физика. Гоувповоронежский государственный университет
 Скачать 2.2 Mb.
|
|
ГОУ ВПО В ОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ И ЛЬЯШ В.В., С ТРИК Ю.Н ПРОХОДКА ГОРНОРАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТОК пособие по специальностям: 020301 -геология, 130301 - геологическая съемка, по- иски и разведка месторождений полезных ископаемых В ОРОНЕЖ 2007 2 УДК 622.2 (075.8) Ильяш В.В, Стрик Ю.Н Проходка горноразведочных выработок– Воронеж; Изд-во ВГУ, 2007. – Стр. 82. Илл. Табл. «Проходка горноразведочных выработок» является разделом общей дисциплины «Техника разведки», которая изучает технические средства и способы их применения в геологоразведочном деле. Данное методическое пособие, предназначено для студентов геологического факультета ВГУ, обучающихся по специальностям: 020301 -геология, 130301 - геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых. В пособии рассматриваются условия применения тех или иных технических средств на разных стадиях ведения геологоразведочных работ, классификация и назначение горных выработок, способы их проходки. Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Молотков С.П. © Ильяш В.В. Стрик Ю.Н. 3 ВВЕДЕНИЕ 4 1. ТИПЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ 5 1.1 Открытые (поверхностные) выработки 6 1.2 Подземные горные выработки 8 2. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ВЕДЕНИЯ ПРОХОДЧЕСКИХ РАБОТ 13 2.1. Горнотехнические характеристики и классификации горных пород 13 2.2. Способы проходки горных выработок 18 2.3. Буровзрывной способ проходки горных выработок 19 2.3.1. Горнопроходческий цикл 20 2.3.2. Бурение шпуров 21 2.3.3. Машины для бурения шпуров 23 2.3.4. Типы шпуров, расчет количества шпуров, размещение шпуров на забое. 27 2.3.5. Расчет длины шпуров в подземных выработках 32 3. ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНОРАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТОК 33 3.1. Понятие о взрыве и взрывчатых веществах 34 3.2. Классификация ВВ по составу компонентов 36 3.3. Промышленные (рабочие) ВВ - классификация и маркировка 42 3.4 Расчет количества ВВ 43 4. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОДРЫВА ЗАРЯДОВ ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ 45 4.1. Принцип устройства боевых зарядов 45 4.2. Способы подрыва боевых зарядов 46 4.3. Средства взрывания 46 4.4. Расчет взрывной цепи 52 4.5 Технология проведения взрыва и техника безопасности 59 4.6. Хранение ВВ 62 4.7. Транспортировка ВМ 64 5. ВЕНТИЛЯЦИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК 65 5.1. Способы и схемы вентиляции 65 5.2. Оборудование и расчет вентиляции 69 6. КРЕПЛЕНИЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК 71 6.1. Горное давление 71 6.2. Материалы для изготовления рудничной крепи 72 6.3. Технологии создания крепи 73 7. ОСВЕЩЕНИЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК 77 8. ВОДООТЛИВ ИЗ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК 78 9. ПРИРОДООХРАННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПРИ ПРОХОДКЕ И ЛИКВИ- ДАЦИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК 79 Список литературы 80 4 ВВЕДЕНИЕ «Проходка горных выработок» является разделом общей дисциплины «Техника разведки, которая изучает технические средства и способы их применения в геологоразве- дочном деле Потребности людей не ограничиваются только продуктами питания. Мате- риальное производство направлено на все возрастающее количество и разнообразие по- требления и базируется в основном на минеральных ресурсах. Последние сосредоточены в недрах, т. е. скрыты от наших глаз. Поэтому для того, чтобы обнаружить и оценить их запасы, во многих странах организована геологоразведочная служба. Это также произ- водство, но довольно специфическое, так как основной его продукцией является инфор- мация о недрах. В подготовке специалистов любой отрасли существуют два главных направления составляющих суть производства или его технологии: 1) изучение системы организации работ и 2) изучение технических средств, обеспечивающих производство с необходимой экономической эффективностью. В геологоразведочной отрасли первое это «методы поисков и разведки», а второе - «техника разведки». Основным продуктом геологоразведочного производства является геологическая карта, на которой изображается структура недр изучаемой территории и дается информа- ция