Особенности добычи натурального камня: гранит
Этот камень пользуется сегодня огромной популярностью как сырье для производства столешниц, ступеней, брусчатки, плитки и других стройматериалов. Гранитные изделия не только эстетичны, но и обладают такими ценными качествами как прочность и долговечность. Кроме того, они намного дешевле мраморных и выполненных из многих других камней, которые применяются для решения интерьерных и экстерьерных задач.
Способы добычи гранита
Самый распространенный способ – взрывной. В породе пробуривают отверстие большой глубины, затем закладывают в него заряды и подрывают.
Из глыб, отколовшихся после взрыва, выбирают наиболее крупные и транспортируют к месту их последующей обработки. Среди достоинств этого метода можно выделить самый низкий уровень расходов. В качестве недостатка такой выработки эксперты называют нерациональность. Из всего объема полученной породы только 70% подходит для распила. В структуре гранита появляются микротрещины, что не только делает его дешевле, но и снижает срок эксплуатации.
У следующего метода добычи первый этап такой же, как при использовании взрывной технологии. В каменном массиве пробуриваются отверстия большой глубины, в которые под воздействием высокого давления закачивается воздух. Такой способ называют откалыванием при помощи воздушной подушки. Он считается щадящим, так как позволяет предотвратить появление в структуре камня микротрещин. Месторождение разрабатывается рациональнее и экономнее, благодаря чему снижается стоимость добытого гранита.
Добыча может производиться и при помощи камнерезных машин. Такой способ выработки самый дорогостоящий, но при этом и самый рациональный, поскольку позволяет добывать гранит максимально эффективно с полной выработкой месторождения без риска появления в структуре камня микротрещин. Добыча производится при помощи дисковых пил и канатных с алмазными насадками.
Спецтехника с такими пилами разрезает породу на параллелепипеды правильной геометрической формы. Полученные таким способом гранитные блоки достигают размера в 20 м 3 и веса от 40 до 60 тонн. Такой способ распила делает гранит дороже, но при этом полученный камень отличается самым высоким качеством. По этой причине добыча гранита все чаще осуществляется именно по описанной технологии. По мере ее совершенствования стоимость камня постепенно снижается.
Стоит упомянуть и о буроклиновом методе, а также о способе добычи под названием «тихий взрыв». В первом случае гранитную глыбу, которая отделяется, обуривают. После этого в отверстия вводятся гидравлические или механические клинья, вследствие чего происходит раскол по контуру. При использовании технологии «тихого взрыва» роль клиньев выполняют смеси, которые расширяются при попадании в отверстия. Но нужно отметить, что эти два способа не нашли широкого распространения.
Добыча гранита в России
Российских месторождений гранита более 50, и каждое из них дает камень разных пород:
- Мансуровское (с залежами светлого гранита с вкраплениями зеленого цвета, обладающего особой декоративностью) и Павловское (с пестрым камнем серого цвета, который идет на изготовление брусчатки) – наиболее крупные отечественные месторождения;
- Мурмаское (удивительной красоты черный гранит сорта габбро) – признано одним из уникальнейших в мире;
- На территории Челябинской области добываются Санарский сорт гранита и Лисья горка, которые отличаются серой расцветкой, мелкозернистой структурой, декоративностью и благородством;
- Винга, Шокшинское, Муставаар и другие месторождения на Кольском полуострове, в Ленинградской области и в Карелии содержат залежи эффектного гранита ярких цветов: розового, красного и с желтым оттенком.
На территории Росси всего около 50 гранитных месторождений, на которых производится добыча камня, в том числе в Архангельской и Свердловской областях, Забайкалье, Приморье и Хабаровском крае.
Именно гранит, добываемый в России, признан одним из наиболее красивых в мире. Это камень Кузреченского сорта, залежи которого расположены вблизи Мурманска.
Мировые месторождения
На территории других государств добывается не меньше сортов гранита:
- в Индии расположены залежи камня с нестандартной текстурой;
- в Казахстане добывают в основном гранит красных и коричневых оттенков, месторождения которого расположены в Куртинском районе, Джамбульской и Жамбыльской областях;
- в Китае сегодня наблюдается беспрецедентное развитие добычи – отсюда в разные страны мира поставляется больше 90 разновидностей гранита;
- среди европейских стран лидирует в добыче гранита Финлянция – здесь добывают в основном эстетичные породы этого камня в бежево-коричневой гамме.
