Ммеханическая отбойка

Скважинная отбойка

Создание скважинной отбойки является одним из важнейших достижений в технологии подземной разработки рудных месторождений. Приоритет создания планомерной скважинной отбойки руд принадлежит СССР, где ее начали применять с 1931—1932 гг. на железных рудниках и с 1947—1948 гг. на рудниках цветной металлургии.

Рис. IV.8. Схемы отбойки скважинами: на открытое пространство; б—в зажиме

Скважины имеют глубину от 5 до 60 м и более, диаметр от 30—40 до 150—200 мм. Диаметр скважин принято подразделять на малый (уменьшенный) — менее 90 мм и большой (увеличенный) — более 90 мм. Во взрывной отбойке на рудниках СССР удельный объем скважинной отбойки составляет около 50%; в общем объеме скважинной отбойки удельный объем скважин малого диаметра составляет около 15%, но в ближайшие 10—15 лет станет преобладающим.

Схемы отбойки. Скважинами обычно отбивают руду послойно располагая их рядами (или веерами), параллельными поверхности массива, на которую производится отбойка (рис. IV.8, IV.9). Эта поверхность может граничить как со значительным свободным пространством, достаточным для увеличения объема взорванной руды в 1,3—1,5 раза (отбойка на свободное пространство), так и с раздробленной на куски горной массой (отбойка в зажиме).

Обычно применяют многорядное (по 2—5 рядов или вееров) короткозамедленное (15—50 м/с) взрывание скважин. Замедление в большинстве случаев производят по рядам (веерам), начиная < крайнего ряда, а иногда замедляют взрывание скважин и внутри ряда—в шахматном порядке (рис. IV. 10).

По возможности следует располагать отбиваемые слои вертикально и взрывать их одновременно с противоположных сторон) очистного пространства, чтобы обеспечить соударение слоев для лучшего дробления руды.

Расположение скважин. По углу наклона слоев можно выделить:

отбойку вертикальными и крутонаклонными слоями (рис. IV.11);

отбойку горизонтальными и слабонаклонными слоями.

При вертикальных слоях разбуривают блок с одного или двух-трех ярусов, тогда как при горизонтальных слоях необходимо гораздо большее число ярусов.

Первоначально обе эти схемы имели одинаковое распространение, в последующем решительное предпочтение получила отбойка вертикальными (или крутонаклонными) слоями, так как малое число ярусов бурения ко облегчает доставку станков, их эксплуатацию и улавливание бурового шлама в буровых выработках.

При вертикальных и крутонаклонных слоях различают этажную скважинную отбойку и подэтажную скважинную отбойку (см, рис. IV. 11). В первом случае отбивают всю руду в камере или блоке из выработок, пройденных на уровнях только верхней и

IV.9. Расположение скважин:

а - параллельное (/—участок отрыва оконтуривающей скважиной; 2—то же, одной из средних скважин ряда); б—веерное; в—пучковое.нижней его границ;

во втором случае буровые выработки имеются также на промежуточных уровнях (подэтажах). Соблюдать с достаточной точностью проектное расположение скважин проще всего при вертикальном положении отбиваемых слоев. Однако иногда целесообразно наклонять слои под углом» 45—80°. Выбор угла наклона слоев может зависеть от трещиноватости руды, точнее, от слоистости руды, если она явно выражена, а также от угла падения залежи. При большом расстоянии между плоскостями ослабления! целесообразно располагать скважины перпендикулярно к плоскости основной системы трещин, с тем чтобы исключить отделение взрывом крупных частей массива' и уменьшить утечку газов взры­ва по трещинам. При мелкослоистой руде (при относительно малом расстоянии между пло­скостями трещин), наоборот, целесообразно бурить скважины

параллельно плоскостям господствующей трещиноватости; это позволяет отделять большие объемы руды каждой скважиной при удовлетворительном дроблении.