о вещественном составе и полезных компонентах горных пород. Для составления геологических карт применяются три способа, 1) геологическая съемка или картирование на основе изучения естественных выходов горных пород, 2) бурение скважин, 3) проходка горных выработок. Если в первом случае применяемые технические средства не отлича- ются сложностью и особым разнообразием – обычно это навигационные приборы, гор- ный компас и геологический молоток, иногда полевые лаборатории, то во втором и треть- ем - это уже капиталоемкое производство с применением мощных технических средств. Выбор способов картирования зависит как от целей или масштаба работ, так и от степени обнаженности горных пород. При составлении региональных карт геологи опираются главным образом на первый способ, а на этапах оценки и разведки месторождений в большем объеме приходиться бурить и пробивать горные выработки. Совокупность работ, связанных с формированием горных выработок называется проходкой, а сами работы – горными. 5 1. ТИПЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ Горные выработки это искусственные выемки в массиве горных пород. Назначе- ние их может быть разным. Они применяются достаточно широко при разработке место- рождений в горнодобывающей промышленности, при проведении геологоразведочных работ, как инженерные сооружения в фортификации или при создании коммуникацион- ных и транспортных сетей. Размеры их самые разные. Наиболее масштабные это системы связанных между собой выработок при отработке уникальных месторождений, как, например, Витватерсранд в Южной Африке. Протяженные системы подземных сооруже- ний в метрополитенах многих крупных мегаполисов Мира, грандиозный тоннель создан- ный под дном Ламанша, который соединяет Англию и Францию. В данном учебном по- собии рассматриваются те выработки, которые применяются в геологии при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, такие выработки называют геологоразве- дочными. Прошли времена, когда люди спотыкались на развалах рудных тел, выходящих на дневную поверхность. Теперь геологу, чтобы найти месторождение, требуется видеть глубже. Для этого существуют различные методы и технологии, но наиболее надежными остаются бурение и проходка выработок. А при отработке месторождений без горных вы- работок и вовсе не обойтись, при этом здесь применяются наиболее солидные по объему выемки горной массы - эксплуатационные. Если геологоразведочные служат геологам для кратковременного обнажения горных пород, вмещающих полезные ископаемые, то эксплуатационные – для длительного пользования уже при разработке месторождений горняками. Эксплуатационные выработки по назначению подразделяются на капиталь- ные, подготовительные и очистные. Первые служат для обеспечения доступа к месторож- дению с поверхности, вторые - для подготовки его к отработке, а третьи являются соб- ственно эксплуатационными, то есть с их помощью производиться выемка полезного ис- копаемого. Названия горных выработок преимущественно германоязычные. Они в России укоренились со времен Петра I. и отражают различия между ними по ряду признаков: по связи с дневной поверхностью, по положению в пространстве относительно вектора силы тяжести, по ориентировке относительно залегания тел полезных ископаемых и вмещаю- щих пород, по направлению перемещения забоя; по направлению перемещения грузов и т.д. По отношению к дневной поверхности все горные выработки делятся на откры- тые (поверхностные) и подземные. Различать их можно по форме поперечного сечения. Для подземных это сечение замкнутое контуром стенок, а для открытых выработок кон- тур поперечного сечения открыт со стороны дневной поверхности. Сам объем выработок 6 для определения их типа при этом не имеет никакого значения. Горный карьер огромная по объему выработка, но она открытая, так же как и мелкая закопушка, а вот даже неглу- бокий шурф это уже подземная выработка. 