Проходка горных выработок

1. Типы горных выработок и их назначение

1.1 Открытые (поверхностные) выработки

1.2 Подземные горные выработки

2. Способы и средства ведения проходческих работ

2.1. Горнотехнические характеристики и классификации горных пород

2.2. Способы проходки горных выработок

2.3. Буровзрывной способ проходки горных выработок

2.3.1. Горнопроходческий цикл

2.3.2. Бурение шпуров

2.3.3. Машины для бурения шпуров

2.3.4. Типы шпуров, расчет количества шпуров, размещение шпуров на забое

2.3.5. Расчет длины шпуров в подземных выработках

3. Взрывные работы при проведении горноразведочных выработок

3.1. Понятие о взрыве и взрывчатых веществах

3.2. Классификация ВВ по составу компонентов

3.3. Промышленные (рабочие) ВВ — классификация и маркировка

3.4 Расчет количества ВВ

4. Способы и средства подрыва зарядов при ведении горных работ

4.1. Принцип устройства боевых зарядов

4.2. Способы подрыва боевых зарядов

4.3. Средства взрывания

4.4. Расчет взрывной цепи

4.5 Технология проведения взрыва и техника безопасности

4.6. Хранение ВВ

4.7. Транспортировка ВМ

5. Вентиляция горных выработок

5.1. Способы и схемы вентиляции

5.2. Оборудование и расчет вентиляции

6. Крепление горных выработок

6.1. Горное давление

6.2. Материалы для изготовления рудничной крепи

6.3. Технологии создания крепи

7. Освещение горных выработок

8. Водоотлив из горных выработок

9. Природоохранные мероприятия при проходке и ликвидации горных выработок Список литературы

Потребности людей не ограничиваются только продуктами питания. Материальное производство направлено на все возрастающее количество и разнообразие потребления и базируется в основном на минеральных ресурсах. Последние сосредоточены в недрах, т. е. скрыты от наших глаз. Поэтому для того, чтобы обнаружить и оценить их запасы, во многих странах организована геологоразведочная служба. Это также производство, но довольно специфическое, так как основной его продукцией является информация о недрах. В подготовке специалистов любой отрасли существуют два главных направления составляющих суть производства или его технологии: 1) изучение системы организации работ и 2) изучение технических средств, обеспечивающих производство с необходимой экономической эффективностью. В геологоразведочной отрасли первое это «методы поисков и разведки», а второе — «техника разведки».

Основным продуктом геологоразведочного производства является геологическая карта, на которой изображается структура недр изучаемой территории и дается информация о вещественном составе и полезных компонентах горных пород. Для составления геологических карт применяются три способа, 1) геологическая съемка или картирование на основе изучения естественных выходов горных пород, 2) бурение скважин, 3) проходка горных выработок. Если в первом случае применяемые технические средства не отличаются сложностью и особым разнообразием — обычно это навигационные приборы, горный компас и геологический молоток, иногда полевые лаборатории, то во втором и третьем — это уже капиталоемкое производство с применением мощных технических средств. Выбор способов картирования зависит как от целей или масштаба работ, так и от степени обнаженности горных пород. При составлении региональных карт геологи опираются главным образом на первый способ, а на этапах оценки и разведки месторождений в большем объеме приходиться бурить и пробивать горные выработки. Совокупность работ, связанных с формированием горных выработок называется проходкой, а сами работы — горными.

1. Типы горных выработок и их назначение

Горные выработки это искусственные выемки в массиве горных пород. Назначение их может быть разным. Они применяются достаточно широко при разработке месторождений в горнодобывающей промышленности, при проведении геологоразведочных работ, как инженерные сооружения в фортификации или при создании коммуникационных и транспортных сетей. Размеры их самые разные. Наиболее масштабные это системы связанных между собой выработок при отработке уникальных месторождений, как, например, Витватерсранд в Южной Африке. Протяженные системы подземных сооружений в метрополитенах многих крупных мегаполисов Мира, грандиозный тоннель, созданный под дном Ламанша, который соединяет Англию и Францию. В данном учебном пособии рассматриваются те выработки, которые применяются в геологии при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, такие выработки называют геологоразведочными.

