2.3.2. Бурение шпуров
В горном деле заряды размещаются в специальных горных выработках, чаще всего в специальных скважинах. При диаметре скважин до 75 мм и глубине до 5 м их называют
шпурами, при более значительных размерах — взрывными скважинами; относительно редко ВВ размещают непосредственно в специальных горных выработках, называемых минными
22
Рис. 7. График цикличной организации работ
Определенное количество ВВ, подготовленное к взрыву, называют зарядом. В за- висимости от типа пространства различают следующие их типы
1) в шпурах (шпуровые заряды);
2) во взрывных скважинах (скважинные заряды);
3) в минных выработках (камерные заряды).
При проведении геологоразведочных выработок взрывная отбойка горных пород почти во всех случаях осуществляется с использованием шпуровых зарядов.
При горно-разведочных работах производству взрывной отбойки предшествует в основном бурение шпуров. По мере увеличения крепости пород процесс БВР усложняет- ся — возрастают энергоемкость и время, затрачиваемое на бурение, увеличивается объем буровых работ вследствие того, что появляется необходимость размещения в зарядных камерах все большего количества ВВ. Естественно, что в этих условиях растет и стои- мость производства буровзрывных работ. Время бурения шпуров составляет от 40 до 60% общего времени проходческого цикла. Поэтому выбор бурового оборудования суще- ственно влияет на скорость проведения горных выработок.
Процесс бурения, осуществляемый различными способами, включает две, как пра- вило, совмещаемые во времени операции: отделение от забоя, сопровождаемое разруше- нием породы, и удаление из шпура или скважины горной мелочи (буровой шлам). В усло- виях геологоразведочных работ породу при бурении разрушают с помощью передачи на забой шпура (скважины) через буровой инструмент механических нагрузок. Этот вид бу- рения называют механическим. При механических способах бурения на забой передаются сжимающие нагрузки, вызывающие в породе напряжения сжатия, которые трансформи-
23 руются в напряжения сдвига, среза, растяжения. Когда величина этих напряжений превы- шает предел прочности, порода на забое разрушается.
Вторая операция — удаление шлама из шпура (скважины) — осуществляется во- дой, воздушной струей или механически.
На горноразведочных работах применяют механические способы бурения шпу- ров и скважин. При механических способах бурения порода разрушается твердым поро- доразрушающим инструментом. Механические способы
бурения подразделяют на удар- но-поворотный, ударно-вращательный, вращательно-ударный и вращательный.
Ударно-вращательный с п о с о б бурения характеризуется тем, что удары наносят по непрерывно вращающемуся буровому инструменту, разрушающему забой шпура. Данный способ может применяться при крепости пород
f = 6-20.
Вращательно-ударный с п о с о б бурения сочетает вращательный и удар- ный способы. Коронке, находящейся под давлением, придается независимое вращение и одновременно по ней наносятся удары. Разрушение породы происходит за счет ее скалывания при вращении коронки. Этот способ бурения целесообразно использовать в породах крепостью
f = 4-14.
При в р а щ а т е л ь н о м бурении разрушение забоя шпура производится за счет сжатия, раздавливания и скалывания лезвиями инструмента (резца), вращающегося при одновременном действии осевого давления. Вращательное бурение может приме- няться в породах крепостью
f
12 в зависимости от типа бурильной машины вращатель- ного действия.
Ударно-поворотный с п о с о б бурения характеризуется тем, что порода разрушается в результате последовательных ударов по забою шпура бурового инстру- мента (штанги и буровой коронки), совершающего возвратно-поступательные движе- ния. Перед каждым следующим ударом инструмент поворачивается на некоторый угол, чем обеспечивается разрушение породы по всей площади шпура. Этот способ бурения может использоваться для пород крепостью f=420.
В некоторых случаях в труднодоступных районах, куда трудно доставить технику и при малом объеме работ в породах V - XIII категорий применяется ручное бурение шпу- ров. Ручное бурение бывает только ударно-поворотным.
2.3.3. Машины для бурения шпуров Шпуры бурят с использованием компактных, транспортабельных бурильных ма- шин относительно небольшой мощности. Эти особенности бурильных машин обеспечи- вают удобство их эксплуатации в горных выработках; в условиях разведки месторожде-
24 ний они облегчают перевозку оборудования к месту производства работ и позволяют бу- рить шпуры при небольшой энерговооруженности.
