Горное дело. 2

ВВЕДЕНИЕ

     

    Горное дело относится к одному из основных видов человеческой деятельности, обеспечивающей существование и уровень развития цивилизации. Горное дело охватывает разведку месторождений полезных ископаемых, их разработку, первичную переработку добываемого сырья, строительство горных предприятий и подземных сооружений различного назначения./1/

    Горнодобывающая  промышленность - это составная часть  горного дела, цель которой состоит  в добыче и первичном обогащении  полезного ископаемого. Эта промышленность поставляет минеральное топливо (уголь, торф, горючие сланцы, нефть), руды (чёрных, цветных, редких и ценных металлов). Горнодобывающая промышленность имеет важную роль в экономике государства, определяет его самостоятельность.

    Проектирование, строительство новых и реконструкция существующих предприятий по добыче твердых полезных ископаемых требует знаний технологических процессов, понимания и учета горно-геологических условий, специфики ведения горных работ, требования техники безопасности и охраны труда.

Виды работ в горном деле:

    Буровзрывные  работы применяются в горном  деле в различных технологических  процессах подземной и открытой  добычи полезных ископаемых. Качество  буровзрывных работ определяется  равномерностью дробления скальных пород, хорошей проработкой контура отбиваемой от массива части горной массы, низким процентом выхода негабарита, шириной развала горной массы.

    При подземных  горных работах буровзрывные  работы применяются как при  проходке горных выработок, так  и при добыче полезных ископаемых.

    На открытых  горных работах работы ведутся  уступами. Поэтому буровзрывные  работы ведутся путём поэтапного  взрыва уступов карьера. На  подготавливаемом к взрыву части  уступа (блоке) вначале бурятся  скважины в соответствии с  паспортом ведения буровзрывных работ, затем заряжаются и готовятся к взрыву. На время взрыва все работы в карьере прекращаются. После массового взрыва производится погрузка отбитой горной массы в транспортные средства и затем вывозится либо на обогатительную фабрику (полезное ископаемое), либо в отвал (пустая порода).

    Горная выработка — искусственная полость, сделанная в недрах земли или на поверхности. В зависимости от назначения, различают горные выработки разведочные и эксплуатационные. Первые используют для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, вторые — для разработки месторождений, то есть для извлечения полезных ископаемых из недр.

Эксплуатационные выработки, в свою очередь, в зависимости  от назначения разделяются на вскрывающие, подготавливающие и очистные.

    Вскрывающие выработки служат для вскрытия шахтного поля.

    Подготовительные выработки сооружаются для подготовки шахтного поля к разработке.

    В очистных выработках непосредственно ведется добыча полезных ископаемых.

    При проведении капитальных и подготовительных горных выработок в процессе погрузки горной массы производится установка временной призабойной крепи, затем возводится постоянная крепь; в крепких породах сразу устанавливают постоянную крепь. Крепление очистных выработок производится одновременно с выемкой полезного ископаемого той же бригадой рабочих, которая добывает полезное ископаемое. Крепление горной выработки производится в соответствии с утвержденным паспортом крепления, который составляют для каждой горной выработки; в нём указывается тип крепи, необходимое количество крепёжных материалов, порядок производства работ и т. п.

    Основные операции крепления капитальных выработок (стволов шахт, околоствольных выработок и др.) монолитным бетоном и сборными железобетонными крепями в большинстве случаев выполняются с применением передвижной механизированной опалубки, бетоноукладчиков, бетононасосов, крепеукладчиков (для сборных крепей) и др. средств механизации. В очистных выработках механизация крепления осуществлена за счёт применения передвижных механизированных крепей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ВЫБОР ФОРМЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ  РАЗМЕРОВ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ  ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

 

    Выбор формы  и поперечных размеров горной  выработки зависит как от величины  горного давления, так и от срока службы горной выработки./2/

    Форма поперечного сечения  выработки определяется удобством  ее эксплуатации, условиями сохранения  длительной ее устойчивости, материалом  и конструкцией крепи и другими  факторами. 

    Наиболее устойчива круглая форма поперечного сечения выработок с гладким контуром, но проведение ее очень трудоемко. Поэтому круглыми делают, как правило, выработки длительного срока существования, в первую очередь, вертикальные стволы, а в слабых породах иногда и главные откаточные горизонтальные выработки.

