кристаллической решетки, модуля объемного сжатия, микротвер­ дости и с увеличением влажности, пористости и давления на по­ роды.

Положительным качеством электрического разрушения яв­ ляется то, что оно происходит практически мгновенно — сразу, как только напряжение превысит пробивное.

Электрическим пробоем жидкости обусловлен так называе­ мый э л е к т р о г и д р а в л и ч е с к и й э ф ф е к т (ЭГЭ). При высоковольтном импульсном разряде разрушению способствует возникающая в жидкости кавитационная полость, которая, за­ хлопываясь, разрушает находящиеся поблизости тела. На этой оснаве разработаны экспериментальные буровые установки с бу­ рами, которые не имеют деталей, механически действующих на породу. Бур состоит из вращающегося центрального электрода и зубчатой коронки, между которыми происходит разряд. Однако к. п. д. таких установок весьма низок и не превышает 2%.

8.6. Комбинированные методы разрушения

При термическом разрушении, как известно, все тепло, по­ ступающее в горную породу, расходуется на нагрев ее до темпе­ ратуры, при которой термические напряжения достигают разрушающих [см. уравнение (8.33)]. Поэтому, используя уравне­ ния (8.1)£и (8.37), можно рассчитать удельную работу термиче­

Из уравнения (8.48) видно, что при термическом разрушении существуют дополнительные по сравнению с механическим раз­ рушением [см. уравнение (8.3)] потери энергии, обусловленные коэффициентом преобразования тепла в механические напря­ жения, равным

ственно асж и ер/а (1 — 2v). Это позволяет сравнить энергоемкость механического и термического способов разрушения.

Сравнение показывает, что во всех случаях наблюдается следующее соотношение:

В результате рассмотрения электротермического способа раз­ рушения пород получено следующее выражение для удельной

где Аф'Э— потери энергии при электротермическом разрушении породы.

Следовательно, формальное сравнение данных работы раз­ рушения указывает на меньшую энергоемкость механического способа. Фактически же часто выгоднее производить разруше­ ние пород немеханическими (термическим, электротермическим и др.) способами. Это обусловлено следующими факторами:

1)разрушение пород механическими способами возможно только весьма прочными износостойкими внедряющимися в по­ роду рабочими органами при приложении к ним больших уси­ лий;

2)механическое разрушение связано с поверхностным воз­ действием па породу, в результате чего в последней преобладают силы сжатия, в отличие от немеханических способов, при которых

впроцессе -разрушения, как правило, основную роль играют растягивающие напряжения;

3)с целью достижения разрушающих напряжений при меха­ ническом разрушении скальных пород используют энергию взрыва, что усложняет технологию производства работ;

4)энергоемкость разрушения пород механическими спосо­ бами зависит от их прочности (прямо пропорциональна квадрату прочности), в то время как при немеханических методах в ряде случаев прочность может вообще не сказываться на величине работы разрушения (при Е/асж^ const)^4eM больше параметры Осж, Е и а пород, тем больше коэффициент преобразования энер­

гии в механическую. Практика и эксперименты показывают, что механическое разрушение эффективно только при удельной работе разрушения не более 10Б Дж/м3, термическое — до 5 X X 108 Дж/м3.

Таким образом, с целью снижения энергоемкости процесса

используется для снижения прочности пород до величины, по­ зволяющей осуществить эффективное механическое разрушение.

На эффекте снижения прочности некоторых пород в резуль­ тате их локального нагрева основаны термомеханические и электротермомеханические методы разрушения и бурения горных

в 5,6 раза. Тепловой поток создают, как обычно, с помощью газовой или плазменной горелки. Механическое воздействие на породу осуществляют шарошками. Пламя горелки напра­ вляют на забой скважины в пространство между шарошками.

Откол кусков породы от массива при наличии одной или двух обнаженных поверхностей возможен тогда, когда трещина, возникающая в породе, имеет криволинейную форму и полностью изолирует отбиваемый кусок от массива. В то же время при элек­ тротермическом разрушении пород возникновение любой тре­ щины приводит к резкому спаду термических напряжений. Для дальнейшего развития трещины необходим длительный нагрев породы, который часто не дает положительных результатов. Забой растрескивается, ослабляется, но окончательного отделе­ ния кусков породы от массива не происходит. Для их отделения

механизмы, сочетающие в себе электротермическое и механиче­ ское воздействие. Электромагнитное поле, воздействуя на по­ роду, подготовляет ее к разрушению, которое происходит под воздействием механических нагрузок. На этом принципе основан

электрод, воздействуя на породу высокочастотным электриче­ ским полем, расплавляет ее в месте контакта и углубляется в нее под действием механических усилий. Вместе с электродом про­ исходит углубление зоны наибольшего разогрева породы. Это позволяет откалывать куски породы от массива за счет растяги­ вающих напряжений.

