• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Фізико-механічні властивості гірських порід

ПІДГОТОВКА ГІРСЬКИХ ПОРІД ДО ВИЙМАННЯ

Гірські породи характеризуються цілою гамою фізико-механічних властивостей: механічними, структурними, електричними, магнітними, акустичними, тепловими, гідравлічними та іншими.

Із цих різновидностей розглянемо коротко деякі найбільш важливі властивості, які значною мірою впливають на технологію гірничих робіт.

Міцність гірських порід - всебічний показник, що характеризує опір породи різним механічним діям (стисненню, удару, стиранню). Міцність також визначає такі властивості як буримість, вибуховість, стійкість.

Міцність породи має вирішальний вплив на вибір технології розробки, механізації й інструменту. Міцність знаходиться в прямій залежності від границі міцності породи на стиснення, під якою розуміють здатність гірської породи чинити опір руйнуванню під дією одновісного навантаження. Мірою міцності є границя, при якій порода руйнується. Так, наприклад, середня міцність (Па) магнетитових роговиків складає » 24,5-10⁴, силікатних роговиків » 14,7-10⁴, аркозових піщаників я 6,9-10⁴.

Професор М.М. Протодьяконов запропонував для практичних цілей оці­нювати цей показник коефіцієнтом міцності, що чисельно дорівнює десятій долі міцності породи в МПа:

Так, якщо границя міцності породна стиснення дорівнює 55 МПа, то і коефіцієнт міцності буде 5.

Гірські породи та руди за міцністю умовно розподіляють на групи:

м'які – з коефіцієнтом міцності до 3, для яких можна застосовувати механічну відбійку за допомогою комбайнів;

середньої міцності – з коефіцієнтом міцності від4 до 9;

міцні – з коефіцієнтом міцності від 10 до 15;

дуже міцні – з коефіцієнтом міцності більше 15.

Зі збільшенням міцності різко зростають трудомісткість і вартість відбійки руди у зв'язку із зменшенням швидкості буріння шпурів та свердловин, необхідністю збільшити їх кількість, більшою витратою ВР. З міцністю порід тісно пов'язане поняття стійкості.

Стійкість - комплексна характеристика, яка свідчить про здатність порід гірського масиву зберігати певну площу оголення без порушень і обвалів.

Ступінь стійкості визначає форму перетину гірничих виробок, тип їх кріплення, здатність застосовувати ті або інші системи розробки.

Стійкість масиву визначається сукупним впливом багатьох факторів головне значення з яких мають: міцність тріщинуватість, структура породи, глибина розробки.

Зі збільшенням міцності, зменшенням тріщинуватості і глибини розробки стійкість масиву збільшується.

За ступенем стійкості масиву гірської породи умовно розподіляють на групи:

дуже стійкі – допускають величезні (до 1500-2000 м²) оголення масиву, які можуть зберігатися без кріплення, не обвалюючись тривалий час;

стійкі – допускають оголення покрівлі на великих площах (з прогоном 10 м і більше) і вимагають підтримки виробок тільки в окремих місцях;

середньої стійкості – допускають оголення покрівлі на порівняно великій площі (з прогоном до 8 м), але якщо оголення стоять тривалий час, то вони вимагають підтримки кріпленням;

нестійкі – допускають оголення на невеликій площі (з прогоном до 3 м) і вимагають підтримки слідом за вийманням;

дуже нестійкі - не допускають оголення і, як правило, вимагають випереджаючого кріплення.

Тріщинуватість. Гірські породи в більшості не є суцільними монолітами, а розбитісистемою тріщин в одному або декількох напрямках. Розміри тріщин можуть бути від мікроскопічних до декількох сантиметрів.

Тріщинуватість масиву визначають кількістю тріщин на одиницю площі, їх розмірами та орієнтацією.

Природна тріщинуватість, її інтенсивність значно впливають на ступінь стійкості, форми виявлення гірського тиску, якість подрібнення при вибухових роботах.

Розпушуваність. Гірські породи, зруйновані під час відбійки, займають більший обсяг (місткість) у порівнянні з первісним обсягом у масиві.

Розпушуваність характеризують коефіцієнтом розпушення, який дорівнює відношенню обсягів зруйнованої породи і тієї ж породи в масиві і завжди більше 1 (одиниці).

Коефіцієнт розпушення збільшується із збільшенням міцності. Його значення для різних порід знаходиться у межах від 1,2 (пісок, глина) до 1,8, а в окремих випадках до 2,2 (дуже міцні скельні породи). Для більшості скельних порід він становить 1,6÷1,45.

Щільність. Маса гірничої породи в одиниці обсягу є її щільністю і вимірюється в г/см³, т/м³. Показник щільності для більшості порід знаходиться в межах 2,5÷3,0 т/м³, деякі руди (залізна, масивна мідна та ін.) мають щільність до 3,5÷4,0 т/м³.

Із інших властивостей гірських порід, які використовуються при вирішенні різних питань технології, вкажемо на: пружність; пластичність; крихкість; в'язкість; абразивність; межі міцності на стиснення, розтягування та зсув; швидкість розповсюдження поздовжніх і поперечних пружних хвиль, теплові, магнітні та електричні параметри.

Способи підготовки гірських порід до виймання

Гірничі роботи з видобутку твердих корисних копалин пов'язані з необхідністю зруйнування породи – відокремлення певного обсягу від масиву і подрібнення його на куски розмірами, які зручні для виконання подальших технологічних операцій щодо транспортування, навантажування та інше.

На практиці для цього використовують механічний та вибуховий способи руйнування масиву.

Механічний спосіб полягає в тому, що на масив діють робочі органи машин, які безупинно руйнують його. Ці машини – комбайни, які здійснюють руйнування масиву, прибирання та транспортування зруйнованої породи.

