Добыча и обработка природного камня

Буроклиновой и гидроклиновой способы

Механические способы подготовки камня к выемке широко применяются, так как они обеспечивают высокую монолитность лороды и сохранение ее декоративных свойств. Высокая твер­дость и крепость таких пород как гранит не позволяет приме­нять способ вырезания блоков из массива, так как этот способ малопроизводителен и дорогостоящий. Поэтому блоки их гра­нита и других пород целесообразнее выкалывать буроклиновым или гидроклиновым способами.

В практике для значительного снижения величины усилий и трудозатрат при отделении блоков от массива проводят допол­нительные горноподготовительные работы, обеспечивающие соз­дание двух, трех и более плоскостей обнажения.

Наиболее экономичным и производительным вариантом до­бычи блоков гранита является добыча их при наличии трех плоскостей обнажения в забое, поэтому данный вариант встре­чается в практике наиболее часто.

Из буроклиновых способов раскалывания камня наиболее часто практикуются раскалывание простыми клиньями, слож­ными клиньями со щечками, длинными зубчатыми клиньями, размещением клиньев щ шпурах круглого сечения, размещением клиньев в шпурах овального сечения, пробуренных специальным инструментом.

Наиболее благоприятное механическое буроклиновое отка­лывание блоков обеспечивается при таком расположении забоя, когда основание откалываемого блока помещается на поверхно - .'Сти пологой трещины Ь, а одна из боковых или торцевых гра­ней блока обнажена. Вторую длинную грань откалывания блока Целесообразно располагать параллельно продольным трещинам торцевую — поперечными ф.

Следует помнить, что при раскалывании гранита вдоль на­правления развития продольных трещин 5 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.

В случаях совпадения плоскости раскалывания камня с на-

Правлением его наилучшей делимости, согласующейся с разви­тием продольных трещин 5, неровности скола лицевых поверх­ностей блока имеют минимальные числовые значения, чем ис­ключается дополнительная колочная пассировка блоков, а, сле­довательно, снижаются качественные потери.

Количественные потери камня при подготовке его к выемке буроклиновым способом незначительные. Между тем, несмотря? на многие преимущества механических способов, качественные потери иногда достигают значительных размеров. В данном слу­чае из недр извлекается практически все полезное ископаемое и блоки получаются высокого качества, но добывается блоков гораздо меньше, чем их можно было бы извлечь из массива с учетом его структурного строения> При этом теряется каче­ство сырья вследствие уменьшения фактического выхода блоков^ из добытого полезного ископаемого. В этом смысле для карь­еров по добыче блочных гранитов целесообразно введение коэф - фициента разубоживания 6Р, физическая сущность которого со­стоит в характеристике изменения выхода блоков против тео­ретически возможного. Этот коэффициент можно определять из зависимости

&р — 1—Л», (5.1)*

Где Ак — коэффициент изменения, качества;

/гк = 2£к/П, (52).

Уп —объем правильного прямоугольного параллелепипеда, вписанного в структурный блок отдельности породы; 25*—сум­марный объем добытых с участка кондиционных блоков гра­нита.

Основными причинами разубоживания камня являются от­сутствие на карьерах оптимизации раскроя монолита на блоки,, недостаточное изучение анизотропных свойств камня и произ­водство работ по его раскалыванию без учета оптимальных на­правлений раскола.

Существующая практика добычи блочных гранитов и других сходных с ним пород не располагает соответствующими реко­мендациями по выбору оптимальных направлений раскола камня при подготовке его к выемке и основывается на опыте рабочих. Решению задачи может способствовать изучение вза­имосвязи анизотропных свойств пород с их структурно-текстур­ными особенностями, которое обеспечивает также снижение трудозатрат при добыче блоков.

Особенно большое значение такое изучение имеет для пород следующих двух петрографических групп:

Группа габбро-базальта (слипчицкий, торчинский, букииский, горбулевский, слободской габбро-нориты; головинский, каменно­печский; каменнобродский лабрадориты и т. д.);

Группа пересыщенных кремнекислотой горных пород (жеже- левский, коростышевский, емельяновский, богуславский, кор мин­ский граниты ит. д.).

На рис. 5.1 показана характеристика структур но-текстурного строения этих пород с указанием ориентировки минералов отно­сительно направления север — юг; стрелками показаны направ­ления облегченного раскола камня, которые определены много­летними наблюдениями и данными практического опыта на этих карьерах.

