CC BY
20
УДК 622.271
А.В. Стромоногов
ТЕХНОЛОГИЯ БЕЗВЗРЫВНОЙ ОТРАБОТКИ КАРБОНАТНЫХ МАССИВОВ НА БЛОЧНЫЙ КАМЕНЬ
Рассмотрены кинематические особенности экскаваторов, работающих на выемке блочного камня из карбонатных массивов Русской платформы. Получены выражения, определяющие величины вырывных усилий, необходимых для отделения геологических отдельностей экскаватором из массива без его предварительной подготовки к выемке и с его ослаблением баровыми выработками. Показаны особенности изменения сил сцепления геологических отдельностей и способы ослабления межслоевых контактов.
Ключевые слова: гидравлический экскаватор, вырывное усилие, геологическая отдельность, усилия сцепления, межслоевой контакт, разборка массива, карбонатный массив.
Процесс копания гидравлического экскаватора качественно отличается от механических лопат, что обусловлено основным конструктивным отличием — дополнительной свободой ковша. Наполнение ковша гидравлических экскаваторов обеспечивается преимущественно прямолинейным внедрение ковша в за-
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-191-195
бой, с последующим его поворотом в вертикальной плоскости (рис. 1, а) [1, 2].
Процесс копания стандартной механической лопаты обеспечивается за счет напора рукояти экскаватора и подъема ковша, жестко закрепленного на рукояти. Движение ковша приближено к движению по окружности относительно центра,
Рис. 1. Разница в рабочей технике между гидравлическим экскаватором и стандартной механической лопатой: гидравлический экскаватор при работе имеет возможность разрывать из массива выделенный пласт по межслоевому контакту (объем V) (а); механическая лопата при работе разрывает несколько пластов (объем V)) (б)
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 191-195. © А.В. Стромоногов. 2017.
Рис. 2. График зависимости вырывных усилий гидравлических экскаваторов от их массы
находящегося в точке крепления рукояти к стреле (рис. 1, б).
а)
Рис. 3. Процесс внедрения ковша экскаватора в межслоевой контакт геологических отдельно-стей и выемка блока из продуктивного пласта: внедрение зубьев ковша экскаватора в межслоевой контакт (а); поднятие ковша с отрывом геологической отдельности (б); перемещение геологической отдельности (в)
Кинематические особенности гидравлических экскаваторов обеспечивают внедрение зубьев ковша в массив с усилиями, близкими к максимальным. Максимальное вырывное усилие для гидравлических лопат есть предельное выемочное усилие, превышение которого приводит либо к нарушению сцепления гусениц с опорной поверхностью (экскаватор «подтягивает» себя к забою), либо к отрыву гусениц экскаватора от опорной поверхности. Величина вырывного усилия для гидравлических лопат связана с их массой (рис. 2).
Вышесказанные особенности гидравлических экскаваторов делают их эффективным средством для разборки карбонатных массивов на геологические отдельности [3, 4].
При разборке массива важным является обеспечение точного внедрения зубьев ковша в зону межслоевого контакта. Важным преимуществом экскаваторов с прямой лопатой является то, что их вырывные усилия превосходят аналогичные у обратных лопат. Усилия выламывания у экскаваторов с прямой лопатой в среднем выше на 15—20% чем у обратной [5].
Основными показателями, влияющими на величину суммарного сопротивления выламывания, является вид и количество контактов, по которым осуществляется отрыв. Условия, в которых обыч-
но работает гидравлический экскаватор при разборке массива, приведены на рис. 3.
Процесс отделения геологической отдельности от продуктивного пласта реализуется, когда вырывное усилие (Р) превысит силы сопротивления, возникающие при ее отрыве (рис. 4) [6]. Это условие можно представить следующим выра-
жением:
Р >
а ■ Ь ■ Ь
У-
К* + К
Ь а
ь ■ К
Ь2
(1)
^ V " " " у
где а — длина геологической отдельности в продуктивном слое (расстояние между господствующими трещина), м; Ь — ширина геологической отдельности в продуктивном слое (расстояние между второстепенными трещинами), м; Ь — высота геологической отдельности в продуктивном слое (мощность продуктивного слоя), м; у — объемный вес породы, слагающей геологическую отдельность, т/м3; Ксц — коэффициент сцепления подошвы отдельности с кровлей межслоевого контакта, т/м2; Кзц — коэффициент зацепления геологической отдельности с торцами смежных блоков, т/м2.
