Производственные процессы, способы и средства их механизации

Способ производства, средства механизации процессов, число и характер последних зависят в первую очередь от трудности разработки пород, характеризуемой их крепо­стью. По крепости горные породы разделяются на четыре группы: рыхлые и мягкие, легко отделяемые от массива ме­ханическими или гидравлическими средствами (пески, супеси, суглинки, гравий и др.); средне плотные и плотные, трудно отделяемые при выемке (тяжелые глины, мел, гипс и др.); полускальные, с большим трудом разрабатываемые экскаваторами (сланцы, мягкие известняк и песчаник, аргил­литы, алевролиты и др.); скальные, разработка которых невозможна без предва­рительного разупрочнения (твердые невыветрелые осадочные, магматические и метаморфические породы).

Непосредственно горные работы на карьерах заключаются в выемке, перемещении и складировании полезных ископае­мых и вскрышных пород. Соответственно выделяются основ­ные п р о и з в о д с т в е н н ы е п р о ц е с с ы: подготовка по­род к выемке, выемочно-погрузочные работы, перемещение (транспортирование) горной массы, складирование (отвалообразование) пустых пород и разгрузка или складирование полезных ископаемых. Если на карьере производится первич­ное обогащение или переработка полезного ископаемого до конечного продукта, они также входят в состав основных про­цессов.

Каждому основному процессу соответствуют вспомога­тельные работы, производство которых позволяет осущест­влять основной процесс или облегчает его.

Помимо этого, на карьерах выполняется ряд общих вспо­могательных процессов (электроснабжение, вентиляция, во­доотлив, опробование полезных ископаемых, ремонты обору­дования и др.), обеспечивающих производство горных работ.

Основными способами механизации производственных процессов являются э к с к а в а т о р н ы й, г и д р а в л и ч е с к и й и к о м б и н и р о в а н н ы й (их сочетание). При первом применяются различные механические средства (экскавато­ры, скреперы, механические виды транспорта и др.), а при втором основные производственные процессы осуществляются с помощью воды и специального гидромеханизационного обо­рудования. Экскаваторный способ универсален, посредством его выполняется до 95% объемов горных работ и массовых земляных работ; гидравлический способ распространен преимущественно при породах, легко поддающихся размыву и транспортированию водой, при наличии источников воды и достаточно дешевой электроэнергии.

Литература: 1 осн. 4-29, 3 осн. 4-15.

Контрольные вопросы:

1. Главные параметры карьера

2. Элементы уступа

3. Этапы и периоды открытых горных работ

4. Основные производственные процессы

5. Типы забоев

Лекция 2. Подготовка скальных пород к выемке взрывом

Технологические свойства горных пород

Объектами горных разработок являются различные горные породы: коренные (магматические, метаморфические, осадоч­ные), залегающие в толще земной коры на месте своего обра­зования, и покрывающие их наносы — измельченные породы, переотложенные и перенесенные.

Горные породы в процессе их разработки и переработки ха­рактеризуются определенными технологическими свойствами, главными из которых являются трудоемкость их разработки и полезность использования в народном хозяйстве. Технологиче­ские свойства горных пород определяют выбор оборудования для их разработки и переработки, схему комплексной механизации, величину затрат, необходимых для производства горных работ, и, в конечном счете, экономическую эффективность раз­работки месторождения.

При разработке горные породы подвергаются различного рода воздействиям: ударам, сдвигу, уплотнению, перемещению и другим, в результате чего изменяется их состояние: напри­мер, породы, находящиеся в массиве в плотном состоянии, ока­зываются разрушенными.

Трудность разработки определяется, прежде всего, такими физико-техническими свойствами горных пород, как плотность, трещиноватость, пределы прочности на сжатие, на сдвиг, на растяжение, разрыхляемость, крепость, сцеп­ление, угол внутреннего трения.

Совокупная оценка физико-технических свойств пород по трудности их разработки производится на основании классификации горных пород.

Широкое распространение получила классификация проф. М.М.Протодьяконова, в соответствии с которой рыхлые и мягкие породы имеют коэффициент крепости 0,6—0,8, полу­скальные — от 1,5 до 5, скальные — от 5—6 до 15—20. Приме­няются также другие классификации горных пород, в соответствии с которыми производятся планирование горных ра­бот и нормирование затрат на те или иные виды работ, осуществляется учет выполнения работ и т. д.

Для краткой технологической характеристики можно выде­лить следующие группы горных пород: рыхлые и мягкие, плотные, полускальные и скальные в массиве, полускальные и скальные разрушенные. Различают породы монолитные, малотрещиноватые, среднетрещиноватые, сильнотрещиноватые и слоистые.

