Добыча и обработка природного камня

Оптимальное разделение монолита на кондиционные блоки

Подготовка блоков к выемке из низкопрочных пород (из­вестняки, доломиты, туфы, травертин) в большинстве случаев осуществляется с помощью камнерезных машин с дисковыми пилами, кольцевыми фрезами и баровыми машинами. Предел прочности камня и'технология ведения горных работ опреде­ляют выбор типа камнерезной машины.

Подготовка блоков к выемке из пород средней прочности может осуществляться с применением камнерезных машин, ка­натных пил, буроклинового способа ударно-врубовых машин, буровзрывного способа, комбинированного способа — отделение блоков буклиновым или буровзрывным способом с предвари­тельной порезкой уступа камнерезными машинами.

Наиболее распространенной камнерезной машиной является машина Столярова СМ-177А с кольцевой фрезой, а также ма­шины СМР-028 и СМР-029.

На мраморных месторождениях применяются канатные пилы (рис. 3.3), позволяющие отделять от массива монолиты объемом 600 м3 и более.

В мировой практике добычи камня этот вид оборудования имеет более чем вековую историю, он постоянно совершенство­вался и изменялся. В настоящее время в Италии начали экс­плуатироваться алмазные канатные пилы, которые успешно применяются как для выпиливания монолита из массива, тай и для последующей разделки его на блоки. Фирма «Бенетти» (Италия) выпускает алмазные канатйые пилы «Электроник Кутрок 860» и «НСМ 015». Последняя имеет гидравлический привод, работает в полуавтоматическом режиме и может ис­пользовать как алмазный канат, так и стальной канат спи­ральной свивки.

Алмазная канатная пила представляет собой мобильную приводную установку с диаметром рабочего шкива 800 мм и более, приводящим в движение рабочий контур каната, арми­рованного алмазными втулками. Канатные пилы с алмазным канатом типа АЛПА-840 и «Кутрок 850» позволяют произво­дить вертикальные, горизонтальные и наклонные пропилы.

Машина передвигается по рельсовому пути длиной 6 м, обеспе­чивая при этом постоянное натяжение каната. Мощность при­вода 29,4—36,8 кВт, линейная скорость каната 36 м/с. При разработке мрамора средней крепости алмазной канатной пи­лой, использующей алмазный канат «Бендиам», производитель­ность пилы достигает 7—11 м2/ч.

В связи со специфическими требованиями к добываемым блокам на карьерах основное внимание уделяется организации, работ на добычных уступах и в первую очередь подготовке блоков к выемке.

В зависимости от конкретных условий производства добыч­ных работ преимущества комбинированных способов подготовки блоков к выемке проявляются в неравной стейени. Поэтому для определения целесообразности применения тех или иных сйо - собов подготовки блоков к выемке произведена классификация ИХ технологических схем.

В основу классификации технологических схем подготовки блоков к выемке положены последовательность отделения бло­ков от массива и направление подвигания забоев.

Для обозначения отделяемых от массива блоков примем следующие обозначения согласно рис. 3.4: блок, пологая фрон­тальная и торцовая заходка, крутая фронтальная и торцовая заходка» пологая панель, крутая фронтальная и торцовая па­нель, монолит. В соответствии с этим возможно выделить два

Класса схем подготовки блоков к выемке (табл. 3.5): слоевые (когда отделяемый от массива монолит гранита всегда имеет один размер, равный размеру добываемого блока) и сплошные (когда отделяемый монолит по трем размерам кратный разме­рам добываемого блока). В классе схем «слоевая» в зависимо­сти от первоначального способа отделения полезного ископа­емого от массива выделяется три группы схем: «блоками»; «заходками», «панелями». Рассматриваемые схемы, за исключе­нием группы «блоками», являются двухстадийными. С учетом направления подвигания забоя технологические схемы подго­товки блоков к выемке разделяются на соответствующие под­классы.