Результаты исследований показывают, что в определении на­правлений наилучшей «делимости» камня решающую роль иг­рает анализ ориентированной текстуры, которая для каждого- месторождения обусловлена закономерным расположением ми­нералов. 4

При различных видах разрушающих породу нагрузок проис­ходит свое, свойственное, этой нагрузке, разрушение породы.

При раскалывании монолита на блоки буроклиновым и бу­рогидроклиновым способами порода разрушается по требуе­мому направлению напряжениями откола (сдвига). Разрушение породы происходит по плоскостям спайности минералов, а раз­рушение самих минералов столь незначительное, что его не сле­дует учитывать. Именно спайность минералов определяет анизо­тропию раскалывания гранита буроклиновым и бурогидрокли­новым способами; Несмотря на то, что структурно-текстурные характеристики сходных с гранитом пород различные, линии облегченного раскола этих пород имеют близкое азимутальное направление, что обусловлено направлением истечения магмы по всему кристаллическому щиту, к которому приурочено место­рождение. Так, для основных месторождений высокопрочных облицовочных пород, приуроченных к Украинскому кристалли­ческому щиту, значения этих направлений приведены в табл.

5.1. Для большинства рассматриваемых месторождений эти на­правления приблизительно совпадают с директивным истече­нием магмы и очень близки к основному направлению развития вертикальной продольной трещиноватости массива.

Отклонения направления раскола от анизотропной делимо­сти породы обусловливает увеличение неровностей скола лице­вых поверхностей блока, аппроксимируясь функцией эллипса: (рис. 5.2). Для установления отмеченной зависимости рекомен­дуется производить графоаналитическую обработку по методу полярных координат результатов измерений неровностей скола по плоскостям раскалывания с различной азимутальной ориен­тировкой. При обработке за полярную ось следует принимать ось за полярный угол — азимут плоскости раскалывания, й за полярный радиус — среднеарифметическое значение неровности скола на 1 м2 в плоскости измерения. Неровности скола целесо­образно измерять путем наложения на поверхность откола Про-

Фис. 5.2. Графики изменения неровностей скола по азимутам для Головин­ского (а), Коростышевского (б), Корнинского (в) и Жежелевского (г) ме­сторождений:

^АГКЗ и — полюсы азимутов простнравая трещин отдельностей соответственно;

Н 5 — точки на графиках — данные многолетних наблюдений

Зрачного листового оргстекла толщиной 5 мм с нанесенной на него измерительной ячейкой 10X10 см. Измерения можно осу­ществлять также по методу измерения просвета под линейкой, приложенной к вертикальной плоскости зэбоя через 10 см.

За критерий качества лицевых поверхностей скола должна 'быть принята шероховатость, как средняя величина высот не­ровностей на поверхности откола, определяемая из выражения

(5.3)

Где 2л—1 — число измерений впадин; 2л —число измерений выступов; п — число высот неровностей.

Неровность скола определяется по формуле

(5.4)

Где 5*, 58,..., 5» — результаты измерений неровностей; £ — число измерений.

Сжатие эллипса зависит от структуры гранита и характери­зуется для коростышевских' мелкозернистых гранитов соотно­шением 1 : 1,5, для среднезернистых гранитов типа жежелевских

1 : 1,9, а для крупнозернистых корнинских порфировидных гра­нитов и головинских лабрадоритов, соответственно, 1 :3,5 й 1:6. Таким образом, с увеличением крупности и‘изометричности кри-" сталлов эллипс приближается к окружности. Неровности скола на 1 м2 по эллиптической кривой колеблются для коростышев­ских гранитов от 3,5 до 10,5 см, для жежелевских гранитов от 4,8 до 10 см, для головинских лабрадоритов и корнинских гра­нитов, соответственно от 8 до 9,6 см и от 8 до 11,2 см.

Неровности скола лицевых поверхностей блоков при выкалы­вании их буроклиновьш и бурогидроклиновым способами обус­ловливаются следующими факторами:

Расположением плоскости раскола относительно направле­ния анизотропного плоскостного деления камня;

Динамическим пределом прочности камня на откол; высотой раскалывания монолита;

Удельной величиной ослабления плоскости раскалывания шпурами перфораторного бурения, которую можно определять по формуле

^Пб = ^/5от> (6*5)

Где г — суммарная длина шпуров, пробуренных в плоскости раскола, м; й — диаметр шпура, ад; Яот— площадь, откола, м2. Значение г рекомендуется определять из зависимости

2 = (5.6)

Где М—г суммарная длина линий откола, м; Л —глубина буре­ния, м; /гк=*0,9 — коэффициент неравно мерности обуривания, а — шаг бурения ослабляющих шпуров, м.

