пластины; 4 - всасывающий патрубок; 5 - ось цилиндра; 6 - блок цилиндра; 7 - нагнетательный патрубок; ABCD – ячейки. 50 Рис.31. Схема поршневых компрессоров простого действия. а - одноступенчатого; б - двухступенчатого; 1, 2 - всасывающий и нагнетательный клапаны; 3 - воздухосборник; 4 - цилиндр; 5 - поршень; 6 - промежуточный холодильник. Классификация поршневых компрессоров. По способу действия - на компрессоры простого и двойного действия. Простого действия - при прямом движении поршня происходит всасывание, а при обратном – нагнетание. Двойного - при движении поршня и в прямом, и в обратном направлении происходит всасывание и нагнетание. По числу ступеней сжатия - на одноступенчатые и многоступенчатые. По способу установки - на передвижные, стационарные. По подаче - на компрессоры малой (до 10 м /мин), средней (103330 м /мин) и большой (свыше 30 м /мин) подачи. По расположению цилиндров - на горизонтальные, вертикальные и наклонные. По способу охлаждения - на компрессоры с воздушным и водяным охлаждением. 51 На горно-разведочных работах в основном применяются компрессоры простого действия, двухступенчатые, с водяным и воздушным охлаждением, малой и средней подачи, с любым расположением цилиндров. Преимущества поршневых компрессоров: надежность в работе, высокий КПД, длительный срок службы, возможность получения высокого давления. Недостатки: значительные размеры и масса, ограниченная подача, наличие воздухораспределительных клапанов, пульсирующая подача воздуха в сеть. Воздухопроводные сети. Вырабатываемый компрессором сжатый воздух подается потребителям по воздухопроводной сети (трубопроводам от 20 до 320 мм) и воздухопроводным рукавам (шлангам) диаметром 10…50 мм. Трубы диаметром до 50 мм соединяются резьбовыми муфтами. При большем диаметре соединение производится фланцами с болтовым соединением. Прокладки в местах соединения труб выполняются из резины, клингерита, асбеста и картона. Воздух при движении по трубам и шлангам встречает гидравлическое сопротивление, которое вызывает падение давления воздуха в воздухопроводе, и тем больше, чем меньше диаметр воздухопроводов. Общие допустимые потери давления воздуха в воздухопроводе не должны превышать 10-15 %. Диаметр труб воздухопровода должен выбираться в соответствии с количеством пропускаемого воздуха на данном участке сети с минимальными потерями давления в сети. Диаметр трубопровода можно определить по упрощенной формуле: d = 3,18W, где: V - количество воздуха, протекающего по трубопроводу, м3/мин. Трубопровод на горизонтальных участках следует прокладывать с уклоном не менее 1 : 200 - 1 : 300 в сторону движения воздуха с целью поступления конденсирующейся воды и масла в водоотделитель. Прокладка жестких воздухопроводов в горизонтальных и наклонных выработках осуществляется на кронштейнах, на подвесках- хомутах, по почве у стенки выработки, противоположной людскому проходу. В вертикальных выработках (ствол шахт, шурфы) трубы прикрепляются при помощи хомутов к деревянной крепи или расстрелам. Трубопроводы также могут подвешиваться на канатах. 52 Разрушение горных пород взрывом. Понятие о взрыве. Взрыв - чрезвычайно быстрое изменение состояния вещества, сопровождающееся таким же быстрым превращением его потенциальной энергии в механическую работу. Работа взрыва основана на стремлении образовавшихся при нем газов к расширению. Взрывы могут быть физического или химического характера. При физическом взрыве изменяется только физическое Состояние вещества (взрывы паровых котлов, баллонов сжатого или сжиженного газа и др.). При химическом взрыве происходит быстрое химическое превращение вещества, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в виде теплоты и образуются газообразные продукты. В практике горного дела главным образом используются химические взрывы. Согласно гидродинамической теории передача детонации обусловлена распространением по ВВ ударной волны. Ударная волна (зона сжатия) и прилегающая к ней зона реакции взрывчатого превращения обобщаются под названием детонационной волны (волна детонации). Движение ударной волны складывается из движения скачка уплотнения и перемещения самой среды. Детонационная волна имеет более сложную структуру. Распространение ее обусловливается движением ударной волны, зоны химической реакции и конечных продуктов взрыва. Скачкообразность процесса распространения детонации является резким отличительным признаком явления. При детонации ВВ получаются продукты взрыва плотностью 2 г/см3 с давлением в тысячи мегапаскалей. Таким образом, имеет место совершенно новое, своеобразное состояние вещества. Способность ВВ к детонации зависит от условий его применения. Если размеры заряда менее определенной критической величины, то детонация затухает. Продукты взрыва одного заряда в воздухе могут вызывать взрыв другого заряда, если он не очень удален от первого. В таком случае первый заряд называется активным, второй пассивным. Явление возбуждения взрыва в пассивном заряде в случае взрыва активного, отделенного от пассивного инертной средой, называется детонацией на расстоянии или детонацией через влияние. 53 Под теплотой взрывчатого превращения (или взрыва) понимают теплоту, которая выделяется при взрыве 1 кг ВВ. Теплота взрыва большинства ВВ находится в пределах 3200.6600 кДж/кг, или 2900.10 000 кДж/л. Температура взрыва характеризуется максимальной температурой, до которой нагреваются продукты взрыва. При этом процесс взрыва принимается адиабатическим. Давление Рвзр, развивающееся при взрывах различных ВВ, может достигать от 0,3...0,5 до 15…20 ГПа и выше, что возможно благодаря огромным скоростям протекания самоускоряющихся реакций. Объем газов при взрыве определяется по реакции взрывчатого разложения ВВ на основе закона Авогадро, согласно которому объем, занимаемый одной грамм-молекулой различных газов при 0 °С и давлении 0,1 МПа, равен 22,42 л (0,02242 м3). Давление газа при взрыве 1 кг ВВ может быть определено исходя из объединенных законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Взрывчатые вещества. Классификация взрывчатых веществ. Взрывчатыми веществами (ВВ) называются такие химические системы, которые под влиянием определенного внешнего импульса способны со значительной скоростью переходить в другие системы с образованием газов или паров, выделением тепла, которое нагревает газы до высокой температуры. Все ВВ, применяемые для взрывных работ, по характеру состава разделяются на механические смеси и химические соединения. Если во взрывчатых механических смесях составные части ВВ химически не связаны между собой, то во взрывчатых химических соединениях - связаны. По физическому состоянию взрывчатые вещества разделяются на следующие: - газовые смеси (метан + воздух и пр.); - смеси твердых или жидких веществ с газами (угольная пыль + кислород и пр.); - жидкие вещества (нитроглицерин, нитрогликоль); - смеси жидких и твердых тел (динамит); - твердые смеси (тротил, аммониты). Практическое значение имеют две последние группы. По условиям применения ВВ разделяются на предохранительные и непредохранительные. Предохранительные ВВ, в свою очередь, могут быть: 54 - допущенными для взрывания по углю и породе (цвет оболочки или полосы желтый); - допущенными для взрывания только по породе и руде (цвет оболочки или полосы синий); - допущенными для взрывания в серных, нефтяных и озокеритовых шахтах (цвет оболочки или полосы зеленый); - термостойкими, допущенными для взрывания в нефтяных и газовых скважинах (цвет оболочки или полосы черный). Непредохранительные ВВ могут быть: - допущенными для взрывания в шахтах, не опасных по газу или пыли (цвет оболочки или полосы красный); - допущенными для открытых работ (цвет оболочки или полосы белый). По химическому составу и названию основного компонента ВВ разделяют: - на нитроглицериновые; - аммиачно-селитряные; - оксиликвиты; - хлоратные; - дымный порох. По характеру воздействия на окружающую среду ВВ разделяют на: - Бризантные, которые иногда подразделяются на: - высокобризантные (скорость детонации идет = 4500.7000 м/с, скальные аммониты); - бризантные (идет = 3500.4500 м/с); - низкобризантные (идет = 2000.3500 м/с). Метательные (идет < 2000 м/с). ВВ представляют собой малоустойчивые химические системы, которые под воздействием внешнего импульса стремятся перейти в устойчивые. Взрывчатое превращение ВВ основано на окислении горючих элементов. В качестве окислителя в состав ВВ вводится в какой-либо форме кислород. В состав современных ВВ обычно вводится аммиачная селитра, в каждой молекуле которой содержится один избыточный атом кислорода. Основные характеристики взрывчатых веществ. Основными характеристиками взрывчатых веществ, определяющими условия применения и развиваемую мощность, являются кислородный баланс, бризантность и работоспособность, чувствительность, стойкость, плотность, скорость детонации, теплота и температура взрыва и др. Кислородный баланс - это показатель, характеризующий избыточное, достаточное или недостаточное количество кислорода в веществе по сравнению с количеством, необходимым для полного окисления содержащихся в нем углерода, водорода и других элементов, способных к 55 окислению при взрыве. Положительным считается такой кислородный баланс, при котором наличие кислорода в составе ВВ превышает количество, необходимое для окисления горючих элементов, содержащихся в ВВ; Отрицательным - когда наличие кислорода недостаточно для окисления всех горючих элементов, Нулевым - когда в составе ВВ кислород содержится в количестве, необходимом для полного окисления всех горючих элементов. Работоспособностью ВВ называется работа взрыва. Бризантная работа взрыва ВВ обусловливается кратковременным давлением газов взрыва и действием ударной волны. Следствием такой работы ВВ является дробление среды, окружающей заряд. Бризантность ВВ характеризуется величиной импульса, действующего при взрыве на преграду в месте соприкосновения ее с зарядом ВВ. Чувствительность ВВ - это способность ВВ детонировать от различного рода внешних воздействий (удара, трения, луча огня, нагрева). Чувствительность ВВ к начальному импульсу зависит от его химического состава и физического состояния. Способность ВВ сохранять свои первоначальные химические и физические свойства в течение определенного периода хранения называется стойкостью ВВ. Различают химическую и физическую стойкость. Химическая стойкость зависит от природы ВВ, их чистоты, плотности, внешних условий (влажность и температура окружающей среды, влияние солнечных лучей) и др. Взрывчатые вещества, обладающие недостаточной химической стойкостью, под влиянием различных причин начинают разлагаться. Физической стойкостью ВВ называют его способность сохранять физические свойства и структуру в течение определенного периода времени. Она характеризуется механической прочностью, гигроскопичностью, слеживаемостью, расслаиваемостью, водоустойчивостью, старением, экссудацией, летучестью и др. Наиболее важные физико-химические характеристики промышленных ВВ - это плотность, дисперсность или гранулометрический состав, сыпучесть, пластичность, текучесть, гигроскопичность, влажность, слеживаемость, водоустойчивость, расслаиваемость, пластичность, текучесть, экссудация, старение и химическая стойкость. Различают истинную (собственную) плотность ВВ, плотность ВВ в заряде, насыпную (гравиметрическую) плотность (для сыпучих ВВ) и плотность заряжания. Истинная плотность - это масса единицы объема данного химического вещества; является функцией температуры вещества. 56 Плотность ВВ в заряде (патрон, шашка) определяет массу вещества в объеме заряда; ее рассчитывают в результате определения массы патрона на весах и измерения объема погружением патрона в воду. Насыпная плотность - характеристика, относящаяся только к сыпучим ВВ, позволяющая рассчитать величину заряда при засыпке ВВ в скважину; определяет массу свободно насыпанного вещества в единице объема. Плотностью заряжания называют отношение массы заряда ВВ к объему зарядной камеры, включая в этот объем все воздушные промежутки. Часть зарядной камеры, заполняемая забоечным материалом, в объем не включается. Коэффициент заряжания - это отношение объема (или длины) заряда ВВ к объему (или длине) зарядной камеры, показывает степень заполнения зарядной камеры взрывчатым веществом. Сыпучесть - способность ВВ свободно (под действием собственного веса) высыпаться из тары, заполнять при заряжании зарядную полость и перемещаться по шлангу при пневмозаряжании. Сыпучесть порошкообразных ВВ в большинстве случаев недостаточна для высокопроизводительного заряжания россыпными ВВ скважин пневматическим способом. При возрастании влажности до 1 % сыпучесть их резко падает. Пластичность - способность ВВ к неупругой деформации, позволяет достигать большей плотности заряда. Пластичные ВВ способны легко деформироваться под воздействием внешних нагрузок и сохранять придаваемую им форму. Текучесть - характеристика низковязких водонаполненных ВВ, показывающая способность заполнять зарядную камеру под силой собственного веса. В сильной степени зависит от температуры вещества. Гигроскопичность - способность вещества самопроизвольно поглощать влагу из воздуха и увлажняться. Этот недостаток присущ ВВ, в состав которых входят селитры, аммиачная, калиевая, натриевая, и хлористый натрий. Наиболее гигроскопичны аммиачно-селитряные ВВ. Увлажнение нарушает их физическую стабильность, способствует слеживаемости ВВ, что снижает чувствительность к детонации. Слеживаемостъ - способность сыпучих ВВ превращаться в связанную массу с потерей сыпучести, что значительно снижает детонационную способность. Водоустойчивость ВВ - способность сохранять при непосредственном соприкосновении с водой в течение определенного времени взрывчатые свойства. Она повышается при включении в состав ВВ гидрофобных добавок. Старение - необратимый процесс ухудшения или полной потери ВВ взрывчатых свойств в течение времени в результате изменения структуры геля пластичных ВВ, улетучивания пузырьков воздуха из массы ВВ. При старении ВВ понижается их чувствительность к внешним воздействиям и способность к передаче детонации. 57 Бризантные ВВ, предназначенные для взрывных работ в народном хозяйстве, называются промышленными. По физическому состоянию промышленные ВВ классифицируют на порошкообразные, гранулированные, прессованные, водонаполненные (льющиеся); по химическому составу и свойствам - на аммиачноселитряные, нитропроизводные и их сплав, на основе жидких эфиров, хлоратные и перхлоратиновые и пороха. В настоящее время при ведении горных работ широко применяют лишь три первые группы ВВ и пороха. Следует отметить, что иногда по химическому составу промышленные ВВ подразделяют на две основные группы - индивидуальные и смесевые. К индивидуальным относят химически инородные вещества (тротил, нитроглицерин, пироксилин, нитрогликоль, тол, гранулотол, тэн, гексоген, октоген, тетрил и др.) Азотнокислые эфиры спиртов. Нитроглицерин - продукт нитрования глицерина азотной кислотой в присутствии серной кислоты. Нитрогликоль (динитрогликоль)- продукт нитрования гликоля. Нитросоединения – ВВ. К ним относятся тротил, динитронафталин, гексоген, тетрил, пикриновая кислота, октоген и др. Тротил (тринитротолуол, тол) - продукт нитрации толуола. Обладает хорошими детонационными способностями. Легко детонирует от капсюлядетонатора. Выпускают тротил в порошкообразной, гранулированной, чешуйчатой, прессованной и литой формах. Тетрил - не растворяется в воде, в реакцию с металлами не вступает, от огня загорается, а иногда и взрывается. Применяют для снаряжения детонаторов в качестве вторичного инициирующего ВВ. Гексоген - Обладает высокой чувствительностью к внешним воздействиям, от огня горит, но не взрывается. Применяется в качестве вторичного инициирующего ВВ, а также для изготовления ДШ, детонаторов и скальных аммонитов. Тэн - Он не растворяется в воде и не теряет взрывчатых свойств. Очень чувствителен к внешним механическим воздействиям. Соли азотной кислоты. К однородным взрывчатым соединениям можно отнести также аммиачную селитру. Аммиачная селитра - (нитрат аммония) является наиболее распространенным окислителем в промышленных ВВ. Отрицательные свойства аммиачной селитры - гигроскопичность и слеживаемость. Для снижения слеживаемости аммиачную селитру гранулируют или вводят в нее специальные добавки. Среди смесевых ВВ, состоящих из двух и более механически смешанных веществ (как взрывчатых, так и невзрывчатых), выделяют аммиачно-селитренные (аммониты, динафталиты, граммониты, акваниты, игданиты, ифзаниты) и нитроэфирсодержащие (динамиты, победиты, детониты и др.). 