Основы Горного Производства. Калиниченко О. И., Зыбинский П. В., Хохуля А. В. Основы горного производства
 Скачать 18.24 Mb.
|
|
1.2. Классификации горных пород При проектировании, нормировании и производстве горных работ пользуются различными классификациями пород, в которых последние раз- делены на классы по тем или иным их свойствам, определяющим способ или эффективность выполнения производственных процессов. Изучая вопросы добываемости горных пород, крупнейший русский ученый М.М. Протодьяконов выявил зависимость между их прочностными свойствами и сопротивляемостью при различных процессах горных работ. В 1926 г. им была предложена классификация горных пород по коэффици- енту крепости, пользующаяся до настоящего времени наибольшим распро- странением (табл. 1.7). Таблица 1.7. Классификация горных пород по крепости Кате- гория Степень крепости Породы f I Весьма крепкие Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты, базальты и др. породы 20 II Очень крепкие Очень крепкие гранитовые породы. Кварцевый порфир, гранит, кремнистый сланец, песчаник, известняк. 15 III Крепкие Гранит (плотный) и гранитовые породы; очень крепкие: песчаник, известняк. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат. Очень крепкие – железные руды. 10 III То же Известняки крепкие. Некрепкий гранит. Крепкие: песча- ник, мрамор, доломит. Колчеданы. 8 IV Довольно крепкие Обыкновенный песчаник. Железные руды. 6 IV То же Песчанистые сланцы. Сланцевые песчаники. 5 V Средние Крепкий глинистый сланец. Некрепкие: песчаник и извест- няк. Мягкий конгломерат. 4 V То же Некрепкие сланцы. Плотный мергель. 3 VI Довольно мягкие Мягкий сланец. Очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс. Мерзлый грунт. Антрацит. Обыкновенный мер- гель. Разрушенный песчаник, сцементированная галька, каменистый грунт. 2 VI То же Щебенистый грунт. Разрушенный сланец, слежавшаяся галька и щебень, крепкий каменный уголь, отвердевшая глина 1,5 VII Мягкие Глина (плотная). Мягкий каменный уголь, крепкий нанос, глинистый грунт 1 VII То же Мягкая песчанистая глина, лёсс, гравий 0,8 VIII Землистые Растительная земля, торф, мягкий суглинок, сырой песок 0,6 IX Сыпучие Песок, осыпи, мягкий гравий, насыпная земля, добытый уголь 0,5 X Плывучие Плывуны, болотистый грунт, разжижённый лёсс и др. разжиженные грунты 0,3 33 Для расчета норм выработки на бурение шпуров в геологоразведоч- ных организациях и на горных предприятиях пользуются единой классифи- кацией пород по буримости, разделенных на 20 категорий (I -XX). Основным критерием для отнесения пород в ту или иную категорию по буримости ( б К ) служит машинное время бурения 1 м шпура в стандарт- ных технических условиях. Сопоставление категорий пород по классификации М. Протодьяконо- ва ( f ) и показателей по буримости ( б К ) представлены в табл. 1.8. Таблица 1.8. Сопоставление показателей пород по буримости и крепости б К I-III IV V VI-X XI- XII XIII- XIV XV XVI- XVII XVIII XIX -XX f 0,3-0,1 1-2 4 4-5 6-8 8-10 11-15 16-17 18 19- 20 С учетом того, что в сыпучих, малосвязных и мягких породах геоло- горазведочные выработки во многих случаях проходят с ручной выемкой, в действующих единых нормах времени (ЕНВ) выделена классификация гор- ных пород по способам ручной выемки (табл. 1.9). Таблица 1.9. Классификация горных пород по способам ручной выемки Категория Способ выемки I Подборочными и штыковыми лопатами II Штыковыми лопатами с частичным предварительным рыхлени- ем III Штыковыми лопатами со сплошным рыхлением кирками и час- тично ломами IV Штыковыми лопатами со сплошным рыхлением кирками, ломами и частично клиньями и молотками V Штыковыми лопатами со сплошным рыхлением кирками, ломами и частично клиньями, отбойными молотками, или буровзрывная отбойка В различных ведомствах для нормирования горных и геологоразве- дочных работ пользуются целым рядом других классификаций, составлен- ных применительно к тем или иным производственным условиям или опе- рациям рабочих процессов. Для проектирования и нормирования вращательного механического бу- рения в настоящее время используется классификация, включающая 12 ка- тегорий пород по буримости (табл.1.10). В основу классификации положена фактическая механическая скорость бурения ( мех V ) для пород с различными петрографическими характеристи- ками, установленная по хронометражным данным. 