книги из ГПНТБ / Воробьев Б.М. Основы технологии горного производства. Введение в специальность учеб. пособие

§ 1. ГОРНОЕ Д А В Л Е Н И Е

Горные породы в нетронутом горными работами

массиве нахо ­

дятся в равновесном объемном сжатом состоянии.

П р и проведении

пород

в ее окрестностях н а р у

ш а е т с я , и л и , к а к говорят, изменяется

их н а

п р я ж е н н о е состояние. В

результате возникают силы, под дей­

цессы будут протекать до тех п о р , пока равновесие не

восстановится.

Силы, в о з н и к а ю щ и е и действующие в массиве п р и

н а р у ш е н и и

его

равновесного

состояния,

называют

г о р н ы м

д а в л е н и е м .

О действии этих сил в массиве м о ж н о судить

по

п р о я в л е н и я м

горного

д а в л е н и я

в

выработках: по

прогибу

пород

к р о в л и ,

пучению

почвы,

деформациям

крепи, отжиму

у г л я

с

поверхности целиков и

у г о л ь н ы х

забоев

и др . Особыми формами

п р о я в л е н и я

горного давле ­

н и я я в л я ю т с я

горные у д а р ы ,

внезапные

выбросы

у г л я

и

газа

и л и

породы

и

газа .

Ф о р м ы и степень

п р о я в л е н и я горного д а в л е н и я

зависят

от горно ­

геологических

и

технических

факторов .

Н а и б о л е е

существенными

из горно - геологических факторов

я в л я ю т с я физико - механические

свойства

пород,

с т р у к т у р а

горного

массива

и глубина

расположе ­

н и я выработки .

Основными

техническими

факторами,

в л и я ю щ и м и

на

п р о я в л е ­

н и я

горного д а в л е н и я , я в л я ю т с я форма и размеры

поперечного

сече­

н и я

выработки,

к о н с т р у к ц и я

и х а р а к т е р и с т и к а

крепи,

скорость

гих с л у ч а я х

кровле

выработки придают

сводчатую

форму .

В

очень

к р е п к и х

породах

выработки

могут с о х р а н я т ь устойчи­

вость

в течение длительного

времени без

п р и н я т и я

каких - либо мер

породах,

д л я

обеспечения их сохранности и безопасных

условий

работы

в

них

устанавливают искусственные конструкции, н а з ы в а е ­

мые г о р н о й

или

р у д н и ч н о й

к р е п ь ю .

§ 2. К Р Е П И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Основными

материалами

д л я

горной

крепи

я в л я ю т с я

дерево,

металл,

бетон,

железобетон, р е ж е

применяют искусственные

к а м н и ,

иногда

используют

естественные

камни .

Д е р е в о

к а к

материал

д л я

горной

крепи

очень

удобно д л я

изготовления элементов к р е п и

из-за простоты и легкости

обработки .

тия

специальными составами)

элементы деревянной крепи в ш а х т ­

ных

у с л о в и я х

быстро теряют

свою

прочность вследствие г н и е н и я .

М е т а л л

находит все большее

применение д л я изготовления

формы и кольцевой . Применяют сталь специального п р о ф и л я ,

р е ж е

швеллерного

и

двутаврового;

используют

т а к ж е старые

рельсы .

В

очистных

выработках

металлическая

крепь

т а к ж е

вытесняет

деревянную .

Б е т о н о м

крепят выработки, имеющие большой срок

с л у ж б ы .

Это — искусственный

материал,

образующийся в

результате

тверде­

н и я

смеси цемента, заполнителя

(песок и г р а в и й или щебень)

и

воды.

Основной

недостаток

крепи

из

бетона — небольшая прочность

на

р а с т я ж е н и е . Поэтому те части конструкций, в которых

возникают

растягивающие

н а п р я ж е н и я ,

усиливают металлической

а р м а т у р о й .

Т а к о й материал

называют

ж е л е з о б е т о н о м .

