§ 5. Гірничі роботи, інструменти й машини

Класифікація гірничих робіт. Проходження гірничих виробок здійснюють під час гірничих робіт, які проводяться для відокремлення частини корисних копалин або пустої породи від загального масиву. Гірничі роботи поділяються на ручні, що проводяться ручними та механізованими інструментами; машинні, що проводяться різними механізмами (екскаваторами, бульдозерами, скреперами, шурфопрохідницькими агрегатами тощо); гідромеханічні, які використовують енергію води, що подається до місця роботи гад великим напором; спеціальні, які використовують тепло та холод; підривні, що проводяться за рахунок енергії заряду ВР.

Гірничі роботи із застосуванням ручного інструменту мають малий обсяг, за якого використання механізованого інструменту економічно невигідне. До ручних інструментів належать: лопата, заступ, кайло, клин, молот, лом (рис. 3).

Лопата й заступ використовуються для проведення допоміжних робіт. Заступ — це лопата, лопать і держак якої розміщені в одній площині.

Кайло застосовують при розробці м'яких і розпушених порід, а також для влаштування врубів при подальшому навантаженні. Однобічне кайло (масою 1,5 кг) використовують у підземних, а двобічне (масою 2,5—3 кг) — у поверхневих виробках. Довжина держака становить 650—750 мм. Кайла поділяються на прості та складені. Кайло зі вставним лезом зветься обушком.

Клин, молот, лом застосовують при проходці ламких, тріщи­нуватих і шаруватих порід, а також для вирівнювання кутів і стінок виробки після вибуху. Плоский клин, що закінчується лезом, застосовується при проходці з правильними площинами нашарування, у решті випадків — пірамідальний. Молот має масу 4—6 кг, довжину держака — 500—600 мм. Маса лома становить 7—10 кг, його довжина — 1,4—1,75 м.

Гірничі роботи із застосуванням механізованого інструменту. До механізованих інструментів належать пневматичні лопати, відбійний молоток, пневмолом тощо.

Пневматичні лопати застосовуються для розпушення важких суглинків, гравію, м'яких вапняків, ламких, глин, синіх льодовикових глин та інших порід аналогічної міцності. Продуктивність пневма­тичної лопати в 2,5—3 рази більша ніж ручних інструментів. Рушійною силою пневматичної лопати є стиснене повітря, яке виробляється пересувним або стаціонарним компресором та приводить у дію поршень із бойком у її циліндрі. У втулку нижньої частини циліндра входить шийка лопати. Під дією ударів бойка об шийку в породу входить лопать, після чого, діючи корпусом лопати як важелем, відокремлюють частину породи від масиву.

Пневматична лопата, яку виготовляє завод «Пневматик» (Санкт-Петербург), має довжину 670 мм, масу 8,6 кг, витрачає повітря в межах 0,8—1,0 м3/хв при тискові 53,9 • 102—58,8 • 102 гПа, кількість ударів бойка за хвилину — 1100.

Пневматичний відбійний молоток (рис. 4) застосовують для механізованої проходки у м'яких, твердих, тріщинуватих вапняках, твердих і ламких глинах, мерзлих грунтах тощо. Відбійними молотками проводять відбивання породи, розбивання великих улам­ків, а також забирання бороздових проб. Такий інструмент простий у користуванні, надійний у роботі, підвищує продуктивність праці в 2—2,5 раза порівняно з аналогічними ручними роботами. Принцип дії відбійного молотка подібний до пневматичної лопати. Робочим породоруйнівним інструментом слугує піка. Для твердих і нетрі-щинуватих порід застосовують піки завдовжки 150—250 мм із лезом пірамідальної форми та кутом загострення 60°, для м'яких порід — із добре вираженим кліважем — завдовжки 250—400 мм із лезом ланцетоподібної форми та кутом загострення 25—30°. Кут загострен­ня — це кут між площинами леза піки.

Пневмолом застосовується при проходці гірничорозвідувальних виробок для руйнування та розпушення порід VI—IX категорій, його можна використовувати як пневматичну лопату для розробки м'яких, тріщинуватих і пластичних порід.

Екскаваторні роботи. Екскаватор — машина, за допомогою якої виймають, вантажать гірничу масу та виконують інші земляні роботи. На геологорозвідувальних роботах екскаватори застосовують для проходки канав і траншей у породах І—VI категорій за добувальністю. За характером робочого процесу розрізняють екскаватори перерив­частої дії (одноковшеві) та непереривчастої (багатоковшеві).

