Курбатова О.А., Харин А.З. История развития горной механики

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

Курбатова О.А., Харин А.З.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГОРНОЙ МЕХАНИКИ

Учебное пособие

Рекомендовано Дальневосточным региональным

учебно-методическим центром в качестве учебного пособия

для студентов специальности 170100 «Горные машины и оборудование» вузов региона

Владивосток

2004

УДК 622.2(091)

К 93

Курбатова О.А., Харин А.З. История развития горной механики: Учеб. пособие.- Владивосток: Изд-во ДВГТУ,

2004.-137 с.

В учебном пособии изложены история развития горной промышленности России. Приведены основы

технологии подземных и открытых горных работ, а также история развития горной механики, методы и средства

механизации горных работ, общие принципы проектирования, создания и эксплуатации современных машин и

комплектов.

Предназначено для студентов специальности170100 «Горные машины и оборудование».

Авторы: кандидат технических наук, доцент О.А. Курбатова; кандидат технических наук, доцент А.З. Харин.

Рецензенты: В.Ф. Мороз, д-р техн. наук, проф. ИГД ДВО РАН; Р.Г. Кулинич, д-р геолого-минералогических

наук ТОИ ДВО РАН

ISВΝ © О.А. Курбатова, А.З Харин, 2004

Содержание

Предисловие 4

1. Природные ресурсы планеты 5

Вопросы для самопроверки 8

2. Технология разработки месторождений полезных ископаемых 9

2.1. Общие сведения 9

2.2. Подземный способ добычи полезных ископаемых 9

2.2.1. Подземная разработка полезных ископаемых 9

2.2.2. Технология добычи угля на шахтах 15

2.2.3. Разработка рудных месторождений подземным

способом 18

2.3. Разработка месторождения открытым способом 19

Вопросы для самопроверки 21

3 .Из истории горного дела 22

Вопросы для самопроверки 28

4. Развитие горной отрасли в России 30

Вопросы для самопроверки 43

5. История развития горной техники в ХХ веке в России 45

5.1. Горные машины для подземных работ 45

5.1.1. Механизация зарубки 45

5.1.2. Очистные комбайны 50

5.1.3. Струговые установки 58

5.1.4. Механизация доставки угля из очистных забоев 59

5.1.5. Механизация крепления и управления кровлей 63

5.1.6. Механизированные крепи и комплексы очистного

оборудования 64

5.1.7. Механизация очистных работ на крутых пластах 70

5.1.8. Механизация проведения подготовительных выработок 73

5.1.9. Механизация подземного транспорта 83

5.1.10. Гидропривод горных машин 89

5.2. Горные машины для открытых горных работ 94

5.2.1. Общие сведения 94

5.2.2. Буровая техника 94

5.2.3. Экскаваторы 100

5.2.4. Выемочно-транспортные и транспортные средства 110

Вопросы для самопроверки 122

6. Стационарные установки 124

6.1. Вентиляторные установки 124

6.2. Водоотливные установки 133

6.3. Пневматические установки 136

6.4. Подъемные установки 138

Вопросы для самопроверки 142

7. Угольная промышленность Приморья 144

Вопросы для самопроверки 148

Библиографический список 150

Предисловие

Поиски и добыча полезных ископаемых – древнейшая область человеческой деятельности, которая уходит

корнями в далекую эпоху палеолита. Камень, медь, железо дали имя огромным по времени историческим эпохам.

Определили начальные этапы развития материальной культуры человечества.

Современное горное производство базируется на передовых методах поиска и освоения недр. Горное дело

развивается на основе других естественных наук – физики, химии, биологии, математики. Оно тесно связано с

машиностроением, создающим специфические орудия труда горного производства.

Цель данного пособия – познакомить студентов с историей горного производства, со строением горных пород

и полезных ископаемых, с развитием горной техники.

1. ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ ПЛАНЕТЫ

Планета Земля представляет собой тело сферической формы – геоид и состоит из магнитосферы, атмосферы,

гидросферы, земной коры (литосферы), астеносферы, мантии (верхней, средней и нижней) и ядра.

За пределами атмосферы Земля окружена слоем ионизированного газа (ионосферой), а далее вплоть до

физического вакуума космоса простирается слой ее собственного электромагнитного поля. Кроме того, в ней

присутствуют гелий, неон, ксенон, криптон, водород, озон, аммиак, водяные пары и прочие включения.

Большую часть объема атмосферы Земли составляют азот (78,09%) и кислород (20,95%).

Литосфера – это твердый внешний слой Земли толщиной в среднем 25-80 км. За пределами литосферы к

центру Земли располагается мантия и далее ядро [1].

Исследование недр планеты ведется с использованием различных методов и средств. Наибольшие успехи

достигнуты при использовании сейсмических методов, основанных на исследовании скорости распространения

сейсмических волн, вызванных специальными взрывами.

Установлено, что земная кора неравномерна по своей толщине и имеет сложное строение в различных

областях поверхности планеты. Земная кора существенно отличается по своему строению в районе океанов и

материков и подразделяется на кору материковую, океаническую и переходную. Материковая кора – это

совокупность трех взаимно связанных оболочек. Верхняя – осадочная оболочка, образованная из различных

осадочных пород, средняя оболочка сложена в основном гранитами, нижняя – базальтами. В качестве основных

породообразующих компонентов в состав гранитов входят кремнезем и алюминий, соответственно 65 и 15%.

Базальты в отличие от гранитов состоят из кремнезема, алюминия, кальция, магния, железа и других минералов.

Горные породы земной коры в соответствии с происхождением подразделяются на осадочные, изверженные и

метаморфические. Осадочные породы образованы при разрушении и последующем отложении древних слоев

пород. Изверженные, или магматические, образованы в результате охлаждения и кристаллизации поднимавшихся

на поверхность различных расплавов (магмы). Метаморфические, т.е. измененные, образованы в ходе процессов

изменения осадочных и изверженных пород в условиях высоких давлений и температур [1, 2].

Земля – это не какое-то неизмененное, застывшее образование. В результате движения элементов земной

коры в пространстве и во времени слагающие ее породы могут залегать горизонтальными, вертикальными

или складчатыми слоями. В структуре литосферы выделяются обширные образования в виде

геосинклинальных поясов и древних платформ. Геосинклинальные складчатые пояса – это крупные

подвижные области земной коры. Внутри них выделяются прогибы, поднятия и средние области. Древние

платформы представляют собой устойчивые и малоподвижные области материковой коры. Кроме этого в

земной коре выделяются и другие геологические структуры.

Земля хранит сказочные богатства, представленные различными месторождениями полезных

ископаемых, которые сформированы из геологических минеральных образований в виде химических

соединений элементов. По данным геологических исследований, содержание химических элементов в земной

коре, включая воды морей и океанов, следующее: кислород и кремний - 75%, алюминий - 7,4%, железо –

4,2%, кальций – 3,3%, натрий – 2,4%, калий и магний – 2,35%, водород – 1,0%, титан – 0,6%, цинк – 0,02%,

медь - 0,01%, свинец – 0,002%, золото –0,0000005%. Кроме того, в земной коре встречаются и многие других

элементы, однако их содержание очень мало.

В естественном состоянии полезные ископаемые находятся в твердом, жидком и газообразном виде. В

соответствии с химическим составом и областью применения они подразделяются на следующие виды:

металлические, неметаллические и топливно-энергетические.

Металлические полезные ископаемые представлены рудами различных металлов: черных, цветных,

благородных и радиоактивных.