Прошли времена, когда люди спотыкались на развалах рудных тел, выходящих на дневную поверхность. Теперь геологу, чтобы найти месторождение, требуется видеть глубже. Для этого существуют различные методы и технологии, но наиболее надежными остаются бурение и проходка выработок. А при отработке месторождений без горных выработок и вовсе не обойтись, при этом здесь применяются наиболее солидные по объему выемки горной массы — эксплуатационные. Если геологоразведочные служат геологам для кратковременного обнажения горных пород, вмещающих полезные ископаемые, то эксплуатационные — для длительного пользования уже при разработке месторождений горняками. Эксплуатационные выработки по назначению подразделяются на капитальные, подготовительные и очистные. Первые служат для обеспечения доступа к месторождению с поверхности, вторые — для подготовки его к отработке, а третьи являются собственно эксплуатационными, то есть с их помощью производиться выемка полезного ископаемого. Названия горных выработок преимущественно германоязычные. Они в России укоренились со времен Петра I. и отражают различия между ними по ряду признаков: по связи с дневной поверхностью, по положению в пространстве относительно вектора силы тяжести, по ориентировке относительно залегания тел полезных ископаемых и вмещающих пород, по направлению перемещения забоя; по направлению перемещения грузов и т. д.

По отношению к дневной поверхности все горные выработки делятся на открытые (поверхностные) и подземные. Различать их можно по форме поперечного сечения. Для подземных это сечение замкнутое контуром стенок, а для открытых выработок контур поперечного сечения открыт со стороны дневной поверхности. Сам объем выработок для определения их типа при этом не имеет никакого значения. Горный карьер — огромная по объему выработка, но она открытая, также как и мелкая закопушка, а вот даже неглубокий шурф это уже подземная выработка.

1.1. Открытые (поверхностные) выработки

К ним относятся закопушки, расчистки, канавы, траншеи, карьеры. Элементами формы выработок являются их дно (полотно) и боковые стенки. Забоем называют технологический элемент формы выработки, который перемещается по мере проходки. В шурфе это дно, в штольне — торцевая стенка, а в канаве то и другое. Размер поперечного сечения выбирается минимально возможным и определяется задачами проходки, глубиной залегания геологического объекта, устойчивостью боковых стенок и возможностью обеспечения нормальных условий ведения работ.

Канавы представляют собой не глубокие, но протяженные выработки, которые широко применяются на стадии поисковых и оценочных работ для обнажения рудных тел и коренных пород, залегающих близко к поверхности. Глубина канав обычно не превышает трех метров, а длина от первых до первых десятков метров. Они проходятся обычно без крепления, им придается трапециевидное (рис. 1) поперечное сечение, с наклоном стенок внутрь выработки под углом естественного откоса, обеспечивающего их устойчивость (порода со стенок не осыпается). Ширина канавы по полотну обычно 0,6 м, а на поверхности в зависимости от наклона стенок от метра и более. Угол наклона стенок зависит от степени связности пород, чем устойчивей порода, тем круче угол, следовательно, меньше объем проходки. Для глин угол естественного откоса составляет 70о, для песков 50о, для скальных пород около 90о.

Траншеи от канав отличаются большей протяженностью, глубина их может достигать пяти метров, поэтому поперечный их профиль может быть ступенчатым, с дополнительными площадками — бермами для перевала породы. Может при этом применяться и искусственная крепь. Траншеи обычно проходятся уже на стадии оценки и разведки месторождений или их вскрытия для отработки.

Закопушка — самая мелкая по объему горная выработка, это небольшая ямка. Применяется обычно при картировании и для отбора проб горных пород с поверхности.

Расчистка — это искусственное обнажение, не глубокое, но большое по площади, форма неправильная и определяется контуром необходимого вскрытия породы. Применяется при изучении геологических структур или отбора больших по объему проб.