Бурильные машины оборудуют индивидуальными силовыми приводами — пнев- матическими, электрическими или встроенными в корпус двигателями внутреннего сго- рания.
При значительных объемах бурения шпуров в определенных горно-геологических условиях становится целесообразным использование более мощного и производительного оборудования —
бурильных установок, имеющих пневматические или электрические си- ловые приводы.
Исходя из рассмотренных выше способов бурения шпуров бурильные машины раз- деляют на следующие классы:
1) ударно-поворотного действия — перфораторы;
2) вращательного действия — сверла;
3) вращательно-ударного действия — колонковые перфораторы и бурильные го- ловки, монтируемые преимущественно на специальных бурильных установках.
При разведке месторождений полезных ископаемых шпуры в подавляющем боль- шинстве случаев бурят перфораторами и сверлами. В геологоразведочных партиях наибо- лее распространены
пневматические перфораторы. В особых условиях проведения гор- ных выработок при отсутствии достаточно мощных энергетических источников применя- ют перфораторы с двигателями внутреннего сгорания, называемые мотоперфораторами
(бензоперфораторы).
Пневматический перфоратор представляет собой поршневую машину ударно- поворотного действия. По конструктивным особенностям механизма поворота различа- ют перфораторы с зависимым и независимым приводами; по способу применения — пе- реносные, телескопные и колонковые; по массе — легкие (до 18 кг); средние— (20—25 кг) и тяжелые (>30 кг).
Пневматические перфораторы массой до 33 кг называют переносными. Пневмати- ческие
переносные перфораторы — ПП предназначены для бурения шпуров диаметром
30—50 мм в забоях горизонтальных и наклонных (нисходящих) выработок (табл. ). Буре- ние шпуров переносными перфораторами осуществляется с использованием простейших поддерживающих устройств (пневмоподдержек) или ручной подачей (поэтому пере- носные перфораторы ранее назывались ручными). Переносные перфораторы применяют в подземных и открытых горных выработках для бурения горизонтальных, наклонных и направленных вниз шпуров.
В подземных выработках для бурения направленных вверх шпуров применяют
те-лескопные перфораторы (ПТ). Масса телескопных перфораторов, используемых в геоло-
25 горазведочных выработках, достигает 50 кг.
Телескопные перфораторы представляют собой конструктивно единое целое перфоратора и пневмоподдержки, соединенных меж- ду собой стяжными болтами. Перфораторы этого типа предназначены для бурения вос- стающих шпуров и скважин, диаметром до 85 мм.
Колонковые перфораторы, имеюще значительную мощность и массу 100 кг и бо- лее, используют для бурения шпуров и скважин в крепких породах диаметром до 40—
85 мм в горизонтальных выработках. Их
устанавливают на специальных распорных колонках, манипуляторах или буровых каретках. Подача колонковых перфораторов на забой производится автоматическими винтовыми или цепными податчиками.
Мотоперфораторы используют для бурения нисходящих или наклонных шпуров преимущественно в процессе проходки открытых горных выработок. Масса мотоперфора- торов составляет 30 кг.
Менее распространены при проведении разведочных выработок сверла, основная причина этого — затрудненность или невозможность бурения шпуров в крепких породах.
Электрические сверла разделяют на ручные (масса до 24 кг) и колонковые, монтируемые на распорных колонках, манипуляторах или буровых каретках (масса колонковых элек- трических сверл достигает 130 кг).
Пневматические сверла практически не применяют при проведении горных выра- боток в процессе геологоразведочных работ, они используются в основном на угольных шахтах, в выработки которых выделяются горючие газы и пыль, образующие с воздухом взрывоопасные смеси,
Сверла с двигателями внутреннего сгорания (мотобуры) применяют при проведе- нии открытых горных выработок в мягких некрепких породах; эти ручные бурильные ма- шины имеют массу до 15 кг.
При больших объемах проходческих работ, осуществляемых в крепких породах, в процессе проведения подземных горизонтальных выработок применяют мощные пневма- тические машины вращательно-ударного действия, монтируемые на бурильных уста- новках.
Общий вид переносного перфоратора представлен на рис.8. В табл. 4 приведены характеристики переносных перфораторов.
26
Рис. 8. Типы пневматических перфораторов: а – переносной на пневмоподдержке; б
– колонковый; в – телескопный: 1 – перфоратор; 2 – пневмоподдержка; 3 – масленка; 4 – буровая штанга; 5 – автоподатчик; 6 - пневмоподатчик
Буровой инструмент для ударно-поворотного бурения шпуров состоит из штанги и съемной буровой коронки (рис 9, 10). Штанги буров изготовляют из пустотелых стальных стержней шестигранного или круглого профиля длиной от 400 до 3000 мм, диаметром 32-
46 мм.