Е с л и железобетонную

крепь

возводят путем

установки

в

выра ­

ботке

а р м а т у р н ы х к а р к а с о в

и

заполнения

пространства

между

опа­

л у б к о й и стенками выработки бетонной смесью, то такую к р е п ь

н а з ы ­

вают

м о н о л и т н о й

железобетонной;

если

к р е п ь возводят

из

готовых железобетонных

элементов, то к р е п ь называют

с б о р н о й

железобетонной .

Элементы сборной железобетонной крепи (стойки,

в е р х н я к и )

бывают прямолинейного и криволинейного очертания,

к р у г л о г о ,

таврового

и

прямоугольного

поперечного

сечения.

Д л я увеличения прочности

прямолинейных железобетонных

эле­

усилием в пределах

у п р у г и х деформаций,

а после твердения бетона

и сцепления

его

с

арматурой н а т я г и в а ю щ у ю

н а г р у з к у

снимают.

А р м а т у р а , стремясь

сократиться,

создает

дополнительные

сжима ­

ющие у с и л и я

в

бетоне. Т а к о й

железобетон

называют

п р е д ­

в а р и т е л ь н о

н а п р я ж е н н ы м .

Д л я

предварительного

н а п р я ж е н и я

криволинейных элементов

применяют специальные

р а с ш и р я ю щ и е с я цементы. Н а т я ж е н и е

а р м а т у р ы

происходит в резуль ­

тате р а с ш и р е н и я бетона в процессе его твердения .

Т а к о й железобетон

называют с а м о

н а п р я ж е н н ы м .

Б е т о н и т ы

и б е т о н н ы е

б л о к и

—

это искусственные

ной смеси.

Д л я

изготовления бетонитов иногда используют

местные

м а т е р и а л ы

— доменные ш л а к и , горелые породы из ш а х т н ы х отвалов .

К и р п и ч

рекомендуется п р и м е н я т ь среднеобожженный

с пре­

делом

прочности

не менее

150 к г с / с м 2 . К л и н к е р н ы й кирпич

(кирпич

о б о ж ж е н н ы й до спекания)

имеет более высокую прочность, чем обыч­

ный . П р и м е н я ю т

т а к ж е керамические блоки

из обожженной

глины .

Д л я

уменьшения

массы

блоки изготовляют

пустотелыми .

В

зависимости

от вида

основного м а т е р и а л а к р е п и подразделяют

на д е р е в я н н у ю ,

металлическую, бетонную и

железобетонную

(моно­

К р е п ь подготовительных

горных

выработок

по

х а р а к т е р у

своей

работы

бывает ж е с т к о й

и п о д а т л и в о й .

Д е ф о р м а ц и и жест ­

кой к р е п и

д л я

с о х р а н е н и я

н о р м а л ь н о й

несущей

способности

не

д о л ж н ы

выходить за пределы

у п р у г и х , поэтому

ее

устанавливают,

когда

в

массиве,

о к р у ж а ю щ е м

выработку,

п р е к р а т и т с я и л и

вообще

не возникает процесс с д в и ж е н и я горных

пород .

П о д а т л и в а я

к р е п ь

имеет

у з л ы

податливости, б л а г о д а р я

которым

общая величина

сме­

щений

элементов к р е п и может п р е в ы ш а т ь величину

у п р у г и х

дефор­

маций,

причем

н е с у щ а я способность

к р е п и

с о х р а н я е т с я . Поэтому

горным давлением в о к р у ж а ю щ е м

массиве горных пород, в

частности

в в ы р а б о т к а х , р а с п о л о ж е н н ы х в

зоне в л и я н и я очистных

работ.

(вразбежку) . П о

форме

эти к о н с т р у к ц и и

имеют вид, приведенный

на рис . 40:

п р я м о у г о л ь н о й

и л и

трапециевидной

рамы — неполной

(две

стойки и верхняк)

и л и полной (две стойки,

в е р х н я к и лежень) .

Т а к и е

двутавров

и л и

рельсов);

а р к и

и л и

к о л ь ц а с

податливыми,

ш а р н и р н ы м и

или

ж е с т к и м и

у з л а м и

соединения — м е т а л л и ч е с к а я ,

сборная

из

железобетонных

элементов,

бетонитовая,

иногда

д е р е в я н н а я

крепи .