Робочий цикл екскаватора складається з головних операцій: черпання грунту (заповнення ковша); переміщення ковша з грунтом до місця розвантаження; розвантаження ковша; повернення ковша у вихідне положення. Одноковшеві екскаватори такі операції роблять послідовно. Це створює повний виробничий цикл. Багатоковшеві екскаватори одночасно виконують усі робочі операції, а також робоче пересування.

Одноковшеві екскаватори (рис. 5) мають: пряму та зворотну механічні лопати, драглайн, грейфер.

Пряма механічна лопата (рис. 5, а) призначається для видобу­вання породи вище рівня установки екскаватора, також застосовується в найрізноманітніших умовах виробництва гірничих робіт у породах різної міцності. При розробці скельних порід механічна лопата править за вантажно-розвантажувальний механізм після попереднього розпушення породи вибухом. Робоче обладнання прямої механічної лопати складається з ковша, рукоятки, напірного механізму, блоків і канатів. Місткість ковша від 0,15 до 3 м3 (і більше).

Зворотна механічна лопата (рис. 5, б) призначається для розробки порід, які містяться нижче рівня установки екскаватора. Ківш, який вибирає породу, переміщується в напрямі екскаватора. Зворотна механічна лопата, що має місткість ковша 0,15—1,0 м , застосовується для проходки канав і траншей невеликого перерізу та глибини.

Драглайн (канатно-скребковий екскаватор) - (рис. 5, г) з місткістю ковша 0,25—1,5 м3 призначений для роботи в породах різної міцності. Він застосовується для розробки вибою згори (нижнім черпанням) із горизонту розташування екскаватора; на неосушених, обводнених або слабких породах, коли встановлення екскаватора на підошві вибою утруднене або неможливе; для проходки канав і траншей у відвал або з вантаженням на транспорт; для виймання грунту з котлованів.

У геологорозвідувальних організаціях найбільшого поширення набули гідравлічні навісні екскаватори на пневмоколісному чи гусеничному ходу, які застосовуються як з прямою, так і зі зворотною (механічною) лопатою, з підвищеною маневреністю, прохідністю, продуктивністю, з використанням навісного робочого обладнання. Існує велика кількість типів і марок сучасних екскаваторів (екскаватори-крани, крокуючі, лазячі тощо). На геологорозвідувальних роботах із багатоковшевих екскаваторів найчастіше застосовуються ланцюгові з нижнім черпанням (рис. 6). Ковші-черпаки ланцюгових екскаваторів закріплені на нескінченному ланцюгу, разом із яким вони переміщуються, одночасно зрізуючи та забираючи породу, яка транспортується до місця її розвантаження (бічного або центрального), місткість черпака від 8 до 2500 л. Найбільшого застосування на розвідувальних роботах знайшли багатоковшеві екскаватори — канавокопачі марок ЕТН-251 та ЕТУ-353.

Екскаватор ЕТН-251 (на базі трактора ТН-54) успішно використо­вується при проходці канав у породах І—II категорій. При глибині канав 2—2,5 м і ширині 0,9 м його продуктивність досягає 180—200 м3 за зміну. Канави прямолінійні, широкі та не потребують у більшості випадків додаткового зачищення. Екскаватор ЕТН-251 чутливий до бічного похилу, що є загальним недоліком усіх екскаваторів. Бічний похил більше ніж 8° призводить до швидкого обвалення стінок канави. При великих бічних похилах належить застосовувати грейфер для розчиски та утворення зрізки — дороги, по якій екскаватором проходиіься канава. Продуктивність грейфера при бічному похилі 15—30° становить від 80 до 125 м/год.

Траншейні екскаватори марки ЕТЦ-205С застосовують для проходки канав у мерзлих грунтах як сезонного промерзання, так і вічномерзлих, а також в особливо щільних талих грунтах і слабких породах (мергель, туф, сланець) при температурі повітря до -40°С.

Базою екскаватора слугує бульдозер Д-687С. Екскаватор споряд­жений робочим обладнанням двох модифікацій: а) основним, яке дає змогу проходити канави завглибшки до 2 м і завширшки до 0,85 м; б) змінним — для проходки канав завглибшки до 1,3 м при ширині до 0,9 м. Робоче обладнання легко демонтується. Машина викори­стовується також як бульдозер. Екскаватор замінює 90—95 робітників. Його продуктивність становить 65—100 м за зміну.

Вибір типу екскаватора залежить від факторів, які необхідно оцінювати й враховувати стосовно конкретних умов його використання. Головні фактори: фізико-механічні властивості порід, водонасиченість, наявність валунних відкладів; рельєф місцевості — розмір поздовжніх і бічних похилів; масштаб і характер робіт.

