Процесс отделения горной массы от массива

Процессы проходческого цикла

Технология проведения стволов при обычных способах состоит из следующих процессов: бурение, заряжание и взрывание шпуров, проветривание забоя, водоотлив, уборка породы (операция погрузки и подъема), установка временной или постоянной крепи, армировка ствола (если она производится одновременно с проходкой).

Отделение горной породы от массива производится за счет разрушения породы резцами бурильного инструмента или с использованием энергии ВВ. В большинстве случаев проходки стволов применяется последний способ. Удельные затраты на буровзрывные работы в общем цикле проходческих работ составляют 25–30% при породах с f = 6–8 по шкале М.М. Протодьяконова и достигают 45–50% и более npи f = 10−15.

Сложные условия проходки стволов (ограниченные размеры поперечного сечения, близость крепи и оборудования к месту взрыва, обводненность, частая смена физико-механических свойств пород по разрезу и др.) требуют повышенного внимания к выбору рациональных параметров и организации ведения буровзрывных работ.

Поэтому существенную роль играют вопросы выбора ВВ, конструкции заряда, типа вруба, количества и глубины шпуров и пр.

Шпуры при сооружении стволов бурят ручными пневматическими бурильными машинами – перфораторами типа ПП.

В мягких и средней крепости породах применяют перфораторы ПП-36В, ПП-54В, ПП-54ВБ, в породах средней крепости и крепких ПП-63П, ПП-63В, ПП-63ВБ. При бурении нисходящих шпуров в условиях обводненности – ПП-63С. При проходке вертикальных стволов шахт на буровзрывные работы (БВР) приходится более 25% трудовых затрат и 50–60% стоимости всех работ, при этом удельная продолжительность БВР на цикл в среднем составляет 2,5–3,5 ч.

Число перфораторов, одновременно работающих в забое:

п = S _вч/ S _уд,

где S _уд− площадь забоя на один перфоратор, равная 4–5 м², на скоростных проходках S _уд= 1,5–2 м². Тип коронок подбирается в зависимости от крепости и трещиноватости пород.

Для сокращения продолжительности бурения шпуров, облегчения тяжелого труда и уменьшения числа проходчиков, занятых на бурении шпуров при проходке капитальных вертикальных шахтных стволов, применяются механизированные бурильные установки, которые подразделяются на две большие группы: подвешиваемые к тельферу стволовой погрузочной машины и перемещающиеся независимо от погрузочной машины.

Из применяющихся бурильных установок наиболее распространены бурильные установки БУКС и СМБУ-4м. Они позволяют значительно повысить эффективность буровзрывных работ, увеличить темпы и производительность труда, полностью механизировать работы по бурению шпуров, заменить трудоемкий процесс ручной зачистки забоя ствола перебуриванием слоя взорванной породы с помощью забурника и снизить стоимость проходки 1 м ствола.

Установки БУКС-1м, БУКС-1му и БУКС-2м оснащены бурильными головками БГА-1м, что позволяет бурить шпуры в породах с f = 14–16. В установках БУКС-1у2 и БУКС-1у5 предусмотрена возможность применения бурильных машин типа ПК, что дает возможность бурить породы с f ≤ 20.

Техническая характеристика бурильных машин

Тип	БУКС-1м	БУКС-1мц	БУКС-2м
Диаметр ствола в свету, м	5,5–9	5,5–9	4,5–8
Число бурильных машин
Глубина бурения шпуров не более, м	4,2	4,2	2,4
Величина хода автоподатчика, м	4,5	4,5	2,7
Усилие подачи, кН	10,8	10,8	10,8
Расход воздуха на очистку 100 м шпуров, м3
Расход сжатого воздуха, м3/мин
Возможный угол наклона бурильной
машины, град.
Расстояние между шпурами, мм			600–800
Основные размеры в транспортном положении, м:
высота	10,3	10,3	5,86
диаметр описываемой окружности	1,54	1,54	1,4
Масса, т	10,2	10,2	7,2
Тип	БУКС-1у2	БУКС-1у5	СМБУ-4м
Диаметр ствола в свету, м	4–9	4–9	5–8
Число бурильных машин		2–5
Глубина бурения шпуров, не более, м	4,4	4,4	4,0
Величина хода автоподатчика, м	4,5	4,5	4,0
Усилие подачи, кН	8,8	8,8	10,8
Расход воды на 100 м шпуров, м3			2,25
Расход сжатого воздуха, м3/мин
Возможный угол наклона бурильной
машины, град.
Расстояние между шпурами, мм	600–800	600–800	любое
Основные размеры установки в транспортном положении, м:
высота	9,115	9,115	6,76
диаметр описываемой окружности	1,25	1,25–2,05	1,37
Масса, т	6,4	10,8

При выборе типа ВВ и СВ руководствуются требованиями "Единых правил безопасности при взрывных работах", определяющих возможность применения различных ВВ и СВ в зависимости от условий проведения выработок (обводненность, опасность по взрыву газа или пыли и пр.). В зависимости от прочностных свойств пород рекомендуются ВВ со следующими значениями работоспособности:

Коэффициент крепости пород Работоспособность ВВ, см3

1–3

3–6 220–320

6–10 320–400

>10 400–600 и более

Удельный расход ВВ можно определить по формуле Н.М. Покровского:

q = q_l, с ω е,

где q – величина заряда ВВ нормального выброса, кг/м³; с – коэффициент, учитывающий структуру породы: ω – коэффициент, учитывающий влияние зажима породы; е – коэффициент, учитывающий работоспособность ВВ.