Д л я

п р и д а н и я

рамам

(аркам,

кольцам)

устойчивого

п о л о ж е н и я

при установке в

выработке их

расклинивают:

м е ж д у

элементами

к р е п и (стойками, верхняками) и породными стенками

забивают дере­

в я н н ы е

к л и н ь я ;

м е ж д у

отдельными

рамами

(арками,

кольцами)

устанавливают деревянные распорки; металлические а р к и

и

кольца

соединяют металлическими п л а н к а м и . Д л я п р е д у п р е ж д е н и

я

вывалов

породы к р о в л ю и бока выработки между

рамами перекрывают

з а т я ж ­

ками из деревянных досок, г о р б ы л я

и л и железобетонных

плит;

иногда д л я этой цели применяют металлическую сетку.

Р и с .

40. В и д ы к о н с т р у к ц и й

к р е п и

п о д г о т о в и т е л ь н ы х выработок:

а — д е р е в я н н а я т р а п е ц и е в и д н а я н е п о л н а я

рама; б —

м е т а л л и ч е с к а я

а р о ч н а я

п о д а т л и в а я

к р е п ь ;

в — ж е л е з о б е т о н н а я

а р о ч н а я ш а р н и р н а я

крепь;

в —

м е т а л л и ч е с к а я к о л ь ц е в а я п о д а т ­

л и в а я

крепь;

1 —

стойка;

2 —

в е р х н я к ;

3 — р а с п о р н ы е

к л и н ь я ; 4 —

к р и в о л и н е й н ы е э л е ­

менты к р е п и ; 5

— с к р е п л я ю щ и е

х о м у т ы ; в

—

ш а р н и р ы ; 7

—

о п о р н ы е башмаки; 8

—

з а т я ж к и ;

9 — в о д о о т в о д н а я к а н а в к а

и др . ) . Место

соединения в е р х н я к а

со стойкой называется

замком .

Д л я

лучшего

противодействия

боковому

давлению

стойки

рамы

устанавливают

под

улом 80—85°

к

горизонту .

их соединения. У з е л

податливости такой крепи образуется путем

соединения отдельных

элементов с помощью хомутов (см. рис. 40).

В е л и ч и н у податливости

р е г у л и р у ю т

силой

з а т я г и в а н и я

хомутов .

П р и установке арок на д е р е в я н н ы е прогоны,

у к л а д ы в а е м ы е

на

почву

вдоль выработки, н е к о т о р а я

податливость к р е п и происходит

за

счет

с м я т и я прогонов .

Податливость к р е п и

из

железобетонных

пустотелых

элементов

обеспечивается за счет

р а з д а в л и в а н и я

н и ж н и х

ослабленных

концов

стоек и л и в д а в л и в а н и я

д е р е в я н н ы х вставок

в

н и ж н и е концы

стоек.

Д л я п р и д а н и я податливости каменной крепи

(бетонитовой)

между

отдельными элементами

(бетонитами)

у к л а д ы в а ю т

деревянные

про­

к л а д к и .

Ш а р н и р н ы е у з л ы соединения элементов к р е п и

образуются

путем

у арочных

и

к о л ь ц е в ы х

металлических

крепей

и

цилиндрических

вкладышей — у крепей из сборного железобетона,

а

т а к ж е

путем

соединения элементов болтами — у арочной сборной

железобетонной

крепи из элементов таврового сечения.

Элементы ж е с т к и х металлических крепей соединяют с помощью

металлических

н а к л а д о к и

болтов.

Монолитная

бетонная

и ж е л е з о б е т о н н а я

к р е п и ,

с м е ш а н н а я

к р е п ь — каменные и л и бетонные стены

с перекрытием

из

металли ­

ческих балок

относятся

к сплошным к р е п я м . И х

возводят в

выработ­

к а х с большим

сроком

с л у ж б ы

в у с л о в и я х

установившегося

горного

д а в л е н и я ,

н а п р и м е р

в

стволах

и околоствольных

дворах . Сплошные

тюбинговые

(металлические

и л и

железобетонные)

к р е п и возводят

в с л о ж н ы х

горно -

и

гидрогеологических

у с л о в и я х , н а п р и м е р в ство­

л а х , пересекающих

сильно

обводненные

породы.

