Лекция № 13 Технологические и физико-технические основы работ


1. Типы забоев

Выемка мягких, сыпучих и плотных пород обычно производятся непосредственно из массива, а выемка разрушенных (взорванных) пород – из развала или разрыхленного слоя. Поверхность горных пород в массиве или развале, являющаяся объектом выемки называется забоем.

Рисунок 13.1 Типовые схемы забоев: а, д, г, ж – торцевой; б – забой площадка; в – фронтальный; е – комбинированный

При выемке пород из массива забоем могут являться следующие поверхности уступа или подуступа: торец уступа, т.е. боковой его откос, образованный при выемке части полосы уступа (рис. 13.1 а, е, ж); площадка уступа (рис. 13.1, б); продольный откос уступа (рис. 13.1, в).

При выемке разрушенных пород из массива забоями также являются торцевой (рис. 13.1, д) или продольный откос развала, а иногда и его верхняя поверхность. Соответственно забой называется торцовым, продольным и забоем площадкой. Чаще всего продольный откос уступа совпадает с фронтом его работ, и продольный забой называется фронтальным. Разновидностью торцевого забоя является траншейный забой. Иногда применят комбинированные забои, когда одновременно разрабатываются две поверхности уступа или развала, например площадка и продольный откос (рис. 13.1, г). Продольный и торцевой откосы уступа относятся к разрабатываемой части уступа или развала.

Забои всех типов по структуре могут быть однородными (простыми), если в их пределах породы имеют сравнительно одинаковые свойства, и разнородными (сложными), если в их пределах перемежаются вскрышные породы с существенно разными свойствами, вскрышные породы с полезным ископаемым или полезное ископаемое разных типов и сортов.

При сложном строении залежи структура забоя зависит от формы контактных поверхностей между полезным ископаемым и вмещающими породами в массиве или развале и расположения относительно забоя различных типов ископаемого. Забои при этом простые в случаях, когда они параллельны контактам между различными компонентами (рис. 13.1, б, в).

В простых забоях производится валовая (сплошная) выемка пород. В сложных забоях выемка вскрышных пород с различными свойствами также обычно валовая, а выемка полезного ископаемого и вскрышных пород или различных сортов полезного ископаемого производится чаще всего раздельно (раздельная выемка). Выбор типа забоя зависит от свойств разрабатываемых вскрышных пород и полезного ископаемого и условий их залегания, так и используемого выемочного оборудования. Обычно стремятся к применению простых забоев.

Выемка пород любого типа осуществляется послойно. Толщина каждого слоя выемки t (рис. 13.2) определятся глубиной внедрения в забой рабочих органов выемочных машин и обычно измеряется десятками сантиметров. Такие слои называются слоями выемки.

Рисунок 13.2 Схемы слоев выемки и стружек при работе: а – прямой лопаты; б – бульдозера; в – роторного экскаватора.

В пределах слоя выемки высотой hс (hс Hу) порода извлекается стружками, максимальная ширина которых b зависит от ширины режущего рабочего органа выемочной машины (ковша экскаватора, лемеха бульдозера и др.). При разработке слоя выемки забой любого типа перемещается в нормальном к нему направлении (см. Рис. 13.1); фронтальный и торцовый забои смещаются на толщину слоя (стружки) в плане (см. рис. 13.2 ,а), а забой площадка – вниз ( см рис. 13.2, б).

Форма забоев зависит от способа действия выемочных машин, состояния пород и углов их откоса в массиве или развале. Например, при выемке мягких пород экскаватором типа мехлопаты торцовый забой имеет округлую форму в плане и вогнутую в профиле (см. рис. 13.2, а), что предопределяется характером движения ковша в забое и поворотами экскаватора; торцовый забой, разрабатываемый бульдозерами, имеет клинообразную форму (см. рис 13.1, е) и т. д.

К забоям принято относить также призабойное пространство в пределах радиуса действия выемочных машин. Поэтому часто говорят «обмен транспортных средств в забое», «выемка в забое» и т. д.