58 Для придания определенных свойств при изготовлении смесевых ВВ в их состав вводят следующие компоненты: горючие вещества, окислители, сенсибилизаторы, флегматизаторы и пламегасители (последние только в составе предохранительных ВВ). Горючие вещества вводят в состав ВВ для увеличения количества энергии, выделяемой при взрыве. Окислители содержат избыточный кислород, и их вводят в состав ВВ для окисления горючих элементов. Сенсибилизаторы - вещества, вводимые в состав ВВ для повышения его чувствительности к восприятию и передаче детонации. Стабилизаторы - вещества, вводимые в состав ВВ для повышения их химической и физической стойкости. Флегматизаторы - для снижения чувствительности его к механическим воздействиям. Пламегасители - вещества, добавляемые в состав ВВ для снижения температуры взрыва и уменьшения вероятности воспламенения метано - и пылевоздушных смесей в шахтах. Средства инициирования и взрывания зарядов. Для того чтобы обеспечить начало взрывчатого превращения, необходимо к заряду ВВ приложить извне некоторое количество энергии (начальный импульс). Средства, при помощи которых передается начальный импульс заряду ВВ и возбуждение взрыва (детонация), называются средствами инициирования. Процесс возбуждения взрыва ВВ называется инициированием, а взрывчатые вещества, предназначенные для возбуждения взрыва, называются инициирующими ВВ. Сами инициирующие ВВ обладают способностью легко взрываться от искры, пламени или удара. В практике взрывных работ различаются три вида возбуждения взрыва: термический, механический и взрыв другим зарядом, расположенным рядом. При термическом возбуждении взрыв происходит в результате нагрева заряда, при механическом - в результате трения или удара. Взрыв заряда промышленного ВВ обычно производится специальными средствами взрывания (капсюль-детонатор, электродетонатор, детонирующий шнур). Инициирующие ВВ, используемые при изготовлении средств инициирования, условно разделяют на две группы: первичные и вторичные инициирующие ВВ. В группу первичных инициирующих ВВ входят высокочувствительные ВВ (гремучая ртуть, азид свинца, тенерес), в группу вторичных - менее чувствительные (тетрил, гексоген, тэн). 59 Гремучая ртуть - ртутная соль гремучей кислоты - образуется в результате взаимодействия растворенной в азотной кислоте металлической ртути и этилового спирта. Скорость ее детонации 5400 м/с. Азид свинца - свинцовая соль азотисто-водородной кислоты образуется из азида натрия путем замещения натрия свинцом. Скорость детонации 5200 м/с. Тенерес - соль стифниковой кислоты - получается при взаимодействии тринитро- резорцината натрия и азотнокислого свинца. Физически и химически стоек, водоустойчив, с металлами не реагирует, взрывается от удара, трения, искр, однако его чувствительность значительно ниже, чем гремучей ртути. Вторичные инициирующие ВВ (тетрил, гексоген, тэн) служат для усиления детонации первичных инициирующих взрывчатых веществ и передачи мощного импульса основному заряду ВВ. Из-за малой чувствительности к внешним воздействиям они более безопасны. Способы инициирования и взрывания зарядов. Способы инициирования зарядов классифицируются в зависимости от применяемых средств, величины интервала между взрывами отдельных зарядов в серии, особенностей расположения зарядов. В зависимости от применяемых средств выделяют: - огневое инициирование зарядов, когда детонатор взрывается от луча огня огнепроводного шнура; - электрическое - когда он взрывается от горящего электровоспламенителя; - электроогневое - когда детонатор взрывается от пламени огнепроводного шнура, подожженного электровоспламенителем; - взрывание детонирующим шнуром, когда инициирование заряда ВВ осуществляется начальным импульсом, возбужденным в детонирующем шнуре на некотором расстоянии от заряда и переданным последнему по линии детонирующего шнура. По величине интервала выделяют мгновенное, замедленное и короткозамедленное взрывание. По особенности расположения зарядов может быть однорядное или многорядное на свободную поверхность или в зажатых условиях на неубранную горную массу взрывание. Огневой способ инициирования. Огневой способ инициирования применяется в условиях, не опасных по взрыву газа или пыли, при наклоне выработки до 30° в условиях, не затрудняющих отход взрывника в укрытие, при дроблении негабаритов на карьерах, рыхлении грунтов и торфов, сооружении траншей, канав, при борьбе с лесными пожарами и пр. 60 Достоинства огневого способа инициирования - простота выполнения взрывных работ (отсутствие взрывных магистралей, источников тока, контрольно-измерительной аппаратуры и расчетов взрывных цепей), небольшая стоимость, безопасность от блуждающих токов и от случайной подачи энергии во взрывную цепь. Недостатки - невозможность одновременного взрывания большого числа зарядов; повышенная опасность, так как взрывник находится в момент поджигания у зарядов; невозможность проверки качества подготовки заряда к взрыву; низкая производительность при большом числе зарядов; невозможность получения точных интервалов между взрывами, образование большого количества ядовитых газов. При огневом способе используются капсюли-детонаторы, огнепроводный шнур (ОШ), средства его поджигания, нож для резания ОШ, стержень из материалов, не дающих искры для создания углубления в патроне ВВ и размещения в нем капсюля-детонатора зажигательной трубки. Рис.32. Зажигательная трубка 1 – капсюль-детонатор; 2 – огнепроводный шнур; 3 – место обжима. Рис. 33. Капсюль-детонатор. 1 - кумулятивная выемка; 2 - вторичное ВВ; 3 - первичное ВВ; 4 - металлическая чашечка; 5 - отверстие в чашечке; 6 – гильза. 61 Рис. 34. Порядок изготовления патрона-боевика при огневом взрывании. а - изготовление патрона-боевика; б - патрон-боевик; 1 - проделывание углубления в патроне ВВ острой деревянной палочкой (или иглой металлической из материала, не дающего искры); 2 - вставка воспламенительной трубки в углубление; 3 - бумажная обертка собирается вокруг шнура; 4 - обвязка собранных бумажных концов бечевкой. 62 Рис. 35. Огнепроводный шнур. а – продольное сечение; б – бухта шнура; 1 – направляющие нити; 2 – пороховая сердцевина; 3 – оплетки; 4 – смолы; 5 – асфальт; 6 – полихлорвиниловая, гуттаперчевая или асфальтовая оболочки. 63 Рис.36. Средства электровоспламенения огнепроводного шнура. 1 - отрезок ОШ; 2 - биметаллическая гильза; 3 - электровоспламенитель; 4 - зажигательный состав; 5 - стальная втулка; 6 - толстостенная гильза; 7 - бумажная втулка; 8 - бумажная гильза; 9 - резиновое кольцо; 10 - выводные провода. 64 Электрический способ инициирования. Электрический способ инициирования выполняется с помощью электродетонаторов, проводников и источников электрического тока. Достоинства - возможность создания определенного интервала между взрывами; большая безопасность для взрывника, так как подача тока в электровзрывную сеть производится из укрытия. Недостатки - сложность выполнения, необходимость расчета электровзрывной сети, опасность в отношении блуждающих токов, высокая стоимость средств инициирования. Электродетонатор представляет собой соединение капсюлядетонатора с электровоспламенителем в одной гильзе. Электродетонаторы подразделяются на мгновенного, короткозамедленного и замедленного действия. Электродетонатор мгновенного действия представляет собой капсюльдетонатор, в гильзу которого введены два медных проводника. К концам проводников припаяна нихромовая или константановая проволочка, на которую нанесен воспламеняющий состав. Электрический ток нагревает спираль, воспламеняющую зажигательный состав, от пламени которого инициирует первичное ВВ, возбуждая взрыв электродетонатора. Электродетонатор короткозамедленного действия (ЭДКЗ) по конструкции и принципу действия аналогичен электродетонаторам замедленного действия. Электродетонатор замедленного действия (ЭДЗД) отличается от электродетонатора мгновенного действия тем, что между первичным зарядом ВВ и электровоспламенителем помещен специальный зажигательный состав. Отличие между детонаторами замедленного и короткозамедленного действия заключено в зажигательном составе и времени срабатывания. Электродетонаторы подразделяются на непредохранительные и предохранительные (в индексе буква П). В качестве источников электрического тока могут применяться взрывные машинки, электроосветительная сеть, но со специальными приборами. Разрешается использовать гальванические, аккумуляторные батареи, хотя в практике взрывных работ они применяются крайне редко. По принципу создания взрывного тока взрывные приборы и машинки можно разделить на следующие основные типы: - конденсаторные взрывные приборы когда взрывной ток создается разрядом конденсатора; - батарейные взрывные приборы - гальванической батареей или аккумулятором; - индикаторные взрывные машинки - электрическим генератороминдикатором; - сетевые взрывные приборы - подключением взрывной сети к электросети переменного тока; 65 - сетевые выпрямительные взрывные приборы - полупроводниковыми выпрямителями, питаемыми от трехфазной силовой электросети; - взрывные приборы прямого включения - непосредственным подключением взрывной сети к силовой электросети переменного или постоянного тока; - специальные взрывные приборы, когда взрывной ток создается разрядом конденсатора-накопителя через преобразователь. Взрывные приборы и машинки в зависимости от длительности импульса тока делятся на две группы: - с ограничением и без ограничения времени прохождения взрывного тока. Рис. 37. Непредохранительные электродетонаторы. 1 - гильза; 2 - вторичный заряд; 3 - первичный заряд; 4 - чашечка; 5 - мостик накаливания; 6 – воспламенительная головка; 7 – выводные (детонаторные) провода 8 – пластмассовая пробка; 9 – специальный зажигательный состав. 66 При электрическом способе взрывания соединение электродетонаторов может быть последовательным, параллельным, последовательно-параллельным и параллельно-последовательным. Последовательное соединение электродетонаторов заключается в том, что концы проводов смежных ЭД соединяют последовательно, а крайние провода первого и последнего присоединяют к магистральным проводам, идущим к источнику тока. Достоинства схемы заключаются в простоте монтажа, легкости контроля за исправностью сети и простоте расчета, так как общее сопротивление равно сумме сопротивлений, а величина тока, проходящего через все сопротивления, одинакова. К недостаткам схемы следует отнести невозможность одновременного взрывания большого числа зарядов. При неисправности одного ЭД происходит массовый отказ. При параллельном соединении вдоль зарядов ВВ протягивают два магистральных проводника (антенны). Один из проводников каждого электродетонатора подсоединяют к одному магистральному проводнику, а второй – к другому. При этом проводники электродетонаторов могут быть соединены ступенями или в пучок. Преимущества способа в независимом взрывании ЭД, в возможности безотказного взрывания больших количеств различных по сопротивлению ЭД. Параллельная ступенчатая схема применяется редко из-за падения напряжения в проводах по мере удаления от источника тока. Параллельная пучковая схема наиболее сложная. Характеризуется наибольшим расходом проводов. Применяется при небольшом числе ЭД. Последовательно-параллельным соединением пользуются при значительном числе зарядов, когда источник тока не обеспечивает требуемую величину тока для безотказного взрывания. При этой схеме все ЭД разбиваются на группы, внутри которых ЭД соединяются последовательно, а группы между собой – параллельно. При параллельно-последовательном соединении все электродетонаторы разбиваются на несколько групп, в каждой из которых они соединяются параллельно, а сами группы соединяются между собой последовательно. Расчет электровзрывных сетей выполняют для обеспечения безотказного инициирования всех находящихся в сети ЭД. Взрывную сеть составляют так, чтобы получить ток не меньше нормативного. При использовании электрических линий расчет сетей сводится к установлению тока, поступающего в ЭД. При взрывании с помощью приборов определяют сопротивление сети, которое должно соответствовать паспортным данным прибора. Последовательность расчета: - составляют принципиальную схему сети; - определяют длину проводов и общее сопротивление сети; 67 - сопоставляют сопротивление сети с паспортными данными прибора или определяют силу тока при заданном напряжении. Рис.38. Элементы электровзрывной сети. К – концевые провода; С, М – соединительные и магистральные провода; Д – детонаторные провода; ПВ – прибор взрывания (минная станция). Рис. 39. Схемы соединения электровзрывных сетей. а – последовательная; б – параллельная (ступенчатая); в – параллельная (пучковая); г – последовательно-параллельная. 68 Взрывание детонирующим шнуром. Детонирующий шнур (ДШ) представляет собой шнур с сердцевиной из высокобризантного ВВ. Оболочка состоит из трех нитяных или хлопчатобумажных слоев – внутреннего, среднего и наружного. Средняя и наружная оболочки покрыты водонепроницаемой мастикой. Скорость детонации ДШ около 7000 м/с. Взрывание детонирующим шнуром применяется при массовых взрывах. Детонация в сети ДШ возбуждается капсюлем- детонатором или электродетонатором. Достоинства – простота выполнения работ по подготовке взрыв- ной цепи, безотказность, возможность взрывания неограниченного числа зарядов, минимальная опасность выполнения заряжания. Недостатки – высокая себестоимость ДШ, невозможность контроля исправности сети перед взрывом. Детонирующий шнур разрешается резать только до введения его в заряд или боевик. Соединения ДШ между собой и с детонатором осуществляются внакладку или способами, указанными в инструкции, находящейся в ящике с ДШ. Соединения ДШ производятся на длине не менее 10 см; от конца ДШ до детонатора должно быть не менее 15 см. Для обеспечения безотказного взрывания детонирующим шнуром необходимо соблюдать следующие условия: магистральные шнуры прокладывать по прямой линии, а при поворотах тщательно их закруглять; в одну точку магистрального шнура можно присоединять только по одному ответвлению к заряду ВВ. Рис. 40. Параллельно-пучковая схема взрывной сети из детонирующего шнура. 1 – электродетонаторы; 2 – пучок отрезков ДШ; 3 – отрезок ДШ; 4 – заряд ВВ; 5 – магистраль ДШ. 69 Рис. 41. Способы соединения детонирующего шнура. а – внакладку; б – навивкой; в – простым узлом; г – морским узлом; 1 – капсюль-детонатор; 2 – магистральная линия детонирующего шнура; 3 – подсоединяемый отрезок. Основные правила безопасности при взрывных работах. Зажигательные трубки разрешается зажигать тлеющим фитилем, отрезком огнепроводного шнура (ОШ), электрозажигателями, электрозажигательными и зажигательными патронами. Спичкой разрешается зажигать трубку только при взрывании одиночного заряда. При последовательном зажигании нескольких зажигательных трубок длина первой должна быть такой, чтобы можно было поджечь последнюю зажигательную трубку и отойти на безопасное расстояние или в укрытие. Во всех случаях (кроме борьбы со льдами, взрывания в скважинах с высокой температурой и борьбы с лесными пожарами) длина каждой зажигательной трубки должна быть не менее 1 м и отрезок ОШ должен выступать из шпура не менее чем на 25 см. При зажигании нескольких трубок более чем одним взрывником должен быть назначен старший. Он поджигает контрольную трубку и контролирует отход всех взрывников в укрытие и выход из него. При поджигании пяти и более зажигательных трубок при взрывании на поверхности контрольная трубка должна быть не менее чем на 70 60 см короче по сравнению со шнурами применяемых зажигательных трубок, но не короче 40 см. После окончания зажигания зажигательных трубок или после взрыва контрольной трубки все взрывники должны немедленно удалиться на безопасное расстояние или в укрытие. Контрольная трубка должна быть на расстоянии не менее 5 м от заряда, зажигаемого первым, но не на пути отхода взрывника в укрытие. Взрывник должен вести счет взорвавшимся зарядам. Подходить к месту взрыва разрешается не ранее чем через 15 мин, считая с момента последнего взрыва. Все электродетонаторы перед выдачей в работу должны быть проверены на соответствие сопротивлений пределам, указанным на этикетках упаковочной тары, кроме ЭД, предназначенных для разделки негабарита. В последнем случае проверяется 5 % ЭД, помещенных в каждую коробку. Провода ЭД должны быть накоротко замкнуты до подсоединения их к электрической цепи. Проверка электродетонаторов и электрических цепей производится только приборами, допущенными Госгортехнадзором РФ и дающими в цепь ток не более 50 мА. Эти приборы должны проверяться раз в квартал и после замены батарей. Электродетонаторы со звонковым проводом могут применяться только на открытых работах в сухих местах. Магистральные провода должны быть только с резиновой или пластиковой изоляцией. На открытых работах разрешается применять неизолированные магистральные провода при подвеске их на изоляторах. Соединения проводов должны быть тщательно зачищены, плотно сращены и изолированы. Соединение между собой участковых проводов и присоединение их к магистральным разрешается только после окончания заряжания и забойки всех зарядов, взрываемых одновременно, и после удаления людей, не связанных с монтажом электровзрываемой сети, на безопасное расстояние. Прибор, включающий ток, должен находиться в укрытии и иметь специальные клеммы. Запрещается подсоединять магистральные провода к каким-либо проводам, идущим от источника тока. Монтаж сети производится только от заряда к источнику тока. Концы смонтированной части электровзрывной сети должны быть замкнуты накоротко до присоединения их к следующему участку электровзрывной сети. Во избежание перепутывания основной и дублирующей сети провода каждой сети должны быть смотаны. В качестве источников тока разрешается применять взрывные машинки, а также силовую и осветительную сеть. 71 Рубильники должны находиться в специальных ящиках или в шкафах, запирающихся на замки. Ключи от взрывных машинок, приборов, ящиков должны находиться у руководителя взрывных работ или взрывника до окончания подготовки взрыва и вывода людей. Передавать кому-либо ключи запрещается. Запрещается проводить электрическое взрывание непосредственно от силовой линии или осветительной сети без предназначенных для этого устройств. При взрывании с помощью ЭД подход к месту взрыва разрешается не ранее чем через 5 мин после полного проветривания места взрыва. Магистральные провода при этом необходимо отсоединить от источника тока и замкнуть накоротко. При отказе необходимо отсоединить концы магистрали, замкнуть их накоротко, закрыть станцию, ящик, ключ взять с собой. Подходить к месту взрыва