Учебное пособие: Підготовка гірських порід до виймання

Лекція 3

Тема: Підготовка гірських порід до виймання

Мета: отримати уявлення про підготовку гірських порід до виймання, знання про вибух та вибухові матеріали

План

1. Основні відомості та поняття теми

2. Види буріння та їх основна характеристика

3. Поняття про вибухові речовини

4. Первинне та вторинне підривання

5. Характеристика деяких вибухових речовин

При відкритій розробці міцних гірських порід, які не піддаються відділенню від масиву безпосередньо робочими органами машин, необхідно відділити породу від масиву і дробити її до необхідної крупності. В даний час ці роботи виконують буропідривним способом.

Основні об'єми видобувних і розкривних робіт на рудних кар'єрах виконуються за рахунок вибуху зарядів вибухової речовини (ВР) в пробурених свердловинах, рідше в спеціальних виробках, пройдених з цією метою.

Вибухові свердловини в основному бурять механічними способами з використанням верстатів обертальної дії. Гірський масив спушують в основному методом вертикальних та похилих свердловинних зарядів діаметром від 190 до 320 мм. В даний час на кар'єрах застосовують фізичні способи буріння, до яких в першу чергу слід віднести вогняний (термічний) спосіб буріння.

Вибір способу механізації бурових робіт в конкретних умовах залежить головним чином від продуктивності кар'єру, фізико-механічних властивостей гірських порід, необхідного ступеня дроблення гірської маси, висоти уступу і т. д.

Давайте на початку лекції визначимося з основними поняттями, якими ми будемо користуватися впродовж всієї лекції:

Буріння – створення бурової свердловини або шпуру руйнуванням гірських порід.

Свердловина – глибокий, вузький круглого перерізу отвір у ґрунті, зроблений буровим інструментом. Її глибина більша 5 м, а діаметр більше 75 мм.

Шпур - вузький циліндричний канал, який вибурюють в гірському масиві і наповнюють вибуховою речовиною. Має глибину до 5 м і діаметр до 75 мм.

Міцність гірських порід – властивість гірської породи в певних умовах, не руйнуючись, сприймати впливи механічних навантажень, температурних, магнітних та інших полів. Визначається за шкалою М.Протод'яконова.

Буріння свердловин в масиві гірських порід здійснюється буровими верстатами, різними за принципом дії, діаметром бурового снаряда і продуктивністю. Умови їх застосування визначаються властивостями масиву, об'ємом бурових робіт і параметрами вибухових свердловин.

У щільних і напівскельних породах застосовують верстати обертального буріння типа СБР з ріжучими коронками, в скельних породах при великому об'ємі буріння - верстати шарошкового буріння (СБШ), на кар'єрах малої і середньої продуктивності, а також на верхніх горизонтах кар'єрів з косогорним рельєфом - верстати ударно-обертального буріння (СБУ), в надзвичайно міцних породах з кристалічною структурою застосовуються верстати вогневого буріння (СБО) і в сильно тріщинуватих або закарстованих породах, де буріння можливе тільки з обсадними трубами, - верстати ударно-канатного буріння (БС).

Обертальне буріння (буріння свердловин різанням) ріжучими коронками застосовується для проходки вертикальних і похилих свердловин в породах з коефіцієнтом міцності 2-8. Верстати обертального буріння відрізняються простотою в експлуатації і високою продуктивністю. Технологія буріння верстатом такого типу полягає в руйнуванні породи різцем в свердловині під впливом осьового зусилля, створюваного вагою приводу і обертанням бурового ставу. Видалення бурової дрібниці із забою свердловини під час буріння забезпечується шнековим ставом гвинтової форми. Після закінчення буріння залишки бурової дрібниці видаляють стислим повітрям. Буровий став складається з штанг, які під час буріння нарощують. Різці виконують з зносостійкої сталі або армують твердосплавними елементами. Конструкція коронок і їх форма обумовлені властивостями масиву і діаметром свердловини. Хід верстата крокуючий та гусеничний. Режим буріння регулюється зусиллям подачі бурового ставу і частотою обертання для забезпечення максимальної швидкості буріння. При збільшенні міцності порід зусилля подачі повинне зростати, а частота обертання - знижуватися.