Высота раскалывания монолитов зависит от расстояний ■между первично-пластовыми трещинами и для большинства карьеров не превышает 3—А м, что позволяет современными техническими средствами бурить ослабляющие шпуры на всю мощность раскалываемого монолита.

Близким к буроклиновому способу подготовки камня к вы­емке является бурогидроклиновой, все шире внедряющийся в практику добычи блочного камня. Гидравлический клин нет значительно разрушает камень в зоне контакта и совершенно безопасен в применении.

Управление качеством гранитных блоков, добываемых в карьерах с помощью гидроклиньев, и повышение эффективно­сти горных разработок возмещу на основе учета характера

Концентрации и максимальных значений разрушающих напря­жений, определения рационального шага установки гидро­клиньев и оптимальной площади откола на один клин, а также учета предела прочности породы при отколе.

Сопротивление изверженных пород отколу в несколько раз меньше сопротивления сжатию и растяжению. Вместе с тем, до­статочно высокие значения пределов прочности гранитов на от­кол дают основание предполагать, что закладной клин одновре­менно откалывает не всю поверхность, подлежащую отколу за один цикл его работы, а лишь ближе—лежащую к шпуру часть ее — зону, где концентрация напряжений стала критической, как показано на рис. 5.3.

Неровности скола лицевых поверхностей блока и производи­тельность работ по их выколке зависят от следующих парамет­ров: площади откола на один клин 50; шага установки гидро­клиньев /ш: анизотропных свойств и динамического предела прочности камня на откол; удельной величины ослабления плос­кости, раскалывания шпурами перфораторного бурения и и их рашОДцением в плоскости раскола.

Площадь откола на один закладной клин играет главную роль % решении задачи. Она зависит от давления в системе р, от знаодційф /щ и £/, а также от предела прочности гранита при растяжений ар. Зависимость по определению площади откола на
юдин закладной клин, установленная экспериментальным путем, имеет вид

(5.7)

Где — коэффициент, учитывающий анизотропные свойства по­роды (для изверженных пород составляет 0,2—1,0).

Расчеты показывают, что при расколе камня по направле­нию наилучшей делимости а по направлению л:/2, Зя/2

Для лабрадорита &а—0,6, габбро-норита ка—0,2, гранита =0,4.

Площадь откола на один закладной гидроклин для гранитов достигает своего максимального значения 1,4—1,6 м2.

Однако практика свидетельствует, что несмотря на вышеска­занное преимущества раскалывания камня гидроклиновыми ус­тановками имеют место значительные потери-отходы гранита по причине так называемого «сноса раскола», который требует обо­снования предельной высоты раскалываемого монолита.

Предельная высота зависит от структуры камня, его анизо­тропных свойств, удельной величины ослабления плоскости рас­калывания шпурами перфораторного бурения и их размещения л плоскости раскола.

Установлено, что частота диагонального скола, как видно из рис. 5.4, прямо пропорционально возрастает с увеличением высоты раскалываемых монолитов по прямолинейным функ­циям. Для отдельных, месторождений уравнения этих зависимо­стей записываются в виде, %:

Корнинский гранит г——21,9154-19,14/1; головинский лабрадорит г——59,45+31,95 К слипчицкий габбро-норит г——58,31+31,73 К Предельно допустимые значения высоты раскалывания по - роды буроклиновым и бурогидроклиновым способами, при кото­ром обеспечивается полное отсутствие диагональных сколов камня, составляет: для крупнозернистых изоморфных пород (ла - брадоритов, порфировидных гранитов, гранитов рапакиви и дру­гих сходных с ним пород) — 1,4—1,8 м; для среднезернистых из­верженных пород—1,6—2,0 м; для мелкозернистых пород — 1,8—2,4 м.

Следует отметить, что при раскалывании монолитов гидро­клиньями должно соблюдаться соотношение длины закладного клиЯа к высоте раскалываемого монолита 1 : 3—1 :4.