2 ОСНОВЫ ГОРНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Горная технологическая система представляет собой комплекс подземных и открытых горных выработок, необходимых для освоения месторождений полезных ископаемых. Учитывая целевой характер стадий освоения месторождений, горная система объединяет две группы выработок –

разведочные и эксплуатационные (рис. 2.1). Первые служат для целей раз-

ведки залежи полезного ископаемого, вторые – для его разработки.

2.1. Классификация горных выработок

Работы, которые производятся при выемке вмещающих пород или полезного ископаемого при разведке или разработке месторождений, называются горными работами. В результате горных работ в толще полезного ископаемого или вмещающих (пустых) пород образуются полости, назы-

ваемые горными выработками.

Полезное ископаемое может быть использовано лишь после его разработки, когда оно отделено от массива и доставлено на поверхность. Разработка месторождения складывается из трех этапов: вскрытие, подготовка и очистная выемка. В связи с этим эксплуатационные горные выработки подразделяются на капитальные, подготовительные и очистные.

К капитальным относятся выработки, по которым осуществляется доступ к месторождению или его части. Это вскрывающие выработки, а также выработки, сохраняемые в течение всего срока службы шахты.

Подготовительные выработки проводят от капитальных. Они служат для подготовки части залежи к очистным работам.

После проведения подготовительных выработок приступают к извлечению полезных ископаемых, в результате чего образуются очистные выработки.

Назначение разведочных горных выработок ограничено задачами геологических поисково-съемочных работ и разведки месторождений полезных ископаемых. Это обусловливает с одной стороны временный характер таких выработок, срок службы которых заканчивается получением информации, предусмотренной геологическим заданием, с другой стороны возможности выбора прогрессивных способов и технологии производства разведочных выработок сужены спецификой условий их проведения.

Поиски и разведку месторождений полезных ископаемых не редко проводят в экономически не освоенных и труднодоступных районах, где часто отсутствуют подъездные пути, линии электропередач и другие виды стационарных источников энергии. Сложность проведения горноразведочных выработок состоит также в том, что они характеризуются малыми сечениями, небольшими и, в основном, не постоянными объемами,

36

рассредоточенностью, нестационарностью условий и сезонностью работ. Как правило, направление горно-разведочных выработок часто меняется вследствие необходимости прослеживания и геологического изучения рудного тела. При проведении разведочных выработок на каком-либо объекте приходится иметь дело с большим многообразием горных пород, с вероятностью пересечения рыхлых и скальных пород различного литологического и петрографического состава.

Несмотря на выделенные особенности в некоторых случаях разведочные выработки впоследствии используются в качестве эксплуатационных.

В зависимости от расположения горных выработок относительно земной поверхности их разделяют на открытые и подземные. Открытые выработки по всей длине примыкают к земной поверхности. В сечении такие выработки не имеют замкнутого контура. Подземные выработки расположены под земной поверхностью и лишь некоторые из них, примыкают к поверхности. Такие выработки по периметру сечения ограничены поверхностями горной породы.

К открытым горным выработкам

относятся канавы, траншеи и копуши. Эти выработки широко применяются при геологическом изучении поверхностных участков месторождений.

Канава – гор-

ная выработка, искусственно созданная в земной коре, связанная с земной поверхностью и имеющая значительную протяженность при ограниченных поперечных сечениях. Глу-

бина канав обычно не превышает 5 м. Длина их значительно больше глубины и измеряется десятками, а в некоторых случаях сотнями метров. Как правило, бока канав глубиной более 2 м закрепляются деревянной крепью.

Канавные работы применяются на всех стадиях геологических исследований. Особенно большое значение канав в начале разведки, так как именно эти горные выработки позволяют определить направление и объем дальнейших работ, дают начальное представление о форме рудного тела и качестве полезного ископаемого. Канавы проходят для обнажения из-под

37

рыхлых отложений мощностью до 5 м не только коренных пород, но и полезных ископаемых, а также подготовки запасов по категориям А, В,С1 и С2 . Поис- ково-съемочные канавы проходятся с целью вскрытия коренных пород. Поис- ково-разведочные канавы проходятся для вскрытия рудных тел и закладываются по простиранию рудного тела, если его ширина

Рис. 2.2. Проходка разведочных канав не превышает 2 м, и

по простиранию – ес-

ли ширина рудного тела превышает 2 м.

Помимо разведочных канав, при разведке и разработке месторождений могут проводиться канавы, предназначенные для других целей, например, для защиты выработок от затопления ливневыми или паводковыми водами, отвода карьерных и шахтных вод.

Траншея - открытая горная выработка (канавообразная), проводимая с целью разведки или разработки месторождения полезного ископаемого. Траншея отличается от канавы значительно большими размерами поперечных сечений и формой сечений, обеспечивающей устойчивость боков горной выработки без крепления.

При разработке месторождений применяются разрезные и дренажные траншеи. Первые характеризуются наличием выездных поверхностей и являются транспортными выработками. Вторые служат для отвода, главным образом грунтовых и ливневых вод.

Площади поперечных сечений траншеи могут измеряться десятками квадратных метров, а эксплуатационных – сотнями.

Копуша – ямообразная горная выработка небольшой площади и малой глубины (до 1 м). Обычно копуши проводят в мягких породах при съемке и поисках месторождений полезных ископаемых для взятия породных образцов в наносах.

Подземные горные выработки по сравнению с открытыми горными выработками характеризуются большим разнообразием.

38

По положению оси горных выработок к горизонтальной плоскости выделяются выработки вертикальные, горизонтальные и наклонные. Они могут иметь непосредственный выход на земную поверхность или не иметь его (рис. 2.3).

К вертикальным горным выработкам относятся стволы шахт, гезенки и шурфы.

Шахтный ствол (3) – вертикальная (реже наклонная) горная выработка круглого или прямоугольного сечения, имеющая непосредственный выход на поверхность и предназначенная для обслуживания подземных горных работ, выполняемых при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых.

Стволы делятся на главные и вспомогательные.

Главный ствол предназначен для выдачи полезного ископаемого, вспомогательный – для спуска-подъема людей, материалов, оборудования, проветривания и других вспомогательных целей. Часто стволы выполняют несколько функций одновременно и называются по главной из них.

Слепой ствол (9) – вертикальная горная выработка, не имеющая выхода на поверхность, проводится между горизонтами, предназначен для обслуживания подземных горных работ, проводимых при разведке или разработке полезного ископаемого (в первую очередь для подъема полезного ископаемого с нижних горизонтов на верхние). Слепой ствол может быть также использован для вентиляции, спуска и подъема людей, материалов, оборудования, породы.

Гезенк (10) – вер-

тикальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для спуска полезного ископаемого под действием силы собственного веса или в специальных сосудах механическим способом. Гезенк может быть также использован для вентиляции и спуска (подъема) людей, материалов, оборудования. Существенного различия

пым стволом нет. между гезенком и сле-Шурф (1) – вертикальная горная выработка (реже наклонная)

имеющая выход на поверхность, обычно малого сечения (до 4 м2) и не-

39

большой глубины (до 40 м), предназначенная для разведочных целей, обслуживания горных работ или для производства взрывных работ (карьеры). С помощью шурфов вскрывают и изучают толщу коренных пород. Из них иногда проходят рассечки (рис. 2.4).

На шахтах шурфы используются в качестве вспомогательных выработок, соединяющих подземные горизонтальные выработки с поверхностью, например, для вентиляции. Размеры этих шурфов могут быть значительно больше указанных выше.

К подземным горизонтальным выработкам относят: штольни, штре-

ки, квершлаги, рассечки и др. Название горизонтальные выработки – несколько условно, поскольку большинство из них проводится с небольшим уклоном, облегчающим перевозку грузов и сток воды.

Штольня (4) – горная выработка, имеющая выход на поверхность, проведенная к месторождению горизонтально или с незначительным подъемом; предназначена для обслуживания горных работ, разведки месторождений полезных ископаемых, и может выполнять функции откаточных, вентиляционных и водоотливных выработок. Штольня проходится только в гористой местности, и ее устье располагается на склоне горы.

Штрек (5) - горизонтальная горная выработка, не имеющая выхода на поверхность, проведенная по простиранию наклоннозалегающего месторождения или в любом направлении при горизонтальном его залегании. Предназначена для обслуживания горных работ при разведке или разработке месторождения. В большинстве случаев штреки проводят по полезному ископаемому, однако, при разработке, а иногда и при разведке месторождения их могут проводить и по вмещающим породам.

Штреки, пройденные по пустым породам вдоль полезного ископаемого, называются полевыми. Штрек, по которому идет основной поток полезного ископаемого и груза называется главным. Штрек, пройденный между главными штреками, называется промежуточным.

Квершлаг (7) – горизонтальная горная выработка, не имеющая выхода на поверхность и предназначенная для разведки месторождения и обслуживания горных работ. Квершлаг проходится по вмещающим породам вкрест простирания или под некоторым углом к простиранию полезного ископаемого, соединяя ствол шахты с рудным телом, и служит для транспортировки грузов, передвижения людей, вентиляции, водоотлива, прокладки электрических кабелей и линий связи. Устье квершлага может располагаться в боковой стенке камерной выработки, ствола или штольни.

Орт (11)- горизонтальная горная выработка, не имеющая выхода на поверхность, проводимая вкрест простирания мощной залежи полезного ископаемого (при крутом и наклонном падении) между висячим и лежачим боками в пределах их горизонтальной мощности. В ряде случаев орт может выходить за пределы залежи до полевых штреков. Устье орта располагают в боку штрека.

40

Рассечка (2) – горизонтальная горная выработка, не имеющая выхода на поверхность, проводимая из шурфов (рис. 2.4), штолен или штреков вкрест простирания горных пород, для поисков и разведки полезного ископаемого. Длина рассечки до 30 м, реже до 100 м.

Рис. 2.4. Рассечка, пройденная из шурфа

Промежуточное положение между вертикальными и горизонтальными выработками занимают наклонные выработки, отличающиеся специфическими особенностями их проведения и транспортировки по ним грузов. При разработке и разведке полезных ископаемых наиболее широко применяются бремсберги, уклоны и восстающие. Кроме того, к наклонным выработками относятся наклонные шурфы, стволы и штольни. Они имеют то же назначение и те же основные признаки, что и одноименные вертикальные или горизонтальные выработки, отличаясь от них лишь положением в земной коре.

Бремсберг (6) - наклонная горная выработка, не имеющая выхода на поверхность, пройденная, как правило, по направлению падения полезного ископаемого и предназначенная для спуска груза, полезного ископаемого на откаточный штрек.

Уклон (8) - наклонная горная выработка, не имеющая выхода на поверхность и предназначенная для подъема горных пород, груза на откаточный штрек. Нередко используется для подачи свежего воздуха с верхних горизонтов на нижние. Проходится, как правило, на угольных шахтах.

Восстающая горная выработка (восстающий) – наклонная (верти-

кальная) горная выработка, не имеющая выхода на поверхность, проводимая по восстанию залежи при разведке или разработке месторождения для

41

проветривания, спуска полезного ископаемого или породы, доставки материалов и оборудования, подачи энергии и воды. Длина – до 100 м при площади сечения до 5 м2 . Восстающие, пройденные по вмещающим породам, называют полевыми.

При подземной разработке угольных месторождений в качестве очистной выработки применяют лавы. Лава – выработка расположенная, как правило, по падению пласта между двумя штреками. Один из штреков (нижний), предназначенный для транспортирования полезного ископаемого, называется откаточным, второй (верхний) – вентиляционным. Лава имеет значительные размеры по длине (350 м и более). Ширина лавы 2-3 м, высота равна мощности пласта. Длина забоя равна длине лавы. Лава перемещается в результате выемки угля, а образовавшееся выработанное пространство закладывается породой или обрушается.

Вблизи шахтного ствола располагается целый ряд горизонтальных и камерообразных выработок, которые называются выработками около-

ствольного двора.

Околоствольный двор (рис. 2.5) - совокупность выработок, служащих для соединения ствола с остальными выработками шахты, и специальных камер для размещения общешахтных производственных служб. Тип околоствольного двора зависит от производительности шахтного ствола (количества выдаваемой руды и породы), способа подъема руды (в скипах или клетях), числа стволов, обслуживаемых околоствольным двором, принятой схемы проветривания.

На крупных шахтах, имеющих большую производительность, обычно устраивают круговые околоствольные дворы (рис. 2.5, а), обеспечивающие поточность движения транспорта, а в шахтах небольшой производительно-

сти — тупиковые (рис. 2.5, б).

Выработки, имеющие сопоставимые размеры длины, высоты и ширины (сравнительно короткие выработки с большой площадью поперечного сечения) называются камерами. Они являются, в основном, вспомогательными и служат для размещения и хранения под землей оборудования, материалов и др.

Насосная камера служит для размещения 3-4 насосов с электродвигателями. Располагают насосную камеру обычно вблизи клетевого ствола. Камеру горизонтальным ходком соединяют с главной откаточной выработкой, а наклонным – со стволом. В горизонтальном ходке устраивают герметичные двери, закрываемые на случай затопления камеры. (Ходок в камеру

– горизонтальная или наклонная выработка, проведенная по полезному ископаемому в околоштрековом целике, соединяющая штрек с эксплуатационной камерой).

Водосборник – служит для сбора шахтной воды, поступающей по водоотводным канавкам со всей шахты. Его устраивают из двух самостоятельных, закрепленных бетонной крепью выработок (для удобства чистки

42

без остановки работы насосов). Водосборник должен вмещать не менее 8- часового нормального водопритока.

Рис. 2.5. Схема околоствольного двора:

1 – обходная выработка; 2 – главный ствол; 3 – склад взрывчатых материалов;4 – вспомогательный ствол; 5,6 – камеры депо; 7 – порожняковая ветвь; 8 – камера бункера; 9 – наклонный ходок; 10 – камера ожидания; 11 – медпункт; 12 – насосная камера; 13 – камера электрической подстанции; 14 – посадочная камера; 15 – грузовая ветвь; а - схема кругового околоствольного двора; б – схема тупикового околоствольного двора

Камера электроподстанции служит для размещения электрооборудования, запитываемого от центральной поверхностной подстанции, и распределения электрической энергии к главным подземным потребителям. Камеру обычно блокируют с насосной камерой.

Камера электровозного депо служит для стоянки электровозов во время перерывов в работе, их осмотра и ремонта, а при аккумуляторных электровозах, и для зарядки батарей в шахте. Длина депо зависит от числа

итипов электровозов и преобразовательных устройств.

