Лекція 3
Тема: Підготовка гірських порід до виймання
Мета:отримати уявлення пропідготовку 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 піддаютьсявідділенню від масиву безпосередньо робочими органами машин, необхідновідділити породу від масиву і дробити її до необхідної крупності. В даний часці роботи виконують буропідривним способом.
Основні об'єми видобувних і розкривних робіт на рудних кар'єрахвиконуються за рахунок вибуху зарядів вибухової речовини (ВР) в пробуренихсвердловинах, рідше в спеціальних виробках, пройдених з цією метою.
Вибухові свердловини в основному бурять механічними способами звикористанням верстатів обертальної дії. Гірський масив спушують в основномуметодом вертикальних та похилих свердловинних зарядів діаметром від 190 до 320мм. В даний час на кар'єрах застосовують фізичні способи буріння, до яких впершу чергу слід віднести вогняний (термічний) спосіб буріння.
Вибір способу механізації бурових робіт в конкретних умовах залежитьголовним чином від продуктивності кар'єру, фізико-механічних властивостейгірських порід, необхідного ступеня дроблення гірської маси, висоти уступу і т.д.
Давайте напочатку лекції визначимося з основними поняттями, якими ми будемо користуватисявпродовж всієї лекції:
Буріння – створення буровоїсвердловини або шпуру руйнуванням гірських порід.
Свердловина – глибокий, вузький круглого перерізу отвір у ґрунті, зроблений буровим інструментом. Її глибинабільша 5 м, а діаметр більше 75 мм.
Шпур - вузький циліндричнийканал, який вибурюють в гірському масиві і наповнюють вибуховою речовиною. Маєглибину до 5 м і діаметр до 75 мм.
Міцністьгірських порід – властивість гірської породи в певних умовах, не руйнуючись, сприймативпливи механічних навантажень, температурних, магнітних та інших полів. Визначаєтьсяза шкалою М.Протод'яконова.
Буріння свердловин в масиві гірських порід здійснюється буровимиверстатами, різними за принципом дії, діаметром бурового снаряда іпродуктивністю. Умови їх застосування визначаються властивостями масиву,об'ємом бурових робіт і параметрами вибухових свердловин.
У щільних і напівскельних породах застосовують верстати обертальногобуріння типа СБР з ріжучими коронками, в скельних породах при великому об'ємібуріння — верстати шарошкового буріння (СБШ), на кар'єрах малої і середньої продуктивності, а також наверхніх горизонтах кар'єрів з косогорнимрельєфом — верстати ударно-обертального буріння (СБУ), внадзвичайно міцних породах з кристалічною структурою застосовуються верстати вогневогобуріння (СБО) і в сильно тріщинуватих або закарстованих породах, де буріння можливетільки з обсадними трубами, — верстати ударно-канатного буріння (БС).
Обертальне буріння (буріння свердловин різанням)ріжучими коронками застосовується для проходки вертикальних і похилихсвердловин в породах з коефіцієнтом міцності 2-8. Верстати обертального буріннявідрізняються простотою в експлуатації і високою продуктивністю. Технологіябуріння верстатом такого типу полягає в руйнуванні породи різцем в свердловиніпід впливом осьового зусилля, створюваного вагою приводу і обертанням буровогоставу. Видалення бурової дрібниці із забою свердловини під час буріннязабезпечується шнековим ставом гвинтової форми. Після закінчення буріннязалишки бурової дрібниці видаляють стислим повітрям. Буровий став складається зштанг, які під час буріння нарощують. Різці виконують з зносостійкої сталі абоармують твердосплавними елементами. Конструкція коронок і їх форма обумовленівластивостями масиву і діаметром свердловини. Хід верстата крокуючий тагусеничний. Режим буріння регулюється зусиллям подачі бурового ставу і частотоюобертання для забезпечення максимальної швидкості буріння. При збільшенніміцності порід зусилля подачі повинне зростати, а частота обертання — знижуватися.
