Горные машины

Таблица 8

41

Для ориентировочного отнесения пород к той или иной категории крепости М.М. Протодьяконов предложил кажущийcя коэффициент, или коэффициент крепости породы, который определяется путем деления на 100 предела прочности данной породы при одноосном сжатии, т. е.

f= σсж /100.

Вдальнейшем в коэффициент крепости Л.И. Бароном была внесена поправка:

f =σсж / 300 + σсж / 30 .

Коэффициент крепости f и кажущийся угол внутреннего трения связаны зависимостью

f = tg φ.

Для сыпучих пород в качестве коэффициента крепости принимается числовое значение коэффициента внутреннего трения.

Коэффициент крепости пород широко используется в инженерных расчетах, особенно при определении параметров буровзрывных работ.

Единая классификация горных пород по буримости введена в дей-

ствие с 1 января 1969 г. Классификация разработана в Центральном бюро планирования и нормирования труда (ЦБПНТ) в 1968 г. В основу ее положено время основного (чистого) бурения 1 м шпура в минутах в идентичных условиях различных по физическим свойствам пород.

Все горные породы разбиты на двадцать категорий.

Испытания горных пород по буримости проводились при следующих стандартных технических условиях:

•давление сжатого воздуха у перфоратора – 0,5 МПа;

•коронки однодолотчатой формы (в трещиноватых породах – крестовой формы), армированные твердыми сплавами ВК-15, ВК-8В, ВК-11В, с углом заострения 110° и диаметром 40 мм (для перфораторов ПТ-36 и КС-50 диаметр коронки бура 85 мм);

•бурение ручным молотком (перфораторами) с пневмоподдержкой, соответствующей типу молотка, с промывкой шпуров водой. Единая классификация горных пород по буримости для нормирова-

ния горнопроходческих работ приведена в работе [14].

Горные породы категорий I–III не в мерзлом состоянии разрабатываются с помощью экскаваторов, бульдозеров, скреперов, отбойных молотков, мотобуров, мотоперфораторов, кайл, ломов, лопат; мерзлые породы категории I–III разрабатываются после их предварительного рыхления теми же механизмами.

Рыхлить можно механическими или взрывными способами.

42

Таблица 9

Шпуры бурят пневмоили электросверлами. Породы категорий IV–IX (иногда XII) разрабатываются с применением буровзрывных работ при бурении шпуров пневмоили электросверлами, легкими пневматическими бурильными машинами (перфораторами); породы категорий IX (ХII)–ХХ – сприменениембуровзрывныхработприбурениишпуровперфораторами.

Сопоставление единой классификации горных пород и коэффициента крепости дано в табл. 9.

Рис. 8. Угол внутреннего сопротивления: а – схема действия сил на площадке ТП, наклоненной под углом θ к осям xy; б – угол внутреннего сопротивления

43

27

28

В табл. 10 дана классификация горных пород по углу внутреннего сопротивления β. Профессор П.М. Цимбаревич утверждал, что условие

τ= f1N + C (где f1 – коэффициент трения; N – нормальное напряжение, МПа;

С– сила сцепления частиц связной породы между собой, МПа) должно соблюдаться для всевозможных положений площадки сдвига, проходящей через данную точку. С изменением положения площадки изменяется величина отношения τ / N и угла β, определяющего направление вектора напряжения (σ) (рис. 8). Чем больше угол β, тем больше сдвигающее напряжение τ выдерживает данная порода без разрушения. Для данной породы превышение некоторого критического угла β называется углом внутреннего сопротивления. Для сыпучих пород угол внутреннего сопротивления равен углу внутреннего трения.

Классификация, предложенная профессором В.В. Ржевским, состав-

лена на основе относительного показателя трудности бурения Пб, в основу которого положены показатель труда, физические характеристики по-

род – предел прочности на сжатие σсж и сдвиг σсд, плотность ρ [14].

По этому показателю горные породы разделены на пять классов, а каждый класс подразделяется на категории (всего 25 категорий). Породы с показателем буримости Пб > 25 относятся к внекатегорийным.

Контрольные вопросы

1.Характеристика пород: скальных, связных, сыпучих.

2.Трещиноватость горных пород: характеристики, значение, классификация.

3.Перечислите основные физические свойства горных пород.

4.Прочность горной породы.

5.Как влияет абразивность горных пород на технико-экономические показатели проведения горно-разведочных выработок?

6.Деформационные свойства горных пород: пластичность, упругость.

7.Что такое разрыхляемость горных пород и ее влияние на процесс погрузки породы?

46

РАЗДЕЛ II БУРОВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 4. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О МЕХАНИЗМЕ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ

§1. СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

ИИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Вгеологоразведочных организациях стран СНГ ежегодно проходилось около 300 км подземных и более 100 млн м3 открытых горных выработок. Более 90 % подземных и 35 % открытых выработок проходится

сиспользованием взрывчатых веществ (ВВ).

Для размещения зарядов ВВ в массиве породы, подлежащей отбойке, создаются зарядные камеры (в подземных выработках это в основном шпуры, на открытых – могут быть шпуры и скважины). Бурение шпуров скважин до настоящего времени является одним из трудоемких и дорогостоящих способов создания искусственных полостей.

Процесс бурения состоит в разрушении пород буровым инструментом и ее удалении за пределы шпура (скважины).

