Размещение шпуров на забое

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1.Типы горных выработок и их назначение

2.Горнотехнические характеристики и классификации горных пород

3.Буровзрывной способ проходки горных выработок

4.Машины для бурения шпуров

5.Типы шпуров, расчет количества шпуров, размещение шпуров на забое

6.Расчет длины шпуров в подземных выработках

1.Типы горных выработок и их назначение

Горные выработки это искусственные выемки в массиве горных пород. Назначение их может быть разным. Они применяются достаточно широко при разработке месторождений в горнодобывающей промышленности, при проведении геологоразведочных работ, как инженерные сооружения в фортификации или при создании коммуникационных и транспортных сетей. Размеры их самые разные. Наиболее масштабные это системы связанных между собой выработок при отработке уникальных месторождений, как, например, Витватерсранд в Южной Африке. Протяженные системы подземных сооружений в метрополитенах многих крупных мегаполисов Мира, грандиозный тоннель, созданный под дном Ламанша, который соединяет Англию и Францию. В данном учебном пособии рассматриваются те выработки, которые применяются в геологии при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, такие выработки называют геологоразведочными.

Прошли времена, когда люди спотыкались на развалах рудных тел, выходящих на дневную поверхность. Теперь геологу, чтобы найти месторождение, требуется видеть глубже. Для этого существуют различные методы и технологии, но наиболее надежными остаются бурение и проходка выработок. А при отработке месторождений без горных выработок и вовсе не обойтись, при этом здесь применяются наиболее солидные по объему выемки горной массы - эксплуатационные. Если геологоразведочные служат геологам для кратковременного обнажения горных пород, вмещающих полезные ископаемые, то эксплуатационные - для длительного пользования уже при разработке месторождений горняками. Эксплуатационные выработки по назначению подразделяются на капитальные, подготовительные и очистные. Первые служат для обеспечения доступа к месторождению с поверхности, вторые - для подготовки его к отработке, а третьи являются собственно эксплуатационными, то есть с их помощью производиться выемка полезного ископаемого. Названия горных выработок преимущественно германоязычные. Они в России укоренились со времен Петра I. и отражают различия между ними по ряду признаков: по связи с дневной поверхностью, по положению в пространстве относительно вектора силы тяжести, по ориентировке относительно залегания тел полезных ископаемых и вмещающих пород, по направлению перемещения забоя; по направлению перемещения грузов и т.д.

2.Горнотехнические характеристики и классификации горных пород

Физико-механические свойства горных пород являются главными факторами, определяющими выбор оборудования и технологию добычи. К наиболее существенным из этих свойств относятся крепость и устойчивость.

Крепость -- комплексная характеристика горных пород, характеризующая их сопротивляемость разрушению и зависящая от таких свойств как твердость, вязкость, трещиноватость, и от наличия прослоек и включений. Понятие крепости введено проф. М.М. Протодьяконовым, который предложил для ее количественной оценки использовать коэффициент крепости f. В первом приближении величина f обратно пропорциональна пределу прочности породы при сжатии сж. Поскольку коэффициент крепости связан с прочностью пород, его можно рассчитать в простейшем случае по формуле

f = 0,01 сж.

где - предел прочности пород при сжатии, Па, для многих пород составляет от 5 до 200 МПа.

Горные породы по сопротивляемости разрушению от воздействия внешних сил классифицируют по относительной крепости, удельной работе разрушения, буримости и взрываемости.

Классификация горных пород по крепости разработана М.М. Протодьяконовым в 1926 г. Согласно этой классификации все горные породы разбиты на 10 категорий. К первой категории отнесены породы наивысшей крепости (f = 20), к десятой -- наиболее слабые плывучие породы (f = 0,3),

На выбор метода ведения взрывной отбойки горных пород от массива оказывает влияние взрываемость, под которой понимают сопротивляемость породы разрушению взрывом. Взрываемость определяется количеством эталонного взрывчатого вещества, необходимого для разрушения породы объемом 1 м3 (показатель удельного расхода ВВ). Для определения удельного расхода ВВ (кг/м3) применительно к конкретным породам используют различные классификации пород по взрываемости, например Единую классификацию пород по буримости и взрываемости проф. А.Ф. Суханова.

Буримость горной породы характеризует ее способность сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента и интенсивность образования в породе шпура или скважины под действием усилий, возникающих при бурении. Буримость породы характеризуют скоростью бурения (мм/мин), реже -- продолжительностью бурения 1 м шпура (мин/м).

Единая классификация горных пород по буримости разработана Центральным бюро промышленных нормативов по труду для нормирования горноразведочных работ. Буримость - это сопротивляемость породы разрушающему действию инструмента в процессе бурения.