Карьер — большая по площади и глубине открытая эксплуатационная выработка неопределенной формы, зависящей от расположения и морфологии рудных тел (рис. 2). Угольные карьеры называются также разрезами.

1. 2. Подземные горные выработки

По отношению к вектору силы тяжести подземные горные выработки делятся на горизонтальные, вертикальные и наклонные. По направлению ведения проходческих работ различают нисходящие, когда они проходятся сверху вниз, или на восстающие, когда ведутся снизу вверх. К вертикальным относятся шурф и шахтный ствол, к горизонтальным — штольня, штрек, квершлаг и др.

Горизонтальные выработки.

Штольня — в отличие от других типов горизонтальных выработок имеет непосредственный выход на дневную поверхность, называется так независимо от направления проходки. Применяются для вскрытия объекта с поверхности в условиях расчлененного рельефа. Начало выработки это ее устье, конец — забой, различают также кровлю, полотно и боковые стенки.

Параметры штолен могут быть различными. Длина достигает нескольких километров, форма поперечного сечения преимущественно трапециевидная или сводчато-прямоугольная.

Для штолен и других подземных горных выработок выделяют понятия: площадь поперечного сечения «вчерне» — без крепления; «в свету» — закрепленная выработка; «в проходке» — с учетом неточностей отбойки контуров горной выработки, примерно на 10% больше сечения «вчерне». При проходке придерживаются стандартных размеров выработки в ее поперечном сечении, которому придают или форму трапеции, когда применяют деревянную крепь или сводчато-прямоугольную при бетонной крепи Площадь поперечного сечения «вчерне» рассчитывается с учетом диаметра элементов крепи, ширины зазоров между крепью и стенками выработки. Поперечное сечение выбирается также из расчета применения крепи, высоты выработки, зазоров между крепью и боковыми породами, высоты и ширины откаточного оборудования, ширины свободного прохода, высоты балластного слоя. Для расчета ширины выработки по кровле и подошве и площади сечения учитываются допустимые зазоры между стенками, кровлей выработки и откаточным оборудованием, которые устанавливают на основании требований техники безопасности и приводятся в справочной литературе.

Все горизонтальные горные выработки проходятся с некоторым подъемом (0,002−0,008) для удаления воды из выработки самотеком.

Штрек— горизонтальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проходимая по простиранию тел полезных ископаемых при наклонном их залегании, а при горизонтальном залегании тела —в любом направлении по протяженности месторождения.

Квершлаг — горизонтальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проходимая по вмещающим породам или по телу полезного ископаемого под углом к их простиранию, чаще всего вкрест простирания.

Орт проходится по мощности полезному ископаемому и не выходит за его пределы.

Рассечка проходится из другой выработки под любым углом к телу полезных ископаемых, может выходить за его пределы. Длина обычно небольшая и не превышает 20−30м.

Вертикальные выработки.

Шурф — вертикальная выработка квадратного, прямоугольного или круглого сечения (шурфы круглого сечения носят название дудок), имеющая непосредственный выход на земную поверхность. Из шурфов нередко проходят горизонтальные выработки: рассечки, квершлаги, штреки.

Имеет типовые размеры в свету и чаще всего прямоугольную форму поперечного сечения (рис. 5, 6; табл. 2). Площадь сечения шурфа в общем случае зависит от его глубины. Шурфы сечением 0,8 и 0,9 м² проходятся на глубину до 20 м, шурфы сечением 1,3 м² проходятся на глубину до 30 м, 3,2 м² предусмотрено проходить на глубину до 40 м. Площадь сечения и размеры шурфа вчерне определяется в зависимости от толщины крепи. Действительная площадь сечения в проходке несколько больше. Допускается увеличение площади в 1,04−1,12 раза.

Проходческое звено, как правило, состоит из трех человек: двое на поверхности, один в шурфе, при площади поперечного сечения более 2 м² на забое могут работать двое проходчиков.