Комбайни з різними робочими органами застосовують для проведення виробок та очисного виймання при відносно слабких і однорідних породах, таких, як вугілля, різноманітні солі та інше.

У перспективі в найближчі 20 років питома вага механічного способу руйнування масиву не буде перевищувати 15÷20 % загального обсягу робіт.

Основним способом руйнування масиву при розробці скельних порід залишається вибуховий спосіб, який збереже свою роль ще на невизначено довгий строк. Цей спосіб заснований на використанні для руйнування масиву величезної енергії, яка утворюється в результаті хімічного перетворення вибухових речовин у заряді.

Вибухові речовини (ВР) - хімічні сполуки або частіше механічні суміші різних речовин, які під впливом зовнішніх імпульсів (удар, нагрів та інше) спроможні вибухнути.

Ряд природно горючих речовин у тонко подрібненому стані (мука, цукор та інше) при певному співвідношенні з киснем повітря також можуть вибухнути, але їх не вважають вибуховими речовинами.

До вибухових речовин прийнято відносити так звані промислові ВР, які спеціально виготовлені і відповідають установленим вимогам безпеки і енергетичним параметрам.

Суттєвість вибухового способу полягає в тому, що ВР розміщуються в масиві, в спеціально утворених порожнинах (шпурах, свердловинах, мінних камерах) і внаслідок вибуху цих ВР від масиву відокремлюється і подрібнюється на куски необхідних розмірів певний об'єм породи.

Під вибухом розуміють процес перетворення величезної кількості потенціальної енергії ВР в механічну за дуже короткий час.

Вибух може бути фізичним, коли змінюється тільки фізичний стан речовини (наприклад, вибух парового котла); хімічним, коли за дуже короткий час відбувається хімічне перетворення речовини з виділенням великої кількості тепла і газів; ядерним – з перетворенням атомних ядер початкового матеріалу в ядра інших елементів.

У гірничій промисловості при видобуванні корисних копалин вживають тільки хімічні вибухи, для чого використовують ВР.

Заряд ВР – певна кількість ВР, розміщених в вибуховій порожнині і під­готовлених до вибуху.

В гірничій промисловості використовують заряди ВР різних конструкцій.

Засоби підривання (ЗП) –засоби, які використовують для передачі заряду ВР початкового імпульсу для вибухового перетворення.

Як ЗП використовують детонатори вогнепровідний і детонуючий шнури запалювальні патрони та інше.

Шпур – циліндрична порожнина в масиві діаметром 30÷60 мм і довжиною до 5 м, призначена для розміщення заряду ВР.

Свердловина – циліндрична порожнина в масиві діаметром 60÷100 мм і більше і довжиною більше 5 м, для розміщення в ній заряду ВР розвідувальних робіт, дренажу та інше.

Згідно з призначенням свердловини називають: вибуховими, розвідувальними, дренажними, відрізними і таке інше.

Процес утворення шпурів і свердловин у масиві називають бурінням, а весь комплекс робіт із включенням допоміжних – буровими роботами.

Машини та інструменти, які застосовуються для буріння шпурів та свердловин, називають буровими машинами або установками і буровим інструментом.

Весь комплекс робіт, зв’язаний з бурінням шпурів, свердловин і підриванням зарядів ВР, називають буро-підривними роботами.

Ефективність буро-підривних робіт оцінюють мірою зруйнування одиниці масиву (м³, т) і якістю його дроблення.

У свою чергу дроблення оцінюють: розміром середнього роздрібненого куска масиву (мм, см) і виходом негабариту – кусків, розмір яких більше встановленого, в % до загального зруйнованого обсягу.

Якщо підготовка до виймання скельних порід здійснюється за допомогою буро-підривних робіт, то пухкі та м’які породи, як правило можуть розроблятися безпосередньо з масиву екскаваторами або іншими виймальними машинами. Однак, у замерзлому стані вони стають настільки міцними, що їх розробка без переднього спушування виявляється важкою, а іноді і неможливою.

Буріння шпурів і свердловин

Буріння шпурів на підземних роботах. Буріння шпурів обертовим способом виконується за допомогою бурових машин-свердел з електричним, пневматичним та гідравлічним приводами.

Найбільш поширені електросвердла, які розподіляють на ручні, вагою до 20 кг, і колонкові, масою 25-50 кг.

Останні складаються з двигуна, редуктора, напірного механізму, які при їх роботі встановлюють на розпірній колонці.

Схему колонкового електросвердла типу ЕБК (електрична бурова колонка) показано на рис. 2.2.

Бурові штанги виготовляють з сталі ромбічного перерізу, якій надають форму шнека. Така форма забезпечує ефективне видалення із шпуру бурового дрібняку під час буріння.

Буровий інструмент – це різної форми різці, армовані пластинками твердого сплаву.

Буріння шпурів ударним способом виконують за допомогою пневматичних поршневих бурових машин, які мають назву – перфоратори. Принципову схему роботи перфоратора показано на рис.2.3.

Поршень зі штоком-ударником виконує в циліндрі зворотно–поступальні рухи під дією стиснутого повітря, яке поперемінно спрямовується, то в передню, то в задню частину циліндра спеціальним повітророзподільним пристроєм. При робочому ході «вперед» ударник наносить по хвостовику бура удар. При зворотному ході поршень з муфтою повертається на деякий кут (15⁰-20⁰) за допомогою поворотного гвинта і хрестового механізму. Лезо коронки наносить новий удар по іншій лінії вибою шпура.

У сучасних перфораторах енергія одного удару становить 36÷90 дж, при тискові стиснутого повітря 0,5 МПа, а кількість ударів за хвилину знаходиться у межах 2000÷2800.

