Лукьянов В.Г. Горные машины и проведение горно-разведочных выработок

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 8

Категория

Степень

крепости

пород

Порода

Коэфф.

крепо-

сти

I В высшей

степени

крепкие

Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и ба-

зальты. Исключительные по крепости другие породы

II Очень

крепкие

Очень крепкие гранитовые породы, кварцевый пор-

фир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец. Ме-

нее крепкие, чем указано выше, кварциты. Самые

крепкие песчаники и известняки. Очень крепкие же-

лезные руды

III Крепкие Гранит (плотные) и гранитовые породы. Очень крепкие

песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Креп-

кий конгломерат

IIIa То же Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие

песчаники. Крепкий мрамор. Доломит. Колчеданы

IV Довольно

крепкие

Кварцит с трещинами. Обыкновенный песчаник. Же-

лезные руды (средней крепости)

IVa То же Песчанистые сланцы. Сланцевые песчаники 5

V Средние Крепкий глинистый сланец. Некрепкий песчаник и

известняк. Мягкий конгломерат

Va То же Различные сланцы (некрепкие). Плотный мергель 3

VI Довольно

мягкие

Мягкий сланец. Очень мягкий известняк, мел, камен-

ная соль, гипс, мерзлый грунт, антрацит. Обыкновен-

ный мергель. Разрушенный песчаник, сцементиро-

ванная галька и каменистый грунт

VIa То же Щебенистый грунт. Разрушенный сланец,

слежавшаяcя галька и щебень, крепкий каменный

уголь. Отвердевшая глина

1,5

VII Мягкие Глина (плотная). Мягкий каменный уголь. Крепкий

нанос. Глинистый грунт

1,0

VIIa То же Легкая песчанистая глина. Лесс. Гравий 0,8

VIII Землистые Растительная земля. Торф. Легкий суглинок. Сырой пеcок 0,6

IX Сыпучие Песок осыпь. Мелкий гравий. Насыпная земля. Добы-

тый уголь

0,5

X Плывучие Плывуны. Болотистый грунт. Разжиженный лесс и

другие разжиженные грунты

0,3

Для ориентировочного отнесения пород к той или иной категории

крепости М.М. Протодьяконов предложил кажущийcя коэффициент, или

коэффициент крепости породы, который определяется путем деления на

100 предела прочности данной породы при одноосном сжатии, т. е.

f = σ

сж

/100.

В дальнейшем в коэффициент крепости Л.И. Бароном была внесена

поправка:

сж сж

/ 300 / 30f

σσ

Коэффициент крепости f и кажущийся угол внутреннего трения

связаны зависимостью

f = tg φ.

Для сыпучих пород в качестве коэффициента крепости принимает-

ся числовое значение коэффициента внутреннего трения.

Коэффициент крепости пород широко используется в инженерных

расчетах, особенно при определении параметров буровзрывных работ.

Единая классификация горных пород по буримости введена в дей

ствие с 1 января 1969 г. Классификация разработана в Центральном бю-

ро планирования и нормирования труда (ЦБПНТ) в 1968 г. В основу ее

положено время основного (чистого) бурения 1 м шпура в минутах в

идентичных условиях различных по физическим свойствам пород.

Все горные породы разбиты на двадцать категорий.

Испытания горных пород по буримости

проводились при следую-

щих стандартных технических условиях:

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

• коронки однодолотчатой формы (в трещиноватых породах – кре-

стовой формы), армированные твердыми сплавами ВК-15, ВК-8В,

ВК-11В, с углом заострения 110° и диаметром 40 мм (для перфора-

торов ПТ-36 и КС-50 диаметр коронки бура 85 мм);

•

бурение ручным молотком (перфораторами) с пневмоподдержкой,

соответствующей типу молотка, с промывкой шпуров водой.

Единая классификация горных пород по буримости для нормирова-

ния горнопроходческих работ приведена в работе [14].

Горные породы категорий I–III не в мерзлом состоянии разрабаты-

ваются с помощью экскаваторов, бульдозеров, скреперов, отбойных мо-

лотков, мотобуров, мотоперфораторов, кайл, ломов, лопат; мерзлые

по-

роды категории I–III разрабатываются после их предварительного рых-

ления теми же механизмами.

Рыхлить можно механическими или взрывными способами.