Камера ожидания располагается вблизи вспомогательного ствола шахты и служит для пребывания рабочих в ожидании поезда, доставляюще-

43

го их на участок, для отдыха перед подъемом на поверхность. Камера должна иметь два выхода (по обе стороны от ствола) для перехода с порожняковой на грузовую ветвь околоствольного двора и наоборот.

Камера опрокидывателя и бункерная камера служат для разгрузки вагонеток и загрузки скипов на главном стволе.

2.2. Элементы и параметры горной выработки

Поверхности породы, ограничивающие горную выработку, являются

ееэлементами (рис. 2.6).

Забой (1) – поверхность горной выработки, передвигающаяся в пространстве в результате выемки вмещающей горной породы или полезного ископаемого. Различают забои очистные и подготовительные. Последние, в свою очередь делятся на действующие, запасные и резервные забои.

Действующие забои – забои, в которых систематически производятся

очистные или подготовительные работы.

Запасные забои - забои, полностью подготовленные, но не оснащенные выемочными машинами. При необходимости они могут быть оснащены выемочным оборудованием и превращены в действующие или резервные забои.

Резервные забои – забои, полностью подготовленные и оснащенные необходимым оборудованием, и могут быть в любое время введены в действие.

Подвигание забоя

(7)– расстояние ( L ), на которое переместится забой за определенный промежуток времени.

Устье (2) – место примыкания горной выработки к земной поверхности или к другой горной выработке, из которой она берет начало.

Кровля (3), подошва (4), бока (5) – по-

верхности горной поро-

Рис. 2.6. Элементы горной выработки ды, ограничивающие вы-

работку, соответственно,

сверху, снизу и с боков.

Призабойное пространство (6) – часть горной выработки, непосредственно примыкающая к забою, и предназначена для размещения рабочих и проходческого (добывающего) оборудования.

44

К параметрам горных выработок относятся протяженность (длина, глубина) и площади сечения выработки.

Различия в длинах (глубинах) горных эксплуатационных и разведочных выработок в ряде случаев несущественны. Например, длина разведочных штолен иногда измеряется километрами, а глубина стволов разведочных шахт достигает 400 м и более.

Площади поперечного сечения разведочных выработок, как правило, определяются из условия возможности, целесообразности и эффективности проходческих работ. Поэтому обычно они имеют по сравнению с эксплуатационными выработками меньшее сечение. Исключением из этого являются стволы разведочных шахт и выработки, проводимые при детальной и эксплуатационной разведках, и предназначаемые впоследствии для использования в процессе разработки месторождения.

Площадь поперечного сечения выработки в свету Sсв - площадь,

заключенная между крепью горной выработки и ее почвой, за исключением площади балластного слоя и рельсового пути.

Площадь поперечного сечения выработки вчерне Sч - проектная

площадь выработки.

Площадь поперечного сечения выработки в проходке Sпр - дейст-

вительная площадь горной выработки ограниченная ее контуром в забое:

Sпр 1.04 1.12 Sч .

2.3.Горные предприятия

Горное предприятие – самостоятельная производственная единица, осуществляющая разведку, добычу и обогащение полезных ископаемых. Горное предприятие, осуществляющее добычу и первичное обогащение полезных ископаемых, называется горнодобывающим. Существуют следующие виды горнодобывающих предприятий: шахта (разведочная шахта), рудник, карьер (разрез), прииск.

Шахта является самостоятельным горнопромышленным предприятием, осуществляющим добычу полезного ископаемого подземным способом и отгрузку его потребителю или на центрально-обогатительные фабрики. К шахте относятся также подземные и наземные сооружения для разработки месторождения.

Разведочная шахта – предприятие, осуществляющее разведку месторождений подземным способом и представляющая собой совокупность подземных горных выработок, предназначенных для разведки полезных ископаемых.

Рудник – горнопромышленное предприятие, состоящее из одной или нескольких производственных единиц (шахт, карьеров), служащее в основ-

45

ном для подземной добычи руд, горно-химического сырья и строительных материалов.

Карьер – представляет собой совокупность разнообразных горных выработок (траншей, котлованов и др.), погрузочное, транспортное и отвальное хозяйства, механические мастерские и др., осуществляющее разведку и разработку месторождения открытым способом.

Карьеры по добыче угля и россыпных полезных ископаемых называ-

ют разрезом.

Рис. 2.7. Карьер

Месторождение, разрабатываемое открытым способом, разделяется на отдельные слои, обычно с учетом изменения качества полезного ископаемого или наличия пустых пород. Разработка каждого верхнего слоя опережает разработку нижнего, поэтому карьер имеет уступчатую форму (рис. 2.7).

Прииск – горнодобывающее предприятие по разработке россыпных месторождений полезных ископаемых, преимущественно золота, платины и алмазов.

46

2.4. Процессы при проведении горных выработок

Горные работы предполагают собой необходимость выполнения производственных и рабочих процессов, связанных с проведением, поддержанием горных выработок и выемке полезного ископаемого.

Производственный процесс – процесс труда, направленный на достижение конечной цели - создание конкретных материальных благ (например, добыча угля, руды) и характеризуется постоянством предмета труда, которым является горный массив. Результатом труда является добытое полезное ископаемое. По технологическому и организационному содержанию производственный процесс представляет собой совокупность комплексов рабочих процессов, необходимых для разведки и добычи полезного ископаемого.

Рабочий процесс представляет собой четко очерченную часть производственного процесса (например, выемка угля комбайном, размельчение разрыхленной породы, возведение крепи). В общем случае рабочий процесс представляет собой совокупность основных и вспомогательных опера-

ций.

Основные операции (разрушение горного массива; проветривание; уборка породы; крепление выработок) определяют содержание и конечную цель рабочего процесса.

Вспомогательные операции (настилка рельсового пути, устройство водоотливной канавки, навеска вентиляционных труб и др.) сопутствуют основным и способствуют их успешному выполнению.

Проведение выработок и очистная выемка, как горные работы, основаны на разрушении горного массива.

2.5. Разрушение горного массива

Процесс разрушения в основном сводится к отбойке от породного массива некоторого количества горных пород. Если в результате отбойки горной массы отделяются крупные куски породы, не подлежащие транспортировке на поверхность, их измельчают до транспортабельных (кондицион-

ных) размеров (вторичное дробление).

Методы разрушения породы при отбойке и вторичном дроблении разнообразны и осуществляются различными способами: с помощью ручной отбойки, средствами гидромеханизации, с помощью отбойных молотков, с использованием комбайнов и стругов, с применением буровзрывных работ.

Ручная отбойка довольно широко распространена при проведении горно-разведочных выработок в мало связных и мягких породах. Данный способ применяют также при рыхлении крепких пород в небольших

47

объемах, например, при пересечении шурфов с маломощной прослойкой крепких пород. Уплотненные мягкие, ломкие и хрупкие породы отбивают с помощью кайл. Крепкие породы отделяют от массива киркой и молотком, а трещиноватые — стальным клином, загоняемым в трещины забоя тяжелым молотом или ломом.

При проведении подземных выработок ручная отбойка применяется при выполнении отдельных операций – скалывании граней с боковых стенок при возведении крепи, зачистке и оборке забоя, навеске вентиляционных

труб и др.

изменять направление полета струи. В качестве ходовой части гидромонитора используются металлические салазки и гусеничные тележки с гидромеханическим и электромеханическим приводом.

48

Гидравлическое разрушение применяется на открытых работах при разработке наносных отложений и в отдельных случаях при подземной добыче полезных ископаемых. Гидравлическую отбойку производят одновременно с транспортировкой разрушенной породы по трубам или наклонным канавам.

Размыв породы на открытых работах производится гидромониторами с давлением струи обычно 1…2 МПа при расходе воды 250…4000 м3/ч.

Для подземной гидроотбойки и смыва перемятых, выветрелых и разрыхленных взрывом углей, других полезных ископаемых и горных пород, используются гидромониторы, воду к которым подают под давлением до 6 МПа при расходе до 400 м3/ч. Требуемый напор гидромонитора достигается насосами высокого давления.

Считается, что эффективная отбойка породы, имеющей коэффициент крепости f , происходит при развиваемом напоре Н 5 f .

Отбойные молотки (рис. 2.10) — это легкие породоразрушающие машины ударного действия, являющиеся простейшим средством механизации отбойки. Они предназначены для отбойки угля различной крепости, разрушения и разрыхления мягких руд и грунта. Отбойные молотки используют также при проведении горно-разведочных выработок, поскольку они облегчают труд проходчика и увеличивают его производительность. Применение их возможно при наличии компрессорных установок.

Рис. 2.10. Внешний вид отбойных молотков

Структурно отбойный молоток состоит из пускового устройства 1, воздухораспределительного механизма 2 и ударного узла 3. Принцип действия пневматического отбойного молотка основан на использовании энергии сжатого воздуха для обеспечения возвратно-поступательного движения поршня–ударника. Ход поршня – ударника, при котором наносится удар по пике, называется рабочим ходом, обратный ход – холостой. При нажатии на

49

рукоятку пускового устройства сжатый воздух поступает в воздухораспределительный механизм, принцип работы которого приведен на рис. 2.11.

ветствует началу рабочего хода поршня – ударника (рис. 2.11, в).

Рабочий ход. Под действием сжатого воздуха поршень-ударник устремляется вниз, проходит выпускные отверстия 10, и наносит удар по пике

50

9. Сжатый воздух, находящийся над поршнем-ударником, выходит в выпускные отверстия. Давление над поршнем-ударником резко падает, и кольцевой клапан 4 перебрасывается (рис. 2.11, г). Давление под поршнемударником растет. Начинается холостой ход поршня – ударника.

Таким образом, переключение клапана происходит за счет разности давлений в клапанной коробке над и под клапаном при открывании выхлопных отверстий поршнем - ударником.

Эффективная работа наиболее известных отбойных молотков (МО2МС, МО-3МС, МО -4МС) обеспечивается при номинальном расходе воздуха 1,5 м3/мин и давлении воздуха 0,5 МПа. Энергия удара составляет 4055 Дж при частоте ударов от 23 до 17 с-1.

Механическое разрушение углей и пород с использованием комбай-

нов. Горный комбайн – это комбинированная горная машина, совмещено во времени выполняющая отделение от массива полезного ископаемого, пустой породы (или и того и другого вместе) и погрузку горной массы в транспортные средства.

Рис. 2.12. Схема работы комбайна в горной выработке

Современные проходческие комбайны позволяют эффективно разрушать горные породы с коэффициентом крепости f 5 .

Всоответствии с выполняемыми функциями комбайны имеют исполнительные органы для механического разрушения и погрузки горной породы, органы подачи комбайна на забой и перемещений в забое, двигатель, устройства для подавления или поглощения пыли и другое вспомогательное оборудование.

Всовременных проходческих комбайнах используются исполнительные органы с коническими резцовыми коронками или шаровыми фрезами, установленными на стреле (рис. 2.15); в виде шнека с закрепленными на нем зубками (рис. 2.13-2.14); с буровым или роторным резцовым исполнительным органом (рис. 2.16).

Очистные комбайны для крутых пластов, работающие по восстанию или падению пласта погрузочным органом не оснащаются, так как отбитое полезное ископаемое перемещается вниз под действием собственного веса или потоком воды (гидротранспортом).

51

представляет собой исполнительный орган – струг, оснащенный резцами. Перемещение струга осуществляется при помощи приводов, расположенных по концам лавы (или вынесены на штреки). Тяговым органом, передающим усилие от привода, является круглозвенная цепь. Струг перемещается по ставу забойного конвейера. При движении вдоль забоя струг снимает стружку угля толщиной 50…150 мм. Отбитый таким образом уголь корпусом струга грузится на конвейер.

Бурошнековые установки (БШУ) (рис. 2.18) используются для добычи угля из тонких пластов. БШУ располагается в штреке и производит бурение спаренным шнековым ставом по пласту. Разрушенный коронками уголь транспортируется из скважины шнековым ставом на конвейер, который располагается в штреке.

Взрывной способ разрушения горных пород универсален, и является наиболее распространенным. Около 90% минерального сырья в Украине добывается с помощью взрывных работ. Взрывная отбойка части горной массы от целого массива может применяться при любой крепости полезного ископаемого и пород.

При добыче рудных полезных ископаемых и проведении горных выработок по крепким породам, взрывное разрушение является единственным способом, имеющим промышленное применение.

Взрывной способ разрушения основан на применении взрывчатых веществ (ВВ), при быстротечном разложении которых, освобождающаяся энергия взрыва отделяет от массива и осуществляет дробление породы. Чтобы осуществить взрывное разрушение с достаточной эффективностью,

ВВдолжно быть размещено в специально образуемых в породе полостях, называемых зарядными камерами. В зависимости от формы и размеров этих полостей, различают следующие способы ведения взрывных работ: шпуровой, скважинный, камерными и накладными взрывами.

Шпуровой метод взрывных работ применяется при проведении горных выработок, в отдельных случаях для отбойки угля в очистных забоях (рис. 2.19, ДОБЫЧА УГЛЯ В ШАХТЕ) и руд в блоках при небольшой мощности рудных залежей. (Шпур – цилиндрическая полость в горной породе, имеющая глубину до 5 м, диаметр до 75 мм и предназначенная для размещения заряда ВВ).

Скважинный способ применяются при массовой отбойке руды в блоках мощных рудных тел, а также на открытых горных работах для разрушения пород в уступах (рис. 2.19, ДОБЫЧА РУДЫ В КАРЬЕРЕ). (Взрывная скважина – горная выработка цилиндрической формы глубиной более 5

ми диаметром 75 мм и более, пройденная в породе способом бурения).

Метод камерных зарядов применяется в отдельных случаях для отбойки руды в блоках, а также для осуществления массовых взрывов на поверхности. С этой целью проводятся специальные горные выработки, не-

55

материала. Процесс помещения заряда в шпур и заполнение его забойкой называется заряжанием шпуров.

При взрыве заряда ВВ в глубине массива пород возникает большое давление газов, образовавшихся при взрыве. Это давление разрушает и от-

брасывает определенный объем породы V , подвигая забой на длину за-

ходки Lзах .

Таким образом, взрывные работы при шпуровом методе заключаются в бурении шпуров, заряжании и взрывании ВВ.

Бурение шпуров, осуществляемое различными способами и механизмами, заключается в одновременном или последовательном выполнении двух операций – разрушение породы в забое шпура и удаление из него разрушенной горной породы.

Разрушение породы при бурении шпура достигается за счет передачи на забой механических нагрузок, вызывающих в породе напряжения, величина которых превышает ее прочность. Этот вид бурения шпуров называют механическим, и является доминирующим.