Классификацией ояределяется 11 технологических схем, для которых характерна соответствующая организация подготовки блоков к выемке и параметры схем. Классификация позволяет выбрать схему подготовки блоков к выемке с учетом типа мас­сива и способа подготовки блоков к выемке.

Подготовка блоков к выемке сводится к образованию в гор­ной породе искусственных плоскостей обнажения, служащих гранями блоков. Площадь искусственных плоскостей обнаже­ния определяется линейными размерами отделяемого от мас­сива монолита или блока камня. Один и тот я^е монолит мо­жно разделить на большое число блоков. Чем меньше линей­ные размеры блока ка*мня, тем большее число искусственных плоскостей обнажения необходимо образовать в монолите при разделении его на блоки.

Искусственные плоскости обнажения комплексрм оборудо­вания можно образовать только за определенное время, зави­сящее от производительности каждой единицы оборудования, входящей в комплекс.

Зная общую 50 и удельную 5У площади обнажения и об­щее время <о, затрачиваемое на образование искусственных

Плоскостей обнажения, производительность комплекса обору­дования по подготовке блоков к выемке аналитически может, быть определена по формуле

Q = Sokakc.0/{Syt0), (3.4)

Где S0 — общая площадь искусственных плоскостей обнажения дл-я отделения блоков камня, м2; Sy — удельная площадь ис­кусственных плоскостей обнажения м2/м3; /0 — общее время работы комплекса оборудования, затрачиваемое на образование искусственных плоскостей обнажения, смен; /ги — коэффициент извлечения блоков из добываемого полезного ископаемого;

О — коэффициент совмещения операций по бурению шпуров, резанию щели в массиве, раскалыванию монолита на блоки.

Для определения общей и удельной площади обнажения выберем участок массива (рис. 3.5), от которого отделяется монолит ABCDEFGK, ъ дальнейшем разделяемый на блоки заданных размеров. Примем предположение, что монолит раз­деляется на блоки одинаковых размеров. Тогда объем моно­лита

(3.5)

Где a, b, h — соответственно длина, ширина и высота блока камня, м; пх, п2, пг — кратность соответственно высоты, ширины и длины монолита высоте, ширине и длине блока камня.

Общая площадь искусственных плоскостей обнажения при отделении монолита от массива и его раскалывания на блоки (если естественные трещины отдельности рТсутствуют) составит

TOC o "1-5" h z S0 = ahnxti^nz + Ы1пхпйп4 + аЬпхп2щ, (3.6)

Удельная площадь обнажения блока в общем случае при­мет вид

Sy = -2±i. + J-. (3.7)

Ab h

Практически массив рассекается системой крутых (5, Q) и пологих (L) трещин отдельности, являющихся естественными

Плоскостями обнажения, в результате чего число искусствен­ных плоскостей обнажения уменьшается. В этом случае удель­ная площадь обнажения будет, для массивов типа 1а, 16, 1 в

(3.8)

(3.9)

(3.10)

Где кь — коэффициенты удельной линейной трещинова­

Тости по крутым 5, (2 (продольным 5, поперечным (?) и поло­гим Ь трещинам.

При подготовке блоков к выемке применяется несколько ти­пов установок, каждой из которых в определенной последова­тельности выполняется соответствующая операция, направлен­ная на образование искусственных плоскостей обнажения.

На рис. 3.6 показана схема к определению удельных плос­костей обнажения, которые необходимо образовать в массиве типа Зв. Порядок образования искусственных плоскостей об­нажения следующий:

Установкой газоструйного резания или терморезаком с руч­ным управлением прорезают торцевую и тыльную фронтальные плоскости уступа щелей 5Г;

Установкой строчечного бурения бурят шпуры у подошвы уступа и затем взрывными работами монолит отделяют от мас­сива по плоскости 5В;

Установками строчечного бурения в монолите в плоскостях предполагаемого раскола 5Р бурят ряды шпуров на расстоя­ниях равных размерам блока камня по длине, ширине и вы­соте, а затем гидроклиновыми установками по указанным плос­костям раскалывают монолит на блоки.