34 Вместе с тем, такая классификация, скорее всего, может иметь времен- ный и местный характер, так как значение истинной буримости пород не может быть вне зависимости от геологической специфики района работ и уровня развития технологии и техники бурения в данный период. Таблица 1.10. Классификация горных пород по буримости для враща- тельного механического бурения при твердости породы ш Р Кате гория Типичные примеры горных пород мех V , м/ч ш Р , МПа I Торф, лесс, слабый мел, пески и супеси без гальки и щебня. 25…30 <100 II Торф, супеси и суглинки с примесью до 20% гальки и щебня. Песок плотный, мергель, мел, каменная соль, плывун безнапорный. 11…15 100… 250 III Слабосцементированные песчаники. Суглинки, и супеси с примесью гальки и щебня (> 20%). Плы- вун напорный. Известняк детритовый. Бурый и слабый каменный уголь. Глина. 5,7…10 250… 500 IV Сланцы глинистые, песчано-глинистые, углистые, алевролитовые. Плотный мергель. Неплотные из- вестняки и доломиты. Гипс, ангидрит, калийная соль, каменный уголь. 4,5…5,0 500… 1000 V Галечно-щебенистые грунты. Сланцы (хлорито- вые, серицитовые, слюдяные). Аргиллиты, песча- ники, мрамор, антрацит, мергелистые доломиты, дуниты, затронутые выветриванием. 2,5…3,5 1000… 1500 VI Сланцы глинистые. Полевошпатовые песчаники. Конгломераты осадочных пород на известковом цементе. Апатиты. Сидериты. 1,5…2,5 1500… 2000 VII Сланцы роговообманковые. Окварцованные из- вестняки и песчаники. Крупнозернистые диориты и габбро. Бурые железняки. Гематитовые руды. 1,9…2,0 2000… 3000 VIII Песчаник кварцевый. Окремненные сланцы, из- вестняки, доломиты. Гнейсы. Диабазы. Плотный колчедан. Гранатовые скарны. 1,3…1,9 3000… 4000 IX Сиениты. Крупнозернистые гранаты. Конгломе- раты изверженных пород. Базальты. 0,8…1,2 4000… 5000 X Мелкозернистые граниты. Гранодиориты. Жиль- ный кварц. Кварцевые сливные песчаники. Валун- но-галечные изверженные породы. 0,5…0,8 5000… 6000 XI Кварциты. Железистые роговики, Джеспилиты. 0,3…0,5 6000… 7000 XII Монолитносливные кварциты. Роговики. Кремень. Корундовые породы. 0,1…0,3 >7000 35 1.3. Виды разрушения горных пород Разрушение горных пород происходит в результате отрыва (при пре- вышении нормальных растягивающих напряжений) или скалывания, сдвига, среза (при превышении касательных напряжений). При растяжении порода разрушается преимущественно на отрыв, при сжатии – на скалывание. В сложных случаях эти явления сопутствуют друг другу. В общем случае отмечаются следующие виды разрушения горных пород: поверхностное, усталостное и объемное. Поверхностное разрушение имеет место тогда, когда на контакте лез- вий породоразрушающего инструмента с породой возникает напряжение меньше прочности породы на вдавливание (твердость), т.е. ш P F P , где P – осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент; F - общая площадь контакта рабочих элементов породоразрушающего инстру- мента с породой; ш Р - твердость породы при вдавливании пуансона. В этом случае разрушение породы будет происходить только вслед- ствие трения, т.е. это абразивный износ. Этот вид разрушения не эффекти- вен. Усталостное разрушение происходит в том случае, если вначале про- цесса ш P F P , но в результате многократного силового воздействия на по- роду в ней развивается система микротрещин, поэтому твердость породы забоя постепенно снижается, и периодически возникают условия для объ- емного (полного) разрушения. Объемное разрушение возникает тогда, когда на контакте резцов (зуб- ков) породоразрушающего инструмента с породой возникает напряжение, превосходящее твердость пород на вдавливание (предельное напряжение массива горной породы). В этом случае ш P F P , и породоразрушающий ин- струмент при вращении будет эффективно разрушать породу. При этом следует помнить, что при бурении происходит износ и за- тупление резцов, поэтому величина F в процессе бурения будет увеличи- ваться. При работе с заточенными резцами вначале наблюдается объемное разрушение, которое вследствие затупления резцов переходит в усталостное и, наконец, в поверхностное. В связи с этим надо стремиться производить, например, бурение при объемном разрушении породы и извлекать породо- разрушающий инструмент из скважины для его замены на стадии усталост- ного разрушения. 