    Горизонтальные и наклонные  выработки имеют, как правило,  в устойчивых породах сечения  прямоугольное или в виде свода,  в недостаточно устойчивых —  трапециевидное, так как для организации  перемещения людей и грузов  необходима плоская подошва выработок. 
    Размеры поперечного сечения выработок определяются в зависимости от типа и размера транспортных устройств, величинами зазоров между оборудованием и крепью или стенками выработки, а в ряде случаев - необходимым количеством воздуха, которое требуется подать по выработке.  
    Применяют следующие виды горных выработок:

1)круглая форма применяется  при большом всестороннем давлении  и большом сроке службы горной  выработки. Данная форма так  же применяется при проведении  вертикальных стволов и при проведении вертикальных выработок небольшого сечения методом бурения.

2)прямоугольная форма применяется  в выработках, имеющих небольшое  горное давление, а так же небольшое  сечение самой выработки; при  проведении вертикальных выработок  (восстающих и стволов).

    Размеры поперечного  сечения стволов обуславливаются  их назначением. В горнодобывающей  промышленности в основном применяют  стволы диаметрами от 5 до 8,5 м  в свету. Размеры площади поперечного  сечения ствола определяются  в зависимости от размеров принятых подъемных сосудов, их расположения в стволе с соблюдением необходимых зазоров./3/ 

    Для выбора поперечных  размеров горной выработки руководствуемся  габаритными размерами скипов 1720х1900 мм, а так же допустимыми зазорами  при применении данного оборудования.

    По графическому построению  получили диаметр скипового ствола  D=5,5 м

    Определяем площадь поперечного  сечения ствола

    Sсв=πR², м²                                                                                                         (1)

где R=2,75 м – радиус ствола

    Sсв=3,14·2,75²=23,75 м²

Площадь поперечного  сечения в свету составила 23,75 м²

 

 

2 РАСЧЕТ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ  СВОЙСТВ ПОРОД

 

    Состояние  окружающего породного массива  характеризуют определенными физико-механическими свойствами. Достоверные сведения о физико-механических свойствах горных пород позволяют заблаговременно составить представление о характере возможных деформаций и степени устойчивости обнажений массива, а также служат основанием для разработки и внедрения наиболее эффективных методов разрушения горных пород при ведении горных работ, креплении и поддержании горных выработок./4/

    Под механическими  свойствами горных пород понимают  характеристики, определяющие способность  пород противодействовать деформированию и разрушению в сочетании со способностью упруго или пластически деформироваться под действием внешних механических сил. Механические свойства пород можно подразделить на прочностные, упругие и др. Прочность характеризует сопротивляемость породы раздавливающим, разрывающим и скалывающим нагрузкам. Пределом прочности называют напряжение, при котором образец породы разрушается. Большинство горных пород имеет зернистую структуру (например, песчаники), причем межкристаллическое сцепление значительно меньше прочности самих зерен. Такие горные породы являются хрупкими и разрушаются без предварительной пластической деформации. Глины и некоторые виды известняков обладают пластическими свойствами. Горные породы обладают достаточно высокой прочностью только на сжатие, сопротивление же их растяжению, сдвигу и изгибу очень мало и составляет десятые и сотые доли сопротивления сжатию.  При сложных процессах механического разрушения горных пород (бурение шпуров, применение проходческих комбайнов и т.д.) чаще находит применение термин «крепость горной породы».

    Крепость —  величина, приближенно характеризующая  относительную сопротивляемость  породы разрушению при добыче. Данные о физико-механических  свойствах горных пород получают  путем испытания их образцов на сопротивление сжатию, разрыву, изгибу и сдвигу.

    Определяем  предел прочности образцов горных  пород на сжатие:

     σ_сж = 10⁷ f , МПа                                                                                               (2)  

где f – коэффициент крепости пород.                                                                  

    σ_сж =10 ·10, МПа = 100 МПа                                                                         

    Определяем предел прочности  образцов горных пород на растяжение:

    σ_р = 0,1 σ_сж, МПа                                                                                               (3)

    σ_р =0,1·100=10 МПа

    Для получения прочностных  характеристик массива горных  пород через прочность образцов определяем коэффициент структурного ослабления по интенсивности трещиноватости.

для вертикальных стволов: половина длины окружности  π r/в                     

где В – линейный размер рассматриваемой  области массива, м;

       в – средний  размер структурного блока (куска), м.