разрешается не ранее чем через 10 мин. В каждый ЭД должен поступать ток силой не менее 1 А при одновременном взрывании до 100 шт., не менее 1,3 А при числе зарядов до 300 шт. и не менее 2,5 А при взрывании переменным током. Проветривание горно-разведочных выработок. Состав и физические свойства рудничного воздуха. Рудничная вентиляция – отрасль горного дела, охватывающая научные основы и технические средства по обеспечению обмена воздуш- ной среды в подземных горных выработках с атмосферным воздухом. При перемещении атмосферного воздуха по подземным выработкам изменяется его физическое состояние (давление, температура, влажность, плотность), химический состав, происходит загрязнение его механическими примесями. Основная задача проветривания – это поддержание параметров рудничного воздуха в заданных пределах. Рудничный воздух – это смесь атмосферного воздуха, активных газов и мертвого воздуха (смесь углекислого газа СО2 и азота N2 при отсутствии кислорода) или смесь газов и паров, заполняющая горные выработки. Рудничный воздух, в котором находятся или могут находиться люди, должен содержать не менее 20 % кислорода по объему и не более 0,5 % углекислого газа. Газы, которые могут находиться в выработке, обладают следующими свойствами. Окись углерода СО – газ без цвета, запаха и вкуса. Содержание 72 0,3–0,4 % СО по объему смертельно опасно для жизни человека. В 300 раз интенсивнее усваивается гемоглобином крови, чем кислород, из-за чего и ядовит. Углекислый газ СО2 – без цвета, с кислым вкусом и запахом. Оказывает удушающее воздействие. Сернистый газ SО2 – без цвета, с характерным резким запахом горящей серы и сладковатым вкусом. Запах SО2 ощущается при концентрации 0,0005 %. Химически очень активен. При содержании 0,002 % разъедает слизистые оболочки. Ядовит, опасен для жизни при содержании 0,05 %. При отравлении SО2 нельзя делать искусственное дыхание, так как это может привести к отеку легких. Сероводород H2 S – бесцветный газ с запахом тухлых яиц, весьма ядовит и взрывоопасен. Ощущается при содержании 0,0001–0,0002 %, сильно разъедает слизистые оболочки глаза и горла. Основные признаки отравления H2 S – насморк, кашель, металлический вкус во рту, жжение и боль в глазах, слезотечение, тошнота, головная боль. Пострадавшего выносят на свежий воздух, кладут на спину на сухое место или доски, укрывают теплой одеждой и, если он без сознания, делают искусственное дыхание. Окислы азота. Окись азота (NO) – бесцветный газ, который с кислородом переходит в двуокись азота NО2. Образуются при взрывных работах. Искусственное дыхание делать запрещено. Метан СН4 – без цвета, запаха и вкуса, не ядовит, горюч, взрывоопасен. Наибольшая сила взрыва при концентрации 9,5 %. Взрывчатые свойства имеет атмосфера с концентрацией СН4 от 5 до 14 %. Рудничный воздух в процессе производства работ насыщен пылью. Все источники пылеобразования делят на первичные и вторичные. К первичным относятся источники пылеобразования при разрушении полезного ископаемого или пород (буровзрывные работы, уборка, транспортировка пород и др.). К вторичным относятся источники пылеобразования, при которых поднимается в воздух ранее осевшая пыль. Пыль разделяется на металлическую (железная, медная, цинковая и др.), минеральную (кварцевая, угольная, известковая, графитная, аргилитовая, сланцевая и др.) и смешанную. По крупности частиц (мкм) пыль делится: на микроскопическую – 0,3–0,4; субмикроскопическую – менее 0,3; ультрамикронную (ультратонкие) – 0,01–0,3. Наиболее вредна для здоровья минеральная пыль, содержащая двуокись углерода с диаметром частиц менее 5…10 мк, и более вредна при диаметре частиц менее 1…2 мк. 73 Способы проветривания. В процессе проведения все разведочные выработки по условиям проветривания относятся к тупиковым, т. е. в них исключается сквозное движение вентиляционной струи. В зависимости от длины или глубины выработки и с учетом конкретных горно-геологических и горнотехнических условий вентиляция таких выработок осуществляется с помощью вентиляторов местного проветривания и вентиляционных труб, скважин, восстающих, а в некоторых случаях путем использования тур - булентной диффузии и продольных перегородок. За счет диффузии разрешается проветривание горизонтальных выработок протяженностью не более 10 м, а вертикальных – глубиной не более 5 м. Способы проветривания протяженных, тупиковых горных выработок подразделяются на нагнетательный, всасывающий, комбинированный. Нагнетательный способ проветривания эффективен при длине (глубине) выработок до 300 м. При нагнетательном способе свежий воздух подается по вентиляционному трубопроводу, прокладываемому по всей выработке, а загрязненный вытесняется непосредственно по выработке. Недостатком нагнетательного способа является то, что удаляемые из призабойной части выработки газы, образующиеся при взрывных работах, распространяются по всей длине выработки. При всасывающем способе проветривания свежий воздух поступает непосредственно по выработке, а загрязненный удаляется по трубопроводу. Основной недостаток способа заключается в том, что у забоя не происходит интенсивного перемешивания воздуха и там могут образовываться области застоя с высокой концентрацией ядовитых газов. Способ нельзя применять в выработках, опасных по взрыву газа или пыли. Применяется для проветривания камер. При комбинированном способе проветривания по всей выработке прокладывается трубопровод, по которому из забоя отсасывается загрязненный воздух, а в призабойной части – дополнительно трубопровод для подачи к забою свежего воздуха. Таким образом, в комбинированном способе сочетаются достоинства нагнетательного и всасывающего. Комбинированный способ особенно целесообразен для проветривания протяженных выработок с большой площадью поперечного сечения. Однако, как и всасывающий, он не может применяться в выработках, опасных по взрыву газа или пыли. Проветривание выработок с помощью скважин применяется при значительной длине горизонтальных выработок, сравнительно небольшом расстоянии до земной поверхности или при наличии расположенного выше разведочного горизонта на разведочной шахте. 74 Рис. 42. Схемы проветривания тупиковых выработок. а – нагнетания; б – всасывания; в, г – комбинированные схемы с перемычкой и без перемычки. 75 Рис. 43. Нагнетательная схема проветривания с использованием скважин. 1 – вентилятор; 2 – вентиляционная скважина; 3 – закрытая скважина; 4 – наклонный ствол; 5 – рассечка; 6 – нагнетательный трубопровод диаметром 400 мм. Горное давление. Напряжённое состояние в массиве горных пород. Напряжения, возникающие в массиве горных пород, окружающих выработку, под действием силы собственного веса породы, тектонических сил и разности температур, называют горным давлением, а различные механические явления, происходящие в результате воздействия на горные породы этих напряжений, – проявлениями горного давления, которые могут быть в виде: 1) упругого или упруговязкого смещения пород без их разрушения; 2) вывалообразования (местного или регулярного) в cлабых, трещиноватых и мелкослоистых породах; 3) разрушения и смещения пород (в частности, вывалообразования) под влиянием предельных напряжений в массиве по всему периметру сечения выработки или на отдельных его участках; 4) выдавливания пород в выработку вследствие пластического тече- 76 ния, в частности, со стороны почвы (пучение пород). Напряженное состояние нетронутого массива, созданное гравитационными силами, является исходным силовым полем, в значительной степени предопределяющим поведение боковых пород в обнажениях при проведении подземных горных выработок. В нетронутом массиве горных пород (до проведения выработок) имеет место равновесное объемное напряженное состояние. Обычно делается допущение, что напряжения обусловлены только плотностью толщи пород, а массив условно принимается как однородный и изотропный. Всестороннее сжатие кубика на глубине H(z) характеризуется напряжениями σ σz, σx. σy σz = σy σz = ρН ξ - возможные деформации в направлении осей по закону Гука Δl =Pl/ EF Где: ∆l – абсолютное удлинение стержня от действия силы Р, м; l – длина стержня до воздействия силы Р, м; Е – модуль Юнга; F – площадь попе- речного сечения стержня, м2. Отношение ∆l / l = ξу называется относительным продольным, a ∆b/b = ξ' – относительным поперечным удлинением стержня. Отношение Р/F = σ, откуда ξу = σ/Е, где, σ – нормальное напряжение, Н/м2. От действия сил происходят продольная и поперечная деформации кубика. Суммарная деформация по осям х и z равна произведению σ 2 ξ’y / E ξy = σ2 μ/ E , по осям х и у, соответственно, σ2 μ/ E (здесь μ = ξ / ξ – коэффициент Пуассона) По оси х произойдет только продольная деформация сжатия – σх /Е. Полная относительная деформация по оси х σх /Е – μσy /Е – μσz /Е = 0, 77 откуда при σу= σх получим уравнение напряжения в нетронутом массиве: σx =μ σz/ 1 − μ Отношение μ /(1 – μ) = λ называется коэффициентом бокового распора (обычно меньше 1). Рис. 44. Схема напряжений в элементе нетронутого массива твердой горной породы. 78 Проведение горной выработки вносит изменение в напряженное состояние массива. Это объясняется тем, что столб породы над выработкой лишается непосредственной опоры, вес этого столба передается на смежные части массива. Вокруг выработки концентрируются сжимающие (в стенках) и растягивающие (в почве и кровле) напряжения. При λ < 1 в ее стенках на контуре сжимающие вертикальные напряжения составляют k2 ρН (k2 ≈ 3…5 – коэффициент концентрации сжимающих напряжений – отношение напряжений в данной точке после проведения выработки к напряжению, существующему в нетронутом массиве). В кровле и почве выработки возникают растягивающие напряжения k1 ρН (k1 – коэффициент концентрации растягивающих на- пряжений), которые по мере удаления от контура уменьшаются до нуля, а затем переходят в сжимающие и постепенно достигают величины, соответствующей напряжению в нетронутом массиве. В углах выработок и вершинах впадин возникает наибольшая концентрация напряжений. Закругления углов резко снижают напряжение. Вокруг выработок круглого сечения при гидростатическом распределении напряжений в нетронутом массиве имеют место только сжимающие напряжения одинаковой величины по всему периметру контура сечения. Устойчивостью обнажений считается такое состояние обнаженного незакрепленного участка массива пород, при котором в течение необходимого по условиям производства периода времени не происходит обрушение или сползание пород, а смещение поверхности обнажений или ее части не выходит за допустимые пределы. При отсутствии крепи предопределяется соотношением прочностных показателей породы и величины напряжений в зоне аномалий. В горизонтальных и наклонных выработках такими обнажениями являются кровля, почва и стенки выработки, в вертикальных – стенки. В близи контура обнажений напряжения (σ), вследствие их концентрации, могут превзойти предел прочности пород и произойдет их разрушение или пластическое течение. Часть массива горных пород, в пределах которого под влиянием проведения горной выработки происходят сдвижения, деформации и разрушение пород, вызванные перераспределением напряжений, называется областью влияния горной выработки. Для выработки прямоугольной формы она не превышает (3…5)l, сводчатой – (2,5…3) l, круглой и эллиптической – (1,5…2,5)l (l – наибольший линейный размер сечения выработки). Часть этой области, где напряжение в зоне σзоны меньше напряжения в массиве σмас, т. е. σзоны < σмас, будет зоной пониженных напряжений, а при σзоны > σмас – повышенных напряжений. 79 Рис. 45. Изолинии главных нормальных (а) и максимальных (б) напряжений вокруг прямоугольной выработки (на изолиниях даны значения коэффициента K). Рис. 46. Схема напряжений вокруг ствола круглого сечения. Зона повышенных напряжений постепенно переходит в область напряжений, существующих в нетронутом массиве, иногда называемую зоной опорного давления. 80 По степени устойчивости обнажений выделяют следующие группы выработок: - весьма устойчивые; - устойчивые; - средней устойчивости; - неустойчивые; - весьма неустойчивые. Степень устойчивости обнажений элементов выработки оценивается отношением kρН Q σkсξ Устойчивость горных выработок. Горно-разведочные выработки должны быть устойчивыми в период их проведения и эксплуатации, т. е. должны сохранять необходимые форму и размеры поперечного сечения в соответствии с требованиями правил технической эксплуатации и техники безопасности. Если условие устойчивости обнажений и пород соблюдается и деформации обнажений не выходят за пределы допустимых, то, как правило, выработка будет устойчивой без несущей крепи. В противном случае для обеспечения устойчивости горной выработки необходимы применение несущей крепи, упрочнение массива пород и т. д. В кровле, стенках и почве горной выработки действуют напряжения, отличающиеся по величине и знаку, а породы могут иметь разную прочность и степень нарушенности. Поэтому устойчивость выработки в целом определяется устойчивостью указанных ее элементов. Иногда достаточно укрепить один элемент, например кровлю, чтобы обеспечить устойчивость выработки в целом. Многочисленные методы обеспечения устойчивости горно-разведочных выработок можно объединить в три группы: 1) охрана, 2) крепление, 3) поддержание. Под охраной понимается совокупность заранее проектируемых мероприятий, направленных на предотвращение потери устойчивости выработки или снижение влияния горного давления. К числу способов и вариантов охраны относятся: - использование рациональной формы поперечного сечения выработок, - оставление вокруг них защитных толщ и целиков, - расположение выработки в зонах массива с высокой прочностью или с пониженными напряжениями, - снижение концентрации напряжений за счет применения особой технологии проведения и др. 81 Правильно выбранный способ охраны является эффективным способом снижения затрат на крепление и поддержание выработок. Крепление выработки – применение горной крепи с целью предотвращения обрушения или уменьшения смещения пород для нормальной эксплуатации выработки. Поддержание выработки – совокупность технических мероприятий, устраняющих нарушение ее устойчивости в период эксплуатации. Крепь горно-разведочных выработок. Горная крепь – это искусственное сооружение, возводимое в подземных выработках для предохранения обрушения окружающих пород и сохранения необходимых размеров поперечных сечений выработок. Совокупность работ по возведению горной крепи называется креплением. Горная крепь должна удовлетворять техническим требованиям: прочности, устойчивости, ограниченности деформаций в течение заданного срока службы, морозостойкости. Под прочностью понимается способность крепи удовлетворять условиям нормальной эксплуатации без появления разрушений, ограниченных существующими нормативами. Устойчивость – это способность крепи сохранять состояние равновесия, заданное по условиям нормальной эксплуатации. Ограниченность деформаций крепи предполагает ее перемещение в пределах требований нормальной эксплуатации. Крепь не должна мешать выполнению производственных процессов, должна занимать как можно меньше места, не оказывать большого сопротивления движению воздушной струи, быть безопасной в пожар- ном отношении и др. Первоначальная стоимость крепи и стоимость ее ремонта в период эксплуатации выработки должны быть наименьшими. Горные крепи различают по ряду признаков: - по положению выработок в пространстве – на крепь горизонтальных, наклонных, вертикальных выработок; - по виду выработок – на крепь капитальных, подготовительных и очистных выработок; - по сроку службы – временная и постоянная; - по материалу – деревянная, металлическая, бетонная, каменная, железобетонная, смешанная; - по форме – прямоугольная, трапециевидная, полигональная, сводчатая, подковообразная, кольцевая, эллиптическая; - по конструктивно-технологическому виду – сборная, монолитная, сборно-монолитная; - по типу конструкции – сплошная, интервальная, комбинированная; 82 - по типу жесткости – жесткая, податливая, малоподатливая и весьма податливая; - по структуре конструкции – однослойная, многослойная; - по размещению в выработке – потолочная, незамкнутая, замкнутая, торцовая; - по местоположению на трассе выработки – крепь протяженных участков, сопряжений, пересечений, выходов на поверхность (устьев стволов, штолен); - по способам возведения – обычная и специальная (забивная, погружная, опускная и т. д.); - по характеру работы – подпорная, создающая существенное сопротивление (подпор) смещающимся в выработку породам (жесткая или податливая): - упрочняющая, увеличивающая прочность и устойчивость окружающих выработку пород (например, анкерная); - ограждающая, предохраняющая выработку от случайного выпадения отдельных кусков породы; - изолирующая, предохраняющая породы от выветривания. Выбор рационального типа крепи в первую очередь определяется состоянием окружающих выработку пород и величиной действующих напряжений на ее контуре. Материалы для горной крепи. Древесина для крепления выработок (преимущественно сосна, ель, лиственница, кедр, пихта) применяется в виде круглого леса, пиломатериалов общего назначения и обаполов для затяжек. Круглый лес подразделяется на -бревна (диаметр более или равен 12 см, длина 2…9 м), - подтоварник (диаметр 8…11 см, длина 3…9 м), - жерди (диаметр 3…7 см), стойки (диаметр верхнего торца 7…34 см, длина 0,7…7 м). Пиломатериалы общего назначения – это пластины, брусья, доски. - Пластины (распилы) – две части бревна (стойки), полученные при распиливании его по продольной оси. - Брусья – бревна, опиленные с четырех сторон, прямоугольного или квадратного поперечного сечения. - Доски получают путем распиловки брусьев или бревен, бывают обрезные и необрезные. - Обаполы (горбыли) – крайние части бревна, распиленного на брусья или доски. Лес применяют для крепления горных выработок из-за его достоинств: стойкости к агрессивным водам, небольшой плотности (0,6…0,8 т/м3) и 83 сравнительно небольшой стоимости, однако он недолговечен из-за гниения, огнеопасен и характеризуется сравнительно небольшой прочностью. Рис. 47. Пиломатериалы. а – пластина; б – четвертина; в – двухканатный брус; г – четырехканатный брус; д – доска необрезная; е – доска обрезная; ж – горбыль; з – рейка. Физико-механические свойства древесины в значительной мере связаны с ее влажностью. Последняя обусловлена капиллярной влагой, размещенной в полостях клеток и межклеточном пространстве, и гигроскопической, находящейся в клетках древесины. Древесина имеет пороки (фауны). К первой группе относятся пороки, обусловленные условиями роста дерева. К ним относятся: - морозобоины – трещины, образующиеся от мороза или ударов соседнего падающего дерева; 84 - закомлеватость, т. е. разность в толщине толстого и тонкого конца (нормальный сбег 1…1,5 см на 1 м ствола); - эксцентричность – неодинаковая ширина одних и тех же годовых колец; - сучковатость, которая ослабляет работу дерева на изгиб; - косослой – винтообразное расположение волокон; - свилеватость – волнообразное расположение волокон. Рис. 48. Пороки древесины. а – морозобоина; б – метик согласный; в – метик несогласный; г – сердцевидные трещины; д – отплуны. 