По взаимному расположению забоя и горизонта установки экскаватора различают способы выемки в е р х н и м ч е р п а н и е м (забой расположен выше установки машины), н и ж н и м ч е р п а н и е м, с м е ш а н н ы м (нижним и верхним) ч е р п а н и е м. Аналогично различают и способы погрузки: н и ж н ю ю в е р х н ю ю и с м е ш а н н у ю (рис. 13.3). Смешанная погрузка одновременно или поочередно включает нижнюю и верхнюю погрузку на промежуточный транспортный горизонт.

Рисунок 13.3 Схемы способов выемки и погрузки: а – верхнее черпание и нижняя погрузка; б – верхнее черпание и погрузка; в – нижнее черпание и погрузка; г – смешанная схема.

Типы заходок

В результате перемещения забоев в пределах определенного участка развала или массива уступа последовательно отрабатываются породные полосы, называемые заходками.

Часть заходки, выемка которой характеризуется законченным технологическим циклом основных и вспомогательных операций выемочной машины, называется забойным блоком.

По расположению относительно фронта работ уступа заходки подразделяются (рис. 13.4) на продольные (ориентированы вдоль фронта работ уступа) поперечные (направлены вкрест фронта) и диагональные (ориентированы в промежуточном направлении). Продольные заходки возможны при всех видах транспорта, диагональные – при железнодорожном и автомобильном, а поперечные при автомобильном и конвейерном.

Ширина заходки А при торцевом забое и забое-площадке соответствует ширине этих забоев; при продольном забое ширина заходки равна толщине одного или нескольких слоев выемки (А = t или А = t). Высота заходки Нзх обычно равна высоте уступа (подуступа) или развала в пределах заходки. Она может быть также равна высоте части развала, если в профиле выемки пород по высоте развала производится несколькими заходками.

Рисунок 13.4 Типовые схемы заходок: а – тупиковая траншейная продольная; б – тупиковая эксплуатационная продольная; в – сквозная нормальная; г – сквозная узкая; д – сквозная диагональная; е – сквозная поперечная (все сквозные заходки эксплуатационные).

По ширине заходки подразделяются на нормальные Ан узкие Ау и широкие Аш (см. рис. 13.4).

В нормальных заходках выемка породы производится при постоянном положении оси движения выемочных машин по длине заходки и максимальном использовании их рабочих параметров. Например, при торцевом забое эта ширина равна длине лемеха бульдозера или 1.7 Rч.у ( Rч.у радиус черпания экскаватора на горизонте стояния), а при продольном забое – максимальной толщине одного или нескольких слоев выемки.

Узкие заходки отличаются от нормальных неполным использованием рабочих параметров выемочных машин при постоянном положении оси перемещения их вдоль заходки.

Широкие заходки при всех типов забоев характеризуются переменным положением оси движения выемочных машин в плане при выемке породыпо длине заходки.

По характеру движения транспортных средств при выемке пород в пределах заходок последние подразделяются на тупиковые и сквозные (см. рис. 13.4).

Тупиковые заходки (см. рис. 13.4, а, б) характеризуются возможностью движения транспортных средств только в пределах выработанного пространства отработанной заходки. Они подразделяются на траншейные и эксплуатационные, последние применяются при ограниченной ширине рабочих площадок уступа. Работа выемочных машин в тупиковых заходках обычно связана с увеличением продолжительности цикла погрузки транспортных средств, времени обмена последних в забое и с наращиванием транспортных коммуникаций по мере подвигания забоя.

Сквозные заходки (см. рис. 13.4, в – е) позволяют организовать движение транспортных средств в пределах всей длины заходки и типичны для эксплуатационного периода отработки уступа. Верхняя погрузка при проходки траншей позволяет работать экскаватору в сквозной траншейной заходке.

По структуре заходки могут быть о д н о р о д н ы м и и р а з н о р о д н ы м и, а также с л о ж н о р а з н о р о д н ы м и.