Неметаллические полезные ископаемые представлены различными типами минерального сырья. Это

техническое минеральное сырье: алмазы, графиты, асбесты, известняки, тальки, шпаты, драгоценные и

поделочные камни и т. д. Химическое минеральное сырье: апатиты, фосфориты, сера, гипс, мышьяк, бор,

минеральные краски и т. д. Строительно-минеральное сырье: граниты, суглинки, гравий, глина и т.д.

Топливно-энергетические полезные ископаемые – твердые горные образования, сложившиеся из останков

животных и растений прежних геологических эпох, объединенные названием «ископаемые угли»: каменный и

бурый уголь, горючие сланцы, антрацит, торф, сапропели, радиоактивные металлы; жидкие – нефть; газообразные

– горючий газ.

Органическая масса всех видов топлива – углей, нефти, сланцев, торфа – состоит из четырех химических

элементов: углерода, водорода, кислорода и азота. В зависимости от геологического возраста топлива меняется

соотношение между указанными элементами, и в особенности между углеродом и водородом. Например,

содержание в торфе углерода 58% и 75-77% - в горючих сланцах, 95% - у антрацитов; водорода у антрацитов

1,9%, 9,9% - у горючих сланцев.

В жидких видах топлива (нефть, мазут, бензин, керосин) содержание углерода изменяется от 85% до

87,5%, а водорода от 12% до 15%.

Горючие сланцы и сапропелитовые угли, имеющие наиболее молодой возраст, содержат в своих молекулах

значительное количество водорода, поэтому они в основном служат для получения жидкого топлива.

Человек на протяжении многих веков использует минеральные богатства планеты. Если в начале своей

истории человек использовал различные виды камня (кварц, кремень, яшму), то в дальнейшем он научился

добывать каменную соль, олово, ртуть, свинец, медь, серебро и др. Медь и золото были освоены в IY-III вв. до н.

э. Позднее начинают добывать бронзу и железо. Они применяются для изготовления орудий труда, оружия и др.

Интенсивное развитие получает добыча строительных горных пород.

С развитием человеческого общества добыча полезных ископаемых из недр планеты постоянно возрастала. В

настоящее время в сферу жизнедеятельности человека входят 105 элементов. В нашей стране имеются ресурсы

минерального сырья, которые практически полностью обеспечивают потребности народного хозяйства. Но

необходимо отметить, что рост добычи полезных ископаемых уже в наши дни сопровождается ухудшением

горно-геологических условий ведения горных работ, снижением содержания полезных компонентов в

месторождении. Вследствие интенсивной разработки существенно изменились запасы полезных ископаемых,

расположенных вблизи земной поверхности. Уже сегодня горные работы с глубины 100 м уходят на глубину

более 500 м. В некоторых странах разработка месторождений полезных ископаемых ведется на глубине 2-3 км.

Вполне понятно, что извлечение полезных ископаемых с больших глубин требует создания принципиально

новых методов и средств добычи.

Вопросы для самопроверки

1. Из каких частей состоит планета Земля?

2. Какие газы входят в атмосферу Земли?

3. Что представляет собой литосфера?

4. При помощи, каких методов ведется исследование недр планеты.

5. На какие виды подразделяется кора Земли?

6. На какие виды подразделяются горные породы земной коры?

7. В каком естественном состоянии находятся полезные ископаемые в земной коре?

8. Из каких основных элементов состоит органическая масса всех видов топлива?

2. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

2.1. Общие сведения

Твердые полезные ископаемые добываются из недр земли двумя основными способами - открытым и подзем-

ным. Причем уровень добычи открытым способом во всем мире составляет около 80%. Преимущественное рас-

пространение открытого способа добычи полезных ископаемых объясняется в основном низкой, по сравнению с

подземной, себестоимостью 1 т добытого сырья. Главными факторами этого являются благоприятные горно-

технологические условия открытой добычи (относительно неглубокое залегание, значительная мощность полез-

ных ископаемых, достигающая нескольких десятков и сотен метров), возможность применять высокопроизводи-

тельную вскрышную, добычную и горно-транспортную технику, мощные машины (экскаваторы, буровые станки

и т. д.), железнодорожный транспорт.

