Учебное пособие 800565

Органические отложения – породы, образовавшиеся в результате отложения отмирающего растительного мира и мелких животных организмов (мел, ракушечник, диатомит, трепел, известняк).

Все осадочные породы более разнообразны по составу, структуре, свойствам, менее однородны, чем изверженные породы; имеют слоистое строение, менее прочны. На их долю от общего объема всех горных пород приходится

10…12 %.

Метаморфические (видоизмененные) горные породы (греч. metamorphosis – превращение) образовались в толще земной коры в результате глубокого преобразования изверженных и осадочных горных пород под влиянием высоких температур и давлений, а иногда и под химическим воздействием. В этих условиях происходила перекристаллизация минералов без их плавления, что способствовало повышению плотности породы по сравнению с исходной породой. Как правило, метаморфические породы имеют сланцевое строение, но иногда могут сохранять структуру первичных пород.

Различают метаморфические горные породы из изверженных пород: гнейс (из гранита) и из осадочных пород: мрамор (из известняка и мела), глинистый сланец (из глины), кварциты (из песчаника).

На долю метаморфических пород приходится не более 8…10 %.

3.4. Основы технологии производства природных каменных материалов

3.4.1. Оценка качества горных пород

Оценить качество горной породы – это установить степень пригодности ее для изготовления требуемой строительной продукции при принятой технологии разработки горного массива и переработки горной массы.

Для оценки качества горной породы определяются ее строительнотехнические свойства. При этом отбираются полевые пробы для проведения лабораторных испытаний. Размер и количество проб зависит от однородности породы и целевого назначения пробы. Проба должна отвечать среднему составу породы и отбираться без применения взрывных работ. При оценке месторождения учитывают также гидрологические условия и возможность разработки месторождения в течение года.

Оценку качества горной породы ведут в следующей последовательности:

1)изучают петрографию и состав горной породы, что дает возможность получить предварительные данные о целесообразности переработки ее в тот или иной строительный материал;

2)устанавливают внешние признаки (размер, форму, цвет, блеск, структуру, минералогический состав, твердость, степень выветренности);

3)определяют технологические свойства (раскалываемость, дробимость, характер раскола, степень шероховатости поверхности раскола и т.п.);

42

4)после описания внешних признаков и результатов выборочных испытаний пробы проводят оценку физико-механических свойств горной породы, основными показателями которых являются: истинная и средняя плотности, пористость, водопоглощение, морозостойкость, прочность при сжатии, истираемость, износ, химическая стойкость и др.;

5)по физико-механическим и технологическим признакам устанавливают марку горной породы (I, II, III и IV) и дают заключение о качестве горной породы как сырья для производства требуемого строительного материала, прогнозируют свойства этого строительного материала.

3.4.2.Основные технологические процессы при добыче природного камня

Производство каменных материалов начинается с добычи горной породы. Разработка месторождений полезных ископаемых осуществляется открытым, подземным и комбинированным способами. Возможен и подводный способ добычи. Выбор того или иного способа разработки зависит от качества полезного ископаемого, величины запасов, глубины залегания и условий выработки.

Предприятия, осуществляющие добычу полезного ископаемого, называют карьерами. Пустые пространства, образующиеся в породе в процессе добычи полезного ископаемого, называются выработками. Различают карьеры коренных месторождений, когда разрабатывают сплошные скальные породы (гранит, известняк), и рыхлых горных пород (пески, гравий). В зависимости от условий залегания, качества и запасов горных пород, географического расположения месторождения карьеры бывают:

-промышленные, с большими запасами сырья, территориально не связан-

ные со строительными объектами. Срок действия таких карьеров более 10 лет при производительности не менее 100 000 м3 в год. Готовая продукция из таких карьеров транспортируется железнодорожным транспортом, водным путем, а на небольшие расстояния – автосамосвалами;

-притрассовые - карьеры местного значения, расположенные в районе строящегося объекта. Срок действия таких карьеров менее 10 лет. Готовая продукция транспортируется автосамосвалами. Себестоимость продукции таких карьеров выше, чем промышленных.

Разработка месторождения полезного ископаемого включает следующие основные производственные процессы.

1. Планировка местности и организация мероприятий по отводу атмосферных и талых вод.