Разрушенная порода из шпура удаляется водой, воздушной струей или механическим способом.

Под термином «механическое бурение» иногда понимают бурение с помощью машин, противопоставляя ему ручное бурение, осуществляемое человеком с использованием простейших инструментов. В данном случае в термин «механическое бурение» вкладывается другое понятие: механическим называется такое бурение, при котором разрушение породы в шпуре достигается за счет ручной или машинной передачи на нее механических нагрузок.

Механизмы, применяемые для машинного бурения шпуров, называются бурильными машинами. Они, как правило, компактны, транспортабельны и имеют относительно небольшую мощность. Эти особенности обеспечивают удобство их эксплуатации в горно-разведочных выработках. В условиях разведки месторождений они также облегчают транспортировку оборудования к месту производства работ и позволяют проводить последние при недостаточной энерговооруженности геологоразведочных предприятий.

Бурильные машины оборудуются преимущественно электрическим, пневматическим или гидравлическим приводами; в некоторых конструкциях машин используются бензиновые моторы.

Вращательные машины называют сверлами. Разрушение пород при бурении шпуров сверлами обеспечивается вращающимся и прижимаемым к забою породоразрушающим инструментом, оснащенным резцами. Им же транспортируют из шпура разрушенную породу, для чего буровую штангу изготовляют из витой стали, которая при вращении, работая по принципу шнека, перемещает разрушенную породу от забоя шпура к его устью.

57

По массе и мощности двигателей сверла разделяют на ручные и колонковые. Бурение шпуров ручным сверлом производится с рук; масса таких сверл не превышает 25 кг при мощности на валу до 1,5 кВт. Колонковые сверла, имеющие более значительную массу (до 120 кг) и мощность до 3 кВт, монтируются для бурения шпуров на специальных колонках, устанавливаемых в забоях горных выработок.

Ручные сверла (РС) предназначены для бурения шпуров диаметром до 46 мм и глубиной до 2 м в мягких и средней крепости породах. По роду потребляемой энергии РС делятся на пневматические (ПРС), гидравлические (ГРС) и электрические (ЭРС).

Ручное пневматическое сверло (рис. 2.21) состоит из ротационного двигателя, редуктора, пусковой ручки, шпинделя с патроном. Сжатый воздух к сверлу подводится гибким шлангом. При помощи пусковой рукоятки производится пуск и остановка ПРС. Регулирование скорости вращения обеспечивается изменением количества воздуха, поступающего в двигатель.

В последние годы находят применение гидравлические сверла. (ГРС) (рис. 2.22). Отличительной их особенностью является применение безредукторного гидропривода с увеличенным крутящим моментом и повышенной мощностью, что дает возможность уменьшить массу сверла и повысить пределы применения их в более крепких породах. Техническая характеристика некоторых ПРС и ГРС приведена в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Краткая техническая характеристика ПРС и ГРС

ливается на простейших подставках. Осевое усилие при бурении по углям и

В более крепких породах применяют ручные электросверла с принудительной подачей. Такие сверла имеют дополнительный редуктор с барабанчиком 1 (рис. 2.25) для наматывания подающего канатика 2, один конец которого крепят на раздвижной стойке 3, установленной у забоя. При бурении, канатик наматывается на барабан и создает необходимое усилие подачи

Рис. 2.25. Электросверло с принудительной подачей

Колонковые сверла при работе устанавливают на распорных трубках, колонках (рис. 2.26) или манипуляторах (рис. 2.27). Манипуляторы позволяют оперативно, с высокой долей механизации обеспечить подъем и спуск бурильной машины, и фиксированную ее установку в необходимом положении при

свободно вращаться относительно патрона.

Рис. 2.27. Манипулятор для установки электросверла

Далее включается подача, и штоки гидроцилиндров начинают перемещать траверсу в направлении забоя (бурение I). При выдвижении штоков и рабочем вращении шпинделя буровая штанга без вращения подается вперед до соприкосновения резца с породой. После этого шпиндель под действием напорного усилия жестко соединяется с патроном. При этом штанге с резцом сообщается вращение: она начинает внедряться в породу.

После того как шпур пробурен на глубину, равную ходу подачи (0,9 м), траверса отводится в исходное положение. При этом патрон и буровая штанга не вращаются (отсутствует напорное усилие со стороны забоя).

При отводе траверсы в исходное положение с заторможенной буровой штангой она вместе с винтовым упором на ее хвостовике выдвигается из шпинделя. Буровая штанга при этом остается в шпуре, т. е. происходит ее перехват. Винтовой упор в шпинделе занимает новое положение.

Далее повторяют бурение шпура (бурение II, III) прежним способом еще на глубину 0,9 м. При втором перехвате шпур добуривают до полной глубины — 2,2 м.

После этого реверсируют электродвигатель (вместе с ним и насос), траверса отводится в исходное положение, шпиндель при этом вращается в противоположном направлении. Винтовой упор будет ввинчиваться по резьбе в шпиндель, т. е. буровая штанга будет вытягиваться из шпура и втягиваться в шпиндель. Затем при помощи рукоятки управления золотником сообщают траверсе осевое движение в направлении от забоя и тем самым буровую штангу выводят полностью из шпура.

61

Рис. 2.28. Принципиальная схема бурения шпура колонковым сверлом ЭБГП1

Бурильные машины с бензиновым двигателем. Использование элек-

мотобуры М-1, МП-1 и ДС-1 (рис. 2.29), представляют собой сверла с бензиновым двигателем, и могут с успехом использоваться для бурения шпуров

впородах до V категории по буримости.

Инструмент для бурения шпуров вращательным способом. Буро-

вым инструментом для вращательного бурения шпуров являются буры, состоящие их штанги и резца. Штанга имеет хвостовик, которым ее вставляют

впатрон (шпиндель) РС.

Штанги для вращательного бурения шпуров предназначены для передачи закрепленному на них буровому резцу осевого усилия и крутящего момента от шпинделя РС (рис. 2.30): 1 - шестигранные для бурения с продувкой, промывкой шпуров; 2 - витые цельнотянутые; 3 - круглые; 4 - витые полые для бурения шпуров, как с продувкой (промывкой), так и без, а также для удаления штыба из шпура в процессе бурения.

Резцы для вращательного бурения шпуров имеют различную конст-

рукцию, которая зависит от условий бурения. Их изготавливают из быстрорежущей стали или обычной углеродистой стали и армируют пластинками твердого сплава ВК-6, ВК-8 и др., а также пластинами алмазного композиционного термостойкого материала (АКТМ).

Резец состоит из корпуса 1 (рис. 2.31), перьев 2 и хвостовика 3. Перья имеют переднюю 4 и заднюю 5 грани лезвия 6.

Рис. 2.30. Штанги для вращаРис. 2.31. Перья резца с положительным

тельного бурения шпуров (а) и отрицательным (б) углами заточки

63

Резцы бывают угольные и породные. Отличаются они длиной и толщиной перьев, углами заострения ( , ) (рис. 2.31, а ,б) и величиной рас-

сечки между перьями. Резцы, применяемые для бурения по углю и мягким породам, имеют большую рассечку и длину перьев и меньший угол заострения . Породные резцы имеют короткие перья, меньшую рассечку и

большой угол , что повышает его прочность. При увеличении крепости породы увеличивается угол заострения , уменьшается задний и передний углы и . Угол в крепких породах получает отрицательное значение, т.е. расположен левее осевой линии (рис. 2.31, б).

Некоторые типы и внешний вид резцов показаны на рис. 2.32.

Резцы угольные типа РУ15 предназначены для вращательного бурения шпуров ручными пневмо, гидро и электросверлами по мягким и средней крепости углям и мягким (слабым) породам не имеющих твердых включений ( f =4-6). Резцы имеют клиновидный хвостовик с отверстием

для шплинтования. Для резцов характерно наличие большого диаметра раствора (разрыва между перьями) и удлиненных перьев, что способствует снижению усилия подачи. Благодаря V-образному раствору режущего типа резцы хорошо работают по вязким малоабразивным породам.

Резцы породные РП-42 предназначены для вращательного бурения шпуров в крепких породах при f до 8. Конструкция резцов позволяет рабо-

тать с повышенными скоростями бурения. Соединение резца со штангой – конусное.

Резцы РШ181 предназначены для вращательного бурения шпуров для различного технологического назначения в породах с коэффициентом

крепости f до 8 с помощью буровых установок и ручных сверл. Резцы

имеют хвостовик с наружной метрической резьбой для соединения со штангой.

Резцы алмазные PSH140 (РШ140) предназначены для вращательного бурения с промывкой шпуров в твердых, монолитных породах с коэффи-

циентом крепости f до 16. Конструктивными особенностями резцов явля-

ются: четырехперая форма с алмазными пластинами; округлая форма режущих кромок для повышенной прочности резца; твердосплавные вставки на юбке резца для повышения сопротивления истиранию. Соединение резцов со штангой – конусное; в корпусе имеется отверстие для промывки.

Алмазные резцы РШ183 предназначены для вращательного бурения шпуров под анкерное крепление в породах с коэффициентом крепости f до

12 с помощью буровых установок и ручных сверл. Имеют хвостовик с наружной метрической резьбой для соединения с буровой штангой.

64

Механизм разрушения пород при вращательном бурении шпуров заключается в следующем (рис. 2.33). Под непрерывным действием силы Р (осевое усилие), создающей поступательное движение, резец углубляется в породу, раздавливая ее под лезвием, а под действием силы Q , создаю-

щей вращательное движение, резец срезает стружку породы. Разрушенная порода выдается из шпура, например, витковыми спиральными буровыми штангами.

При вращательном способе бурения порода разрушается главным образом скалыванием и, в незначительной мере – смятием. Элементарный цикл разрушения характеризуется

двумя периодами:

I – формирование перед режущей гранью главной величины давления без существенного продвижения резца. В этот период усилие на лезвии и потребляемая мощность станка увеличиваются до

ды. При этом, сопротивление породы и потребляемая мощность резко снижаются до min Резец проходит не-

который участок до встречи с ненарушенной породой, нанося при этом удар по породе. Сопротивление движению резца снова быстро увеличива-

ется до max и цикл разрушения повторяется.

Для вертикального перемещения резца необходимо приложить силу, которая определяется по формуле

P (D d)tg ,

65

тельное устройство.

Ударно-поворотный механизм предназначен для нанесения порш- нем-ударником ударов по хвостовику бура и его поворота при обратном движении поршня-ударника.

Воздухораспределительное устройство предназначено для попере-

менной подачи сжатого воздуха в поршневую и штоковую полости цилиндра перфоратора.

Механизм управления предназначен для подвода сжатого воздуха к воздухораспределительному устройству. Включает кран, который имеет четыре положения – «Стоп», «Забуривание», «Работа», «Продувка».

Виброгасящее устройство предназначено для защиты бурильщика от вибрации. Состоит из рукоятки 3, соединенной с легкой сварной рамой, имеющей направляющие кронштейны. В трубах сварной рамы, как правило, расположены пружины с ползунами, ось которых проходит через отверстие

вприливе цилиндра перфоратора. В ряде перфораторов между направляющим кронштейном и упорными кольцами на трубах установлены две вспомогательные пружины.

Глушитель шума 4 представляет собой резиновую камеру, надетую на выхлопную горловину.

Буродержатель 5 предназначен для закрепления буровой штанги и соединен стяжными болтами со стволом.

Принцип работы пневматического перфоратора заключается в том,

что поршень-ударник под действием сжатого воздуха, поступающего от воздухораспределительного устройства, совершает возвратно - поступательные движения. При движении вперед он наносит удар по хвостовику штанги, при движении назад – проворачивает инструмент посредством храпового механизма и геликоидального винта.

При впуске сжатого воздуха в верхнюю часть цилиндра 4 (рис. 2.35), поршень-ударник 6, двигаясь в цилиндре вниз (рабочий ход), выталкивает воздух из нижней части цилиндра через выхлопное отверстие 5. Когда поршень перекроет выхлопное отверстие, воздух, оставшийся в нижней части цилиндра, сжимается и по каналу 9 в корпусе цилиндра, поступает в кольцевой канал 18, оказывая давление на клапан 11. Как только поршень при дальнейшем движении вперед откроет выхлопное отверстие 5, давление в цилиндре над поршнем 6 снизится и клапан 11 переместится вниз, перекрыв кольцевое отверстие 8.

Сжатый воздух начнет поступать в нижнюю часть цилиндра 3 по каналу 9. Поршень начнет движение вверх. После перекрытия поршнем выхлопного отверстия 5 воздух в верхней части цилиндра сжимается и давит на нижнюю поверхность клапана 11. Как только вновь откроется выхлопное отверстие 5, давление воздуха в нижней части цилиндра и, следовательно, над клапаном снизится. Клапан под воздействием избыточного давления в

67

В некоторых случаях переносные перфораторы размещаются на манипуляторах, которые механизируют перемещение в призабойном пространстве податчика с перфоратором. Манипуляторы крепят на погрузочных машинах (рис. 2.38), распорных стойках и т.д.

Рис. 2.38. Установка манипулятора на погрузочной машине

Достаточно часто используются стреловидные манипуляторы в составе легких буровых установках (УБЛ). Такие установки распространены при проходке горно-разведочных выработок сечением 4 м2 и более; в ряде случаев – для бурения шпуров под анкерную крепь. Для бурения шпуров глубиной до 2 м в горных выработках сечением до 5 м2 находит примене-

69

ние установка УБЛ-2 (рис. 2.39). При этом в выработках сечением свыше 5 м2 могут быть применены одновременно две установки.

Рис. 2.39. Легкая буровая установка УБЛ-2

Телескопные перфораторы (рис. 2.40 - 2.41). Применяют перфора-

торы для бурения восстающих шпуров под углом 450 и более. Они представляют собой конструктивное единое целое перфоратора и телескопного подающего устройства (пневматической поддержки) в виде выдвигающегося штока с поршнем (длина подачи до 650 мм, усилие подачи до 1600 Н). Телескопическая колонка, цилиндр и ствол перфоратора находятся на одной оси и соединяются между собой стяжными болтами. При поступлении сжатого воздуха в камеру поршня податчика цилиндр подачи вместе с бурильным молотком поднимается вверх, создавая осевое давление на забой шпура. Включение и выключение, как самого перфоратора, так и телескопной колонки производится рукояткой пускового крана.

Колонковые перфораторы (рис. 2.42) используют для бурения шпуров и скважин в крепких породах в горизонтальных выработках. Их устанавливают на специальных распорных колонках (стойках), манипуляторах или каретках. Подача на забой - принудительная автоматическими винтовыми, реечными, канатными и гидравлическими податчиками.