Современные карьеры и разрезы, шахты и рудники представляют собой высокопроизводительные и автомати-

зированные производственные комплексы, включающие в себя весьма протяженные и разнообразные горные вы-

работки, различные промышленные здания и сооружения, системы энергомеханического оборудования, автомати-

зации и управления с применением средств микрокомпьютерной техники.

2.2. Подземный способ добычи полезных ископаемых

2.2.1. Подземная разработка полезных ископаемых

Под горной технологией подразумевается совокупность приемов и способов изменения природного состояния

недр земли с целью получения минеральных продуктов или использования подземных пространств.

Составными частями добычи угля являются система вскрытия месторождения, система подготовки шахтного

поля и система разработки месторождения.

В момент своего образования пласты осадочных горных пород были горизонтальными. Позднее под воздей-

ствием сжатия земной коры они приняли наклонное, а иногда крутое положение, изгибаясь в складки, а иногда

разрывались и как бы сползали вниз по трещинам, образуя сбросы (рис. 2.1).

Образуя сбросы, угольные пласты редко залегают в одиночку, обычно располагаются группами, по нескольку

пластов, разделенных пустыми породами. Такая совокупность угольных пластов называется свитой.

Месторождения каменного угля, состоящие из нескольких свит и отдельных пластов, простирающихся на

большое расстояние, называются каменноугольным бассейном.

Рис. 2.1. Геологические нарушения (дислокации):

а – антиклиналь; б – синклиналь; в – утонение пласта;

г – утолщение пласта; д – сброс; е – взброс; ж – сдвиг

Угольные пласты различаются по мощности (толщине) и углу падения. Мощность пласта измеряется рас-

стоянием от почвы до кровли пласта. Пласты мощностью до 1,3 м называют тонкими, от 1,3 до 3,5 м – средни-

ми, а от 3,5 и выше – мощными. По углу падения пласты делятся на полого падающие, залегающие под углом 0-

к горизонтальной плоскости, наклонные – от 25

до 45

и крутопадающие – от 45

до 90

(рис. 2.2).

Положение пласта в пространстве определяется падением и простиранием (рис. 2.3). Линией падения будет то

направление, которое лежит в плоскости пласта и по которому катится вниз капля воды. Направление же перпен-

дикулярное к линии падения и идущее вдоль пласта, называется линией простирания. Линия простирания полу-

чится при пересечении любого наклонно залегающего пласта горизонтальной плоскостью.

Падение пласта – наибольший наклон пласта, определяемый относительно горизонтальной плоскости (угол

падения).

Простирание пласта – направление горизонтальной линии на поверхности пласта.

Рис. 2.2. Различные углы падения пласта

Рис. 2.3. Простирание и падение пласта

Под горными работами подразумеваются работы по проведению и содержанию горных выработок. Что-

бы иметь возможность эксплуатировать горное месторождение, необходимо получить к нему доступ с по-

верхности земли. Вскрытие месторождения и последующая обработка осуществляются проходкой ряда спе-

циальных выработок, представляющих собой полости в земной коре и имеющих разную форму сечения (пря-

моугольную, трапециевидную, круглую, овальную и т.д.). Каждая пройденная выработка имеет свое функ-

циональное значение и характер пространственного расположения относительно горного массива.

Горные выработки по назначению делятся:

на разведочные – для разведки полезных ископаемых (скважины, шурфы, канавы и т. д.);

на вскрывающие – открывающие доступ к полезным ископаемым (стволы: вертикальные, наклонные и

слепые, штольни, квершлаги и др.);

на капитальные – служат для доступа к полезным ископаемым и обслуживания подземных работ (машинные

камеры, околоствольный двор и др.);

на подготовительные – с их помощью подготавливают участки к выемке (штреки, орты, уклоны и др.);

на нарезные – служат для разделения полей и блоков шахт на очистные участки (этажные и подэтажные

штреки, бремсберги, уклоны, просеки, печи, скаты, ходки и др.);

очистные – предназначенные для добычи полезного ископаемого (лавы, камеры и др.).

