Механические способы подготовки к выемке естественного камня

Сохранение физико-механических свойств и декоративности, а также достижение определенных 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 взрывчатых веществ при добычи блоков не рекомендуется, так как это приводит к появлению трещин в массиве и нарушению 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.

Рисунок 30.3 Схема гидроклиновой установки:

1 – насос; 2 – измерительная аппаратура; 3 – золотниковый распределитель; 4 – шланг; 5 – закладные гидроклинья; 6 – породный блок

Канатные пилы (рис. 30.4) различных конструкций являются основным средством направленного отделения мраморных блоков от массива и монолитов. Процесс пиления осуществляется за счет абразивного действия кварцевого песка, непрерывно подаваемого с водой в забой. Производительность канатных установок составляет 1.2 – 1.5 м³/ч. Достоинства канатных пил: простота конструкции и обслуживания, получение блоков необходимого размера и правильной формы, относительно небольшая энергоемкость пропила. Недостатки: сложность работы, снижение эффективности при наличии твердых включений и повышенной трещиноватости массива, большой объем горно-подготовительных работ.

Ударно-врубовые машины (ченнелеры) широко применяются на мраморных карьеров США, Канады, Франции и Испании. Машины могут производить вертикальные, наклонные, реже горизонтальные врубы. Рабочим органом этих камнерезных машин является комплект долот, которым сообщается возвратно-поступательное движение. При перемещении ченнелера по рельсам долота наносят удары по горной породе, разрушают ее и образуют врубовую щель шириной до 50 – 60 мм и глубиной до 6 м.

Рисунок 30.4 Схема канатной пилы:

1 – приводная станция; 2 – направляющие шкивы; 3 – пильные стойки; 4 – канат; 5 – натяжное устройство

Организация работ при работе ченнелеров предусматривает проведение вертикальных или наклонных врубов (в зависимости от трещиноватости или слоистости полезной толщи) на значительной площади кровли разрабатываемого слоя. Затем проводят разрезную траншею и производят горизонтальную отбойку нарезанных челеннерами блоков (чаще всего буроклиновым способом), подготовляя таким способом к выемке весь слой. Производительность ченнелеров составляет 0.8 – 1.2 м³/ч или 5 – 8 м²/смену. Ударно-врубовые машины имеют относительно высокую производительность при прочном мраморе, дают возможность получать блоки рациональных размеров. Недостатки их применения: увеличенная ширина вруба, большая энергоемкость разрушения, возможное нарушение прочности камня из-за большой энергии одиночного удара. Применение ченнелеров рекомендуется при их производительности не менее 5 м²/смену на карьерах мощностью до 1000 – 1500 м³ блоков в год.

Камнерезные машины разделяются на дисковые, баровые и с кольцевой фрезой. Выбор типа камнерезной машины определяется главным образом прочностью горной породы, потребными размерами продукции и выбранной технологией вырезки камня.

Подготовка пильного камня к выемке включает три операции (рис. 30.5): нарезку поперечных пропилов (1); горизонтальный пропил на длину заходки (2) и нарезку затылочного пропила и отделение камня от массива по всей длине заходки (3).

Рисунок 30.5 Схема очередности (1 – 3) пропилов при работе камнерезных машин

Дисковые машины применяют для резания камня с пределом прочности при сжатии σсж = 1÷25 МПа, машины с цепными барами – при σсж = 1 ÷ 10 МПа, камнерезные машины с кольцевыми фрезами – при σсж = 5 ÷ 120 МПа.

При использовании дисковых пил максимальная глубина пропила (м) определяется из выражения

h = 0.5(D – d), (30.1) где D – диаметр диска, м; d – диаметр фланца, м.

Чтобы избежать трения фланца о породу, необходимо принимать h = 0,4D, что составляет 0,3 – 0,5 м. Производительность камнерезных машин, оснащенных дисковыми пилами, равна 4 – 20 м³/ч (рис. 30.6). Преимущества камнерезных машин с дисковыми пилами заключается в простоте конструкции, надежности эксплуатации, обеспечения минимальной толщины пропила. Недостаток дисковых пил – малый коэффициент использования корпуса диска по диаметру.

Рисунок 30.6 Камнерезная машина СМ-89А

Для увеличения коэффициента использования длины рабочего органа и добычи крупных блоков стенового камня на карьерах применяют камнерезные машины с кольцевыми фрезами. У этих машин использование рабочего органа по диаметру составляет 65 -75 %. Кольцевые фрезы обеспечивают глубину пропила до 1025 мм. Для добычи крупных стеновых блоков с пределом прочности при сжатии до 40 МПа в основном применяется машина СМ-580А (рис. 30.7), имеющая производительность по горной массе 4 – 12 м³/ч.