Процесс подготовки пород к выемке является на­чальным в единой технологической цепи на карьерах. От не­го зависят производительность комплекса оборудования и технико-экономические показатели разработки месторожде­ния. Он включает широкий перечень работ, направленных на изменение естественного состояния горных пород с целью создания благоприятных условий для успешного про­текания последующих производственных процессов (выемка и погрузка, транспортирование, отвалообразование), обеспе­чения безопасности производства и выдачи сырья опреде­ленного качества.

Подготовка горных пород к выемке включает: осушение горных пород, вовлекаемых в разработку; предохранение их от промерзания; повышение устойчивости откосов уступов; разупрочнение, изменение агрегатного состояния породного массива (оттайка мерзлых пород); его разрушение (разрыхление) и другие виды воздействия.

Разработку мягких, сыпучих и выветрелых пород в их обычном состоянии ведут без предварительной подготовки к выемке всеми видами погрузочного оборудования.

Для выемки из массива плотных и наименее прочных полускальных пород используют машины с повышенными усилиями копания. Однако чаще всего необходимо механическое рыхление такого грунта тракторными агрегатами или взрывное разрушение его.

Скальные и полускальные породы нуждаются в предварительном разрушении, как правило, с использованием энергии взрыва.

При отрицательных температурах мягкие, сыпучие и рыхлые породы переходят в мерзлое (криогенное) состояние с резким увеличением прочностных характеристик. Поэтому их невозможно или нерационально разрабатывать без предварительной подготовки к выемке, включающей комплекс мер по защите от промерзания, оттаиванию, гидравлическому разупрочнению, взрывному или механическому разрушению.

Обводненность забоев и большая влажность пород усложняют функционирование выемочно-погрузочного и транспортного оборудования вследствие налипания, намерзания горной массы к транспортным сосудам и рабочим орга­нам машин, снижения несущей способности грунта, проведения специальных мероприятий по защите токоприемников и электрооборудования от попадания влаги. Помимо пред­варительного осушения карьерного поля и защиты его от вод поверхностного стока может возникнуть необходимость в создании локальных систем осушения, например в дренировании горизонтальными скважинами, пробуренными в основании уступа.

Наиболее универсально и эффективно взрывное разру­шение — основной способ подготовки к выемке на месторож­дениях с полускальными и скальными породами. Если при­менение взрывчатых веществ нежелательно или недостаточно экономично, успешно используют механические способы подготовки по­род к выемке.

Под взрывом понимают процесс выделения боль­шого количества энергии и большого объема газов за весь­ма короткий промежуток времени. В горной промышленно­сти получили распространение взрывы с использованием хи­мических взрывчатых веществ (ВВ). Выполняемые с по­мощью ВВ работы по разрушению твердых сред взрывом при разработке месторождений полезных ископаемых назы­вают взрывными. Они являются практически единственным способом под­готовки к выемке скальных пород.

Для передачи максимальной энергии взрыва среде ВВ должно быть расположено, как правило, внутри массива разрушаемой породы в искусственно создаваемых полостях. Цилиндрические полости именуют шпурами или скважинами (рис. 1). Скважины имеют диаметр более 75 мм и глубину свыше 5 м. Процесс искусственного образования в массиве шпуров и скважин называют бурением. Для этой цели используют бурильные машины и агрегаты. Иногда нижнюю часть скважины расширяют, создавая шарообраз­ную полость—«котел» (схема в). Для размещения крупных зарядов, масса которых превышает несколько тонн, создают специальные подземные выработки — камеры (схема г). Разрушение отдельных кусков породы ведут наружными на­кладными зарядами (схема д). По типу полостей получили свое название методы взрывных работ.

Рисунок 1 - Типы зарядов при ведении взрывных работ на карьерах:

а — скважинный; б — шпуровой; в — котловой; г — камерный; д — накладной;

1— заряд ВВ; 2—забойка; 3—зажигательная трубка; 4 – гидроэкран

На карьерах наиболее распространен метод скважинных зарядов. Метод шпуровых зарядов применяют при раз­работке залежей незначительной мощности (до 1,5—3,0 м), при отбойке блоков облицовочного камня, для подработки подошвы, уступов и разрушения крупных кусков породы. Метод котловых зарядов находит применение в тех случаях, когда расчетный заряд не размещается в скважине. Метод камерных зарядов используют при строительстве карьеров или сооружении плотин, насыпей, создании выемок для транспортных коммуникаций.

Взрывные работы должны обеспечить: требуемую кусковатость взорванной горной массы при сохранении сортно­сти и качества полезного ископаемого; качественную про­работку подошвы уступа; соответствие размеров и формы развала взорванной горной массы параметрам выемочно-погрузочного оборудования; объем взорванных пород, доста­точный для бесперебойной и высокопроизводительной выемки и погрузки; высокую безопасность и экономичность гор­ных работ.

Взрывные работы на карьерах ведут в две стадии. На первой массив горных пород разрушают (первичное дробле­ние), на второй — измельчают негабаритные куски (вторич­ное дробление), выравнивают подошву уступа, ликвидируют навесы, заколы и пр.