1.1. Открытые (поверхностные) выработки К ним относятся закопушки, расчистки, канавы, траншеи, карьеры. Элементами формы выработок являются их дно (полотно) и боковые стенки. Забоем называют техно- логический элемент формы выработки, который перемещается по мере проходки. В шур- фе это дно, в штольне – торцевая стенка, а в канаве то и другое. Размер поперечного сече- ния выбирается минимально возможным и определяется задачами проходки, глубиной за- легания геологического объекта, устойчивостью боковых стенок и возможностью обеспе- чения нормальных условий ведения работ. Канавы представляют собойне глубокие, но протяженные выработки, которые широко применяются на стадии поисковых и оценочных работ для обнажения рудных тел и коренных пород, залегающих близко к поверхности. Глубина канав обычно не превыша- ет трех метров, а длина от первых до первых десятков метров. Они проходятся обычно без крепления, им придается трапециевидное (рис. 1) поперечное сечение, с наклоном стенок внутрь выработки под углом естественного откоса, обеспечивающего их устойчи- вость (порода со стенок не осыпается). Ширина канавы по полотну обычно 0,6м, а на по- верхности в зависимости от наклона стенок от метра и более. Угол наклона стенок зави- сит от степени связности пород, чем устойчивей порода, тем круче угол, следовательно, меньше объем проходки. Для глин угол естественного откоса составляет 70 о , для песков 50 о , для скальных пород около 90 о Траншеи от канав отличаются большей протяженностью, глубина их может дости- гать пяти метров, поэтому поперечный их профиль может быть ступенчатым, с дополни- тельными площадками – бермами для перевала породы. Может при этом применяться и искусственная крепь. Траншеи обычно проходятся уже на стадии оценки и разведки ме- сторождений или их вскрытия для отработки. Закопушка самая мелкая по объему горная выработка, это небольшая ямка. При- меняется обычно при картировании и для отбора проб горных пород с поверхности. Расчистка - это искусственное обнажение, не глубокое, но большое по площади, форма неправильная и определяется контуром необходимого вскрытия породы. Приме- няется при изучении геологических структур или отбора больших по объему проб. 7 Рис. 1 . Типовое сечение канавы Карьер – большая по площади и глубине открытая эксплуатационная выработка неопределенной формы, зависящей от расположения и морфологии рудных тел (рис. 2). Угольные карьеры называются также разрезами. Рис. 2. Карьер Стойленского железорудного месторождения (КМА). 8 1. 2. Подземные горные выработки По отношению к вектору силы тяжести подземныегорные выработки делятся на горизонтальные, вертикальные и наклонные. По направлению ведения проходческих ра- бот различают нисходящие, когда они проходятся сверху вниз, или на восстающие, ко- гда ведутся снизу вверх. К вертикальным относятся шурф и шахтный ствол, к горизон- тальным – штольня, штрек, квершлаг и др. Горизонтальные выработки Штольня – в отличие от других типов горизонтальных выработок имеет непосред- ственный выход на дневную поверхность, называется так независимо от направления про- ходки. Применяются для вскрытия объекта с поверхности в условиях расчлененного рель- ефа. Начало выработки это ее устье, конец – забой, различают также кровлю, полотно и боковые стенки. Параметры штолен могут быть различными. Длина достигает нескольких километ- ров, форма поперечного сечения преимущественно трапециевидная или сводчато- прямоугольная. Для штолен и других подземных горных выработок выделяют понятия: площадь поперечного сечения «вчерне» - без крепления; «в свету» - закрепленная выработка; «в проходке» - с учетом неточностей отбойки контуров горной выработки, примерно на 10 % больше сечения «вчерне». При проходке придерживаются стандартных размеров выра- ботки в ее поперечном сечении, которому придают или форму трапеции, когда применяют деревянную крепь или сводчато-прямоугольную при бетонной крепи (табл. 1). Площадь поперечного сечения «вчерне» рассчитывается с учетом диаметра эле- ментов крепи, ширины зазоров между крепью и стенками выработки (рис.3). Поперечное сечение выбирается также из расчета применения крепи, высоты выработки, зазоров меж- ду крепью и боковыми породами, высоты и ширины откаточного оборудования, ширины свободного прохода, высоты балластного слоя. Для расчета ширины выработки по кровле и подошве и площади сечения учитываются допустимые зазоры между стенками, кровлей выработки и откаточным оборудованием, которые устанавливают на основании требова- ний техники безопасности и приводятся в справочной литературе. Все горизонтальные горные выработки проходятся с некоторым подъемом (0,002- 0,008) для удаления воды из выработки самотеком. Штрек— горизонтальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проходимая по простиранию тел полезных ископаемых при наклон- ном их залегании, а при горизонтальном залегании тела —в любом направлении по про- тяженности месторождения (рис. 4). 