Шахтный ствол имеет большее, чем шурфы сечение, большую глубину. Форма сечения обычно квадратная, размером от 4—6 до 10—16 м2 (в зависимости от глубины, объема работ и сроков выполнения). Имеет выход на дневную поверхность; В некоторых случаях шахтный ствол проходится из горизонтальных подземных выработок, например из штолен, и называются «слепыми».

Гезенк в отличие от шахтного ствола не имеет непосредственного выхода на дневную поверхность, служит для спуска грузов и людей с верхнего на нижние горизонты.

Наклонные выработки.

Уклон проходиться по падению пласта полезного ископаемого. При добыче полезного ископаемого используется обычно для подъема грузов с нижнего горизонта на верхний.

Бремсберг также проходиться по падению полезного ископаемого, но в отличие от уклона используется для спуска грузов и людей с нижнего на верхний горизонт.

Восстающий — это выработка, которая не имеет выхода на дневную поверхность и проходиться снизу вверх под любым углом.

2. Способы и средства ведения проходческих работ

2.1. Горнотехнические характеристики и классификации горных пород

Физико-механические свойства горных пород являются главными факторами, определяющими выбор оборудования и технологию добычи. К наиболее существенным из этих свойств относятся крепость и устойчивость.

Крепость — комплексная характеристика горных пород, характеризующая их сопротивляемость разрушению и зависящая от таких свойств как твердость, вязкость, трещиноватость, и от наличия прослоек и включений. Понятие крепости введено проф. М. М. Протодьяконовым, который предложил для ее количественной оценки использовать коэффициент крепости f. В первом приближении величина f обратно пропорциональна пределу прочности породы при сжатии сж. Поскольку коэффициент крепости связан с прочностью пород, его можно рассчитать в простейшем случае по формуле

f = 0,01 сж.

где — предел прочности пород при сжатии, Па, для многих пород составляет от 5 до 200 МПа.

Горные породы по сопротивляемости разрушению от воздействия внешних сил классифицируют по относительной крепости, удельной работе разрушения, буримости и взрываемости.

Классификация горных пород по крепости разработана М. М. Протодьяконовым в 1926 г. Согласно этой классификации все горные породы разбиты на 10 категорий. К первой категории отнесены породы наивысшей крепости (f = 20), к десятой — наиболее слабые плывучие породы (f = 0,3),

На выбор метода ведения взрывной отбойки горных пород от массива оказывает влияние взрываемость, под которой понимают сопротивляемость породы разрушению взрывом. Взрываемость определяется количеством эталонного взрывчатого вещества, необходимого для разрушения породы объемом 1 м³ (показатель удельного расхода ВВ). Для определения удельного расхода ВВ (кг/м3) применительно к конкретным породам используют различные классификации пород по взрываемости, например Единую классификацию пород по буримости и взрываемости проф. А. Ф. Суханова.

Буримость горной породы характеризует ее способность сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента и интенсивность образования в породе шпура или скважины под действием усилий, возникающих при бурении. Буримость породы характеризуют скоростью бурения (мм/мин), реже — продолжительностью бурения 1 м шпура (мин/м).

Единая классификация горных пород по буримости разработана Центральным бюро промышленных нормативов по труду для нормирования горноразведочных работ. Буримость — это сопротивляемость породы разрушающему действию инструмента в процессе бурения.

Основной критерий для отнесения пород к той или иной категории по буримости — машинное время бурения 1 м шпура в стандартных условиях. В этой классификации породы разбиты на 20 категорий, а по буримости классифицированы только в пределах IV—XX категорий. Породы I—III категорий предусмотрено разрабатывать отбойными молотками.

Другие классификации разработаны для расчета норм и различных расходных показателей применительно к отдельным производственным процессам (например, Единая классификация горных пород по буримости и взрываемости, в основу которой положены скорость бурения и удельный расход взрывчатых веществ).

