2.4 Характеристика сыпучих пород

В результате воздействия взрыва, механического разрушения и дробления или природных сил (обрушение, выветривание и др.) скальные и полускальные породы переходят в разрушенное состояние и становятся пригодными для погрузки и перемещения обычными техническими средствами. Разрушенные породы различаются по степени связности, кусковатости и прочности в куске, которая соответствует прочности пород до разрушения.

Связанность отражает характер связей между смежными кусками породы, сопротивление отрыву которых значительно меньше по сравнению с сопротивлением сдвигу. Степень связности зависит в первую очередь от разрыхленности разрушенных пород, а также их кусковатости, что выражается величиной сцепления К_с (связи природного характера), зацепления Кз (связи механического характера разрушения) и угла внутреннего трения пород   . Разрыхленность характеризует увеличение объема разрушенной породы по сравнению с занимаемым в массиве и определяется коэффициентом разрыхления Кр.

По степени связности разрушенные породы подразделяются на три категории:

І категория – сыпучие разрушенные породы. Характеризуются наличием многочисленных воздушных промежутков между кусками, но возможно зажатие отдельных кусков и зацепление между ними. Породы склонны к осыпанию и образованию четко выраженных откосов. Коэффициент разрыхления Кр = 1.4 – 1.65, а иногда и больше;

ІІ категория – связно-сыпуче разрушенные породы. Характеризуются наличием небольших промежутков (пустот) между отдельными природными блоками и кусками. Сцепление между ними отсутствуют. Но куски зажаты и сохраняют сцепление между кусками и сцепления по ненарушенным природным трещинам в кусках. Коэффициент разрыхления Кр = 1.2-1.3. Насыпь не имеет четко выраженных откосов;

ІІІ- категория – связно-разрушенные породы. Представлены природными отдельными массивами, не полностью разделенными между собой. При этом трещиноватость массива увеличивается, но сохраняется в значительной мере сцепление между блоками. Коэффициент разрыхления Кр = 1.03-1.05, реже 1.05-1.1. Уступы имеют крутой откос.

Кусковатость определяют по среднему линейному размеру куска.

Разрушенные породы по кусковатости подразделяют на пять категорий:

І- категория – очень мелко разрушенные породы с размером наиболее крупных кусков до 0.4-0.6 м; dср   0.1 м;

ІІ- категория – мелко разрушенные породы с размером кусков до 0.6-1.0 м; dср = 0.15-0.25 м;

ІІІ- категория – средне разрушенные породы с размером кусков до 1.0-1.4 м; dср= 0.25 -0.35 м;

ІV- категория – крупно разрушенные породы с размером наиболее крупных кусков 1.5-2.0 м; dср = 0.4-0.6 м;

V- категория весьма крупноразрушенные породы, которые содержат отдельные куски размером 2.5-3.0 м и более; dср = 0.7-0.9 м.

Для очень мелко-, мелко- и среднеразрушенных сыпучих пород максимальный коэффициент разрыхления ограничен и обычно не превышает 1.5.

Разрушенные взрывом породы называются соответственно весьма крупно-, крупно-, средне-, мелко- и очень мелковзорванными породами.

Полученные в результате механического дробления (в дробилках) мелкоразрушенные породы крупностью кусков не более 0.2 м называются раздробленными породами. К очень мелкоразрушенным продам, относятся и щебеночно-гравийная масса, крупность частиц которой составляет 70-40, 40-20, 20-10, 10-5 мм.

Разрушенные породы, перемещенные и уложенные в насыпи и отвалы, характеризуются коэффициентом внутреннего трения, равным тангенсу угла   естественного откоса. Обычно   = 34 - 38°. При высоте насыпей крупнокусковатых пород

Ни   10 м угол   = 42 - 45°. В нижней части высоких насыпей вследствии разлета кусков угол откоса выполаживается до 25-30°. Только при Нп = 10-20 м породы имеют зацепление до 0.05-0.1 МПа.