Основной критерий для отнесения пород к той или иной категории по буримости - машинное время бурения 1 м шпура в стандартных условиях. В этой классификации породы разбиты на 20 категорий, а по буримости классифицированы только в пределах IV--XX категорий. Породы I--III категорий предусмотрено разрабатывать отбойными молотками.

Другие классификации разработаны для расчета норм и различных расходных показателей применительно к отдельным производственным процессам (например, Единая классификация горных пород по буримости и взрываемости, в основу которой положены скорость бурения и удельный расход взрывчатых веществ).

Устойчивость горных пород - это их способность сохранять равновесие при обнажении. Устойчивость горных пород зависит от их структуры и физико-механических свойств, величины возникающих в породном массиве напряжений. Устойчивость пород является одним из основных признаков для выбора систем подземной разработки, определения ее параметров и способов крепления горных выработок.

По устойчивости горные породы условно разделены на пять групп.

Весьма неустойчивые горные породы, не допускающие обнажения кровли и боков выработки. К ним отнесены плывучие, сыпучие и рыхлые горные породы.

Неустойчивые горные породы, допускающие некоторые обнажения боков выработки, но требующие возведения крепи вслед за проведением выработки. К таким породам отнесены влажные пески, слабосцементированный гравий, обводненные или сильно разрушенные горные породы средней крепости.

Породы средней устойчивости, допускающие обнажение кровли на сравнительно большой площади, но требующие постановки крепи при длительном обнажении. Это достаточно уплотненные мягкие породы средней крепости, реже крепкие и трещиноватые.

Устойчивые породы допускают обнажения кровли и боков на большой площади, поддержание требуется только в отдельных местах. Это мягкие, средней крепости и крепкие породы.

Очень устойчивые допускают без поддержания обнажения на большой площади и длительное время (десятки лет). Крепить выработки в таких породах не требуется.

3.Буровзрывной способ проходки горных выработок

При разведке месторождений буровзрывные работы наиболее широко используют в процессе проведения горных выработок, реже БВР применяют в геологоразведочных партиях при прокладке наземных транспортных трасс в гористой местности и при сооружении производственных площадок, с которых осуществляют разведочное бурение или проводят подземные горные выработки. Эти работы наиболее распространены при отбойке пород средней и выше средней крепости (коэффициент крепости f > 2). Назначение буровзрывных работ - предварительное рыхление скальных пород.

Буровзрывные работы (БВР) - это комплекс взаимосвязанных технологических процессов, выполняемых с целью отбойки и дробления скальных горных пород при проходке горных выработок. БВР состоят из нескольких последовательных процессов: бурение шпуров (скважин), размещение в них зарядов ВВ (заряжание) и взрывание этих зарядов.

Скважины предназначены для размещения зарядов ВВ.

Шпур представляет собой искусственное цилиндрическое углубление (канал) в горной породе диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м. Скважиной называют канал цилиндрической формы любого диаметра глубиной более 5 м или любой глубины диаметром более 75 мм.

Взрывные работы - это работы по заряжанию и взрыванию зарядов взрывчатых веществ (ВВ).

Заряжанием называют процесс размещения заряда в зарядной камере, взрыванием -- процесс производства взрыва заряда ВВ.

В горном деле заряды размещаются в специальных горных выработках, чаще всего в специальных скважинах. При диаметре скважин до 75 мм и глубине до 5 м их называют шпурами, при более значительных размерах -- взрывными скважинами; относительно редко ВВ размещают непосредственно в специальных горных выработках, называемых минными.

Определенное количество ВВ, подготовленное к взрыву, называют зарядом. В зависимости от типа пространства различают следующие их типы в шпурах (шпуровые заряды).

При проведении геологоразведочных выработок взрывная отбойка горных пород почти во всех случаях осуществляется с использованием шпуровых зарядов.

При горно-разведочных работах производству взрывной отбойки предшествует в основном бурение шпуров. По мере увеличения крепости пород процесс БВР усложняется -- возрастают энергоемкость и время, затрачиваемое на бурение, увеличивается объем буровых работ вследствие того, что появляется необходимость размещения в зарядных камерах все большего количества ВВ. Естественно, что в этих условиях растет и стоимость производства буровзрывных работ. Время бурения шпуров составляет от 40 до 60% общего времени проходческого цикла. Поэтому выбор бурового оборудования существенно влияет на скорость проведения горных выработок.

Процесс бурения, осуществляемый различными способами, включает две, как правило, совмещаемые во времени операции: отделение от забоя, сопровождаемое разрушением породы, и удаление из шпура или скважины горной мелочи (буровой шлам). В условиях геологоразведочных работ породу при бурении разрушают с помощью передачи на забой шпура (скважины) через буровой инструмент механических нагрузок. Этот вид бурения называют механическим. При механических способах бурения на забой передаются сжимающие нагрузки, вызывающие в породе напряжения сжатия, которые трансформируются в напряжения сдвига, среза, растяжения. Когда величина этих напряжений превышает предел прочности, порода на забое разрушается. шпур забой выработка

Вторая операция -- удаление шлама из шпура (скважины) -- осуществляется водой, воздушной струей или механически.