Устойчивость горных пород — это их способность сохранять равновесие при обнажении. Устойчивость горных пород зависит от их структуры и физико-механических свойств, величины возникающих в породном массиве напряжений. Устойчивость пород является одним из основных признаков для выбора систем подземной разработки, определения ее параметров и способов крепления горных выработок.

По устойчивости горные породы условно разделены на пять групп.

Весьма неустойчивые горные породы, не допускающие обнажения кровли и боков выработки. К ним отнесены плывучие, сыпучие и рыхлые горные породы.

Неустойчивые горные породы, допускающие некоторые обнажения боков выработки, но требующие возведения крепи вслед за проведением выработки. К таким породам отнесены влажные пески, слабосцементированный гравий, обводненные или сильно разрушенные горные породы средней крепости.

Породы средней устойчивости, допускающие обнажение кровли на сравнительно большой площади, но требующие постановки крепи при длительном обнажении. Это достаточно уплотненные мягкие породы средней крепости, реже крепкие и трещиноватые.

Устойчивые породы допускают обнажения кровли и боков на большой площади, поддержание требуется только в отдельных местах. Это мягкие, средней крепости и крепкие породы.

Очень устойчивые допускают без поддержания обнажения на большой площади и длительное время (десятки лет). Крепить выработки в таких породах не требуется.

Таблица 3

Единая классификация горных пород по буримости бурильными молотками и электросверлами для нормирования горнопроходческих работ

Категория пород по буримости Коэф-т крепости f

Наименование пород:

I 0.1 Глина сухая, рыхлая в отвалах. Лёсс рыхлый, влажный. Песок. Супесь рыхлая. Торф и растительный слой без корней.

II 0.3 Гравий. Суглинок легкий, лёссовидный. Торф и растительный слой с корнями или с небольшой примесью мелкой гальки и щебня.

III 0.5 Галька размером от 10 до 40 мм. Глина мягкая жирная. Песчано-глинистые грунты. Дресва. Лед. Суглинок тяжелый. Щебень различных размеров.

IV 0.8−1.0 Галька размером от 41 до 100 мм. Глина сланцеватая, моренная. Галечно-щебенистые грунты, связанные глиной. Песчано-глинистые грунты, связанные глиной. Песчано-глинистые грунты с включением гальки, щебня и валунов. Соли мелкои среднезернистые. Суглинки тяжелые с примесью щебня. Угли весьма мягкие.

V 1.2 Алевролиты глинистые, слабо сцементированные. Аргиллиты слабые. Конгломераты осадочных пород. Марганцевые окисные руды. Мергель глинистый. Мерзлые породы I—II категории. Песчаники, слабо сцементированные с песчано-глинистым цементом. Угли мягкие. Мелкие желваки фосфорита.

VI 1.6 Гипс пористый. Доломиты, затронутые выветриванием. Железная руда — синька. Известняки оталькованные. Мерзлые породы III—V категорий. Меловые породы мягкие. Мергель неизмененный. Руды охристоглинистые с включением желваков бурого железняка до 50%. Пемза. Сланцы углистые. Трепел. Угли средней крепости с ясно выраженными плоскостями напластования

VII 2.0 Алевролиты плотные глинистые. Гипс плотный. Глины песчанистые. Доломиты неизмененные. Мартитовые руды мягкие. Ил плотный мелководный. Конгломераты осадочных пород с известково-глинистым цементом. Мергель известковистый. Опоки тонкозернистые. Сильвиниты с прослойками каменной соли. Сланцы сильновыветрелые: аспидные, хлоритовые, слюдистые. Сланцы охристые и углистые с прослойками глины. Соль каменная с мергелистыми прослойками и включением ангидрита. Солончак плотный. Угли выше средней крепости

VIII 2.0−3.0 Антрациты и другие крепкие угли. Аргиллиты средней плотности. Глины отвердевшие. Железные руды — мягкие. Змеевики с включением асбеста. Колчеданы зоны выщелачивания. Карналлит. Ракушечник. Свинцово-цинковые окисленные руды. Сильвиниты мелкокристаллические. Сланцы: метаморфизованные хлоритовые; кальцито-хлоритовые; глинистые, углисто-глинистые, слабые песчанистые. Туфы выветрелые. Мерзлые породы VI—VII категорий.