Шарошкове буріння. Верстати шарошкового буріння за принципом дії теж відносяться до обертальних, але руйнування породи в забої свердловини відбувається в результаті роздавлювання в місцях контакту поверхневого шару із зубами головки робочого органу верстата - шарошки. Шарошка пригвинчується на буровий став трубчастих штанг. Конструктивно шарошки виконуються трьох видів: із зубчатими вінцями, штирьові з твердого сплаву і комбіновані. Перші призначені для буріння м'яких і середніх по міцності порід, другі – міцних, треті - різноміцних. Самі штирі залежно від міцності і в'язкості порід мають робочу поверхню у вигляді клину або півсфери. Очищення свердловини від бурової дрібниці і охолоджування шарошок відбувається продуванням стислим повітрям, що подається до шарошки по порожнинах бурових штанг. Продукти буріння уловлюються спеціальними пристроями, встановленими на верстаті. Верстати можуть бурити вертикальні і похилі свердловини діаметром від 150 до 320 мм. Тиск на забій залежить від ваги верстата.. Швидкість буріння залежить від правильного вибору виходячи з властивостей масиву, моделі верстата, типу долота і режиму буріння. Режим буріння регулюється автоматично зміною зусилля подачі і швидкості обертання бурового інструменту. Верстати шарошкового буріння відрізняються великою продуктивністю і економічністю. У витратах на шарошкове буріння від 20 до 45% складають витрати на шарошки. За рубежем достатньо широко розповсюджене шарошкове буріння свердловин.

Ударно-обертальне буріння. Верстати ударно-обертального буріння СБУ застосовують для буріння порід середньої і вище середньої міцності. Вони прості в обслуговуванні, мають малу масу, велику маневреність і дозволяють бурити вертикальні, похилі низхідні свердловини, горизонтальні і похилі висхідні свердловини. Робочим органом верстата є пневмоударники. Стисле повітря від компресора поступає по порожнистій штанзі до пневмоударника. За допомогою клапанного пристрою він приводить в поворотно-поступальну ходу поршень, який завдає удар по хвостовику бурової коронки з частотою 1700- 2500 ударів в хвилину. Обертання пневмоударника здійснюється через штангу від електродвигуна, розташованого на самому верстаті. При кожному ударі лезо долота просувається в породу, здійснюючи сколювання сектора, на який встигло обернутися долото від обертання бурового інструменту. Бурова дрібниця віддаляється з свердловини легко-водяною сумішшю або стислим "повітрям. Залежно від властивостей масиву застосовують коронки різних типів: долотчаті, трьохлезвенні, хрестоподібні, Х-образні, без випереджаючого і з випереджаючим лезом, армовані твердим сплавом. У монолітних породах частіше застосовують коронки долотчатої форми, в тріщинуватих - хрестові або трьохлезвенні з випереджаючим лезом. Швидкість буріння верстатами ударно-обертального буріння достатньо висока. Вона досягає 6 м/год в породах з міцністю 9-16. Проте експлуатаційна продуктивність верстатів цього типу істотно знижується через швидке затуплення коронок і, отже, необхідності заміни долота. За рубежем пневмоударне буріння застосовують для підготовки гірської маси на рудних горизонтах, оформлення бортів кар'єрів, селективної виїмки руди, при використанні екскаваторів невеликої потужності і ковшових навантажувачів.