27
Таблица 4
Технические характеристики пневматических перфораторов
Марка пер- форатора
Масса, кг
Энергия удара, Дж
Частота ударов, мин
-1
Расход воздуха, м
3
/мин
Глубина бурения, м
Усилие подачи, Н
Переносные
ПП36В
29,4 36 2300 2,8 2-4 0-1200
ПП54В
30,5 54 2300 3,5 2-4 0-1200
ПП63В
33,0 63 1800 3,5 2-4 0-1200
Телескопные
ПТ-29М
38 50 2400 3,3
До 8 1000-2000
ПТ-36М
47 90 2600 4,5
До 15 1000-2000
Колонковые
ПК-60 60 90 2500 9,0
До 25
До 7000
ПК-75 75 150 2600 13,0
До 50
До 10 000
Рис.9. Бур для перфоратора
Рис. 10. Типы буровых коронок для перфоратора: а – долотчатая; б – крестовая; в - трехлопастная
2.3.4. Типы шпуров, расчет количества шпуров, размещение шпуров на забое При проведении горных выработок шпуровым методом выделяют следующие ос- новные параметры взрывной отбойки: число шпуров, их глубину и диаметр, коэффициент использования шпура и удельные расходы ВВ.
Типы шпуров по назначению
28
При проходке горных выработок в твердых породах важно правильно определить количество шпуров, расположить их на забое и соблюдать определенную последователь- ность при их взрывании.
Действие ВВ на горную породу в значительной степени отличается при условие одной или нескольких обнаженных поверхностей на забое (рис. 11).
Рис. 11. Действие шпурового заряда ВВ при одной (А) и двух (Б) обнаженных по- верхностях.
Наличие дополнительной обнаженной поверхности способствует большему эффек- ту взрыва по сравнению с первым случаем. Поэтому при проходке многих горных выра- боток на забое создается вруб – первичное углубление, которое дает дополнительное об- нажение поверхности и ослабляет породу.
Различают врубовые, отбойные и оконтуривающие шпуры.
Врубовые шпуры предназначены для создания дополнительной обнаженной по- верхности, облегчающей полезную работу другим – отбойным шпурам. Они всегда взры- ваются первыми. Количество врубовых шпуров обычно 3-6 штук в зависимости от крепо- сти пород. В некоторых случаях в очень крепких породах в центре забоя бурятся 1-2 холо- стых шпура, которые не имеют заряда и играют роль дополнительной обнаженной по- верхности.
Схема размещения и ориентировка врубовых шпуров на забое называется типом
вруба.
По принципу действия врубы разделяются на отрывающие (клиновые, пирами- дальные), в которых шпуры наклонены к оси выработки и разрушающие (прямые, приз- матические, щелевые) с ориентировкой шпуров параллельно оси выработки (рис. 12).
Врубы первой группы боле распространенные, но их глубина лимитируется шири- ной выработки (В).
l
шп
= (0,7-0,9)В
Углы наклона зависят от крепости пород. Породы с коэффициентом крепости по
Протодьяконову 15-20 бурятся с максимальным наклоном – 60 0
, менее крепкие (15-5) –
65 0
град и от 1до 5 с углом не более 70 0
Шпуры второй группы позволяют осуществлять заходки большей величины.
29
l шп = (1,1-1,3)В
Расстояние между отбойными несколько больше, чем между врубовыми, так как последние работают в более трудных условиях (монолитный массив пород). Отбойные шпуры в свою очередь, хотя и могут взрываться одновременно, по своему расположению делятся на вспомогательные и оконтуривающие. Первые расположены ближе к врубовым и расширяют вруб, а задача оконтуривающих шпуров - обеспечить сохранение заданных параметров сечения горной выработки. Для этого в крепких породах они бурятся с наклоном с выходом
нижней части за пределы контура выработки, в средних же по кре- пости породах они могут буриться вертикальными или наклонными, но при этом остаются в контуре выработки.