IX 3−4 Алевролиты песчано-глинистые. Антрациты плотные и весьма крепкие вязкие угли. Совершенно выветрелые каолинизированные: граниты, гранодиориты, диориты. Диабазы совершенно выветрелые. Выветрелые железные руды пористые, известняки мергелистые. Лимониты. Мел плотный. Песчаники выветрелые каолинизированные и глинистые крупнозернистые. Совершенно выветрелые каолинизированные порфириты, сиениты. Соль калийная. Туфы, затронутые выветриванием.

X 4 Апатитовая сахаровидная руда. Брекчии рудные. Граниты сильновыветрелые. Гипсо-ангидрит. Дуниты сильновыветрелые. Руды буроже-лезняковые оолитовые. Змеевики сильновыветрелые. Известняки мергелистые средней крепости. Конгломераты с глинистым цементом. Перидотиты сильновыветрелые. Песчаники с глинистым цементом. Сланцы глинистые, кристаллические: слюдяные серицитовые и талькохлорито-вые углистые и горючие. Сульфидно-медно-никелевые руды. Фосфориты слабосцементированные желваковые. Церусситовые руды.

XI 5−6 Алевролиты с включением кварца. Амфиболиты выветрелые. Аргиллиты плотные. Березиты выветрелые. Бокситы слабо уплотненные. Брекчии джаспероиднокварцевые и роговиковые кварцевые, в значительной степени раздробленные. Гнейсы биотитовые и пироксеновые разрушенные. Сильновыветрелые граниты, гранодиориты, диабазы. Дуниты выветрелые. Руды гематитовые и мартитовые. Змеевики выветрелые. Известняки крупнозернистые, мраморизованные, доломитизированные. Кварциты выветрелые минерализованные. Колчеданные руды выветрелые. Марганцевые руды крупнозернистые. Перидотиты выветрелые. Песчаники с известковым цементом. Роговики выщелоченные, железистые. Сланцы известково-хлоритовые, известково-глинистые, серицитовые и кварцево-серицитовые, амфиболовые, плотные глинистые. Сульфидные свинцово-цинковые и медно-никелевые руды. Туфы альбитофировые. Филлиты неокварцованные.

XII 6−7 Выветрелые андезиты. Апатито-нефелиновая руда. Аргиллиты весьма плотные. Ангидриты. Базальты, затронутые выветриванием. Березиты слабовыветрелые. Бокситы плотные. Выветрелые габбро, гнейсы, граниты, диабазы. Диориты выветрелые крупнозернистые. Доломиты плотные. Дуниты сильносерпентинизированные. Кварцево-турмалиновые выветрелые породы и кварцевые жильные породы с прожилками сульфидов. Змеевики неизмененные. Известняки среднезернистые плотные доломитизированные. Кварцево-карбонатные породы. Кварциты слабовыветрелые минерализованные. Медноколчеданные руды. Конгломераты с галькой из изверженных пород с известковым цементом. Липариты сильновыветрелые. Песчаники аркозовые медистые. Полиметаллические руды среднезернистые. Порфиры сильновыветрелые кварцевые. Роговики пироксено-плагиоклазовые. Выветрелые сиениты, скарны. Сланцы бескварцевые; хлоритовые, хлорито-серицитовые, крепкие глинистые. Фосфориты пластовые. Слабо хромитовые руды в серпентинитах.

