РГВ, Пилипец В.И. Часть 1

низкой теплопроводности некоторых горных пород образуются термические напряжения. Если возникающие термические напряжения достигают величины временного сопротивления породы растяжению, то происходит хрупкий разрыв среды на глубине до 1 - 5 мм и поверхностный слой отслаивается в виде чешуек. Подхватываемые газовым потоком чешуйки породы выносятся и зоны разрушения.

В качестве породоразрушающего инструмента используются термобуры с трехсопловой огнеструйной горелкой ракетного типа (рис.3.5). Вращением термобура достигается периодическое нагревание отдельных участков забоя.

Рис.3.5 Термобур с огнеструйной горелкой

1-переходник; 2-форсунка; 3-чехол; 4- корпус; 5-камера сгорания; 6-башмак; 7-днище горелки; 8-отверстия в днище

В качестве горючего применяется керосин и реже бензин, а окислителя— газообразный кислород или сжатый воздух. Использование кислорода позволяет значительно повысить температуру газов, но обусловливает высокие затраты на разрушение (доля затрат на кислород и его доставку достигает 40— 45%). При этом повышаются тре-

бования к технике безопасности.

В последнее время в качестве окислителя широко применяется сжатый воздух, что упрощает организацию огневого способа разрушения пород и существенно снижает затраты на него.

При зажигании, в камере сгорания огнеструйной горелки смешиваются горючее (тонкораспыленный керосин) и окислитель и образуются высокотемпературные газовые струи, которые проходят через сопловой аппарат, приобретая при этом сверхзвуковую скорость.

Для разрушения горных пород на открытых работах в

31

качестве породоразрушающего инструмента применяются ручные термобуры с односопловыми горелками. Окислитель— сжатый воздух подается в термобур под давлением 0,4—60 МПа от передвижного компрессора. В качестве горючего применяется бензин.

Ручные термобуры используются также для термического разрушения негабаритных кусков, резания каменных блоков и обработки их поверхности.

Ручной термобур (рис. 3.6) состоит из камеры сгорания 1, штанги 2 и узла управления и контроля рабочим режимом 3.

Камера сгорания состоит из головки с завихрителем, топливной форсунки, жаровой грубы, соплового аппарата с опорными ножками и кожуха с запальной пробкой. Смешивание горючего с окислителем и преобразование химической энергии топлива в кинетическую энергию газового потока происходит изнутри камеры сгорания.

Рис. 3.6 Ручной термобур

В качестве топлива используется бензин, который сжижается в атмосфере сжатого воздуха. Выделение угарного газа при сжижении такой смеси значительно меньше, чем при сжигании смеси керосин-кислород, поэтому работа с таким составом топлива более безопасна. При сгорании смеси бензина с воздухом в камере сгорания ручного термобура образуется газовая струя, истечение которой из форсунки происходит со скоростью до 1700 –

32

2000 м/с. Внутри камеры сгорания температура достигает 2200 0С, а температура газовой струи—1550 0С.

На режим огневого разрушения большое влияние оказывают температура, скорость и массовый расход истекающего из сопел горелки газового потока, а также физико-механические характеристики горных пород—минеральный состав, крепость, трещиноватость, упругость и теплофизические свойства.

Изменение теплового потока термобура осуществляется регулированием скорости его вращения и подачи на забой.

Оптимальный режим разрушения характеризуется минимальными затратами энергии при высокой скорости.

Оптимальная скорость вращения термобура составляет 1530 об/мин.

Если термобур вращается медленно, происходит перегрев и оплавление породы, что замедляет проходку.

Исследованиями А.В.Бричкина установлено, что при использовании термобуров с высоким избыточным давлением продуктов горения (до 4 МПа) разрушение породы начинается в глубине, на некотором расстоянии от поверхности забоя, под влиянием растягивающих напряжений волнового характера, без изменения оптических свойств минералов. Разрушенная порода выдувается от места разрушения.

При использовании термобуров с низким внутрикамерным давлением разрушение породы происходит под влиянием растягивающих напряжений, возникающих вследствии разности температур между соседними слоями породы.