для В/в > 14  К_с = 0,2

    Принимаем коэффициент  длительности прочности пород:

при ƒ=10        ξ=0,65

    Рассчитываем предел  прочности массива на сжатие:

    R_сж = σ_сж ּ К_с ּ ξ , МПа.                                                                                     (4)

    R_сж =100·0,2·0,65=13, Мпа

    Определяем коэффициент  и угол внутреннего трения  пород:

    tg φ = (σ_сж – σ_р ) / (σ_сж + σ_р )                                                                              (5)

    tgφ=(100-10)/(100+10)=39˚16             

    φ = аrсtg (tg φ), ^о =39˚16

В результате физико-механических свойств угол внутреннего трения составил 39˚16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО  СОСТОЯНИЯ ПОРОД

 

    Способ оценки напряженного состояния горных пород, основанный на измерении параметров упругих импульсов акустической эмиссии при образовании трещин в породе, отличающийся тем, что в исследуемом интервале горной выработки, по крайней мере, в двух точках, отстоящих одна от другой на расстоянии, сопоставимое с задаваемой глубинностью изучения массива вокруг выработки, синхронно измеряют разности времен или фаз между импульсами продольных и поперечных колебаний в каждой точке и между соответствующими импульсами по совокупности полученных данных определяют скорости распространения импульсов указанных типов колебаний, положение и величину сейсмического момента, линейные размеры трещин или угловые частоты спектра, по соотношению которых оценивают напряженное состояние горных пород./5/

   Оцениваем величину максимальных сжимающих (для боков) и минимальных растягивающих напряжений в кровле:

    σ_max = К₃γН, Па                                                                                                  (6)

где К₃ = 3 - коэффициент концентрации сжимающих напряжений на 

       протяженных участках  выработки 

    σ_max =3·2200·560=36,96·10 =36,96·10 Па

    Минимальные растягивающие  напряжения в вертикальных выработках  прямоугольной формы поперечного сечения:

     σ_min = К₅λ₁γН, Па                                                                                               (7)

где К₅ = 1 -  коэффициент концентрации растягивающих напряжений.

    σ_min =2·0,4·2200·560=9,856·10 =9,856·10 Па

    Определяем коэффициент бокового распора:

     λ₁=0,28/(1-0,28)=0,4

    Для выбора типа крепи в вертикальных горных выработках  определяется критерий устойчивости пород: 

    С = ,                                                                (8)

где k_сб=1 - коэффициент воздействия на ствол других выработок для

             протяженных участков

      Н_р=560 м - расчетная глубина рассматриваемого участка от поверхности.

     (Н_р = Нk, здесь k = 1,5 для районов, подверженных движениям

      земной коры и в зонах тектонических нарушений; в других 

      случаях k = 1);

      k_α=1 - коэффициент влияния угла залегания пород:

      k_α =1,5                                                                                                               (9)

 

    С= = 5,86 > 3

    Породы относятся  к II категории устойчивости, горное давление и крепь рассчитываем.

4 РАСЧЕТ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

 

    Горное давление — напряжения, возникающие в массиве горных пород, вблизи стенок выработок, скважин, в целиках, на поверхностях контакта порода — крепь в результате действия главным образом гравитационных сил, а также тектонических сил и изменения температуры верхних слоев земной коры.

    Наиболее общей формой проявления горного давления является деформирование горных пород, которое приводит к потере ими устойчивости, формированию нагрузки на крепь, динамическим явлениям (горным ударам, внезапным выбросам). Поэтому при проведении горных выработок предварительно рассчитывают горное давление для определения прочности несущих элементов подземных сооружений (стенок выработок, целиков и крепей) и выбора способов управления горным давлением.

    Определяем нормативное  горизонтальное давление пород  на крепь:

при С ≤ 6             Р_н = 10 [(2С – 1) + Δ], кПа                                                     (10)

при 10 ≥ С > 6     Р_н = 10 [(3С – 7) + Δ], кПа                                                     (11)

где Δ – параметр,  учитывающий  технологию   проходческих   работ, 

      принимаемый равным: при последовательной и параллельной 

      технологических  схемах проходки – нулю; при  совмещенной 

      схеме с неподвижной опалубкой при С≤ 6 Δ = 2 и при 10 ≥С> 6 

      Δ = 3.

    Расчетное (радиальное) давление пород на крепь:

    Рп = n ּ m_у ּ n_н ּ P_н[1+0,1(r₀ – 3)], кПа                                                            (12)

    Рп = 1,3 ּ0,8 ּ2,00 ּ127[1+0,1(2,75 – 3)]=257 кПа                                                          

где  n = 1,3 - коэффициент  перегрузки;

       m_у = 0,8 - коэффициент условий работы крепи. Для монолитной 

       бетонной крепи m_у = 0,8; для набрызг-бетонной m_у = 0,5; для

       сборной крепи m_у = 0,75

       n_н - коэффициент приведения к расчётному (максимальному) 

       давлению при неравномерной эпюре нагрузок, принимается  

        по табл.1;

        r₀ - радиус выработки в свету, м.