В том случае, когда перед выемкой геологических отдельностей гидравлическим экскаватором производится подготовка продуктивного слоя при помощи баровых выработок, появляется до-
полнительная свободная поверхность, а сила сопротивления Q2 отсутствует (см. рис. 4). Условие характеризующее величину вырывного усилия, необходимого для отделения геологической отдельности от массива, будет выглядеть следующим образом:
Р >
а ■ I ■ 1
К„„ К
у-
(2)
сц + зц
1 а
где I — расстояние между техногенными выработками (баровыми щелями), м.
Для практических расчетов коэффициента сцепления отдельностей с кровлей нижележащего слоя (К ) можно использовать данные таблицы, полученные в ходе выполнения экспериментальных работ на Баишевском карьере. Значение коэффициента зацепления (К ) поверхностей (плоскостей слоистости) смежных блоков может изменяться в интервале 5—15 т/м2, в зависимости от вида заполняющего материала.
В процессе создания ослабляющих техногенных плоскостей (баровых выработок) происходит не только образование свободной поверхности, но и частичное расшатывание массива, приводящее к ослаблению межслоевых контактов.
В ходе экспериментальных работ на ряде карбонатных месторождений Русской платформы установлено, что сила сцепления геологических отдельностей с
Рис. 4. Схема для расчета вырывного усилия при трех свободных поверхностях геологической отдельности: 1 — отделяемый структурный блок; 2 — природный (осадочный) массив; 3 — межслоевые (эндогенные) трещины массива; Q1 — сила сцепления вырываемой отдельности с нижележащим разностным слоем массива; Q2 — сила зацепления с торцевой зоной отделяемого блока; Q3 — то же с основной (наиболее длинной) частью вырываемого блока; Р — вырывное усилие выемочной машины; a, Ь, 1 — длина, ширина и высота извлекаемого блока
Наименование материала, заполняющего межслоевой контакт Коэффициент сцепления отдельности с межслоевым контактом (Ксц), т/м2
Мергель 1,9—6,8
Суглинки 3,7—8,2
Глины 4,7—9,4
нижним межслоевым контактом неравномерно распределена по площади последнего. В пределах контуров выемочного полигона встречаются локальные зоны площадью от 20 до 120 м2, в которых значение коэффициента сцепления межслоевых контактов превышают вы-рывные усилия гидравлического экскаватора. Данное обстоятельство в ходе экскаваторной разборки приводит к необходимости оставления целиков (рис. 5).
Сцепление соседних разностных слоев в пределах карбонатных массивов Русской платформы в большинстве случаев осуществляется посредством про-
сцепления геологических отдельностей с кровлей межслоевого контакта в пределах продуктивного слоя мячковского известняка: 2,0; 3,0 ... 7,0 — значения Ксц в размерности т/м2; 1 — направление фронта! выемки; 2 — контур добычной заходки; 3 — межслоевые вертикальные (эндогенные) трещины основной системы; 4 — зона продуктивного слоя с повышенным значением Ксц (разборка данной зоны гидравлическим экскаватором массой 18—21 т невозможна)
слоев мергеля различной мощности. Данный тип пород при переменном замораживании и оттаивании эффективно разупрочняется.
В центральном регионе России температурный режим за осенний, зимний и весенний сезоны много раз переходит из положительных значений в отрицательные и обратно (до 50 циклов). Последнее приводит к ослаблению межслоевых контактов. За один сезон прочность межслоевых контактов может уменьшиться в 2—3 раза. Это позволяет без привлечения более мощного экскаватора или дополнительного оборудования (как например, баровая установка) и, следовательно, без увеличения расходов в весенне-летний период следующего года разбирать оставленные целики по базовой технологии.