Породные куски, имеющие размеры больше допустимых по техническим условиям разработки, называются негабаритными; они подлежат дополнительному дроблению. Размер и выход негабаритных кусков является понятиями относительными, определяемые мощностью погрузочного и транспортного оборудования. Чем больше допустимый размер куска, тем меньше при одинаковом качестве взрыва выход негабарита.

2.5. Характеристика плотных,мягких и сыпучих пород. Плотные породы включают твердые глины, мел, бурые и каменные угли, глинистые руды и др. Предел прочности пород при одноосном сжатии равен 5-20 МПа. Они способны в массиве сохранять откосы под углом до 60 - 70° при высоте до 10-20 м, их можно разрабатывать горными машинами без предварительного разрушения при достаточных усилиях копания (не менее 0.3-0.4 МПа).

Мягкие породы включают песчанистые глины, суглинки, супеси, мягкие угли, полностью дизинтегрированные изверженные и метаморфические породы и др. Предел прочности их при одноосном сжатии 1-5 МПа, угол внутреннего трения = 14 - 23°, сцепление Кс = 0.05-0.1 МПа.

Неуплотненные глинистые породы (некоторые виды жирных тонкодисперсных гидрофильных глин, пылеватые пески, илы, заторфованные осадки, разжиженный и обводненный лесс, почвы) имеют предел прочности при сжатии не выше 1 МПа.

Разрыхленные мягкие породы (искусственно измененные глины, суглинки, глинистые пески и др.) теряют естественное сцепление и увеличиваются в объеме на 15-30%. После складирования в насыпи под действием веса они уплотняются и становятся близкими к плотности в массиве.

К сыпучим породам относятся однородные пески. Углы откосов их в насыпях и в массиве не должны превышать угла внутреннего трения ( = 19 - 37°). Усилия копания в песках наименьшее, так как силы между однородными окатанными частицами практически отсутствуют.

Разнородные породы обычно представлены уплотненными мягкими и сыпучими породами со скальными включениями в виде гравия, валунов, конгломератов, кремнистых или известковистых прожилковых линз и других, хаотически расположенных в массиве основной породы.

Мерзлые мягкие и сыпучие породы образуются при отрицательных температуре вследствии превращения вначале свободной, а затем и связанной воды в лед, прочно скрепляющей минеральные частицы пород. По мере понижения температуры и увеличения влажности пород (до полного водонасыщения) временное сопротивление сжатию существенно возрастает, а при оттаивании часто превращается в разжиженную массу и теряет несущую способность.

2.6. Общая оценка сопротивления горных пород разрушению.Изменение состояния горных пород на всех стадиях разработки связано, как правило, с и разрушением, происходящим в различной форме, степени и объемах.

Сопротивление пород разрушению оценивается следующими положениями.

1. Разрушение происходит под действием внешних (реже внутренних) сил в результате возникновения в определенных объемах породы напряжения при сжатии, сдвиге и растяжении, превышающих соответствующие пределы прочности Èсж, Èсдв, Èраст.

2. Суммарное действие сил разрушения при различных напряжениях при сжатии, сдвиге и растяжении может быть оценено предельным сопротивлением породы разрушению (МПа).

Gр = К1Gсж + К2Gсдв + К3Gраст. (2.1)

Значения К 1, К2 и К3 показывают долю участия соответствующих напряжений при разрушении; они неодинаковы для различных процессов разрушения. Для общей относительной оценки сопротивления пород разрушению (трудности разрушения) может быть принято условие равной доли участия разрушающих разрушений (пределов прочности):

Gр = (Gсж + Gсд + Gраст)/3. (2.2)

3. Предельное сопротивление разрушению породы в массиве зависит от его трещиноватости (третьего порядка), а также плотности породы ;

Gр.м = Ктр Gр + kвℓ g 10-3, (2.3)

где kв и ℓ – cоответственно степень влияния и путь преодоления сопротивления от веса породы.