Таблица 1

Значения коэффициента приведения к расчетному (максимальному)

давлению при неравномерной  эпюре нагрузок

 

Угол залегания пород  α, градус	Коэффициент nн
	при последовательной и  параллельной схемах проходки	при совмещенной схеме  проходки
Не более 10 10 - 35 Более 35	2,00 2,50 2,75	1,75 2,00 2,25

5 РАСЧЕТ МОНОЛИТНО-БЕТОННОЙ  КРЕПИ

 

    Возведение монолитной бетонной крепи при совмещенной схеме проходки осуществляется с применением передвижной призабойной опалубки. При параллельной схеме возведение монолитной бетонной крепи выполняется с отставанием от забоя на 20 -30 метров при помощи сборно-разборной инвентарной опалубки.   

    Подача бетона за опалубку осуществляется как по трубам, проложенным по стволу, так и в контейнерах.

    Для повышения грузонесущей способности монолитной бетонной крепи добавляется металлическая фибра.

    Толщина монолитной бетонной крепи:

    d = m_уr₀                                                     (13)

где r₀ - радиус ствола в свету, мм;

      m_у = 1,25 - коэффициент условий работы крепи;

      m₁- коэффициент условий работы бетона, определяющий 

      длительное воздействие нагрузки. Для монолитного бетона 

      m₁=1;

     m₃ = 0,7-0,95 - коэффициент, определяющий температурные

      колебания (попеременное оттаивание и замораживание);

      m₇ - коэффициент, учитывающий условия бетонирования. Для

      слоя бетонирования более 1,5 м  m₇ = 0,85;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 ВЫБОР СПОСОБА ПРОХОДКИ  И КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ РАБОТ

 

    Проведением  горной выработки называют комплекс  работ по выемке, погрузке и транспортированию горной массы, возведению крепи, наращиванию транспортных устройств и коммуникаций, обеспечивающих определенную скорость подвигания забоя./8/

    Под способом  проведения выработок понимают  совокупность производственных  процессов, выполняемых в определенной последовательности для образования горных выработок определенного сечения и протяженности.

    В зависимости  от устойчивости горных пород  и их обводненности различают  обычные и специальные способы  проведения горных выработок.

    Обычные способы  применяют в относительно устойчивых  породах, допускающих обнажение  забоя и боков выработки, а  также при небольших притоках  воды.

    Специальные  способы применяют в неустойчивых  породах, не допускающих обнажение  (сыпучие, плывуны) или в устойчивых породах с повышенными притоками воды или газа.

    К специальным  способам относятся: использование  забивной крепи, проходка с  замораживанием, применение полимерных  материалов для упрочнения и  гидроизоляции массива.

    К обычным  способам относят буровзрывной и комбайновый способы.

Если коэффициент крепости пород ƒ≤6, то можно применять  комбайновый способ, если  ƒ>6, то буровзрывной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ  ВЫРАБОТКИ

 

    Проходка горных выработок, искусственное образование в земной коре полостей путём выемки горных пород для вскрытия месторождения полезного ископаемого, транспортировки, вентиляции и т.д. Этим целям служат шахтные стволы, штольни, квершлаги, горизонтальные и наклонные выработки (штреки, бремсберги, уклоны) и др./9/

    Для проведения  горных выработок в зависимости  от их назначения, горно-геологических  и гидрологических условий существует  несколько способов. Способы проведения  горных выработок зависят также  от уровня и степени механизации  горнопроходческих работ.

    Вертикальные  горные выработки (шахтные стволы) сооружаются, как правило, с  присутствием людей в забое;  в промышленных масштабах ведутся  экспериментальные работы по  бурению шахтных стволов. При  сооружении шахтных стволов применяют полок проходческий, расположенный в 10—20 м от забоя, и временный подъём с сосудами в виде саморазгружающихся на поверхности бадей, который обеспечивает транспортную связь забоя с поверхностью. Крепкие и средней крепости горные породы разрушают буровзрывным способом, породы мягкие — механическим (с помощью отбойных молотков и пневмолопат).