За допомогою механічних лопат (прямої та зворотної) розробляють породи — від м'яких до важких грунтів, включаючи валунні відклади, але при помірній водонасиченості, витриманих грунтах із достатньою міцністю (несуча здатність — не менша ніж 1,5—2,5 кг/см ). При слабкому грунті застосовують щити (настил). Механічна лопата витримує поздовжні похили до 14—15° і бічні до 8—10°. Механічні лопати нормально діють на мерзлих, попередньо розпушених грунтах. Вони також легші у застосуванні за багатоковшеві екскаватори в липких глинистих грунтах. Механічні лопати найчастіше використо­вують для вантаження породи у транспортні засоби.

Канатно-скребковий (драглайн) і грейферний екскаватори реко­мендується застосовувати при слабкому грунті, який не має великих валунів і підвищеної водонасиченості порід. Найкращі результати отримують при проходці траншеї із відвантаженням породи в бортовий відвал.

Багатоковшеві екскаватори успішно застосовуються й у м'яких породах, без великих шматків міцних порід і валунів; у добре витриманих за формою залягання родовищ; у породах помірної водонасиченості, при похилах місцевості — поздовжньому до 10° і бічному до 7—8°. При проходці канав і траншей в основному застосовуються багатоковшеві екскаватори — канавокопачі, які забезпечують проходку виробок завширшки від 0,9 до 1,1 м (і більше) при глибині до 3,5 м (і більше). Використання багатоковшевих екскаваторів особливо економічне при проходці магістральних канав завдовжки понад 100 м. При проходці канав у пухких відкладах із валунами економічно застосовувати одноковшеві екскаватори, тому що при цьому значно знижується продуктивність і частіше стаються поломи багатоковшевих екскаваторів.

На геологічних роботах бульдозери викори­стовуються для засипання шурфів, канав і траншей, на будівництві доріг до бурових вишок і гірничих виробок, для вирівнювання майданчиків для бурових вишок і проходки розвідувальних канав, траншей, розчисток. Особливо ефективне їх застосування при потужності наносів до 1,5 м.

Продуктивність тракторного струга залежить від категорії порід і відстані переміщення. Наприклад, продуктивність бульдозера Д-157 в породах IV категорії з довжиною переміщення 20 м становить 370 м3 за зміну, а зі 100 м — 90.

Для проведення канав і траншей застосовують бульдозери з найвужчим ножем не більше ніж 2,8 м. При проходці розвідкових траншей грунт транспортується у відвали, які розміщені на відстані до 100 м від бортів траншеї.

Категорично забороняється робота екскаваторів (бульдозерів) під козирками та навісами уступів, а також з боку схилів, що загрожують оповзанням. Ліквідацію козирків і навісів дозволяється проводити підривними роботами, а в окремих випадках — вручну. Кути укосів робочих уступів мають не перевищувати кутів природного укосу.

Скреперні роботи. Скрепери застосовуються як прохідницькі машини для розпушення та переміщення порід І—VI категорій і як транспортувальні машини для порід будь-якої категорії (породи вищі за VIII категорію спочатку розпушуються зарядами ВР).

Скрепери поділяються на самохідні, причіпні та канатно-скреперні установки.

Самохідні та причіпні скрепери застосовуються при плануванні траси, проходженні канав і траншей, підрізанні косогорів та укосів, обладнанні доріг, відсипці дамб, плануванні майданчиків під бурові та інші споруди тощо. Продуктивність скреперів залежить від категорій порід і відстані переміщення. Самохідні та причіпні скрепери порівняно з іншими землерийними машинами мають ряд переваг: проста конструкція, легкість керування та висока продук­тивність.

Причіпні скрепери з гусеничними тракторами-тягачами доцільно застосовувати для транспортування грунту на порівняно невелику відстань (до 1000 м) шляхами, які мають значні схили та слабкі грунти. Колісні тягачі тракторного типу мають великі швидкості, малу вагу, але вони потребують сприятливих шляхових умов. Самохідні скрепери застосовуються при великих обсягах ґрунтових робіт і транспортуванні грунту на значні відстані (до 1500 м і більше). Застосування причіпних і самохідних скреперів знижує вартість виробництва земляних робіт порівняно з іншими способами механізації розробки грунтів.

Канатно-скреперні установки застосовують для проходки канав і траншей та для прибирання породи з підземних виробок.