Цветовая палитра и сфера использования гранита огромны – этот камень является одним из самых популярных из стройматериалов, представленных на мировом рынке.
Источник
Способы отделения блоков (монолитов) камня от массива
Шпуры обычно бурят перфораторами на всю высоту отделяемого блока (до горизонтальной или пологой — постельной трещины), однако при глубине шпуров более 2,5—3 м они отклоняются от заданного направления, что затрудняет правильный раскол камня. Остающиеся между соседними шпурами породные перемычки разбуриваются также перфораторами.
Техническая характеристика перфораторов и область их применения приведены соответственно в табл. 7.5 и 7.6.
Низкая производительность бурового способа отделения блоков камня от массива обусловливается большим объемом потребного бурения, удельный расход которого на добываемый кубический метр блока будет изменяться в зависимости от размеров и формы выкалываемых блоков. Так, при размере блока 10х5х1 м при обуривании его с четырех сторон потребуется: 2 (10+5)1 = 30 м шпуров (шпуры бурятся на расстоянии 1 м друг от друга) или на кубический метр блока: 30:50 = 0,6 м/м3, тогда как для блока размером 20х10×1 м потребуется: 2(20-10)*1 = 60 м шпуров, что составит на кубический метр добываемого блока 60:200 = 0,3 м/м3, т.е. в два раза меньше, чем в первом случае.
Выражение (7.2) показывает, что удельный расход бурения при отделении блока от массива не зависит от высоты блока, но будет уменьшаться с увеличением его длины и ширины.
Если длина и ширина отделяемого блока увеличиваются в n раз, то удельный расход бурения уменьшается во столько же раз. На самом деле, если I = 40(a+b)/a*b, то после увеличения ширины и длины блока в л раз получим, м/м3:
поэтому минимальное значение удельный расход бурения будет иметь при максимально возможной величине длины и ширины отделяемого блока. Однако практически размеры блоков камня ограничиваются расстояниями между трещинами, грузоподъемностью подъемно-транспортных средств и требованиями потребителей.
Из-за большой трудоемкости и малой производительности буровой способ отделения блоков камня от массива не получил на практике широкого распространения. Обычно им пользуются в исключительных случаях и только для добычи наиболее ценных и крупных блоков камня, так как данный способ наиболее полно сохраняет природные свойства камня.
Б) Ударно-врубовой способ отделения блоков камня от массива осуществляется посредством проходки врубовых щелей по линиям намечаемого раскола с помощью ударно-врубовых машин — ченнелеров, у которых рабочим органом является комплект долот V- и Z-образной формы. Долота, которым сообщается возвратно-поступательное движение большой частоты, наносят удары по камню, разрушают его и образуют щель шириной до 60 мм и глубиной до 6 м. Ченнелеры перемещаются по рельсам, проложенным вдоль направления вырубаемой щели и могут выполнять вертикальные, наклонные и горизонтальные врубы. Производительность ченнелеров колеблется от 5 до 8 м2 в смену. Они хорошо себя зарекомендовали при обработке монолитных массивов с прочностью камня до 140 МПа и позволяют получать блоки требуемых размеров. Однако из-за большой энергии единичного удара имеют место нарушения монолитности породы. Ширина вруба обусловливает более высокие количественные и качественные потери. Хотя данный способ и сохраняет качество добываемого гранита и сходных с ним пород наиболее полно, он не имеет в отечественной практике большого распространения вследствие низкой производительности.
В) Климовой способ для отделения блоков камня от массива основан на следующих положениях механики:
• клин при приложении к нему нагрузки дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько длина его щек больше ширины обуха, т е. чем меньше угол заострения клина, тем больше выигрыш в силе;
• работа, производимая ударом кувалды (молота) по клину, может создавать достаточно большие усилия, ограничиваемые прочностью самого клина и среды (камня), в которой он действует.
Исходя из принципа равенства работ, совершаемых при ударе кувалды и углублении клина в породу, можно записать (рис. 7.2).
где q — масса кувалды (молота), кг; H — высота падения кувалды, см; Q — усилие, возникающее в клине, кг; Аh — углубление клина в породу от действия удара кувалды, см, поэтому Q = qH/Ah.