Телескопічні перфоратори призначені для буріння вертикальних і круто похилих шпурів при проведені підняттєвих виробок та на очисних роботах. Особливість їх полягає в тому, що в одній машині поєднані конструктивно, власне перфоратор та поршневий подавач-телескоп, за допомогою якого перфоратор під час буріння безперервно подається вгору (хід подачі до 700 мм) створюючи осьове навантаження до 1,8 кН. Зусилля подачі телескопу в процесі роботи можна змінювати рукояткою управління.

Телескопні перфоратори випускають вагою від 30 до 48 кг та числом ударів 2600-2700 за хвилину.

Колонкові перфоратори – це потужна бурильна машина вагою до 50÷150 кг.

Особливість їх конструкції в порівнянні з переносними – це відсутність поворотного механізму. Замість нього вбудований пневматичний реверсивний обертувач, який забезпечує незалежне обертання бурового інструменту і робить можливим виконувати буріння ефективним обертово-ударним способом.

Для створення необхідного зусилля подачі на вибій ці перфоратори встановлюють на подаючий пристрій, який складається з полозків, автоподавача з пневмоприводом і подаючого механізму ланцюгового, гвинтового або поршневого типів.

Перфоратор разом з подаючим пристроєм установлюють для роботи на розпірну колонку (гвинтову або пневматичну), яка устаткована ручною лебідкою для підйому й утримання перфоратора на необхідній висоті. Все це разом складає бурову установку, яка показана на рис. 2.5.

Такі бурові установки застосовують для буріння шпурів у міцних породах і свердловин діаметром до 80 мм на очисних роботах. Серійно випускається ряд бурових установок, наприклад, КБУ–50, КБУ–80. Колонкові перфоратори широко застосовують у самохідних бурових установках.

Самохідні бурові установки – це самохідна платформа, на якій змонтовано 2÷4 гідравлічних маніпуляторів, оснащених автоподавачами з перфораторами і гідравлічними маслонапірними станціями. Вони дозволяють суттєво полегшити працю гірника і підвищити її продуктивність.

Самохідні бурові установки виготовляються на рєльсовому, гусеничному, пневматичному ході й оснащуються декількома потужними буровими машинами. Їх застосовують при великому обсязі бурових робіт при проведенні горизонтальних виробок та на очисних роботах при деяких системах розробки. За допомогою таких бурових установок можна обурювати вибої шириною від 3,5 до 7 м та висотою від 3 до 7 м.

Буріння шпурів виконують з промивкою водою, яка по спеціальній трубці в перфораторі та осьовому отворі в бурових штангах безперервно подається у вибій шпура.

Це дозволяє суттєво зменшити виділення в атмосферу пилу від буріння й ефективно охолоджувати буровий інструмент.

Для буріння шпурів використовують змінні бурові коронки, армовані пластинками твердого сплаву.

Долотчаті коронки використовують в основному при бурінні по міцних, монолітних породах, а хрестові – по тріщинуватих і відносно слабких породах.

У вугільній промисловості основне застосування одержали бурильні установки на візках з одною або двома буровими машинами обертової або обертово-ударної дії на колісно-рейковому ходу. При виборі типу бурової машини для конкретних гірничо-геологічних умов необхідно виходити насамперед з розмірів і призначення гірничої виробки, міцності розбурюваних порід, виду енергії технічної характеристики бурової машини.

Бурильна пневматична установка БУ1М (БУ1Б) обертово-ударної дії призначена для буріння шпурів по породах з коефіцієнтом міцності f=6-16 при проведенні горизонтальних гірничих виробок перерізом від 8 до 20 м.

Установка БУ1М складається з бурової машини, маніпулятора верхнього і нижнього візків. Установка споряджена складними балками-рейками, які підкладаються під перекладні ролики нижнього візка; вся установка за допомогою кривошипного механізму піднімається вгору і перекочується на сусідню колію.

При проведенні підготовчих і очисних робіт виникає необхідність буріння великої кількості свердловин різного призначення по вугіллю і породі. З цією метою застосовуються бурові станки. Основний спосіб буріння – обертовий. Робочим органом бурового станка є бурова машина, яка складається з бурильної головки (обертувача) і механізму подачі. Обертувач призначений для передачі крутого (крутячого) моменту від двигуна буровому поставу з робочим інструментом.

Механізм подачі забезпечує поступальне переміщення бурового поставу і створює визначене осьове навантаження

Буровий станок Б-100-200 призначений для буріння по вугіллю і неміцних породах дегазаційних, зволожуючих у водоспускних, вентиляційних та іншого призначення свердловин діаметром 100-130 мм, глибиною до 200 м у пологих і до 150 м у крутих з підготовчих виробок у довільному напрямку, з дистанційним управлінням та автоматичним нарощуванням бурового состава. Станок виготовляється у двох виконаннях: з електричним – Б-100-200 Е і пневматичним - Б-100-200 Е приводами.

Буровий станок Б86КП призначений для буріння підняттєвих свердловин (вентиляційних, розрізних та інших по вугіллю на крутих пластах потужністю 0,35 м і більше, діаметром 300, 400 мм і при розбурюванні зворотним ходом діаметром 600, 800 мм на довжину до 160 м. Станок Б68П включає: насосну станцію з регулюючим реверсивним насосом із подачею 50 л/хв. для живлення робочою рідиною гідродомкратів гідравлічної системи установочні механізми, що забезпечують підйом на необхідну висоту, нахил осі буріння і закріплення машини у виробці за допомогою гідроциліндрів розпору; пульта управління, що забезпечують дистанційне керування машиною з відстані до 20 м; буровий інструмент; зрошувальну систему для подачі води під тиском до форсунок, встановлених біля устя свердловини або безпосередньо у вибій через порожнистий буровий постав.