У відносно недовгих горизонтальних виробках (штольнях, розсічках, які проходять із розвідкових шахт, шурфів) скреперними установками безпосередньо доставляють відбиту породу від вибою без застосування вагонеток і рейкових колій. Найбільша кількість канавних робіт

здійснюється на схилах гір, які мають значні подовжені та бічні схили, де застосування екскаваторів та інших землерийних машин утруднене або зовсім неможливе. В таких випадках застосовують канатно-скреперні установки, які проходять канави завглибшки до 5 м і завдовжки до 100 м і більше.

Канатно-скреперна установка (рис. 7) складається з двобарабанної лебідки, яка приводиться в рух електромотором або двигуном внутрішнього згоряння; головного та хвостового канатів; хвостового блока; ковша. Принцип роботи канатно-скреперної установки такий. При намотуванні головного каната на робочий барабан лебідки ківш переміщується в бік розвантаження й завантажується породою, яка зрізається робочим пругом (кромкою, росій) ковша. У зворотному напрямі ківш переміщується хвостовим канатом. Лебідку скрепера слід монтувати на шасі вантажного автомобіля або трактора (привод — їхній двигун), що збільшує транспортабельність канатно-скреперної установки. Застосовуються уніфіковані скреперні лебідки з потужністю двигуна 7, 14, 28, 55 та 75 кВт.

При проходці розвідувальних канав і траншей найбільш поширеними є зонтичні ковші (рис. 8). Для надання канаві трапецієподібної форми застосовують два ковші з різною шириною робочого пруга (кромки, росій).

Випускаються малогабаритні скреперні установки, призначені для проходки розвідувальних канав у гірських умовах. Установка складається з привода-двигуна внутрішнього згоряння, двобарабанної лебідки, зонтичного ковша, відхиляючої кінцевої опори, паливного бака та тента. Установка транспортабельна, розкладається на вузли масою не більше ніж 65 кг, що полегшує її транспортування у важкодоступних районах.

Канави, що проходять за допомогою цих скреперних установок, прямолінійні, їхні борти досить стійкі. Забезпечується ширина канав по дну не менша ніж 0,8 м, а глибина досягає 5,5 м. Найефективніше установка діє на схилах гір із нахилом більше ніж 15° при проходці канав секціями завдовжки 20—25 м і завглибшки до 3 м. При такому нахилі значно спрощується утворення відвалів.

У виробничих геологічних підприємствах, які ведуть проходку розвідувальних канав, розроблені й успішно застосовуються скреперні установки різних типів конструкцій, у тому числі й самохідні.

Технологічний процес при проходці канав і траншей стаціонарними скреперними лебідками складається з таких операцій: підготовка робочого майданчика; перевезення й монтаж установки; скреперування — проходження канави ковшем скрепера; демонтаж установки. Процес проходження складається з переміщення ковша вперед (робочий хід) — підрізання породи та транспортування її у відвал. При зворотному переміщенні (зворотний хід) тільки зонтичний скрепер робить пушіння породи відкидними зубцями. Залежно від категорії порід і коефіцієнта наповнення скрепера робочий хід виконується по всій довжині канави або по її частині.

Найвища продуктивність досягається при довжині скреперування 20—25 м, тому канави більшої довжини розбиваються на секції. Спочатку проходиться та документується перша секція, потім друга й т. д. Порода при проходці другої секції переміщується до першої й засипає її.

Породи вище за VIII категорію необхідно попередньо розпушувати зарядами ВР.

Застосовуються також навісні розпушники, що дає змогу вико­нувати не тільки бульдозерні роботи, а й розпушувати щільні або промерзлі грунти на невелику глибину. Розпушник навішується на бульдозер із протилежного боку відвального щита.

Механізовані шурфопрохідницькі роботи. Буріння є найдоско­налішим способом проходження шурфів у нескельних породах і має певні переваги: комплексна механізація прохідницьких робіт (руйнування породи в забої шурфу й видача її на поверхню); зниження трудомісткості кріплення шурфу (сталість виробки круглого перерізу, застосування стандартного кріплення); мож­ливість мобільно доставляти й монтувати бурове обладнання (агрегат збирається на автомашині або на причепі). До недоліків треба віднести: необхідність обладнання робочого майданчика, трудомісткість відвальних робіт. Вибір раціональних схем робо­чих майданчиків і типу відвалу багато в чому передбачає ефективність такого способу робіт. Розміри робочого майданчика вибирають з урахуванням розташування на ньому бурової усгановки та гарантування зручності й безпеки роботи, можливості віддалення від устя шурфу вибуреної поро­ди, складання й демон­тажу крана, переміщен­ня бурової установки. Технологічне обладнан­ня й матеріали розмі­щують на майданчику або близько від нього. Якщо кут нахилу місцевості більш як 5°, улаштовують горизонтальні майданчики за схемою уступної або траншейної виїмки. При спорудженні уступних виїмок руйнування або прибирання породи у відвал здійснюється вручну або буровибуховими роботами. На відміну від уступних виїмок траншейні зручніше проходити бульдозером.