Практически часть работы, совершаемой при нанесении ударов кувалдой по клиньям, расходуется на деформацию этих клиньев и участков породы, непосредственно к ним примыкающих, а также часть работы теряется на нагревание, преодоление сил трения и др. Величина создаваемого в массиве усилия от действия клина ограничивается его прочностью и пределом сопротивления породы на растяжение. В противном случае имело бы место смятие клина или породы, непосредственно соприкасающейся с ним.
Усилие, возникающее в клине, может достичь значительной величины, а при ударе по клину кувалдой массой 7 кг с высоты 1 м (100 см) и углублении клина в породу под действием этого удара на глубину 0,5 см составит, кг:
В зависимости от физико-механических свойств породы и ее трещиноватости применяют следующие виды клиновых работ: с использованием естественной трещиноватости породы; с размещением клиньев в гнездах, образуемых посредством отбойных молотков.
Пневматические отбойные молотки применяют для образования сплошных борозд и гнезд при клиновых работах по отделению монолитов от массива и раскалыванию их на блоки, а также при пассировке блоков. Техническая характеристика молотков приведена в табл. 7.7.
Клиновые расходы с использованием естественной трещиноватости могут быть применены в том случае, если имеются явно выраженные трещины в массиве. Клинья вставляют в трещины или в гнезда, образуемые в трещине перфораторами.
Клиновые работы с размещением клиньев в гнездах применяют при высоте отделяемого блока камня до 1,5 м. Для выкалывания блока камня по линии намечаемого раскола разрабатывают сплошную направляющую борозду глубиной 1—1,5 см, используя отбойные молотки, оснащенные скарпелем (от итальянского scarpeilo — стальной круглый или граненый стержень, расширенный к одному концу в виде остро отточенной лопатки). В борозде через 10—15 см отбойным молотком с применением набора специального инструмента (скарпель, спица и др.) вырабатывают конические гнезда овального сечения глубиной 6—8 см, вытянутые по линии намечаемого раскола породы.
Клиновой способ отделения блоков камня от массива применяют при разработке пород, обладающих повышенной способностью раскалываться по сравнительно равным плоскостям, используя клинья длиной не более 10 см с углом заострения около 30°.
Г) Буроклиновой способ предусматривает два варианта отделения монолитов от массива пород — механизированный и ручной.
Механизированный буроклиновый способ основан на размещении в шпурах закладных клиньев с гидравлическим приводом.
Конструктивная схема гидроклина приведена на рис. 7.3.
На карьерах страны в настоящее время применяются зарубежные и отечественные гидроклиновые установки (рис. 7.4). Из зарубежных наибольшее распространение получили гидроклиновые установки «Дарда», изготовляемые фирмой «Портсфельд» (Германия). Техническая характеристика гидроагрегата «Дарда» приведена в табл. 7.8.
Отечественной промышленностью выпускаются аналогичные гидроклиновые установки модели КМ-26 (г. Самара), техническая характеристика которых приведена в табл. 7.9.
Гидроклиновая установка состоит из гидроагрегата, пяти гидроклиньев и системы высоконапорных шлангов.
Согласно генетической классификации Р. Болка трещины в массиве горных пород подразделяются на продольные S, поперечные Q, диагональные Д и первично-пластовые L (пологие, постельные).
Наиболее целесообразное механическое буроклиновое откалывание блоков обеспечивается при таком расположении забоя, когда основание откалываемого блока размещается на поверхности пологой трещины L, а одна из боковых или торцевых граней блока обнажена. Вторую длинную грань откалывания блока целесообразно располагать параллельно продольным трещинам S, а торцевую — поперечным Q.
Для использования гидроклиньев при отделении монолитов камня от массива горных пород большое значение имеют: выбор направления линии предполагаемого раскола параллельно одной из систем трещин при наличии трех обнаженных плоскостей; расположение шпуров строго в плоскости намечаемого раскола; достаточная глубина шпуров и наиболее целесообразное расстояние между ними, соответствующее наименьшему удельному расходу бурения; определение высоты монолита, соответствующее расстоянию между постельными трещинами; отношение высоты отделяемого монолита к его ширине до 4:1.
При проведении работ следует строго выдерживать размеры шпуров, диаметр которых должен превышать диаметр гидроклиньев не более чем на 2—3 мм, а глубина шпуров быть не менее длины гидроклина плюс длина хода поршня, в противном случае снижается раскалывающее усилие и вероятна поломка острия клина.