Шарошкове буріння. Верстати шарошкового буріння запринципом дії теж відносяться до обертальних, але руйнування породи в забоїсвердловини відбувається в результаті роздавлювання в місцях контактуповерхневого шару із зубами головки робочого органу верстата — шарошки. Шарошка пригвинчується на буровийстав трубчастих штанг. Конструктивно шарошки виконуються трьох видів: іззубчатими вінцями, штирьові з твердого сплаву і комбіновані. Перші призначенідля буріння м'яких і середніх по міцності порід, другі – міцних, треті — різноміцних. Самі штирі залежно від міцності і в'язкості порід мають робочуповерхню у вигляді клину або півсфери. Очищення свердловини від буровоїдрібниці і охолоджування шарошок відбувається продуванням стислим повітрям, щоподається до шарошки по порожнинах бурових штанг. Продукти буріння уловлюютьсяспеціальними пристроями, встановленими на верстаті. Верстати можуть буритивертикальні і похилі свердловини діаметром від 150 до 320 мм. Тиск на забійзалежить від ваги верстата… Швидкість буріння залежить від правильного виборувиходячи з властивостей масиву, моделі верстата, типу долота і режиму буріння.Режим буріння регулюється автоматично зміною зусилля подачі і швидкостіобертання 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 широкорозповсюджене шарошкове буріння свердловин.
Ударно-обертальне буріння. Верстати ударно-обертальногобуріння СБУ застосовують для буріння порід середньої і вище середньої міцності.Вони прості в обслуговуванні, мають малу масу, велику маневреність і дозволяютьбурити вертикальні, похилі низхідні свердловини, горизонтальні і похилівисхідні свердловини. Робочим органом верстата є пневмоударники. Стисле повітря від компресора поступає попорожнистій штанзі до пневмоударника. За допомогою клапанногопристрою він приводить в поворотно-поступальну ходу поршень, який завдає ударпо хвостовику бурової коронки з частотою 1700-2500 ударів в хвилину. Обертання пневмоударника здійснюється через штангу від електродвигуна, розташованогона самому верстаті. При кожному ударі лезо долота просувається в породу,здійснюючи сколювання сектора, на який встигло обернутися долото від обертаннябурового інструменту. Бурова дрібниця віддаляється з свердловини легко-водяноюсумішшю або стислим «повітрям. Залежно від властивостей масивузастосовують коронки різних типів: долотчаті, трьохлезвенні, хрестоподібні,Х-образні, без випереджаючого і з випереджаючим лезом, армовані твердимсплавом. У монолітних породах частіше застосовують коронки долотчатої форми, в тріщинуватих — хрестові або трьохлезвенні з випереджаючим лезом. Швидкість буріння верстатамиударно-обертального буріння достатньо висока. Вона досягає 6 м/год в породах зміцністю 9-16. Проте експлуатаційна продуктивність верстатів цього типу істотнознижується через швидке затуплення коронок і, отже, необхідності заміни долота.За рубежем пневмоударне буріння застосовують для підготовки гірської маси нарудних горизонтах, оформлення бортів кар'єрів, селективної виїмки руди, привикористанні екскаваторів невеликої потужності і ковшових навантажувачів.
Термічне (вогневе)буріння використовується в міцних, якправило, кварцвмісних монолітнихпородах з коефіцієнтом міцності 20. Руйнування породи відбувається в результатіпрактично миттєвого нагріву тонкого поверхневого шару її в забої свердловинивід високотемпературного (до 3200 °С) струменя газів, що виходить з соплапальника робочого інструменту з надзвуковою швидкістю (близько 2000 м/с). Врезультаті термічних напруг від розширення порода в цьому шарі руйнується і,відділяючись від масиву струменем газів, виноситься з свердловини. Длястворення такої температури використовується пальне — газ або дизельне паливо іокислювачі — кисень, азотна кислота або стисле повітря. Пальне і окислювачі збаків, змонтованих на верстаті, подаються під тиском по трубопроводах черезштангу до пальника, де вони змішуються в камері згорання. При кисневомуокислювачі пальник має два або три сопла, при повітряному окислювачі — одне.Охолоджування кожного пальника здійснюється водою. Буріння свердловиниздійснюється без нарощування штанги, тому верстат термічного буріння має високумачту. Режим термічного буріння залежить від температури і швидкості закінченнягазів, частоти обертання пальника (горілки), який складає звичайно 10 – 20об/хв, і відстані між соплами пальника і поверхнею забою свердловини. Сучасніверстати мають автоматичну систему регулювання режиму буріння, тобтоавтоматична підтримка оптимальної відстані між забоєм і пальником, ірегулювання співвідношення робочих компонентів для створення оптимальнихпараметрів струменя. Верстати термічного буріння дозволяють бурити свердловинирізноманітної форми з розширенням в будь-якій площині і зміною режиму буріння,а також застосовувати пальники із спеціальною геометрією. Основний недолікверстатів термічного буріння — високі витрати на буріння через велику витратугорючих компонентів: на 1 м свердловини потрібен 50-70 м3 кисню і15- 20 кг газу. Ефективним є комбіноване застосування термічного і механічногоспособів руйнування, конструктивно використовуваних в двох варіантах: шарошковіабо ударно-обертальні верстати спочатку бурять свердловини малого діаметру, якіпотім розширяються вогняним пальником, змонтованим на верстаті; другий варіантконструкції передбачає застосування в буровому інструменті пальника, якийпризначений для нагріву-породи, і шарошки,яка легше руйнує породу, що знаходиться після нагріву в термічній напрузі.
