Механическое рыхление горных пород

Оттаивание мерзлых пород.

Оттаивание может осуществляться путем электрообогрева, поверхностного изжога, с помощью горячих газов, пара, воды, при сжигании термохимических патронов и т.п.

Электрообогрев может быть глубинным или поверхностным, низким или высокочастотным.

При глубинном электрообогреве переменным током промышленной частоты напряжением 12 – 380 В электроды размещают в шпурах, пробуренных на глубину промерзания пород по квадратной или шахматной сетке, на расстоянии 0,5 – 0,7 м. Расход электроэнергии при этом составляет до 70 мДж/м³.

Использование усовершенствованных электроигл с напряжением 1 – 2 В и током 2А снижает расход электроэнергии до 30 мДж/м³.

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

Поверхностный изжог (сжигание слоя угля толщиной 0,2 – 0,35м) иногда используется на карьерах по добыче глин, промерзшая до глубины 2м глина полностью оттаивает в течении 6 – 10 дней. Расход топлива на 1м³ оттаеной породы составляет угля 30 – 60 кг., торфа 120 – 140 кг.

Для поверхностного оттаивания пород газообразным топливом используются горючие газы, поступающие в карьер по газопроводу, или доставляемые в баллонах. Развиваются методы оттаивания пород инфракрасным излучением.

Оттаивание паром производится с помощью паровых игл (стальных труб внутренним диаметром 19 – 22 мм и длиной 1,7 – 3,0 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 Сº под давлением 0,2 – 0,5 мПа. Продолжительность оттаивания тяжелых глин 4 – 6 часов, расход пара на 1м³ мерзлоты составляет 20 – 30 кг.

Достоинства способа – относительная экономичность.

В качестве недостатка следует отметить увлажнение пород, что способствует их повторному замерзанию.

Подобным же образом осуществляется оттаивание горячей водой.

Оттаивание речной водой производят посредством нагнетания её по погружаемым в мерзлые породы трубчатым иглам, проведения дренажных канав или дождевания. Оно может проводиться также при естественном просачивании воды из расположенной на возвышенной части массива оросительной канавы в расположенную ниже на расстоянии 70 – 150 м дренажную канаву глубиной до 2 – 3 м. От оросительной могут проводиться поперечные канавы глубиной до 2,7 м, оканчивающиеся в 30 – 50 см от дренажной. Расход воды на 1 м³ мерзлых пород составляет 120 – 200 м³.

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 – 2,0 м.

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

Навесные рыхлители имеют гидравлическую систему изменения глубины рыхления.

К параметрам рабочего органа рыхлителя относятся: Угол резания γ; Угол заострения ω; Задний угол φ; Толщина и длина зуба; Расстояние между зубьями.

Сила резания рыхлителя зависит от угла рыхления. Оптимальный угол рыхления при полускальных и мерзлых породах составляет 30-45º. Увеличение его от 40º до 60º удваивает лобовое сопротивление зубу. Уменьшение угла резания ниже 30º также приводит к увеличению сопротивления.

Угол заострения наконечника ω=20º - 30º. Он принимается таким, чтобы при любом заглублении зубьев задний угол был равен φ≥ 8º - 10º пр рыхлении мерзлых и φ = 5º - 7º при рыхлении скальных и полускальных пород. Уменьшение угла φ ведет к смятию породы задней гранью наконечника, увеличению его износа и сопротивления породы рыхлению.

При движении рыхлителя порода разрушается в границах трапецевидной прорези. В монолитных породах в нижней части образуется щель, ширина основания которой (в) близка к толщине наконечника зуба. Угол наклона боковых стенок прорези (α) изменяется от 40˚ до 60˚ в зависимости от трудности разрушения пород и параметров наконечника.

Рыхлимость пород определяется возможным заглублением зуба рыхлителя (h_з) и зависит от мощности рыхлителя, прочности пород и трещиноватости массива.

Рыхление монолитных пород происходит в основном за счет преодоления сопротивления их растяжению, а трещиноватых пород – за счет сцепления по контактам структурных блоков.

Величина напряжений, создаваемых на рабочем органе зависит от значения усилия на крюке базовой машины, глубины рыхления и конструктивных размеров зуба рыхлителя. В свою очередь, усилие на крюке связано со скоростью рыхления, тяговой характеристикой базовой машины.

Рыхление породного массива производится при параллельных смежных проходах рыхлителя по горизонтальной или наклонной площадке по челноковой схеме. Расстояние между смежными проходами (с) устанавливается из условия обеспечения требуемой кусковатости и достаточной глубины рыхления массива. Между смежными прорезями в нижней части сечения образуются зоны не разрыхленной породы, затрудняющие выемку горной массы. Глубина эффективного рыхления h_э =(0,5 – 0,7) h_з. В связи с этим целесообразны дополнительные перекрестные проходы перпендикулярно или диагонально первоначальным проходам.

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 создается «передовой врез» на необходимую глубину поперек намеченных параллельных проходов рыхлителя.

Производительность рыхлителей в плотных породах достигает 1000 – 1500 м³ /час. Она существенно зависит от длины параллельных резов, которую целесообразно принимать в пределах 100 =- 300 м.

Рыхлители могут успешно применяться при разработке угля, фосфоритных и апатитовых руд, сланцев, а также маломощных слоев скальных сильно- и чрезвычайно трещиноватых руд и пород.