Общую относительную оценку сопротивления породы разрушению можно произвести по эмпирическому выражению

Gр.м = [Ктр (Gсж + Gсдв +Gраст) +10-3 gℓ]/3, (2.4)

Где Gсж, Gсдв, Gраст выражены МПа; - в кг/м3; Ктр – коэффициент, учитывающий трещиноватость пород; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Для практических расчетов удобнее пользоваться общим показателем трудности разрушения породы

Пр = 0.05[Ктр(Gсж + Gсдв + Gраст) + 10-3 g], (2.5)

Пределы прочности горных пород при сжатии изменяются в диапазоне от 0.1 до 450 МПа, при сдвиге – от 0.01 до 75 МПа, при растяжении – от 0 до 43 МПа, а плотность пород – от 1200 до 4800 кг/м3

3.1. Способы подготовки горных пород к выемке. Подготовка горных пород к выемке заключается в изменении их естественного состояния с целью обеспечения эффективной разработки месторождения полезного ископаемого. Подготовка включает в себя текущее осушение массивов пород и обеспечение устойчивости откосов уступов, предотвращение промерзания горных пород и их оттаивание; разупрочнение и разрушение — рыхление горных пород. Предотвращение промерзания горных пород связано с тем, что при отрицательных температурах прочность мягких горных пород увеличивается в 2-4 раза, и разработка их механическими средствами без предварительного рыхления становится невозможной. В качестве профилактических мер используют вспашку, рыхление и боронование поверхностного слоя породы для снижения его теплопроводности, укрывают поверхность массива теплоизоляционными материалами, создают снеговой или искусственный воздушно-ледяной покров, устраивают специальные навесы и тепляки. Оттаивание пород осуществляют паром, водой, глубинным или поверхностным электрическим подогревом и другими способами. Разупрочнение и разрушение горных пород производят гидравлическим, взрывным и механическим способами. Гидравлический способ рыхления основан на разрушении связей между частицами высоко пористых горных пород — глинистых, песчано-глинистых и других, способных поглощать воду. Для разрушения крепких горных пород и разупрочнения массивов мягких пород с включениями крепких пород на карьерах широко применяют взрывной способ. Этот способ осуществляют путем бурения скважин или образования другого вида полостей в горных породах, размещения в них и взрывания зарядов взрывчатого вещества

3.2 Предохранение пород от промерзания.

На производство открытых горных работ существенно влияют климатические условия. Особо жесткие условия работы людей и оборудования при низкой температуре воздуха, ветре. Общая оценка жесткости климата (погоды) производится обычно в баллах по формуле:

где - температура воздуха, Сº; - скорость ветра, м/с.

Подготовка горных пород к выемке в зимних условиях включает комплекс мероприятий по предотвращению промерзания пород , рыхлению мерзлых пород и приведение их в талое состояние (оттаивание).

Для предохранения пород от промерзания используют вспашку, глубокое рыхление и боронование поверхности разрабатываемого зимой слоя, создают над ним снеговой или искусственный ледовоздушный покров, а также утепляют поверхность теплоизоляционными материалами или устраивают специальные навесы и тепляки, производят химическую обработку пород.

Вспашка, рыхление и боронование поверхности позволяют уменьшить теплопроводность пород благодаря образования в ней рыхлого слоя.

Вспашку и рыхление производят специальными плугами и рыхлителями на глубину , 0,3 – 0,4 м.

Боронование производят на глубину 0,2 м. Применяют также глубокое ( на 1,0 – 1,2 м) рыхление пород экскаваторами, что уменьшает глубину их промерзания в 2 – 3 раза. Часто производят снегозадержание (снежные валы, щиты). Теплоизоляционные свойства снега иногда улучшают путем дождевания поверхности.

Для предохранения от промерзания россыпей площадь обваловывают бульдозером (высота вала до 1,5 м), осенью заливают слоем воды 0,8 – 1,5 м для создания ледяного покрова.