Метод внедряющегося электрода целесообразно использовать для разрушения мерзлых пород. К электроду, который одновре­ менно представляет собой режущий орган, подводится электри­

и создается такая область, в которую внедряется электрод под действием механических усилий. В результате происходит отде­ ление откалываемого блока от мерзлого массива (см. рис. 8.7).

Скорость внедрения v электрода в мерзлый массив прямо пропорциональна квадрату напряжения электрического поля

Рис. 8.7. Метод высокочастотного

элситротермомсханического разру­ шения горных пород:

1 — гидравлическая система на­ гружения; 2—внедряющийся элек­ трод; 3 — отделяемый блок (ВЧУ — высокочастотная установка)

Затраты на рыхление мерзлых пород электротермомеханическим способом в 2 раза ниже, чем буровзрывным.

При проходке горных выработок в скальных породах находит применение электротермомеханический метод откола горных по­ род от массива, разработанный в Московском горном институте проф. Ю. И. Протасовым. Сущность метода заключается в интен­

по нагретой поверхности.

Создаются породопроходческие комбайны, основанные на ука­ занном принципе.

Энергоемкость разрушения породы е при нагреве ее инфра­ красными нагревателями может быть рассчитана по физическим параметрам породы:

97(т^плХ2 У 7

(8.55)

dbNy~K2 V а

стка в массиве породы по отношению к свободным поверхностям,

ном сильном охлаждении поверхности породы интенсивной струей низкотемпературного газа в породе возникают растягивающие напряжения. Если дополнительно к охлажденной таким образом породе воздействовать механическими нагрузками, то механиче­ ские и термические касательные напряжения, имеющие одно направление, будут суммироваться, увеличивая площадь и глу­ бину зоны разрушения. Эксперименты, проведенные на уста­ новках, сочетающих в себе шарошечный метод бурения с охла­ ждением породы струей жидкого азота, показали увеличение скорости бурения гранитов в 1,5 раза по сравнению с механиче­ ским методом. Данный способ наиболее целесообразно применять для бурения скважин в породах с коэффициентом крепости '/ более 14.

8.7. Взрываемость горных пород

ских деформаций), в которой порода либо переизмельчается (скаль­ ные и полускалыше породы), либо уплотняется (часть плотных и мягкие глинистые породы, рис. 8.8). При этом преодолевается сопротивление породы силам сжатия и сдвига. При взрывном дроблении массива скважинными зарядами радиус зоны сжатия

(20—50) d3. Здесь энергия взрыва расходуется на преодоление сопротивления породы сдвигу, растяжению и частично сжатию. За зоной трещинообразования следует з о н а с о т р я с е н и я , которая с удалением от заряда переходит в зону упругих дефор­ маций. Зоны сжатия и трещйнообразования образуют вместе зону р е г у л и р у е м о г о д р о б л е н и я . В зоне сотрясе­ ния также частично происходит разрушение пород по естествен­

ботах стремятся максимально увеличить зону регулируемого дробления путем управления действием взрыва.

ности пород при растяжении и сдвиге с учетом анизотропии пород. Если взрыв производят, например, в скважинах, пробуренных перпендикулярно к слоистости, то сдвиг происходит вдоль слоев, а отрыв — перпендикулярно к слоям. Поэтому в расчет надо включать тсд, ||И ар1. Так как процесс взрывания носит ударный характер, в расчетах должны быть использованы динамические параметры пород.

ном определяется пределом прочности породы при сдвиге. Опти­ мальные условия, взрыва бывают тогда, когда сдвиг происходит

ВДОЛЬ СЛОИСТОСТИ, ибо ТСД1!|| < т сд в 1 .

Степень дробления породы взрывом зависит прежде всего от ее сопротивления действию взрыва, что характеризуется у д е ­

зультате взрыва из воронки удаляется вся порода), и заряды, приводящие к н о р м а л ь н о м у д р о б л е н и ю (порода дробится в объеме воронки, но не выбрасывается).