    Шпуры глубиной  до 5 м бурят с помощью дистанционно управляемых многошпиндельных бурильных установок, которые перемещаются по забою тельфером погрузочной машины. Для погрузки породы применяют погрузочные машины с механизированным вождением грейфера. Постоянная крепь большинства стволов — монолитный бетон, который подают с поверхности по трубам за передвигающуюся вслед за забоем металлическую опалубку. На базе породопогрузочных машин создано несколько типов проходческих комплексов, которые позволили максимально совместить основные процессы проходческого цикла и достичь рекордных показателей по скорости проходки и производительности труда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.1 СОСТАВЛЕНИЕ ПАСПОРТА  БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ

   

    В горной промышленности взрывные работы широко распространены при строительстве шахт и рудников, проведении горных выработок, добыче полезных ископаемых и при выполнении многих сложных, трудоемких и энергоемких работ. Эффективность и безопасность взрывных работ в угольных шахтах зависит от многих факторов и прежде всего от квалификации взрывников и мастеров-взрывников, непосредственно выполняющих эти работы./10/

    Сменную эксплуатационную производительность бурильной установки в шпурометрах с учетом времени на подготовительно-заключительные операции и регламентированные простои по организационным и техническим причинам можно определить по формуле:

    Qэ = , м/см                                                                 (14)                                                                       

   Qэ = , м/см                                                                     

где Т -  продолжительность  смены, мин;

  t_пз-время общих подготовительно-заключительных операций, 

  принимается равным 2,5% от продолжительности смены, мин;

  t_п -время подготовительно-заключительных операций при

  бурении шпуров (9,5 % от продолжительности смены), мин;

  t_от-время на отдых проходчиков (10% от продолжительности

  смены), мин;

        t_вз–время на технологический перерыв на взрывные работы равно 

        нулю, так как взрывные работы проводятся в конце смены;

        n  - число бурильных машин на установке;

        k_o - коэффициент одновременности работы бурильных машин;

        t_ман -время, затрачиваемое на манипулирование по установке и

        перестановке бурильных машин, равно 0,3 мин на 1 м шпура;

        t_ох - время обратного хода бурильной головки на 1 м шпура, 0,05 

        мин/м;

        t_к  - время на замену коронок, равное 0,1 мин на 1 м шпура;

        υ - чистая скорость бурения (м/мин), принимается согласно 

        технической характеристике бурильных машин.

    Для бурильных машин вращательно-ударного действия чистую скорость бурения можно определить по формуле:

     υ= мм/мин                                                                                (15)

     υ= мм/мин                                                            

где  А - энергия удара поршня, Дж;

  n  - число ударов поршня, Гц;

  d - диаметр шпура, мм;

  s_сж - предел прочности пород на сжатие, МПа.

    Определяем норму выработки на бурение шпуров:

   Н_в= м/см                                                                     (16)

   Н_в= м/см       

где t_пз - общее время на подготовительно-заключительные операции, 

      мин;

      t_об – время на обслуживание установки, зависящее от ее 

      конструкции и равное 60 мин для машин с дизельным 

      приводом (включая время на заправку горюче - смазочными

      материалами и др.);

      t_о = 1/ υ – основное время на бурение 1 м шпура, мин/м (υ – чистая

      скорость бурения);

      t_в = 0,5 – 0,8 мин/м – вспомогательное время при бурении;

      t_лв = 10 мин – личное время рабочего;

      1,07 –  коэффициент отдыха.

    Выбор взрывчатых веществ. В качестве взрывчатого вещества принимаем гранулит АС-4, для патронов-боевиков – детонит М.

    Определяем удельный расход взрывчатых веществ:

    q = qэ ּ e ּ k, кг/м³                                                                                          (17)

    q = 2,4 ּ 1 ּ 0,8=1,92 кг/м³

где k - поправочный коэффициент  на площадь сечения выработки;

 e - относительный коэффициент работоспособности ВВ. 

    Определяем число шпуров в забое:

   N_ш = шпуров                                                                                 (18)

   N_ш = шпура

где S_ч – площадь поперечного сечения выработки в чернее м²;

      Δ – плотность ВВ в шпуре, кг/м³;

      d  - диаметр шпура,м;

      k_з- коэффициент заполнения шпуров.

    Окончательное число шпуров принимаем по расположению их в забое.

    Шпуры располагаем  по концентрическим окружностям.  Число шпуров, располагаемых на каждой из этих окружностей, принимаем из соотношения 1:2:3:4 или  1:2:3:4:5.

    Определяем число шпуров на каждой из окружностей:

    ni₁ = , шпуров;                                                                                           (19)