При глубине промерзания более 0,6 – 0,8 м необходимо утеплять породу дополнительно теплоизоляционными материалами, опилками, шлаками, минеральной ватой, минеральным войлоком и др.

Применение искусственных утеплителей позволяет свести до минимума, а иногда и совсем предотвратить промерзание горных пород. Предварительное рыхление горных пород экскаватором на глубину до 1,2 м, боронование на глубину 0,15 м и утепление площадок и откосов уступов слоем некондиционного угля толщиной 0,15 – 0,2 м дает возможность уменьшить промерзание пород в 3,5 – 4 раза и обеспечить работу многоковшовых экскаваторов на вскрышных уступах в зимний период.

Для предохранения от промерзания как мягких, так и разрушенных пород в настоящее время применяется замороженная водовоздушная пена. Для получения пены используются алкидсульфаты, вода и сжатый воздух. Слой замороженной при t< -15Сºпены толщиной 0,15 – 0,2 м равномерно наносится пеногенераторной установкой на поверхность любой конфигурации.

Навесы и тепляки используются на небольших карьерах по добыче глин на Урале, Сибири и Дальнем Востоке.

Химическая обработка песчано-глинистых пород хлористыми солями натрия или калия заключается в рассыпании в сухом виде этих солей в измельченном состоянии после предварительной планировки поверхности, вспашке на глубину 20 – 30 см при наличии уклона (для предотвращения смыва раствора).

3.3 Оттаивание мерзлых пород. Оттаивание может осуществляться путем электрообогрева, поверхностного изжога, с помощью горячих газов, пара, воды, при сжигании термохимических патронов и т.п.Электрообогрев может быть глубинным или поверхностным, низким или высокочастотным. При глубинном электрообогреве переменным током промышленной частоты напряжением 12 – 380 В электроды размещают в шпурах, пробуренных на глубину промерзания пород по квадратной или шахматной сетке, на расстоянии 0,5 – 0,7 м. Расход электроэнергии при этом составляет до 70 мДж/м3. Использование усовершенствованных электроигл с напряжением 1 – 2 В и током 2А снижает расход электроэнергии до 30 мДж/м3. При поверхностном электрообогреве полосовые электроды в виде сеток из тонкой медной проволоки , длина которых равна длине откоса уступа, укладывают на его откос. Питание осуществляется от генератора высокочастотных колебаний. Поверхностный изжог (сжигание слоя угля толщиной 0,2 – 0,35м) иногда используется на карьерах по добыче глин, промерзшая до глубины 2м глина полностью оттаивает в течении 6 – 10 дней. Расход топлива на 1м3 оттаеной породы составляет угля 30 – 60 кг., торфа 120 – 140 кг. Для поверхностного оттаивания пород газообразным топливом используются горючие газы, поступающие в карьер по газопроводу, или доставляемые в баллонах. Развиваются методы оттаивания пород инфракрасным излучением. Оттаивание паром производится с помощью паровых игл (стальных труб внутренним диаметром 19 – 22 мм и длиной 1,7 – 3,0 м), вставляемых в шпуры или забиваемых в породы по мере их оттаивания на расстоянии 2 – 2,5 м друг от друга. Используется насыщенный пар с температурой 102 – 110 Сº под давлением 0,2 – 0,5 мПа. Продолжительность оттаивания тяжелых глин 4 – 6 часов, расход пара на 1м3 мерзлоты составляет 20 – 30 кг. Достоинства способа – относительная экономичность. В качестве недостатка следует отметить увлажнение пород, что способствует их повторному замерзанию. Подобным же образом осуществляется оттаивание горячей водой. Оттаивание речной водой производят посредством нагнетания её по погружаемым в мерзлые породы трубчатым иглам, проведения дренажных канав или дождевания. Оно может проводиться также при естественном просачивании воды из расположенной на возвышенной части массива оросительной канавы в расположенную ниже на расстоянии 70 – 150 м дренажную канаву глубиной до 2 – 3 м. От оросительной могут проводиться поперечные канавы глубиной до 2,7 м, оканчивающиеся в 30 – 50 см от дренажной. Расход воды на 1 м3 мерзлых пород составляет 120 – 20