85 Рис. 49. Пороки древесины. е – косослой; ж – свилеватость; з – крень. Для крепления выработок применяется обычно металл в виде стальных прокатных профилей общестроительного назначения – двутавров, швеллеров, уголков или специального профильного проката типа СВП. Арматурная сталь гладкая и периодического профиля используется в сборных и монолитных железобетонных крепях, в анкерных крепях и при изготовлении металлической решетчатой затяжки. В металлической тюбинговой крепи, применяемой в тяжелых гидрогеологических и горнотехнических условиях, для изготовления тюбингов обычно используют серый чугун. Сталь как крепежный материал обладает многими важными свойствами – высокой прочностью, широкими конструктивными возможностями, достаточно высокой долговечностью, возможностью повторного использования и др. 86 Рис. 50. Виды проката, применяемые для изготовления крепи горных выработок. а – специальный взаимозаменяемый профиль; б – специальный парный профиль; в – балки двутавровые, швеллеры, сталь угловая равнобокая. Для получения искусственных каменных материалов используют различные вяжущие вещества – чаще всего цементы, иногда синтетические смолы. Вяжущими веществами называют тонкоизмельченные естественные или искусственные материалы, которые при смешивании их с водой образуют пластическую массу, постепенно превращаются в твердое тело. Вяжущие вещества разделяются на воздушные, затвердевающие только на воздухе, и гидравлические, затвердевающие как на воздухе, так и в воде. Для горной крепи применяют только гидравлические вяжущие вещества и чаще всего портландцемент (силикатный цемент). В горном деле наибольшее распространение получил портландцемент (силикатный цемент), выпускаемый четырех марок: 300, 400, 500 и 600. При наличии агрессивных вод вместо портландцемента применяют глиноземистый, пуццолановый, шлаковый и другие цементы. Рассмотренные виды цементов при твердении дают усадку, в результате чего в цементном камне появляются микротрещины. Имеются 87 цементы, не дающие усадки при твердении: безусадочный и расширяющийся. Раствор – это смесь вяжущего с мелким заполнителем, растворенная водой и перемешанная; бетон – искусственный каменный материал, содержащий вяжущее, мелкий и крупный заполнитель и воду. В качестве заполнителя применяют песок, гравий или щебень. Состав бетона обозначается 1 : А : Б, где 1 – одна по массе часть цемента, А – весовые части по массе песка, Б – часть по массе гравия или щебня. Бетоны в зависимости от типа заполнителя разделяются на плотные (тяжелые) и пористые (легкие). Для горной крепи применяют обычно плотные бетоны (2,2…2,3 т/м3). По расходу цемента различают бетоны жирные, средние и тощие. В первых на 1 м3 бетона расходуется больше 250 кг цемента, во вторых – от 200 до 250 кг, в третьих – меньше 200 кг. Для горной крепи применяют жирные и средние бетоны. Прочность бетона характеризуется его маркой. Для горной крепи применяют бетон марок 100, 200, 300, 400, 500 и 600 (цифры – предел прочности на сжатие кубика 15 × 15 × 15 см в возрасте 28 сут, твердеющего при температуре 15…20 °С и относительной влажности воздуха 90–100 %). Торкрет-бетон состоит из цемента (с расходом до 750 кг на 1 м3 смеси), песчано-гравийного заполнителя с крупностью зерен до 5 мм и воды. Торкрет-бетон наносят слоями толщиной 2…3 см на укрепляемую поверхность с помощью цемент-пушки под давлением сжатого воздуха 0,2…0,3 МПа. Прочность, плотность, водонепроницаемость, сцепление с породой и арматурой у торкрет-бетона выше, чем у обычного. Набрызг-бетон в отличие от торкрет-бетона содержит более крупный заполнитель (до 25 мм) и ускоряющие твердение добавки. Расход цемента в нем не превышает 400…450 кг на 1 м3 смеси. Приблизительный его состав 1 : А : Б = 1 : 2 : 2. В качестве ускоряющих твердение добавок применяют фтористый натрий (NaF), ОЭС – тонкомолотый алюминиевый спек в количестве 2–5 % массы цемента. Набрызг-бетон наносят на поверхность слоями по 5…7 см (суммарно до 20…30 см) с помощью пневматической набрызг-машины. Пластбетон, содержащий в качестве вяжущего синтетические смолы (фурфуролацетоновую, мочевино-формальдегидную, эпоксидную и др.) в комбинации с добавками (бензол-сульфокислота, полиэтиленнолиамин и др.), характеризуется высокой прочностью при сжатии, растяжении и изгибе (соответственно 40…70, 5…6 и 10…12 МПа), химической стойкостью против агрессивных вод и высокой водонепроницаемостью. 88 Железобетоном называют материал, в котором бетон и стальная арматура работают совместно. Благодаря этому железобетонные конструкции способны нести значительные сжимающие, изгибающие, а в некоторых случаях и растягивающие нагрузки. Крепь горизонтальных горно-разведочных выработок. В геологоразведочных организациях все еще значительную часть выработок крепят деревом. Основным видом крепи является неполная крепежная рама (а, в, г). В слабых пучащих породах применяют полную крепежную раму (б). Крепежные рамы обычно бывают трапециевидной, реже – прямоугольной формы. В устойчивых породах со стороны боков выработки применяют потолочную (бесстоечную) крепь в виде верхняков, укладываемых в лунки в боках выработки (д) или на деревянные костры (е). Элементы рам изготовляют из круглого леса диаметром 14…24 см. Крепежные рамы устанавливают вплотную одна к другой (сплошная крепь) или на расстоянии в осях 0,5…1,5 м (крепь вразбежку). В последнем случае, по правилам безопасности, кровля выработки должна быть затянута обаполом (горбылем) или досками, стенки – по необходимости. Рис. 51. Деревянная крепь. а, в, г - неполная крепежная рама; б - полная крепежная рама; д - потолочная (бесстоечная) крепь в е - потолочная (бесстоечная) крепь в виде верхняков, укладываемых в виде верхняков, укладываемая на лунки в боках выработки деревянные костры. (1 – клинья; 2 – верхняк; 3 – затяжка; 4 – забутовка; 5 – стойка; 6 – лунки для стойки; 7 – лежень). 89 Рис. 52. Виды крепления горных выработок. а – сплошное; б – вразбежку. 1 – верхняк; 2 – стойки; 3 – затяжка. Стойки с верхняками соединяют в лапу, встык, в шип, в паз. При вертикальном горном давлении соединяют в лапу с прямым – прямая лапа или скошенным (косая лапа) вырезом. При преобладающем боковом давлении применяют соединение в лапу несколько иной конструкции. Соединение в паз применяется при наличии давления горных пород со стороны кровли, соединение в зуб – при наличии давления со стороны кровли и боков. Однако соединения встык, в шип и в паз обладают сравнительно невысокой прочностью и применяются весьма редко. Стойки и лежни соединяют в лапу или зуб. Для придания податливости крепи нижние концы стоек заостряют по форме конуса или клина. Податливость крепи осуществляется благодаря смятию заостренной части стоек, а также внедрению стоек в породы почвы. При крепкой породе в почве для осуществления податливости устраивают лунки глубиной 0,2…0,5 м, которые на 2/3 заполняют мелкой породой. При установке жестких крепежных рам стойки не заостряются. Деревянную крепь целесообразно применять при сроке службы до 2–3 лет и умеренном горном давлении (до 50…70 МПа). 90 При значительных давлениях применяют усиленные деревянные рамы. Рис. 53. Соединения элементов крепи и узлы податливости деревянных рам. а, б – соединение в лапу при давлении сверху; в – при давлении сбоку; г – соединение в паз; д – соединение в шип при небольшом давлении; е – соединение встык; ж, з – соединение стойки с лежнем (в лапу и зуб). 91 Рис. 54. Заделка нижних концов стоек податливой крепи. 92 Рис. 55. Усиленные крепежные рамы. а, г – с ремонтиной; б – подкосная конструкция; в, д, е – ригельно-подкосная система. 1 – прогон; 2 – ремонтина; 3 – подкос; 4 – ригель; 5 – боковой прогон. Достоинство металлической крепи – прочность, долговечность, огнестойкость и возможность повторного использования. Крепь применяют в виде арок, колец, трапециевидных и бочкообразных рам, изготовляемых из стальных прокатных профилей типа СВП, двутавров обычного типа или широкополочных (в зарубежной практике), а в отдельных случаях из железнодорожных рельсов. Соединения элементов крепи между собой применяют жесткие, шарнирные, податливые или шарнирно-податливые. Арки, кольца и рамы устанавливают в выработке с шагом 0,5…1,2 м. Кровлю и стенки (бока) при небольшом сроке службы выработки затягивают тонким круглым лесом, распилами, досками или обаполами, а при длительном – железобетонными затяжками, металлической решеткой или сеткой, стекловолокнистым рулонным материалом или штучными стеклопластиковыми затяжками. Трапециевидные крепежные рамы относят к жесткой крепи и при- 93 меняют в выработках со сроком службы 3–10 лет при установившемся горном давлении. Элементы трапециевидных рам изготовляют из двутавровых балок обычного и широкополочного профиля, швеллерных ба- лок, из бывших в употреблении железнодорожных и рудничных рельсов, а также из труб. Нижние концы стоек неполных рам при крепких породах устанавливают в лунки глубиной 5…15 см и опирают на породу при помощи прямоугольной металлической плитки, приваренной к концу стойки. При значительных давлениях для придания податливости крепи стойки опирают на деревянный прогон. В мягких породах стойки опирают на лежень. Лежни могут быть железобетонные, металлические, деревянные. При большом боковом давлении применяют крепь бочкообразной формы. Элементы крепежных рам соединяют с помощью специальных башмаков, скоб, болтов, стяжек. Достоинство трапециевидной металлической крепи – простота изготовления и установки, недостатки – отсутствие податливости и меньшая несущая способность элементов крепи, чем в арочных конструкциях. При высоком давлении со стороны кровли возможно усиление верхняка одним или двумя продольными подхватами на стойках. Арочная крепь выполняется в виде жестких, шарнирных, податливых или шарнирно-податливых конструкций. Наиболее распространена арочная податливая трехзвенная крепь АП-3 из спецпрофиля типа СВП с по датливостью до 300 мм, состоящая из отдельных арок, устанавливаемых в выработках на расстоянии 0,5…1,25 м одна от другой, межрамных распорок и железобетонных, деревянных или металлических решетчатых затяжек. Арка крепи состоит из верхняка 1 и двух стоек 2, скрепляемых между собой скобами 4 с планками 5 и гайками 6. Арки соединены друг с другом с помощью трех межрамных распорок 3. Податливость крепи обусловливается скольжением элементов в узлах их сопряжения после того, как внешняя нагрузка превзойдет силы трения и достигнет по вертикали 300…350 мм, благодаря чему во многих случаях удается предотвратить разрушение крепи и поддержать выработки без перекрепления в течение длительного или всего срока службы. Арочная податливая крепь из пяти элементов АКП-5 обладает податливостью до 700 мм. Элементы крепи изготовляются из спецпрофиля СВП-17, 19, 22, 27 (цифры указывают массу 1 м спецпрофиля). Арки обычно состоят из верхнего сегмента и двух боковых элементов (стоек), соединенных внахлестку и стянутых двумя (четырьмя) хомутами. Кроме того, применяются арочные крепи несимметричной формы ПАК-2, изготовляемые из спецпрофиля СВП-17, СВП-19 с податливостью до 500 мм; крепи направленной податливости из СВП-22, СВП-27, рассчитанные на смещение пород висячего бока до 1300 мм. 94 Кольцевую крепь применяют в условиях всестороннего горного давления. Ее конструкция может быть жесткой, шарнирной, податливой и шарнирно-податливой. Рис. 56. Конструкции металлической рамной и арочной крепи. а, б – неполная крепежная рама; в – полная крепежная рама. 95 Рис.57. Конструкции металлической рамной и арочной крепи. г – крепь бочкообразной формы; д, е – способ обеспечения податливости крепи. Рис. 58. Арочная податливая крепь из спецпрофиля. 96 Каменную и бетонную крепи применяют в вырабоках с большим сроком службы при значительном давлении. В разведочной практике находит применение бетонная крепь при креплении устьев и отдельных участков выработок. Бетон и каменная кладка слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим нагрузкам, поэтому крепям из этих материалов придают сводчатую (при вертикальном и горном давлении), подковообразную (давление сверху и с боков), кольцевую и другие формы. Фундамент каменной и бетонной крепи заглубляют в почву выработки на 50…100 см. Разновидностью бетонной крепи является набрызгбетонная крепь, отличающаяся составом бетонной смеси и безопалубочным способом возведения. Ее наносят на открытые поверхности пород в выработке с помощью пневмонагнетательной машины (набрызгмашины), загружаемой сухой бетонной смесью (цемент марки не ниже 400), которая под давлением сжатого воздуха 0,15…0,20 МПа подается по резиновому шлангу к соплу, где смачивается водой, поступающей по другому шлангу. Толщина покрытия 3…7 см и может достигать 15…20 см. Анкерная крепь представляет собой систему закрепленных в шпурах штанг, расположенных в определенном порядке. Замок анкера прочно закрепляется в породах, окружающих выработку. Благодаря поддерживающим элементам (подхватам, опорным плиткам) породы кровли (стенок, почвы) как бы «сшиваются», из-за чего происходит упрочнение массива пород и повышение устойчивости его обнажений. Рис. 59. Схемы крепления выработок штангами. a – штанги с опорными плитками в кровле; б – штанги с металлическими подхватами в кровле и подошве. 97 Рис. 60. Схемы крепления выработок штангами. в – штанги с деревянными подхватами и затяжкой в кровле и с опорными плитками в боках; г – штанги с металлическим арочным подхватом и с затяжкой из сети. 98 Рис. 61. Конструкции штанг. а – металлическая клинощелевая цельная; б – металлическая клинощелевая со съемной головкой увеличенного диаметра; в – металлическая сборная с распорно-конусным замком; г – металлическая цельная с распорно-клиновым замком; д – металлическая сборная с взрывораспорным замком; 1 – стержень штанги; 2 – клин; 3 – усы; 4 – щель; 5 – опорная плитка; 6 – гайка; 7- контурный конец; 8 – конусная съемная головка; 9 – четырех-лепестковая гильза; 10 –клиновая головка; 11 – два рас-порных клиновидных сегмента; 12 – съемная головка с каналом для заряда ВВ. Рис. 62. Конструкции штанг. е – металлическая трубчатаяс взрывораспорным замком; ж – железобетонная с арматурой 13 периодического профиля; з – железобетонная перфоштанга; 99 и – железобетонная с гладкой арматурой волнистого очертания; к – деревянная клинощелевая с металлической обоймой 15 13 – ж/б арматура периоди-ческого профиля; 14 – перфо-рированная обойма 15-металли-ческая обойма. Анкер с клинощелевым замком (клинощелевой анкер) изготовляется из круглой стали диаметром 22…25 мм (а). В замковой части стержня по диаметру образуют щель шириной 2…3 мм и длиной 150…200 мм, в которую при установке штанги вводят клин длиной 120…180 мм и толщиной 25…35 мм. Щелевой конец анкера (усы 3) и клин 2 составляют замок. Анкер при установке вводят в скважину зам- ковой частью со вставленным в устье щели 4 клином. При ударах по выступающему из скважины концу штанга надвигается на клин, при этом усы внедряются в породу стенок скважины и закрепляются в ней. Диаметр скважины рекомендуется принимать не более чем на 12…15 мм больше диаметра штанги в замковой части. После закрепления анкера на ее контурный конец 7, выступающий в выработку, надевают опорную плитку 5 или подхват и шайбу, а затем завинчивают гайку 6. В породах средней крепости с f = 4…8 несущая способность замка при глубине внедрения усов в породу 3…5 мм достигает 100…120 кН. В слабых породах (f = 4) клинощелевые анкеры применять не следует вследствие низкой в этом случае несущей способности замка. В крепких породах (f ≥ 12) трудно обеспечить надлежащее расклинивание замка, поэтому клинощелевые анкеры в таких породах применяют редко. Их достоинства – достаточно высокая несущая способность в породах с f = 4…12, простота конструкции и установки, относительно небольшая стоимость. Анкеры с распорным замком (в, г) выполняют из круглой стали диаметром 16…22 мм с конусной 8 или клиновой головкой 10 и называют распорно-конусными и распорно-клиновыми. Замок в шпуре закрепляют с помощью гильзы 9 или клиновидных сегментов, которые распираются головкой анкера при ее натяжении. Головки выполняют