По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Безвзрывная технология разработки продуктивных слоев карбонатных массивов Русской платформы на блочный камень базируется на отделении геологических отдельностей по плоскостям слоистости и природным эндогенным трещинам путем цикличного приложения вырывных нагрузок снизу вверх, чему в наибольшей степени соответствует кинематика движения рабочих органов гидравлических экскаваторов.
2. Межслоевые контакты с различной степенью сцепления присутствуют в контурах одного продуктивного слоя, что оказывает влияние, а в ряде случаев предопределяет технологию безвзрывной разборки массива и необходимость использования комбинированного способа выемки геологических отдельностей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Штейнцайг В. М. Интенсификация открытых горных работ с применением мощных карьерных одноковшовых экскаваторов. — М.: Наука, 1990. — 140 с.
2. Владимиров В. М., Шендеров А. И., Калашников Ю. Т., Хазанет Л.Л. и др. Карьерные роторные экскаваторы. — Киев: Техника, 1968. — 282 с.
3. Беляков Ю. И. Проектирование экскаваторных работ. — М.: Недра, 1983. — 349 с.
4. Ржевский В. В., Анистратов Ю. И., Ильин С. А. Открытые горные работы в сложных условиях. — М.: Недра, 1964. — 296 с.
5. Трубецкой К. Н., Потапов М. Г., Виницкий К. Е., и др. Открытые горные работы. Справочник. — М.: Горное бюро, 1994. — 590 с.
6. Супрун В. И., Артемьев В. Б., Опанасенко П. И., Левченко Я. В., Стромоногов А. В. и др. Перспективная техника и технологии для производства открытых горных работ. — М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2017. ti^
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Стромоногов Андрей Викторович — ведущий инженер, e-mail: [email protected], Проектно-экспертный центр в составе Горного института НИТУ «МИСиС».
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 191-195.
UDC 622.271
A.V. Stromonogov
NON-BLASTING TECHNOLOGY OF CARBONATE STONE CUTTING
Under discussion are the kinematic characteristics of shovels used to cut carbonate stone blocks in the Russian Platform. The expressions to find values of tearing forces to separate geological blocks by shovels from rock mass without pre-weakening by bar drives are obtained. The features of change in the cohesion between geological blocks and the methods to weaken the interlayer contacts are shown.
Key words: hydraulic shovel, tearing force, geological block, cohesion force, interlayer contact, rock mass cutting, carbonate rock mass.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-191-195
AUTHOR
StromonogovA.V., Leading Engineer, Design-Expert Center, e-mail: [email protected],
Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
REFERENCES
1. Shteyntsayg V. M. Intensifikatsiya otkrytykhgornykh rabotsprimeneniem moshchnykh kar'ernykh odnokovshovykh ekskavatorov (Intensification of open pit mining using high-duty single-bucket shovels), Moscow, Nedra, 1990, 140 p.
2. Vladimirov V. M., Shenderov A. I., Kalashnikov Yu. T., Khazanet L. L. Kar'ernye rotornye ekskava-tory (Open pit bucket-wheel shovels), Kiev, Tekhnika, 1968, 282 p.
3. Belyakov Yu. I. Proektirovanie ekskavatornykh rabot (Shoveling planning), Moscow, Nedra, 1983, 349 p.
4. Rzhevskiy V. V., Anistratov Yu. I., Il'in S. A. Otkrytyegornye raboty vslozhnykh usloviyakh (Open pit mining in complicated conditions), Moscow, Nedra, 1964, 296 p.
5. Trubetskoy K. N., Potapov M. G., Vinitskiy K. E. Otkrytye gornye raboty. Spravochnik (Open pit mining. Handbook), Moscow, Gornoe byuro, 1994, 590 p.
6. Suprun V. I., Artem'ev V. B., Opanasenko P. I., Levchenko Ya. V., Stromonogov A. V. Perspektivnaya tekhnika i tekhnologii dlya proizvodstva otkrytykh gornykh rabot (Advanced technology and equipment for open pit mining), Moscow, Izd-vo «Gornoe delo» OOO «Kimmeriyskiy tsentr», 2017.