Таблица 9

Наименование

классификации

Категория пород

по ЕНВ, 1969 г.

Коэффициент

крепости пород по

шкале проф. М.М.

Протодьяконова

VI–X

4–5

XI–XII

6–8

XIII–

XIV

6–10

12–15

XVI–

XVII

XVIII

XIX–

Шпуры бурят пневмо- или электросверлами. Породы категорий IV–IX

(иногда XII) разрабатываются с применением буровзрывных работ при бу-

рении шпуров пневмо- или электросверлами, легкими пневматическими бу-

рильными машинами (перфораторами); породы категорий IX (ХII)–ХХ –

с применением буровзрывных работ при бурении шпуров перфораторами.

Сопоставление единой классификации горных пород и коэффици-

ента крепости дано в

табл. 9.

Рис. 8. Угол внутреннего сопротивления: а – схема действия сил на площадке

ТП, наклоненной под углом θ к осям xy; б – угол внутреннего сопротивления

Таблица 10

Характеристика горных пород Физико-механические свойства горных пород

Прочность

при сжатии, Па

Вязкость

(прочность

на разрыв), Па

Угол внутреннего

трения

Угол внутреннего

сопротивления

Группа

Краткая

Подробная

Типичные пред-

ставители каждой

группы пород

от – до средняя от – до средняя от – до средний от – до средний

Плывучие

Мельчайшие и мелкие (не свыше

0,10…0,15 мм) песчаные и глинистые

частицы с водой в разных пропорциях,

определяющих различные консистенции

и степень плывучести

Плывучие пески и

плывуны, разжи-

женные грунты

– – – – 0…18° 9° – –

Сыпучие

Скопление различной формы и разме-

ров зерен и небольших обломков пород

без сцепления между собой или же со

слабым сцеплением

Рыхлые горные

породы: галька,

щебень, гравий,

песок

– – – – 18…26°35' 22°15' – –

III

Мягкие

Землистые глинистые и песчано-

глинистые породы со связью между

частицами, определяемой водой или

землистым и глинистым цементом;

породы преимущественно пластичные

Наносы, слежав-

шиеся грунты,

пластичные глины

– – – – 26°34'…50° 38°15' – –

Окончание табл. 10

Характеристика горных пород Физико-механические свойства горных пород

Прочность

при сжатии, Па

Вязкость

(прочность

на разрыв), Па

Угол внутреннего

трения

Угол внутреннего

сопротивления

Группа

Краткая

Подробная

Типичные пред-

ставители каждой

группы пород

от – до средняя от – до средняя от – до средний от – до средний

Слабые

Пористые породы малой твердости;

породы слоистого и обломочного

скольжения со слабой связью между

частицами (глинистый, отчасти из-

вестковый цемент), но достаточно

плотные или же пористые, со значи-

тельной связью между частицами

Гипс, бурые и не-

плотные каменные

угли, сланцы гли-

нистые или конгло-

мераты и брекчии с

глинистым цемен-

том, туфы

1,96·10

…

9,81·10

4,4·10

7,85·10

…

3,92·10

1,67·10

– – 50…70° 60°

Средние

Пористые породы большей твердо-

сти; породы слоистого, обломочного

и кристаллического сложения боль-

шей твердости, чем породы преды-

дущей группы, цемент известковый

и отчасти кварцевый

Известковый

шпат, плотные

сланцы, средней

плотности из-

вестняки и пес-

чаники

9,81·10

…

3,92·10

1,96·10

3,92·10

…

1,52·10

7,65·10

– – 80° –

Крепкие

Породы значительной твердости и плот-

ности, вязкие сложнокристаллические

изверженные породы равномерно-

зернистого и порфировидного сложения;

цемент преимущественно кварцевый

Полевые шпаты

(ортоклаз), квар-

цевые породы,

гранитовый сие-

нит, габбро

3,92·10

…

1,57·10

6,57·10

1,52·10

…

6,08·10

3,92·10

…

6,87·10

– – – –

VII

Весьма крепкие

Породы предыдущей группы с про-

явлением твердости, плотности и

вязкости в большей степени. Значи-

тельное содержание кварцевого це-

мента

Кварцевые дио-

риты, плотные

кварциты, кре-

мень, базальт

1,57 10

…

1,96 10

1,86·10

6,08·10

…

7,85·10

7,16·10

– – 85…87° 86°

В табл. 10 дана классификация горных пород по углу внутреннего

сопротивления β. Профессор П.М. Цимбаревич утверждал, что условие

τ = f

N + C (где f

– коэффициент трения; N – нормальное напряжение, МПа;