В комплект гидроклиновых установок входит пять гидроклиньев, что позволяет производить откол монолита длиной до 3 м. При больших размерах монолита необходимо использовать дополнительные гидроклиновые установки, которые могут откалывать камень как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.
Среднерасчетные параметры шпуров для размещения гидроклиньев при механизированном буроклиновом способе отделения монолитов от массива приведены в табл. 7.10.
Следует иметь в виду, что при раскалывании монолитов гидроклиньями должно соблюдаться соотношение длины закладного клина к высоте раскалываемого монолита 1:3—1:4.
Ручной буроклиновой способ отделения монолитов от массива применяется при разработке пород, обладающих достаточной способностью раскалываться по сравнительно ровным плоскостям, при котором в шпуры, пробуренные по линии предполагаемого раскола, вставляются металлические клинья. По клиньям равномерно наносят удары кувалдой до появления трещины раскола.
Раскалывание камня наиболее часто осуществляется простыми клиньями и сложными (составными) клиньями со щечками (рис. 7.5), размещаемыми в шпурах круглого или овального сечения, пробуренных специальным инструментом.
Недостаточная площадь соприкосновения простого клина с породой сопровождается разрушением последней в устье шпура, что приводит к непроизводительной работе кольщика. Для устранения этого недостатка применяют составные клинья с двумя щечками. Последние вставляют в шпур таким образом, чтобы линия их контакта совпадала с намечаемым направлением плоскости откола, исключая искривление линии откола.
Следует отметить, что при раскалывании гранита вдоль направления развития продольных трещин S число ударов для раскалывания в 2 раза меньше, чем в перпендикулярном направлении к нему, и примерно в 5 раз меньше, чем в направлении под косым углом.
Некоторые крупнокристаллические разновидности гранитов и трудно поддающиеся раскалыванию породы требуют бурения шпуров на всю высоту монолита при расстоянии между шпурами 7—10 см. При отделении монолита от массива легко раскалываемых пород глубина шпуров может быть от 7 до 12 см, а расстояние между шпурами 15—20 см.
Диаметр шпуров зависит от формы и размеров клиньев, а также от глубины шпуров и толщины выкалываемого монолита. При применении простых клиньев (прямоугольного или круглого сечения, длина клина от 70 до 200 мм, угол заострения около 30°) и отделении монолитов легко раскалываемых пород при малой глубине шпуров их диаметр меняется от 20 до 30 мм. В трудно раскалываемых породах при использовании сложных (с двумя щечками) клиньев диаметр шпуров принимается от 32 до 45 мм.
Размеры сложных клиньев для раскалывания гранита приведены в табл. 7.11.
Данные табл. 7.12 должны уточняться для конкретных условий при разработке конкретного месторождения.
Предельно допустимые значения высоты раскалывания породы механизированным и ручным буроклиновым способами, при которых обеспечивается, в основном, полное отсутствие диагональных сколов камня, составляют: для крупнозернистых пород (лабрадоритов, порфировидных гранитов и других сходных с ними пород) — 1,4—1,8 м; для среднезернистых изверженных пород — 1,6—2 м; для мелкозернистых изверженных пород — 1,8—2,4 м.
Д) Буровзрывной способ отделения монолитов от массива чаще всего применяется на карьерах при разработке прочных пород (гранита, базальта и др.). По типам применяемых BB все известные способы добычи монолитных блоков можно разделить на две группы: I — способы, базирующиеся на использовании метательных BB — черного (дымного) пороха; II — способы, основанные на применении бризантных BB — в основном, детонирующего шнура (ДШ).
Отделение монолитов шпуровыми зарядами дымного пороха основано на использовании метательных свойств пороха. Нарастание давления газов при сгорании пороха происходит относительно медленно (разложение пороха при взрыве протекает со скоростью около 400 м/с), и механическая работа в шпуре возрастает постепенно, что проявляется в раскалывании камня подобно клиновому действию и в отбрасывании монолита, т.е. в метательном действии ВВ. Применение черного пороха при правильно выбранных направлении раскалывания и величине заряда не вызывает, в основном, образования новых трещин в массиве.
Важнейшим параметром, влияющим на выход блоков при разработке месторождения с использованием буровзрывного способа добычи, является рациональное расстояние между шпурами, которое определяет объем буровых работ и качество плоскости раскола. При выборе рациональных параметров буровзрывных работ необходимо соблюдать следующие условия: правильно сочетать трещиноватость и анизотропность разрабатываемого массива, которые определяют возможную блочность камня и его выход; проводить работы при наличии трех обнаженных плоскостей. Глубина шпуров должна соответствовать высоте монолита, равной расстоянию между постельными трещинами за вычетом недобура 0,2—0,3 м до трещины в его основании.