30
Рис. 12. Примеры типов врубов:А – пирамидальный; Б – Пирамидальный с цен- тральным холостым; В – клиновый вертикальный; Г – клиновый горизонтальный; Д - ще- левой; Е – призматический. 1 – заряженный шпур; 2 – холостой шпур
На основе практических данных установлена область применения различных вру- бов. В массивных породах наиболее эффективным является пирамидальный вруб в цен- тральной части забоя. Клиновый вруб применяют в слоистых породах. Прямые врубы
(щелевой и призматический) могут применяться в выработках малых сечений.
Вспомогательные шпуры производят отбойку породы в сторону боковой обна- женной поверхности (вруба). Они взрываются вслед за взрывом врубовых шпуров и спо- собствуют расширению врубовой полости.
Оконтуривающие шпуры, взрываемые последними, предназначены для придания выработке запроектированной формы и размеров поперечного сечения.
В забоях выработок небольшого сечения вспомогательные шпуры иногда не бурят, а их функции выполняют оконтуривающие шпуры.
Расчет количества шпуров Существуют несколько способов расчета, все эмпирические. Наиболее часто расчет ведется на основе формулы проф. М.М. Протодьяконова, связывающей коэффициент кре- пости пород и площадь забоя:
SfN*
7 2
, где f – коэффициент крепости
S –площадь забоя
Данная формула хороша для расчета количества шпуров в средних по крепости по- родах, при расчете количества шпуров в мягких и очень крепких породах результат расче- та необходимо проверить на выполнение неравенства:
2 2
14
,
0 70
,
0
мNSм
Указанное неравенство может служить для проверки результата расчета по выше- приведенной формуле М.М.Протодьяконова. Если неравенство не выполняется, то коли- чество шпуров изменяется таким образом, чтобы площадь забоя, приходящаяся на один шпур соответствовала указанным значениям.
Размещение шпуров на забое горной выработки После определения количества шпуров на забое выработки необходимо составить схему размещения шпуров на забое горной выработки. При размещении шпуров следует учитывать следующие правила: 1 - шпуры размещаются по площади забоя относительно равномерно, чтобы была
обеспечена равномерная работа каждого шпура; 2 – минимальное расстояние между зарядами должны быть таким, чтобы исключалась возможность дето-
31 нации; 3 – размещение шпуров должно обеспечивать отбойку породы в контурах выра- ботки согласно проекта с наибольшим КИШ; 4 – необходимо обеспечить равномерное дробление породы до необходимой крупности кусков.
Схема расположения шпуров представляет изображение их пространственного по- ложения на трех взаимно перпендикулярных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью забоя.
Порядок составления схемы следующий.
Вначале, исходя из особенностей горных пород, определяется тип вруба, количе- ство врубовых шпуров и углы их наклона к плоскости забоя. Затем определяется количе- ство отбойных шпуров, необходимых для поддержания при проходке проектного сечения горной выработки и углы их наклона к плоскости забоя. Оставшееся количество шпуров считается вспомогательными. Пример схемы приведен на рисунке 13 .
Рис. 13. Схема расположения шпуров на забое штольни.
Размещение шпуров при проходке канав
Количество шпуров определяется по формуле Протодьяконова. Шпуры распола- гаются в один или два ряда параллельно оси канавы под углом 90 0
. В некоторых случаях
32 шпуры бурятся с наклоном к поверхности забоя в зависимости от условий залегания пла- стов горных пород. При двухрядовом размещении шпуры располагаются относительно друг друга в шахматном порядке (рис. 14).
Рис. 14. Схема размещения шпуров на забое канавы.
2.3.5. Расчет длины шпуров в подземных выработках
От длины шпуров будет зависеть скорость проходческих работ. Короткие шпуры снижают производительность работ, но их длина ограничена шириной выработки. Кроме того, она ограничена и длительностью рабочей смены. Чтобы обеспечить эффективность работ, необходимо учесть все выше обозначенные ограничения и условия. Существует много эмпирических способов расчета глубины шпуров. Нами будет рассмотрены только некоторые из них.
В общем случае глубина шпура, ориентированного перпендикулярно поверхности забоя, связана с длиной заходки следующей зависимостью (рис. 15):
l
зах
/ l
шп
= К.И.Ш.
Где l
зах
- длина заходки, l
шп
- глубина шпура, К.И.Ш. – коэффициент использо-
вания шпура, равный 0,7-0,95, равен отношению глубины получаемой при взрыве ворон- ки к глубине шпура.
33
Рис. 15. Соотношение длины заходки и глубины шпуров: а – общий вид заря- женного шпура; б – вид воронки взрыва.
Глубину шпуров определяют также по упрощенной формуле:
Скачать 2.2 Mb.