Машина СМ-177А (рис. 30.8) предназначена для вырезки крупных блоков мрамора, мраморизированного известняка и других сходных с ними горных пород. Эксплуатационная производительность машин на мраморе – от 6 до 20 м² пропила в смену. Степень механизации процесса подготовки блоков к выемке составляет 60 – 70 %. Достоинства машины СМ-177А: надежность эксплуатации, высокая производительность при резании прочного мрамора (σсж 120 МПа), правильная форма и ровные поверхности вырезаемых блоков. Недостатки: ограниченные размеры блока по ширине и высоте, значительные потери мрамора из-за ширины пропила 34 – 36 мм, снижение выхода блоков при развитой системе трещин.

 

Рисунок 30.7 Камнерезная машина с кольцевыми фрезами СМ-580А

Модификация машины СМ-177А является камнерезная машина СМ-428, которая применяется в основном для подрезки мрамора при планировки кровли пласта, т. е. для производства работ по скальным вскрышным породам. Она обеспечивает монолитность нижележащего массива.

При добыче крупных блоков известняка и мрамора широко распространен алмазный инструмент. В Бельгии и Франции эффективно используются камнерезные машины, оснащенные алмазными сегментными отрезными кругами диаметром 2.5 – 3.0 м. Алмазные отрезные круги диаметром 0.5 – 0.8 м широкое применение получили в США, где ими оснащаются малогабаритные добычные камнерезные машины, а также в Австралии при разработке песчаника. Использование таких машин целесообразно при разработке месторождений осадочных, метаморфических и изверженных горных пород с σсж ≤ 100 – 120 МПа. По сравнению с камнерезной машины СМ-177А, оснащенные алмазным инструментом, имеют следующие основные преимущества: производительность труда рабочих увеличивается в 2.5 раза, затраты на создание щелевого пропила и потери полезного ископаемого на пропил сокращаются в 2 раза, повышается качество поверхностных граней вырезаемых блоков.

Для подготовки к выемке крупных блоков применяются также камнерезные машины с цепными (баровыми) режущими органами. Использование длины рабочего органа при этом составляет 85 – 90 %.

Типичной машиной подобного рода является двухбарабанная камнерезная машина КМАЗ-188, которую обычно применяют при прочности камня 4 -5 МПа; при этом производительность ее не превышает 1 - 2 м³/ч по горной массе. Камнерезная машина КБЦ-3а (рис. 30.8) вырезает блоки размером 1 м, производительность ее в смену доходит до 18 м³.

 

Рисунок 30.8 Схема универсальной камнерезной машины СМ-177А:

1 и 3 – соответственно нижняя и верхняя тележки; 2 – катки; 4 – электродвигатели;

5 – редукторы; 6 – опорный вал; 7, 8 и 13 соответственно поперечная продольная и горизонтальная фрезы; 9 – направляющие ролики; 10 – тросы; 11 – лебедки; 12 – муфты; 14 – ведущая шестерня; 15 – рельсы

На ряде карьеров облицовочного известняка и мрамора (Бельгия, Франция, Италия) распространены машины, оснащенные тонкими барами (толщиной 25 – 30 мм) с твердосплавными резцами. Производительность таких машин на мраморовидном известняке составляет 5 м² вруба в час при стойкости инструмента 1000 – 1200 м² пропила.

Рисунок 30.8 Схема камнерезной баровой машины КЦБ-3а:

1- бар; 2 – цепь; 3 – звездочка; 4 – электродвигатель; 5 – колонка; 6 – трос; 7 – кронштейн; 8 – ролики; 9 – колесо; 10 – ручка; 11 – лебедка; 12 – головка; 13 – бачок с водой; 14 – твердосплавные пластинки; 15 - планки

К достоинствам камнерезных машин с цепными режущими органами относятся: малые размеры и масса, маневренность в забое, относительно небольшая энергоемкость резания, возможность осуществления глубоких пропилов, Вместе с тем этому типу режущего органа свойственен ряд недостатков, основными из которых являются быстрый износ (вследствии большого числа подвижных звеньев) и наличие больших динамических нагрузок. Конструктивно цепные фрезы значительно сложнее дисковых пил.