Угол падения залежи имеет значение преимущественно при этажной отбойке в крутых залежах средней мощности с углом падения 30—70°. Здесь лишь при наклоне слоев по падению залежи можно отбить по основной схеме весь запас блока. При обычных типах ВВ наибольшее число отказов при взрываний имеет место в обводненных скважинах. Поэтому стараются располагать скважины так, чтобы бурить их снизу вверх, а скважины нисходящие пробуривать до подсечного пространства.

Расположение скважин в отбиваемом слое. Различают параллельное расположение скважин и веерное расположение скважин (см. рис. IV.9). При параллельном полнее используется длина всех скважин, так как отсутствуют сближенные участки; заряды

ВВ равномернее распределяются в массиве; меньше расход скважин. Достоинства веерного расположения: меньший объем нарезных работ по проходке буровых выработок; с каждого места бурят несколько скважин а, не одну, как при .параллельном расположении) .

Более распространено веерное расположение, причем сравнительная (а не только абсолютная) эффективность его повышается с ростом производительности бурения.

Веерное расположение скважин диаметром 100—150 мм выгоднее параллельного при скорости бурения приблизительно не менее 10 м/смену.

Параллельное расположение может быть рекомендовано главным образом при бурении из очистного пространства, а также при отбойке комплектами параллельных сближенных скважин, о которой будет сказано ниже. Оно было бы рациональным при бурении диаметром 200—250 мм и более, что позволило бы ограничиться одним буровым горизонтом.

Расстояние между скважинами в ряду или в веере принимается в определенном соотношении с л. н. с. При параллельном расположении скважин это соотношение (как и при шпуровой отбойке)

называют коэффициентом сближения скважин т== ,у, где а—расстояние между скважинами в ряду; W — л. н. с.

Применительно к веерному расположению расстояние между скважинами в веере регламентируется величиной Яшах—расстоя­нием по нормали от конца данной скважины до ближайшей более длинной скважины (см. рис. IV.8).

Учитывая, что в основной части веера расстояние между скважинами меньше указанной величины, за соизмеримый с парал­лельным расположением скважин параметр веера можно принять

а==0,8атах.

При мгновенном взрываний зарядов в ряду (веере) коэффициент сближения скважин во избежание пробоя по плоскости их расположения принимают увеличенный до 1,6—2, иногда до 3—4, а при взрываний поочередном или в шахматном порядке—1,0— 1,2 (квадратная сетка).

При расстоянии между скважинами в ряду меньше л. н. с. (п<1) возможен преждевременный прорыв газообразных продуктов взрыва между скважинами.

При наличии господствующей системы трещин коэффициент сближения скважин увеличивают в случае расположения скважин параллельно основным трещинам и, наоборот, уменьшают при пер­пендикулярном расположении.

Пучковое расположение скважин. Это означает, что из одного места пробурено несколько вееров скважин в различных плоско­стях (см. рис. IV.9). Пучковое расположение применяют в основном лишь для посадки потолочин и разрушения целиков. Взрывают скважины в пучке одновременно или с короткими замедлениями по веерам.

Бурение скважин. Применяют; следующие способы бурения:

штанговое (перфораторами с составными бурами), погружными пневмоударниками (вращатель работает около устья скважины), шарошечное, вращательное твердосплавными и алмазными коронками.

Штанговое бурение является основным способом бурения скважин уменьшенного диаметра (50—90 мм). Перфораторы применяют тяжелые, в большинстве те же, что и для бурения шпуров (см. выше), в основном с независимым вращением бура.

При ударно-вращательном бурении с увеличением глубины скорость бурения снижается примерно по гиперболической зависи­мости. Это объясняется расходованием энергии удара на преодо­ление инерции удлиненной колонны штанг, ухудшением условий удаления продуктов разрушения из забоя и недостаточной вели­чиной крутящего момента. Поэтому в крепких породах скорость бурения перфораторами с геликоидальным стержнем становится незначительной при глубине 10—12 м. Независимое вращение бурового инструмента позволяет увеличивать глубину до 30—50 м.