Элементы сборной железобетонной к р е п и имеют

сравнительно

большой вес.

Поэтому

д л я

возведения

ее

применяют

специальные

к р е п е у к л а д ч и к и

и

подъемники .

В в ы р а б о т к а х ,

проведенных

в

к р е п к и х

породах,

возводить

проч­

ную к р е п ь не требуется . Однако со временем под

в л и я н и е м

в л а г и

воздуха породы, о к р у ж а ю щ и е выработку,

р а з р у ш а ю т с я . Д л я

преду ­

п р е ж д е н и я

этого

на

поверхность

выработок с

помощью

сжатого

вается с

породой и затвердевает. Этот способ нанесения

цементного

п о к р ы т и я

называют т о р к р е т и р о в а н и е м .

Е с л и

непосредственно над выработкой залегает слой

неустойчи­

чивость к р о в л и

выработки

м о ж н о повысить прикреплением

н и ж н е г о

слоя породы

к

верхнему

с

помощью штанговой

крепи г . Д л я

этого

в

кровле

выработок б у р я т

ш п у р ы .

Один

конец

ш т а н г и з а к р е п л я ю т

в

слое к р е п к о й

породы,

а

на выступающий конец

надевают

ш а й б у

и л и в е р х н я к

и,

з а в и н ч и в а я г а й к у ,

п р и ж и м а ю т

их

к кровле .

Е с л и

в к р о в л е нет

слоя прочной

породы,

устойчивость

к р о в л и может быть

увеличена

скреплением

ш т а н г а м и

слоев

породы

м е ж д у

собой.

П р и з а к р е п л е н и и

ш т а н г и в ш п у р е

раствором

и л и смолой достигается

в ы с о к а я

степень

у п р о ч н е н и я

сравнительно

слабых

пород

за

счет

сцепления пород

со штангой

по всей ее длине .

§ 3. П Р О В Е Д Е Н И Е К В Е Р Ш Л А Г О В , П О Л Е В Ы Х Ш Т Р Е К О В

I I ШТОЛЕН В К Р Е П К И Х

ОДНОРОДНЫХ ПОРОДАХ

К в е р ш л а г и , полевые ш т р е к и и

ш т о л ь н и

в

к р е п к и х породах

про ­

водят исключительно б у р о в з р ы в н ы м способом

с п о г р у з к о й

отбитой

породы

м а ш и н а м и .

Совокупность

работ п р и проведении выработок в

к р е п к и х

одно­

Основными работами

я в л я ю т с я

бурение ш п у р о в , з а р я ж а н и е шпу ­

ров и в з р ы в а н и е

зарядов

в ш п у р а х ,

проветривание

забоя после

взры ­

в а н и я , п о г р у з к а

в з о р в а н н о й породы, возведение

постоянной

к р е п и .

менной к р

е п и ,

н а с т и л к у рельсовых

путей,

устройство

водоотводной

к а н а в к и ,

переноску

маневровых

и

т р а н с п о р т н ы х приспособлений,

п р о к л а д к у

трубопроводов сжатого воздуха,

водоотлив, навеску сило­

вых и осветительных

кабелей и

др .

В ы п о л н е н и е

вспомогательных

работ

совмещается

во времени

всего комплекса работ.

Основные проходческие р а б о т ы . Б у р е н и е

ш п у р о в —

проведении горной в ы р а б о т к и в

к р е п к и х

породах .

Ш п у р ы

б у р я т

пневматическими

б у р и л ь н ы м и молотками . Б у р и л ь н ы е

молотки уста­

н а в л и в а ю т с я

на

пневматические

п о д д е р ж к и ,

р а з д в и ж н ы е

к о л о н к и

и л и м а н и п у л я т о р ы .

Ч и с л о одновременно работающих в забое молотков

принимается

исходя

из

п р и м е н я е м ы х установочно - подающих

механизмов

д л я

б у р и л ь н ы х

молотков, п л о щ а д и забоя

и о р г а н и з а ц и о н н ы х

факторов .