Термічне (вогневе) буріння використовується в міцних, як правило, кварцвмісних монолітних породах з коефіцієнтом міцності 20. Руйнування породи відбувається в результаті практично миттєвого нагріву тонкого поверхневого шару її в забої свердловини від високотемпературного (до 3200 °С) струменя газів, що виходить з сопла пальника робочого інструменту з надзвуковою швидкістю (близько 2000 м/с). В результаті термічних напруг від розширення порода в цьому шарі руйнується і, відділяючись від масиву струменем газів, виноситься з свердловини. Для створення такої температури використовується пальне - газ або дизельне паливо і окислювачі - кисень, азотна кислота або стисле повітря. Пальне і окислювачі з баків, змонтованих на верстаті, подаються під тиском по трубопроводах через штангу до пальника, де вони змішуються в камері згорання. При кисневому окислювачі пальник має два або три сопла, при повітряному окислювачі - одне. Охолоджування кожного пальника здійснюється водою. Буріння свердловини здійснюється без нарощування штанги, тому верстат термічного буріння має високу мачту. Режим термічного буріння залежить від температури і швидкості закінчення газів, частоти обертання пальника (горілки), який складає звичайно 10 – 20 об/хв, і відстані між соплами пальника і поверхнею забою свердловини. Сучасні верстати мають автоматичну систему регулювання режиму буріння, тобто автоматична підтримка оптимальної відстані між забоєм і пальником, і регулювання співвідношення робочих компонентів для створення оптимальних параметрів струменя. Верстати термічного буріння дозволяють бурити свердловини різноманітної форми з розширенням в будь-якій площині і зміною режиму буріння, а також застосовувати пальники із спеціальною геометрією. Основний недолік верстатів термічного буріння - високі витрати на буріння через велику витрату горючих компонентів: на 1 м свердловини потрібен 50-70 м3 кисню і 15- 20 кг газу. Ефективним є комбіноване застосування термічного і механічного способів руйнування, конструктивно використовуваних в двох варіантах: шарошкові або ударно-обертальні верстати спочатку бурять свердловини малого діаметру, які потім розширяються вогняним пальником, змонтованим на верстаті; другий варіант конструкції передбачає застосування в буровому інструменті пальника, який призначений для нагріву-породи, і шарошки, яка легше руйнує породу, що знаходиться після нагріву в термічній напрузі.

Ударно-канатне буріння в даний час не застосовується через малу продуктивність і велику трудомісткість.

Вибуховими називають хімічні речовини, здатні під впливом зовнішньої дії швидко розкладатися з утворенням великої кількості сильно нагрітих газів. Ці гази, що мають у момент вибуху високий тиск, руйнують породу. Таким чином, вибух характеризується високою швидкістю протікання реакції, утворенням газоподібних продуктів і виділенням тепла. Вибухові речовини (ВР), які вживаються в гірничій промисловості, є однорідними хімічними з'єднаннями (аміачна селітра, тротил, гексоген і ін.) або механічними сумішами (амоніт, динаміт і ін.).

Вибух – це дуже швидке (миттєве) хімічне перетворення вибухової речовини зі свого звичайного стану в газоподібний, з таким же швидким перетворенням потенційної енергії в механічну, направлену на руйнування навколишнього середовища.

Швидкість вибухового розкладання вимірюється сотнями і тисячами метрів за секунду. Так, амоніти розкладаються із швидкістю 2000-3000 м/с, нітрогліцерин - 8400 м/с, а димний порох 400-800 м/с. Окремим випадком вибуху є детонація - розкладання з постійною і максимальною для даних умов швидкістю, вимірюваною тисячами метрів за секунду. За певних умов (низька густина, підвищена вогкість) деякі ВР розкладаються з невеликою швидкістю (декілька метрів за секунду). Таке розкладання називають вигорянням ВР. При вигорянні ВР утворення газів відбувається поволі і руйнування породи не спостерігається.

Чим вища швидкість вибухового розкладання, тим краще дроблення породи. У гірничій справі застосовують ВР з яскраво вираженими властивостями, що дроблять, - бризантні. ВР з відносно низькою швидкістю розкладання (наприклад, порох) називають метальними.