2. Вскрышные работы. Их проводят с опережением по отношению к работам по добыче сырья. Выбор системы вскрышных работ определяется рядом факторов: мощностью залежи, характером ее залегания, мощностью вскрышных пород, рельефом местности и т.д. Вскрышные работы осуществляют бульдозерами, экскаваторами, скреперами или гидромеханическим способом.

3. Разработка и удаление на специально отведенные площади сильно

43

выветренного (дресвяного) слоя.

4.Добыча полезного ископаемого. Нерудные материалы (песок, гравий, глина) добывают открытым способом, используя одно- и многоковшовые экскаваторы или с помощью гидромеханизации. В последнем случае вода, подаваемая под большим давлением, размывает породу, и далее из легко текучей смеси воды и породы (пульпы) в специально отведенных местах происходит осаждение песка или гравия и их сортировка.

Плотные горные породы, используемые для получения рваного бута, щебня или сырья для других строительных материалов, обычно разрабатываются взрывным способом.

Пористые породы (известняки-ракушечники, туфы и др.), используемые для изготовления штучных стеновых камней и блоков, разрабатывают обычно специальными камнерезными машинами, основными режущими элементами которых являются дисковые пилы, имеющие резцы, армированные твердыми сплавами или алмазами. Для получения более крупных блоков применяют машины с бесконечными режущими цепями или машины, в которых диски заменены кольцевыми фрезами.

Добыча пород, предназначенных для облицовки, предусматривает следующие операции: отделение от горного массива блоков-полуфабрикатов крупных размеров (4…5 м); распиливание или раскалывание блоков на плиты или другие формы изделий; обработка кромок и поверхностей изделий.

При добыче блоков применяют буроклиновой, абразивный и термический способы. Буроклиновой способ применяют при добыче очень твердых и прочных пород (гранита). Абразивный способ (распиливание) используют при вырезке блоков из более мягких пород (мрамора, известняка, туфа). При термиче-

ском способе на разрабатываемую породу направляют высокотемпературную (2500 0С) газовую струю, которая выбрасывается со сверхзвуковой скоростью (около 2000 м/с), что приводит к разрушению породы.

Распиловку блоков на плиты производят рамными и канатными пилами.

Вобоих случаях используют абразивный порошок (кварцевый песок, порошок из закаленной стали и др.), подаваемый вместе с водой под полотна пил (канатов), который собственно и осуществляет распиливание. В некоторых случаях применяют пилы, армированные твердосплавными или алмазными вставками.

Для обрезки плит и получения профилированных изделий (поясков, карнизов и др.) применяют фрезерные и профилирующие машины. Режущими элементами в этих машинах являются истирающие диски или профилирующие детали, изготовленные из особо твердых абразивов.

5.Транспортировка полезного ископаемого осуществляется автомобильным, конвейерным, железнодорожным транспортом, канатными дорогами (в горной местности) и др. Выбор транспорта зависит от вида материала, размеров карьера, его производительности и т.д.

Наибольшее распространение получил автомобильный транспорт (около 90 % всех перевозок). Эффективность автотранспорта зависит от емкости

44

ковша экскаватора и грузоподъемности автомобиля.

Конвейерный транспорт имеет целый ряд преимуществ перед автотранспортом: компактность, поточность, высокую степень автоматизации и др. К недостаткам этого вида транспорта можно отнести: зависимость от климатических условий, ограниченность размера загружаемого материала, износ транспортирующих механизмов. В качестве таких транспортеров используют ленточные конвейеры, подвесные канатные дороги (особенно в горной местности), скиповые и клетьевые подъемники.

Железнодорожный транспорт на карьерах применяют редко из-за больших первоначальных капитальных затрат и необходимости периодического переноса временных путей.

3.4.3. Технология получения и обогащения нерудных строительных материалов

Поскольку нерудные материалы, поступающие с карьеров, по крупности, зерновому составу, количеству примесей обычно непригодны для непосредственного использования, необходима их переработка, включающая дробление, фракционирование, мойку, обогащение.

В зависимости от требований к выпускаемой продукции, от вида исходного сырья различают следующие виды переработки:

-дробление;

-грохочение (классификация или фракционирование) материала;

-промывка от глинистых и илистых включений;

-обезвоживание для снижения избыточной влажности и предотвращения смерзания материала;

-обогащение для повышения однородности и качества материала по отдельным показателям;

-складирование готовой продукции без ухудшения ее качества. Дробление – это процесс измельчения горной породы до требуемой

крупности и гранулометрии. Горная порода, поступающая на дробление, может иметь размеры в куске 1200…1500 мм. Крупность же щебня должна быть 5…70 (80) мм, а дробленого песка – 0,16…5 мм. Дробление производят в несколько стадий.

