317 МДК 01.03 22. 09.2021 г.. Современное представление о механизме разрушения пород различными способами
 Скачать 205.33 Kb.
|
|
Дата: 22 сентября 2021 год Дисциплина: МДК 01.03 Тема: Современное представление о механизме разрушения пород различными способами Задание: Составить подробный конспект представленной лекции Современное представление о механизме разрушения пород различными способами В геологоразведочных организациях стран СНГ ежегодно проходилось около 300 км подземных и более 100 млн м3 открытых горных выработок. Более 90 % подземных и 35 % открытых выработок проходится с использованием взрывчатых веществ (ВВ). Классификация способов разрушения горных пород Разрушение горных пород - нарушение сплошности природных структур горных пород (минеральных агрегатов, массивов горных пород) под действием естественных и искусственных сил. Разрушение - сложный физический/физико-химический процесс, характер развития которого зависит от величины и скорости приложения нагрузки, напряженного состояния объекта, его прочности и структурных свойств. В соответствии с этим разрушение может протекать на микро- и макроскопическом уровнях. Микроскопическое разрушение (размеры зоны разрушения до 1 мм) возникает в месте контакта разрушающего элемента с породой и сопровождается разрывом связей между зёрнами или нарушением химических связей в кристалле, микротрещинами, сдвигом вдоль поверхностей скольжения. Макроскопическое разрушение (размеры зоны разрушения 1 см и более) характеризуется развитием одной или многих трещин, нарушающих сплошность массивов в значительных объёмах. Во всех случаях разрушение начинается с процесса на микроскопическом уровне, при определённых условиях приобретающего макроскопические масштабы. Естественное разрушение происходит в результате гравитационных (оползни, оседания грунтов, обвалы, осыпи), вулканических, глубинных тектонических процессов, выветривания, других природных процессов и явлений. На горных объектах естественное разрушение сопровождается обрушением подземных горных выработок, бортов карьеров и т.п. и представляет собой негативный фактор, влияние которого снижают выбором специальных технологических схем ведения работ, креплением выработок, закреплением грунтов и т.д. С другой стороны, нарушение сплошности полезных толщ (например, под действием горного давления) упрощает процессы выемки, а разрушение породных толщ интенсифицирует дегазацию горных пород. Искусственное (принудительное) разрушение — основной процесс технологии добывания и переработки твёрдых полезных ископаемых. Осуществляется в результате главным образом механического и взрывного воздействия на горные породы, в меньшей степени — гидравлического, взрыво-гидравлического, термического, электрического, электромагнитного, комбинированного и др. При этом разрушающие нагрузки носят или квазистатический характер (скорости их приложения измеряются единицами или десятками м/с) — возникают при бурении, резании, механическом дроблении, или динамический (сотни и тысячи м/с) — при ударном и взрывном разрушении (Таблица 1). Таблица 1 – Классификация разрушений горных пород.
Оценка удельных энергозатрат, характерных для каждого из упомянутых способов разрушения горной породы, показывает, что ни один из них не может конкурировать со взрывным. Определенные преимущества некоторых из них возникают только при учете экологических последствий их применения. Механический способ разрушения горных пород может производиться с различными скоростями силового воздействия. Принято считать, что при скоростях воздействия до 2,5 м/с механический способ называется статическим, а при скоростях выше 2,5 м/с – динамическим. К динамическому способу разрушения относятся следующие виды: Оценка удельных энергозатрат, характерных для каждого из упомянутых способов разрушения горной породы, показывает, что ни один из них не может конкурировать со взрывным. Определенные преимущества некоторых из них возникают только при учете экологических последствий их применения. Механический способ разрушения горных пород может производиться с различными скоростями силового воздействия. Принято считать, что при скоростях воздействия до 2,5 м/с механический способ называется статическим, а при скоростях выше 2,5 м/с – динамическим. К динамическому способу разрушения относятся виды, представленные в таблице 2. Таблица 2 – Виды динамических способов механического разрушения.
На горных предприятиях наибольшее распространение получил механический способ разрушения горных пород – до 85% всего объема горных и земляных работ. Опыт ведения буровзрывных работ показал, что с ростом крепости и абразивности горных пород значительно возрастает трудоемкость их бурения и дробления. Установлено, что с увеличением крепости пород скорость механического бурения снижается, в то же время при термическом воздействии на породу наблюдается обратная картина, т.е. с ростом крепости возрастает и скорость бурения. Это и обуславливает основное направление в поисках эффективных средств и устройств, реализующих принцип теплового воздействия на породу. Конкретные варианты реализации этого принципа имеют большое разнообразие, так как все зависит от принятой схемы контакта источника (генератора) тепла и породы. В настоящее время разработаны следующие принципиально новые схемы теплового воздействия на горную породу для её разрушения (Таблица 3). Таблица 3 – Схемы теплового воздействия на горную породу для её разрушения.