36 2 ОСНОВЫ ГОРНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Горная технологическая система представляет собой комплекс под- земных и открытых горных выработок, необходимых для освоения место- рождений полезных ископаемых. Учитывая целевой характер стадий освое- ния 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, назы- ваются 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 раз- работки, когда оно отделено от массива и доставлено на поверхность. Раз- работка 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 извле- чению полезных ископаемых, в результате чего образуются очистные выра- ботки. Назначение разведочных горных выработок ограничено задачами геологических поисково-съемочных работ и разведки месторождений по- лезных ископаемых. Это обусловливает с одной стороны временный харак- тер таких выработок, срок службы которых заканчивается получением ин- формации, 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 горно- разведочных выработок состоит также в том, что они характеризуются ма- лыми сечениями, небольшими и, в основном, не постоянными объемами, 37 рассредоточенностью, нестационарностью условий и сезонностью работ. Как правило, направление горно-разведочных выработок часто меняется вследствие необходимости прослеживания и геологического изучения руд- ного тела. При проведении разведочных выработок на каком-либо объекте приходится иметь дело с большим многообразием горных пород, с вероят- ностью пересечения рыхлых и скальных пород различного литологического и петрографического состава. Несмотря на выделенные особенности в некоторых случаях разве- дочные выработки впоследствии используются в качестве эксплуатацион- ных. 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 та- кие выработки не имеют замкнутого контура. Подземные выработки распо- ложены под земной поверхностью и лишь некоторые из них, примыкают к поверхности. Такие выработки по периметру сечения ограничены поверх- ностями горной породы. К открытым горным выработкам относятся канавы, траншеи и копуши. Эти выработки широко применяются при гео- логическом изучении поверхностных участ- ков месторождений. Канава – гор- ная выработка, искус- ственно созданная в земной коре, связанная с земной поверхностью и имеющая значитель- ную протяженность при ограниченных попе- речных сечениях. Глу- бина канав обычно не превышает 5 м. Длина их значительно больше глуби- ны 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 иссле- дований. 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 Рис. 2.1. Классификация горных выработок 38 рыхлых отложений мощностью до 5 м не только коренных по- род, но и полезных ископаемых, а также подготовки запасов по категориям 1 С В А , , и 2 С . Поис- ково-съемочные ка- навы проходятся с целью вскрытия ко- ренных пород. Поис- ково-разведочные ка- навы проходятся для вскрытия рудных тел и закладываются по простиранию рудного тела, если его ширина 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), проводи- мая с целью разведки или разработки месторождения полезного ископаемо- го. Траншея отличается от канавы значительно большими размерами попе- речных сечений и формой сечений, обеспечивающей устойчивость боков горной выработки без крепления. При разработке месторождений применяются разрезные и дренаж- ные траншеи. Первые характеризуются наличием выездных поверхностей и являются транспортными выработками. Вторые служат для отвода, глав- ным образом грунтовых и ливневых вод. Площади поперечных сечений траншеи могут измеряться десятками квадратных метров, а эксплуатационных – сотнями. Копуша – ямообразная горная выработка небольшой площади и ма- лой глубины (до 1 м). Обычно копуши проводят в мягких породах при съем- ке и поисках месторождений полезных ископаемых для взятия породных образцов в