Ударно-канатне буріння в даний час не застосовується черезмалу продуктивність і велику трудомісткість.
Вибуховими називають хімічні речовини, здатні під впливомзовнішньої дії швидко розкладатися з утворенням великої кількості сильнонагрітих газів. Ці гази, що мають у момент вибуху високий тиск, руйнуютьпороду. Таким чином, вибух характеризується високою швидкістю протіканняреакції, утворенням газоподібних продуктів і виділенням тепла. Вибуховіречовини (ВР), які вживаються в гірничій промисловості, є однорідними хімічнимиз'єднаннями (аміачна селітра, тротил, гексоген і ін.) або механічними сумішами(амоніт, динаміт і ін.).
Вибух – це дуже швидке (миттєве) хімічне перетворення вибуховоїречовини зі свого звичайного стану в газоподібний, з таким же швидкимперетворенням потенційної енергії в механічну, направлену на руйнуваннянавколишнього середовища.
Швидкість вибухового розкладання вимірюється сотнями і тисячами метрів засекунду. 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, вимірюваноютисячами метрів за секунду. За певних умов (низька густина, підвищена вогкість)деякі ВР розкладаються з невеликоюшвидкістю (декілька метрів за секунду). Таке розкладання називають вигоряннямВР. При вигорянні ВР утворення газів відбувається поволіі руйнування породи не спостерігається.
Чим вища швидкість вибухового розкладання, тим краще дроблення породи. Угірничій справі застосовують ВР зяскраво вираженими властивостями, що дроблять, — бризантні. ВР з відносно низькою швидкістюрозкладання (наприклад, порох) називають метальними.
Бризантність ВРвимірюється в міліметрах і визначається величиною стиснення свинцевого циліндрупевних розмірів при вибуху на ньому 50 г ВР.
Працездатність ВРвстановлюють 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 характеризуютьпотужність ВР. Окрім них в характеристикуВВ входять густина (чим більша густина ВР, тим вища їїефективність, 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 незміннимисвої властивості), чутливість, яка визначається величиноюенергії, необхідної для вибуху ВР. Ця зовнішня енергіяназивається 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 тимбільш небезпечно буде дана ВР в обігу.Вибух є реакцією окислення. Кисень, необхідний для цієї реакції, входить доскладу самої ВР. У гірничоруднійпромисловості звичайно застосовують ВР з близьким до нульового кисневимбалансом, тобто ВР, що містять стільки кисню, скільки його необхідно дляповного окислення горючих елементів ВР. При надлишку кисню (позитивний кисневийбаланс) або його недоліку (негативний кисневий баланс) утворюється підвищенакількість шкідливих газів (оксиду вуглецю або оксидів азоту).
Первинне підривання здійснюється методами свердловинних,шпурових, котлових і камернихзарядів.
Метод свердловинних зарядів отримав найбільше застосуванняна кар'єрах. При цьому методі з верхнього майданчика уступу буровими станкамипробурюють вертикальні або похилі свердловини. Свердловини розташовуютьуздовж фронту уступу в один, два і більше рядів. Розташування свердловин наверхньому майданчику уступу залежить від його висоти і кута укосу, діаметрусвердловин та міцності порід. Свердловини в міцних породах проходяться декільканижче за підошву уступу. Частина свердловини, розташована нижче за підошвууступу, називається перебуром. Величина перебура залежить від висоти уступу,опору по підошві, діаметру свердловини, типу вживаної ВР, конструкції заряду,фізико-механічних властивостей порід.