Шпуром называется пробуренная в породе цилиндрическая полость глубиной до 5 м и диаметром до 75 мм. Шпуры бурят для разрушения взрывом ВВ негабаритных блоков горных пород, для выравнивания подошвы уступа, при проходке горных выработок и на очистных работах, рыхлении мерзлых грунтов, корчевке пней, валке деревьев, а также для разрушения различных объектов при строительстве сооружений и во многих других случаях.

Бурение шпуров эффективно при добыче штучного камня, при создании гладкого неразрушенного откоса, при сооружении канала и траншей методом контурного взрывания. Широко используется бурение шпуров при взрывных работах негорного характера (обрушении зданий и сооружений и для других целей).

Скважиной называется горная выработка цилиндрической формы глубиной свыше 5 м и диаметром более 75 мм.

Скважины бурят в основном при добыче полезных ископаемых открытым способом. По направлению к земной поверхности скважины бурят вертикальными, горизонтальными и наклонными.

Классификация способов бурения шпуров и скважин приведена на рис. 9. По природе разрушающих горную породу напряжений все способы бурения делятся на механические, при которых разрушение проис-

47

ходит вследствие развития в породе механических напряжений, и термические, при которых разрушение происходит вследствие развития в породе температурных напряжений.

Кмеханическим способам бурения относятся ударный, вращательный, ударно-вращательный, вращательно-ударный, ультразвуковой, взрывной, электрогидравлический и гидравлический.

Ктермическим способам относятся огневое, плазменное, электротермическое бурение.

По видам передачи энергии породе способы бурения делятся на кон-

тактные (ударное, вращательное, ударно-вращательное, вращательноударное, взрывное, электротермическое) и бесконтактные (термическое, плазменное, гидравлическое, электрогидравлическое, ультразвуковое).

Способы воздействия на породу:

•твердым породоразрушающим инструментом (ударное, вращательное, ударно-вращательное, вращательно-ударное бурение);

•газами (взрывное бурение патронированными зарядами);

•жидкостью (электрогидравлическое и гидравлическое бурение);

•электрическим током (электротермическое и электроимпульсное бурение);

•комбинированные (с помощью газов и тепла – струйное взрывобурение, огневое, плазменное бурение; с помощью абразива и жидкости – ультразвуковое бурение).

По способу разрушения забоя может быть колонковое бурение с от-

бором керна и бурение сплошным забоем.

По способу удаления продуктов разрушения из забоя различают периодическую (с помощью желонок, различных буров и грунтоносов)

инепрерывную очистку, осуществляемую механически с помощью витых штанг и шнеков при вращательном бурении и циркулирующим жидким, аэрированным (водовоздушная смесь) или газообразным агентом при шарошечном и ударном бурении.

По способу подачи промывочного агента к забою возможна прямая очистка, при которой агент движется внутри бурильных труб или штанг

иперфоратора, омывает забой и вместе с продуктами разрушения поднимается по затрубному пространству на поверхность, и обратная очистка, когда промывочный агент подается по затрубному пространству, поступает вместе с продуктами разрушения внутрь бурового става и поднимается на поверхность. Последний способ при бурении шпуров широко применяется при отсосе шлама.

По виду используемой энергии различают ручное бурение, когда все операции выполняются вручную, и машинное, когда все процессы бурения выполняются различными механизмами.

48

Шелушениеот термических напряжений

49

Рис. 9. Классификация способов бурения шпуров и скважин

27

Механическое разрушение – отделение горных пород от массива или их дробление (измельчение) путем воздействия на породу породоразрушающего инструмента – резца, фрезы, шарошки, ударника, алмазных и абразивных кругов и коронок, скалывателей и др. В результате действия того или иного механического фактора протекают физические процессы чисто механического разрушения породы: сжатие, раздавливание, дробление, скалывание, резание и др.

Гидравлическое разрушение осуществляется воздействием на горную породу струй воды под высоким давлением.

Термическое разрушение пород происходит под действием физических полей, создаваемых без использования специальных породоразрушающих инструментов за счет физико-химических процессов, протекающих под действием высокой температуры. Термическому разрушению способствует низкая теплопроводность породы, ее анизотропия, высокий коэффициент теплового расширения и т. д.

Взрывоударное разрушение – разрушение и перемещение горных пород под действием энергии взрывчатых веществ, размещенных в массиве (в скважинах, шпурах, камерах и пр.).

Электрические способы ослабления и разрушения основаны на воздействии на горную породу электрической энергии в виде электромагнитного поля, электрического разряда, электрического тока и др.

При проведении горно-разведочных выработок в основном имеет место взрывоударное разрушение горных пород и применение связанных с ним механических способов, необходимых для создания в массиве пород полостей с целью заложения заряда ВВ.

При вращательном способе порода разрушается при вращении породоразрушающего инструмента с наложением постоянно действующего (статического) осевого усилия. Этот способ в основном применяется при бурении шпуров в мягких и средней крепости породах (f ≤ 10).

При ударном способе разрушение породы происходит путем нанесения ударов породоразрушающим инструментом с определенной силой и скоростью.

Выделяются следующие комбинации ударного и вращательного способов бурения:

•ударно-поворотное бурение обычными и погружными бурильными молотками (перфораторами), при котором инструмент в промежутках между ударами поворачивается на определенный угол (к удар- но-поворотному относится и ударно-канатное бурение скважин);

•ударно-вращательное бурение погружными пневмоили гидроударниками и перфораторами с независимым вращением, при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту.

50