Гезенкопрохідницька бурова машина "Стріла-77" призначена для проведення підняттєвих виробок під кутом нахилу 40-90° круглого перерізу (свердловин) діаметром 1 м і довжиною до 100 м по породах з коефіцієнтом міцності до 10 на шахтах довільної категорії по газу. Пройдені виробки можуть бути використані в ролі скатів, гезенків для спуску вугілля і породи, переміщення людей, доставки матеріалів, вентиляції та інших цілей. Машина "Стріла-77" розроблена в двох виконаннях: з електричним приводом – Се-77 і з пневматичним приводом Сп-77.

Експлуатаційні або підривні свердловини діаметром 80-150 мм і довжиною 40÷50 м для відбійки гірських порід при очисних роботах та проходці деяких виробок (відрізні, підняттєві) бурять за допомогою різних бурових установок, станків, агрегатів.

Свердловини відносно невеликого діаметра до 80÷85 мм і глибиною до 20÷25 м часто бурять за допомогою бурових установок, оснащених потужними колонковими перфораторами вагою 60-70 кг, які були розглянуто вище.

Найбільше поширення при відбійці корисних копалин одержали свердловини діаметром 105 мм, буріння яких виконують буровими станками з заглибними пневмоударниками обертово-ударним способом. Це дозволяє більш ефективно використовувати силу удару для буріння свердловин і збільшити продуктивність праці.

На практиці для цього широко використовують бурові станки НКР-100 м. Власне станок складається з двигуна, редуктора, пневмозахвата штанг, пневмоподавачів, ручної лебідки та пульта управління (керування).

Станки випускають з електричними (НКР-100 МА) та пневматичними (НКР-100 МП) двигунами. Стояк (постав) бурових штанг захвачується пневмозахватом і через редуктор обертається зі швидкістю 100-150 об/хв. Пневмоподавач створює напір на стояк (постав) штанг до 6 кН. На кінці стояка (постава) штанг в свердловині знаходиться заглибний пневмоударник з буровою коронкою.

Пневмоударник – це проста за конструкцією безклапанна бурова машина ударної дії, яка працює на вітряно-водяній суміші з тиском менше 0,5 МПа (рис.2.6). Ця суміш утворюється шляхом уприскування ежектором у струмінь стиснутого повітря розпиленої води під тиском.

По осьовому отвору стояка (постава) штанг суміш подається на пневмоударник і цим забезпечується зворотно-поступальний рух поршня-ударника. Після вихлопу суміш зрошує вибій свердловини і виносить буровий шлам із свердловини.

Витрати води та стиснутого повітря відповідно дорівнюють 15-20 л/хв., 6-7 м³/хв. для станків з електроприводом до 20 м³/хв. для станків з пневмоприводом.

Станки НКР-100М, як і аналітичні інші, дозволяють бурити свердловини в будь-якому напрямку. Продуктивність буріння змінюється від 3-5 м/зміну при відносно слабких породах.

При відбійці міцних та дуже міцних гірських порід бажано застосовувати свердловини великого діаметру. Буріння таких свердловин діаметра 150÷250 мм виконують за допомогою шарошкових коронок (рис.2.7) і спеціальних станків.

Шарошкове коронка-долото має дві-три лапи, на осі яких насаджені конічні стальні шарошки, армовані штирями твердого сплаву. Шарошка вільно обертається на осі. Під час буріння станок обертає постав штанг з шарошковим долотом і створює великий осьовий тиск на вибій. Шарошка, обертаючись на вибої, послідовно наносить удари, зруйновуючи масив.

Для підземних умов випускають самохідні бурові станки на гусеничному ходу з електричним приводом. За допомогою них можна бурити свердловини діаметром до 250 мм і глибиною до 80 м. Ці станки змонтовані на гусеничній платформі. Гідравлічна система розвиває зусилля подачі постава штанг до 450 кН. Кількість обертів 40÷50 за хвилину. При бурінні станок розпирається колонками. У комплексі зі станком випускають платформу на гусеничному ходу з комплектом бурових штанг, довжина кожної з яких 1 м.

Станок забезпечує повну механізацію робіт по бурінню.

Вибухові речовини та засоби підривання

Вибухові речовини, які використовують у промисловості, призначенні для формування зарядів ВР у масивах порід та ініціюючи для виготовлення засобів підривання.

Промислові ВР випускають у паперових, просочених парафіном патронах, у пресованому і порошкоподібному вигляді, а також розсипними у вигляді гранул у паперових або поліетиленових мішках.

Відомо велику кількість різних за складом і властивостями ВР, але на практиці при підземних гірничих роботах в основному застосовують аміачно-селітряні ВР, які є механічними сумішами аміачної селітри з різними добавками. Як добавки використовують деревну муку, сажу, алюмінієву пудру, дизельне пальне, деякі нітропохідні (тротил, гексоген та інші).

Схему складу розповсюджених аміачно-селітряних ВР подана на діаграмі (рис.2.8), яка підготовлена проф. Ю.П. Капленком і В.К. Мартиновим.

Початковий імпульс вибуху–ініціювання заряду ВР–виконується вибухом детонатора або детонуючого шнуру, а детонацію останніх виконують за допомогою вогнепровідного шнура або електрозапальника.

Підривання зарядів ВР виконують способами: вогневим, електричним за допомогою детоную чого шнура.

При вогневому способі підривання в заряд ВР вводять капсуль-детонатор із приєднаним відрізком вогнепровідного шнура. Полум’я шнура збуджує детонатор, а останній збуджує детонацію заряду ВР (рис.2.9).

Капсуль-детонатор являє собою паперову або металічну гільзу з запресованим зарядом ініціюючої ВР, азид свинцю, гримуча ртуть, тетрил (рис.2.10).