Бризантність ВР вимірюється в міліметрах і визначається величиною стиснення свинцевого циліндру певних розмірів при вибуху на ньому 50 г ВР.

Працездатність ВР встановлюють вибухом 10 г випробовуваної ВР в каналі свинцевого циліндру. Величина приросту об'єму циліндра, виражена в кубічних сантиметрах, характеризує працездатність ВВ.

Бризантність і працездатність - основні показники, що характеризують потужність ВР. Окрім них в характеристику ВВ входять густина (чим більша густина ВР, тим вища її ефективність, оскільки шпур або свердловина вміщатиме більше ВР), вологостійкість (здатність не втрачати вибухових властивостей за наявності води або у воді), фізична і хімічна стійкість (здатність ВР зберігати незмінними свої властивості), чутливість, яка визначається величиною енергії, необхідної для вибуху ВР. Ця зовнішня енергія називається початковим імпульсом. Початковий імпульс може бути тепловим (полум'я, напруження провідника електричним струмом), механічним (удар, тертя) і вибуховим (енергія вибуху іншої ВР). Чим вища чутливість ВР, тим легше викликати вибух, але тим більш небезпечно буде дана ВР в обігу. Вибух є реакцією окислення. Кисень, необхідний для цієї реакції, входить до складу самої ВР. У гірничорудній промисловості звичайно застосовують ВР з близьким до нульового кисневим балансом, тобто ВР, що містять стільки кисню, скільки його необхідно для повного окислення горючих елементів ВР. При надлишку кисню (позитивний кисневий баланс) або його недоліку (негативний кисневий баланс) утворюється підвищена кількість шкідливих газів (оксиду вуглецю або оксидів азоту).

Первинне підривання здійснюється методами свердловинних, шпурових, котлових і камерних зарядів.

Метод свердловинних зарядів отримав найбільше застосування на кар'єрах. При цьому методі з верхнього майданчика уступу буровими станками пробурюють вертикальні або похилі свердловини. Свердловини розташовують уздовж фронту уступу в один, два і більше рядів. Розташування свердловин на верхньому майданчику уступу залежить від його висоти і кута укосу, діаметру свердловин та міцності порід. Свердловини в міцних породах проходяться декілька нижче за підошву уступу. Частина свердловини, розташована нижче за підошву уступу, називається перебуром. Величина перебура залежить від висоти уступу, опору по підошві, діаметру свердловини, типу вживаної ВР, конструкції заряду, фізико-механічних властивостей порід.

Метод шпурових зарядів як основний застосовується на кар'єрах невеликої виробничої потужності при висоті уступів до 4-5 м, де використання великого бурового устаткування неекономічне. На кар'єрах середньої і великої потужності цей метод застосовується головним чином при здійсненні вторинного вибуху (дроблення шматків негабаритів), селективній розробці корисних викопних і різних допоміжних робіт. Діаметр шпуров звичайно приймається 40-45 мм, глибина від 0,5-10 м.

Метод котлових зарядів є різновидом свердловинного і шпурового методів. Він застосовується звичайно на порівняно невеликих кар'єрах в мілкотрещинуватих, дуже міцних і в'язких породах, коли звичайна свердловина або шпуровий заряд ВР не може подолати лінію опору по підошві уступу і роздрібнити гірську породу. Для розміщення в нижній частині свердловини (шпуру) більшої кількості ВР, її розширюють шляхом вибуху (прострілювання) одного або декількох (послідовно) невеликих зарядів ВР. Сферична порожнина (казан), що утворюється в результаті прострілювання, служить для розміщення в ній основного котлового заряду ВР. Метод котлових зарядів забезпечує можливість скорочення витрат буріння на одиницю гірської маси, проте внаслідок складності утворення котлів і трудомісткості він не отримав широкого розповсюдження.