Існують бурові установки, які бурять шурфи в пухких породах із наявністю валунів розміром до 500 мм у

Спускання робітника в шурф при проходженні нестійких порід дозволяється лише на глибину до 2 м у випадку, коли стінки шурфу не мають кріплення. Опускання бура в шурф проводиться лише за сигналом бурильника. Підтягування обсадних кілець слід проводити при зачинених дверцях оголовка. Після закінчення зміни необхідно зачепити дверці й спустити на них бур.

Під час проведення робіт мають бути поставлені захисні пристрої на ланцюгову передачу й карданний вал. При спусканні вишки заборонено перебувати під нею.

Гідромеханічні роботи. Гідромеханізація — такий спосіб ме­ханізації гірничих робіт, за якого всі або окремі операції цілком або частково виконуються за рахунок енергії водяного струменя. За допомогою води грунт розробляється, транспортується й відкладається у відвал. Для виконання операцій з водою безперервний напір її має дорівнювати від 19,6 • 102 до 176,4 • 102 гПа, а відповідні швидкості руху — залежно від щільності грунту (20—50 м/с). Якщо грунт розробляється інакше (за механічним, підривним чи іншим способом), тоді для його транспортування необхідна швидкість води від 1,5 до 5—6 м/с.

Розрізняють два способи гідромеханізації: штучних селевих потоків

і гідромоніторний.

Спосіб штучних селевих потоків. У деяких геологічних організаціях широко застосовується проходжен­ня розвідувальних канав за методом селевих потоків. Суть способу полягає в тому, що вода підводиться до водозабірника, розташованого на найбільшій висотній відмітці, накопичується в ньому, а потім періодично випускається з водозабірника й спрямовується попередньо розпушеною трасою канави, утворюючи кам'яний селевий потік, який розмиває делювіально-алювіальні відклади на шляху власного руху (рис. 11). Спосіб штучних селевих потоків складається з: трасування канав приблизно під прямим кутом до горизонталей; спорудження на початку кожної канави водозабірника місткістю 10—15 м ; проведення водопровідної канави (або водопроводу) від водойми до водозабірника; регулювання та контроль водного потоку; розчистка дна канави для геологічної документації.

Гідромоніторний спосіб проходження ка­нав і траншей полягає в тому, що вода підводиться до місця розмиву під тиском, який утворюється насосами, проходить крізь гідромонітор, з великою швидкістю вилітає з його насадки, розмиваючи породи.

При проходці канав і траншей застосовуються певні схеми гідромоніторних робіт (рис. 12). Гідромонітор — механізм для розмиву породи, що призначається для перетворення потенціальної енергії води в кінетичну. Гідромонітор має нижнє нерухоме коліно з фланцем, верхнє рухоме коліно, стовбур і насадку. За допомогою горизонтального шарніра, який сполучає нижнє та верхнє коліна, стовбур гідромонітора повертається кругом вертикальної осі на 360°, а за допомогою вертикального шарового шарніра — у вертикальні площини вгору на кут до 40°, вниз — до 20°. Гідромонітор розташований на полозках, керується важелем або штурвалом, прикріпленим до стовбура. На вільному кінці важеля-водила закріплюється противага, яка врівноважує гідромонітор при робочому тиску води.

На гідромоніторних роботах застосовуються землесосні пристрої першого (забійного) та наступних ступенів.

На гірничих роботах застосовуються пересувні землесосні уста­новки, рідко стаціонарні. Пересування їх здійснюється за допомогою бульдозера.

Крім того, випускаються підвісні землесоси типу 12 ГрВу-12 продуктивністю 200 л/с при напорі 29,4 • 104 гПа.

Гідромоніторний спосіб має переваги: просте й недороге облад­нання, відносно невисока вартість робіт, невелика потреба в робітниках. Метод застосовують за здатності грунтів до легкого розмивання, наявності надійного джерела водопостачання й дешевої елекроенергії. Якщо не існує поверхневих джерел (річки, озера тощо), використовують артезіанську свердловину.