На отечественных рудниках для бурения скважин диаметром 50—70 мм и глубиной до 30 м в любом направлении по породам и рудам крепким и средней крепости используются преимущественно машины, вращателно-ударного действия БУ-70У, СБУ-Зк, БУВ-1, КБУ-50. Производительность машин БУВ-1 и КБУ-50 при бурении коронкой диаметром 56 мм по породам с коэффициентом крепости 12—14 составляет 50—60 м/смену.

Для отбойки руды веерами скважин из наклонных (10—45°) восстающих на Ачисайском полиметаллическом комбинате создан перемещающийся на салазках станок ударно-поворотного действия БСМ-1.Для бурения веерных и параллельных скважин по породам крепким и средней крепости применяют буровую установку «Удар-2» Востокмашзавода (табл. IV.5), а также некоторые из самоходных шахтных буровых установок, используемых и для бу­рения шпуров (см. гл. IV, § 5).

Производительность перфоратора с независимым вращением бура при различной глубине и различных диаметрах характеризуется следующими величинами (в относительных единицах);

при диаметре 50 мм, 60 мм, 75 мм и 85 мм—соответственно 1,3; 1,0; 0,75 и 0,6;

при глубине до 10 м,до 15м, до 20м и до 50м—соответственно 1,2; 1,0; 0,8 и 0,7.

На рудниках СССР используются также зарубежные самоход­ные буровые установки.

Для бурения скважин диаметром 51—70 мм на подземных рудниках США, Канады, Швеции, Австралии и других стран наи­более широко применяют мощные колонковые перфораторы с энергией удара до 26 кгс-м и диаметром поршня до 130 мм. Пер­фораторы от одного до двух монтируются на манипуляторах само­ходных пневмоколесных буровых установок. Эти установки — двух- и трехперфораторные (табл. IV.6). Производительность уста­новки 300—500 м/смену или 1000—2000 т/смену.

В отношении использования гидравлических перфораторов для скважин диаметром 50—100 мм и автоматизации управления буровым оборудованием к бурению скважин относится все то же, что сказано об этом выше применительно к бурению шпуров.

Бурение погружными пневмоударниками. Этот способ (предложен С. П. Юшко в 1949—1951 гг.) устранял основной недоста­ток перфораторного (штангового) бурения—поглощение силы удара инерцией колонны штанг. В скважину вводится только ударный механизм, вращение его осуществляется через став штанг вращателем, установленным около скважины.

Основной объем бурения скважин на отечественных рудниках производится с помощью погружных пневмоударников станками НКР-ЮОм (см. табл. IV.5), диаметр скважин 105—110 мм и станками ЛПС-3, диаметр 150 мм. Выпускаются пневмоударники ПБ-85 для бурения скважин диаметром 85 мм (при диаметре менее 75—80 мм значительно уменьшается энергия единичного удара, а многопоршневые конструкции создать затруднительно).

Отечественные станки с погружными пневмоударниками смонтированы на распорных колонках, вращатель—пневматический.

Производительность станка при бурении скважин диаметром 100 мм в направлении от вертикального вниз до наклонного вверх с углом наклона не более 30° на глубину до 50 м по породам с коэффициентом крепости 4—6, 10—14 и 19—20 составляет соответственно 40, 15 и 5 'м/смену.

Увеличение глубины скважины снижает скорость бурения в связи с ростом продолжительности спуско-подъемных операций, повы­шением затрат энергии на преодоление трения штанг о стенки скважин и при бурении вверх снижает давление инструмента на забой. При бурении восходящих скважин уменьшение осевого дав­ления на забой снижает скорость, например, на 20—40% при глубине до 40—50 м.

Для современных 'конструкций пневмоударников оптимальное давление сжатого воздуха 5—7 кгс/см², так как при большем дав­лении учащаются поломки инструмента.

Пути повышения производительности бурения: улучшение качества металлов и твердого сплава, а также технологии изготовления машин и инструментов; более высокая механизация и автоматизация вспомогательных операций, которые занимают 20—40% общего времени; применение самоходных пневмоколесных кареток.