70

Перфоратор YN27A с бензиновым двигателем (рис. 2.43) предна-

значен для ударно-поворотного бурения шпуров диаметром 28 – 43 мм, глубиной до 6 м, разрушения и дробления горной породы, бетона, кирпичной кладки, асфальта и других материалов.

Рис. 2.43. Внешний вид бензиновый перфоратора YN27A

71

Инструментом для бурения шпуров ударно-поворотным способом

являются буры с головками или чаще со съемными коронками. При этом буры могут быть цельными или составными.

ных породах вы-

72

сокой абразивности. Соединение коронок со штангой – конусное.

Механизм разрушения пород при ударно-поворотном бурении шпу-

ров. Ударно-поворотный способ бурения заключается в том, что инструмент клиновидной или другой формы внедряется в породу под действием значительной по величине, но кратковременной динамической нагрузки, направленной по оси инструмента Руд (рис. 2.48). Осевое усилие незначительно и обеспечивает в момент удара только контакт инструмента с породой. При

ударе, лезвие внедряется в породу на глубину h . После каждого удара вследствие упругости инструмента и породы, а также незначительного осевого усилия инструмент отскакивает от забоя и бур специальным механизмом машины поворачивается на некоторый угол 15 30о . Вновь нано-

сится удар. При этом лезвие, внедряясь в породу, делает в ней новую бороздку вблизи от первой и т.д. Этим обеспечивается обработка забоя по всей площади. На начальной стадии внедрения долота формируется зона 1, в объеме которой порода находится в тонкоизмельченном состоянии. За пределами этой зоны образуется зона трещиноватости 2, в которой криволинейными трещинами порода разбита на отдельности неправильной формы. У свободной поверхности зона трещиноватости проявляется в форме скола отдельных элементов. Толщина зоны трещиноватости и размеры зоны скола определяются свойствами породы, энергией удара, скоростью приложения нагрузки, размерами и формой инструмента.

При повороте лезвия инструмента на 180о за чис-

приострения лезвия; - угол внутреннего трения породы.

При известном числе ударов n , углубка шпура hш составляет вели-

чину

73

hш hn , м no

Механическая скорость бурения молотками, можно определить по эмпирической формуле

где А – энергия удара поршня, Дж; n - частота ударов поршня, Гц;- предел прочности породы на сжатие, МПа 10 ; d - диаметр шпура, мм.

При ударно-поворотном бурении, большая часть горной породы разрушается под действием сжимающих нагрузок при вдавливании лезвия в породу, и лишь незначительная часть подвергается разрушению скалыванием (противоположно тому, что имеет место при вращательном бурении).

Так как сопротивление породы сжатию в 7-10 раз больше чем сдвигу, то и удельные энергетические затраты при ударном бурении значительно больше, чем при вращательном (в породах средней и ниже средней крепости, где применимо вращательное бурение).

Установки для бурения шпуров. Для механизации бурения шпуров и повышения производительности бурения широкое применение получили бурильные установки. Такая установка представляет собой бурильную машину, состоящую из бурильной головки с подающим механизмом (податчиком), установленную на гидрофицированном манипуляторе на тележке. Установка позволяет одной штангой бурить в необходимом направлении шпуры на глубину до 4 м.

Структурная схема бурильной установки приведена на рис. 2.49. Установка состоит из: механизма перемещения 1 (ходового устройства), который может быть колесно-рельсовым, гусеничным или пневмошинного типов. Как правило, выполняются в виде самостоятельного органа – чаще всего тележки. Привод механизмов перемещения может осуществляться от электро-, пневмоили дизельных двигателей; привода исполнительного органа 2 и 3 в виде бурильной головки вращательного или вращательноударного бурения. Рациональная область применения первых - породы крепостью до 8 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, вторых - породы крепостью 8-15.

Бурильные головки состоят из приводного двигателя 2 (электрического, пневматического или гидравлического), редуктора, ударного устройства 3; штанги (круглого витого и шестигранного сечения) с резцом 4; манипулятора 6, который предназначен для размещения, пространственных перемещений, установки и удержания в требуемом положении податчика с бурильной головкой; податчика 7, который служит для перемещения бурильной головки относительно стрелы 5 на забой, с заданным осевым уси-

74

лием, требуемой скоростью подачи, и отвода головки в исходное положение после окончания бурения.

Податчики могут иметь постоянную длину и быть телескопическими. Первые используются когда линейные размеры выработки превышают длину податчика, вторые - позволяют обурить забой выработки с полной раздвижностью податчика, а кровлю и бока выработки - укороченными шпурами с помощью сложенного податчика.

В качестве привода податчиков используют пневмоили гидродвигатели. Ход податчика может быть от 2 до 4,5 м, усилие подачи 1,5-20 кН, скорость подачи бурильной головки при бурении до 0,3 м/с, а при обратном ходе -от 0,2 до 0,4 м/с. Кронштейн 8 для установки податчика выполняется шарнирным с обеспечением свободы как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, с помощью гидроцилиндров, которые в составе системы гидропривода установки, обеспечивающих необходимое число степеней свободы при пространственных перемещениях податчика 7 с бурильной головкой.

Для бурения шпуров установка выставляется в выработке и фиксируется. При помощи манипулятора податчик выставляется в точку бурения под необходимым углом. Включается буровая головка (вращение) и производится бурение шпура, путем перемещения буровой головки на забой посредством податчика.

Рис. 2.49. Общая структурная схема бурильной установки

Конструкция электрической бурильной установки БУЭ1М (рис. 2.50). Бурильная установка БУЭ1М предназначена для бурения шпуров и выбуривания угля при проведении горизонтальных выработок, преимущественно однопутного сечения от 6 до 13 м2 в свету, по породам с коэффициентом крепости до 16 в шахтах, опасных по газу и пыли.

Бурильная установка БУЭ1М выпускается в двух исполнениях: с бурильной головкой вращательного действия для бурения шпуров по породам

75

крепостью f = 4 ÷ 8 (три частоты вращения шпинделя — 151, 317 и 731 об/мин) и вращательно-ударного - для пород крепостью f = 6 ÷ 16, при этом бурильная установка может работать и во вращательном режиме (две частоты вращения шпинделя — 144 и 375 об/мин). Выбуривание угля производится установкой в подготовительных выработках со смешанными угольным и породным забоями, в которых применение взрывных работ по углю запрещается.

Установка БУЭ1М состоит из бурильной машины с бурильной головкой 1, установленной на конце стрелы, манипулятора 6, рамы-бака 7 для масла, шасси 8, гидросистемы с пультом управления 9, электрооборудования 10, сиденья 11 для машиниста, буфера 12. Бурильная машина, в свою очередь, состоит из бурильной головки 1 с электродвигателем мощностью 7,5 кВт и редуктором 2, буровой штанги 3, податчика 4 с гидроцилиндрами

инаправляющей рамой. При выбуривании угля скважинами диаметром 300

ммпредусмотрена установка штанги с коронкой 5, оснащенной резцами, вместо штанги для бурения шпуров.

Для бурения шпура в патрон бурильной головки вставляется хвостовик штанги с резцом на конце. Патрон удерживается двумя выступами. Через муфту боковой промывки и отверстие в хвостовике подводится вода под давлением, которая далее по осевому каналу в штанге поступает на забой для промывки шпура.

Бурильная головка на забой подается гидроцилиндровым механизмом подачи.

Манипулятор гидрофицирован, что позволяет выполнять следующие операции: вращение стрелы манипулятора вместе с бурильной машиной

относительно продольной оси па угол 180°; подъем стрелы в вертикальной плоскости и поворот в горизонтальной при помощи двух гидроцилиндров; подъем и поворот бурильной машины относительно манипулятора посредством гидроцилиндров в вертикальной и горизонтальной плоскостях;перемещение направляющей балки податчика по кронштейну манипулятора гидроцилиндром надвигания.

От электродвигателя (мощностью 7,5 кВт) через редуктор приводится в действие насос гидросистемы.

Передвижение бурильной установки по рельсовому пути осуществляется приводом хода, который состоит из гидромотора и трехступенчатого редуктора.

Шасси служит основанием бурильной установки и состоит из рамы, к которой на полуосях крепятся правая и левая ходовые тележки. На тележках смонтированы ходовые колеса, рельсовые захваты и четыре маневровых катка, попарно на каждой тележке. С помощью двух гидроцилиндров, тележки могут быть раздвинуты или сдвинуты относительно рамы шасси с учетом размеров колеи (600— 900 мм). Благодаря этому в транспортном по-

76

ложении бурильная установка занимает небольшую ширину (600 мм), что имеет существенное значение в горных выработках малого сечения.

Рис. 2.50. Конструкция установки БУЭ1М

Конструкция пневматической бурильной установки БУ1М (рис. 2.51). Пневматическая бурильная установка БУ1М вращательно-ударного действия предназначена дли бурения шпуров по породе с коэффициентом крепости f = 6 ÷ 16 при проведении горизонтальных горных выработок сечением от 6 до 20 м2.

Рис. 2.51. Конструкция бурильной установки БУ1М

Бурильная установка БУ1М состоит из винтового автоподатчика 1; одной пневматической бурильной головки 2 вращательно - ударного действия; манипулятора 3; верхней тележки 4; нижней тележки 5; двух рельсовых захватов 6; маслостанции с пультами гидравлического и пневматического

77

управления 7; неподвижного люнета 8; подвижного люнета 9; буровой штанги 10 с коронкой; двух пневматических упоров 11.

Перед началом бурения тележка 5 закрепляется с помощью рельсовых захватов и боковых опор, распираемых в стенки выработки. Перемещение буровой головки по забою и удержание ее в заданном положении производится манипулятором, который установлен на верхней тележке и имеет пневматическое управление. Кроме того, имеются два пневматических упора 11, расположенных на конце стрелы; они упираются в забой и придают машине устойчивость при забуривании. Пульт управления расположен на верхней тележке. Бурение ведется с боковой промывкой шпуров. Бурильная установка имеет устройство, позволяющее перекатывать ее на соседний путь в двухпутевой выработке.

Особенностью машины БУ-1М является применение вращательноударного способа бурения, при котором для разрушения породы одновременно используется энергия удара, крутящий момент и осевое усилие. Из-за значительной величины крутящего момента, вращение бура осуществляется от отдельного привода (вращателя) (шестеренный пневмодвигатель мощностью 3,7 кВт) несвязанного с ударным механизмом.

Приводом винтового податчика служит шестеренный пневмодвигатель мощностью 18,4 кВт, работающий совместно с двухступенчатым цилиндрическим редуктором.

Вращение манипулятора вокруг своей оси осуществляется шестеренным пневмодвигателем мощностью 18,4 кВт через червячный редуктор.

Для управления манипулятором в вертикальной и горизонтальной плоскости используются два гидроцилиндра, которые получают питание от маслостанции. Приводом маслостанции служит шестеренный пневмодвигатель мощностью 18,4 кВт.

Третий гидроцилиндр предназначен для надвигания верхней тележки относительно нижней.

Установка Boomer/Rocket Boomer 280 c транспортной базой DC15

иDC16, и установочной мощностью 55 кВт (рис. 2.52), разработанная компанией Атлас Копко применяется для бурения шпуров в штольнях и шахтах

сгидравлической системой управления вращением подъема и ударов. Конструктивно установка включает: 1 – буровой станок; 2 – подат-

чик; 3 – телескопическая буровая стрела; 4, 5 – передняя и задняя опоры; 6 – кабельный барабан; 7 – барабан водяного шланга; 8 – защитная крышка; 9, 10 – задний и передний цилиндры стрелы; 11 – цилиндр наклона податчика; 12 – цилиндр выноса податчика; 13 – вращатель; 14 – панель управления буровым агрегатом; 15 – люнет средний.

При работе буровая установка закрепляется в выработке гидродомкратами.

78

Рис. 2.52. Установка B/RB с транспортной базой DC15 и DC16:

В вертикальных стволах шахт для механизированного бурения шпуров и скважин применяются подвесные каретки, выполненные в виде рамы, закрепленной в забое домкратами, с установленными на ней манипуляторами, автоподатчиками и бурильными молотками.

При проходке стволов бурильными установками (каретками) типа БУКС шпуры бурят тяжелыми ручными перфораторами (2-4 перфоратора) (рис. 2.53). После обуривания забоя рама поднимается к подвесному полку.

Рис. 2.53. Бурильная установка БУКС-1м (в сборочном цехе)

79

В бурильных каретках применяются длинноходовые, канатнопоршневые, цепные или винтовые податчики, позволяющие бурить шпуры глубиной до 3,5 м и более одним длинным буром. При работе буровой каретки в забое электроэнергия к ней подается по кабелю, вода и сжатый воздух по шлангам.

2.6. Уборка породы в горных выработках

Порода, отделенная от массива, должна быть выдана на поверхность, или удалена из призабойного пространства. Работы по уборке горной массы связаны с погрузочными и транспортными операциями, которые выполняют различными способами с использованием разнообразных машин и оборудования.

Погрузка породы - процесс перемещения взорванной (отбитой) горной массы в средства транспорта (подъема) является одним из основных технологических процессов при проведении подземных горных выработок и занимает до 50-70% времени в цикле проходки выработок. В горизонтальных и наклонных горных выработках этот процесс осуществляется: скреперными установками; породопогрузочными машинами; погрузочнодоставочными машинами; вручную. В вертикальных горных выработках погрузка производится: погрузочными машинами с грейферным забирающим ковшом или вручную.

Перемещение горной породы по горизонтальным или наклонным (до 30о) горным выработкам называется в общем случае транспортировкой, а при использовании колесных транспортных средств – откаткой.

Перемещение горной породы вниз по наклонным (свыше 30о) и вертикальным горным выработкам называется спуском, а вверх до поверхности или до вышележащего горизонта расположенных выработок – подъемом. Процесс перемещения грузов по стволам шахт называют шахтным подъе-

мом.

При проведении разведочных канав, траншей и шурфов транспортировка горных пород из забоев на поверхность может не выделяться в самостоятельную операцию, а совмещаться с их отбойкой, например, при проведении разведочных канав с помощью канавокопателя или скрепера.

В целом, комплекс операций, предназначенных для перемещения горных пород из выработок на поверхность или в другие горные выработки, на горных предприятиях носит название рудничного транспорта.

Перемещение горных пород на поверхности от устья ствола или штольни до складов, погрузочных устройств или отвалов называют поверх-

ностным транспортом.

80

Погрузочный орган представлен ковшом, укрепленным на двух кулисах, и

механизмом подъема ковша.