На горноразведочных работах применяют механические способы бурения шпуров и скважин. При механических способах бурения порода разрушается твердым породоразрушающим инструментом. Механические способы бурения подразделяют на ударно-поворотный, ударно-вращательный, вращательно-ударный и вращательный.

Ударно-вращательный способ бурения характеризуется тем, что удары наносят по непрерывно вращающемуся буровому инструменту, разрушающему забой шпура. Данный способ может применяться при крепости пород f = 6-20.

Вращательно-ударный способ бурения сочетает вращательный и ударный способы. Коронке, находящейся под давлением, придается независимое вращение и одновременно по ней наносятся удары. Разрушение породы происходит за счет ее скалывания при вращении коронки. Этот способ бурения целесообразно использовать в породах крепостью f = 4-14.

При вращательном бурении разрушение забоя шпура производится за счет сжатия, раздавливания и скалывания лезвиями инструмента (резца), вращающегося при одновременном действии осевого давления. Вращательное бурение может применяться в породах крепостью f12 в зависимости от типа бурильной машины вращательного действия.

Ударно-поворотный способ бурения характеризуется тем, что порода разрушается в результате последовательных ударов по забою шпура бурового инструмента (штанги и буровой коронки), совершающего возвратно-поступательные движения. Перед каждым следующим ударом инструмент поворачивается на некоторый угол, чем обеспечивается разрушение породы по всей площади шпура. Этот способ бурения может использоваться для пород крепостью f=4~20.

В некоторых случаях в труднодоступных районах, куда трудно доставить технику и при малом объеме работ в породах V - XIII категорий применяется ручное бурение шпуров. Ручное бурение бывает только ударно-поворотным.

4.Машины для бурения шпуров

Шпуры бурят с использованием компактных, транспортабельных бурильных машин относительно небольшой мощности. Эти особенности бурильных машин обеспечивают удобство их эксплуатации в горных выработках; в условиях разведки месторождений они облегчают перевозку оборудования к месту производства работ и позволяют бурить шпуры при небольшой энерговооруженности.

Бурильные машины оборудуют индивидуальными силовыми приводами -- пневматическими, электрическими или встроенными в корпус двигателями внутреннего сгорания.

При значительных объемах бурения шпуров в определенных горно-геологических условиях становится целесообразным использование более мощного и производительного оборудования -- бурильных установок, имеющих пневматические или электрические силовые приводы.

Исходя из рассмотренных выше способов бурения шпуров бурильные машины разделяют на следующие классы:

1)ударно-поворотного действия -- перфораторы;

2)вращательного действия -- сверла;

3)вращательно-ударного действия -- колонковые перфораторы и бурильные головки, монтируемые преимущественно на специальных бурильных установках.

5.Типы шпуров, расчет количества шпуров, размещение шпуров на забое

При проведении горных выработок шпуровым методом выделяют следующие основные параметры взрывной отбойки: число шпуров, их глубину и диаметр, коэффициент использования шпура и удельные расходы ВВ.

Типы шпуров по назначению.

При проходке горных выработок в твердых породах важно правильно определить количество шпуров, расположить их на забое и соблюдать определенную последовательность при их взрывании.

Действие ВВ на горную породу в значительной степени отличается при условие одной или нескольких обнаженных поверхностей на забое.

Наличие дополнительной обнаженной поверхности способствует большему эффекту взрыва по сравнению с первым случаем. Поэтому при проходке многих горных выработок на забое создается вруб - первичное углубление, которое дает дополнительное обнажение поверхности и ослабляет породу.

Различают врубовые, отбойные и оконтуривающие шпуры.

Врубовые шпуры предназначены для создания дополнительной обнаженной поверхности, облегчающей полезную работу другим - отбойным шпурам. Они всегда взрываются первыми. Количество врубовых шпуров обычно 3-6 штук в зависимости от крепости пород. В некоторых случаях в очень крепких породах в центре забоя бурятся 1-2 холостых шпура, которые не имеют заряда и играют роль дополнительной обнаженной поверхности.

Схема размещения и ориентировка врубовых шпуров на забое называется типом вруба.

По принципу действия врубы разделяются на отрывающие (клиновые, пирамидальные), в которых шпуры наклонены к оси выработки и разрушающие (прямые, призматические, щелевые) с ориентировкой шпуров параллельно оси выработки.

Врубы первой группы более распространенные, но их глубина лимитируется шириной выработки (В).

l шп = (0,7-0,9)В

Углы наклона зависят от крепости пород. Породы с коэффициентом крепости по Протодьяконову 15-20 бурятся с максимальным наклоном - 600, менее крепкие (15-5) - 650 град и от 1до 5 с углом не более 700.