Расстояние между шпурами в монолитных и слаботрещиноватых породах обычно подбирается опытным путем, начиная с 0,3—0,4 м. На добыче гранитных блоков расстояние между шпурами колеблется от 0,5 до 1 м, а диаметр шпура изменяется в пределах от 30 до 55 мм.
Масса заряда пороха для отделения монолита от массива определяется (в кг) по выражению:
где q — удельный расход BB, кг/м3; V — объем откалываемого монолита, м3.
Особенности строения месторождений природного облицовочного камня весьма разнообразны, поэтому удельный расход черного пороха должен определяться экспериментальным путем, начиная с 0,3—0,4 кг/м3, и окончательно уточняться в процессе работ. Следует отметить, что завышенный удельный расход пороха приводит к образованию дополнительных трещин и значительному смещению взрывом монолита от массива при нормальном смещении до 0,2—0,5 м. Более точным контролем влияния удельного расхода пороха на качество отделяемого монолита является непосредственная распиловка блоков на плиты в производственных условиях с учетом выхода плит (в м3) на 1 м3 блока.
Обычно величину заряда пороха в отдельных шпурах определяют делением массы общего заряда BB на число шпуров и уточняют ее опытными взрывами. Длину забойки рекомендуется принимать не менее 22—25 диаметров шпура, а при высоте монолитов до 1,8 м — не менее 1/3 глубины шпура. Взрывание пороховых зарядов осуществляется с помощью огнепроводного, детонирующего шнура или злектровоспламенителя.
Длина, ширина и высота (объем V) первоначального монолита определяется существующей природной системой трещин и направлениями облегченного раскола камня. Длина отделяемого от массива монолита принимается в зависимости от расстояния между вертикальными трещинами и достигает 15—20 м, ширина обычно составляет 2,5—6 м, а высота — 2—6 м (зависит от расстояний между постельными трещинами).
Скважинные пороховые заряды (диаметр скважин 100—105 мм) для отделения монолитов от массива применяются в исключительных случаях, поскольку приводят к образованию микротрещин в породе, излишнему ее дроблению и уменьшению выхода блоков(в %). Метод скважинных зарядов используется при ограниченных размерах карьерного поля в плане (недостаточная длина фронта работ для шпурового метода), незначительном выходе блоков (до 10—15 %) и производстве изделий для дорожного строительства (бортовые и брусчатые камни).
Для бурения взрывных скважин и для щелеобразования при отделении монолитов используются буровые станки с погружными пневмоударниками БМК-4М, СБМК-5 и СБУ-100Г-35. Станки БМК-4М и СБМК-5 сняты с производства, но продолжают еще эксплуатироваться на карьерах. Техническая характеристика буровых станков приведена в табл. 7.13.
Способ отделения монолитов от массива с помощью детонирующего шнура (ДШ) был предложен Г.А. Бершивили и Р.В. Михельсоном. Он основан на взрывании одной или нескольких нитей ДШ, помещаемых в шпур. Преимущества — возможность применения способа в любых погодных условиях, высокая степень безопасности работ. Недостаток — не гарантированное качество блоков из-за отсутствия обоснованных рекомендаций по выбору рациональных параметров взрывного отделения монолитов в различных горно-геологических условиях.
Расчетные параметры скважинных зарядов, применяемых на карьерах, приведены в табл. 7.14.
Суть способа заключается в следующем: по плоскости намечаемого раскола (вертикальной, горизонтальной) бурится ряд шпуров, в которые вводятся отрезки ДШ, соединенные в сеть, взрываемую с помощью детонатора. Порядок отделения монолита от массива, расположение и диаметр шпуров в основном такие же, как при шпуровом методе взрывания пороховых зарядов.
При отделении монолита от массива с применением ДШ необходимо соблюдать дополнительные условия: обязательно наличие в основании отделяемого монолита постельных трещин или искусственного вруба, шпуры не добуривают до постельной трещины или искусственного вруба на величину 2—3 диаметров шпура; бурение шпуров выполняют станками строчечного бурения; заряд в шпурах допускается в пределах двух нитей ДШ; забойку шпуров не проводят; все заряды присоединяют к единой взрывной магистральной линии ДШ; взрывание мгновенное.