наносах. Подземные горные выработки по сравнению с открытыми горными выработками характеризуются большим разнообразием. Рис. 2.2. Проходка разведочных канав 39 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, ге- зенки и шурфы. Шахтный ствол (3) – вертикальная (реже наклонная) горная выра- ботка круглого или прямоугольного сечения, имеющая непосредственный выход на поверхность и предназначенная для обслуживания подземных гор- ных работ, выполняемых при разведке и разработке месторождений полез- ных 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 вы- хода на поверхность, проводится между горизонтами, предназначен для об- служивания подземных горных работ, проводимых при разведке или разра- ботке полезного ископаемого (в первую очередь для подъема полезного ис- копаемого с нижних горизонтов на верхние). Слепой ствол может быть так- же использован для вентиляции, спуска и подъема людей, материалов, обо- рудования, породы. Гезенк (10) – вер- тикальная выработка, не имеющая непосредст- венного выхода на поверхность и предназначенная для спуска полезного ис- копаемого под действием силы собственного веса или в специальных сосу- дах механическим спосо- бом. Гезенк может быть также использован для вентиляции и спуска (подъема) людей, мате- риалов, оборудования. Существенного различия между гезенком и сле- пым стволом нет. Шурф (1)– вертикальная горная выработка (реже наклонная) имеющая выход на поверхность, обычно малого сечения (до 4 м 2 ) и не- Рис. 2.3. Подземные горные выработки 40 большой глубины (до 40 м), предназначенная для разведочных целей, об- служивания 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 выра- боток, соединяющих подземные горизонтальные выработки с поверхно- стью, например, для вентиляции. Размеры этих шурфов могут быть значи- тельно больше указанных выше. К подземным горизонтальным выработкам относят: штольни, штре- ки, квершлаги, рассечки и др. Название горизонтальные выработки – не- сколько 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 подъ- емом; предназначена для обслуживания горных работ, разведки месторож- дений полезных ископаемых, и может выполнять функции откаточных, вен- тиляционных и водоотливных выработок. Штольня проходится только в го- ристой местности, и ее устье располагается на склоне горы. Штрек (5)- горизонтальная горная выработка, не имеющая выхода на поверхность, проведенная по простиранию наклоннозалегающего место- рождения или в любом направлении при горизонтальном его залегании. Предназначена для обслуживания горных работ при разведке или разработ- ке месторождения. В большинстве случаев штреки проводят по полезному ископаемому, однако, при разработке, а иногда и при разведке месторожде- ния их могут проводить и по вмещающим породам. Штреки, пройденные по пустым породам вдоль полезного ископае- мого, называются полевыми. Штрек, по которому идет основной поток по- лезного ископаемого и груза называется главным. Штрек, пройденный меж- ду главными штреками, называется промежуточным. Квершлаг (7)– горизонтальная горная выработка, не имеющая вы- хода на поверхность и предназначенная для разведки месторождения и об- служивания горных работ. Квершлаг проходится по вмещающим породам вкрест простирания или под некоторым углом к простиранию полезного ис- копаемого, соединяя ствол шахты с рудным телом, и служит для транспор- тировки грузов, передвижения людей, вентиляции, водоотлива, прокладки электрических кабелей и линий связи. Устье квершлага может располагать- ся в боковой стенке камерной выработки, ствола или штольни. Орт (11)- горизонтальная горная выработка, не имеющая выхода на поверхность, проводимая вкрест простирания мощной залежи полезного ис- копаемого (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. 41 Рассечка (2) – горизонтальная горная выработка, не имеющая выхо- да на поверхность, проводимая из шурфов (рис. 2.4), штолен или штреков вкрест простирания горных пород, для поисков и разведки полезного иско- паемого. Длина рассечки до 30 м, реже до 100 м. Промежуточное положение между вертикальными и горизонтальны- ми выработками занимают наклонные выработки |