съемными – на резьбе (сборный анкер) или из стержня (цельный анкер). Наружный диаметр гильзы или распорных сегментов при диаметре шпура 42…44 мм принимают равным 38…40 мм, а высоту – 80…140 мм, вследствие чего достигается значительно большая площадь контакта замка с породой, чем в клинощелевых анкерах. Они обладают большей несущей способностью. Большинство конструкций распорных замков допускает извлечение анкеров для повторного использования. Анкер с взрывораспорным замком (д, е) конструкции ЛГИ состоит из круглого стержня диаметром 20…25 мм и пустотелой цилиндрической головки диаметром 38…40 мм, соединенной со стержнем с помощью резьбы. Замок в скважине закрепляется в результате раздутия головки 100 при взрыве небольшого заряда (20…40 г) низкобризантного ВВ, помещенного в нее. Такие замки особенно хорошо закрепляются в мягких глинистых породах, в которых другие конструкции анкеров имеют низкую несущую способность. Хорошо закрепляются они и в крепких породах. При установке анкеров в слабых породах, в частности для борьбы с пучением, целесообразно применять взрывораспорные трубчатые анкеры, раздутие которых выполняется по всей длине. После раздутия внутрь трубы может быть введен цементно-песчаный раствор для повышения долговечности и надежности. Имеются и другие конструкции металлических анкеров. Главной особенностью металлических анкеров является их способность воспринимать расчетную нагрузку сразу же после установки. Железобетонный анкер представляет собой арматурный стержень, закрепленный в шпуре бетоном только в замковой части или по всей длине (ж–и). Первый вид анкера называют замковым, второй – сплошным. Конец арматуры обычно выступает в выработку и служит для закрепления на нем опорной плитки или подхвата. Диаметр шпура принимают равным 36…42 мм. В качестве стержней используют арматуру периодического профиля или гладкую диаметром 16…22 мм. Применяют арматуру и других видов. Достоинства железобетонных анкеров – прочный контакт с породой по всей длине анкера, хорошее сопротивление сдвижению, расслоению, выветриванию пород в стенках шпура, долговечность. Недостатки – невозможность восприятия нагрузки сразу после установки, сложность контроля качественного заполнения шпура бетоном, значительный объем подготовительных работ по изготовлению бетона. Сталеполимерный анкер, подобно железобетонному, может быть замковым или сплошным. Стальной арматурный стержень закрепляют в шпуре быстротвердеющим полимербетоном, состоящим из синтетической смолы, отвердителя, мелкого заполнителя (песок, гранулированный шлак), а при необходимости – катализатора твердения, пластификатора и других добавок. Твердение полимербетона должно наступать через 2…5 мин после перемешивания его компонентов. Для их подачи в скважину применяют стеклянные, полиэтиленовые или комбинированные ампулы длиной 0,3…0,5 м с двумя-тремя отделениями для раздельного размещения в них смолы и отвердителя, а иногда и катализатора. Заполнитель вводится в смолу, отвердитель или в оба компонента. Обычно применяют полимербетоны на основе эпоксидных и полиэфирных смол. Деревянный анкер (к) представляет собой круглый стержень диаметром 40…60 мм, на обоих концах которого устраивают замки клинощелевого типа. Щель на конце, вставляемом в шпур, длиной 400…450 мм, на противоположном – 200…250 мм. 101 Стержни изготовляют из высококачественной сосны, лиственницы, дуба и т. п. Клинья выполняют из прочных, твердых пород леса – дуба, березы, прессованной древесины. Достоинства у них такие же, как у металлических анкеров. Недостатки – небольшая прочность, подверженность гниению. Смешанной называют крепь, основные несущие элементы которой выполнены из двух или более видов материала. Металлические верхняки или трехшарнирные арки применяют в сочетании с деревянными стойками при значительном вертикальном давлении, но небольшом сроке службы. Сравнительно широко используют смешанную крепь из трубчатых или прямоугольных пустотелых стоек с металлическим верхняком из двутавровых балок № 16–20 или из спецпрофиля. Комбинированной называют крепь, в которой сочетается анкерная крепь с набрызгбетонной или разными видами подпорных крепей: деревянной, металлической, бетонной и др. Анкерную крепь в зависимости от условий и технологии проведения выработок возводят раньше или после подпорной. Упрочнение массива пород анкерами позволяет уменьшить давление на подпорную крепь и снизить стоимость крепления в 1,5–2 раза. Временная предохранительная крепь применяется в случаях, когда по условиям проведения выработок пространство между забоем и по- стоянной крепью во время выполнения производственных процессов у забоя должно быть закреплено (слабые, неустойчивые породы, сильно- трещиноватые породы и пр.). Временную крепь по характеру работы разделяют на поддерживающую, ограждающую, упрочняющую. Поддерживающая временная крепь применяется в виде одиночных деревянных или металлических стоек, облегченных инвентарных рам, металлических арок из спецпрофиля, опирающихся на закладные металлические штыри (рис. 66, а). Ограждающая временная крепь выполняется в виде выдвижных предохранительных перекрытий (рис. 66, б), подвесных деревянных или металлических верхняков с настилом (рис. 65, в) и в других вариантах. Упрочняющая временная крепь – анкерная, набрызгбетонная крепь или их сочетание. Целесообразна в тех случаях, когда она входит затем в состав постоянной крепи. 102 Рис. 63. Временная крепь горизонтальных выработок. 1 – выдвижная балка; 2 – деревянный настил; 3 – подвеска; 4 – верхняк; 5 – закладные .штыри. Технология проходки горно-разведочных выработок. Выбор формы и определение размеров поперечного сечения выработок. Общие сведения. Горно-разведочные выработки проводятся для разведки практически всех месторождений полезных ископаемых. 103 Площади распространения полезных ископаемых разделяются на провинции, области (пояса, бассейны), районы (узлы), поля, месторождения, тела. Минеральные агрегаты, представляющие собой полезное ископаемое, залегают в земной коре в виде геологических тел различной формы. Форма, размеры и пространственная ориентировка тел полезных ископаемых среди вмещающих пород определяют их морфологию. Изучение морфологии и условий залегания тел полезных ископаемых имеет большое практическое значение, особенно для разработки рациональных проектов разведки и эксплуатации месторождений. Для месторождений твердых полезных ископаемых выделяют три основных морфологических типа тел: - изометричные (штоки, гнезда, штокверки, а, б, в), - пластообразные плоские (г, д, е), - трубообразные (столбообразные, ж). Форма жильных тел весьма разнообразна. Рис. 64. Формы тел полезных ископаемых. а – шток (план); б – штокверк; в – гнезда; г – сложный пласт; д – простая жила; е – сложная жила. 104 Рис. 65. Формы тел полезных ископаемых (ж – трубообразное тело). 1 – план; 2 – разрез; 3 – четковидная форма жильного тела; 4 – камерная; 5 – седловидная; 6 – лестничная. Рудные тела могут выходить на дневную поверхность или залегать на какой-то глубине («слепые» или скрытые рудные тела). Залежь может иметь непрерывное залегание или прерывистое. Специфическая особенность разведки рудных месторождений полезных ископаемых (особенно жильных) – большое количество выработок, находящихся одновременно в проходке. Проходка горизонтальных подземных выработок от нескольких до сотен метров. Проходка выработки по многозабойной схеме при правильной организации работ дает результаты лучше, чем при однозабойной схеме. Появляется реальная возможность совмещения основных и вспомогательных процессов. Это особенно относится к тем процессам, выполнение которых требует остановки всех работ в забое (заряжание, взрывание, проветривание, наращивание коммуникаций). 105 В отечественной практике горно-разведочных работ глубина стволов шахт в отдельных случаях превышает 400…500 м. Средняя глубина стволов в горнодобывающих отраслях промышленности составляла: до 1980 г. – 590 м; до 1985 г. – 620 м; до 1990 г. – 670 м. Около 70 % стволов имеют глубину более 500 м, 16 % стволов – 1000…1200 м. В Криворожском бассейне стволы имеют глубину до 800 м, на Текелийском руднике – до 950 м, на Норильском ГОКе, на руднике «Октябрьский» построено 10 стволов глубиной до 1200 м. Рис. 66. Залегание рудных тел типов. а - поверхностного; б – глубинного; в – высотного; г – глубинно – высотного. 106 Параметры выработок. Под параметрами горно-разведочных выработок понимаются форма, линейные размеры, площадь поперечного сечения выработок, число откаточных путей в них и их вентиляционные характеристики. Форма поперечного сечения выработки отражает конфигурацию ее элементов, угол наклона стенок (боков). Параметры поперечного сечения выработки – это размеры поперечного сечения горной выработки, определяемые горнотехническими условиями и правилами безопасности ведения горнопроходческих работ. Одним из основных параметров горно-разведочных выработок является площадь поперечного сечения. Выделяют площадь поперечного сечения в свету, вчерне, в проходке. Площадь поперечного сечения горно-разведочной выработки в свету – это площадь поперечного сечения, ограниченная внутренним контуром крепи (для вертикальных выработок) и поверхностью балластного слоя рельсового пути. Площадь поперечного сечения горно-разведочной выработки вчерне – площадь, ограниченная проектным контуром выработки. Площадь поперечного сечения горно-разведочной выработки в проходке – это площадь, ограниченная ее контуром в забое. Продольный уклон выработки – это уклон выработки в сторону транспортирования горной массы, поперечный уклон – это уклон почвы в сторону водоотводной канавки. 107 Рис. 67. Формы поперечного сечения выработок. а – прямоугольная; б, в – трапециевидная; г – полигональная; д – бочкообразная; е, ж – трехцентровой пониженный и полуциркульный свод с вертикальными стенками; з – циркульный пониженный свод с наклонными стенками; и – полуциркульный свод; к, л, м – подковообразные; н – круговая; о, п – эллиптическая. 108 Рис. 68. Типовое сечение выработок трапециевидной формы поперечного сечения. 109 Рис.69. Ствол разведочной шахты с поперечным сечением прямоугольной формы. 1, 6 – вентиляционная и водоотливные трубы; 2 – клеть; 3 – электрические кабели; 4, 5 – трубы для водоснабжения сжатого воздуха Способы проведения горно-разведочных выработок. Способы проведения горно-разведочных выработок зависят от физикомеханических свойств горных пород, их обводненности и устойчивости кровли и боков (стенок). В зависимости от устойчивости обнажений горных пород в выработке различают: - проведение выработок в устойчивых породах обычным способом - и в неустойчивых породах (сыпучих, плывунах, сильнообводненных), т. е. в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях, специальными способами. Обычным способом проводят выработки в однородной крепкой или мерзлой породе, в однородной мягкой породе и в неоднородных породах. 110 Из специальных способов можно выделить следующие. 1. Проведение выработок с применением забивной крепи (прямой или косой). Работы выполняют в следующем порядке. В устойчивых сухих породах выработку проходят обычным способом. Проведение выработки приостанавливают за 0,5…0,7 м до водонасыщенного пласта. Укладывают деревянные направляющие венцы (в стволах круглой формы укладывают направляющие кольца, изготовленные из швеллерных профилей № 18–20). Направляющие венцы центрируют по отвесу и проверяют по уровню. В промежуток между направляющими венцами забивают шпунтыдоски с заостренными внизу концами. Иногда заостренные концы снабжают металлическими башмаками. При применении косой забивной крепи деревянные шпунты устанавливают не вертикально, а под углом 70–75° к горизонту. Поэтому площадь сечения ствола (шурфа) с глубиной не уменьшается. Порядок производства работ при этом способе, а также требования в отношении материалов для изготовления шпунтов такие же, как и при применении вертикальной забивной крепи, только размеры промежуточных венцов принимают больше из-за наклона шпуров. Длина шпуров косой забивной крепи составляет 1,2…1,6 м; толщина – 50…75 мм; ширина – 150…308 мм. Недостаток косой забивной крепи – это образование зазора в углах ствола шахты (шурфа), так как при углублении шпунты расходятся. 2. Проведение выработок с применением опускной крепи. Опускная крепь применяется в водонасыщенных грунтах мощностью не более 10 м и давлением подземных вод до 0,1 МПа. В проходимых грунтах не должно быть валунов с размерами в поперечнике более 10 см. Под водонасыщенными грунтами должен залегать пласт водонепроницаемой горной породы мощностью не менее 3 м. Глубина залегания неустойчивых пород не должна превышать 30 м от поверхности земли. Опускная крепь может быть круглой, эллиптической или прямоугольной формы. Она состоит из режущего башмака и стенок опускного цилиндра. Режущий башмак служит для облегчения погружения опускной крепи в грунт, изготовляется из чугуна или железобетона. На нем возводят стенки опускной крепи, которые могут быть бетонными, железобетонными, чугунными и стальными. Бетонную опускную крепь применяют при мощности водонасыщенного пласта не более 20 м, при большей мощности применяют железобетонную или металлическую опускную крепь. 3. Проведение выработок с предварительным тампонированием трещин в горных породах. Тампонированием называют процесс искусственного заполнения полостей и трещин в горных породах водным раствором цемента, глины 111 или расплавленным битумом для преграждения доступа воды или газа в выработку; защиты бетонной крепи от действия агрессивных вод; сохранения источников водоснабжения от иссякания в результате фильтрации воды в выработке и пр. Тампонажный раствор в трещины горной породы нагнетают через скважины, расположенные вокруг выработки. После затвердения раствора образуется водонепроницаемый массив зацементированной горной породы. 4. Проведение выработок с предварительным водопонижением. Способ водопонижения заключается в искусственном понижении статического уровня подземных вод в районе расположения ствола с помощью систем взаимодействующих водопонижающих скважин. Уровень подземных вод можно понизить тремя способами: 1) откачкой воды из системы скважин; 2) спуском воды через скважины в подземные выработки; 3) спуском воды в нижележащие водопоглощающие породы через шурфы или скважины. Скважины бурятся вокруг ствола, число их принимают равным 3…5. Скважины оборудуют фильтрами. Их диаметр 200…250 мм. В угольной и горнорудной промышленности проведение выработок в сложных условиях осуществляют также с предварительным замораживанием пород, бурением стволов и пр. А – прямой; Б – косой забивной Рис. 70. Проведение вертикальных выработок с использованием. 112 1–3 – посады шпунтов; 4 – венцы деревянной крепи; 5 – деревянный шпунт; 6 – водосборный венец крепи; 7 – водоспускная труба; 8 – доски; 9 – бутовый камень или галечник. Рис. 71. Проведение вертикальных выработок с использованием. а–г – последовательные стадии опускания крепи; д – схема устройства тиксотропной рубашки; с- опускной кркпи; 10 – режущий башмак; 11 – стены опускной крепи; 12 – крепь устья ствола; 113 13 – замок; 14 – тиксотропный раствор; 15 – форшахта. Проведение открытых горно-разведочных выработок. Общие положения. К открытым геологоразведочным выработкам относятся канавы, траншеи, копуши и др. Канавы сооружают для обнажения из-под рыхлых отложений не только коренных пород или полезных ископаемых, но и при подготовке запасов по категориям С2, С1, В и А. Категория С2 – запасы, предварительно оцененные. Условия залегания, форма и распространение тел полезного ископаемого определены на основании геологических и геофизических данных, подтвержденных вскрытием полезного ископаемого в отдельных точках или по аналогии с изученными участками. Качество полезного ископаемого определено по единичным пробам и образцам или по данным примыкающих разведанных участков. Категория C1 – запасы, разведанные и изученные с детальностью, обеспечивающей выяснение в общих чертах условий залегания, формы и строения тел полезного ископаемого, его природных типов, промышленных сортов, качества, технологических свойств, а также природных факторов, определяющих условия ведения горно-эксплуатационных работ. Категория В – запасы, разведанные и изученные с детальностью, обеспечивающей выяснение основных особенностей условий залегания, формы и характера строения тел полезного ископаемого, выявление природных типов и промышленных сортов минерального сырья и закономерности их распределения без точного отображения пространственного положения каждого типа, выяснение соотношения и характера безрудных и некондиционных участков внутри тел полезного ископаемого без точного их оконтуривания, выяснение качества полезного ископаемого и основных факторов, определяющих условия ведения горно - эксплуатационных работ. Категория А – запасы, разведанные и изученные с детальностью, обеспечивающей полное выяснение условий залегания, формы и строения тел полезного ископаемого, полное выявление природных типов и промышленных сортов минерального сырья, выделение и оконтуривание безрудных и некондиционных участков внутри тел полезного ископаемого, полное выяснение качества полезного ископаемого и природных факторов, определяющих условия ведения горно-эксплуатационных работ. Особенно велико значение канав на начальной стадии разведки. Они позволяют определять направление и объем дальнейших работ, дают 114 первичное представление о форме рудного тела и качестве полезного ископаемого. Наибольший объем канав сооружают при поисково-съемочных работах (75 % объема), когда производится вскрытие коренных пород; при разведочных работах осуществляется вскрытие верхних частей рудных тел и выполняется около 25 % объема канавных работ (15 % при предварительной разведке и 10 % при детальной). Канава – это горная выработка, искусственно созданная в земной коре и связанная с земной поверхностью, которая имеет незамкнутый контур, значительную протяженность при ограниченной площади поперечного сечения. Траншея отличается от канавы соизмеримостью поперечного сечения и протяженностью. Направление оси канавы определяется целевым назначением. При вскрытии коренных пород канава задается вкрест простирания, при вскрытии рудных тел (при ширине выхода рудного тела не свыше 2 м) – по простиранию, в противном случае – вкрест простирания до пересечения обоих контактов. По выполняемым задачам и протяженности по полотну канавы делят на две группы: - магистральные - и прослеживающие (пунктирные). Протяженность магистральных канав от 50 м и до нескольких километров, прослеживающих – определяется протяженностью или мощностью рудного тела. Форма выработок. Форма поперечных сечений канав и траншей зависит от крепости, устойчивости пород, рельефа местности и глубины. В породах связных и устойчивых выработке придается прямоугольная форма с вертикальными стенками. В малоустойчивых породах канавы и траншеи проводятся трапециевидной формы с наклоном к почве выработки. Величина откоса стенки канавы, сооружаемой в неустойчивых породах, характеризуется отношением горизонтальной проекции стенки к ее высоте. Значение величины откоса стенки k можно принимать (при сооружении канав без крепления) в следующих пределах: Таблица 11. Величина откоса при сооружении канав. ПОРОДЫ k СЫПУЧИЕ 1-0,5 СУГЛИНКИ 0,2 ПЛОТНЫЕ ГЛИНЫ 0.1 115 При глубине канав свыше 2 м (в мерзлых более 3 м) для большей устойчивости выработки стенкам придается ступенчатая форма. Бермы обычно стремятся располагать на границе наносов с коренными породами. В зависимости от устойчивости пород и глубины канавы ее ширина по поверхности обычно принимается равной 0,9…1,2 м, реже – 1,5 м. Рис. 72. Формы поперечного сечения разведочных канав. а – прямоугольная; б – трапециевидная; в – ступенчатая; г – усеченного профиля; Н – глубина канавы; a, b – ширина канавы соответственно в верхней и нижней частях; с – ширина бермы; h – высота уступа; β – угол откоса уступа. 