XIII 8−9 Амфиболиты среднезернистые. Андезиты крупнозернистые выветрелые. Березиты невыветрелые. Габбро крупнозернистые выветрелые. Слабовыветрелые граниты, гранодиориты, диабазы. Диориты выветрелые среднезернистые. Железные руды магнетитовые и мартитовые плотные. Змеевики плотные. Известняки мелкозернистые доломитизированные и слабоскарнированные. Кварциты крупнозернистые выветрелые. Кератофиры оруденелые кварцевые. Колчедан медный. Липариты выветрелые крупнозернистые. Магнезиты мелкокристаллические. Мончикиты выветрелые. Руды пентландитовые и пироксеновые медно-никелевые. Песчаники медистые, мелкозернистые с известково-кремнистым цементом. Пироксениты оруденелые. Руды полиметаллические с кварцем. Порфиры выветрелые крупнозернистые. Руды сульфидные массивные. Хромитовые руды в серпентинитах.

XIV 9−10 Андезиты среднезернистые выветрелые. Березиты плотные. Габбро измененные. Крупнозернистые: гнейсы, граниты, гранодиориты. Джаспероиды дробленые и интенсивно трещиноватые. Диабазы крупнозернистые магнетито-гематитовые.

XIV 11−12 Змеевики весьма плотные. Известняки тонкозернистые баритизированные плотные. Кварцевые золотоносные жилы с большим содержанием сульфидов. Кварциты трещиноватые минерализованные. Медно-порфировые крупнозернистые руды. Опоки кремнистые. Пегматиты слюдистые оловосодержащие. Перидотиты слабовыветрелые. Песчаники плотные среднезернистые. Пироксениты измененные. Порфиры выветрелые среднезернистые кварцевые. Роговики оруденелые. Сиениты среднезернистые. Скарны слабовыветрелые. Липариты выветрелые среднезернистые. Магнезиты окварцованные. Сланцы окварцованные: глинистые, углисто-глинистые, слюдистые, хлоритовые, серицитовые, крепкие глинистые, песчанистые, филлиты. Сульфидные магнетитовые руды. Титано-магнетитовые руды крупнозернистые. Туфопесчаники. Плотные хромитовые руды в серпентинитах.

XV 13−15 Альбитофиры неизмененные. Амфиболиты мелкозернистые. Березиты окварцованные золотосодержащие. Среднезернистые: граниты, гранодиориты. Джаспероиды трещиноватые. Джеспилиты, затронутые выветриванием. Диабазы среднезернистые. Доломиты окварцованные. Руды рассланцованные магнетитовые, гематитовые и окремнелые бурые железняки. Мраморы. Кварц жильный трещиноватый. Кератофиры неизмененные. Колчедан окварцованный. Конгломераты из галек изверженных пород с кремнистым цементом. Руды браунит-псиломелановые. Мончикиты, не затронутые выветриванием. Пироксениты оловорудные. Руды полиметаллические мелкозернистые с преобладанием пирита. Гранит-порфиры весьма плотные мелкозернистые кварцевые. Руды свинцово-цинковые и сурьмяные с прожилками кварца. Скарны с оруде-нением. Сланцы аспидные. Туфы порфировые. Туффиты известковые пористые. Туфобрекчии альбитофиров. Филлиты.

XVI 16−17 Альбитофиры кварцевые. Базальты пористые. Габбро среднезернистые. Габбро-амфиболиты. Среднезернистые гнейсы. Диориты с включением рудных минералов. Дуниты среднезернистые. Магнетитовые руды с включением скарновых минералов. Известняки сильноокварцованные. Кварцево-турмалиновые породы и кварцевые жилы с небольшим содержанием сульфидов. Кварциты мелкозернистые. Кварциты вторичные с прослойками железной руды. Колчеданы сильноокварцованные. Липариты мелкозернистые. Руды браунитовые. Перидотиты среднезернистые. Песчаники кремнистые. Порфиры среднезернистые, кварцевые. Роговики гидрогематитовые. Порфириты среднезернистые. Сидериты окремненные. Скарны гранато-пироксеновые. Фосфориты окремненные. Хромитовые руды мелкозернистые.