Процесс погрузки породы погрузочной машиной включает следующие операции (рис. 2.54, б). Шахтную вагонетку 3 прицепляют к хвостовой части машины. Перед зачерпыванием породы машина 2 вместе с прицепленной вагонеткой отходит от отвала породы на 1—2 м для разгона, после чего ковш 1 опускается на почву выработки, и в таком положении машина совершает ход вперед. При движении вперед ковш внедряется в отвал породы, одновременно с внедрением ковша в породу включается механизм подъема ковша. Дальнейший подъем ковша происходит до опрокидывания его через верх, когда порода высыпается в вагонетку. Верхняя часть машины с механизмом подъема ковша может поворачиваться в обе стороны на 30° от осевой линии, чем обеспечивается увеличение фронта погрузки породы.

У машин ступенчатой погрузки с нижним захватом (рис. 2.55) раз-

грузка ковша производится не непосредственно в вагонетку, а в бункер, из которого порода поступает на конвейер и затем в вагонетку.

Рис. 2.55. Погрузочная машина 2ППН-5

Рис. 2.56. Погрузочная машина для проходки уклонов и наклонных шахтных стволов (КНС-1)

82

Для погрузки горной массы в двухпутных уклонах и стволах, проходимых с уклоном до 55о, используется погрузочная машина (рис. 2.56), которая в зависимости от угла наклона, крепости и кусковатости пород может быть оборудована съемным многолопастным грейфером, прямой или обратной лопатой. Рабочий орган зачерпывает породу в забое, и вместе с машиной перемещается вдоль пути к месту разгрузки в скип, стоящий на другом пути.

дующем. Два рычага-лапы 1 загребают породу на наклонный полок 2 и дальше на желоб приемного цепного скребкового конвейера 3; далее порода перемещается ленточным конвейером 4, и ссыпается в вагонетку. Конвейер может подниматься и опускаться до требуемой высоты, а также поворачиваться в стороны на угол до 45° от продольной оси, что позволяет осуществлять погрузку в вагонетки, стоящие на разных путях.

К погрузочным машинам непрерывного действия нижнего захвата

83

относятся машины с исполнительным органом 1 барабанно-лопастного типа (рис. 2.58). Они также перемещаются на гусеничном ходу 2 и осуществляют загрузку вагонетки с помощью ленточного перегружателя 3

Для уменьшения простоев машин и достижения большей производительности при погрузке породы применяют перегружатель (рис. 2.59). Перегружатель монтируется на колесном ходу и перемещается по рельсам, являясь промежуточным звеном между погрузочной машиной и основным транспортным средством. От погрузочной машины порода поступает в приемный бункер 1, расположенный на основной тележке 2, а из него по ленточному транспортеру, размещенному на портальной части (консоли) 4 – в состав, включающий пять – восемь вагонеток.

Рис. 2.59. Ленточный перегружатель ПЛ-3

Портальная часть во время передвижения из забоя (или в забой) опирается на вспомогательную тележку 3, на которой установлено два пневмоцилиндра. Во время уборки породы консоль поддерживается при помощи четырех телескопических опорных стоек 5.

При проведении выработок небольшой протяженности (до 100 м) с площадью сечения 2,7—4,0 м2 при уборке породы широко применяют скреперные установки. При их использовании исключается необходимость настилки рельсовых путей в горных выработках. Скреперная установка состоит из: скрепера (рис. 2.60 - 2.61), пневматической или электрической лебедки, головного (грузового) каната, прикрепляемого к передней части скрепера, хвостового каната, забойного и направляющего

роликов.

При работе скрепер совершает периодическое движение от забоя к месту разгрузки и обратно. К за-

Рис. 2.60. Внешний вид скреперов бою порожний скрепер перемещается хвостовым канатом. При движе-

84

нии от забоя, с помощью головного каната скрепер, внедряясь в разрыхленную горную массу, самозагружается и доставляет ее волоком по почве выработки к месту разгрузки. Если погрузка породы осуществляется в вагонетку, то в состав установки входит также скреперный полок, под которым размещается загружаемая вагонетка.

Скреперные установки могут быть: передвижными (рис. 2.61), когда скреперные лебедки устанавливают на специальных платформах, смонтированных на колесах, которые подкатывают к забою перед каждой уборкой породы и отгоняют после окончания уборки породы в безопасное место; и переносными, (рис. 2.62), когда скреперные лебедки устанавливают на более или менее длительный срок на одном месте. При этом, как правило, переносные скреперные полки применяются при проведении рассечек.

Рис. 2.61. Схема передвижной скреперной установки

Рис. 2.62. Переносные скреперные полки: а) – неподвижный скреперный полок; б) – шарнирно откидывающийся полок; 1 - лебедка; 2 – скрепер; 3 – полок; 4 – разгрузочный люк; 5 – вагонетка; 6 – шарнир; 7 – брусья; 8 - забойный ролик

85

При скреперной погрузке породы через полок в вагонетку, полок сооружают таким образом, чтобы обеспечить удобство его перемещения в следующую рассечку, а также возможность доставки в забой рассечки необходимых материалов.

Погрузка породы в наклонных выработках в зависимости от угла наклона и направления проходки (снизу вверх или сверху вниз) выполняется в основе своей теми же техническими средствами, что и при проходке горизонтальных выработок. При углах наклона выработок (уклона, наклонного ствола) до 5-8о для погрузки породы возможно применение погрузочных машин с удерживающим приспособлением, чаще всего в виде дополнительной лебедки с канатом, предохраняющим машину от сползания в забой и облегчающим ее перемещение вверх.

Погрузка породы погрузочными машинами в наклонных выработках осуществляется в вагонетки или скипы, которые также перемещаются по выработкам с помощью лебедок и канатов.

Основным техническим средством механизированной уборки породы при проведении наклонных выработок являются скреперные установки, включающие скреперные полки, если уборка породы выполняется с перегрузкой ее в вагонетки или скипы.

Рис. 2.63. Проходка наклонной выработки со скреперной уборкой породы

86

При проходке выработок при наклоне менее 35о взорванная (отбитая) порода доставляется до откаточного штрека скрепером. При этом скреперная лебедка устанавливается напротив проводимой выработки по одному из способов, показанных на рис.2.63.

Погрузка породы в вертикальных горных выработках производится пневматическими грейферными грузчиками и стволовыми породопогрузочными машинами.

жу подвесного полка. Управление машиной осуществляется дистанционно с кабины машиниста 7. Благодаря радиальному и круговому перемещению грейфера породу можно забирать в любой точке забоя ствола. Питание механизмов производится сжатым воздухом. В процессе погрузки породы выделяют две фазы, отличающиеся по интенсивности погрузки. Это связано с тем, что степень разрушения массива по глубине взорванных шпуров неодинакова. В верхней зоне порода разрушена так, что ее погрузка производится только машиной, без применения ручного труда (первая фаза). Вторая фаза наступает, когда качество дробления породы снижается настолько, что погрузка производится с применением ручного труда – предварительного рыхления, подкидки породы, зачистки. Зачистка забоя производится для исключения попадания мелких кусков породы в шпуры при их бурении.

Объем породы во второй фазе погрузки зависит от качества взрывных работ, свойств породы и типа погрузочной машины. Высота слоя породы во второй фазе для КС-3 составляет 0,2 м; для КС-2у/40 – 0,3 м.

Рис. 2.67. Погрузочная машина КС-2у/40

89

пляется, и затормаживается на разминовке. Порожние вагонетки снова подаются в забой, где производится загрузка. Такая последовательность операций повторяется до тех пор, пока не будет загружен весь состав, который впоследствии забирается электровозом и подается к стволу.

Замкнутые раз-

миновки так же, как и

ку в хвост состава; каждая последующая порожняя вагонетка берется от головы состава, а груженная загоняется на разминовку в хвост. После загрузки всех вагонеток состав откатывается электровозом.

Горизонтальный вагоноперестановщик (рис. 2.70) представляет со-

бой простейший подъемный кран. В выработке на небольшом расстоянии от забоя (не меньше длины состава) укрепляется на штырях двутавровая балка 3, или укрепляется горизонтальная колонка. На балках устанавливается передвижная роликовая тележка 4, снабженная пневматическим подъемником в виде вертикально действующего пневматического цилиндра 2. На выходящем конце штока поршня имеется траверса 1 с приспособлениями, позволяющими захватывать вагонетку, приподнимать ее с рельсового пути на высоту до 150 мм и перемещать в сторону, чтобы освободить рельсовый путь

состав с этой вагонеткой откатывается от забоя электровозом за вагонопере-

становщик, а вагонетка, отведенная ранее в сторону, ставится на рельсовый путь впереди состава и электровозом проталкивается под погрузку. Во время погрузки этой вагонетки при помощи вагоноперестановщика следующая порожняя вагонетка отводится от состава в сторону. Операция продолжается до тех пор, пока не будет загружен весь состав.

Обмен вагонеток с применением накладных разминовок (рис. 2.71).

Такой способ рационален в однопутных выработках. Накладная разминовка изготовляется из легких рельсов 2, смонтированных на плите или приваренных к металлическим шпалам 3. Разминовка укладывается на основной путь 1. Одна ее ветвь используется как грузовая, а другая – как порожняковая. Концевые секции разминовки имеют стрелочные переводы для съезда на основной рельсовый путь. На порожняковую ветвь электровозом подается состав порожних вагонеток, откуда по одной они подаются вручную к погрузочной машине. Груженые вагонетки с помощью маневровой лебедки или вручную откатывают на грузовую ветвь разминовки. По мере подвигания забоя разминовку перемещают лебедкой или погрузочной машиной. Обычно применяют разминовки на 4 – 6 вагонеток.

Рис. 2.71. Накладная стрелка-разминовка

Основные сведения о транспортировании породы при проведении горных выработок.

Неотъемлемой и важнейшей частью производственного процесса проведения выработок является транспортирование грузов (породы, полезного ископаемого, оборудования, материалов) и рабочего персонала.

По месту работы транспорт подразделяется на подземный (перемещение грузов по горным выработкам) и транспорт на поверхности (перемещение грузов на поверхности от устья ствола, штольни, шурфа).

При горно-разведочных работах объем перевозок по горным выработкам относительно невелик. При разработке же месторождений, особенно открытым способом, количество перемещаемых горных пород очень боль-

92

шое и достигает миллионов тонн в год и более. Расстояние перевозок в этом случае изменяется от десятков метров до десятков километров.

В условиях геологоразведочных работ откатка по горизонтальным выработкам выполняется в основном с помощью электровозов; по наклонным выработкам на участках доставки – скреперами или под действием собственного веса, на участках откатки – с помощью средств канатного транспорта; по вертикальным горным выработкам – подъемными машинами

илебедками.

Рудничный транспорт в горизонтальных и наклонных горных вы-

работок (доставка и откатка грузов).

Под термином доставка понимается перемещение горной породы или полезного ископаемого до места погрузки в основные транспортные средства. Доставка может быть не механизированной, например, вручную; под действием собственного веса, и механизированной - скреперами; конвейерами; самоходными погрузочно-транспортными машинами.

К ручной доставке относят перелопачивание породы, ее переноску и перевозку в небольших тачках или вагонетках. Ручная доставка в настоящее время имеет весьма ограниченную область применения и может быть пригодной в качестве основного способа только для перемещения небольших количеств горных пород на незначительные расстояния.

Доставка под действием собственного веса — перемещение отбитой породы по горной выработке под действием силы тяжести — является простейшим и весьма выгодным способом транспортировки. Обязательным условием при этом является достаточный наклон почвы выработки, по которой должна скатываться порода. При угле наклона почвы выработки, превышающем 35°, порода перемещается непосредственно по почве выработки, а при углах наклона от 25 до 35°—скатывается по уложенным на почве доскам, железным листам или желобам. При разведке месторождений полезных ископаемых доставка пород этим способом применяется только при проведении восстающих. Переместившаяся по очистному пространству порода (руда) через рудоспуски поступает непосредственно к разгрузочным устройствам (люкам).

Схемы люков с различными системами затворов показаны на рис. 2.72. Наиболее распространены секторные, пальцевые и цепные люковые затворы.

Двухсекторный люковый затвор (рис. 2.72, а) состоит из днища 1, люковых затворов 2, открывающихся в момент загрузки вагонетки пневматическими цилиндрами 7 (иногда вручную), бортов 3, лобовины 4, отбойника 5 и рамы 6.

Пальцевый затвор (рис. 2.72, б) состоит из пяти-семи пальцев 1, насаженных на общую ось 2. Пальцы изготавливают из рельсов. При натяжении троса 3 пальцы поднимаются. Если при опускании затвора под один из пальцев попадает руда, остальные могут свободно опускаться на днище и

93

перекрывать поток породы.

Люк с цепным затвором (рис. 2.72, в) состоит из нескольких тяжелых якорных цепей 1, которые перекрывают поток руды. Открывают люк подъемом цепей, натягиваемых пневматическими цилиндрами.

Рис. 2.72. Схемы люковых затворов

Скреперная доставка пород получила широкое распространение при разведке месторождений полезных ископаемых штольнями. Основными машинами для доставки являются скреперные установки. Скреперная установка для доставки породы в отличие от скреперного грузчика не имеет погрузочной платформы; скреперная лебедка устанавливается на почве выработки, а скрепер разгружается в отвал (рис. 2.73).

Рис. 2.73. Скреперная уборка породы в отвал при проходке штольни: 1 – скреперная лебедка; 2 – холостая ветвь каната; 3 - рабочая ветвь каната; 4 – скрепер; 5 – забойный ролик; 6 – вентиляционный трубопровод, 7 - вентилятор

94

Производительность скреперной доставки зависит от расстояния, на которое необходимо перемещать породу, мощности скреперной лебедки и размеров скрепера. Наиболее производительная работа достигается при расстоянии доставки, не превышающем 40 м. Емкость скреперов изменяется в пределах от 0,1 до 1 м3 и более.

Конвейерная доставка осуществляется ленточными, пластинчатыми и скребковыми конвейерами. Этот вид доставки применяется в основном при разработке пологопадающих рудных тел.

Несущим органом стационарного ленточного конвейера (рис. 2.74) является гибкая прорезиненная лента 2, которая приводится в движение барабаном 1. На противоположном конце конвейера имеется направляющий барабан 3. Лента поддерживается роликами 5, укрепленными на раме конвейера. Так как движение ленте сообщается силой трения между приводным барабаном и лентой, необходимо поддерживать постоянное натяжение ленты, что обеспечивается натяжным устройством 4. Загрузку ленты осуществляют через бункер 8, для разгрузки служит лоток 7. Конвейер поддержива-

ется на опорах 6.