116 Рис. 73. . Формы поперечного сечения разведочных канав. д, е – однобортная (врез). Глубина канав изменяется от 0,5 до 5, 0 а иногда до 7 м. Около 90 % всего объема составляют выработки глубиной до 3 м. Основной объем выполняется в интервале глубин 0,6…1,8 м. В последние годы наметилась тенденция некоторого увеличения средней глубины канав, но до сих пор канавы глубиной 5 м и выше составляют около 6 % объема канавных работ. В зависимости от рельефа местности канавы могут быть полного профиля (двухбортные при горизонтальном и слабонаклонном рельефе местности), усеченного профиля и даже однобортные (врезы при наклонном рельефе). Ширина канав по полотну 0,5…0,6 м. Простейшая крепь (а) представляет собой ряды распорок (диаметром от 10 до 15 см), устанавливаемых на разной высоте между бортами канавы. Такую крепь применяют в сравнительно крепких и устойчивых породах при необходимости сохранения канавы на более или менее длительное время. В менее устойчивых породах дополнительными элементами крепи являются опорные стойки (пластины или бруски), между которыми устанавливают распорки (б). При проведении канавы в неустойчивых породах между бортами выработки и стойками сооружают так называемую затяжку из досок или горбылей (в). Крепь устанавливают обычно на участке канавы, пройденном на всю глубину; после проходки очередного участка последний также закрепляют. В канавах ступенчатой формы поперечного сечения возводят более сложные конструкции крепи, состоящие из связанных между собой четырехугольных бревенчатых рам. 117 При проведении канав на склоне с углом откоса более 30° крепь борта выработки, расположенного к вершине склона, выводится над уровнем канавы не менее чем на 0,5 м. После опробования и составления геологической документации канаву ликвидируют, засыпают породой из отвалов, а нарушенную поверхность перекрывают снятыми перед началом проходческих работ породами почвенно - растительного слоя. Для сооружения разведочных канав в труднодоступных районах применяются малогабаритные переносные скреперные установки МСУ01. На трудоемкость и стоимость сооружения канав оказывают влияние физико-механические свойства пород, природные и климатические факторы. Свыше 80 % канав сооружается в породах категорий I–V. Углубка в коренные породы составляет 0,2…0,3 м (6–17 %) объема канав. Значительный объем работ по сооружению канав (35 %) выполняется в мерзлых породах северных и горных районов страны. В залесенной местности сооружается около 76 % канав. В породах категории V рыхление производят с помощью ВВ (комбинированный способ). Рис.74. Конструкции крепи разведочных канав. а - простейшая крепь; б - дополнительные элементы крепи - опорные стойки (пластины или бруски), между которыми устанавливают распорки; в - затяжка из досок или горбылей с распорками. 118 Рис.75. Скреперная установка. 1 – привод; 2 – скрепер; 3 – концевая опора с растяжками; 4 – отклоняющий блок; 5 – растяжки; 6 – канат. Рис. 76. Схема выброса породы на поверхность. 119 При глубине канавы до 2 м порода выбрасывается из забоя непосредственно на поверхность, а при глубине более 2 м породу выбрасывают с перекидкой. Крепь канавы в местах установки полков усиливают, а сами полки ограждают бортами из досок высотой не менее 0,15 м. Выработке придают ступенчатую форму и оставляют берму шириной не менее 0,5 м. Выемка породы ведется слоями на глубину лопаты на всю длину канавы или ее участка. Расстояние между рабочими 3…6 м. При сооружении глубоких канав порода на поверхность выдаётся в бадьях ручным воротом или другими механизмами. При сооружении канав в неустойчивых породах применяеться сплошное крепление бортов. В местах прохода через канавы устраиваються мостки с перилами (ширина мостков 0,8 м, высота перил 1,2 м). Спуск людей в канавы глубиной более 1,5 м разрешается только по лестницам или трапам с перилами или по специально оборудованному пологому спуску. Рис. 77. Подъём породы на поверхность ручным воротом. 120 Рис. 78. Сооружение канав длиной более 50 м при одностороннем расположении отвалов. а – очередность формирования отвала; 1–26 – нумерация отвалов. Рис. 79. Сооружение канав длиной более 50 м при двхстороннем расположении отвалов. б – очередность формирования отвала; 1–26 – нумерация отвалов. 121 Рис. 80. Классификация техники и оборудования для проведения открытых горно-разведочных выработок на россыпях. Сооружение каналов с использованием бульдозеров широко используется в геологоразведочных экспедициях. Основной недостаток сооружения канав бульдозером заключается в том, что их фактические размеры превышают проектные в два раза и более. Для сооружения разведочных канав применяют серийно выпускаемые одноковшовые и траншейные экскаваторы. Экскаваторы классифицируются по признакам: - циклического и непрерывного действия; - по конструкции рабочего органа – ковшовые, скребковые, фрезерные; - по конструкции ходового оборудования – гусеничные, пневмоколесные, железнодорожные, шагающие, плавучие; - по силовому оборудованию: дизельные, электрические, комбинированные (дизель-гидравлические, дизель-электрические); - по назначению: строительные малой мощности (вместимость ковша 0,06…1,75 м3); средней мощности – 2,3 м3; большой мощности – 3,25…6 м3 и карьерные малой мощности с ковшом вместимостью 2,0…3,2 м3; средней мощности – 4…8 м3; большой мощности – 12,5…20,0 м3 и сверхмощные – 20 м3 и более; - по напорному механизму: с реечным и канатным напорным механизмом. 122 Рис.81. Классификация экскаваторов непрерывного действия. Рис. 82. Плужный канавокопатель. 123 1 – копающий орган; 2, 8 – ходовая и тяговая рамы; 3 – блок полиспаста; 4, 6 – тросы выглубления и тяговый; 5 – флюгерная колонка; 7 – средний нож. Рис.83. Буровой агрегат НКР-100МА. 1 – воздухораспределительный механизм; 2 – буровая штанга; 3 – шпиндель; 4 – колонка; 5 – пневмоударник; 6 – породоразрушающий инструмент. 124 Рис. 84. Шпуровой (скважинный) заряд. W – глубина заложения заряда; Н – глубина шпура (скважины). Рис. 85. Котловой заряд. W – глубина заложения заряда; Н – глубина шпура (скважины); Нп.п – глубина шпура после простреливания; Нк – высота котла. 125 Рис. 86. Последовательность операций при котловом взрывании. I – размещение прострелочного заряда; II – готовая котловая скважина; III – комбинированный заряд: удлиненный заряд в верхней части скважины, котловой – в нижней части. Рис. 87. Схема проходки канав с применением шпуровых (малокамерных) зарядов. 1 – грунт; 2 – проектный контур канавы; 3 – вспомогательная зарядная канавка; 4 – заряд ВВ. 126 Рис. 88. Схема расположения шпуров при сооружении глубоких канав. Техника безопасности при взрывах на открытых работах. 1. Население, служебный персонал должны быть оповещены о проведении взрывных работ, необходимо расшифровать сигналы и согласовать их с местным руководством. 2. Взрывная станция должна быть за пределами опасной зоны. С момента подводки проводов от зарядов она должна охраняться, вход разрешен только взрывнику. 3. Взрывные работы вблизи объектов, имеющих важное значение, должны производиться по согласованию с заинтересованными лицами. 4. При взрывах над рудником, штольней, если есть опасность поражения людей, поступления газов в выработку, людей необходимо вывести. 5. Если в опасную зону попадают железнодорожные пути, то закрытие перегона производится по согласованию с диспетчером участка или с начальником шахты, если водные пути – с начальником ближайшей пристани и т. д. 6. Если в опасную зону попадают жилые помещения, технические сооружения (фабрика, заводы) и если нельзя обеспечить предохранение их от опасного действия взрывной волны и разлета кусков породы, то разрушаемая площадь накрывается мешками с песком, веревочными матами, металлическими сетками и т. д. 7. Запрещается пробивать патроны-боевики, застрявшие в скважинах. 127 Проходка шурфов. Основной объем шурфопроходческих работ выполняется при предварительной и детальной разведке месторождений золота, меди, олова, алмазов, исландского шпата, оптического флюорита, титана, графита, самородных металлов, марганца, песков, гравия и других полезных ископаемых. Разведочные шурфы чаще всего проходят в теплое время года и по своему характеру являются временными выработками. Продолжительность их существования определяется обычно временем их проходки, которое длится от нескольких дней до двух-трех месяцев. С увеличением глубины увеличивается и площадь сечения шурфа. Площадь сечения шурфа и его глубина Нпр связаны зависимостью Sпр = (0,2…0,25)Нпр. Шурфопроходческие работы, выполняемые с применением ручного подъема породы, составляют около 98 % общего объема пройденных шурфов. Таблица 12. Объёмы работ при сооружении шурфов. Вручную без применения ВВ С ручным бурением шпуров С механизированным бурением шпуров С использованием комплексной механизации 45,2 38,9 13,6 2,3 Рис. 89. Типовые сечения разведочных шурфов прямоугольной формы сечения. 128 Проходка шурфов в мягких породах. Проходка шурфов вручную осуществляется в породах категории I–V, глубина не превышает 5…10 м. Проходческая рама монтируется обычно после проходки шурфа на глубину до 0,5…1,0 м. Проходка шурфов до глубины 2,0…2,5 м производится с выбросом породы из забоя на поверхность, при большей глубине выдача породы осуществляется в бадьях. В качестве подъемных средств используются воротки (а, б) (с небольшим объемом работ), краны, смонтированные на шасси автомобиля. В настоящее время для механизации спуско-подъемных операций при проходке геологоразведочных шурфов площадью сечения до 4 м2 и глубиной до 30 м применяется шурфопроходческий модернизированный кран КШ-1М (в). Для механизации тяжелого ручного труда при проходке шурфов в мягких породах ЦНИГРИ разработаны механизированный шурфопроходческий подъемник ПМШ-2М, шурфопроходческий кран КШ2М и др. Рис. 90. Проходческая (нулевая) рама. 129 Рис. 91. Подъем породы из шурфа с использованием деревянного ворота. Рис. 92. Подъем породы из шурфа с использованием металлического воротка. 130 Рис. 93. Подъем породы из шурфа с использованием шурфопроходческого крана. 131 Рис. 94. План поверхности рабочей площадки. 1 – навальная штага; 2 – «навал»; 3 – шурф; 4 – проходческая рама; 5 – «проходки»; 6 – дорожка. 132 Рис. 95. Крепление шурфов досками с распорками. 1 – доски; 2 – распорки. Рис. 96. Крепление шурфов сплошной венцовой крепью. 4 – венец; 6 – опорный венец. 133 Рис. 97. Крепление шурфов крепью на стойках. 3 – нулевая (проходческая) рама; 4 – венец; 5 – стойки (бабки); 6 – опорный венец. Рис. 98. Подвесная крепь. 5 – стойки (бабки); 7 – крючья. 134 Рис. 99. Каркасно-опускная. 135 Рис. 100. Способы заводки опорного венца в вертикальной и горизонтальной плоскостях. 6 – опорный венец. Рис. 101. Соединение венцов (прямая, косая односторонняя и двухсторонняя лапа). 136 Рис. 102. Крепление устья шурфа. 3 – нулевая (проходческая) рама; 8 – ляды. Проходка шурфов в крепких породах. Для шурфов, проходимых в крепких породах, в основном характерны большие глубины и площади поперечного сечения. При глубине шурфов свыше 20 м обязательно устройство лестничного отделения (до 20 м разрешается применять подвесные лестницы). Лестницы устанавливаются с уклоном не более 80° и выходят над лазом не менее чем на 1 м. Лазы устраиваются в шахматном порядке у одной из стенок шурфа. Ширина лазов не менее 0,6 м, длина – 0,7 м. Наименьшее расстояние от основания лестницы до крепи 0,5 м. Ширина лестниц не менее 0,4 м, расстояние между ступеньками 0,3 м. Расстояние между лестничными полками должно быть не более 6 м. Отставание лестничного отделения от забоя должно быть не более чем на 3 м, а при взрывном способе проходки – не более чем на 10 м. От нижнего полка лестничного отделения до забоя должна быть подвесная лестница. Для предохранения людей от возможного падения сверху различных предметов, кусков породы вблизи забоя устраивается предохранительный полок. 137 Устья разведочных шурфов площадью сечения свыше 2 м2, глуби- ной более 10 м при механизированном способе подъема породы должны быть закреплены и оборудованы лядами. Крепь должна быть выведена выше поверхности не менее чем на 0,3 м. При проходке шурфов в крепких породах эффективная отбойка их может осуществляться только с помощью ВВ. При этом продолжительность цикла увеличивается на время заряжания шпуров, взрывания и проветривания. Отбойка и рыхление с применением ВВ производятся в породах выше категории IV и в мерзлых. Бурение шпуров в мерзлых, плотных вязких глинах с обломками пород, в выветрелых глинистых туфах, по вязкому туфогенному материалу, в выветрелых известковых сланцах производится вручную стальными бурами и кувалдой. Могут применяться мотоперфораторы, мотобуры, пневмоломы и пр. В породах категорий V–XII бурение шпуров может производиться электро - или пневмосверлами; при крепости пород выше XII перфоратами. Погрузка породы производится в основном вручную. Возможна погрузка породы грейферными погрузчиками, но с выдачей породы непосредственно на поверхность. В зависимости от физико-механических свойств пород крепление шурфов может производиться всплошную, венцовой крепью, на стойках, с затяжкой боков. Может применяться подвесная крепь. Участок от забоя до постоянной крепи может быть закреплен временной крепью. Подъем породы производится в бадьях подъемными механизмами. Бадьи должны недогружаться породой до верхней кромки не менее чем на 10 см. Проветривание шурфов глубиной до 5 м допускается за счет турбулентной диффузии, а свыше 5 м – принудительным способом. Механизированная проходка шурфов. Механизированная проходка шурфов осуществляется грейферами, копателями шахтных колодцев, бурильно-крановыми машинами и буровыми установками. Все существующие конструкции шурфобуров сгруппированы в шесть классов: I – дисковые ДВ; II – шнековые ШБ; III – ковшовые КвБ; IV– грейферные ГБ; V– колонковые КлБ; VI– аккумулирующие АБ. 138 Дисковые шурфобуры представляют собой стальные диски диаметром, равным диаметру шурфа, с двумя радиальными прорезями, под которыми устанавливаются наклонные режущие ножи. В центре бура имеется опережающее долото в форме стальной треугольной пластины. Дисковые шурфобуры целесообразно применять при проведении мелких и средней глубины шурфов в рыхлых, малообводненных породах. Шнековые шурфобуры представляют собой шнеки, имеющие в нижней части опережающее долото и режущие ножи. Шнеки могут быть однозаходные и двузаходные. Первые – для бурения шурфов в мягких и плотных породах, вторые – в рыхлых, сыпучих. Ковшовые шурфобуры представляют собой полые цилиндры, снабженные в днище ножами и окнами. Наиболее рациональная область применения ковшовых шурфобуров – сыпучие и обводненные породы. При необходимости крепления шурфов одновременно с углубкой ковшовые буры снабжаются расширителями. Грейферные шурфобуры являются двух-трехчелюстными грейферами, внедряются в породу под действием осевой нагрузки или одновременно с вращением. Область применения грейферных шурфобуров – породы, содержащие гальку, гравий и валуны. Колонковые шурфобуры представляют собой полые цилиндры с двойными стенками. На кольцевом основании цилиндра располагается породоразрушающий инструмент в виде ножей, шарошек, пневмоударников или комбинированный – в виде шарошек с пневмоударниками, шарошек с реактивными горелками. В зависимости от породоразрушающего инструмента определяется область применения колонковых шурфобуров: - некрепкие породы (ножи), - средней крепости (шарошки), - крепкие породы (пневмоударники и комбинированный инструмент). Аккумулирующие шурфобуры позволяют накапливать разрушающуюся в процессе бурения породу в аккумуляторе, расположенном в корпусе бура. Накопление породы в аккумуляторе может производиться циклично или непрерывно. Область применения аккумуляторных буров – неустойчивые породы, в том числе при сильных водопритоках и при проведении шурфов большой глубины. Буровой инструмент – сварной цилиндр диаметром 750 мм, в дни- ще которого укреплены два режущих лезвия. Центральная часть шурфа разрушается пикобуром. Над корпусом бура имеются два ножа расширителя, разбуривающие шурф до диаметра 1300 мм. Соединения бура с нижней штангой обеспечиваются наличием выступов. Бурение шурфа производится следующим образом: при вращении бура режущие лезвия и пикобур разрыхляют грунт, который проходит через окно в дне бура внутрь. Одновременно ножи расширители срезают грунт по верхнему контуру стенок и сбрасывают в бур. После наполнения бура 139 грунтом штанге дается обратный ход на пол-оборота. При подъеме бура ножи расширители складываются, и бур свободно проходит внутрь закрепленного участка шурфа. При выходе из шурфа открывается крышка бура и последний освобождается от грунта. За один цикл бур углубляется на 160…170 мм. Рис. 103. Проходка шурфа с грейферной установкой. 1 – рама над устьем шурфа; 2 – лебедка на каретке; 3 – грейфер; 4 – откидной лоток. 140 Рис. 104. Копатель шахтных колодцев КШК-30А. 1 – бур; 2 – буровые трубы; 3 – опорная рама; 4 – коробка передач к лебедке; 5 – двигатель с коробкой передач ГАЗ-51; 6 – подъемная лебедка; 7 – верхний редуктор с механизмом вертикальной подачи; 8 – ручная лебедка для опускания обсадных труб. 141 Проведение шахтных стволов. Общие положения. Объем проведения шахтных стволов в геологоразведочной практике составляет около 5 % объема подземных выработок. Однако это наиболее ответственная и дорогостоящая часть горных работ при разведке и добыче полезных ископаемых. Через стволы шахт осуществляют подъем на земную поверхность полезного ископаемого, водоотлив, спуск в шахту различных материалов и оборудования, подачу свежего воздуха для проветривания горных выработок, спуск и подъем людей. Глубина стволов при разведке месторождений колеблется в пределах 100…400 м, площадь поперечного сечения 6…12 м2. В зависимости от свойств пересекаемых пород и притока воды выделяют обычную (приток воды до 5 м3 /ч) и специальными способами (приток воды более 5 м3 /ч) проходку стволов. По длине ствол (рис. 92) шахты состоит из устья, основной части, сопряжения с околоствольным двором и зумпфа. Комплекс работ по проходке стволов разделяется на два этапа: подготовительный и собственно проходку ствола. Устья разведочных шахт глубиной более 100 м должны крепиться сплошной несгораемой крепью или крепью с огнестойким покрытием. Длина закрепляемого участка должна быть не менее 5 м. Устья стволов разведочных шахт должны иметь сплошное ограждение высотой не менее 2,5 м; с рабочей стороны ограждения должны иметь двери и решетки. Устье ствола сооружают по двум схемам производства работ: 1) до монтажа временного копра; 2) после монтажа временного копра и полного его оснащения, а также монтажа подъемных машин. По схеме 1 устье ствола сооружают в неустойчивых породах, по схеме 2 – в устойчивых. По схеме 1 работы по сооружению устья осуществляют следующим образом. После контрольного бурения скважин и изучения геологического разреза приступают к выемке породы вручную или механизированным способом в зависимости от крепости пород и объема работ. Затем возводят монолитную бетонную или железобетонную крепь. В геологоразведочных шахтах крепь устья может быть и деревянной, но обработанной огнестойким покрытием. Опорный венец крепи устья закладывается в коренных или плотных породах. Глубина внедрения в коренные породы 1,5…2,0 м. При проведении ствола с использованием буровзрывных работ до начала возведения постоянной крепи ствол углубляют на 3…5 м ниже основного венца. 142 После закрепления верхней части устья (на глубину 4…5 м) приступают к установке на ней основной (нулевой) рамы. По окончании сооружения устья рама-шаблон заменяется на основную раму. Рис. 105. Разрез ствола. 1 – устье; 2 - основная часть; 3 - сопряжение с околоствольным двором; 4 – зумпф. 143 Рис. 106. Технологические схемы проходки вертикальных стволов. Проведение основной части ствола включает три необходимых вида работ: 1) выемку породы; 2) возведение постоянной крепи; 3) армирование. Выделяют следующие схемы: - равномерное производство работ звеньями по выемке породы и возведению постоянной крепи (последовательная схема работ); - совместное (в одном звене) производство работ по выемке породы и возведению постоянной крепи (параллельно-щитовая схема работ); - производство работ по выемке породы и возведение крепи в призабойном пространстве в одном звене, при этом крепление отстает от забоя на 3 м (совмещенная схема проходки). Армирование ствола, т. е. установка расстрелов, навеска проводников, прокладка труб и кабелей, а также оборудование лестничного отделения могут быть осуществлены по двум схемам: 144 1) после окончания работ по выемке породы и возведению постоянной крепи на полную глубину ствола (сооружение с последующим армированием); 2) отдельными звеньями совместно с выемкой породы и возведением постоянной крепи (сооружение ствола с одновременным армированием). При последовательной схеме (а) ствол по глубине разделяют на участки или звенья. Высота звена зависит от устойчивости боковых пород. В слабых породах высота звена (заходки) принимается 10…15 м, в крепких устойчивых породах – 20…40 м. В зарубежной практике на отдельных стволах величину заходки принимают 5…7 м. При деревянной крепи высота звена принимается равной 5…20 м. В каждом звене, начиная с верхнего, производят выемку породы, а за- тем возводят постоянную крепь. При выемке породы могут применять временную крепь или проходка ведется без нее. После закрепления очередного звена крепью начинается выемка породы в следующем звене и т. д. Недостатки схемы: - углубка ствола периодически останавливается на время, необходимое для возведения постоянной крепи; - значительны затраты времени на выполнение вспомогательных работ (переходы, отвалка породы к возведению крепи). Достоинства схемы: - простая организация - и малый объем работ по оснащению ствола. Скорость строительства стволов при этой схеме низкая и составляет 15…25 м/мес (максимальная – 62 м/мес). Строительство стволов при разведке месторождений сооружают только по этой схеме из-за небольшой их глубины и крепления деревом. При проведении стволов по параллельной схеме (б) выделяют схемы с временной крепью, со щитом-оболочкой и без временной крепи (в, г). При данной схеме выемка породы и возведение постоянной крепи осуществляются одновременно в двух смежных звеньях, так как крепление производится с отставанием от выемки породы на одно звено. После того, как забой ствола продвинется на 10…12 м ниже горизонта, предназначенного для начала возведения постоянной крепи, выемку породы прекращают и на границе звеньев устанавливают неподвижный предохранительный полок (натяжной предохранительный полок), с которого начинают возведение постоянной крепи. Одновременно ниже полка (в следующем звене) возобновляют дальнейшую выемку породы. Работа организуется таким образом, чтобы к моменту окончания выемки породы в пределах данного звена крепление в предыдущем звене также было закончено. Ввиду того, что скорость возведения крепи в 2–4 раза выше скорости выемки породы, число рабочих смен по креплению предусматривают меньше, чем при выемке породы. 145 Недостатки параллельной схемы с временной крепью: - сложная организация работ – основные операции (выемка породы и возведение постоянной крепи) проводятся на двух горизонтах, что уменьшает безопасность работ; - частые перерывы в работах – во время перемещения по стволу подвесного полка все работы в забое прекращаются; - перекрытие ствола по вертикали натяжной рамы подвесным полком нулевой рамы, что осложняет тахограмму подъема и снижает его производительность; - наличие крепи из металлических колец – увеличивает время и трудоемкость работ. Максимальная скорость проходки по параллельной схеме с временной крепью равна 202,1 м/мес, средняя – 50…70 м/мес, при параллельно-щитовой схеме установлены рекордные скорости строительства стволов в Донбассе – 390,1 и 401,3 м/мес. Параллельную схему строительства без временной крепи применяют в зарубежной практике в крепких, устойчивых породах. В забое ствола производят работы по выемке породы. Постоянную крепь возводят сверху вниз с подвесного многоэтажного полка при помощи передвижной опалубки с поддоном. Подвесной полок расположен от забоя на расстоянии 20…25 м. При такой схеме была достигнута скорость 381,3 м/мес. Совмещенная схема предусматривает выполнение операции по выемке породы и возведению постоянной крепи в одном звене. Эта схема может быть применима в двух вариантах: - выемка породы и возведение постоянной крепи осуществляются в одном звене (параллельно-щитовая схема), т. е. работы в забое выполняются в основном совместно, частично – последовательно; - выемка породы и возведение постоянной крепи осуществляются с полным совмещением, при этом крепление и выемка породы выполняются разобщенно на небольшом расстоянии по высоте ствола (3…5 м). Совмещенная схема при частично последовательном выполнении операций характеризуется тем, что все операции выполняются непосредственно на забое. Распределение операций крепления и выемки породы на каждые 4…8 м ствола позволяет выполнять их независимо без задержек и помех. Такая схема применима при устойчивых породах, не требующих временного крепления. Совмещенную схемупри параллельном выполнении операций применяют при скоростном сооружении стволов. По совмещенной схеме в настоящее время строят 95–98 % всех стволов в горнодобывающей промышленности. Средние скорости проходки стволов по совмещенной схеме составляют 65…80 м/мес. Максимальная скорость строительства 321 м/мес. Совмещенная схема может применяться при строительстве стволов 146 любой глубины в устойчивых породах. При последовательной и параллельной схемах проходки ствола армирование производится в пределах каждой заходки (звена) после возведения постоянной крепи. При совмещенной схеме проходки применяют два варианта организации работ. При первом варианте ствол углубляют на 3…4 м, прекращают работы по выемке породы и возведению крепи и проводят монтаж одного яруса армировки. При втором варианте работы по армированию частично совмещают с проходкой ствола. Для установки расстрелов и лестничного отделения в стволе монтируется второй подвесной полок специальной конструкции. К достоинствам рассматриваемой схемы относятся: - сокращение времени переходного периода от проходки ствола к проведению горизонтальных выработок; - упрощение оснащения ствола постоянным подъемом благодаря наличию армировки, - а также сокращение расхода каната. Рекордная скорость строительства ствола с постоянным армированием 92 м/мес. Эффективность схемы увеличивается при применении постоянного копра и подъемной машины. Процессы проходческого цикла. Технология проведения стволов при обычных способах состоит из следующих процессов: - бурения, заряжания и взрывания шпуров, проветривания забоя, водоотлива, уборки породы (операции погрузки и подъема), установки временной или постоянной крепи, армировки ствола (если она производится одновременно с проходкой). Удельные затраты на буровзрывные работы в общем цикле проходческих работ составляют 25–30 % при породах с коэффициентом крепости f = 6…8 по шкале М.М. Протодьяконова и достигают 45–50 % и более при f = 10…15. Поэтому существенную роль приобретают вопросы выбора ВВ, конструкции заряда, типа вруба, количества и глубины шпуров и пр. Шпуры при сооружении стволов бурят ручными пневматическими бурильными машинами – перфораторами типа ПП или буровыми установками типа БУКС. Установки типа БУКС-1му и БУКС-2м оснащены бурильными головками БГА-1м, что позволяет бурить шпуры в породах с f = 14…16. 147 В установках БУКС-1у2 и БУКС-1у5 предусмотрена возможность применения бурильных машин типа ПК, что дает возможность бурить породы с f < 20. Рис. 107. Бурильная установка БУКС-1м. 1 – распорная колонка; 2 – податчик; 3 – бурильная машина. 148 Рис. 108. Погрузочная машина ОСК 1 – люлька; 2 – кабели; 3 – узел крепления; 4, 5 – подъемные лебедки; 6 – крон-балка; 7– двутавровая балка. 149 Рис. 109. Основные элементы крепи вертикального ствола. 1 – крепь основной части ствола; 2 – опорные венцы; 3 – крепь устья ствола; 4 – сопряжение ствола с горизонтальными выработками околоствольного двора; 5 – зумпф. 150 Рис. 110. Общий вид закрепленного и армированного ствола. 1 – венец; 2 – вандрут; 3 – расстрел; 4 – проводники; 5 – полок лестничного отделения; 6 – лестничное отделение. Проведение восстающих выработок. Общие положения. Восстающие выработки проходят снизу вверх при разведке и эксплуатации месторождений для выполнения одной или одновременно нескольких функций: - разведки верхнего контура тела полезного ископаемого или залежи, расположенной выше горизонта горных выработок или между горизонтами; 151 - обеспечения прохода людей (ходовой); - вентиляции (вентиляционный); - спуска, перепуска или выпуска руды (рудоспускной, рудовыпускной) или породы (породоспуск); - подачи закладочного материала (закладочный); - доставки в забои крепежных и других материалов (материальный и хозяйственный); - подведения в забой сжатого воздуха, воды, электроэнергии; - создания дополнительной обнаженной поверхности в виде разрезной (в центральной части блока) или отрезной (на фланге) щели (разрезной, отрезной); - разграничения блоков (междублоковый). Восстающие могут проводиться по руде (рудные восстающие) или породе (полевые). Восстающие, проходимые по полезному ископаемому, задают по следу ранее пробуренной скважины для целей как разведки, так и сверки геологических данных, полученных по скважине. Восстающие по углу наклона делятся на - вертикальные (α = 90°), - наклонные (65° ≤ α ≤ 90°), - слабонаклонные (45° ≤ α ≤ 65°). Форма поперечного сечения восстающих обычно прямоугольная. При проходке восстающих буросбоечными машинами форма поперечного сечения круглая. Площадь поперечного сечения - разведочных восстающих изменяется от 1,2 до 4 м2 (иногда до 6 м2), - эксплуатационных – 10…5 м2; длина от нескольких до сотен метров; - при разведке месторождений – от 3 до 100 м. Проходка восстающих обычным способом состоит из двух стадий: – подготовительной - и основной (собственно проходки). 152 Рис. 111. Сопряжение нижней части восстающего с горизонтальной выработкой. В подготовительную стадию входят следующие работы: - выбивка старой крепи и расширение горизонтальной выработки на сопряжении ее с восстающим или проходка камеры (при проходке разведочного восстающего из тупиковой выработки, работы в которой прекращены, расширение этой выработки может и не производиться); - засечка и крепление камеры сопряжения; - укладка основного венца и устройство люка для выпуска отбитой породы; 153 - врезка, проходка нескольких метров восстающего выше кровли горизонтальной выработки. В основной стадии осуществляется проходка остальной части восстающего на его полную проектную высоту в одно, два или три отделения. Бурение шпуров производится телескопными перфораторами с временного рабочего полка. Рабочий полок устраивают на расстоянии 1,8…2,0 м от забоя, а ниже него на 1,2…1,5 м – предохранительный полок. Материалы и инструмент доставляют в забой при помощи лебедки, устанавливаемой на почве горизонтальной выработки. Головной блок прикрепляют к расстрелу ниже предохранительного полка. Перед взрывом рабочий полок убирается. При наличии подъемного и лестничного отделений они на время взрыва перекрываются. Взрывание зарядов электрическое или электроогневое. Порода по мере накопления из породного отделения выпускается через люк. При проведении разведочных восстающих люк зачастую не устраивается и порода поступает на почву камеры (ниши) и по мере ее заполнения погружается в транспортные средства. Проветривание восстающего осуществляется вентиляторами местного проветривания типа СВМ в основном по нагнетательной схеме. Допускается проветривание восстающего посредством эжектора с использованием сжатого воздуха. По мере увеличения глубины восстающего резко возрастает время проветривания. Сокращения времени проветривания в таких условиях можно достигнуть за счет предварительного (перед началом проходки восстающего) бурения разрезной скважины. Через нее можно непрерывно подавать свежий воздух. Кроме того, разрезная скважина, являясь дополнительной обнаженной плоскостью, позволяет увеличить показатели действия взрыва. Обычный способ проходки восстающих очень трудоемок, так как здесь после каждого взрывания нужно переносить рабочий и отбойный полки. Трудно передвигаться по ходовому отделению (особенно при значительной длине выработки), затруднена вентиляция. Большая опасность при подъеме в забой после взрыва. 154 Рис. 112. Схема восстающего в процессе проходки. 1 – выпускной люк; 2 – лестничное отделение; 3 – материальное отделение; 4 – рабочий полок; 5 – предохранительный полок; 6 – наклонный отбойный полок; 7 – ляда; 8 – породное отделение. 155 Рис. 113. Проходка восстающего обычным способом в два отделения. 