Скорость разрушения зависит от теплофизических свойств горной породы, отражаемых коэффициентом температуропроводности

= / с ,

где - теплопроводность породы, ккал/м ч градус; с-

теплоемкость породы, ккал/кг градус; -плотность породы, кг/м3.

С уменьшением величины коэффициента температуропроводности тепло концентрируется в более тонком слое породы и эффект разрушения повышается. Чем выше перепад температур между слоями породы, тем эффективнее процесс разрушения.

33

Скорость разрушения регулируется расстоянием между срезом сопла горелки и забоем. Оптимальная величина его находится в пределах 100—150 мм (при меньшей величине происходит плавление породы, при большей—растекание теплового потока). В мерзлых наносах, содержащих валунногалечниковые включения, это расстояние должно быть уменьшено.

В сильно нарушенных и трещиноватых породах скорость разрушения снижается на 25—30%, поэтому в этих условиях рационально применять горелки с наклонным расположением сопел.

Недостаток огневого способа в избирательности разрушаемых пород. Этим способом эффективно разрушаются в основном кварцсодержащие породы и мерзлые однородные наносные отложения с незначительным содержанием обломочных включений.

Огневое бурение эффективно применять также в окисленных и неокисленных железных рудах, так как в этих породах и рудах разрушение происходит путем шелушения с образованием мелкой крошки, т. е. без плавления. В породах с низкой скоростью плавления область применения данного способа ограничена.

При другом химическом и минералогическом составе пород их разрушение термическим способом хуже и иногда становится невыгодным по технико-экономическим показателям, так как часто наблюдается не шелушение, а плавление породы.

Термомеханические способы разрушения основаны на передаче определенному объему горной породы тепловой и

механической энергии. Чаще всего тепловая энергия используется для предварительного снижения прочности породы, а окончательное разрушение осуществляется механическим воздействием породоразрушающего инструмента.

В газовый поток через специальную насадку на срезе сопла Лаваля добавляется твердая фаза, например кварцевый песок, что приводит к интенсификации теплообмена газового потока и породы.

34

Введенная в породу тепловая энергия распространяется в очень тонком слое, что обуславливает малые значения энергоемкости процесса разрушения, который носит объемный характер.

Разрушение пород облегчается за счет различных величин коэффициента теплового расширения составных частей минералов, неравномерного их нагрева, давления пара в водосодержащих породах, разности температур на забое и в массиве. Релаксация термических напряжений, даже в течение небольшого времени около 1-2с (с момента окончания термического воздействия до приложения механической нагрузки) приводит к значительному снижению эффекта.

35

4. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Гидродинамические способы разрушения применяется при проходке открытых и подземных выработок в слабых легкоразмываемых, малосвязных осадочных породах.

Разрушение горных пород происходит высоконапорной струей жидкости, направляемой на забой. Порода отделяется от массива, дробится и транспортируется к месту отвала.

Взависимости от метода воздействия струи жидкости на породу различаются гидромониторный, гидроэрозионновращательный и гидромониторно-вращательный способы разрушения.

При гидромониторном способе на забой постоянно действует высоконапорная струя жидкости, под действием которой в породе возникают разрушающие сдвиговые напряжения.

Основное оборудование при таком способе разрушения это гидромонитор, формирующий и направляющий на породный массив плотную струю жидкости (для мягких пород под давлением 1-3 МПа). При давлении 70—100 МПа струя жидкости разрушает и твердые породы.

Вгидромониторе потенциальная энергия жидкости, подаваемой насосами высокого давления преобразуется в кинетическую, используемую для разрушения горных пород.

Гидромониторы бывают с ручным и дистанционным управлением.

Гидромонитор с ручным управлением (рис.4.1) имеет нижнее неподвижное колено 1 с фланцем, верхнее подвижное колено 2, ствол 3 и насадку 4.

При помощи горизонтального шарнира 6, соединяющего

нижнее и верхнее колено, ствол гидромонитора может поворачиваться вокруг вертикальной оси на 3600, а при помощи вер-

тикального шарового шарнира 5 – в вертикальной плоскости вверх на угол до 400, а вниз – до 200. Гидромонитор, установленный на салазках 7, управляется рычагом или штурвалом,

36

прикрепленным к стволу. На свободном конце рычага-водила 8 закрепляется противовес 9, уравновешивающий гидромонитор при работе.