К элементам горной выработки относятся: устье, забой, бока, почва и кровля.

Устье – это начало горной выработки.

Забой - постоянно перемещающаяся поверхность, на которой ведутся горные работы.

Почва – это поверхность, ограничивающая выработку снизу.

Кровля – ограничивает выработку сверху.

Бок – поверхность, ограничивающая выработку сбоку.

Сопряжение – место соединения одной выработки с другой.

В зависимости от расположения по отношению к пласту горные выработки делятся:

на полевые – пройденные по породам параллельно пласту;

на пластовые – пройденные по пласту, часто с подрывкой боковых пород.

По расположению в пространстве выработки делятся на вертикальные, горизонтальные и наклонные.

К вертикальным горным выработкам относятся: ствол, шурф, слепой ствол, гезенк. Две первые из них имеют

выход на дневную поверхность.

Ствол предназначен для вскрытия шахтного поля и обслуживания подземных работ.

Шурф - вертикальная выработка небольшой длины и поперечного сечения, предназначенная для вентиляции,

перемещения людей и спуска материалов.

Слепой ствол служит для подъема угля с нижнего горизонта на верхний и для вентиляции.

Гезенк предназначен для спуска угля сверху вниз под действием собственного веса. Может служить для

вентиляции и передвижения людей.

К горизонтальным выработкам относятся: штрек, квершлаг, штольня, орт, просек. Обычно они проводятся не

строго горизонтально, а с уклоном 2-5

в сторону движения груженого состава, что обеспечивает сток шахтной

воды к водосборнику.

Штрек – это выработка, проведенная по простиранию пласта и предназначенная для транспортировки горной

массы, передвижения людей, вентиляции.

Квершлаг имеет то же назначение, что и штрек, но проводится вкрест простирания пласта. Он, как правило,

соединяет (вскрывает) соседние пласты.

Штольня имеет выход на дневную поверхность, предназначена для вскрытия шахтного поля и обслуживания

подземных работ.

Орт проводится вкрест простирания пласта, но проходит по самому пласту от лежачего до висячего бока. И

имеет то же назначение, что штрек и квершлаг.

Просек проводится по простиранию пласта без подрывки боковых пород и служит для транспорта и вентиля-

ции между лавой и транспортным штреком.

Наклонные горные выработки: наклонный ствол, наклонный шурф, сбойка, бремсберг, уклон, скат, печь, хо-

док.

Наклонный ствол имеет выход на поверхность. Проводится по падению пород или пласта и предназначен

для вскрытия шахтного поля и обслуживания шахтных работ.

Наклонный шурф проводится также с выходом на поверхность и имеет такие же размеры и назначение, что

и вертикальный.

Сбойка бывает наклонной и горизонтальной, может иметь выход на поверхность и служит для вентиляции.

Бремсберг проводится по восстанию пласта. Служит для спуска полезного ископаемого с вышележащего го-

ризонта на нижележащий с помощью механических средств.

Уклон пройден по падению пласта для транспортирования полезного ископаемого снизу вверх.

Скат проводится так же, как бремсберг, и уголь по нему транспортируется под действием собственного веса.

Печь проходит по восстанию и имеет то же назначение, что и просек.

Ходок проводится параллельно бремсбергу, уклону, скату, предназначен для передвижения людей и

транспортирования материалов.

К очистным выработкам (по назначению) относятся лава и камера.

Лава (название устаревшее) – протяженная выработка (длиной более 25 м и шириной 3-4 м), пройденная по

пласту. В ней добывают уголь.

Камера имеет то же назначение, что и лава, находится в угольном массиве и сравнительно большой ширины

[2, 3].