По виду различают:

-крупное (первичное) дробление – до 250 мм;

-среднее (вторичное) дробление – до 40…250 мм;

- мелкое дробление – менее 40 мм.

При производстве нерудных строительных материалов применяют двух-, трех- и, реже, четырехстадийное дробление массивных горных пород и одно-, двух- и трехстадийное при переработке песчано-гравийных смесей.

45

Вид дробилки выбирают в зависимости от свойств материала, требуемой формы заполнителя и т.д. На предприятиях нерудной промышленности для дробления применяют щековые, конусные, молотковые, роторные, валковые и другие дробилки (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Кинематические схемы дробилок:

а – щековой; б – конусной; в – валковой; г – молотковой

Щековые дробилки используют преимущественно для крупного и среднего дробления. Производительность щековых дробилок – 5…500 т/ч. При большом содержании глины в породе (> 6 %) производительность щековых дробилок падает.

Конусные дробилки пригодны для крупного, среднего и мелкого дробления. Для дробления вязких, влажных и глинистых пород они не пригодны. Конусные дробилки отличаются большой производительностью (250…2400 т/ч). Такие дробилки устанавливают на предприятиях большой мощности, каждая из них заменяет 2…3 и более щековые дробилки. Однородность дробления в них также выше.

Дробилки ударного действия (молотковые и роторные) используют в основном на второй и третьей стадиях дробления. Они отличаются небольшой массой и габаритами, простотой конструкции. Главный их недостаток – быстрый износ рабочей поверхности при измельчении прочных пород, поэтому они предназначены, в основном, для измельчения пород с прочностью до 120…150 МПа. С увеличением скорости вращения ротора резко возрастает количество мелкой фракции (0…5 мм), поэтому молотковые дробилки часто применяют при получении минеральных порошков, известковой муки, дробленых песков.

Грохочение – разделение материала до или после дробления по фракци-

ям. Различают три вида грохочения: предварительное, контрольное и окончательное.

При предварительном грохочении из материала отделяют мелкие фракции, которые на данной стадии не нуждаются в измельчении.

Контрольное грохочение позволяет отделить негабаритные куски, которые подлежат возврату обратно на дробление.

Окончательное грохочение – это разделение (фракционирование) дробленого материала на отдельные фракции по крупности, для получения наиболее

46

качественных фракционированных материалов (песка, щебня, гравия).

В качестве рабочего органа для фракционирования могут использоваться решета, сита или колосники.

На предприятиях нерудных материалов для грохочения чаще всего применяют плоские вибрационные грохоты, основной рабочей частью которых являются сита или решетки и барабанные грохоты (рис. 3.3).

а)

б)

Рис. 3.3. Вращающийся барабанный грохот (сито-бурат): а) внешний вид, б) схема работы

Из новых типов грохотов следует отметить резонансные, валковороликовые, дуговые для разделения пульпы. В грохотах с несколькими плоскими ситами применяют схемы грохочения от крупного к мелкому (рис. 3.4, а), при котором сначала выделяются крупные, а затем мелкие фракции и грохочение от мелкого к крупному (рис. 3.4, б).

Рис. 3.4. Схемы грохочения:

а) от крупного к мелкому; б) от мелкого к крупному

47

Качество грохочения характеризуется эффективностью грохочения и производительностью грохота (т/ч с 1 м2 поверхности сита). Наиболее эффективно мокрое грохочение, оно протекает в 1,2…3,5 раза быстрее сухого.

Промывка служит для удаления из материала глины, ила, пыли, частиц слюды.

По трудности промывки горные породы разделяются: на легкопромываемые (требуемое время промывки 2…3 мин); среднепромываемые (3…6 мин); труднопромываемые (более 6 мин).

Для промывки нерудных материалов применяют различные по конструкции и принципу действия машины. Наибольшее распространение получили корытообразные горизонтальные и наклонные лотки, имеющие высокую производительность и эффективность отмывки. Кроме того, промывку песков осуществляют также в механических и гидравлических классификаторах с одновременным разделением песка по фракциям. В настоящее время наибольшее распространение для промывки нерудных материалов получило оборудование, представленное на рис. 3.5…3.8.