Метод шпуровихзарядів як основний застосовуєтьсяна кар'єрах невеликої виробничої потужності при висоті уступів до 4-5 м, девикористання великого бурового устаткування неекономічне. На кар'єрах середньоїі великої потужності цей метод застосовується головним чином при здійсненнівторинного вибуху (дроблення шматків негабаритів), селективній розробцікорисних 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 звичайнона порівняно невеликих кар'єрах в мілкотрещинуватих, дуже міцних і в'язкихпородах, коли звичайна свердловина або шпуровий заряд ВР не може подолати лініюопору по підошві уступу і роздрібнити гірську породу. Для розміщення в нижній частинісвердловини (шпуру) більшої кількості ВР, її розширюють шляхом вибуху(прострілювання) одного або декількох (послідовно) невеликих зарядів ВР.Сферична порожнина (казан), що утворюється в результаті прострілювання, служитьдля розміщення в ній основного котлового заряду ВР. Метод котлових зарядів забезпечує можливість скороченнявитрат буріння на одиницю гірської маси, проте внаслідок складності утворення котліві трудомісткості він не отримав широкого розповсюдження.
Метод камерних зарядів відрізняється великою витратою ВР.При цьому методі ВР поміщають в спеціальні гірські виробки (зарядні або міннікамери), прохідні з штолень або шурфів на рівні підошви висаджуваного уступу. Вданий час цей метод на кар'єрах застосовується дуже рідко. Його використовуютьтільки у виняткових випадках, наприклад, на нагірних кар'єрах для нарізки новихгоризонтів на узгір'ї.
Вторинний вибух здійснюється звичайно накладними (зовнішніми) і шпуровими зарядами, а також електротермічнимиметодами руйнування і механічними способами.
Метод накладних зарядів дуже простий, завдяки чому набувширокого поширення на кар'єрах для дроблення шматків негабаритів, якіутворилися в результаті первинного вибуху. При цьому методі ВР розміщується безпосередньона поверхні негабариту широким насипом завтовшки 3,5-5 см і прикривається шаромпіску, глини або землі (без домішки щебеня або гальки) завтовшки не менштовщини шару заряду. Цей метод достатньо ефективний, проте витрата ВР на 1 м3 висаджуваноїгірської маси приблизно в 10-15 разів більше, ніж при шпуровому методі вторинного вибуху.
Шпурової метод вторинного вибуху також одержав широке застосуванняна кар'єрах. При цьому глибину шпураприймають рівній половині товщини шматка породи.
Останніми роками буропідривні методи вторинного дроблення успішнозамінюють електротермічними методами руйнування з використанням струмів високої(високочастотний контактний метод) і промислової (низькочастотний метод)частоти.
Ініціюючі ВР — ВР, легко детонуючі від незначної теплової абомеханічної дії (удар, тертя, вогонь, електрична іскра і т.п.). Для ниххарактерний легкий перехід від горіння до детонації в тих умовах (атм. тиск, неміцна оболонка або їївідсутність, малі заряди), в яких такий перехід у бризантних ВР звичайно не відбувається.Виробництво і поводження з ІВР вимагає дотримання запобіжних особливих засобівчерез небезпеку виникнення вибуху. Перевезення допустиме тільки у виглядіготових виробів. До ІВР відносяться:
· Гримучартуть,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% вологирозкладається без вибуху. При вогкості 30% повністю втрачає чутливість. Вибухаєпри дії конц. сірчаної кислоти
· Азидсвинцю,свинцю діазид — існує в 4-х кристалічних модифікаціях.
· Ацетіленідиміді — коричнево-червонаабо чорна кристалічна речовина, нерозчинна у воді і органік. розчинниках. Усухому вигляді дуже чутливий до удару, тертя, вогню, наколювання. Сприйнятливийдо іскри.
Бризантні– ВР з яскраво вираженими властивостями, що дроблять. До нихвідносяться 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 рекомендованоїлітератури:
1. Анистратов Ю.И. Технология открытойдобычи руд редких и радиоактивных металлов: Учебник для вузов. – М.: Недра. –1988. – 430 с.: ил.
2. Борисов С.С. Горное дело: Учебник длятехникумов. – М.: Недра, 1988. – 320с.: ил.
3. Ржевский В.В. технология икомплексная механизация открытых горных работ. Учебник для вузов. – М.: Недра,1980. – 631 с.
4. Разработка рудных месторожденийоткрытым способом. А.М. Дёмин, К.Н. Трубецкой, В.И. Зуев. – М.: Недра, 1970. –216 с.
5. Кутузов Б.Н. Теория, техника итехнология буровых работ. – М.: Недра, 1972.