Буровзрывные работы. 
Горные машины и проведение горно-разведочных выработок

СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О МЕХАНИЗМЕ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ

СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

В геологоразведочных организациях стран СНГ ежегодно проходилось около 300 км подземных и более 100 млн м³ открытых горных выработок. Более 90% подземных и 35% открытых выработок проходится с использованием взрывчатых веществ (ВВ).

Для размещения зарядов ВВ в массиве породы, подлежащей отбойке, создаются зарядные камеры (в подземных выработках это в основном шпуры, на открытых — могут быть шпуры и скважины). Бурение шпуров скважин до настоящего времени является одним из трудоемких и дорогостоящих способов создания искусственных полостей.

Процесс бурения состоит в разрушении пород буровым инструментом и ее удалении за пределы шпура (скважины).

Шпуром называется пробуренная в породе цилиндрическая полость глубиной до 5 м и диаметром до 75 мм. Шпуры бурят для разрушения взрывом ВВ негабаритных блоков горных пород, выравнивания подошвы уступа, при проходке горных выработок и на очистных работах, рыхлении мерзлых грунтов, корчевке пней, валке деревьев, а также для разрушения различных объектов при строительстве сооружений и во многих других случаях.

Бурение шпуров эффективно при добыче штучного камня, создании гладкого неразрушенного откоса, при сооружении канала и траншей методом контурного взрывания. Широко используется бурение шпуров при взрывных работах негорного характера (обрушении зданий и сооружений и для других целей).

Скважиной называется горная выработка цилиндрической формы глубиной свыше 5 м и диаметром более 75 мм.

Скважины бурят в основном при добыче полезных ископаемых открытым способом. По направлению к земной поверхности скважины подразделяются на вертикальные, горизонтальные и наклонные.

Классификация способов бурения шпуров и скважин приведена на рис. 9. По природе разрушающих горную породу напряжений все способы бурения делятся на механические, при которых разрушение происходит вследствие развития в породе механических напряжений, и термические, при которых разрушение происходит вследствие развития в породе температурных напряжений.

К механическим способам бурения относятся ударный, вращательный, ударно-вращательный, вращательно-ударный, ультразвуковой, взрывной, электрогидравлический и гидравлический.

К термическим способам относятся огневое, плазменное, электротермическое бурение.

По видам передачи энергии породе способы бурения делятся на контактные (ударное, вращательное, ударно-вращательное, вращательноударное, взрывное, электротермическое) и бесконтактные (термическое, плазменное, гидравлическое, элекгрогидравлическое, ультразвуковое). Способы воздействия на породу:

• • твердым породоразрушающим инструментом (ударное, вращательное, ударно-вращательное, вращательно-ударное бурение);
• • газами (взрывное бурение патронированными зарядами);
• • жидкостью (электрогидравлическое и гидравлическое бурение);
• • электрическим током (электротермическое и электроимпульсное бурение);
• • комбинированные (с помощью газов и тепла — струйное взрывобурение, огневое, плазменное бурение; с помощью абразива и жидкости — ультразвуковое бурение).

По способу разрушения забоя может быть колонковое бурение с отбором керна и бурение сплошным забоем.

По способу удаления продуктов разрушения из забоя различают периодическую (с помощью желонок, различных буров и грунтоносов) и непрерывную очистку, осуществляемую механически с помощью витых штанг и шнеков при вращательном бурении и циркулирующим жидким, аэрированным (водовоздушная смесь) или газообразным агентом при шарошечном и ударном бурении.

По способу подачи промывочного агента к забою возможна прямая очистка, при которой агент движется внутри бурильных труб или штанг и перфоратора, омывает забой и вместе с продуктами разрушения поднимается по затрубпому пространству на поверхность, и обратная очистка, когда промывочный агент подается по затрубному пространству, поступает вместе с продуктами разрушения внутрь бурового става и поднимается на поверхность. Последний способ при бурении шпуров широко применяется при отсосе шлама.

По виду используемой энергии различают ручное бурение, когда все операции выполняются вручную, и машинное, когда все процессы бурения выполняются различными механизмами.

чО.

Рис. 9. Классификация способов бурения шпуров и скважин

Механическое разрушение — отделение горных пород от массива или их дробление (измельчение) путем воздействия на породу породоразрушающего инструмента — резца, фрезы, шарошки, ударника, алмазных и абразивных кругов и коронок, скалывателей и др. В результате действия того или иного механического фактора протекают физические процессы чисто механического разрушения породы: сжатие, раздавливание, дробление, скалывание, резание и др.

Гидравлическое разрушение осуществляется воздействием на горную породу струй воды под высоким давлением.

Термическое разрушение пород происходит под действием физических полей, создаваемых без использования специальных породоразрушающих инструментов за счет физико-химических процессов, протекающих под действием высокой температуры. Термическому разрушению способствует низкая теплопроводность породы, ее анизотропия, высокий коэффициент теплового расширения и т. д.

Взрывоударное разрушение — разрушение и перемещение горных пород под действием энергии взрывчатых веществ, размещенных в массиве (в скважинах, шпурах, камерах и пр.).

Электрические способы ослабления и разрушения основаны на воздействии на горную породу электрической энергии в виде электромагнитного поля, электрического разряда, электрического тока и др.

При проведении горно-разведочных выработок в основном имеет место взрывоударное разрушение горных пород и применение связанных с ним механических способов, необходимых для создания в массиве пород полостей с целью заложения заряда ВВ.

При вращательном способе порода разрушается при вращении породоразрушающего инструмента с наложением постоянно действующего (статического) осевого усилия. Этот способ в основном применяется при бурении шпуров в мягких и средней крепости породах (f< 10).

При ударном способе разрушение породы происходит путем нанесения ударов породоразрушающим инструментом с определенной силой и скоростью.

Выделяются следующие комбинации ударного и вращательного способов бурения:

• • ударно-поворотное бурение обычными и погружными бурильными молотками (перфораторами), при котором инструмент в промежутках между ударами поворачивается на определенный угол (к ударно-поворотному относится и ударно-канатное бурение скважин);
• • ударно-вращательное бурение погружными пневмоили гидроударниками и перфораторами с независимым вращением, при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту.

При указанных двух способах бурения порода разрушается в основном в результате ударов. При вращательно-ударном бурении удары наносятся по непрерывно вращающемуся под большим осевым усилием инструменту.

При вибрационном способе происходит погружение специального забойного инструмента, обычно цилиндрической формы, в рыхлую породу под действием вынужденных продольных колебаний — вибраций и осевого усилия.

При способе задавливания происходит погружение породоразрушающего инструмента, имеющего форму конуса или полого цилиндра, в мягкую породу под действием осевого усилия. Разрушаемая порода в этом случае уплотняется в стенках скважины.

При вибрационно-вращательном способе разрушение пород происходит при вращении специального инструмента и действии осевого усилия.

В результате взаимодействия инструмента с породой наблюдаются три основных типа разрушения.

Первый — разрушение монолита под лезвием инструмента в мелкодисперсную массу. Размеры частиц меньше глубины внедрения инструмента и меньше первоначальных кристаллов и зерен породы.

Второй — скалывание по краям зоны дробления, которое за счет неоднородности и начальных дефектов в породе приводит к тому, что размеры зоны разрушения несколько отличаются от правильных. Размеры частиц значительны.

Третий — образование трещин в породе под зоной (ядром) измельчения, позволяющих при повторных воздействиях увеличивать зону разрушения.