^ь Буровые камеры для бурения горизонтальных скважин станками НКР-ЮОм должны быть высотой не менее 2 м, шириной 3—3,5 м, а длиной не менее 2,5 м. При бурении восходящих или нисходящих скважин высота буровой камеры (бурового штрека, орта) должна быть 3—3,5 м, ширина — не менее 2,5 м.

Перед началом работы маркшейдер согласно паспорту буро-взрывных работ определяет в забое места устьев скважин и ос­новную линию для отсчета углов в горизонтальной плоскости. Углы в вертикальной плоскости устанавливаются обычно с помощью угломера бурильщиком по заданным величинам.

Для уменьшения отклонения скважин от проектного направле­ния распорная колонка станка должна точно устанавливаться вертикально в обеих взаимно перпендикулярных плоскостях с по­мощью отвеса и горного компаса.

Два человека обслуживают два или три станка и лишь в виде исключения—один станок, если он работает в удаленном забое.

Погружные пневмоударники применяют главным образом в крепких породах при глубине скважин более 10—12 м (при мень­шей глубине эффективнее штанговое бурение).

На зарубежных рудниках применяются станки для бурения взрывных и вспомогательных скважин диаметром 80—200 мм и глубиной до 150 м погружными пневмоударниками, как правило, самоходные на пневмошинах с дизельным или электрическим при­водом хода и гидроприводом для вращения бурового става; ис­пользование гидропривода повышает эффективность бурения на глубину более 30—40 м.

Шарошечное бурение скважин заимствовано из нефтяной промышленности. Для подземной отбойки руд использовать его пред­ложил И. М. Бирюков в 1949 г. В отличие от нефтяной, в горно­рудной промышленности применяются меньшие диаметры скважин и промывочная вода (вместо глинистых растворов), а шаро­шечные долота армируются твердым сплавом.

Наиболее распространен станок БШ-145 института Гипромашобогащение (рис. IV. 14, см. табл. IV.5).

Глубина скважин до 50—60 м (а в опытном порядке до 100 м при диаметре 145 и 214 мм). При максимальной глубине искривление скважин не превышает 2—2,5 м. Для бурения нисходящих скважин рудники вносят в станок конструктивные .изменения, однако скорость бурения нисходящих скважин снижается на 15— 20% в связи с худшей очисткой забоя скважины от продуктов разрушения пород.

Переносные шарошечные станки применяют в основном для бурения вееров глубоких скважин диаметром 150 мм в крепких и очень крепких породах.

Каждый шарошечный станок обслуживается двумя рабочими, два станка — тремя рабочими.

Разрабатывается самоходный станок шарошечного бурения скважин диаметром 150—190 мм и более.

Преимущества шарошечного бурения по сравнению с погружными пневмоударниками:

меньше запыленность атмосферы и меньше шум при работе станка;

более высокая (в 2—3 раза) производительность станка;

меньший износ долот по диаметру и более высокая стойкость их;

меньшая стоимость бурения на 1 м³ отбитой руды. Преимущества бурения скважин погружными пневмоударниками по сравнению с шарошечным бурением (переносными станками);

более легкое и транспортабельное оборудование;

меньшее число обслуживающих рабочих;

более широкая область возможного применения, включая залежи ограниченной мощности с неправильным залеганием, где приемлемый диаметр скважин не превышает 100 мм.

При переносном оборудовании шарошечное "бурение целесообразно при их веерном расположении, не требующем частых перестановок станка. Пневмоударное бурение выгоднее главным образом на подэтажах, когда доставка станка к месту работ затруднена, а также при бурении параллельных и одиночных скважин, требующем частых передвижек станка.

Мминная отбойка

Минная отбойка — это отбойка сосредоточенными зарядами большой массы, размещаемыми в специально проходимых для этой цели или имеющихся выработках. Производится она как на свободное пространство, так и на обрушенную ранее гор­ную массу (в зажиме); может применяться 'при разработке мощных месторождений крепких руд. Устойчивость руд желательна не ниже средней, однако можно отбивать в зажиме и сильно трещиноватые массивы.

Отбивают руду вертикальными или горизонтальными слоями (рис. IV.18).

Основные схемы минной отбойки: с минными карманами и забутовкой; без минных карманов и забутовки.

Сперва появилась первая схема, но в силу существенных своих недостатков теперь применяется реже. При ней (см. рис. IV. 18) минный орт (штрек) проходят сечением 1,5Х1,8 м, из него высекают карманы сечением 1,2Х1,8 м, а под карманами иногда обра­зуют минные колодцы глубиной 0,5—1 м. Руду, полученную при нарезке карманов и колодцев, временно размещают в орте, а затем, после заряжания, используют для заполнения (забутовки) свободной части карманов. При нарезке карманов и колодцев и забучивании перемещают руду в основном вручную. В связи с этим, иногда отказывались от нарезки карманов и располагали заряды непосредственно в прямолинейных выработках без забу­товки. Положительные результаты таких взрывов позволили уза­конить (по предложению М. А. Альтшулера) схему без минных карманов и забутовки (см. рис. IV.18). В этом случае заряды размещают непосредственно в минных ортах через 5—8 м.

При этой схеме, по сравнению с предыдущей, уменьшается трудоемкость работ, улучшаются условия труда, но увеличивается примерно в 1,5 раза удельный расход ВВ и усиливается разрушающее действие взрыва на окружающие выработки. Для уменьшения последнего недостатка в выработках по направлению распространения взрывной волны выкладывают костровые перемычки из шпал или устанавливают гидравлические перемычки толщиной около 0,8 м из полиэтиленовых мешков, заполненных водой. Применяют также опережающую взрывную забутовку.

Для сокращения объема минных выработок следует стремиться к увеличению л. н. с., однако это снижает равномерность дробления руды, особенно в крупноблочных массивах. Л.н.с. при минной отбойке обычно 8—10 м. При л.н.с. менее 6 м подрываются минные выработки, предназначенные для очередного взрыва, а при л.н.с. более 12 м получается чрезмерный выход негабаритных кусков (до 30% и более), нарушается окружающий массив, что приводит к еще более неравномерному дроблению руды последующими взрывами. В случае принудительной посадки налегающих пород, если при этом степень дробления не имеет значения, л. н. с. иногда увеличи­вают до 14 м и более.

Площадь забоя на один заряд

s=a6w(0,6—l,l)w²,

где а; Ь — расстояния между зарядами во взаимно перпендику­лярных направлениях; а: Ь =0,75—1,3. Крайние заряды располагают на расстоянии (0,3—0,4) W от

проектного контура отбойки.

Величина заряда составляет обычно от 0,5 до 3 т и (при от­бойке слоя несколькими зарядами) определяется по формуле

Q=6a3f(»)/W^. КГ, (IV.21)

где баз—удельный расход ВВ в базисных условиях, т. е. при f(n)==\; йзаб==1, приблизительные значения его при коэффициенте крепости пород 6; 10; 16; 20 равны со­ответственно 1,5; 2,2; 3,0; 3,5 кг/м³;

f(n) —функция показателя действия выброса, выбирается в зависимости от назначения взрыва. Для отбойки > руды f(n)w 1, если же обрушают породы, а качест­во дробления не играет роли, то можно снижать этот

коэффициент до 0,4;

kaaQ—коэффициент забойки, изменяющийся от 1 при забутованных минных выработках до 1,5 при взрываний без минных карманов и забутовки. Для одиночного заряда Q=W^Wsa6. кг. (IV.22)

Пример. Рассчитать поэтажную минную отбойку руд с коэффициентом кре­пости 16 без минных карманов и забутовки в камере шириной 30 м и высотой

(от подсечки) 36 м.

Решение. Принимаем q==3> кг/м³; f=:\; &заб=1,5. Высота .подэтажа может

быть W=36:3==12 м или 36:4=9 м, или 36:5=7,2 м. Принимаем W==9 м. Расстояние минных ортов от границ камеры 9-0,3 w 3 м. Следовательно, расстоя­ние между минными ортами может быть а ==(30—6) :3==8 м, или (30t—6) :2== ==12 м. Принимаем а==8 м; расстояние между зарядами в орте 6 м.