Удельный расход ВВ в последнем случае составляет 7з удель­ ного расхода ВВ при зарядах нормального выброса.

Для определения удельного расхода ВВ применительно к кон­ кретным породам используют различные шкалы и классифи­ кации пород по взрываемости, например шкалу Союзвзрывпрома, в которой породы разделены на 16 категорий по удельному рас­ ходу аммонита № 9, создающему воронку нормального выброса.

Широко применяется также Единая классификация пород по буримости и взрываемости проф. А. Ф. Суханова.

Строгий аналитический расчет удельного расхода ВВ в на­ стоящее время затруднен, так как не существует математического описания зависимости эффективности взрывания от физикотехнических характеристик Пород в массиве. Вместе с тем много­ численные наблюдения и производственный опыт указывают на возможность относительной оценки сопротивления пород взрыванию и составления расчетной шкалы взрываемости, основванной на механических параметрах пород.

1.Энергия взрыва (а следовательно, и расход ВВ) при дро­

блении породы затрачивается на создание новых поверхностей с преодолением пределов прочности породы при сжатии асж, сдвиге тсдп и растяжении сгр. Доля участия сжимающих, сдвига­ ющих и растягивающих напряжений в дроблении при различных видах и условиях взрывания неодинакова. Для относительной оценки взрываемости пород можно принять, что их участие во взрыве одинаково. Таким образом, удельный расход q является функцией срх прочностных параметров пород:

(8.58)

2. Расход энергии взрыва на дробление породы пропорцио­ нален площади вновь создаваемых свободных поверхностей; которая, в свою очередь, зависит от степени дробления я, т. е.

от соотношения средних линейных размеров отдельности /ср и куска взорванной породы dcp, т. е.

(8.59)

С увеличением степени дробления п практически пропор­ ционально увеличивается удельный расход ВВ. Обычно в прак­ тике взрывания п = 1 -f- 5. В отдельных случаях, например при dcp= 0,1 -j- 0,25 м, когда естественные отдельности не дро­ бятся и порода разрушается взрывом на сотрясение, величина п

Поверхности раздела могут иногда полностью отражать волны напряжений или резко ослаблять их. В общем случае эти по­ тери можно принять равными 20% от общего количества энергии взрыва и дополнительный расход ВВ можно учесть коэффициен­ том 1,2. Вместе с тем следует учитывать, что развитая трещино­ ватость массива сокращает расход ВВ на создание новых поверх­ ностей. С трещиноватостью связаны также потери энергии (рав­ ные в среднем 20%) на взаимное перемещение кусков без их

дробления. Таким образом, удельный расход ВВ является функцией трещиноватости:

4. Энергия взрыва расходуется также на преодоление силы тяжести и придание кускам взорванной породы кинетической анергии. Такой расход энергии пропорционален объемному весу породы у:

расхода эталонного ВВ (№ 6 ЖВ) от физических свойств породы:

Рассчитанный по данной формуле эталонный удельный рас­ ход ВВ для большинства взрываемых горных пород изменяется от 5 до 50 г/м3, достигая в особых случаях для внекатегорных пород 70—100 г/м3.

В соответствии с изложенным все горные породы по трудно­ сти дробления взрывом (по величине эталонного удельного рас­ хода ВВ) могут быть разделены на пять классов и 25 категорий

IIкласс — породы средней трудности взрывания; дэ = 10,1 -f- -f-20 г/м3; категории 6—10;

не только для классификации горных пород по степени трудности

где квв — переводной коэффициент от аммонита № 6 ЖВ к прак­ тически используемому ВВ; /сд — коэффициент, учитывающий

8.8. Вторичное дробление пород в забое

Использование разнотипного оборудования для выемки, пере­ мещения и дробления разрушенных пород накладывает определен­ ные ограничения на максимальные линейные размеры кусков. Принято руководствоваться следующими зависимостями между характерными параметрами горного оборудования и линейными размерами максимальных (кондиционных) кусков.

Допустимый максимальный размер кусков d, обусловленный емкостью ковша V экскаватора или погрузчика

зовов вагонов, вагонеток и самосвалов, непосредственно не учи­ тывается, поскольку емкость кузова F Kдолжна в 3—4 раза и бо­ лее превышать емкость ковша экскаватора или погрузчика. Однако с целью снижения разрушающих ударных нагрузок на днище кузова при загрузке его ориентировочно полагают

грузочные бункера, приемные воронки дробилок, грохотов и т. п.