Рис.2.9.Конструкція зарядів ВР:

1 – вогнепровідний шнур; 2 – набійка; 3 – бойовий патрон;

4 – патрони ВР; 5 – електродетонатор; 6 – гранульована ВР;

7 – детонуючий шнур

а) Капсуль-детонатор миттєвої дії.

1 – ВР первинна; 2 – ВР вторинна; 3 – запалююча суміш; 4 – проводи;

5 – пробка; 6 – гільза.

б) Капсуль-детонатор короткоуповільненої дії. 7 – сповільнюючи речовина.

в) Вогнепровідний шнур. 8 – обплетення з бавовняно-паперових ниток зі смолою;

9 – серцевина із пороху у нитці.

г) Запалювальний патрон. 10 – пороховий заряд; 11 – паперова гільза;

12 – вогнепровідні шнури; 13 – вогнепровідний шнур, який запалює пороховий заряд.

Вогнепровідний шнур (ВШ) необхідний для передачі іскор до капсуля-детонатора, це шнур, діаметром 5-6 мм, середина якого складається із пороху заряженим у нитці, яка покрита декількома шарами оголення із бавовняно-паперових ниток з смолою, асфальтом.

В основному застосовують шнур нормального горіння, сірого кольору зі швидкістю горіння 1 см/с.

При підриванні великої кількості зарядів ВР для одночасного запалювання відрізків ВШ використовують запалювальні патрони, які мають вигляд паперової гільзи, на дні якої знаходяться порох з парафіном і каніфоллю. У патрон встановлюються відрізки ВШ, які і підпалюються від суміші в патроні, яка в свою чергу підпалюється від окремого відрізку ВШ.

Електропідривання зарядів ВР виконується за допомогою електродетонаторі.

Електродетонатори бувають миттєвої, сповільненої і коротко сповільненої дії, які ініціюють заряди ВР із сповільненням від 20 мс до 10 сек. Джерелом струму при електропідриванні слугують: підривні машинки, силові та освітлювальні мережі.

Детонуючий шнур (ДШ) слугує для передачі детонації на відстань від детонатора. ДШ схожий із ВШ, але його на відстань від серцевина складається з ініціюючої ВР (ТЭН, гексоген та ін..) швидкість детонації ДШ – 6000-8000 м/с.

Підривання гірських порід

При вибуху заряду ВР вивільнюється велика кількість енергії (тепла 800-1000 ккал/кг і газу ~ 1000 л/кг. Температура підвищується до 4000⁰С, а тиск до 20-30 тис.МПа). Це викликає потужні ударні хвилі, які разом з газами руйнують масив.

У результаті вибуху заряду ВР, розташованого на рівній відстані від вільної поверхні утворюється воронка зруйнування конусоподібної форми, розмір якої визначає дію вибуху і характеризується показником дії вибуху

де W – ЛНО найкоротша відстань заряду від вільної оголеної поверхні; r – радіус воронки.

Якщо в конкретному середовищі підривати однакові за вагою заряди ВР при різній ЛНО, отримаємо таку картину:

1. ЛНО відносно невелика – утворюється воронка радіусом на поверхні більше ЛНО. Такий заряд називають зарядом посиленого викиду.

2. Якщо збільшимо ЛНО, то одержимо у результаті вибуху воронку, в якій r=W. Такий заряд називають зарядом нормального викиду.

3. Якщо збільшимо ЛНО настільки, що середовище при вибуху не викидається за межі воронки, а тільки розпушується в межах воронки з випиранням назовні. Звичайно це виникає при U<0,7÷0,75. Такий заряд називається зарядом розпушення.

4. При подальшому збільшенні ЛНО вибух заряду ВР викликає зруйнування середовища тільки навколо заряду з утворенням порожнини без виходу на поверхню. Такий заряд називають комуфляжним.

На практиці при виконанні гірничих робіт необхідно зруйнувати середовище досить великих обсягів. Це досягається вибухом не одного, декількох (десятки, іноді і сотні) зарядів ВР. При чому заряди в масиві розміщують таким чином, щоб воронки руйнування, сфери дії кожного дотикались або пересікались.

Параметри розташування зарядів ВР будуть:

- відстань між рядами зарядів ЛНО – W.

- відстань між зарядами в ряду – al.

Відношення між al/W=U2 називають показником збільшення зарядів ВР, який

на практиці дорівнює 0,8-1,6, залежно від властивостей середовища, що підривається.

При вибухових роботах основні параметри розташування сітки зарядів ВР (al, W), вага зарядів визначається розрахунковим способом.

Відомо багато методів розрахунків параметрів буропідривних робіт, в основі яких лежить принцип визначення необхідної енергії для зруйнування визначеного об'єму масиву з конкретними фізико-механічними властивостями.

Ці методи розглядаються в дисципліні "Руйнування гірничих порід вибухом".

На практиці застосовують три види зарядів ВР: накладні, колонкові та концентровані (рис. 2.15, відповідно а,б,в).

Накладні або відкриті заряди розташовують безпосередньо на поверхні об'єкту, що підривається. їх використовують для дроблення великих (негабаритних) кусків, ліквідації зависань руди при її випуску із блоків.

Колонкові – подовжені заряди звичайної круглої в перерізі форми, які по довжині в багато разів (в 50-100 разів і більше) перевищують розмір перерізу.

Ці заряди формуються, розміщуютьсяв шпурах або свердловинах часто звуться шпуровими або свердловинними зарядами ВР.

Колонкові заряди формують патронованими або гранульованими ВР.

Це основний вид зарядів при гірничих роботах.

Концентровані заряди вагою кожен до декількох тонн, розміщують у горизонтальних або вертикальних виробках.