Тогда Q=3-l-l,5-8-6=1850 кг.

Минная отбойка дешевле и производительнее шпуровой отбойки, а иногда и окважинной при очень крепкой руде.

Недостатки: неровные контуры выемки; увеличенные (примерно в 1,5 раза против скважинной отбойки) потери и разубоживание руды; нарушение окружающего массива и частичное разрушение ближних выработок.

В свое время минная отбойка была распространена, но в последующем, в связи со своими существенными недостатками, она почти вытесняется скважинной отбойкой.

В дальнейшем минная отбойка будет иметь вспомогательное значение, например обрушение пустых породи рудных потолочин, в которых есть выработки для размещения зарядов. Как основной способ она может сохраниться на какое-то время в ограниченных масштабах для выемки очень абразивных руд, в которых еще не достигнуты удовлетворительные результаты по бурению скважин, а также для сильно трещиноватых руд, если в них взрывные скважины пересыпаются.

Ммеханическая отбойка

Механическая отбойка—отделение полезного ископаемого от массива при помощи различных инструментов. Осуществляют ее машинами и лишь в незначительном объеме отбойными молотками.

Машинную механическую отбойку руд в СССР применили впервые в 1952 г. на марганцевых рудниках Никопольского бассей­на и в 1964 г. на Солигорских калийных рудниках. Удельный объем машинной отбойки в СССР уже достиг на калийных рудниках примерно 70%, на марганцевых рудниках—50% и продолжает расти.

Классификация разновидностей механической отбойки:

отбойка горными комбайнами и комплексами;

отбойка врубовыми машинами;

пиление;

разрушение бурением (без взрывания).

Основная доля приходится на горные комбайны и комплексы, которые и применяют на калийных и марганцевых рудниках. Врубовые машины используют сравнительно редко и лишь для вспомогательных целей. Пиление и рузрушение бурением применяются в специфических условиях. Причем разрушение бурением осуществляют при выемке только тонких жил 'в порядке эксперимента.

Ниже рассматриваются отбойка комбайнами и комплексами и пиление.

Отбойка комбайнами и комплексами. Общие сведения. Комбайнами отбивают руду и грузят ее на конвейер, в самоходный вагон или другие достаточные средства. Применяют комбайны главным образом при естественном поддержании очистного Комплекс же включает в себя комбайн, конвейер для доставки ру­ды и гидрофицированную крепь. Применяют комплексы в тех случаях, когда вынимают руду под защитой крепи и сразу вслед за выемкой обрушают кровлю.

Условия применения. Комбайны и комплексы современных конструкций могут применяться лишь при следующих условиях: сравнительно мягкие руды (коэффициент крепости до 3—5); угол па­дения пласта не более 10—15°; малая мощность пласта—не более 3—5 м, что определяется высотой комбайновой выемки (экспериментируется комбайновая двуслойная выемка при мощности 7— 8 м); выдержанная мощность пласта.

Отвечают этим условиям пласты марганцевых и калийных руд. Соответственно механическая отбойка больше распространена при разработке калийных солей (СССР, ГДР, Франция, США и др.) и марганцевых руд (СССР), в меньшем объеме при добыче мягких железных руд (ФРГ).

Испытывают разрушения руд средней крепости гидроударниками.

Типы комбайнов и комплексов. Используют проходческие и очистные комбайны, имеющиеся на угольных шахтах, модификации этих комбайнов, созданные с учетом условий добычи тех или иных руд, а также специально сконструированные машины и комплексы (табл.IV. 11).

Комбайны проходческого типа с лобовым размещением рабочего органа используют для очистной выемки узкими забоями (камерами) обычно в сочетании с самоходными вагонами или конвейерами, для доставки руды от комбайна до места перегрузки на магистральный транспорт.