Рис. 2.74. Схема стационарного ленточного конвейера

Скребковый конвейер (рис. 2.76) представляет собой металлический желоб, по дну которого движется цепь с прикрепленными к ней скребками. При движении скребки захватывают породу и перемещают ее по желобу.

Такие конвейеры позволяют транспортировать груз под углом до 30о.

Пластинчатые изгибающиеся конвейеры (рис. 2.75) имеют тот же принцип действия, что и ленточные. Несущая лента в этих конвейерах изготовлена из стальных пластин, укрепленных на звеньях двух тяговых шарнирных цепей. На цепях имеются ролики, которые катятся по направляющим. Цепи приводятся в движение от звездочек приводного устройства. Так же, как и в ленточных конвейерах, с противоположного конца имеется натяжное устройство.

95

зочный орган машины работает по принципу верхнего захвата. Руда поступает на донный скребковый конвейер. Разгрузка осуществляется через тор-

цевую часть вагонетки включением конвейера.

Основным видом перемещения горных пород по транспортным выработкам (ортам, штрекам, квершлагам, бремсбергам, штольням, наклонным стволам шахт и траншеям) является откатка в вагонетках по рельсовым путям. Этот вид транспорта широко применяется также для перевозки материалов, оборудования и людей.

К основным типам рудничных вагонеток можно отнести вагонетки с опрокидным кузовом (УВО) и с неопрокидным глухим кузовом (УВГ).

Рис. 2.79. Опрокидные вагонетки

Конструкции вагонеток с опрокидным кузовом и саморазгружающихся таковы, что разгрузка их может производиться без специальных устройств или с помощью простейших устройств. Эти вагонетки разгружаются при поворачивании кузова вокруг горизонтальной оси, открывании дна, боковых или торцовых стенок.

97

Вагонетка с опрокидным кузовом, показанная на рис. 2.79 разгружается вручную при подъеме рычага 1 вверх. Полезный объем кузова рудничных вагонеток меняется в широких пределах — от 0,32 до 5 м3.

Кузов глухих вагонеток (рис. 2.80) жестко соединен с рамой. Такие вагонетки при разгрузке необходимо опрокидывать; разгрузка их производится с помощью специальных механических устройств — опрокидывате-

лей (рис. 2.81).

В практике горно-разведочных работ при небольших объемах работ нередко применяется ручная откатка одиночных вагонеток. При этом перевозимый груз не должен превышать 1т при скорости движения вагонеток 0,5—1 м/с. Производительность откатчика составляет 1,2—1,7 т-км/смену.

Канатная откатка, или иначе, откатка неподвижными двигателями заключается в том, что одиночные вагонетки или составы вагонеток перемещаются по горной выработке, будучи прицепленными к канату, приводимому в движение лебедкой (рис. 2.82). В процессе откатки канаты наматываются, или сматываются с барабанов.

При откатке двумя канатами составы вагонеток передвигаются поочередно по одному и тому же пути двумя канатами - головным, перемещающим груженый состав, и хвостовым, огибающим концевой шкив (рис. 2.82, а).

При откатке по двухпутной выработке одновременно движутся груженные и порожние составы, связанные между собой соединительным ка-

натом (рис. 2.82, б).

Канатная откатка осуществляется при относительно небольшой протяженности горизонтальных или

наклонных горных выработках; прямолинейность выработок— желательное условие.

Локомотивная откатка является основным видом рудничного транспорта на геологоразведочных работах, и широко применяется для перемещения грузов по горизонтальным или слабонаклонным выработкам добычных предприятий. Грузы транспортируются составами вагонеток, образующими вместе с локомотивами поезда.

Наиболее распространенным видом локомотивов являются электровозы. По способу питания они делятся на контактные (КР, К), и аккумуляторные (АРП, АРВ). Контактные электровозы получают ток от контактного (троллейного) провода и рельсовых путей. Аккумуляторные электровозы питаются от аккумуляторных батарей, располагающихся на самом электро-

98

возе или прицепленном к нему тендере.

Контактные электровозы 3 (рис. 2.83, а) снабжены тяговыми двигателями постоянного тока (U = 250 В). Для преобразования высокого напря-

жения, поступающего в камеру 9 по кабелю 6 (рис. 2.83, в), в низкое, и переменного тока в постоянный предназначены электроподстанция 8 и выпрямитель 7. Постоянный ток с подстанции по кабелю 1 поступает в контактную сеть. Обычно к воздушному контактному проводу подсоединяется положительный полюс источника тока. Обратным проводом в сети являются рельсовые пути 4. Они соединяются с помощью отсасывающего кабеля 5. Подача тока к двигателю осуществляется с помощью специального токосъемника, скользящему по контактному проводу 2.

Рис. 2.83. Рудничные электровозы

Контактные электровозы более надежны в эксплуатации, отличаются простотой конструкции и наиболее экономичны. Основным их недостатком является искрение на токоприемнике, скользящем при движении электровоза по контактному проводу. Поэтому в подземных горных выработках, опасных по газу и пыли, применение контактных электровозов ограничено или совершенно исключается. В этих ситуациях используется аккумуляторный электровоз (рис. 2.83, б)

Откатку породы при проведении горных выработок от места погрузки до околоствольного двора или устья штольни производят по рельсовым путям.

99

Рельсовый путь (рис. 2.84) состоит из двух частей: основания или нижнего строения пути (почва выработки – 1) и верхнего строения пути – балластного слоя 2, шпал 6, рельсов 3, и крепежной арматуры (костыли 8,

подкладки 7, стыковые на-

Рис. 2.84. Основные элементы рельсового пути кладки 4 для соединения рельсов между собой, болты

5).

Балластный слой выполняет роль упругой подушки, между почвой выработки и шпалами, которая воспринимает давление подвижного состава, передаваемого рельсами и шпалами. Кроме того, балласт препятствует сдвигу шпал и способствует отводу воды от пути. В качестве материала для балласта применяется щебень и гравий из крепких горных пород, а также местную породу, полученную в процессе проходческих работ. Толщина балластного слоя под шпалами должна быть не менее 100 мм.

Шпалы служат для передачи и распределения давления от рельсов на балласт. Длина шпал в 1,8-2 раза должна превышать ширину колеи. При укладке шпалы погружают в балласт на 2/3 их толщины.

Рельсы для настилки путей в горных выработках используются шести типов: Р-8, Р-10, Р-11, Р-15, Р24. В зависимости от типа масса 1 м рельса - 8…24 кг. Расстояние между внутренними краями головок рельсов называется шириной колеи. Подземные пути могут иметь ширину колеи, равную 600, 750 или 900 мм. При проведении разведочных выработок ширина колеи обычно равна 600 мм.

Настилку рельсового пути начинают с раскладки шпал (по шаблону). Концы шпал со стороны людского прохода выравнивают по шнуру. Рельсы укладывают на шпалы таким образом, чтобы стыки рельсов находились друг против друга. Рельсы крепятся к каждой шпале не менее чем двумя костылями. После прошивки рельсов, между шпалами загружают балластный слой 1, и производят подъем пути на балласт. Подъем пути осуществляют ломами или путевым домкратом. Присыпку балласта осуществляют лопатами, а окончательную подбойку – маховыми подбойниками.

Для перевода подвижного состава с одного пути на другой при достаточно интенсивной откатке используются стрелочные переводы. В зависимости от положения стрелочных переводов по отношению к рельсовым путям их разделяют на несколько видов: односторонние (правые и левые); съезды (для перевода поездов с одного пути на другой, параллельный) и др.

100

Рис. 2.85. Рельсовые пути со стрелочными переводами в откаточном штреке

По устройству переводного механизма различают стрелочные переводы с ручным и механическим приводом. Стрелочный перевод (рис. 2.86, а) состоит из следующих элементов: стрелки, переводных рельсов 3, усов 4, контррельсов 5, крестовины 6, переводного механизма 7.

Стрелка состоит из неподвижных рамных рельсов 2 и подвижных перьев 1, соединенных между собой поперечной стяжкой, с которой соединена шарнирно штанга переводного механизма. Передние концы перьев делают в виде острия и выгибают так, чтобы они плотно прилегали к рамным рельсам, что создает условия для плавного перехода для подвижного состава. Пе-

Рис. 2.86. Стрелочный перевод рья скользят по опорным подушкам из широкой

101

полосовой стали, закрепленным на шпалах.

Крестовины (рис.2.86, б) бывают клепапанные, сварные и литые. В крестовинах различают сердечник 1, на вершине острия которого в точке 5 находится ее центр; усовики 2, желоба 3, горловину 4 – самое узкое место между усовиками

Контррельсы 5 (рис. 2.86, а) пришивают к шпалам внутри колеи против крестовины для направления реборд колес в соответствующую канавку (желоб) крестовины. Они препятствуют сходу подвижного состава с рельсового пути.

Подъем при проходке разведочных шурфов и стволов шахт.

Самым простейшим средством механизации операций подъема при проходке шурфов являются разборные деревянные или металлические ручные воротки. Подъем породы, производят в небольших бадьях, подвешиваемых на канатах диаметром 8 – 10 мм к воротку, установленному над устьем шурфа (рис. 2.88). Спуск и подъем людей – в бадьях и седлах; материалы и другие предметы длиной до 2 м транспортируются в бадьях, а при длине более 2 м применяются специальные серьги. Подъем негабаритных кусков породы производится специальным приспособлением, выполненным из металлической сетки или синтетических материалов.

Проходка глубоких шурфов с площадью сечения 3,2 – 4 м2 может производиться более совершенными подъемными устройствами, в виде воротков с механическим приводом, специальных подъемных кранов (рис. 2.87) и шурфопроходческих агрегатов

При проведении стволов шахт для спуска и подъема применяются более сложные устройства, называемые подъемными установками, основными частями которых являются: проходческий копер, подъемная машина (стационарные и передвижные проходческие лебедки), подъемные сосуды (бадьи, скипы), прицепные устройства, канаты и шкивы (рис. 2.89).

Рис. 2.89. Подъемная установка

Копры, предназначены для установки направляющих подъемных шкивов на такой высоте, которая позволяет поднимать бадьи (скипы, клети) над устьем для разгрузки и производить погрузку выдаваемой породы в транспортные средства. На копре устанавливают также дополнительные шкивы для канатов вспомогательных лебедок, предназначенных для подвески различного вспомогательного оборудования. Проходческие копры имеют сборно-разборную конструкцию из стальных труб или другого сортаментного металла, обеспечивающую высокую прочность, простоту сборки и разборки, а также возможность многократного использования. Копры имеют разнообразные конструкции: А образные, четырех стоечные, шатро-

вые, башенные, цилиндрические (рис.2.90 – 2.91).

103

Размер внутрикопровой площадки определяется разносом стоек копра, обеспечивающим его устойчивость и удобство работы около устья ствола.

спуску в ствол материалов, посадки людей в бадьи.

Подъемная машина (рис. 2.93) представляет собой лебедку с электрическим приводом 2, оборудованную рабочими 3 и аварийными 4 тормозами, измерительной аппаратурой и сигнализацией. В подъемной машине с барабанными механизмами навивки подъемные канаты 5 навиваются на ба-

104

высыпается и по желобу поступает в транспортное средство Несамоопрокидывающиеся бадья разгружается путем ее наклона с

помощью крюка, подвешенного на торосе.

Рис. 2.95: а) – бадья; б) - прицепное устройство,

Для предотвращения раскачивания бадьи (скипа) при движении в стволе, над прицепным устройством бадьи размещается специальная рамка (направляющая каретка) (рис. 2.98), которая перемещается по направляющим канатам.

Скорость перемещения бадьи регламентируется правилами безопасности; ее максимальное значение при подъеме и спуске людей 8 м/с, мате-

106

выработок полезного ископаемого или пустых пород и производительность подъема велика, используется скиповой подъем (рис. 2.99), а в качестве подъемных сосудов применяются скипы.

Скип представляет собой металлический ящик цилиндрической или, призматической формы, шарнирно укрепленный на подвесной раме. Рама всегда занимает вертикальное положение.

Скипы бывают опрокидные, с отклоняющимся кузовом и неопрокид-

ные.

Опрокидной скип (рис. 2.100, а) наиболее прост по конструкции, имеет кузов призматической формы с плоским днищем, соединенный шарнирно с рамой в нижней части и опирающийся на нижнюю балку рамы. На боковых стенках скипа имеются ролики, движущиеся при опрокидывании скипа по разгрузочным кривым. К верхней балке рамы крепится подвесное устройство, соединяющее скип с канатом подъемной машины. Загрузка скипа производится через верх кузова, разгрузка также через верх при повороте кузова на 135-1450 при взаимодействии разгрузочных роликов кузова с разгрузочными кривыми на копре (рис. 2.100, б).

Скип с отклоняющимся кузовом (рис. 2.101, а) имеет откидное дни-

ще в виде затвора с бортовыми стенками. Кузов шарнирно подвешен к

107

верхней части рамы.

Разгрузка скипа происходит при отклонении кузова на 150 от взаимодействия разгрузочных роликов кузова с разгрузочными кривыми копра. При этом затвор катится по наклонным направляющим на раме и устанавливается под углом 45-550 , открывая разгрузочное отверстие и направляя в бункер разгружаемый материал (рис. 2.101, б).

Рис. 2.100. Принципиальная схема конструкции опрокидного скипа

Рис. 2.99. Схема скиповой уборки породы: 1 – ствол; 2 – скип; 3 – приемный бункер; 4 – подъемная машина; 5 – транспортер; 6 – копер; 7 – накопитель руды

Рис. 2.101. Принципиальная схема конструкции скипа с отклоняющимся кузовом

Неопрокидные скипы разгружают на земной поверхности через откидывающуюся боковую стенку или откидное дно, автоматически открывающееся при вкатывании ролика в разгрузочные направляющие, при этом гор-

ная порода высыпается в приемный бункер.

В начале опускания при выходе роликов из разгрузочных направляющих опрокидные и неопрокидные скипы приобретают первоначальное

108

положение, в котором и перемещаются по стволу шахты вниз для очередной загрузки породой из подземных бункеров.

На действующих шахтах эксплуатируются скипы вместимостью от 2,0 до 35 м3. Наибольшая грузоподъемность скипов 55 -60 т.

Загрузка скипов рудой осуществляется в подземной горной выработке из загрузочных бункеров (рис. 2.102) В нижней части бункера устраиваются дозаторы (мерные ящики). Достаточно мелкая порода «самотеком» поступает из бункера в дозатор, а из последнего пересыпается в скип.