Шпуры второй группы позволяют осуществлять заходки большей величины.

l шп = (1,1-1,3)В

Расстояние между отбойными несколько больше, чем между врубовыми, так как последние работают в более трудных условиях (монолитный массив пород). Отбойные шпуры в свою очередь, хотя и могут взрываться одновременно, по своему расположению делятся на вспомогательные и оконтуривающие. Первые расположены ближе к врубовым и расширяют вруб, а задача оконтуривающих шпуров - обеспечить сохранение заданных параметров сечения горной выработки. Для этого в крепких породах они бурятся с наклоном с выходом нижней части за пределы контура выработки, в средних же по крепости породах они могут буриться вертикальными или наклонными, но при этом остаются в контуре выработки.

На основе практических данных установлена область применения различных врубов. В массивных породах наиболее эффективным является пирамидальный вруб в центральной части забоя. Клиновый вруб применяют в слоистых породах. Прямые врубы (щелевой и призматический) могут применяться в выработках малых сечений.

Вспомогательные шпуры производят отбойку породы в сторону боковой обнаженной поверхности (вруба). Они взрываются вслед за взрывом врубовых шпуров и способствуют расширению врубовой полости.

Оконтуривающие шпуры, взрываемые последними, предназначены для придания выработке запроектированной формы и размеров поперечного сечения.

В забоях выработок небольшого сечения вспомогательные шпуры иногда не бурят, а их функции выполняют оконтуривающие шпуры.

Расчет количества шпуров.

Существуют несколько способов расчета, все эмпирические. Наиболее часто расчет ведется на основе формулы проф. М.М. Протодьяконова, связывающей коэффициент крепости пород и площадь забоя.

Указанное неравенство может служить для проверки результата расчета по вышеприведенной формуле М.М. Протодьяконова. Если неравенство не выполняется, то количество шпуров изменяется таким образом, чтобы площадь забоя, приходящаяся на один шпур соответствовала указанным значениям.

Размещение шпуров на забое горной выработки.

После определения количества шпуров на забое выработки необходимо составить схему размещения шпуров на забое горной выработки. При размещении шпуров следует учитывать следующие правила: 1 - шпуры размещаются по площади забоя относительно равномерно, чтобы была обеспечена равномерная работа каждого шпура; 2 - минимальное расстояние между зарядами должны быть таким, чтобы исключалась возможность детонации; 3 - размещение шпуров должно обеспечивать отбойку породы в контурах выработки согласно проекта с наибольшим КИШ; 4 - необходимо обеспечить равномерное дробление породы до необходимой крупности кусков.

Схема расположения шпуров представляет изображение их пространственного положения на трех взаимно перпендикулярных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью забоя.

Порядок составления схемы следующий.

Вначале, исходя из особенностей горных пород, определяется тип вруба, количество врубовых шпуров и углы их наклона к плоскости забоя. Затем определяется количество отбойных шпуров, необходимых для поддержания при проходке проектного сечения горной выработки и углы их наклона к плоскости забоя. Оставшееся количество шпуров считается вспомогательными.

Размещение шпуров при проходке канав.

Количество шпуров определяется по формуле Протодьяконова. Шпуры располагаются в один или два ряда параллельно оси канавы под углом 900. В некоторых случаях шпуры бурятся с наклоном к поверхности забоя в зависимости от условий залегания пластов горных пород. При двухрядовом размещении шпуры располагаются относительно друг друга в шахматном порядке.

6.Расчет длины шпуров в подземных выработках

От длины шпуров будет зависеть скорость проходческих работ. Короткие шпуры снижают производительность работ, но их длина ограничена шириной выработки. Кроме того, она ограничена и длительностью рабочей смены. Чтобы обеспечить эффективность работ, необходимо учесть все выше обозначенные ограничения и условия. Существует много эмпирических способов расчета глубины шпуров. Нами будет рассмотрены только некоторые из них.

В общем случае глубина шпура, ориентированного перпендикулярно поверхности забоя, связана с длиной заходки следующей зависимостью:

l зах / l шп = К.И.Ш.

Где l зах - длина заходки, l шп - глубина шпура, К.И.Ш. - коэффициент использования шпура, равный 0,7-0,95, равен отношению глубины получаемой при взрыве воронки к глубине шпура.

Формулу используют для проверки максимальных глубин шпуров полученных другими способами.

Минимально допустимая глубина шпура принимается равной 0,5 м. В шпурах меньшей глубины резко снижается эффективность использования взрывчатых веществ.

Для наклонных шпуров дополнительно рассчитывается длина, которая необходима для определения общей длины буров для перфоратора.

Размещено на Allbest.ru