Метод камерних зарядів відрізняється великою витратою ВР. При цьому методі ВР поміщають в спеціальні гірські виробки (зарядні або мінні камери), прохідні з штолень або шурфів на рівні підошви висаджуваного уступу. В даний час цей метод на кар'єрах застосовується дуже рідко. Його використовують тільки у виняткових випадках, наприклад, на нагірних кар'єрах для нарізки нових горизонтів на узгір'ї.

Вторинний вибух здійснюється звичайно накладними (зовнішніми) і шпуровими зарядами, а також електротермічними методами руйнування і механічними способами.

Метод накладних зарядів дуже простий, завдяки чому набув широкого поширення на кар'єрах для дроблення шматків негабаритів, які утворилися в результаті первинного вибуху. При цьому методі ВР розміщується безпосередньо на поверхні негабариту широким насипом завтовшки 3,5-5 см і прикривається шаром піску, глини або землі (без домішки щебеня або гальки) завтовшки не менш товщини шару заряду. Цей метод достатньо ефективний, проте витрата ВР на 1 м3 висаджуваної гірської маси приблизно в 10-15 разів більше, ніж при шпуровому методі вторинного вибуху.

Шпурової метод вторинного вибуху також одержав широке застосування на кар'єрах. При цьому глибину шпура приймають рівній половині товщини шматка породи.

Останніми роками буропідривні методи вторинного дроблення успішно замінюють електротермічними методами руйнування з використанням струмів високої (високочастотний контактний метод) і промислової (низькочастотний метод) частоти.

Ініціюючі ВР - ВР, легко детонуючі від незначної теплової або механічної дії (удар, тертя, вогонь, електрична іскра і т.п.). Для них характерний легкий перехід від горіння до детонації в тих умовах (атм. тиск, неміцна оболонка або її відсутність, малі заряди), в яких такий перехід у бризантних ВР звичайно не відбувається. Виробництво і поводження з ІВР вимагає дотримання запобіжних особливих засобів через небезпеку виникнення вибуху. Перевезення допустиме тільки у вигляді готових виробів. До ІВР відносяться:

· Гримуча ртуть, фульмінат ртуті - білий або сірий (містить домішку колоїдної ртуті) кристалічний порошок, в сухому вигляді дуже чутливий до удару, тертя, вогню, наколювання і т.п. При ударній дії, гримуча ртуть, що містить 10% вологи розкладається без вибуху. При вогкості 30% повністю втрачає чутливість. Вибухає при дії конц. сірчаної кислоти

· Азид свинцю, свинцю діазид - існує в 4-х кристалічних модифікаціях.

· Ацетіленіди міді - коричнево-червона або чорна кристалічна речовина, нерозчинна у воді і органік. розчинниках. У сухому вигляді дуже чутливий до удару, тертя, вогню, наколювання. Сприйнятливий до іскри.

Бризантні – ВР з яскраво вираженими властивостями, що дроблять. До них відносяться такі ВР: аміачна селітра, нітрат гуанідіну, нітрат метиламіну, перхлорат гуанідіну, тротіл, гексил, нітрометан, та ін.

Сумішеві , до них відносяться: амоніти (амонали та карбатоли), дінамони ( ігданіти та грануліти), акваніти, акванали (акватоли, іфзаніти), емульсійні ВР.

Список рекомендованої літератури:

1. Анистратов Ю.И. Технология открытой добычи руд редких и радиоактивных металлов: Учебник для вузов. – М.: Недра. – 1988. – 430 с.: ил.

2. Борисов С.С. Горное дело: Учебник для техникумов. – М.: Недра, 1988. – 320с.: ил.

3. Ржевский В.В. технология и комплексная механизация открытых горных работ. Учебник для вузов. – М.: Недра, 1980. – 631 с.

4. Разработка рудных месторождений открытым способом. А.М. Дёмин, К.Н. Трубецкой, В.И. Зуев. – М.: Недра, 1970. – 216 с.

5. Кутузов Б.Н. Теория, техника и технология буровых работ. – М.: Недра, 1972.