габаритов) осуществляют обычно взрывным способом. В разру­ шаемом куске породы пробуривают шпур, закладывают заряд и производят взрывание. В таких случаях используют ранее рассмотренные применительно к взрыванию массива положения.

Наряду со взрывным разрушением в практику горного дела внедряются н е м е х а н и ч е с к и е м е т о д ы дробления нега­ баритов. Один из наиболее известных способов разрушения пород — это раскалывание негабарита н а г р е в о м его лю­ бым источником тепла, располагаемым на поверхности или в уг­ лублении (в шпуре). По одному из этих методов разрушение про­ изводится сжиганием кусков термита, помещенных в небольших

шпурах. Хорошие результаты получены при разрушении рого­ виков, джеспиллитов и кварцитов.

Метод создания разрушающих напряжений в куске горной породы нагреванием его электрической дугой опробован на пес­ чанике, мраморе и гранит-порфирах как в лабораторных условиях, так и в карьерах. Под воздействием тепла электрической дуги порода раскалывается через несколько минут. Расход энергии при этом сравнительно небольшой.

Если источник тоила расположен на поверхности куска породы, то рас­ чет энергоемкости такого процесса разрушения сводится к задаче нагрева источником тепла постоянной мощности некоторого иолубесконечного твер­ дого тела (части большого тела с одной ярко выраженной поверхностью).

Решение дифференциального уравнения теплопроводности для таких условий дает следующую формулу для определения температуры породы в любой точке:

(8.72)

где Т, Ts и Т0 — соответственно температура в точке, удалепной на расстоя­ ние d от поверхности нагрева; температура поверхности породы в процессе

породы.

Если до одной и той же температуры порода нагревается в двух точках, удаленных от поверхности, на различных расстояниях d x и d2i то

Отсюда отношение времени нагрева этих, точек t1 и t2\

Таким образом, время, необходимое для нагрева какой-то точки до определенной температуры, прямо пропорционально квадрату ее расстояния от нагреваемой поверхности (рис. 8.9).

Из уравнения-(8.73) следует также, что время нагрева породы обратно пропорционально ее температуропроводности, а по­ скольку с глубиной резко возрастает время нагрева породы, то тепло, поглощаемое породой, скапливается в основном в неко­ тором ее объеме (рабочем теле), размеры которого определяются временем нагрева и температуропроводностью породы.

Если представить, что тепловые свойства породы во всех направлениях одинаковы, то поверхность рабочего тела будет близка по форме к полусфере (рис. 8.10). Расширение этого тела приводит к расколу породы. Очевидно, чем больше относи­ тельные размеры этого тела и чем оно ближе к клиновидному, тем легче произойдет разрушение породы. Поэтому при разру­ шении негабарита высокая температуропроводность и слоистость

пород, иаправлеппая вдоль требуемой плоскости раскола, играют положительную роль.

Так как термические напряжения в пористой породе ниже, чем в плотной мало пористой, то, как правило, разрушение, ^акже как и термическое бурение (см. раздел 8.4), рыхлых выветрелых и сильно пористых пород (группы 2.п и 3.п) термическим способом неэффективно, несмотря на то, что одновременно со

Рис 8.9. Типичные кривые изме­ нения температуры в зависимости от нагрева:

1 — при глубине 1 см от поверх­ ности; 2 — при глубине 2 см

5

Рис . 8.10. Форма рабочего тела при нагреве от температуры т0 до Г,:

а — массивная порода; б — слои­ стая

снижением термических напряжений уменьшается и прочность пород.

Разрушение негабаритов горных пород можно осуществлять

Часто с целью снижения величин применяемых напряжений электрического тока электроды располагают на одной поверх­ ности на небольшом расстоянии друг от друга (см. рис. 8.4, б).

Разрушение таким способом, ввиду приповерхностного нагре­ ва, менее эффективно, чем при расположении элетродов с проти­ воположных сторон, однако в этом случае на электродах доста­ точно иметь напряжение порядка 100—200 В.

В ы с о к о ч а с т о т н ы й к о н т а к т н ы й с п о с о б раз­ рушения негабаритных кусков железистого кварцита при частоте _поля 0,5—2 МГц неоднократно испытывали на карьерах начи­ ная с 1958 г. Опыты показали возможность успешного разрушения