Расчетные параметры буровзрывных работ с использованием ДШ, применяемые на карьерах, приведены в табл. 7.15.
Применение направленного раскола с помощью ДШ позволяет до 50 % снизить объем бурения, до 1,5 раз увеличить выход блоков из массива, исключить недостатки, присущие пороховым зарядам (опасность в обращении с порохом при заряжании шпуров и значительная трудоемкость этих работ, водонеустойчивость пороха).
В некоторых случаях перед взрыванием ДШ шпуры полностью заливают водой, что позволяет несколько снизить расход бурения и увеличить расстояние между шпурами. Однако необходимо учитывать, что отделение монолитов таким способом сопровождается увеличением зоны нарушения породы взрывом вокруг шпура, так как вода является несжимаемой жидкостью, и взрыв действует во все стороны с одинаковой силой. Поэтому при гидровзрывании с помощью ДШ верхнюю часть шпура на глубину 10—15 см рекомендуется водой не заполнять в целях устранения закольных явлений в верхней части отделяемого монолита по плоскости раскола.
Удельный расход ДШ при отделении монолитов от массива составляет 0,005—0,01 кг/м3.
Е) С помощью невзрывчатых разрушающих средств (НРС)
Невзрывчатое разрушающее средство получают специальным обжигом карбонатных пород с последующим измельчением продукта обжига со специальными добавками. Оно представляет собой порошкообразный материал светло-серого цвета с различными оттенками, пылящий, негорючий и не взрывоопасный, обладающий щелочными свойствами.
Разработаны три композиционных состава НРС.
В состав смеси HPC-1, разработанной Московским институтом ВНИИстром им. П.П. Будникова, основным компонентом (до 98 %) является обожженная грубодисперсная известь. Обжиг негашеной извести (CaO) производится в печах специальной конструкции при температуре свыше 1400 °С. В качестве добавок используются борная кислота (H3BО3), кальцинированная сода (Na2СО3), химическое вещество — сульфатно-дрожжевая бражка. Порошок НРС-1, смешанный с водой в соотношении 3.1, образует пастообразную массу, которая при затвердении увеличивает свой объем, создавая в разрушаемом объекте давление до 50 МПа. Состав HPC-1 характеризуется стабильностью свойств и большим сроком годности.
НРС, разработанное Киевским политехническим институтом, по составу аналогично HPC-1. При изготовлении требуется специальный обжиг карбонатных пород с гипсосодержащим камнем (CaSО4*2H2О), затем измельчение полученного клинкера с некоторыми добавками. Более сложная технология оправдывается лучшим качеством смеси, стабильностью ее работы, меньшей слеживаемостью и более длительным сроком хранения. Развивает давление до 50 МПа.
В составе смеси, разработанной Львовским политехническим институтом, основным компонентом является грубоизмельченная негашеная известь. От составов ВНИИстром и КПИ отличается тем, что при изготовлении смеси не требуется обжига извести, что значительно снижает ее стоимость. Приготовление смеси осуществляется механическим перемешиванием компонентов. Максимально развиваемое давление 40 МПа. Недостатки: нестабильность свойств из-за гашения негашеной извести при взаимодействии с воздухом; малый срок годности.
Невзрывчатое разрушающее средство может использоваться как для отделения монолитов от массива, так и для раскалывания монолитов на стандартные блоки.
Для отделения монолита от массива с помощью HPC бурят шпуры, диаметр и глубина которых, а также расстояние между ними определяются в зависимости от физико-механических свойств пород. С увеличением диаметра шпуров возрастает разрушающее усилие и вероятность холостого выстрела шпура вверх без достижения требуемого эффекта.
Для высокопрочных пород при отделении монолитов от массива с помощью HPC рациональный диаметр шпуров, по данным практики, находится в интервале 36—60 мм, расстояние между шпурами 20—50 см. Глубина шпуров должна составлять не менее 70 % высоты отделяемого монолита. Шпуры заполняются рабочей смесью HPC на всю глубину.
Приготовление рабочей смеси осуществляется в открытом сосуде, в который заливают отмеренное количество воды, в которую постепенно высыпают отвешенное количество НРС, тщательно перемешивая массу до получения хорошей ее текучести. Продолжительность приготовления массы не должна превышать 8—10 мин. Вода, используемая для приготовления раствора НРС, должна иметь температуру не более 25 °C. Уменьшение или увеличение расхода воды от рекомендуемых пределов при приготовлении рабочей смеси HPC приводит к уменьшению его расширяющего усилия.