С – сила сцепления частиц связной породы между собой, МПа) должно

соблюдаться для всевозможных положений площадки сдвига, проходя-

щей через данную точку. С изменением положения площадки изменяет-

ся величина отношения τ / N и угла β, определяющего направление век-

тора напряжения (σ) (рис. 8). Чем больше угол

β, тем больше сдвигаю-

щее напряжение τ выдерживает данная порода без разрушения. Для

данной породы превышение некоторого критического угла β называется

углом внутреннего сопротивления. Для сыпучих пород угол внутренне-

го сопротивления равен углу внутреннего трения.

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

лена на основе относительного показателя трудности бурения П

, в осно-

ву которого положены показатель труда, физические характеристики по-

род – предел прочности на сжатие σ

сж

и сдвиг σ

сд

, плотность ρ [14].

По этому показателю горные породы разделены на пять классов, а

каждый класс подразделяется на категории (всего 25 категорий). Поро-

ды с показателем буримости П

> 25 относятся к внекатегорийным.

Контрольные вопросы

1. Характеристика пород: скальных, связных, сыпучих.

2. Трещиноватость горных пород: характеристики, значение, класси-

фикация.

3. Перечислите основные физические свойства горных пород.

4. Прочность горной породы.

5. Как влияет абразивность горных пород на технико-экономические

показатели проведения горно-разведочных выработок?

6. Деформационные свойства горных пород: пластичность, упругость.

7. Что такое разрыхляемость горных

пород и ее влияние на процесс

погрузки породы?

РАЗДЕЛ II

БУРОВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 4. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О МЕХАНИЗМЕ

РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ

§ 1. СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

В геологоразведочных организациях стран СНГ ежегодно проходи-

лось около 300 км подземных и более 100 млн м

открытых горных вы-

работок. Более 90 % подземных и 35 % открытых выработок проходится

с использованием взрывчатых веществ (ВВ).

Для размещения зарядов ВВ в массиве породы, подлежащей отбой-

ке, создаются зарядные камеры (в подземных выработках это в основ-

ном шпуры, на открытых – могут быть шпуры и скважины). Бурение

шпуров скважин до настоящего времени является

одним из трудоемких

и дорогостоящих способов создания искусственных полостей.

Процесс бурения состоит в разрушении пород буровым инструмен-

том и ее удалении за пределы шпура (скважины).

Шпуром называется пробуренная в породе цилиндрическая полость

глубиной до 5 м и диаметром до 75 мм. Шпуры бурят для разрушения

взрывом ВВ негабаритных блоков горных пород,

для выравнивания по-

дошвы уступа, при проходке горных выработок и на очистных работах,

рыхлении мерзлых грунтов, корчевке пней, валке деревьев, а также для

разрушения различных объектов при строительстве сооружений и во

многих других случаях.

Бурение шпуров эффективно при добыче штучного камня, при соз-

дании гладкого неразрушенного откоса, при сооружении канала

траншей методом контурного взрывания. Широко используется бурение

шпуров при взрывных работах негорного характера (обрушении зданий

и сооружений и для других целей).

Скважиной называется горная выработка цилиндрической формы

глубиной свыше 5 м и диаметром более 75 мм.

Скважины бурят в основном при добыче полезных ископаемых от-

крытым способом. По направлению к земной

поверхности скважины

бурят вертикальными, горизонтальными и наклонными.

Классификация способов бурения шпуров и скважин приведена на

рис. 9. По природе разрушающих горную породу напряжений все спо-

собы бурения делятся на механические, при которых разрушение проис-

ходит вследствие развития в породе механических напряжений, и тер-

мические, при которых разрушение происходит вследствие развития в

породе температурных напряжений.

К механическим способам бурения относятся ударный, вращатель-

ный, ударно-вращательный, вращательно-ударный, ультразвуковой,

взрывной, электрогидравлический и гидравлический.

К термическим способам относятся огневое, плазменное, электро-

термическое бурение.