В зависимости от типа массива, применяемых способов и схем подготовки блоков к выемке удельные площади обнаже­ния, образованные разными установками и другие показатели подготовки блоков к выемке в каждом случае будут иметь св<Ьи конкретные выражения. Поэтому ниже рассматриваются все показатели блоков к выемке при следующих условиях: тип

I Разрабатываемого массива — 2 в; способ подготовки блоков к выемке — термовзрывоклиновой; технологическая схема под­готовки блоков к выемке — сплошная монолитами вдоль фронта уступа.

Для этих условий удельные площади обнажения могут быть определены следующие образом:

Удельная площадь обнажения при термическом резании

5у. т —------------ :—

Апэ

Удельная площадь обнажения при взрывном отделении 5у. в=-7- (3.12)

Ьп<,

(3.13)

Сумма удельных площадей обнажения, определенных по формулам (3.11), (3.12), (3.13), равняется удельной площади обнажения, определенной по формуле (ЗЛО).

При подготовке блоков к выемке для образования плоско­стей обнажения в плоскостях взрывного отделения и плоско­стях раскалывания установками строчечного бурения бурят шпуры. Расстояние между шпурами и их глубина обычно при­нимается на основании эксплуатационных данных карьеров в зависимости от подверженности гранитов раскалыванию. Сле­довательно, в плоскостях обнажения взрывным отделением бу­дет пробурено Мв штук шпуров общей длины 1в, а в плоско­стях обнажения раскалыванием ;— Л/р штук шпуров общей дли­ной 1Р.

При подготовке блоков к выемке общее время, затрачивае­мое на образование искусственных плоскостей обнажения, равно:

/о = + ^б. в + ^б. р “Ь ^р> '(3.14)
где (Г = £Г1(2Г — время резания щелей газоструйной установкой* смен; '.ь = £вЛ? в--время бурения шпуров в плоскостях обна­жения взрывным отделением монолита от массива, смен; £в = = Л/В/01В — время заряжанкл и взрывания шпуров в плоскостях обнажения взрывным отделент'^м монолита от массива, смен; /б. р=1р/С? б — время бурения шпуров в плоскостях обнажения раскалыванием монолита на блоки, смен; /р = 5р/<2р — время раскалывания гидроклиновыми установками монолита на блоки, смен; 5Г, 5Р —искусственные плоскости обнажения, образован­ные при термическом резании щелей э массиве и раскалыва­нии монолита на блоки камня, м2; Ьв и Ьр — общая длина шпу­ров, пробуренных в плоскостях обнажения соответственно взрывным отделением монолита от массива и раскалыванием монолита на блоки, м; УУВ — число шпуров, пробуренных в плос­кости обнажения взрывным отделением монолита от массива; (?г—производительность газоструйной установки по резанию щелей в массиве, м2/смену; <3б — производительность буровой установки по бурению шпуров, м/смену; £?р — производитель­ность гидроклиновой установки по раскалыванию монолита на блоки, м2/смену; £?в — производительность заряжания и взры­вания шпуров, шпуров/смену.

Произведя преобразования получим следующее выражение производительности комплекса оборудования по подготовке блоков к выемке при термовзрывоклиновом способе:

(3.15)

Производительность комплекса оборудования по подготовке блоков к выемке при других способах рассчитывается анало­гично выше приведенной методике.

Значение коэффициента извлечения блоков из добываемого полезного ископаемого

Кн — кг—ко &з. в,

Где &г — геологический (теоретический) коэффициент выхода блоков из массива полезного ископаемого, зависящий от сте­пени трещиноватости массива и угловых показателей трещин. Значение &г с достаточной для практики точностью определя­ется горно-геометрическими методами; 60-~ коэффициент, учи­тывающий технологические разрушения гранита в искусствен­ных плоскостях обнажения при подготовке блоков к выемке; Аз. В — коэффициент, учитывающий снижение выхода блоков при опрокидывании монолитов и блоков. Значение /г3, в зависит от высоты падения монолитов и блоков, а также наличия в них
микрскмакротрешин. Для гранитных карьеров к3, в=0,005-=-0,03.

В результате анализа рассчитанных по формуле (3.16) зна­чений коэффициента извлечения блоков из добываемого полез­ного ископаемого установлено:

С увеличением объема добываемого блока с 1,2 до 6,5 м3 коэффициент увеличивается на 5—12 % (в зависимости от способа и схемы подготовки блоков к выемке):

Монолитные массивы типа 26, 2в, ;3б, Зв целесообразнее разрабатывать с применением сплошных схем подготовки бло­ков к выемке, так как коэффициент йи на 3—8 % выше слое­вых схем;

При применении термоклинового и термовзрывоклинового способов подготовки блоков к выемке коэффициент £и увеличи­вается на 10—15 % в сравнении с другими способами.

Показатель одновременности выполнения операций (буре­ния шпуров, резания щели, раскалывания монолита на блоки) принят в качестве коэффициента, учитывающего совмещение операций при подготовке блоков к выемке, который может быть определен по формуле

*с. о = И-*1/*., (3.17)

Где и — удельное время совмещаемых операций по подго­товке плоскостей обнажения термическим резанием щелей в массиве, бурением шпуров для взрывного отделения моно­лита от массива, бурением шпуров для раскалывания моно­лита на блоки и раскалывание гидроклиновыми установками монолита на блоки, ч/м3.

Совмещение операций производится при условии t<t2.

Для буровзрывного и термовзрывного способов подготовки блоков К выемке 6с. 0=1, ДЛЯ Других Ас. о=М“1Д

Таким образом, расчет производительности комплекса обо­рудования по подготовке блоков к выемке основывается на учете удельных значений показателей операций подготовки ис­кусственных площадей обнажения, выполняемых каждым меха­низмом, входящим в комплекс. ;

Методика расчета производительности комплекса оборудо­вания по подготовке блоков к выемке заключается в следую­щем:

1. По результатам геологоразведочных работ на гранитном месторождении в соответствии с минералогическим составом, структурой и прочностью горной породы и структурой массива определяется тип массива.

2. С учетом типа массива выбираются способ и технологи­ческая схема подготовки блоков к выемке и назначаются линей­ные размеры добываемых блоков.

3. По соответствующим методикам или на основании пока­зателей работы гранитных карьеров принимается производи­

Тельность установок газоструйного резания Qстрочечного бу­рения Qg, гидроклиновых установок QP, заряжания и взрыва­ния шпуров QB.

4. С учетом удельных площадей обнажения S7.r, 5У. Р, удель­ной длины шнуров Ly. в, Vp> производительности газоструйной Qr, буровой Qe, гидроклиновой Qp установок и коэффициента извлечения блоков &и определяются:

Удельное время подготовки обнажения термическим реза­нием — tr, бурения шпуров в плоскостях обнажения — te, рас­калывания монолита на блоки — tv

Коэффициент совмещения операций — ftc. о-

5. В соответствии с установленными исходными показате­лями определяется производительность комплекса рборудова - ния для подготовки блоков к выемке.

Производительность комплекса оборудования по подготовке блоков к выемке увеличивается с увеличением объема; добы­ваемого блока при всех типах массива, способах и схемах под­готовки блоков к выемке. Это объясняется тем, что с увеличе­нием объема блока снижается удельная площадь искусствен-

Сс

Ных плоскостей обнажения блока, образование которых произ­водится при помощи установок, входящих в комплекс. На рис. 3.7, а представлен характер изменения прризводительности при слоевой панельно-пологой схеме, термоклиновом и термо­взрывоклиновом способах; на рис. 3.7,. б — при сплошной фрон­тальной схеме и термовзрывоклиновом способе. При подго­товке к выемке всей мощности естественного слоя (до пологой трещины отдельности у основания) производительность комп­лекса увеличивается прямо пропорционально объему добывае­мого блока; при разделении мощности естественного слоя на искусственные слои производительность комплекса снижается и изменение ее в зависимости от объема добываемого блока происходит по гиперболической кривой, что объясняется увели­чением удельных искусственных площадей обнажения блока. По этой причине производительность комплекса по подготовке блоков к выемке на массивах с мощностью естественного слоя равной высоте добываемого блока выше чем на массивах с Мощностью слоя превышающей высоту блока камня.

Представляет интерес характер изменения производительно­сти комплекса оборудования по подготовке блоков - к выемке на монолитных массивах типа 36, Зв от высоты уступа. Про­изводительность комплекса интенсивно увеличивается с увели­чением высоты уступа до 4—6 м, а затем темп ее роста замед­ляется и составляет около 1 % на 1 м увеличения высоты ус­тупа (рис. 3.8, а).

Указанный характер изменения производительности комп­лекса, естественно, объясняется рядом факторов. Однако, ос­новным фактором является изменение с увеличением высоты

Рис. 3.11. Зависимость производительности ком­плекса оборудования ф при подготовке блоков к выемке от длины ра­бочего блока панели уступа Дп для массива типа 2в и различных объемах добываемых блоков:

/—1,2 №*,' 2 — 2.34 м», 3 — 4.62 м3

Уступа площадей обнажения блока, которые образуются раз­ными механизмами, входящими в комплекс оборудования.

При подготовке блоков к выемке из массива, уступ кото0 рого состоит из горизонтальных слоев мощностью равной вы­соте добываемого блока (массив типа 16 и 1в) производи­тельность комплекса оборудования от высоты уступа почти не зависит (см. рис. 3.8, б) . Это также объясняется тем, что с из­менением высоты уступа значения удельных площадей обнаже­ния, образуемых разными механизмами, входящими в комп­лекс и удельных длин шпуров для подготовки обнажения для указанных типов массивов практически остаются постоянными.

При комбинированных способах подготовки блоков к вы­емке производительность комплекса оборудования несколько увеличивается с увеличением ширины панели до 5—6 м; при дальнейшем увеличении щирины панели производительность комплекса почти не изменяется (рис, 3.9). В основном это объ­ясняется:

Во-первых, достижением газоструйной установкой при длине щели 5—6 м своей эффективной производительности;

Во-вторых, характером изменения удельных площадей об­нажения и связанных с ними удельных длин шпуров для под­готовки обнажения, который аналогичен рассмотренным изме­нениям этих показателей от высоты уступа.

Производительность комплекса по подготовке блоков к вы­емке увеличивается прямо пропорционально увеличению коэф­фициента извлечения блоков из добываемого полезного иско­паемого при «сплошной фронтальной» технологической схеме и термовзрывоклиновом способе подготовки (рис. 3.10).

На рис. 3.11 показана зависимость производительности комп­лекса оборудования по подготовке блоков к выемке при ком­бинированных способах от длины отделяемого монолита (рабо­чего блока). Производительность комплекса при «сплошной фронтальной» технологической схеме и термовзрывоклиновом способе подготовки увеличивается с увеличением длины отде­ляемого монолита до 8—10 м. Основное объяснение указанного изменения производительности является характер изменения удельных площадей обнажения блока и связанных с ними удельных длин шпуров для подготовки обнажения, который аналогичен рассмотренным изменениям этих показателей от высоты уступа. Таким образом, из рис. 3.9 и 3.11 следует, что при ширине панели 5—6 м и длине отделяемого монолита (длина рабочего блока) 8—10 м производительность комплекса по подготовке блоков к выемке достигает своего рационального значения,