Невзрывчатое разрушающее средство работает только при смешивании с водой. В результате химической реакции происходит расширение массы в шпуре, что и создает раскалывающее (расширяющее) усилие, которое увеличивается с течением времени. От этого усилия в породе возникают напряжения, которые приводят к образованию трещин, а расширяющее усилие поддерживается также после появления трещин.
Опытно-промышленные испытания HPC на гранитных карьерах (Емельяновском, Головинском, Корнинком) по отделению монолитов от массива показали, что усилия, развиваемые НРС, вполне достаточны для отделения монолитов объемом более 90 м3 в породах с пределом прочности на сжатие до 200 МПа. По сравнению с традиционными способ отделения монолитов от массива с помощью HPC позволяет увеличить выход блоков из массива на 5—10 %, исключить разрушающее воздействие на массив, повысить качество блоков.
Расход HPC на 1 м3 отделяемой породы зависит от прочностных свойств породы, наличия в ней трещин, объема отделяемого монолита и его размеров, глубины шпуров, межшпуровых расстояний и других показателей. Этот расход для различных пород и разных условий составляет 2—5 кг на 1 м3 отделяемой породы (на основании промышленных экспериментов удельный расход HPC при отколе блоков гранита составил 5 кг/м3, мрамора — 3,5 кг/м3).
Расчетный удельный расход HPC для отделения двух граней камня можно определить (в кг/м3) по формуле:
где lш — глубина шпура, м, А — ширина отделяемого камня, м; р — вместимость шпура, кг/м; аш — расстояние между шпурами, м; H — высота отделяемого камня, м.
При расколе по одной грани камня для расчета qн из числителя формулы (7.7) исключают А.
К преимуществам применения HPC относятся: беззвучность раскалывания камня; отсутствие сейсмического эффекта, разлета осколков породы, выброса твердых и газообразных продуктов. Недостатки: невозможность использования HPC при минусовой температуре; большая продолжительность раскалывания породы (20—70 ч).
Ж) Установками HRS
HRS — Hydro Rock Splitter (дословный перевод с английского — гидравлический раскалыватель породы) — силовой элемент скважинного типа, размещаемый в металлическом цилиндре и служащий для создания направленной нагрузки на стенки скважины (шпура) и разрушения прочных пород. Силовой элемент HRS может быть размещен в скважине на любой глубине.
Установка HRS укомплектовывается источником давления (маслостанцией с электрическим или ручным приводом), шлангами низкого и высокого давления с быстросъемными соединениями на 6 или 12 силовых элементов, которые могут работать одновременно от одной маслостанции с распределителем и механическим отодвигающим устройством.
После монтажа установки HRS, который занимает несколько минут, силовые элементы устанавливаются в шпуры. Затем с помощью маслостанции начинается нагнетание жидкости в силовые элементы. Последние расширяются в одном направлении (рабочий ход силового элемента для разных конструкций HRS составляет 7—18 мм) и осуществляют направленный откол породы.
Различные модификации установок HRS выпускаются с силовыми элементами диаметром 33, 40, 60, 97 и 100 мм, имеющими рабочее давление от 90 до 125 МПа, разрывное усилие от 1000 до 8500 кН и массу от 1,5 до 25 кг.
При применении HRS диаметр скважин (шпуров) должен превышать диаметр силового элемента на 2—5 мм. Установка обслуживается одним оператором.
3) Комбинированные способы
Применение различных технических средств для отделения монолитов от массива позволяет полнее использовать их преимущества, увеличить коэффициент выхода и объемы блоков, снизить трудоемкость, улучшить организацию и безопасность работ. Комбинированные способы подготовки горных пород к выемке позволяют более полно сочетать и учитывать конкретные горно-геологические условия залегания пород и их физико-технические свойства.
На карьерах в основном применяются следующие комбинированные способы отделения монолитов от массива:
• буровзрывной (буроклиновой) в сочетании с термическим способом щелеобразования;
• буровзрывной (буроклиновой) в сочетании с буровым способом щелеобразования.