По видам передачи

энергии породе способы бурения делятся на кон-

тактные (ударное, вращательное, ударно-вращательное, вращательно-

ударное, взрывное, электротермическое) и бесконтактные (термическое,

плазменное, гидравлическое, электрогидравлическое, ультразвуковое).

Способы воздействия на породу:

• твердым породоразрушающим инструментом (ударное, вращатель-

ное, ударно-вращательное, вращательно-ударное бурение);

• газами (взрывное бурение патронированными зарядами);

• жидкостью (электрогидравлическое и

гидравлическое бурение);

• электрическим током (электротермическое и электроимпульсное

бурение);

• комбинированные (с помощью газов и тепла – струйное взрывобу-

рение, огневое, плазменное бурение; с помощью абразива и жидко-

сти – ультразвуковое бурение).

По способу разрушения забоя может быть колонковое бурение с от-

бором керна и бурение сплошным забоем.

По способу

удаления продуктов разрушения из забоя различают

периодическую (с помощью желонок, различных буров и грунтоносов)

и непрерывную очистку, осуществляемую механически с помощью ви-

тых штанг и шнеков при вращательном бурении и циркулирующим

жидким, аэрированным (водовоздушная смесь) или газообразным аген-

том при шарошечном и ударном бурении.

По способу подачи промывочного агента к

забою возможна прямая

очистка, при которой агент движется внутри бурильных труб или штанг

и перфоратора, омывает забой и вместе с продуктами разрушения под-

нимается по затрубному пространству на поверхность, и обратная очи-

стка, когда промывочный агент подается по затрубному пространству,

поступает вместе с продуктами разрушения внутрь бурового става и

поднимается на

поверхность. Последний способ при бурении шпуров

широко применяется при отсосе шлама.

По виду используемой энергии различают ручное бурение, когда все

операции выполняются вручную, и машинное, когда все процессы бу-

рения выполняются различными механизмами.

Рис. 9. Классификация способов бурения шпуров и скважин

Шелушение от

термических

напряжений

Механическое разрушение – отделение горных пород от массива

или их дробление (измельчение) путем воздействия на породу породо-

разрушающего инструмента – резца, фрезы, шарошки, ударника, алмаз-

ных и абразивных кругов и коронок, скалывателей и др. В результате

действия того или иного механического фактора протекают физические

процессы чисто механического разрушения породы: сжатие, раздавли-

вание,

дробление, скалывание, резание и др.

Гидравлическое разрушение осуществляется воздействием на гор-

ную породу струй воды под высоким давлением.

Термическое разрушение пород происходит под действием физиче-

ских полей, создаваемых без использования специальных породоразру-

шающих инструментов за счет физико-химических процессов, проте-

кающих под действием высокой температуры. Термическому разруше-

нию способствует низкая

теплопроводность породы, ее анизотропия,

высокий коэффициент теплового расширения и т. д.

Взрывоударное разрушение – разрушение и перемещение горных

пород под действием энергии взрывчатых веществ, размещенных в мас-

сиве (в скважинах, шпурах, камерах и пр.).

Электрические способы ослабления и разрушения основаны на воз-

действии на горную породу электрической энергии в виде

электромаг-

нитного поля, электрического разряда, электрического тока и др.

При проведении горно-разведочных выработок в основном имеет

место взрывоударное разрушение горных пород и применение связан-

ных с ним механических способов, необходимых для создания в масси-

ве пород полостей с целью заложения заряда ВВ.

При вращательном способе порода разрушается при

вращении по-

родоразрушающего инструмента с наложением постоянно действующе-

го (статического) осевого усилия. Этот способ в основном применяется

при бурении шпуров в мягких и средней крепости породах (f ≤ 10).

При ударном способе разрушение породы происходит путем нане-

сения ударов породоразрушающим инструментом с определенной си-

лой и скоростью.

Выделяются следующие комбинации ударного

и вращательного

способов бурения:

• ударно-поворотное бурение обычными и погружными бурильными

молотками (перфораторами), при котором инструмент в промежут-

ках между ударами поворачивается на определенный угол (к удар-

но-поворотному относится и ударно-канатное бурение скважин);

• ударно-вращательное бурение погружными пневмо- или гидро-

ударниками и перфораторами с независимым

вращением, при кото-

ром удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту.