Способы подготовки горных пород к выемке

Подготовка горных пород к выемке производится в целях обеспечения:

• безопасности горных работ;
• необходимого качества добываемого сырья;
• технической возможности и наилучших условий применения средств механизации последующих процессов.

Подготовка горных пород к выемке включает:

• обеспечение устойчивости откосов уступов;
• осушение горных пород, подлежащих извлечению в данный период разработки;
• разупрочнение и изменение их агрегатного состояния;
• разрушение (разрыхление) породного массива и другие виды воздействия на горные породы для облегчения их выемки.

Подготовка к выемке может осуществляться:

• механическими способами (исполнительными органами горных машин);
• гидравлическими способами (нагнетанием, насыщением водой, растворением);
• физическими способами (электромагнитным н термическим воздействием);
• химическим, комбинированными и взрывным способами.

Выбор способа подготовки горных пород к выемке зависит прежде всего от:

• вида, агрегатного состояния и свойств пород в массиве;
• мощности предприятия;
• наличных технических средств;
• предъявляемых требований к качеству добываемого сырья;
• природных условий ведения работ.

Затраты на подготовку к выемке составляют от 5 до 40 % общих затрат на горные работы.

Выемка мягких, песчаных н естественно мелкоразрушенных пород успешно производится всеми видами выемочно-погрузочного оборудования. При этом подготовка совмещена с выемкой и производится одними и теми же средствами механизации.

Выемка плотных пород также может осуществляться непосредственно из массива выемочными машинами с повышенными усилиями копания. Если усилия, развиваемые выемочными машинами, недостаточны, производится подготовка таких пород к выемке, которая заключается в их предварительном механическом рыхлении или взрывании на сотрясение. В мерзлом состоянии эти породы только при небольших отрицательных температурах могут разрабатываться непосредственно выемочными машинами с повышенными усилиями копания. Как правило, в этих условиях требуется подготовка к выемке механическим или взрывным способом или предварительное оттаивание. Используются также методы предохранения пород от промерзания.

Подготовка горных пород к выемке в зимних условиях включает комплекс мероприятий по предотвращению промерзания пород, рыхлению мерзлых пород и приведению их в талое состояние (оттаивание). Для предохранения пород от промерзания используют:

• вспашку, глубокое рыхление и боронование поверхности разрабатываемого зимой слоя;
• создают над ним снеговой или искусственный льдовоздушный покров;
• утепляют поверхность теплоизоляционными материалами или устраивают специальные навесы и тепляки;
• производят химическую обработку пород.

Выбор способа предохранения определяется в первую очередь глубиной промерзания пород, которая зависит от температуры воздуха, длительности промерзания, направления и скорости ветра, а также от свойств и состояния горных пород.

Вспашка, рыхление и боронование поверхности позволяют уменьшить теплопроводность породы благодаря образованию в ней рыхлого слоя. Вспашку и рыхление производят специальными плугами или рыхлителями па глубину 0,3..0,4 м, а боронование — на глубину до 0,2 м. Применяют также глубокое (на 1..1,8 м и более) рыхление пород экскаваторами, что уменьшает глубину их промерзания в 2..3 раза.

Cнегозадержание производят посредством снежных валов или снегозадерживающих щитов, ряды которых располагают перпендикулярно к господствующему направлению ветра на расстоянии друг от друга не более 15-кратной высоты вала. За зимний период щиты переставляют 2..5 раз. Для снегозадержания на площади 1 га требуется 60..100 щитов. Теплоизоляционные свойства снега иногда улучшают путем периодического дождевания его поверхности. Создаваемый ледяной покров препятствует конвекции.

Для предохранения от промерзания россыпей площадь, обвалованную бульдозерами (высота вала до 1,5 м), осенью заливают слоем воды 0,8..1,5 м для создания ледяного покрова.

При глубине промерзания более 0,6..0,8 м необходимо утеплять породу дополнительно теплоизоляционными материалами: мхом, опилками, шлаком, углем, минеральной ватой, минеральным войлоком и др. В связи с постепенным увеличением в зимний период глубины промерзания пород при определении толщины слоя утеплителя должно учитываться время разработки блока уступа. Применение искусственных утеплителей позволяет свести до минимума, а иногда и совсем предотвратить промерзание горных пород.

Предварительное рыхление пород экскаваторами на глубину до 1,2 м, боронование па глубину 0,15 м и утепление площадок и откосов уступов слоем некондиционного угля толщиной 0,15..0,2 м позволяет на карьерах уменьшить промерзание пород в 3,5..4 раза и обеспечить работу многоковшовых экскаваторов на вскрышных уступах в зимний период.