9 Таблица 1 Площади поперечного сечения горизонтальных горных выработок Ти- повые се- чения Трапециевидная форма поперечного сечения Сплошная крепь Крепь вразбежку с затяжкой кровли Крепь вразбежку с затяж- кой кровли и боков Т – 2,0 2,6 2,7 2,9 Т – 2,8 3,7 3,8 4,0 Т – 3,7 4,8 4,9 5,2 Рис. 3. Типовые размеры сечения горизонтальных подземных горных выработок трапециевидной формы Квершлаг - горизонтальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проходимая по вмещающим породам или по телу полезного ископа- емого под углом к их простиранию, чаще всего вкрест простирания. Орт проходится по мощности полезному ископаемомуине выходит за его преде- лы. 10 Рассечка проходится из другой выработки под любым углом к телу полезных ис- копаемых, может выходить за его пределы. Длина обычно небольшая и не превышает 20- 30м. Рис. 4. Подземные горные выработки: а – шурф; б – штольня; в - шахтный ствол (1) с квершлагами (2) и штреками (3). Вертикальные выработки Шурф - вертикальная выработка квадратного, прямоугольного или круглого сече- ния (шурфы круглого сечения носят название дудок), имеющая непосредственный выход на земную поверхность. Из шурфов нередко проходят горизонтальные выработки: рассеч- ки, квершлаги, штреки. Имеет типовые размеры в свету и чаще всего прямоугольную форму поперечного сечения (рис. 5, 6; табл. 2). Площадь сечения шурфа в общем случае зависит от его глуби- 11 ны. Шурфы сечением 0,8 и 0,9 м 2 проходятся на глубину до 20 м, шурфы сечением 1,3 м 2 проходятся на глубину до 30 м, 3,2 м 2 предусмотрено проходить на глубину до 40 м. Пло- щадь сечения и размеры шурфа вчерне определяется в зависимости от толщины крепи. Действительная площадь сечения в проходке несколько больше. Допускается увеличение площади в 1,04-1,12 раза. Таблица 2 Типовые сечения шурфов прямоугольной формы (ОСТ 41-02-206-81) Тип шурфа Характеристика шурфа Площадь поперечного сечения, м 2 и размеры, м В свету Вчерне В проходке I Прямоугольный в одно отделение 0,80 1,20 1,25 м 2 (1,0*1,25 м) I То же 0,90 1,40 1,50 м 2 (1,0*1,50 м) II Прямоугольный в два от- деления с подвесной лестницей 1,30 1,85 2,00 м 2 (1,25*1,60 м) III Прямоугольный в два от- деления с деревянными лестницами 3,20 3,85 4,00 м 2 (2,50*1,60 м) Проходческое звено, как правило, состоит из трех человек: двое на поверхности, один в шурфе, при площади поперечного сечения более 2 м 2 на забое могут работать двое проходчиков. Шахтный ствол имеет большее, чем шурфы сечение, большую глубину. Форма сечения обычно квадратная, размером от 4—6 до 10—16 м 2 (в зависимости от глубины, объема работ и сроков выполнения). Имеет выход на дневную поверхность; В некото- рых случаях шахтный ствол проходится из горизонтальных подземных выработок, напри- мер из штолен, и называются «слепыми». Гезенк в отличие от шахтного ствола не имеет непосредственного выхода на днев- ную поверхность, служит для спуска грузов и людей с верхнего на нижние горизонты. Наклонные выработки Уклон проходиться по падению пласта полезного ископаемого. При добыче полез- ного ископаемого используется обычно для подъема грузов с нижнего горизонта на верх- ний. Бремсберг также проходиться по падению полезного ископаемого, но в отличие от уклона используется для спуска грузов и людей с нижнего на верхний горизонт. 12 Восстающий - это выработка, которая не имеет выхода на дневную поверхность и проходиться снизу вверх под любым углом. Рис.5.Схема шурфа (проекция на вертикальную плоскость): а – при креплении сплошной венцовой крепью; б - при креплении венцовой крепью на стойках; 1- шурфопроходческий подъемник; 2 - венцы; 3 – вентиляционный трубопро- вод; 4 – подвесная лестница; 5 – насос; 6 – бадья; 7 – предохранительный полок. Рис. 6. Типовое прямоугольное сечение шурфа с венцовой крепью: 13 1- бадья; 2 - прогоны; 3 – расстрелы; 4 – обшивка досками; 5 – подвесная лестница 2. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ВЕДЕНИЯ ПРОХОДЧЕСКИХ РАБОТ 2.1. Горнотехнические характеристики и классификации горных пород Физико-механические свойства горных пород являются главными факторами, определяющими выбор оборудования и технологию добычи. К наиболее существенным из этих свойств относятся крепость и устойчивость. Крепость — комплексная характеристика горных пород, характеризующая их сопротивляемость разрушению и зависящая от таких свойств как твердость, вязкость, трещиноватость, и от наличия прослоек и включений. Понятие крепости введено проф. М. М. Протодьяконовым, который предложил для ее количественной оценки использовать коэффициент крепос т и f. В первом приближении величина f обратно пропорциональна пределу прочности породы при сжатии сж . Поскольку коэффициент крепости связан с прочностью пород, его можно рассчитать в простейшем случае по формуле f = 0,01 сж где - предел прочности пород при сжатии, Па, для многих пород составляет от 5 до 200 МПа. Горные породы по сопротивляемости разрушению от воздействия внешних сил классифицируют по относительной крепости, удельной работе разрушения, буримо- сти и взрываемости. К л а с с и ф и к а ц и я г о р н ы х п о р о д по крепости разработана М. М. Протодья- коновым в 1926 г. Согласно этой классификации все горные породы разбиты на 10 кате- горий. К первой категории отнесены породы наивысшей крепости (f = 20), к десятой — наиболее слабые плывучие породы (f = 0,3), На выбор метода ведения взрывной отбойки горных пород от массива оказы- вает влияние взрываемость, под которой понимают сопротивляемость породы разруше- нию взрывом. Взрываемость определяется количеством эталонного взрывчатого веще- ства, необходимого для разрушения породы объемом 1 м 3 (показатель удельного расхода ВВ). Для определения удельного расхода ВВ (кг/м 3 ) применительно к конкретным по- родам используют различные классификации пород по взрываемости, например Единую классификацию пород по буримости и взрываемости проф. А. Ф. Суханова. Буримость горной породы характеризует ее способность сопротивляться проник- новению в нее бурового инструмента и интенсивность образования в породе шпура или 14 скважины под действием усилий, возникающих при бурении. Буримость породы харак- теризуют скоростью бурения (мм/мин), реже — продолжительностью бурения 1 м шпура (мин/м). Е д и н а я к л а с с и ф и к а ц и я г о р н ы х п о р о д по буримости разработана Центральным бюро промышленных нормативов по труду для нормирования гор- норазведочных работ. Буримость – это сопротивляемость породы разрушающему дей- ствию инструмента в процессе бурения. , Основной критерий для отнесения пород к той или иной категории по буримости - машинное время бурения 1 м шпура в стандартных условиях. В этой классификации породы разбиты на 20 категорий, а по буримости классифицированы только в пределах IV—XX категорий (табл. 3). Породы I—III категорий предусмотрено разрабатывать от- бойными молотками. Другие классификации разработаны для расчета норм и различных рас- ходных показателей применительно к отдельным производственным процессам (например, Единая классификация горных пород по буримости и взрываемости, в основу которой положены скорость бурения и удельный расход взрывчатых веществ). Устойчивость горных пород - это их способность сохранять равновесие при об- нажении. Устойчивость горных пород зависит от их структуры и физико-механических свойств, величины возникающих в породном массиве напряжений. Устойчивость по- род является одним из основных признаков для выбора систем подземной разработ- ки, определения ее параметров и способов крепления горных выработок. По устойчивости горные породы условно разделены на пять групп. В е с ь м а неустойчивые горные породы, не допускающие обнажения кров- ли и боков выработки. К ним отнесены плывучие, сыпучие и рыхлые горные породы. Неустойчивые горные породы, допускающие некоторые обнажения боков выработки, но требующие возведения крепи вслед за проведением выработки. К таким породам отнесены влажные пески, слабосцементированный гравий, обводненные или сильно разрушенные горные породы средней крепости. Породы средней устойчивости, допускающие обнаже ние кровли на срав- нительно большой площади, но требующие постановки крепи при длительном обнаже- нии. Это достаточно уплотненные мягкие породы средней крепости, реже крепкие и трещиноватые. Устойчивые породы допускают обнажения кровли и боков на большой площади, поддержание требуется только в отдельных местах. Это мягкие, средней крепости и крепкие породы. 15 Очень устойчивые допускают без поддержания обнажения на большой площади и длительное время (десятки лет). Крепить выработки в таких породах не требуется. Таблица 3 |