Значение величины q ₁, можно принять следующим:

Коэффициент крепости породы по шкале М. М. Протодьяконова		3–2	6–4		10–15	15–20
Значения q 1	0,15	0,3–0,2	0,4–0,6	0,7–0 8	1,0–1,1	1,2–1,5

Величина с для различных пород имеет значения, представленные в табл. 89.

Таблица 89

Характеристика породы	Значение коэффициента с
Вязкие, упругие, пористые породы
Дислоцированные породы с неправильным залеганием и мелкой трещиноватостью	1,4
Слоистые породы с непостоянной крепостью; с напластованием, перпендикулярным направлению шпура	1,3
Массивная плотная порода	1,0
Тонкослоистая, но плотная порода	0,7

Значение коэффициентов ω, по Г.И. Маньковскому, при взрыве шпуров с одной обнаженной плоскостью равно

По данным исследований кафедры горного дела МГРУ, для выработок сечением до 5,5 м² коэффициент ω можно определять из соотношения

Коэффициент, учитывающий работоспособность ВВ, можно принимать по таблицам или определять по формуле

где 380 – рабоспособность аммонита N 6ЖВ; Р – работоспособность применяемого ВВ.

Расход ВВ на цикл определяется по формуле

Q = q l S _пр,

где l – глубина шпуров, м; S – площадь сечения ствола в проходке, м².

Глубина шпуров зависит от физико-механических свойств горных пород, организации работ, соответствия паспорта буровзрывных работ характеристике пород, совершенства и количества применяемого оборудования по бурению шпуров и погрузке породы. Она оказывает существенное влияние на продолжительность цикла, темпы проведения выработок, трудоемкость и стоимость работ.

По Н.М. Покровскому, глубину шпуров можно определять по следующим выражениям:

− при последовательной и параллельной схемах проходки, когда в забое производятся только выемка породы и возведение временной крепи

− при совмещенной схеме с передвижной опалубкой

− при параллельно-щитовой схеме проходки, когда работы по возведению крепи и выемке породы полностью совмещаются

где Т _ц − продолжительность цикла, ч; N – число шпуров; t _з − время заряжания одного шпура, ч; для патронов ВВ d = 36 мм, t ₃ = 0,07–0,1 ч; для d = 45 мм и забойки из гранулированного шлака t _з = (4+ 1,1· l _ш)/60; n – численность проходчиков, занятых заряжанием, n = S _вч / S ₁, где S ₁ – площадь забоя на одного заряжающего, равная 6–8 м²; φ_з – коэффициент одновременности работы проходчиков на заряжании, равный 0,7–0,8; t _в – время проветривания забоя ствола, равное 0,5 ч; Σ t _вс – суммарное время вспомогательных работ (подъем бурового оборудования и полка перед взрывом – 15–25 мин, осмотр ствола и приведение забоя в безопасное состояние – 10–20 мин, спуск полка и погрузочных машин – 20–30 мин, спуск щита – 15–25 мин и др.).

При совмещенной схеме и бурении шпуров перфораторами, погрузке породы машиной КС-3 Σ t _вc= 0,5÷1 ч; при бурении шпуров с использованием БУКС-1м и погрузкой породы КС-2у/40 Σ t _вc= 1÷1,5 ч, при последовательной и параллельной схемах Σ t _вc= 0,5÷1,25 ч. При параллельно-щитовой схеме Σ t _вc= 0,5÷0,8 ч; t _о – время выравнивания породы в забое, спуска и центрирования опалубки, равное 2–3 ч; Q _б – скорость бурения, м/ч; μ – коэффициент излишка сечения (к.и.с.), равный 1,03÷1,1; η – КИШ, равный 0,80÷0,95; К _р – коэффициент разрыхления породы; Р _п − производительность погрузки породы в разрыхленном состоянии, м³/ч; Н_в − норма времени на возведение одного кольца временной крепи, равная К Д_св (К = 1,85÷2,2; Д_св – диаметр ствола в свету); l ₁ – расстояние между кольцами временной крепи, равное 0,8÷1 м; n _к − численность рабочих, занятых возведением временной крепи; φ_к – коэффициент совмещения работ по возведению временной или постоянной крепи с погрузкой породы, равный 0,8–1; v _б= μ – S _св; Р _б– производительность укладки бетона за опалубку. При одном бетонопроводе Р _б = 6–8 м³/ч, при двух − Р _б= 10−12 м³/ч.

В приведенных формулах не учтены работы по наращиванию ставов труб сжатого воздуха, вентиляционных, а также бетонопроводов, устройству опорного венца, ремонту оборудования и прочие.