3.4. Управляемое обрушение пород. Использование изобретения: способ относится к горной промышленности и может быть использован на открытых горных работах , например при формовании отвалов на склонах гор, отсыпке отвалов высокими ярусами . Сущность изобретения: путем принудительного воздействия тарированных ударных импульсов, величина которых превышает нагрузки от работы технологического оборудования на отвале, нанесение ударных импульсов ведут локально по поверхности отсыпаемого отвала под углом, равным наклону поверхности скольжения вдоль фронта отвалообразования. Изобретение позволяет уменьшать энергозатраты на обрушение на отвале. Сущность этого способа разработки заключается в том, что вслед за выемкой полезного ископаемого сразу или с некоторым отставанием налегающие породы обрушаются принудительно или под действием собственного веса. Характерной особенностью всех систем с обрушением является сплошная отработка шахтных полей без оставления внутризабойных, междублоковых и междуэтажных целиков. При некоторых вариантах систем допускается лишь временное оставление целиков (двухстадийная выемка), которые погашаются сразу после отработки камеры. Такой порядок выемки необходим для создания благоприятных условий самообрушения вышележащих пород, в результате которого снижаются напряжения на краевые зоны массива руды.

Все системы с обрушением вызывают сдвижение или обрушение земной поверхности и характеризуются постоянным нарастанием опорного давления на пограничный с обрушающимися блоками рудный массив до тех, пор, пока не произойдет посадка подработанной толщи пород. Таким образом, управление геомеханическими процессами при системах разработки с обрушением вмещающих пород заключается в целенаправленном изменении параметров систем разработки, в частности, величин деформаций поверхности, последовательности и шага обрушения пород, величины опорного давления на краевую часть массива

др.Многочисленные факторы, влияющие на протекание процессов сдвижения и обрушения пород, можно разделить на две большие группы: горно-геологические и технологические;

Горно-геологические факторы. Из них следует выделить следующие: мощность рудного тела (залежи, пласта, жилы) угол падения, глубину работ, площадь распространения, механические свойства и структурные особенности строения пород, гидрогеологические условия месторождения, рельеф местности и др.

3.5.Механические способы подготовки к выемке естественного камня. Сохранение физико-механических свойств и декоративности, а также определённых размеров и формы камня возможны при использовании специальных методов и средств направленного отделения блоков или штучного камня от массива, обеспечивающих концентрацию критических напряжений строго в необходимых плоскостях раскола или реза. Применение ВВ при добычи блоков не рекомендуется,т.к это приводит к появлению трещин в массиве и нарцщению его пластичности.

При механическом (безвзрывном) отделении крупных монолитов камня от массива используются буроклиновой способ, терморезаки, канатные пилы, ченнелеры и буроклиновой способ; крупные монолиты затем разделяют на товарные блоки. Для непосредственного отделения стенового камня или облицовочных блоков применяют камнерезные машины (таблица 30.1).

Таблица 30.1 Способы подготовки к выемке блоков естественного камня

Способ Рабочий орган Принцип действия рабочего органа

Камнерезными машинами с кольцевой фрезой Канатными

пилами Камнерезными машинами с алмазными отрезными кругами

Буроклиновой (бурение ручное и с кареткой)

Бурогидроклиновой Ударно-клиновыми машинами (ченнелерами) Кольцевая фреза с твердо- сплавными резцами Стальной канат с кварцевым песком Алмазные отрезные круги диаметром 2.5 – 3.0 м Буровые коронки, сложные клинья Буровые коронки гидроклинья Набор долот Врубовой режущий То же То же Бурильный ударно-вращательный То же Врубовой ударный

В настоящее время на ряде гранитных карьеров внедрена термическая резка для отделения монолитов от массива (рис. 30.3). Производительность газоструйных камнерезных машин составляет 1 – 2 м2/ч. Преимуществами их применения является увеличение выхода блоков в 1.5 – 2 раза по сравнению с выходом их при буровзрывном способе, улучшение качества блоков, сокращение затрат ручного труда и увеличение производительности камнетесов.