Вибух цих зарядів ВКЗ, ГКЗ не викликає руйнування примикаючих виробок, ще виключає дію повітряних ударних хвиль на навколишній масив і не дає великий вихід негабаритних шматків. Їх застосовують для відбійки міцних руд, обвалення великих масивів вміщаючих порід.

Розповсюджені схеми розташування шпурових зарядів при проведенні виробок і очисного виймання наведено на рис. 2.16.

При відбійці руди свердловинні заряди розташовують паралельно або віялоподібно.

Паралельне розташування характеризується постійною відстанню між зарядами по всій довжині, що забезпечує рівномірне розподілення ВР у масиві, рівномірне та якісне дробленні масиву.

Проте в порівнянні з віяловим розташуванням воно потребує виконання більшого обсягу проходки виробок для буріння і більш часту перестановку бурових станків.

Віялове розташування характеризується не рівномірним розподілом ВР у масиві, так як відстань між свердловинами по довжині різна, що обумовлює певну нерівномірність дроблення масиву. Разом з тим таке розташування зарядів потребує невеликого обсягу проведення бурових виробок, меншої кількості перестановок бурових станків.

Вибір способу розташування свердловинних зарядів залежить, головним чином від властивостей корисної копалини, швидкості та вартості буріння свердловин.

Паралельні схеми розташування зарядів застосовують, в основному, в міцних монолітних корисних копалинах.

В інших випадках перевага віддається різним схемам віялового розташування зарядів ВР.

Найбільш характерні схеми розташування свердловинних зарядів ВР показано на рис.2.17.

Утворені за допомогою буріння вибухові порожнини – шпури та свердловини перед вибухом заповнюють ВР формуючи в них заряди.

Патроновані ВР, які застосовують в основному для шпурових зарядів, заряджають вручну, за допомогою дерев’яних забійників, якими патрони посилають у шпур й ущільнюють їх.

Під дією стиснутого повітря ВР по зарядному трубопроводу транспортується у свердловину або шпур, де формується заряд ВР досить високої щільності до 1,2 т/м³.

Практично використовують зарядні установки двох типів:камерні та барабанні.

Установки камерного типу є порціонні, за допомогою яких по шлангу подається в шпур (свердловину) порція ВР, вагою від 1,5 кг до 15 кг. Схему порціонного зарядника камерного типу показано на рис. 2.18.

ВР із бункера через конусний затвор подається в дозатор. При включенні стиснутого повітря поршень рухається вгору і конусний затвор перекриває дозатор. При русі поршня відкривається отвір у штоці, і стиснуте повітря надходить в дозатор і вштовхує порцію ВР у зарядний трубопровід. Пружина повертає поршень у нижнє положення, і нова порція ВР потрапляє в дозатор. Такими зарядами заряджають шпури і свердловини діаметром до 80мм і довжиною до 20 м при відстані транспортування ВР 30-50 м.

Схему зарядної установки барабанного типу і безперервної дії показано на рис.2.19. Тут ВР із бункера потрапляє під власною вагою в комірки конусоподібного барабана-живильника, який обертається від пневмодвигуна і передає дози ВР у змішувальну нижню камеру.

2.18. Порційний зарядник:

1 – бункер; 2- циліндр; З - пружина; 4 - поршень; 5 - стиснуте повітря;

6-шток; 7- конусний затвор; 8 - дозатор; 9 - зарядний трубопровід.

Із змішувальної камери стиснутим повітрям ВР спрямовується потоком у зарядний трубопровід із напівпровідникового матеріалу.

Установки цього типу монтують або на візках (УЗС), або на рейковому візку і за допомогою їх можна ефективно заряджати свердловини будь-якого напрямку, а також формувати ВР з осьовою порожниною спеціальними насадками.

Довжина транспортування ВР по трубопроводу до 250 м по горизонталі і до 50 м по вертикалі. Вони забезпечують продуктивність праці на заряджанні свердловин до 6000 кг за зміну.

Широке впровадження на підземних гірничих роботах, особливо за кордоном, одержують модульно-буровибухові комплекси. Вони передбачають одну машину, в якій замінюється буровий модуль на зарядний і, після проведення вибуху, навпаки.

Вибухові роботи неминуче викликають і деякі негативні наслідки: утворення і викиди у виробки отруйних та шкідливих газів, рудничного пилу, сейсмічний вплив на виробки і навколишній масив, ударну повітряну хвилю, які негативно впливають на умови праці гірників, стійкість виробок та екологічні умови в районі шахти.

При підриванні зарядів ВР виникає і викидається у виробки (як уже зазначалось вище) отруйні, шкідливі гази (окис вуглецю, окиси азоту, вуглекислий газ), а також рудниковий пил.

Кількість отруйних газів залежить від типу ВР і умов їх підривання. Так, за даними аналізів при багаторазових вибухах у породах і рудах міцністю від 4 до 18 балів кількість отруйних газів у перерахунку на 1 кг ВР досягає: окису вуглецю від 52 л до 62 л, окисів азоту від 7 л до 25 л, вуглекислого газу від 46 л до 196 л.

Концентрація цих газів після вибуху значно перевищує допустимий рівень.

Незважаючи на комплекс заходів щодо газоподавлення та їх розрідження з усіх шахт Криворізького басейну протягом року викидається в атмосферу з вентиляційною течією - 950-1000 тонн окису вуглецю, 80-85 тонн окисів азоту, що, природно, погіршує екологічні умови в районі.

Разом з газами у виробки при вибухах викидається велика кількість породного пилу. При вибуху шпурових зарядів ВР під час проведення виробок запиленість у районі вибуху досягає 60-1000 мг/м³ (при санітарній нормі 2 мг/м³).

Для подавлення пилогазового вибухового об'єму застосовують комплекс заходів, до яких входять зрошення, туманоутворення, ефективне провітрювання.