Рис. 3.5. Пескомойка:

1 – трубопровод для подачи воды; 2 – лоток для выгрузки промытого песка; 3 – кольцевой элеватор; 4 – конусный барабан; 5 – лоток для загрузки песка; 6 – слив загрязненной воды

Рис. 3.6. Спиральный классификатор:

1 – загрузка песка; 2 – слив загрязненной воды; 3 – вращающаяся спираль (шнек); 4 – подача воды; 5 – выгрузка промытого песка

48

Рис. 3.7. Барабанная мойка:

1 – загрузочный лоток; 2 – барабан со стальными шипами; 3 – сетчатая часть; 4 – подача воды

Рис. 3.8. Вибромойка:

1 – перфорированные желоба; 2 – подача воды; 3 – пружинные подвески; 4 – вибратор; 5 – загрузка щебня (гравия)

В целом промывка нерудных строительных материалов осуществляется с помощью оборудования, работающего по принципам:

-механического перемешивания в водной среде, в результате чего глина диспергируется и переходит в водную суспензию;

-разрушения глины, которое происходит под действием высоконапорной струи воды;

-диспергирования за счет ультразвуковых и звуковых колебаний, электрогидравлического эффекта, электрофореза, самодиспергации.

Внастоящее время наибольшее распространение для промывки нерудных материалов получили:

-наклонные лопастные двухвальные корытные мойки;

-барабанные промывочные машины, в которых промывка ведется путем перетирания глины кусками промываемого материала при вращении барабана о стенки барабана и за счет лопастей;

-вибрационные промывочные машины, работающие по принципу комби-

49

нированного воздействия трения, вибрации и взаимного соударения кусков между собой и о стенки короба;

-гидравлические классификаторы предназначены для одновременной промывки и разделения песков по фракциям. Принцип их действия основан на использовании разницы оседания разновеликих частиц в воде. По принципу действия различают гравитационные с восходящей струей и центробежные

классификаторы.

Обезвоживание. После промывки или гидравлической классификации материал имеет высокую влажность, что затрудняет его транспортировку, дозировку, он способен замерзнуть в зимнее время. В связи с этим перед складированием материал обезвоживают. Чем мельче материал, тем больше его удельная поверхность и тем влага прочнее удерживается капиллярными и адсорбционными силами и труднее удаляется.

Для обезвоживания нерудных материалов применяют следующие способы:

-дренирование, то есть стекание воды из крупнокусковых материалов под действием силы тяжести. При использовании этого способа в летнее время за 2…3 суток влажность щебня снижается до 5…7 %, а песка – до 7…10 %. Такой способ обезвоживания возможно осуществить на складских площадках, в бункерах, в движущихся элеваторах, с помощью дренирования на грохотах с использованием вибрации;

-сгущение – осаждение из пульпы твердых частиц под действием силы тяжести или центробежных сил. Этот процесс проводят в отстойниках. Этот способ наименее эффективен и используется в основном для уменьшения объема транспортируемой пульпы;

-фильтрование – выделение из пульпы влаги отсасыванием через пористые перегородки или сетки тканей. При этом способе используют барабанные, дисковые и ленточные вакуум-фильтры;

-сушка – удаление влаги из материала испарением. Это самый надежный прием обезвоживания практически до любой требуемой величины. Различают естественную (на открытом воздухе) и искусственную сушку (в барабанных сушилках).

Обогащение нерудных строительных материалов. Рассмотренные вы-

ше технологические операции (грохочение, промывка, обезвоживание) одновременно способствуют и обогащению, и повышению качества материалов. Существуют и специальные способы обогащения, главные из которых представлены ниже.

Избирательное дробление основывается на более интенсивном разрушении при дроблении слабых кусков, отсев которых позволяет собрать куски щебня повышенной прочности. Этот процесс чаще всего реализуется с помощью щековых дробилок, дробилок ударного действия, конусных дробилок, дезинтеграторов, барабанных дробилок, роторных дробилок. Роторные дробилки одновременно обеспечивают улучшенную форму зерен щебня.

Грануляция обеспечивает обогащение высокопрочного щебня по форме.

50