1 – отбойный полок; 2 – лестничное отделение; 3 – люк; 4 – блок. Механизированная проходка восстающих. В последнее время, в целях повышения скорости проходки, безопасности, удобства работ, снижения трудоемкости, применяются способы проходки восстающих с частичной или комплексной механизацией. Способы механизации проходок восстающих по признаку «безлюдной выемки» могут быть не полностью и полностью устраняющими необходимость присутствия людей в забое. 156 Большинство примеров проведения восстающих относятся к первому случаю. Первые способы можно разделить на два класса: 1) с применением временных полков; 2) с применением постоянных полков. К первому классу относятся способы проходки по обычной технологии. Вторые способы по принципу разрушения горной породы разделены также на два класса: 1) с комбинированным разрушением горной породы разными родами энергии; 2) с разрушением горной породы одним родом энергии. Рис. 114. Способы механизации проходки восстающих. 157 Рис. 115. Проходка восстающего с металлической разборной крепью и частично механизированным полком. 158 Рис. 116. Шагающий полок ПШВ-4. 159 а - с простыми клетями б - с самоуправляемыми клетями Рис. 117. Проходка восстающих с подвесной клетью. 160 Рис. 118. Комплекс проходки восстающих типа KПB. 1 – демонтажная крыша; 2 – рабочая платформа; 3 – механизм передвижения; 4 – став монорельсов; 5 – шланг для подвода сжатого воздуха к механизму передвижения; 6 – шлангово-тросовая лебедка; 7 – блок питания и дистанционного управления. 161 Рис. 119. Схема проходки восстающего взрыванием глубоких скважин. 1 – восстающий; 2 – скважина; 3 – высота заряда ВВ; 4 – пробки; 5 – забойка. 162 Проведение горизонтальных выработок. Общие положения. При проведении горизонтальных выработок применяют различные способы производства работ, определяемые физико-механическими свойствами горных пород, размерами поперечного сечения, сроком службы и назначением этих выработок. Способы, применяемые для проведения выработок в устойчивых горных породах, которые позволяют свободно обнажать забой и стенки выработки, называют обычными. Способы, применяемые для проведения выработок в слабых, неустойчивых горных породах (плывучих или сильнообводненных, сыпучих), а также в породах крепких, но дающих при пересечении их весьма большие притоки воды или газа, т. е. в сложных горно-геологических условиях, называют специальными. В однородной породе выработки могут проводиться по крепким или мягким породам. В крепких породах выработки проводят буровзрывным способом. При проведении в мягких породах возможно применение буровзрывных работ или комбайнов. Принятие решений в управлении разведкой и добычей полезных ископаемых, исходя из понятий кибернетики, сводится к управлению технологическими объектами и представляет собой непрерывную процедуру в системе с обратной связью. 163 Рис. 120. Схема управления технологическим процессом. Организация труда при проведении выработок. Совокупность взаимосвязанных трудовых процессов и взаимосвязанных с ними физико-химических, механических и естественных процессов, направленных на превращение сырья, материалов и полуфабрикатов в готовую продукцию, называется производственным процессом. Производственный процесс при проведении геологоразведочных работ является сложным и подлежит делению на рабочие процессы, операции, приемы и движения. 164 Рабочие процессы классифицируются для целей нормирования в следующем порядке: ручные, машинно-ручные, машинные (или механизированные), автоматизированные и аппаратурные. Операция – это основная единица, на которой строится производственный процесс. Приемом называется часть операции, имеющая определенное целевое назначение и состоящая из нескольких законченных трудовых движений рабочего. Рабочее время – это законодательно установленная продолжительность рабочего дня. Подготовительно-заключительным называется время, которое затрачивается рабочим на ознакомление с рабочим местом, работой и на подготовку средств производства к выполнению очередного производственного задания, а также на действия по его завершению. Оперативным временем называется время, затрачиваемое на непосредственное выполнение заданного объема работы. Оно подразделяется на основное (технологическое) и вспомогательное. Время, в течение которого осуществляется технологический процесс производства, называется основным временем (бурение шпуров). К основному времени относится также и время активного наблюдения. Основное время прямо пропорционально объему выполняемой работы. Время, которое необходимо для уборки рабочего места и для ухода за агрегатом, называется временем обслуживания рабочего места. Время активного наблюдения за работой оборудования – время, в течение которого рабочий должен наблюдать за ходом технологического процесса, за соблюдением заданных параметров или работой машины. Временем перерывов считаются перерывы на отдых и личные надобности, организационно-технологического характера, перерывы в связи с нарушением трудовой дисциплины. Организация труда – это система мероприятий, которая обеспечивает рациональное использование рабочей силы. Она включает соответствующую расстановку людей в процессе производства, разделение и кооперацию, организацию рабочих мест, их обслуживание и необходи- мые условия труда. Работы по проведению выработок в основном ведут комплексные бригады, занимающиеся бурением шпуров, откаткой породы, настилкой путей, устройством разминовок. 165 Рис. 121. Структура производственного процесса. Буровзрывные работы. Буровзрывные работы по проведению выработок занимают от 30 до 50 % продолжительности цикла. Продолжительность и трудоемкость их зависят от - крепости, водообильности, структуры и текстуры пересекаемых пород; - площади поперечного сечения выработки; - числа, глубины и диаметра шпуров; - конструкции вруба; - типа ВВ; - величины и конструкции заряда; - квалификации рабочих и т. д. В результате производства взрывных работ должно быть обеспечено выполнение следующих основных требований: - выработка должна соответствовать проекту по форме, размерам и направлению; - порода должна быть достаточно раздробленной, не иметь негабаритных кусков и иметь минимальный разброс при погрузке породы породопогрузочными машинами и максимальный – при скреперной погрузке; - коффициент использования шпуров должен быть максимальным. Основные параметры буровзрывных работ: - удельный расход ВВ, - число, глубина и диаметр шпуров. 166 Удельный расход – это количество ВВ, необходимое для разруше- ния 1 м3 породы; зависит от: - физико-механических свойств горных пород, - размера поперечного сечения выработки; - типа применяемого ВВ, - конструкции вруба и пр. Число шпуров зависит от физико-механических свойств пересекаемых пород, диаметра шпуров, типа ВВ, площади сечения выработки и др. Все шпуры по своему назначению подразделяются на врубовые, вспомогательные и оконтуривающие (отбойные). Врубовые шпуры предназначены для создания в забое второй обнаженной полости – вруба. Условия работы врубовых шпуров по сравнению с другими являются более тяжелыми, поэтому их располагают на небольшом расстоянии друг от друга, бурят на 10–20 % длиннее и заря- ды по сравнению с остальными шпурами увеличивают на 15–20 %. Вспомогательные шпуры располагаются по площади забоя равномерно между врубовыми и оконтуривающими. Основное их назначение – увеличение врубовой полости. Оконтуривающие шпуры служат для оформления контура выработки. Устья оконтуривающих шпуров задают как можно ближе к контурам выработки и бурят под таким обратным наклоном к оси выработки, чтобы забой шпуров не выходил за пределы ee контура. Оконтуривающие шпуры служат для оформления контура выработки. Устья оконтуривающих шпуров задают как можно ближе к контурам выработки и бурят под таким обратным наклоном к оси выработки, чтобы забой шпуров не выходил за пределы ee контура. Заряды в оконтуривающих шпурах могут быть значительно уменьшены по сравнению с зарядами во врубовых и вспомогательных шпурах для уменьшения интенсивности воздействия взрыва на массив за конту- ром выработки. Для точного оконтуривания выработок иногда расстояние между оконтуривающими шпурами уменьшают до возможного минимума (в соответствии с правилами безопасности и горно-геологическими усло- виями проведения выработок) и помещают в них небольшие заряды. Заряды шпуров взрываются в строгой последовательности: первыми взрываются врубовые, вторыми – вспомогательные, последними – оконтуривающие. Число шпуров в каждой группе зависит от размера поперечного сечения выработки, крепости и вязкости пересекаемых пород. В выработках площадью сечения до 5 м2 вспомогательные шпуры практически не бурятся. Схема расположения шпуров в забое зависит от площади поперечного сечения выработки, физико-механических свойств и характера залегания пород. 167 Рис. 122. Расположение шпуров в забое горизонтальной подземной выработки. а и б – стадии образования врубовой полости; 1–10 – врубовые шпуры; 11–18 – вспомогательные шпуры; 19–32 – отбойные шпуры. Название вруба определяется геометрической фигурой, образуемой врубовыми шпурами. Все схемы врубов можно подразделить на две группы: - схемы с наклонными шпурами к продольной оси выработки и; - схемы с параллельными шпурами к оси. 168 Первая группа схем расположения шпуров применяется в породах слабых и средней крепости. В породах, имеющих выраженную слоистость, шпуры бурятся по нормали (или близкой к ней) к плоскости напластования. Вторая группа применяется при проведении выработок по крепким и весьма крепким монолитным породам. Преимущества врубов с наклонными шпурами – компактное расположение шпуров по забою, незначительный разброс породы. Недостатки – небольшой коэффициент использования шпуров в породах крепких и весьма крепких, невозможность бурения глубоких шпуров в выработках площадью сечения менее 6 м2. Достоинством врубов с прямыми шпурами являются высокий коэффициент использования шпуров в породах любой крепости по сравнению с врубами с наклонными шпурами, возможность бурения более глубоких шпуров. Бурение шпуров производится в основном пневматическими бурильными машинами. Выбор типа бурильной машины зависит от крепости пересекаемых пород, площади сечения выработки. 169 Рис. 123. Схемы комплексов шпуров с различными врубами. а – щелевым; б – призматическим; в – спиральным; г – клиновым вертикальным; д – клиновым горизонтальным; е – пирамидальным; ж – верхним; з – нижним; и – боковым; к – веерным. Погрузка горной массы. Погрузка горной массы может производиться вручную, погрузочными машинами. Существует несколько типов погрузочных машин. В качестве основных признаков для их классификации принимают способ захвата горной массы, тип рабочего органа и принцип его действия, характер рабочего процесса. В соответствии с этими признаками погрузочные машины разделяются на несколько типов, каждый из которых имеет соответствующее условное обозначение: ППН – погрузочная периодического действия нижнего захвата; ПНБ – погрузочная непрерывного действия бокового захвата; ПНН – погрузочная непрерывного действия нижнего захвата; 170 ПНВ – погрузочная непрерывного действия верхнего захвата; ППВ – погрузочная периодического действия верхнего захвата. В зависимости от рода потребляемой энергии погрузочные машины бывают пневматические и электрические. Ковшовые погрузочные машины нижнего действия подразделяются на машины прямой и ступенчатой погрузки. В первом случае после захвата горной массы ковш непосредственно загружается в вагонетку, во втором – на конвейер, расположенный на погрузочной машине или рядом с ней. Рис. 124. Погрузочная машина типа ППН-1с. 171 1 – ковш; 2 – пульт управления; 3 – боковая стенка; 4 – колесная пара; 5 – пневмоштанга; 6 – пневмодвигатель для передвижения; 7 – пневмодвигатель подъема. Ковшовые погрузочные машины отличаются простотой управления, компактностью, могут применяться для погрузки породы любой крепости и абразивности и в выработках небольших размеров. Поэтому они получили широкое распространение при проведении горно-разведочных выработок. К недостаткам машин прямой погрузки следует отнести: более низкую, чем у других типов машин, производительность, большую высоту в рабочем положении. На производительность погрузочной машины оказывают влияние ширина выработки, качество буровзрывных работ, схемы и средства обмена вагонеток, расстояние от забоя, организация работ и др. Одной из причин, препятствующих сокращению времени погрузки горной массы при проведении выработок, является отсутствие совершенных средств обмена вагонеток или безобменных средств откатки породы на современном этапе уровня механизации горно-разведочных работ. Время обмена вагонеток занимает 40–70 % времени уборки горной массы при проведении горно-разведочных выработок. В настоящее время обмен вагонеток производится в основном с помощью разминовок. Обмен вагонеток с помощью тупиковых разминовок может быть организован по следующим вариантам. Порожний состав подается электровозом в забой выработки, и загружается первая вагонетка. Затем груженая вагонетка загоняется в тупик, отцепляется и затормаживается. Порожние вагонетки снова подаются в забой, где производится загрузка следующей вагонетки, и так до полной загрузки состава. Применяются способы непрерывной погрузки горной массы. Для непрерывной погрузки могут использоваться: - перегружатели длиной на состав вагонеток, рассчитанный на весь объем породы, отделенной за взрыв; - бункера-поезда; - погрузочно-доставочные комплексы; - составы из универсальных проходческих вагонеток ВПУ-11. Бункера-поезда позволяют производить прием, откатку и разгрузку горной массы за проходческий цикл при проведении горизон- тальных выработок. Существенный недостаток бункеров-поездов - невозможность применения их в искривленных выработках. 172 Скреперная погрузка горной массы при проведении горизонтальных горно-разведочных выработок имеет ограниченное применение. В основном этот способ применяют при погрузке породы из коротких рассечек, пройденных из шурфа или восстающего, породы из квершлагов (рассечек), проводимых из наклонного ствола, при разведке россыпных месторождений и при проходке наклонных стволов и коротких штолен небольших площадей сечений. Рациональная длина скреперования зависит от вместимости ковша и скорости скреперования. Обычно она равна 50…70 м. При применении скреперов вместимостью более 0,5 м3 длина скреперования может составлять 130 м. 173 174 Рис. 125. Схемы обмена вагонеток. а - загрузка следующей вагонетки; б – две вагонетки проталкиваются в забой для загрузки; в – тупиковая разминовка; г –тупиковая разминовки в выработках под углом к основной; д –тупиковая разминовки на одну вагонетку; е – накладная разминовка; ж – вертикальный вагоноперестановщик; з - установка роликовой платформы. и – поворотный круг для перевода вручную малогабаритных одиночных вагонеток грузоподъемностью до 12 т с одного пути на другой; к - ленточный перегружатель. 175 Рис. 126. Классификация схем обмена вагонеток. Рис. 127. Погрузка породы с использованием ленточного перегружателя. 1 – породопогрузочная машина ППН-1с; 2 – вагонетка УВО-0,8; 3 – консоль перегружателя ПЛ-5; 4 – подкос; 5 – вспомогательная тележка; 6 – вентилятор СВМ-5м; 176 7 – тяга; 8 – основная тележка; 9 – приемный бункер. Рис. 128. Бункер-поезд. 1 – породопогрузочная машина ППН-1с; 2 – бункер-поезд БПС-3; 3 – электровоз; 4 – вильчатое соединение бортов секций; 5 – борта секций. 177 Рис.129. Схемы скреперной уборки породы. а, б – металлический передвижной полок с расположением лебедки под полком и над полком; в – деревянный скреперный полок; г – уборка породы из рассечки; 1 – блок; 2 – скрепер; 3 – лебедка; 4 – полок. 178 Рис. 130. Схема откатки вагонеток контактным (а) и аккумуляторным (б) электровозами: 1 – кабель высокого напряжения; 2 – камера подстанции; 3 – трансформатор; 4 – выпрямитель; 5 – питающий кабель; 6 – контактный провод; 7, 13 – контактный и аккумуляторный электровозы; 8 – рельсы; 9 – заземляющий контур; 10 – зарядная камера; 11 – зарядный стол; 12 – аккумуляторная батарея. 179 Литература 1. В. Г. Лукьянов, В. Г. Крец Горные машины и проведение горноразведочных выработок. Учебник. Издательство Томского политехнического университета, 2010. -342 с. 2. Трубецкой К. Н., Галченко Ю. П. Основы горного дела: Учебник/Под ред. Акад. К. Н. Трубецкого. – М.: ООО «Академический Проспект», 2010. – 231 с. 3. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров: Учебник для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2007. - 680 с. 4. Основы горного дела / Егоров П.В., Бобер Е.А., Кузнецов Ю.Н и др. – М.: МГГУ, 2000. – 457 с. Оглавление стр. Введение…………………………………………………………………..2 Общие сведения о горных выработках………………………………….4 Основы механики горных пород………………..………………………12 Общие сведения о горных породах…………………..…………………12 Горно-технологические свойства горных пород…………...………….22 Буровзрывные работы……………………………..…………………….26 Способы разрушения горных пород ……………………..…………….26 Машины для бурения шпуров и скважин...…………………………….31 Буровой инструмент……………………………..……………………….39 Производство и транспортировка сжатого воздуха…………………….47 Разрушение горных пород взрывом……………………….……………..52 Средства инициирования и взрывания зарядов…………………………58 Проветривание горно-разведочных выработок…………………………71 Горное давление………………………………………………….………..75 Устойчивость гонных выработок……………………………….………..80 Технология проходки горно-разведочных выработок…………….…….102 Проведение открытых горно-разведочных выработок…………….……113 Проходка шурфов………………………………………………………….127 Проведение шахтных стволов………………………………………….….141 Проведение встающих выработок…………………………………………150 Проведение горизонтальных выработок…………………………………..162 Литература…………………………………………………………………...179