Рис.4.1 Гидромонитор с ручным управлением

Гидромонитор больших размеров снабжен дистанционным гидравлическим управлением (рис.4.2).

Рис.4.2 Гидромонитор с дистанционным управлением

1-насадка; 2-ствол; 3-гидроцилиндры поворота ствола; 4-подводящая труба; 5-салазки

При открытии кранов, жидкость (вода) под напором подается в цилиндры и, перемещая поршни со штоками поворачива-

37

ет гидромонитор в горизонтальной или вертикальной плоскостях.

Выпускаются гидромониторы марок ГМ2-150, ГМН-250, ГМН-300, ГМЦ-250 (150, 250, 300 — диаметр входного от-

верстия, мм). Рабочее давление 1,2-1,8 МПа. Диаметры насадок от 30 до 140 мм. Гидромонитор подает жидкость в количестве от 27 10-6 до 630 10-6 м3/с.

Гидромонитор ГМЦ-250 комплектуется пятью насадками диаметрами 51, 63, 76, 89 и 100 мм. Водопроизводительность гидромонитора ГМЦ-250 (100-200) 10-6 м3/с. Угол поворота ствола вверх 35°, вниз 30°, в горизонтальной плоскости —36°.

Гидромониторная установка ГУЦ-6 снабжена электрогидравлической системой дистанционного управления (рис. 4.3) что повышает производительность труда гидромониторщиков на 18-20%.

Рис.4.3 Гидромониторная установка ГУЦ-6

1-система подвижных колен;2-гидропривод;

3-пульт дистанционного управления

При проходке канав и траншей применяются две схемы гидромониторных работ: с самотечным и напорным транспортированием разрушенной породы.

При самотечном транспортировании разрушенная порода размывается гидромонитором непосредственно в массиве забоя при скоростях струи воды 25-40 м/с и напоре 0,39-0,98 МПа

(рис.4.4).

38

Размытая порода в виде пульпы (смесь породы с жидкостью) стекает по подошве канавы (траншеи) или лоткам в гидроотвал (конечное место сброса пульпы) или к приямку (зумпфу) землесоса. Землесос забирает пульпу из зумпфа и по напорным трубам транспортирует ее в гидроотвал.

Рис.4.4 Схе-

ма разрушения породы с самотечным транспортированием

Самотечное транспортирование горной породы являет более экономичным и применяется при достаточном уклоне местности.

Напорное транспортирование горной породы (рис.4.5)

имеет более широкое распространение, так как в большинстве случаев природные условия для самотечного транспортирования породы отсутствуют.

Жидкость от водозабора к гидромонитору подается по стальным или полихлорвиниловым трубам с быстроразъемными соединениями на стыках.

Рис.4.5 Схема разрушения пород с напорным транспортированием

5-землесос; 4-гидромонитор; 6-зумпф; 1-уступ; 2-обрушенная порода; 3-линия подрезки

39

При проведении подземных выработок гидромонитор доставляется на забой и струей жидкости разрушает породу, начиная с почвы (рис.4.6).

Рис.4.6 Схема разрушения пород в подземных выработках

Гидромониторный способ разрушения пород имеет ряд существенных достоинств: простота и малая стоимость оборудования, относительно невысокая стоимость работ и небольшое количество обслуживающего персонала.

Однако этот способ можно применять только для разрушения хорошо размываемых пород, а также при наличии надежного источника водоснабжения.

Гидромониторно-вращательный способ разрушения гор-

ных пород заключается в комбинированном воздействии на забой породоразрушающего инструмента (резцового или шарошечного) и энергии высоконапорной струи жидкости.

Гидроэрозионно-вращательный способ разрушения горных пород заключается в воздействии на забой вращающегося породоразрушающего инструмента и двухфазного потока: струи жидкости, вытекающей из гидромониторной насадки при перепаде давления до 35 МПа со скоростью не менее 200 м/с, и абразивных частиц (кварцевый песок, стальная дробь) в концентрации 5-15% по объему.

Добавление в рабочую жидкость абразивных частиц повышает эффективность разрушения породы при тех же давлениях.

40