Сущность комбинированного способа заключается в следующем. в торце отделяемого монолита термическим или буровым способом проходят отрезную щель шириной 10—12 см для создания дополнительной плоскости обнажения. Дальнейшее отделение монолита от массива может производиться обычным буровзрывным или буроклиновым способами в зависимости от физико-механических свойств и трещиноватости разрабатываемых пород (рис. 7.7).
Комбинированный способ отделения монолитов от массива с термическим (с помощью ручных терморезаков) щелеобразованием применяется в основном на гранитных карьерах. Терморезак — породоразрушающий термогазоструйный инструмент, предназначенный главным образом для прорезания щелей в массиве горных пород — создания дополнительной плоскости обнажения при добыче блоков природного камня.
Терморезак состоит из исполнительного органа — реактивной горелки, рукоятки и штанги-удлинителя при глубинном разрушении горных пород. При работе терморезака компоненты горючей смеси (бензин, керосин, дизельное топливо, сжатый воздух) поступают через индивидуальные вводы в полость горелки. Высокотемпературная газовая струя (температура до 2000—3000 °С) со сверхзвуковой скоростью (свыше 330 м/с) воздействует на поверхность горных пород. Под влиянием высокой температуры в горных породах происходит резкое увеличение объема отдельных минеральных зерен, что приводит к образованию внутренних напряжений в поверхностном слое породы с последующим ее разрушением, протекающем обычно в режиме шелушения. Быстрота разрушения породы под действием высокотемпературной газовой струи зависит от теплофизических свойств породы, ее минералогического состава, структуры, текстуры, степени выветрелости, трещиноватости, рационального использования энергии газовой струи и др.
Наибольшая производительность терморезаков достигается обычно на монолитных крупнозернистых гранитах с высоким содержанием кварца (30—40 %) и минимальным содержанием биотита (до 10 %) — до 2,5 м2/ч при ширине щели до 110 мм, глубиной до 5 м. Важнейшим фактором, влияющим на производительность терморезаков, является рациональное использование энергии газовой струи, определяемое расстоянием от забоя щели до среза сопла горелки (оптимальное — 70 мм) и углом атаки газовой струи (оптимальный — 60°).
Основные достоинства терморезаков: конструктивная простота, незначительная масса. Недостатки: повышенные потери камня из-за значительной ширины щели, избирательность по отношению к различным горным породам, некомфортные условия при эксплуатации ручных терморезаков (высокий уровень шума, интенсивное выделение продуктов горения и частиц породы в рабочей зоне).
Внедрение в технологию добычи блоков термогазоструйного способа подготовки камня к выемке позволяет: повысить качество блоков и уменьшить потери камня при переработке его на продукцию; увеличить выход блоков из добытого полезного ископаемого; уменьшить тяжелые и трудоемкие ручные работы по очистке забоев при проходке разрезных и фланговых траншей буровзрывным способом, упорядочить системы разработки месторождений и повысить культуру производства на карьерах блочного камня.
На ряде гранитных карьеров Украины (Емельяновском, Корнинском, Янцевском и др.) нашли применение ручные терморезаки TPB-1 конструкции Харьковского авиационного института (ХАИ), техническая характеристика которых приведена в табл. 7.16.
Недостатки применения ручных терморезаков: трудность поддержания оптимального расстояния от среза сопла горелки до забоя образуемой щели (70 мм); непосредственное нахождение рабочего в зоне интенсивного выделения продуктов горения и твердых частиц, образуемых при разрушении гранита.
Созданные институтами ХАИ и КазПТИ на базе ручных терморезаков газоструйные установки улучшают условия труда и повышают производительность терморезания.
Техническая характеристика газоструйной установки УГР-2 конструкции ХАИ приведена в табл. 7.18.
Следует отметить, что производительность прорезания щелей в монолитных массивах по площади в несколько раз больше, чем в трещиноватых. Это объясняется тем, что в трещиноватых массивах трещины заполнены различными цементирующими породами, слабо поддающимися термическому разрушению и снижающими производительность резания. По трещинам происходит и утечка газовой струи.
Щелеобразование буровым способом (см. рис. 7.7, II) выполняется обычно буровыми станками с погружными пневмоударниками БМК-4М, СБМК-5, СБУ-100Г-35, станками строчечного бурения или перфораторами. Сущность этого способа заключается в том, что по линии намечаемого щелевого вруба проводится сплошное обуривание (скважины или шпуры бурятся в непосредственной близости друг от друга).
Источник
