Разрушение и транспортирование горных пород

Разрушение горных пород – основной процесс горного производства. Разрушение происходит при отделении пород от массива механическими и любыми другими способами – при бурении горных пород, их взрывании, дроблении и измельчении на последующих стадиях переработки.

Разрушаемость пород может быть оценена соответствующей работой разрушения; ее величина обусловлена пределами прочности, упругими и пластическими свойствами горных пород.

Все породы по относительной трудности разрушения разделены на пять классов и на 25 категорий:

1 класс – мягкие, плотные и полускальные связные породы (п_тр = 1÷5); категории пород: 1-5;

2 класс – лекгоразрушаемые скальные породы (П_тр = 5,1÷10); категории пород: 6-10;

3 класс - скальные породы средней трудности разрушения (П_тр = 10,1÷15); категории пород: 11-15;

4 класс – трудноразрушаемые скальные породы (П_тр = 15÷ 20); категории пород 16-20;

5 класс - весьма трудноразрушаемые скальные породы (П_тр = 20,1÷25); категории пород: 21-25;

Таким образом, по трудности разрушения все породы делятся на 25 категорий; показатель категории совпадает с величиной П_тр. Редко встречающиеся породы с П_тр >25 относятся к внекатегорным.

Связные и рыхлые породы, а также твердые (предварительно ослабленные) отделяют от массива режущими кромками и зубьями выемочных агрегатов: скреперов, бульдозеров, экскаваторов, врубовых машин, очистных и проходческих комбайнов и струговых установок.

Режущая кромка или зуб агрегата под действием либо статистических, либо динамических усилий внедряется в массив и откалывает относительно небольшие куски (или снимает стружку) от массива. Этому процессу соответствует особые горнотехнологические параметры, характеризующие породу - удельные усилия резания, зарубания, откола, внедрения и т.д. Основные разрушающие напряжения при этом – сжимающие и сдвигающие. Поэтому в процессе резания основную роль играют прочностные и упругие параметры пород.

Как известно, породы, обладающие большой прочностью, не могут быть отделены от массива непосредственно выемочными агрегатами. В таких случаях используют предварительное рыхление массива буровзрывным способом.

Эффективность бурения взрывных скважин оценивается скоростью бурения, которая зависит от следующих факторов:

-способности пород разрушаться под действием бурового инструмента (основной фактор);

-вида и формы бурового инструмента и способа бурения; усилий и скорости -воздействия бурового инструмента на забой скважины;

-диаметра скважины и в ряде случаев ее глубины;

-способа, скорости и тщательности удаления из забоя скважины буровой мелочи, препятствующей разрушению породы.

Все перечисленные факторы определяют технологические параметры буровых станков; основной фактор – способность пород разрушаться – оцениваться буримостью пород.

Буримость – степень сопротивления породы разрушению буровым инструментом. Она включает в себя в скрытом виде такие механические характеристики пород, как упругие свойства, прочность, пластичность, а также технологические показатели – твердость, вязкость, и абразивность.

Все горные породы по величине П_б подразделяются на 25 категории (П_бот 1 до 25) с выделением пяти классов:

1 класс – лекгобуримые (П_б= 1÷5)

2 класс - средней трудности бурения (П_б= 6÷10)

3 класс – труднобуримые (П_б= 11÷15)

4 класс – весьма труднобуримые (П_б= 16÷20)1

5 класс – исключительно труднобуримые (П_б=21÷25)

Породы с показателем П_б > 25 относятся к внекатегорным. Введение показателя П_б упорядочивает и облегчает технологические расчеты буровых установок: их производительность, режим и техническую скорость бурения в конкретных горнотехнологических условиях.

Физические свойства и явления в породах используются не только для расчета параметров существующих станков, но и для совершенствования способов механического бурения. Интерес представляют методы гидравлического воздействия, методы приложения к породам упругих колебаний, ударных нагрузок и др.

При термическом бурении на породу воздействует высокотемпературная сверхзвуковая газовая струя, которая интенсивно разогревает тонкий поверхностный слой породы и вызывает в нем термические напряжения, приводящие к отколу от поверхности мелких чешуек.

Следовательно, термическое бурение пород происходит путем «шелушения», хрупкого отделения от нагреваемой поверхности небольших пластинок породы.

При взрыве образуется зона сжатия (зона пластических деформации), в которой порода либо переизмельчается (скальные и полускальные породы), либо уплотняется (часть плотных и мягкие глинистые породы). При этом преодолевается сопротивление породы силам сжатия и сдвига. При взрывном дроблении массива скважинными зарядами радиус зоны сжатия составляет (1-7,5)d³, где d³ – диаметр заряда.

За зоной сжатия расположена зона трещинообразования; радиус ее при скважинных зарядов составляет (20-50)d³. Здесь энергия взрыва расходуется на преодоление сопротивления породы с сдвигу, растяжению и частично сжатию.

За зоной трещинообразования следует зона сотрясения, которая с удалением от заряда переходит в зону упругих деформации. Зоны сжатия и трещинообразования образуют вместе зону регулируемого дробления. В зоне сотрясения также частично происходит разрушение пород по естественным трещинам (без дробления отдельностей массива)- это зона нерегулируемого дробления. При взрывных работах стремятся максимально увеличить зону регулируемого дробления путем управления действием взрыва. Разрушение пород при взрыве происходит в результате совокупного воздействия расширяющихся продуктов детонации, ударных волн и волн разгрузки. Расширяющие газы разрушают пород непосредственно в месте закладки ВВ. Одновременно они передают энергию взрыва в массив. Коэффициент передачи энергии взрыва в массив составляет 0,4 -0,6. Энергия в массиве вблизи заряда распространяется в виде ударной волны.

Разупрочнение (ослабление) пород- технологический процесс, применяемый либо с целью исключения буровзрывных работ, либо с целью повышения эффективности их. Ослаблению чаще всего подвергают мерзлые горные породы. Как известно, из-за смерзаемости рыхлых и связных пород на вскрышных работах пи добыче мягких и влажных руд, глин, песка, гравия в зимнее время возникают существенные затруднения.

Многочерпаковые и роторные экскаваторы, а также бульдозеры и скреперы вообще не способны разрабатывать мерзлую горную породу без предварительной ее подготовки к выемке.

Ослабление мерзлых пород осуществляют механическими и немеханическими методами.

Наиболее часто механическое рыхление осуществляют буровзрывными работами, рыхлителями, дизель –молотами и т.д.

В случае поверхностного нагрева применимы закономерности распространения тепла в полубесконечном твердом теле.

Разогрев пород с поверхности при большой глубине нагрева длителен, мало производителен и дорог.

Оттаивание пород осуществляют также непосредственным пропусканием электрического тока по разогреваемому участку.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Ржевский В.Н. Основы физики горных пород. М.: Недра 1989. 672 с.

2. Новик Я.С. Физика горных пород. М.: Недра 1986. 458 с.

3. Астафьев Ю.П. Управление состоянием массива горных пород. Киев ВШ. 1986. 672 с.

4. Арсентьев А.И. Устойчивость бортов и осушение карьеров. М.: Недра

1986. 359 с.