Частина породного пилу викидається в атмосферу вентиляторними установками. Загальна кількість викиду пилу в атмосферу шахтами Кривбасу досягає в середньому 70-80 т за рік.

Вибух зарядів ВР великої загальної ваги (масові вибухи при відбійці руди) викликають досить велику сейсмічну дію на оточуючий масив і прилягаючі

виробки, що в певній мірі порушує масив і зменшує стійкість виробок.

При підриванні великої кількості ВР при відбійці на вільний простір велика маса відбитої руди практично миттєво витискує повітря із цього простору в прилягаючі виробки, утворюючи ударну повітряну хвилю - повітряний удар. Такі повітряні ударні хвилі мають значні руйнівні сили, які залежать головним чином, від ваги ВР, що підриваються, обсягу порожнини і прилягаючих виробок.

Масові вибухи повинні оцінюватися по дії ударної повітряноїхвиліпередбачати комплекс заходів по її зниженню і гасінню.

Вибухові роботи повинні проводитися згідно з "Єдиними правилами безпеки при вибухових роботах. На окремий масовий вибух складається технічний проект (розрахунок, паспорт), що враховує конкретно завдання та умови проведення даного вибуху. Цей проект затверджується головним інженером кар'єру або шахти. Підривання шпуровими і свердловинними зарядами здійснюють по наряд-путівці.

Технологічний проект масового вибуху включає: масу зарядів у кожній свердловині з поділом по сортах ВР; конкретну схему підривання; і розміщення свердловинних зарядів у масштабі 1:500 і викопіровку з плану гірничих робіт у масштабі 1:2000 або 1:5000 з нанесенням блоків, які потрібно підірвати, границь небезпечної зони і постів охорони; перелік організаційних заходів щодо проведення вибуху; акт прийому-здачі обуреного блоку; перелік заходів щодо забезпечення безпеки вибуху; список відповідальних осіб і підрозділів, які підлягають оповіщенню та інші документи.

До керівництва вибуховими роботами допускаються особи, які мають закінчену гірничотехнічну освіту, або закінчили спеціальні курси, що дають право відповідального проведення вибухових робіт. Гірничі інженери, гірничі техніки, а також особи, які закінчили спеціальні курси, можуть здійснювати керівництво вибуховими роботами, при наявності у них «Єдиної книжки підривника» з правами керівництва, одержаної після здачі кваліфікаційного екзамену за програмою затвердженою відповідним міністерством. Керівником вибухових робіт є головний інженер або його заступник. Одній особі забороняється керувати вибуховими роботами і проводити їх. До проведення вибухових робіт допускаються особи не молодші 19 років, які мають «Єдину книжку підривника» і стаж гірничих робіт не менше одного року. Для допоміжних робіт (набійка свердловин та ін.) епізодично можуть залучатися спеціально проінструктовані робітники.

Межі небезпечних зон визначаються спеціальними покажчиками. Перед вибухом на цих межах становиться охорона.

Після доставки вибухових матеріалів (ВМ) на блок, що підривається на відстані 50 м від межі блоку виставляється огорожа з прапорців. При користуванні детонуючим шнуром за межами цієї зони можлива робота гірничого і транспортного устаткування.

Заряджають свердловини підривники під керівництвом гірничого майстра, який при необхідності проводить коректування окремих зарядів у бік зменшення.

Використовувані промислові ВР повинні бути безпечними у поводжені з ними і чутливими до ударів, тертя, іскор, тощо. Так все ж таки при будь-яких операціях з ВР необхідно дотримуватися максимальної обережності – не допускати ударів, поштовхів і тертя по ВР або поверхні покритій ними, забороняється також штовхати, волочити, перекочувати (кантувати) і бити по ящиках (тарі) з ВМ.

ВР є пожежно-небезпечними речовинами, а тому слід особливу увагу приділяти забезпеченню протипожежних заходів. При поводженні з ВМ забороняється курити, мати при собі речі для куріння, а також застосувати відкритий вогонь на відстані, меншій ніж 100 м від місця розміщення ВМ. При наявності ВР не можна виконувати ремонтні роботи. При всіх інших роботах необхідно користуватися підручним інструментом, який не дає іскри.

При загорянні ВР для ліквідації осередку пожежі рекомендується застосовувати розпилену воду, пінні та вуглекислотні вогнегасники. Слід пам'ятати, що гасіння великих кількостей ВР дуже небезпечне. Тому у випадку неможливості ліквідувати початковий осередок вогню необхідно негайно сховатися у надійному місці.

Виконуючи операції вибухового комплексу робіт, людина обов'язково знаходиться в безпосередньому контакті з ВР. Особливо обережно слід поводитися з порошкоподібними нітрогліцериновими ВР, які характеризуються підвищеною токсичністю і мають шкідливий вплив на шкіряний покрив. Всі роботи з цими ВР слід виконувати в рукавицях. З метою охорони дихальних шляхів необхідно користуватися респіраторами. Робоче місце мусить добре провітрюватися, і вміст пилу ВР не повинен досягати гранично допустимої концентрації.

Слід пам'ятати, що під час навантажувально-розвантажувальних робіт і у процесі заряджання пил ВР, що утворюється, може бути вибухонебезпечним. У цих випадках слід застосовувати пиловловлюючі пристрої.

Як уже говорилося, деякі промислові ВР схильні до злежування, зволоження.

Забороняється застосовувати при вибухових роботах залежалі (такі які не піддаються розминанню руками порошкоподібні аміачно-селітряні ВР (за винятком зарядів на відкритих роботах) і ВР, зволожені більше встановленої норми. В окремих випадках залежалі ВР і такі, що не піддаються : розминанню, порошкоподібні аміачно-селітряні ВР, які не вміщують у собі гексогену або рідких нітроефірів, можуть бути подрібнені спеціально проінструктованими робітниками. ВР можуть бути використаними на відкритих гірничих роботах або в шахтах, безпечних по газу або пилу.