Для предохранения от промерзания как мягких, так и разрушенных пород в настоящее время применяются пенолед и замороженная пена. Для получения пены могут быть использованы алкидсульфат, вода и сжатый воздух. Слой замороженной при температуре ниже -15°С пены толщиной 0,15..0,2 см равномерно наносится с помощью пеногенераторной установки на поверхность любой конфигурации, затем поверхность дополнительно еще 3..5 раз покрывают пеной для образования защитной пенистой корки льда толщиной 3..4 мм.

Химическая обработка песчано-глинистых пород хлористыми солями натрия или калия заключается в рассыпании в сухом виде этих солей в измельченном состоянии (менее 30..40 мм) после предварительной планировки поверхности, вспашки на глубину 20..30 см при наличии уклона (для предотвращения смыва раствора). Покрытие поверхности производится параллельными полосами, расстояние между которыми не превышает 0,7 м.

Оттаивание мерзлых пород может осуществляться:

• путем электрообогрева;
• путем поверхностного пожога;
• с помощью горячих газов, пара, воды;
• при сжигании термохимических патронов и т. п.

Электрообогрев может быть глубинным или поверхностным, низко- или высокочастотным.

При глубинном электрообогреве переменным током промышленной частоты напряжением 12—380 В электроды размещают в шнурах, пробуренных па глубину промерзания породы по квадратной или шахматной сетке на расстоянии 0,5..0,7 м один от другого. Электрическая цепь замыкается по талой породе под мерзлым слоем. В результате нагрева талой породы н передачи тепла вышележащим слоям происходит их постепенное оттаивание снизу вверх.

При поверхностном электрообогреве полосовые электроды в виде сеток из тонкой медной проволоки, длина которых равна наклонной высоте уступа, укладывают на его откос. Питание осуществляется от генератора высокочастотных колебаний.

Поверхностный пожог (сжигание слоя угля толщиной 0,2..0,35 м на поверхности слоя мерзлых пород) иногда используется па карьерах по добыче глин: промерзшая до глубины 2 м глина полностью оттаивает в течение 6..10 дней.

Для поверхностного оттаивания пород газообразным топливом используются горючие газы, поступающие в карьер по газопроводу или доставляемые в баллонах. Оттаивание паром производится с помощью паровых игл (стальных труб внутренним диаметром 19..22 мм и длиной 1,7..3 м), вставляемых в шпуры или забиваемых в породы по мере их оттаивания на расстоянии 2..2,5 м друг от друга. Используется насыщенный пар с температурой 102..110°С под давлением 0,2..0,5 МПа, Продолжительность оттаивания тяжелых глин 4..6 ч. Достоинство способа — относительная экономичность, недостаток — увлажнение пород, способствующее их повторному замерзанию.

Подобным же образом осуществляется оттаивание горячей водой.

При водооттаивании дождеванием распыленная стационарной или передвижной дождевальной установкой вода просачивается через верхний талый слой пород под уклон и, отдавая тепло нижележащему слою мерзлоты, постепенно понижает ее уровень.

Гидрооттаивание и парооттаивание широко применяют на разработках россыпей в районах многолетней мерзлоты.

Механическое рыхление пород осуществляется прицепными или навесными рыхлителями, в которых масса тягача используется для заглубления рабочего органа рыхлителя. Глубина рыхления прицепными рыхлителями достигает обычно 0,4..0,5 м, а навесными — 1,5..2 м. На открытых разработках наиболее успешно применяются навесные рыхлители тяжелого типа на тракторах мощностью более 250 кВт.

Рыхлители могут иметь до пяти зубьев с цельными или составными наконечниками. Для подготовки полускальных пород применяют однозубые рыхлители, а в плотных породах целесообразнее использовать многозубые рыхлители для увеличения их производительности.

Рыхление монолитных пород происходит в основном за счет преодоления сопротивления их растяжению, а трещиноватых пород — сцепления по контактам структурных блоков. В результате их отрыва породы интенсивно разрушаются в пределах заглубления зуба. При естественной трещиноватости или развитой слоистости пород, а также при увеличении мощности рыхлителя эффективность механического рыхления возрастает.

Под воздействием рабочего органа рыхлителя в горных породах возникает сложное напряженное состояние, представляющее собой комбинацию сил сжатия и растяжения. Как в монолитных, так и в трещиноватых массивах при рыхлении нарушается связность горных пород, характеризующаяся величиной сцепления.