Обычно на один б у р и л ь н ы й молоток

приходится

3—4

м а

п л о щ а д и

забоя,

в некоторых

с л у ч а я х (при

скоростном

проведении)

0,9—1

м 2 .

Ч и с л о ш п у р о в ,

п р и х о д я щ е е с я

на

1 м 2

площади

забоя,

опреде­

л я е т с я площадью

поперечного сечения

выработки,

крепостью

пород,

п р и н я т о й

схемой

р а с п о л о ж е н и я

ш п у р о в , работоспособностью

при ­

меняемых

В В

и

др . Обычно на

1

м 2

п л о щ а д и забоя

п р о б у р и в а ю т

2—4 ш п у р а .

.

Г л у б и н а ш п у р о в

изменяется в

пределах

1,5—4

м. Д л я

достиже­

н и я

наиболее

высоких скоростей

проведения

горных

выработок

сле­

дует ориентироваться на более глубокие ш п у р ы 2,5—3 м. П р и

выборе

г л у б и н ы

ш п у р о в

н е л ь з я

не учитывать

устойчивость пород

к р о в л и

выработки . П р и

слабых

неустойчивых

породах следует

у м е н ь ш а т ь

г л у б и н у

ш п у р о в

во избежание вывалов породы после

в з р ы в а н и я

зарядов

в ш п у р а х .

Р а с п о л о ж е н ие ш п у р о в

принимают в

зависимости от с т р у к т у р ы и

х а р а к т е р а пересекаемых

пород. Н а рис . 42

приведена

одна

из

кон ­

кретных

схем

р а с п о л о ж е н и я

ш п у р о в

п р и

проведении

полевого

штрека . К а к видно,

в забое б у р и л и 34 ш п у р а

глубиной 2, 2,5

и 2,7 м.

В первую

очередь

в з р ы в а л и

з а р я д ы

во врубовых

ш п у р а х

1—4,

затем — в отбойных ш п у р а х 5—20 и в последнюю очередь — в

окон-

т у р и в а ю щ и х

ш п у р а х

21—34.

oJ4

JJo

oZI

°20

о/J

oZZ

, с ~ І

[Z3 К 1

^

о

о*\,2

Z>+

I

о"'

125

9

З а р я ж а н и е

ш п у р о в

и в з р ы в а н и е

з а р я д о в

в ш п у р а х . З а р я ж а н и е ш п у р о в

производят в соответствии с при­

вой мелочи в него вводят

по одному патроны В В и затем забойку из

песчано - глиняных п ы ж е й .

З а р я ж а н и е

ш п у р о в можно

осуществлять

с помощью

специальных

приспособлений — пневмозарядников .

В этом случае патроны подаются в

ш п у р сжатым воздухом .

Д л я

подачи в

ш п у р

забоечного

материала

(увлажненного

песка)

можно

применять

пневмозабойники

(песок подается в ш п у р

т а к ж е

сжатым

воздухом).

В з р ы в а н и е

ш п у р о в ведут огневым

и л и электрическим способом.

П р о в е т р и в а н и е

з а б о я

происходит непрерывно .

К о л и ­

чество свежего воздуха,

подаваемого в забой, устанавливают по наи ­

более н а п р я ж е н н о м у

периоду проветривания забоя —

после взрыва ­

ния зарядов

В В . Ядовитые газы — п р о д у к т ы

взрыва

д о л ж н ы быть

удалены из

забоя

в

течение 5—15 мин .

К р о м е

газообразных

5*

67

п р о д у к т о в

в з р ы в а

из

забоя

в е н т и л я ц и о н н а я

с т р у я

у д а л я е т

и

по­

родную п ы л ь ,

о б р а з у ю щ у ю с я

п р и

бурении

ш п у р о в

и

п р и п о г р у з к е

породы .

К в е р ш л а г и ,

полевые

ш т р е к и

и

ш т о л ь н и

проводят

одиночными

г л у х и м и (тупиковыми)

забоями . В

этих

у с л о в и я х

проветривание

за­

боя обеспечивается с помощью вентиляторов

частичного

проветрива ­

н и я .