Разнородные заходки характеризуются последовательной перемежаемостью по длине отдельных блоков пустых пород, полезного ископаемого и его отдельных сортов, поэтому забои в этих заходках простые и выемка валовая.h

Сложноразнородными называются заходки, в пределах которых невозможно выделить блоки только с пустыми породами или отдельными сортами полезного ископаемого, в этих заходках забои сложные, а выемка в них раздельная.

Любой уступ отрабатывается панелями – полосами породного массива вдоль фронта работ уступа. Отработка каждой такой полосы характеризуется новым положением основных транспортных коммуникаций вдоль фронта работ уступа. В результате отработки панелей происходит перемещение фронта работ уступа.

Часть панели, разрабатываемая отдельной выемочной машиной, называется блоком панели. Часто блок панели называют по виду выемочного оборудования, например, экскаваторный блок, скреперный блок и т. п. Понятие панели и блока панели относятся только к массиву горных пород в пределах уступа, но не к развалу.

При выемке пород непосредственно из массива в ряде случаев заходки являются и блоками панелей или панелями. Различные способы отработки панелей рассматриваются в последующих главах.

3. Экскавируемость горных пород в массиве

Выемка (копание) породы производится последовательным отделением стружек в слое выемки. Процесс копания включает резание (скол) стружки и перемещение срезанной породы по поверхности экскавирующего органа. Расчетная площадь поперечного сечения стружки Fр = tрb, где tр - расчетная толщина стружки (глубина внедрения экскавирующего органа), м; b – ширина стружки, м.

Форма поперечного сечения стружек (тел выкола) и их фактические размеры зависят от схемы копания (рис. 3.5), типа и структуры экскавируемых пород.

Рисунок 13.5 Схемы копания: а – блокированная; б – полусвободная; в – свободная.

Рисунок 13.6 Формы и параметры стружек

Равномерно, при примерно равных усилиях происходит копание пластичных связных пород с образованием «сливной» стружки постоянного сечения (рис. 13.6, а); при этом фактическая площадь поперечного сечения стружки Fф Fр В суглинках, супесях, а также в мерзлых глинах отделение «элементной» стружки отличается от образования сливной стружки небольшим расширением ( = 60 -7 0°) и значительным дроблением породы по естественным микроповерхностям ослабления (рис. 13.6, б); при этом Fф 1,1 Fр . Плотные породы, а также мерзлые суглинки, супеси и уплотненные глины экскавируются стружками отрыва (рис. 13.6, в, г) с боковым и опережающим выколом ( °, °) и дроблением породы на мелкие и средние куски; Fф 1,2 Fр.

Отдельными типами выемочных машин возможно производить копание трещиноватых полускальных пород. Обычно разрушение трещиноватого массива при выемке происходит сразу по нескольким направлениям, и порода экскавируется отдельными структурными телами выкола – происходит «разборка» массива. При этом фактическая толщина тел выкола tф = 0.1 – 1.5 м.

Процесс копания принято характеризовать величиной удельного сопротивления копанию (МПа)

КF = Рк· 10-3 /Fф Рк· 10-3 /(btр), (13.1) где Рк – касательная сила сопротивления пород копанию, кН; Fф выражается в квадратных метрах, b и tр – в метрах.

Общее и удельное сопротивление копанию зависит в первую очередь от показателей породы Gсж, Gсдв, Gраст и . Например, при выемке механической лопатой рыхлых сухих песков Кр = 0.016 – 0.025 МПа, при выемке тяжелых влажных глин Кр = 0.2 – 0.3 МПа, при полускальных пород КF достигает 1 МПа и более.