Бункера и дозаторы оборудуются затворами с пневмоприводами. Для заполнения дозатора 3 в цилиндр 8 подается сжатый воздух; затвор 7 открывается и руда из бункера 5, заполняет дозаторный ящик. Затвор 2 в это время закрыт. Для загрузки скипа 1 воздух подается в цилиндр 4. Затвор 2 открывается

ируда из дозатора по желобу поступает

вскип.

вновь устанавливается на кулачки посадочного механизма; после открытия дверей и стопоров вагонетка выкатывается из клети, а взамен ее в клеть устанавливается порожняя вагонетка, предназначенная для спуска в подземные выработки.

Смена вагонеток в клети (груженой на порожнюю или наоборот) при небольшой производительности подъема осуществляют обычно вручную, при более значительной производительности эта смена производится с помощью специальных механических устройств — толкателей (рис. 2.105), служащих для перемещения одиночных вагонов и составов на небольшие расстояния.

При переднем ходе каретки 3 рычаг 4 упирается в борт вагонетки 2 и заталкивает ее в клеть 1. При обратном ходе рычаг автоматически поднимается, проходит над вагонеткой, а затем опускается. Для удобства загрузки и выгрузки клетей применяют обычно сквозное движение через клеть. При этом стоящий в клети порожний вагон выталкивается груженым вагоном, вкатываемым в клеть

110

Рис. 2.106. Принципиальная схема кулач-

Рис.2.105. Схема замены в клети при кового (посадочного) механизма: помощи толкателя вагонеток 1 –клеть; 2 – кулачки; 3 – рычаг; 4- тяга

Организация работ в забое ствола при подъеме породы бадьями.

При проходке стволов применяют однобарабанные и двухбарабанные подъемные машины и в соответствии с этим – одноконцевой и двухконцевой подъем.

Одноконцевой подъем может быть организован по двум схемам а и б

(рис. 2.108).

а) Одноконцевой подъем без перецепки бадьи (рис. 2.108, а). Выпол-

няется при такой глубине ствола, когда время погрузки породы меньше или соизмеримо со временем полного оборота бадьи. Во время движения бадьи по стволу и ее разгрузки на поверхности погрузочные работы в забое приостанавливаются.

б). Одноконцевой подъем с перецепкой бадей (рис. 2.108, б). Порож-

няя бадья опускается на забой, а вторая бадья находится под погрузкой. После ее загрузки и прибытия на забой порожней бадьи производится пере-

111

цепка бадей. Такой способ применяется при глубине ствола, когда время погрузки породы больше времени полного оборота бадьи, т.е. когда исключается простой погрузочной машины.

Одноконцевой подъем является неуравновешенной системой. Поэтому, когда подъем производится в сосудах небольшой грузоподъемности и с небольших глубин, к подъемной машине прицепляют одну ветвь каната, в других случаях для достижения более благоприятного режима работы подъемной машины к ее барабанам прицепляют две ветви каната, на одну из них навешивают подъемный сосуд, на другую— противовес (компактный груз, уравновешивающий подъемный сосуд).

Двухконцевой подъем (рис. 2.108, в) является более производительной схемой бадъевого подъема. Такой подъем функционирует следующим образом. Две бадьи, одна из которых груженная, движутся в стволе: груженая поднимается по стволу, порожняя опускается вниз. В это время третья бадья отцеплена от каната и находится в забое ствола под погрузкой. Бадья, поднятая на поверхность, без отцепки от каната разгружается, а порожняя бадья на забое отцепляется и ставится под погрузку. Вместо нее к канату прицепляется третья загруженная бадья.

Двухконцевой подъем целесообразно применять при проходке стволов значительной глубины и большой площади поперечного

Рис. 2.108. Схемы работы подъема сосудов

2.7. Крепление горных выработок

Подземные горные выработки далеко не всегда сохраняют свою первоначальную форму. Часто стенки, кровля или даже почва горной выработки деформируется. Деформация горной выработки является следствием то-

112

го, что горные породы находятся в равновесно-напряженном состоянии, возникающем под действием веса вышележащих слоев пород и реакции нижележащих. В нетронутом массиве силы, действующие на породу, взаимно уравновешиваются. Однако в результате проведения выработок рав- новесно-напряженное состояние пород нарушается. В горных породах, граничащих с выработкой, возникают внутренние силы, направленные к ее контуру - проявляется так называемое горное давление.

Для сохранения формы и расчетных размеров сечения горных выработок необходимо возведение крепи. Перемещающийся внутрь выработки ее породный контур в некоторый момент вступает в контакт с крепью. Крепь препятствует этому перемещению, вследствие чего возникает горное давление на крепь, которое постепенно возрастает до тех пор, пока система «порода-крепь» не придет в состояние равновесия, или крепь будет разрушена. Конструкция крепи должна отвечать условиям ее работы, т.е. учитывать величину и режим горного давления.

Общие сведения о горном давлении. В общем случае горное давление

– это силы, возникающие в массиве горных пород, окружающих горные выработки, действующие на крепь, массив и целики обусловленные: собственным весом пород; тектоническими нарушениями; разностью температур.

Различные механические явления, происходящие в результате воздействия на контур выработки этих сил, называются проявлением горного давления (рис. 2.109).

Процесс проявления горного давления (особенно когда выработка остается долгое время незакрепленной) протекает до тех пор, пока кровля ее не примет форму свода. Этот процесс, как правило, протекает в виде отслоения горной породы (рис. 2.110). Это явление проявляется особенно интенсивно в тех случаях, когда выработка пройдена в несвязных породах или в породах, обладающих незначительной устойчивостью.

Таким образом, если горное давление превышает прочностные показатели пород, выработка деформируется или разрушается. Чтобы предотвратить это явление, в практике горных работ применяют различные средства, т. е. им придают наи-

Рис.2.109. Виды проявления более устойчивые формы или возводят горного давления специальные строительные конструкции в

виде крепи.

113

где 1 1 - коэффициент бокового распора для упругой среды;

2 tg2(45o 2 ) - коэффициент бокового распора для сыпучей среды; -

угол внутреннего трения сыпучего массива; - коэффициент Пуассона.

Боковой распор в сыпучей среде обеспечивает зависание отдельных кусков породы за счет трения и зацепления друг с другом. Зависание будет продолжаться до тех пор, пока собственный вес куска не превысит силу трения между смежными кусками.

Массив горных пород лишенный сил сцепления между отдельными структурными блоками (массив горных пород в связи с наличием трещиноватости рассматривается как состоящий из отдельных структурных блоков, размером в), рассматривается как сыпучий, если оцениваемая область массива В (например, ширина выработки) в 3-4 раза превышает максимальный размер структурного блока (Вв 3 4) .

Оценка возможности рассматривать массив как упругую или сыпучую среду обеспечивается сравнением действующих напряжений Rсж с

прочностью горной породы сж

При сж Rсж , - возможно разрушение массива на отдельные струк-

турные блоки. В этом случае массив можно рассматривать как сыпучую среду.

Пределы прочности массива на сжатие Rсж и растяжение Rр устанавливаются зависимостями

ослабления, представляющего собой отношение прочности пород в массиве к прочности в куске. Для Вв 14 , Кс 0.2 ; - коэффициент длительной

прочности. Значение коэффициента рекомендуется принимать: для пород

с хрупким характером разрушения (граниты, кварциты, песчаники с кварцевым цементом и т.п.) = 1 0,7, а для пород, испытавших пластические де-

формации перед разрушением (песчанистые, углистые сланцы известняки средней крепости и т.п.), = 0,5 0,7.

Принимая массив как сыпучий, а действующие напряжения в массиве - предельными, можно определить угол внутреннего трения по формуле

115

где K1 и K2 - коэффициенты концентрации сжимающих и растягивающих

напряжений.

Растягивающие напряжения в кровле на небольшой высоте переходят в сжимающие напряжения. Коэффициент концентрации сжимающих напряжений до проведения выработок равен единице. Коэффициент концентрации растягивающих напряжений принимается в долях от сжимающих и

зависит от формы выработки: K1 2 - для любой формы выработок; K2 1

для трапециевидных выработок; для выработок прямоугольно-сводчатой формы: K2 0.4 - при f 12 ; K2 0.3 при f 12 . В выработках кругло-

го сечения К2 0,2.

Оценка устойчивости контура незакрепленной выработки выполняется обычно для одноосного напряженного состояния по величине максимальных напряжений в рассматриваемой точке и определяется запасом прочности, численно показывающим во сколько раз допускаемые (расчетные) напряжения меньше предела прочности (временного сопротивления) массива горных пород.

Запас прочности вводится для расчета устойчивости обнажений горных пород в выработке по предельному состоянию, под которым понимают такое состояние, при котором выработка перестает удовлетворять заданным требованиям (находиться без крепи в период эксплуатации).

На основании полученных значений nк и nб делается вывод об устойчивости пород на контуре выработки:

n 4 - кровля и бока устойчивы;

1 n 4 - кровля и бока относительно устойчивы;

n 4 - кровля и бока неустойчивы.

Для определения величины горного давления в горизонтальных выработках используются расчетные методы, которые базируются на теории сводообразования и учитывают только активную нагрузку, действующую на крепь. Крепь в этом случае не препятствует сводообразованию.

В табл. 2.3 приведена классификация режимов нагрузки на крепь при соответствующих запасах прочности породного массива.

117

где Ку - коэффициент воздействия на вертикальную выработку других выработок ( Ку =1,5 – для участков сопряжения; Ку =1 – для протяженных участков выработки); К - коэффициент, учитывающий угол залегания по-

Расчет горного давления производят с целью определения нагрузок на крепь и расчета ее прочных размеров.

При проведении горизонтальных горных выработок выбор расчетной схемы горного давления в скальных породах, которые не испытывают перед разрушением заметных пластических деформаций, можно выполнить на основе запаса прочности, используя классификацию режимов заданной нагрузки (табл. 2.3).

Горное давление на крепь, если оно определяется по теоретическим или эмпирическим формулам, принимается в качестве нормативного. В

этом случае расчетная нагрузка ( Qр ) определяется путем умножения нормативной нагрузки ( Q ) на коэффициент перегрузки ( nп ): Qр Qnп . Для камер и других выработок околоствольного двора nп =1.5, для остальных выработок - nп =1.2.

119

Для nк 4 и nк 1 (условный номер 2, табл. 2.3) нормативная нагрузка на крепь ( Q ) со стороны свода обрушения определяется по расчетному методу, предложенному М.М. Протодьяконовым (табл. 2.5).

Таблица 2.5. Расчетные формулы для определения горного давления в горизонтальных горных выработках

ный номер 3, табл. 2.3) в кровле образуется свод обрушения, а в боках призмы сползания и отделившаяся порода начинает оказывать давление на крепь. За счет призм сползания полупролет выработки по кровле увеличивается на величину

C1 hctg ,

где arctg(450 / 2) – угол сползания породных призм; h - высота выработки.

120

Нормативная нагрузка на крепь ( Q ) со стороны свода обрушения оп-

Таблица 2.6. Расчетные формулы для определения горного давления в горизонтальных горных выработках

2

ды.

121

Рассмотренная классификация режимов заданной нагрузки не включает все возможные сочетания показателей (запасов) прочности пород, однако позволяет оценить возможную ситуацию и выбрать расчетную схему применительно к конкретному случаю.

Например, если кровля относительно устойчива (1 nк 4 ), а бока неустойчивы ( nб 1), то для определения горного давления может приме-

няться расчетная схема приведенная в табл. 2.6. В этом случае нормативную нагрузку со стороны кровли (при 1 nк 4 ) определяют путем деления

нормативной нагрузки Q на действующий коэффициент запаса прочности nк , а со стороны боков будет полная нагрузка D .

При неустойчивой кровле ( nk 1) и относительно устойчивых боках (1 nб 4 ) применяют также расчетную схему по табл. 2.6 и поступают

аналогично вышеописанному. Такой подход к определению нагрузки правомерен, поскольку развитие дефектов в породном массиве, а также деформаций увеличивается с ростом напряжений. Если деформируемые породы не склонны к упрочнению, то деформации и степень нарушенности массива пропорциональны величине действующих в массиве напряжений.

Классификация (табл. 2.3) неприменима к слабым неустойчивым породам, которые задолго до разрушения склонны к пластическому течению,

при коэффициенте длительной прочности 0 5. (мергель, сланцы, доли,

глины и т.п.). В этих породах нагрузка на крепь должна определяться по СНиП П-94-80.

При определении нагрузки на крепь наклонной выработки рассматривается вертикальный разрез, а не нормальное сечение выработки (рис.

2.115). При этом вертикальное давления Q со стороны свода обрушения

раскладывается на две составляющие N и T :

N Qсоs , Т siп ,

где - угол наклона выработки.

Непосредственно на крепь оказывает давление нагрузка N , а T действует вдоль кровли выработки, стремясь опрокинуть рамную крепь или сколоть набрызг-бетонную крепь, если модуль упругости или деформации пород и крепи не совпадают.

Согласно рекомендациям П.И. Цимбаревича величину горного давления следует определять как:

1.N Qсоs , если 45о ;

2.N Qсоs45о , если 45о 80о ;

3.При 80о выработка рассматривается как вертикальная.

122

Величину горного давления при слоистой кровле, когда выработка пройдена по напластованию пород, следует определять, как для горизонтальных выработок.

В однородных породах все линейные размеры выработки при определении горного давления подставляются в соответствующие формулы с учетом угла наклона выработки. Вертикальная высота выработки увеличи-

вается до h2 h / cos , при этом увеличивается и высота свода обрушения до b2 (a h2ctg )tg h02 . Зная высоту b2 , легко определить вертикальную нагрузку Q 2ab2 и ее составляющие T и N по формулам, приведенным в табл. 2.6.

Рис. 2.115. Расчетная схема определения горного давления в наклонной выработке

Расчет горного давления в вертикальных горных выработках выпол-

няется в следующей последовательности.

1. Определяют нормативное горизонтальное (радиальное) давление (Рн, кПа) по формулам:

при С 6 , Рн 10 2C 1 ;

при С 6 , Рн 10 3C 7 ,

где С - критерий устойчивости; – параметр, учитывающий технологию проходческих работ: при последовательной и параллельной технологических схемах 0 ; при совмещенной технологической схеме: 2 (при

С6 ), и 3 (при С 6 ).

2.Определяют расчетное давление пород ( Рр, кПа) по зависимости

,Рр nmуnнPн1 0,1 rо 3

где rо – радиус выработки в свету или приведенный радиус выработ-

123

mу 0,75 - для сборной крепи); пн - коэффициент приведения к расчетному (максимальному) давлению при неравномерной эпюре нагрузок (табл. 2.7)

Геологоразведочные шурфы проходят часто в наносных малосвязанных песчано-глинистых отложениях. В этом случае расчетное горизонтальное давление на крепь следует определять по формуле

где k - коэффициент, принимаемый равным 1,7 если нет проемов в крепи; 2tg tg(45o / 2) - безразмерный коэффициент.