Рыхлимость породы зависит от взаимного направления рыхления и системы трещин. Наиболее эффективно рыхление поперек направления основной трещиноватости. При рыхлении слоистых полускальных пород наиболее сложным является первоначальное заглубление зуба. Для облегчения заглубления многократным проходом рыхлителя или взрывным способом создают «передовой врез» на необходимую глубину поперек намечаемых параллельных проходов рыхлителя.

Производительность рыхлителей в плотных породах достигает 1000..1500 куб.м/ч; она существенно зависит от длины параллельных резов, которую целесообразно принимать в пределах 100..300 м.

Механическое рыхление позволяет:

• облегчить раздельную выемку маломощных горизонтальных и наклонных (до 20°) пластов;
• эффективно регулировать кусковатость горной массы;
• уменьшить потерн и разубоживание полезного ископаемого благодаря отсутствию развала и перемешиванию пород;
• минимально переизмельчать и разупрочнять горные породы (что особенно важно при добывании строительных горных пород);
• повысить безопасность работ.

Вместе с тем при механическом рыхлении мощность разрыхленного слоя невелика, что затрудняет непосредственную экскаваторную выемку.

Рыхлители могут успешно применяться при разработке угля, фосфоритных и апатитовых руд, сланцев, песчаников, полускальных известняков, а также маломощных слоев скальных сильно- и чрезвычайно трещиноватых руд и пород. Механическое рыхление эффективно при гидравлической разработке тяжелых глинистых пород, разработке мерзлых пород и при вспомогательных работах (проведение дренажных канав, выкорчевывание пней и др.). Хорошее качество подготовки и небольшая мощность разрыхленного слоя позволяют вести выемку горной массы скреперами, бульдозерами и погрузчиками.

Взрывание широко применяется для подготовки скальных и полускальных пород к выемке, а для скальных пород взрывание является единственным способом подготовки. Выемка плотных пород может осуществляться непосредственно из массива выемочными машинами с повышенными усилиями копания, но если усилия, развиваемые выемочными машинами, недостаточны, то производится подготовка таких пород к выемке механическим рыхлением или взрыванием.

От организации и качества взрывных работ зависят производительность всего комплекса карьерного оборудования и затраты на горные работы.

Взрывные работы должны обеспечивать:

• требуемую степень дробления горных пород для последующих технологических процессов добычи и переработки;
• требуемые качество и сортность взорванного полезного ископаемого, достижение в необходимых случаях избирательного дробления пород различной трудности разрушения;
• минимальное отклонение отметок и размеров площадок и уступов, их формы от проектных значений;
• заданные форму и угол откоса уступа, возможность безопасного бурения и заряжания последующих скважин;
• проектные размеры и форму развала взорванных пород, удобные для выемочно-погрузочных работ, необходимую дальность и направление перемещения пород, особенно при сбросе в выработанное пространство;
• допустимое по нормам сейсмическое воздействие взрыва и максимальную сохранность окружающих сооружений и породного массива за конечными контурами карьера и соблюдение заданного угла погашения его борта;
• достаточный объем взорванных пород для бесперебойной и высокопроизводительной выемки и погрузки;
• высокую безопасность, экономичность и производительность горных работ.

Выполнение перечисленных технических требований к взрывным работам обеспечивается правильным выбора метода, параметров, порядка взрывания и организации взрывных работ, то есть рациональной технологией взрывных работ, которая должна быть тесно увязана со всеми работами в карьере. Это достигается составлением проектов ведения буровых и взрывных работ, правильным заряжанием скважин, применением требуемых условиями ВВ и др.

Обычно взрывные работы в карьере ведут в две стадии:

• на первой стадии при отделении породы от массива осуществляется первичное дробление;
• на второй - дополнительное (вторичное) дробление негабаритных кусков, выравнивание подошвы уступа, обрушение нависей и заколов и др.

Ведение работ в две стадии не следует считать нормальным: необходимость в этом возникает вследствие недостаточно эффективного проведения первичного взрывания.

Метод взрывания характеризуется размещением зарядов ВВ по отношению к объекту дробления, формой и размерами зарядов. Он определяет результаты и эффективность взрывов и общую организацию работ по подготовке пород к выемке.

На карьерах могут применяться следующие схемы зарядов ВВ (рис. 3.1):

• накладной (a);
• камерный в шурфе (b);
• камерный в штольне (с);
• котловой (г);
• малокамерный (д);
• шпуровой (е, длина L менее 5 м, диаметр Dc менее 75 мм);
• скважинный (ж, длина L более 5 м, диаметр Dc более 75 мм).

Рисунок 3.1 - Схемы зарядов ВВ:
а — накладного; б, в — камерного в шурфе и штольне; г — котлового;
д — малокамерного; е — шпурового; ж — скважинного;
1 — заряд ВВ; 2 — забойка