Для процесса копания полускальных пород характерно резкое изменение усилий и скорости движения экскавирующего органа. Величина КF зависит не только от прочности породы в куске, но и от трещиноватости массива, характеризуемой коэффициентом его структурного ослабления непосредственно поверхности копания. Копание по самим поверхностям ослабления массива ведет к уменьшению величин КF в 3 - 30 раз по сравнению с копанием перпендикулярно, к трещинам, что зависит в первую очередь от вида трещин. Минимальное уменьшение КF характерно при сомкнутых шероховатых трещинах, а максимальное – при раскрытых трещинах. При копании под углом и параллельно трещинам величина КF уменьшается соответственно в 1.1 – 1.6 и 1.3 – 3 раза. Копание под углом к трещинам является наиболее типичным случаем, при этом = 0.6 – 0.9.

Удельное сопротивление копанию мерзлых мягких и плотных, а также промерзших полускальных пород значительной влажности (W = 14—17%) в несколько раз выше, чем сопротивление тех же пород в талом состоянии зависит от глубины промерзания массива (рис. 13.7). увеличение КF при малой влажности мерзлых пород (W = 2—6%) незначительно.

На величину КF влияет и тип применяемой выемочной машины (экскавирующего органа). Удельное сопротивление копанию одной и той же породы неодинаково при использовании различного выемочного оборудования. Например, при выемке суглинков и легких глин мехлопатой, драглайном, роторным экскаватором и скрепером оно находится соответственно в пределах 0.06 – 0.13; 0.1 – 0.19; 0.15 – 0.29 и 0.095 – 0.18 МПа.

Рисунок 13.7 График изменения удельного сопротивления копанию при промерзании массива:

1 – глина; 2 –аргиллит при W =14—17%; 3 – аргиллит при W = 8—9%; 4 – уголь; 5 – песчаник; КFм и КFТ – удельное сопротивление пород копанию соответственно в мерзлом и талом состояниях; hпр – глубина промерзания массива

Величина КF при экскавирующем органе определенного типа зависит также от его конфигурации, толщины режущих кромок, угла и схемы копания, размеров стружки.

Рисунок 13.8 График зависимости КF пород в массиве от глубины внедрения t ковша мехлопаты (b = 200 см):

1 – песчаники на кремневом цементе; 2 – алевролит; 3 – прочный уголь; 4 – суглинок

Уменьшение удельного и общего сопротивления копанию плотных и мерзлых пород достигается использованием у одноковшевых и многоковшевых экскаваторов ковшей полукруглой формы с острой режущей кромкой, выпуклой в плане и профиле (КF снижается на 10—20%), а при выемке роторными экскаваторами – увеличением числа одновременно режущих ковшей и установкой дополнительных режущих кромок или рыхлителей (Кр снижается на 8—15%). Затупление зубьев ведет к росту КF на 10—30%. Максимальное значение КF соответствует углу копания в профиле забоя 30--50°. Скорость копания в пределах до 2.5—4 м/с практически не влияет на величину КF.

Влияние схемы копания на величину КF зависит от структуры массива. При полусвободном и свободном копании удельное сопротивление ниже, чем при блокированном копании соответственно на 10—40 и 30---70%. Максимальная разница характерна для пород с резко выраженной блочностью (слоистостью).

При увеличении до определенных пределов площади (толщины) стружки КF уменьшается вследствие снижения степени дробления породы и удельного значения зоны уплотнения. Величина и предел уменьшения КF при увеличении толщины стружки тем больше, чем выше прочность экскаваируемой породы ( рис. 13.8), и зависит от трещиноватости массива. Рациональным при выемке мехлопатами является отношение толщины и ширины стружки t : b = 0.1—0.33, а при выемке роторными экскаваторами t:b 1.

Каждая модель выемочной машины (например, мехлопаты с ковшами различной емкости) характеризуется расчетным (номинальным) усилием копания Рн , а следовательно, и номинальными размерами стружек при необходимом усилии копания Рн. При Рк>Рн (Fф = const) для превышения определенной величины КF (следовательно, и определенной прочности пород) необходимо уменьшать площадь (толщину) срезаемой стружки. Для маломощных выемочных машин, у которых малы Рн и расчетная толщина стружки, уменьшение последней не позволяет наполнять ковш на пути черпания. Это сужает диапазон пород, которые можно экскавировать из массива маломощными машинами. С увеличением мощности выемочных машин уменьшается влияние сопротивление пород экскавации на техническую возможность выемки и производительность оборудования.