Робота з димним порохом у місці його зберігання мусить проводитися у взутті, що не має металічних цвяхів. При пневматичному заряджанні пневмотранспортуванні гранульованих

ВР у певних умовах вони здатні електризуватися, що може стати і причиною спалаху пилу ВР або самої ВР. Через це слід суворо дотримуватися правил захисту від статичної електрики. ВР, що використовуються при пневматичному заряджанні, слід і пропускати крізь спеціальні контрольні сита для виловлювання сторонніх речей і злежалих кусків ВР.

Транспортування ВР потрібно здійснювати в суворій відповідності з інструкції щодо транспортування ВР.

При визначенні безпечних відстаней до місця вибуху слід користуватися розрахунковим методом, який рекомендується "Єдиними правилами безпеки при вибухових роботах". Безпечними слід вважати відстані більше радіусів зони небезпечної дії, поражаючої та руйнуючої дії вибуху.

До таких дії відносять сейсмічні розлітання кусків, повітряну хвилю і безпосередню дію вибуху. При розрахунку безпечних віддалей враховується ступінь дії вибуху на об’єкт, що охороняється. Так для будинків і споруд найбільш небезпечним є сейсмічна хвиля, для людей – поражаюча дія повітряної хвилі та розлітання кусків породи. За безпечну відстань для людей береться найбільша з розрахованих безпечних відстаней по повітряній хвилі і розлітанню кусків породи. При збережені ВР і засобів підривання в сховищах, штабелях на поверхні або камерах і комірках у підземних умовах встановлюються безпечні відстані. Що забезпечують неможливість детонації одного заряду (сховища) від іншого.

Безпечні відстані для людей щодо поражаючого діяння повітряної хвилі, газового фактора і розлітання кусків повинні бути такими, щоб виключити нещасні випадки. Через це безпечними відстанями для людей вважають найбільші з розрахованих по дії ударної хвилі, газовому фактору і розлітанню кусків.

При проведенні вибухових робіт у підземних виробках безпечні відстані для людей повинні бути розраховані на дію повітряної хвилі і розлітання кусків породи, а при масових вибухах на видобувних роботах – на газовий фактор (якщо маса зарядів що підривається складає 100 т і більше).

При проведенні підземних виробок кількість ВР, що одночасно підривається, не перевищує 60 кг. Заряди підриваються в шпурах неодночасно, тому дія ударної хвилі буде незначна. Якщо заряд підривається одночасно, то небезпечна зона буде 60 м. Враховуючі направленість повітряної хвилі по виробці, то відстань подвоюється.

Таким чином, цілком безпечною можна вважати розгалуження від виробки (орт, розсічка, камера і т.д.). У цьому випадку безпечна відстань буде межею.

У підземних виробках, на яких направляються газоподібні продукти вибуху, пости не виставляються. Ці виробки захрещуються дошками і вивішується напис про заборону входу в нею. Після закінчення вибухових робіт і провітрювання вибою напис знімається і дошки забирають.

Звукові сигнали при проведені вибухових робіт у підземних умовах подаються свистком. Сигналів мусить бути три. Перший сигнал – попереджувальний (один довгий). Всі люди, які не зайняті на заряджанні змушені піти за межі небезпечної зони або в безпечне місце. Після закінчення роботи по заряджанню і видаленю робітників, проводиться монтаж електровибухової мережі, а також перевірка її справності з безпечного місця.

Другий сигнал – бойовий (два довгих). За цим сигналом підривник з безпечного місця подає струм у електрозапалювальний патрон.

Третій сигнал – відбій (три коротких) подається після огляду місця вибуху й означає закінчення вибухових робіт.

Допуск робітників на місце вибуху дозволяється підривником і відповідальним за проведення вибухових робіт, якщо виявлено, що відсутні не підірвані заряди і робота безпечна.

Контрольні питання:

1) Що таке міцність гірських порід, стійкість, тріщинуватість, розпушуваність, щільність?

2) Які існують способи руйнування гірського масиву?

3) Що таке заряд ВР, засоби підривання, шпур, свердловина?

4) Які існують способи буріння шпурів, свердловин, телескопічні перфоратори, самохідні бурові установки.

5) Бурові установки, їх характеристика, гезенкопрохідницькі бурові машини.

6) Станок НКР-100М, його характеристики, принцип дії, шарошкове буріння.

7) Вибухові речовини, їх склад, способи підривання ВР і засоби підривання.

8) Підривання гірських порід, ЛНО, заряди посиленого, нормального викиду, заряд розпушення.

9) Види зарядів ВР, їх характеристика.

10) Розташування зарядів ВР. Особливості дії вибуху при різних схемах розташування.

11) Машини і механізми, які застосовуються при зарядженні шпурів, свердловин.

12) Негативні фактори, які спричиняє ВР при вибуху.

13) Порядок проведення вибухових робіт.

14) Поводження з вибуховими речовинами.

Читайте також:

1. Абразивність гірських порід і геостатична температура
2. Аеродинамічні властивості колісної машини
3. Акустичні характеристики порід
4. Аналізатори людини та їхні властивості.
5. Аналізатори людини та їхні властивості.
6. Атрибутивні ознаки і властивості культури
7. Білки, властивості, роль в життєдіяльності організмів.
8. Біостратиграфічні методи визначення віку порід
9. Біосфера Землі, її характерні властивості
10. Будова атомів та хімічний зв’язок між атомами визначають будову сполук, а отже і їх фізичні та хімічні властивості.
11. Будова гірських порід
12. Будова і властивості аналізаторів

Переглядів: 4501