Основные крепежные материалы для изготовления горной крепи.

Горна крепь – искусственное сооружение, возводимое в выработке для предотвращения обрушения неустойчивых пород и сохранения необходимой площади поперечного сечения выработки на период эксплуатации.

По назначению крепежные материалы можно разделить на основные, используемые для несущей конструкции крепи (древесина, металл, камень, бетон, железобетон), и вспомогательные (водоизоляционные материалы, гвозди, болты, хомуты и др.).

Древесина. Для крепления горных выработок используют как хвойные, так и лиственные сорта породы дерева. Наиболее широко применяющиеся породы и сорта леса приведены на рис. 2.116.

Срок службы леса в шахтных условиях зависит от качества древесины и от условий, в которых находится крепь. Если по закрепленной древесиной выработке проходит сухой холодный воздух, то лес сохраняется лучше, чем при влажном и теплом. Срок службы крепи из хвойных пород дерева в плохих условиях составляет 3-6 месяцев; в средних условиях (при

124

двутавровые балки №14 - 30, , железнодорожные рельсы Р-38 и Р-43, рудничные рельсы Р-18, Р-24, Р-33, уголок и арматурную сталь (рис. 2.117).

Достоинством стали, как крепежного материала является высокая прочность при растяжении и сжатии. Для изготовления металлической шахтной крепи широко применяют специальные стали, характеризующиеся

высокой прочностью и пластичностью (предел текучести от 520 до 650 Н/мм2), и временным сопротивлением на разрыв от 700 до 900 Н/мм2.

Камень. Естественные камни – это изверженные, осадочные или метаморфизованные породы, добытые в карьерах или при проходке выработок. Широкого применения естественные обработанные камни не получили из-за большой стоимости их изготовления. Более широкое применение имеют искусственные камни (кирпич, бетониты), использующиеся при креплении капитальных выработок.

Бетон - затвердевшая смесь раствора цемента с песком, щебнем или гравием.

Для различной бетонной крепи используют портландцемент различных марок. Состав бетона обозначают в виде: 1:А:Б, (где 1 – весовая часть цемента; А – количество частей песка; Б – количество частей щебня или гравия). В зависимости от соотношения объемов цемента и песка растворы делятся на жирные (1:2 и 1:2.5) нормальные (1:3 и 1:3.5) и тощие (1:4). Для горной промышленности применяют жирные и нормальные растворы

(табл. 2.8).

Прочность бетона определяется его маркой, которая получается при испытании бетонного кубика с ребром 20 см на сжатие ( сж ) в возрасте 28

дней при температуре 18-20оС.

Железобетон. Для повышения механической прочности, особенно при изгибе и растяжении, бетон армируют сталью. Такой бетон называют железобетоном. В железобетоне используются свойства обоих материалов,

– бетон хорошо работает на сжатие, а металл на растяжение.

Бетон прочно сцепляется со стальной арматурой (круглая сталь диаметром 8-30 мм), и предохраняет сталь от коррозии. Для сборного железобетона кроме гладкой круглой арматуры применяют прутья периодического профиля из горячекатаной стали, и холоднотянутую проволоку диаметром

до 10 мм.

126

Основные конструкции крепи горизонтальных горных выработок.

Деревянная крепь широко применяется в выработках со сроком службы до 2 лет (при соответствующей обработке до 5 лет), в условиях установившегося давления и при невозможности извлечения крепи для повторного использования.

Основной конструкцией деревянной крепи является неполная крепежная рама трапециевидной (рис. 2.118, а) или реже прямоугольной формы (рис. 2.118, в), состоящей из верхняка 1 и двух стоек 2. Верхняк и стойки изготавливают из круглого леса диаметром более 15 см; в трапециевидной раме угол наклона стоек принимают равным 80-85о.

Выработки со слабой (пучащейся) почвой крепят полными крепежными рамами; дополнительным элементом полной рамы является лежень 3 (рис. 2.118, б, г), укладываемый на почву выработки.

Нижние концы стоек иногда заостряют на конус, при этом конструкция крепи становится податливой; после установки рамы она при большом первичном горном давлении сверху может опускаться без поломок на 10-15 см за счет внедрения в породу почвы и смятия заостренных концов (рис. 2.119). Податливость крепи обеспечивает увеличение срока ее службы. Чтобы под влиянием бокового давления стойки рамы не выжимались внутрь выработки, концы их заводят в лунки глубиной 10 – 20 см, устраиваемые в

почве выработки.

Рис. 2.119. Заделка концов стоек: а) жесткая крепь; б) – податливая крепь; 1 стойка; 2 – конец стойки; 3 - лунка

Рис. 2.118. Крепежные рамы

При умеренном горном давлении, крепежные рамы устанавливают вразбежку (рис. 2.120, а) на расстоянии 0.5 – 1.5 м друг от друга; при значительном давлении их устанавливают вплотную одна к другой – сплошное крепление (рис. 2.120, б). В местах замкового соединения раму тщательно

127

ботки и крепости пород. В горизонтальных и наклонных выработках толщина свода в замке – не менее 17 см, стены – не менее 20 см, в вертикальных выработках толщина стены не менее 30 см.

Рис. 2.123. Бетоноукладочный комплекс в забое: 1 – бетоновоз; 2 - загрузочное устройство; 3 - пневмонагнетатель; 4 – раздвижная упорная стойка

В настоящее время монолитную железобетонную крепь, особенно в зонах неустановившегося горного давления применяют редко. Более распространенной является сборная железобетонная крепь (рис. 2.122), а также рамная крепь из стальпластбетона.

см в углублениях, составляя в среднем 2

– 3 см. В крепких породах увеличивать толщину слоя бетона свыше 3 см нецелесообразно, поскольку существенно

возрастает расход материалов. На выступающих поверхностях толщина бетона не должна превышать 3 см. В углублениях бетон нужно набрызгивать так, чтобы лишь грубо выровнять поверхность.

Для крепления набрызг-бетоном применяют машины типа БМ-60,

129

БМ-70 и др. (рис. 2.124). Сухая смесь из верхней камеры 1 поступает в материальный шлюз 2, где попадает в карманы вращающегося дозатора и потоком воздуха по шлангу 3 направляется к соплу 4. Смешиваясь с водой, по шлангу 5 раствор набрызгивается на поверхность выработки.

Металлическая крепь применяется в подготовительных и капитальных выработках в породах любой устойчивости и в зоне влияния очистных работ, а также при значительном горном давлении. Она может применяться в виде жесткой (рамной или арочной) крепи. Выработки, находящиеся в зоне влияния очистных работ, крепят арочной податливой или арочной шарнирной крепью.

Рис.2.125. Жесткая металлическая крепь

Рамную крепь (рис. 2.125, а) изготовляют из рельсовых или двутавровых балок. Стойки соединяют с верхняком с помощью литых башмаков или накладок, уголков и болтов с гайками.

Жесткая арка (рис. 2.125, б) состоит из двух полуарок, соединяемых в центральной части свода с помощью соединительных планок и болтов.

Арочную податливую крепь (рис. 2.126) выполняют из балок специального профиля. Она состоит из трех, четырех и пяти звеньев: арочного верхняка и двух, трех и четырех криволинейных стоек. Концы верхняка телескопически входят в стойки, что обеспечивает податливость крепи. Места соединения стягивают стальными хомутами 3. Величина податливости регулируется затягиванием хомутов с помощью гаек 5 и планок 4. Между собой арки соединяют стяжками 6, из полосовой стали, рельсов, или спецпрофиля. Стойки арки опираются стальными башмаками 1 на деревянные лежни 2.

Арочная шарнирная крепь (рис. 2.127) состоит из двух металлических двутавровых или рельсовых полуарок 1, свободно опирающихся в стыках на деревянные прогоны 4, и двух деревянных, металлических или железобетонных стоек 2. По длине каждого прогона монтируют две-три арки. Прого-

130

ны по длине выработок соединяют между собой строительными скобами. К концу каждой полуарки приварен штампованный башмак 3, который охватывает деревянный прогон, и образует шарнир. Податливость крепи достигается за счет смятия деревянных прогонов в шарнире или смятия заостренных концов деревянных стоек.

Каменную крепь из кирпича и бетонитов возводят на цементном растворе. Наиболее распространена крепь с прямыми стенками и сводчатым перекрытием. Обладает теми же качествами, что и бетонная.

Анкерная крепь предназначена для упрочнения массива горных пород и повышения устойчивости его обнажений путем скрепления различных по прочности слоев. Как самостоятельный вид крепи используется в породах с

коэффициентом крепости f 4 .

В анкерной крепи используют стержни из древесины, металлические стержни из мягкой конструкционной стали диаметром 20 – 38 мм с клинощелевыми замковыми устройствами, железобетонные и полимербетонные, закрепляемые по всей длине шпура (рис. 2.128).

Установка распорного металлического анкера (рис. 2.128, а) осуществляется следующим образом: стержень 2 с клином 1 вставляют в шпур до упора клина в дно шпура. По хвостовику стержня, выступающему из устья шпура, наносят удары (ручным или пневматическим молотком), вследствие чего клин входит в прорезь стержня, раздвигает разрезанные его части, и заклинивает их в шпуре. На выступающий конец стержня надевают деревянную подкладку 3, шайбу 6 и, завинчивая гайку 7, прижимают подкладку плотно к породе.

Иногда взамен стальных применяют деревянные стержни 3 из натуральной и прессованной древесины диаметром 30-80 мм, закрепляемые в шпурах нижним 5 и верхним 1 клиновыми замками (рис. 2.128, б) .

131

Рис. 2.128. Конструкции анкерной крепи:

1 – клин; 2 – стержень; 3 – подкладка; 4 –резьба; 5 – втулка; 6 – опорная плита; 7 – гайка; 8 - пробка а ) - металлический анкер с клиновым замком; б) – деревянный анкер; в) – железобетонный анкер; г) – процесс установки сталеполимерного анкера; д) – закрепление в шпуре сталеполимерного анкера.

Прочность стержней из прессованной древесины на разрыв, приближается к прочности стали. Древесина способно быстро набухать, впитывая влагу, что используется в некоторых конструкциях крепи не только для усиления их распора в шпуре, но и для натяжения. Стержень 2 с продольными прорезями на обоих концах можно устанавливать с набухающей деревянной подкладкой 3, между опорной шайбой 6 и породой, обеспечивающей натяжение стержня.

Чаще закрепление анкера обеспечивается с помощью цементных (песчано-цементных) растворов, которые подаются в шпур в ампулах (или специальным насосом) (рис. 2.128, в) или химическим составом (рис. 2.128, г), когда в шпур вводится необходимое количество ампул с химическим закрепителем (смола и отвердитель). Затем стержень, вращаемый с помощью сверла или перфоратора и подаваемый ко дну шпура, разрывает ампулы, перемешивая их содержимое. После затвердения цементного или полимерного раствора на выступающую часть анкера устанавливают опорную плиту, и создают предварительное натяжение гайкой (рис. 2.128, д).

Если выработка закреплена только анкерной крепью, то в местах интенсивной трещиноватости возможны отдельные вывалы или осыпание породы между анкерами. В этом случае прибегают к комбинированной крепи

132

Рис. 2.131. Конструкции смешанной крепи

Костровая крепь представляет собой располагаемые на некотором расстоянии друг от друга крепежные конструкции столбчатой формы, которая собирается из отдельных деревянных, металлических или пневмобаллонных элементов, укладываемых друг на друга в определенном порядке. Применяется в очистных выработках в качестве посадочной крепи при управлении горным давлением способами обрушения и плавного опускания кровли. В подготовительных выработках используется для закладки пустот над крепью при значительных вывалах породы из кровли выработки.

На современных шахтах деревянную костровую крепь применяют при управлении горным давлением плавным опусканием кровли на почву, металлическую – обрушением кровли в лавах с пологопадающими пластами.

Костры собирают из деревянных или металлических брусьев, балок длиной от 0.7 до 1.2 м. В качестве деревянных элементов используют рудничные стойки и брусья. В качестве балок для металлических костров – отрезки отожженных (для уменьшения хрупкости) старых рудничных рельсов или двутавра. Конструкции придают форму прямоугольной или треугольной клетки, заполняемой или не заполняемой породой (рис. 2.132, в, г).

В очистном забое костровую крепь размещают по падению пласта параллельно забою в один или два ряда (рис. 2.132, а). Расстояние между кострами в ряду по падению 2 – 3 м.

Для плавного опускания кровли в лавах крутопадающих пластов используется пневматическая костровая крепь из соединенных между собой 2- 4 мягких подушкообразных оболочек, которые изготавливаются из резинокорда и рукавных капроновых тканей (рис. 2.132, г).

Костровую крепь для закладки пустот применяют при восстановлении заваленных выработок, когда высота свода обрушения не превышает 2- 3 м. Костры выкладывают над крепью (рис. 2.132, б) таким образом, чтобы давление по возможности передавалось на стойки рам, а не на верхняки.

134

Рис.2.132. Костровая посадочная крепь

Временная крепь горизонтальных и наклонных выработок. При от-

сутствии возможности возводить постоянную крепь вслед за подвиганием забоя, для безопасного ведения буровзрывных работ и погрузки породы устанавливают временную крепь.

Назначение временной крепи - предохранять проходчиков от возможных вывалов или обрушения кусков породы с кровли.

При рамной деревянной крепи ее возводят в призабойном пространстве на участке около 3 м от забоя, сразу же после взрывания шпуров, проветривания и осмотра забоя, а при монолитной бетонной крепи – на участ-

ках в 20-40 м в зависимости от условий и свойств боковых пород.

В горизонтальных и наклонных выработках применяются следующие

135

виды временной крепи: консольная выдвижная; подвесная (при отсутствии в выработке бокового давления и пучения пород); рамная (при наличии бокового давления).

Консольная выдвижная предохранительная крепь

(рис. 2.133) состоит из двух консольно-расположенных у кровли выработки металлических балок и опирающегося на них предохранительного перекрытия в виде настила из деревянных распилов или из верхняков с затяжками.

Консольные балки свободно подвешиваются на скобах к верхнякам постоянной крепи; конструкция скоб позволяет легко передвигать балки с перекрытием вслед за забоем выработки. При сплошной бетонной или железобетонной постоянной крепи консольные балки подвешиваются в скобах к анкерам, за-

крепляемым в породах кровли.