Для размещения зарядов ВВ в массиве породы, подлежащей отбойке, создаются зарядные камеры (в подземных выработках это в основном 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 инструментом 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, выравнивания подошвы 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, создании гладкого неразрушенного откоса, при сооружении канала и 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 открытым способом. По направлению к земной поверхности скважины подразделяются на вертикальные, горизонтальные и наклонные. Классификация способов бурения шпуров и скважин приведена на рис. 9. По природе разрушающих горную породу напряжений все способы бурения делятся на механические, при которых разрушение происходит вследствие развития в породе механических напряжений, и термические, при которых разрушение происходит вследствие развития в породе температурных напряжений. К механическим способам бурения относятся ударный, вращательный, ударно-вращательный, вращательно-ударный, ультразвуковой, взрывной, электрогидравлический и гидравлический. К термическим способам относятся огневое, плазменное, электротермическое бурение. По видам передачи энергии породе способы бурения делятся на контактные (ударное, вращательное, ударно-вращательное, вращательноударное, взрывное, электротермическое) и бесконтактные (термическое, плазменное, гидравлическое, элекгрогидравлическое, ультразвуковое). Способы воздействия на породу: твердым породоразрушающим инструментом (ударное, вращательное, 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 жидкости - ультразвуковое бурение). По способу разрушения забоя может быть колонковое бурение с отбором 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 витых штанг и шнеков при вращательном бурении и циркулирующим жидким, аэрированным (водовоздушная смесь) или газообразным агентом 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 поднимается по затрубпому пространству на поверхность, и обратная очистка, 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 бурения выполняются различными механизмами.  Рисунок 1 - Классификация способов бурения шпуров и скважин Механическое разрушение - отделение горных пород от массива или их дробление (измельчение) путем воздействия на породу породоразрушающего инструмента - резца, фрезы, шарошки, ударника, алмазных и абразивных кругов и коронок, скалывателей и др. В результате действия того или иного механического фактора протекают физические процессы чисто механического разрушения породы: сжатие, раздавливание, дробление, скалывание, резание и др. Гидравлическое разрушение осуществляется воздействием на горную породу струй воды под высоким давлением. Термическое разрушение пород происходит под действием физических полей, создаваемых без использования специальных породоразрушающих инструментов за счет физико-химических процессов, протекающих под действием высокой температуры. Термическому разрушению 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 массиве (в скважинах, шпурах, камерах и пр.). Электрические способы ослабления и разрушения основаны на воздействии на горную породу электрической энергии в виде электромагнитного поля, электрического разряда, электрического тока и др. При проведении горно-разведочных выработок в основном имеет место взрывоударное разрушение горных пород и применение связанных с ним механических способов, необходимых для создания в массиве пород полостей с целью заложения заряда ВВ. При вращательном способе порода разрушается при вращении породоразрушающего инструмента с наложением постоянно действующего (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 нанесения ударов породоразрушающим инструментом с определенной силой и скоростью. Выделяются следующие комбинации ударного и вращательного способов бурения: ударно-поворотное бурение обычными и погружными бурильными молотками (перфораторами), при котором инструмент в промежутках между ударами поворачивается на определенный угол (к ударно-поворотному относится и ударно-канатное бурение скважин); ударно-вращательное бурение погружными пневмо- или гидроударниками и перфораторами с независимым вращением, при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту. При указанных двух способах бурения порода разрушается в основном в результате ударов. При вращательно-ударном бурении удары наносятся по непрерывно вращающемуся под большим осевым усилием инструменту. При вибрационном способе происходит погружение специального забойного инструмента, обычно цилиндрической формы, в рыхлую породу под действием вынужденных продольных колебаний - вибраций и осевого усилия. При способе задавливания происходит погружение породоразрушающего инструмента, имеющего форму конуса или полого цилиндра, в мягкую породу под действием осевого усилия. Разрушаемая порода в этом случае уплотняется в стенках скважины. При вибрационно-вращательном способе разрушение пород происходит при вращении специального инструмента и действии осевого усилия. В результате взаимодействия инструмента с породой наблюдаются три основных типа разрушения. Первый - разрушение монолита под лезвием инструмента в мелкодисперсную массу. Размеры частиц меньше глубины внедрения инструмента и меньше первоначальных кристаллов и зерен породы. Второй - скалывание по краям зоны дробления, которое за счет неоднородности и начальных дефектов в породе приводит к тому, что размеры зоны разрушения несколько отличаются от правильных. Размеры частиц значительны. Третий - образование трещин в породе под зоной (ядром) измельчения, позволяющих при повторных воздействиях увеличивать зону разрушения. |