При скоростном строительстве стволов средняя глубина шпуров равна

где v _м − проектируемая скорость проходки, м/мес; m – число рабочих дней в месяц; n – число рабочих смен в сутки; t _cм – продолжительность смены; К _г− коэффициент готовности технологической схемы, равный 0,7–0,8.

Определив среднюю глубину шпуров, подбирают соответствующее оборудование, технологию и организацию работ с тем, чтобы все проходческие операции были выполнены в заданное время цикла.

Число шпуров можно определить по формуле

,

где α – коэффициент заполнения шпура, равный отношению площади патрона ВВ к площади шпура; при диаметре патрона 32 мм α = 0,65−0,75; при диаметре 45 мм – 0,4–0,5; при диаметре 55 мм – 0,35−0,45; Δ – плотность ВВ в патронах или плотность заряжания при россыпных ВВ, кг/м³; d – диаметр шпура, м; К – коэффициент уплотнения ВВ в шпуре (для нитроглицериновых ВВ К = 1,2, для аммиачно-селитровых К = 1).

Правильность установления числа шпуров в значительной степени определяет качество дробления взорванной породы, способствует повышению КИШ и точному оконтуриванию сечения ствола. Рассматривая режим работы шпуров в забое ствола, можно установить, что врубовые и вспомогательный шпуры работают в более тяжелых условиях, чем оконтуривающие. Поэтому врубовые шпуры на 10–20% длиннее вспомогательных и оконтуривающих; в них закладывается и больший по величине заряд. Вспомогательные и оконтуривающие шпуры бурятся одинаковой длины, но во вспомогательные помещается несколько больший заряд, чем в оконтуривающие. Так как оконтуривающие шпуры должны обеспечивать точный контур ствола, то их бурят на небольшом расстоянии один от другого и закладываются малые заряды, которые исключали бы отбойку излишней породы и нарушение законтурного массива.

Из анализа практики сооружения стволов число оконтуривающих шпуров независимо от крепости пород для патронов ВВ диаметром 45 мм:

N _ок=(0,5÷0,53) N _общ,

а для патронов диаметром 32–36 мм

N _ок=(0,42÷0,45) N _общ,

где N _общ – общее количество комплекта шпуров.

Величина заряда в оконтуривающих шпурах составляет 0,7–0,75 заряда ВВ во врубовых шпурах.

Схемы расположения шпуров в забое должны обеспечивать:

1) возможно полный отрыв породы на всю глубину шпуров (высокий КИШ);

2) оконтуривание поперечного сечения стволов в соответствии с проектом;

3) равномерное и мелкое дробление породы;

4) ровную поверхность забоя ствола после взрыва шпуров.

При круглом сечении ствола шпуры располагаются по окружности; при размещении комплекта шпуров по трем окружностям диаметр окружности вспомогательных шпуров

D _вс =D _вр+0,5(D _пр− D _вр),

где D _вс, D _вр − диаметр окружностей вспомогательных и врубовых шпуров; D_пр −диаметр ствола в проходке.

При размещении комплекта шпуров в забое по четырем окружностям диаметр первой окружности вспомогательных шпуров находится по формуле

D' _вс =D _вр+1/3(D _пр− D _вр),

второй

D" _вс = D _вp+2/3(D _пp- D _вp),

третий

D'" _вс = D _вр+3/4(D _пр – D _вр).

Рекомендуемые схемы расположения врубовых шпуров при проведении стволов приведены на рис. 117.

При проходке стволов по крутопадающим пластам (угол падения более 40–45°) применяют схемы с расположением врубовых шпуров в виде клина, заложенного по простиранию пород. Для уменьшения разлета породы и предотвращения разрушения временной крепи и подвесного оборудования бурят дополнительно несколько "буферных" врубовых шпуров (4–6 шт.), размещаемых вертикально в центральной части врубового клина. Взрывание их одновременно с врубовыми позволяет достичь минимального разлета кусков вверх и предохранить оборудование в стволе от разрушения. Заряды "буферных" шпуров разбрасывают породу горизонтально.

При коническом врубе угол наклона врубовых шпуров делают таким, чтобы их комплект образовал усеченный конус с диаметром основания на глубине заходки 0,3–0,4 м, а оконтуривающих – чтобы на глубине обуренной заходки они не выходили за проектный контур ствола.

Рис. 117. Схемы расположения шпуров:

а – врубы конические; б – клиновые; в – призматические

В породах с f = 10–14 и выше при неудовлетворительном оконтуривании сечения ствола оконтуривающие шпуры на глубине обуренной заходки могут выходить за проектный контур ствола не более чем на 10 см. При цилиндрическом врубе угол наклона врубовых и вспомогательных шпуров следует принимать равным 90°. Угол наклона оконтуривающих шпуров должен соответствовать тем же требованиям, что и при коническом врубе.

Для нормального оконтуривания сечения ствола расчетное расстояние между оконтуривающими шпурами в окружности не должно превышать 0,9 м при использовании патронов ВВ диаметром 45 мм.