Снижение требуемого усилия копания, помимо уменьшения толщины стружек, достигается:

- применением свободной схемы копания, особенно при выемке скальных включений, для чего создаются дополнительные поверхности их обнажения;

- использованием силы тяжести породы в верхней части забоя для ее самообрушения или образования зоны предразрушения (пластических деформаций);

- многократными резами экскавируемого органа в пределах одной стружки, что увеличивает структурное ослабление близлежащего участка массива;

- уменьшением длины стружек, то при выемке машинами цикличного действия достигается выводом экскавируемого органа из забоя, а у машин непрерывного действия – увеличением числа режущих органов с уменьшением расстояния между ними.

Таким образом, на эффективность выемки влияют как физико-технические характеристики горных пород, так и тип применяемой выемочной машины, а также технологиеские параметры забоя. Тип выемочной машины, ее модель и параметры забоя должны соответствовать физико-техническим характеристикам разрабатываемой породы, прежде всего ее экскавируемости, определяемой сопротивлением копанию. Вместе с тем экскавируемость породы, как показано выше зависит от механизации и технологии выемки.

В качестве физико-технической основы сопоставления пород по экскавируемости, зависящей только от свойств и состояния пород, может использоваться относительный показатель трудности экскавации породы Пр.

Для мягких, плотных и полускальных пород (выемка из массива) этот показатель определяется по эмпирической формуле

Пэ.м = К1 (0.2Gсж + Gсдв + Gраст) + К2 g, (13.2) где Gсж, Gсдв, Gраст принимаются в МПа ; - в кг/ м3; g – в м/с2 ; К1 и К2 – эмпирические коэффициенты.

По величине Пэ.м горные породы, экскавация которых из массива возможна существующими и перспективными выемочными машинами, разделяют на пять классов (табл. 13.1). Породы у которых П`э.м>25, относятся к внекатегорийным.

Таблица 13.1. Классификация пород в массиве по экскавируемости

Классы Горные породы Сопротивление пород сжатию Gcж, МПа   Пэ.м

 

І     ІІ     ІІІ   ІV   V   Сплошные песчаные и неуплотненные мягкие Плотные: средней трещиноватости сильнотрещиноватые Плотные: сплошные (практически монолитные) средней трещиноватости Полускальнве породы чрезвычайно трещиноватые Плотные сплошные Полускальные: сильнотрещиноватые чрезвычайно трещиноватые Полускальные: средне трещиноватости сильнотрещиноватые чрезвычайно трещиноватые Полускальные: малотрещиноватые средней трещиноватости сильнотрещиноватые  
  Менее 1.5 –5   5 –10 8 –12   5 – 12 10 –18 20 – 30   12 – 18   20 – 30 30 -- 40   20 – 30 30 – 40 40 – 50   20 –30 30 – 40 40 -- 50   1 – 5     От 6 до 10     От 11 до 15     От 16 до 20   От 21 до25

 

Примечания: 1 Каждый класс включает и мерзлые породы предыдущих классов при равной глубине промерзания.

2. Нижние и верхние пределы Gсж соответствуют минимальным и максимальным Gсж : Gсдв и G сж : Gраст.

Расчетная величина П`э.м, учитывающая конкретный вид и типоразмер применяемой выемочной машины (а следовательно, и параметры черпания), определяется на основе Пэ.м:

П`э.м = КвКтрПэ.м, где Кв и Ктр - эмпирические коэффициенты, учитывающие соответственно конкретный вид выемочного оборудования ( таблица 13.2) и его типоразмер.

Таблица 13.2 Среднее значение коэффициента Кв

 

Продолжение темы: Технологические и физико-технические основы работ


Дата добавления: 2016-10-07; просмотров: 8237;

Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.019 сек.