При буроклиновом способе подготовка блоков к выемке состоит из двух взаимосвязанных процессов: бурение рядов сближенных шпуров в вертикальном и наклонном направлениях по принятым плоскостям; последующего клинового откола камня.

При разделке гранитных монолитов на кондиционные блоки шпуры диаметром 20 – 40 мм бурят на глубину 80 – 100 мм, расстояние между шпурами 0.05 – 0.1 м. В шпуры вставляют простые или сложные (состоящие из двух щечек и собственного клина) клинья.

При разработке мраморных месторождений шпуры бурят на всю высоту или ширину блока. Расстояние между ними составляет 0.2 – 0.2 м в зависимости от способности мрамора к расколу и размеров добываемых блоков, на 1 м3 горной массы бурят до 6 – 10 шпуров. Производительность труда бурильщика при бурении горизонтальных шпуров составляет 25 – 35 м/смену. Производительность труда рабочего по отколу 2 – 3 м3/ч. Суммарная производительность труда рабочего по производству готовых блоков 0.2 – 0.6 м3/смену, трудоемкость работ при этом равна 1.7 – 5 чел-смен/м3.

Достоинства буроклинового способа подготовки мраморных блоков: простота, максимальное использование природных трещин, возможность применения в сложных горно-геологических условиях и отбойки блоков любого размера и любой прочности. Недостатки: большой удельный вес ручного труда, низкая производительность труда высокие себестоимость блоков и трудоемкость работ, сложность обеспечения безопасности работ. В зарубежной практике при буроклиновом способе подготовки блоков широко используются вертикальные, горизонтальные и наклонные каретки и станки колонкового бурения.

Чаще всего буроклиновой способ применяют в сочетании со взрывным способом отбойки монолитов, с канатными пилами и другими способами.

Перспективным в направленном отколе блоков от массива или от крупных монолитов является применение закладных клиньев с гидравлическим приводом. Концентрация напряжений в необходимой плоскости и направленный откол блоков возможны только при групповой синхронной работе нескольких гидроклиньев ( рис. 30.3). Использование таких клиньев позволяет увеличить расстояние между шпурами до 0.3 – 0.4 м, что значительно сокращает объем выполняемых буровых работ и повышает производительность труда рабочих.

3.6 Механическое рыхление пород осуществляется прицепными или навесными рыхлителями, в которых масса тягача используется для заглубления рабочего органа рыхлителя. Глубина рыхления прицепными рыхлителями достигает обычно 0,4 – 0,5 м, а навесными – 1,5 – 2,0 м.

Рыхлители могут иметь до пяти забоев с цельными или составными наконечниками. Для подготовки полускальных пород применяют однозубые рыхлители, а в плотных породах целесообразно использовать многозубые рыхлители для увеличения их производительности.

Навесные рыхлители имеют гидравлическую систему изменения глубины рыхления.

К параметрам рабочего органа рыхлителя относятся: Угол резания γ; Угол заострения ω; Задний угол φ; Толщина и длина зуба; Расстояние между зубьями.

Сила резания рыхлителя зависит от угла рыхления. При движении рыхлителя порода разрушается в границах трапецевидной прорези. Рыхлимость пород определяется возможным заглублением зуба рыхлителя (hз) и зависит от мощности рыхлителя, прочности пород и трещиноватости массива. Рыхлимость породы зависит от взаимного направления рыхления и системы трещин.