Схемы

в е н т и л я ц и и

могут

быть

р а з л и ч н ы м и .

Н а и б о л е е

часто

п р и м е н я ю т нагнетательную

схему,

п р и

которой

вентилятор

частич­

ного

п р о в е т р и в а н и я

подает

с в е ж и й

воздух в

забой

по

в е н т и л я ц и о н ­

ным трубам диаметром 300—400 мм. Однако п р и этой схеме

п р о д у к т ы

в з р ы в а у д а л я ю т с я

из

забоя

по

самой выработке

и,

п о с к о л ь к у

ско­

рость

д в и ж е н и я отработанного

воздуха

по

выработке

н е б о л ь ш а я ,

д л я полного очищения

ее

от продуктов

взрыва

требуется

много

вре­

мени .

Всасывающая

схема

п р о в е т р и в а н и я ,

п р и

которой

продукты

в з р ы в а у д а л я ю т с я

из

з а б о я

по ставу

в е н т и л я ц и о н н ы х

т р у б , лишена

этого

недостатка .

Н а и б о л е е

интенсивно

забой

проветривается

с

помощью

двух

вентиляторов

частичного

п р о в е т р и в а н и я ,

один

из

которых нагнетает

в

забой

с в е ж и й

воздух,

а д р у г о й

отсасывает

из

забоя

вредные газы . Т а к а я

схема называется

нагнетателъно-всасыва-

ющей

(комбинированной) .

Д л я с о к р а щ е н и я

времени на проветривание

забоя иногда

у

з а б о я

устраивают воздушно - водяную завесу путем

р а с п ы л е н и я

воды

с ж а ­

тым

воздухом .

П о мере

п о д в и г а н и я

забоя выработки

необходимо

периодически

у д л и н я т ь

став

в е н т и л я ц и о н н ы х

труб,

чтобы

расстояние

от

конца

вентиляционного трубопровода до забоя не п р е в ы ш а л о

8

м.

У б о р к а

п о р о д ы ,

т а к

ж е

к а к

и

бурение ш п у р о в ,

я в л я е т с я

наиболее трудоемким и длительным процессом проходческого

ком­

плекса работ. П о г р у з к у

производят с применением

породопогрузоч ­

ных

машин .

Погрузочные м а ш и н ы д е л я т с я на м а ш и н ы прерывного

действия

(например,

механические

лопаты),

называемые

иногда

ковшовыми

п р я м о й п о г р у з к и ;

м а ш и н ы ступенчатой

п о г р у з к и

—

конвейерно - ков -

шовые и м а ш и н ы непрерывного действия — с загребающими

л а п а м и .

Простейшими

по

к о н с т р у к ц и и

я в л я ю т с я

породопогрузочные

м а ш и н ы прерывного действия с

н и ж н и м

черпанием

типа

механиче ­

ской

лопаты

(с ковшовым

рабочим

органом) . Устройство

одной

из

м а ш и н данного типа приведено

на

рис . 43.

Машина

передвигается

по рельсовым

п у т я м

на

т е л е ж к е .

К о в ш

м а ш и н ы жестко

соединен

с к а ч а л к о й - к у л и с о й .

В

рабочем

п о л о ж е н и и

к

погрузочной

машине

прицеплена

одна

вагонетка .

Д л я

п о г р у з к и

породы

машина

вместе

с вагонеткой

делает

разбег

и

с ковшом,

опущенным

в

нижнее

поло ­

ж е н и е , внедряется

в н а в а л

взорванной

породы .

После

з а п о л н е н и я

ковша породой включается подъемный двигатель и

п л а с т и н ч а т а я

цепь,

н а м а т ы в а я с ь

на

б а р а б а н ,

тянет

к а ч а л к у - к у л и с у ;

к а ч а л к а -

к у л и с а , п е р е к а т ы в а я с ь

по платформе,

поднимает к о в ш ,

заполненный

породой, в верхнее п о л о ж е н и е , в котором происходит

р а з г р у з к а

его

от породы

в прицепленную

вагонетку . Д л я ч е р п а н и я

породы у

боков