XVII 16−17 Альбитофиры плотные кварцевые. Базальты среднезернистые. Мелкозернистые: габбро, граниты, гранодиориты. Грейзены среднезернистые. Джаспероиды сильно окремненные. Джеспилиты плотные. Диабазы мелкозернистые. Диориты окварцованные. Дуниты плотные. Руды мелкозернистые магнетито-гематитовые. Змеевики окремненные. Известняки кремнистые. Кварц жильный без сульфидов. Микрокварциты с сульфидами. Колчеданы тонкозернистые окварцованные. Пегматиты слабые. Песчаники кремнистые плотные. Порфиры очень плотные кварцевые. Роговики с кварц-турмалиновыми прожилками. Сиениты плотные и нефелиновые. Скарны датолито-геденбергитовые. Сланцы кремнистые. Трахиты среднезернистые. Яшмы плотные.

XVII 17−18 Андезиты плотные. Базальты мелкозернистые. Гнейсы биотитовые, биотит-гранатовые и пироксеновые окварцованные. Грейзены кварцевые. Мелкозернистые диориты. Кварцевые брекчии с кварцевым цементом. Микрокварциты с прожилками кварца. Кератофиры мелкозернистые. Песчаники плотные кварцитовидные. Сиенит-порфиры. Порфиры кварцевые. Порфириты мелкозернистые весьма плотные. Роговики железистые. Сиениты весьма плотные мелкозернистые. Скарны мелкозернистые. Сланцы яшмовые кремнистые. Титано-магнетитовые руды мелкозернистые. Трахиты мелкозернистые, весьма плотные. Яшмы весьма плотные.

XIX 18−19 Альбитофиры сильно окварцованные мелкозернистые. Весьма плотные: андезиты, базальты. Микрограниты. Джеспилиты очень плотные. Весьма плотные: диабазы, диориты. Руды плотные гематитовые. Микрокварциты неизмененные. Колчеданные мелкозернистые сильно окварцованные, брекчиевидные руды. Песчаники неизмененные кварцитовидные. Порфиры весьма плотные, совершенно не затронутые выветриванием. Роговики весьма плотные железистые. Скарны окремненные.

XX 20 Титано-магнетитовые руды весьма плотные. Яшмы неизмененные. Неизмененные — сливные: андезиты, джеспилиты. Базальты. Железные руды неизмененные гематитовые сливные. Кварц сливной. Кремень. Микрокварциты очень плотные сливные. Микрограниты. Роговики магнетито-роговообманковые и магнетитовые. Скарны интенсивно окремненные. Титаномагнетитовые неизмененные сливные руды. Яшмы в высшей степени плотные сливные.

2.2. Способы проходки горных выработок

Проходка горных выработок трудоемкий процесс. Специфика геологоразведочных работ в том, что они ведутся преимущественно в условиях с не достаточно развитой инфраструктурой или при ее полном отсутствии. Проходка горных выработок может осуществляться тремя основными способами: 1) механизированным с применением специальных землеройных машин; 2) вручную с применением шанцевого инструмента; 3) с применением буровзрывных работ.

Способы проходки выбирают в зависимости от геологических и географо-экономических условий и масштабов проходческих работ. Геологические параметры сводятся к физико-механическим характеристикам горных пород, мощности покровных отложений и стадии геологоразведочных работ, определяющей масштабы и интенсивность работ.

Механизированный способ проходки возможен в мягких, сыпучих, вязких трещиноватых горных породах (I-V категорий) и предусматривает использование экскаваторов, бульдозеров, скреперов и некоторых других агрегатов. Наиболее целесообразен на стадии поисков и разведки с относительно большими объемами проходческих работ.

Проходка вручную осуществляется при небольших объемах работ или при невозможности применения землеройных машин в рыхлых, мягких и трещиноватых горных породах. В некоторых случаях возможна проходка вручную в крепких трещиноватых или слоистых породах с применением клиньев.

В твердых породах категорий VI-XX и мерзлых породах всех категорий проходка горных выработок осуществляется с применением буровзрывных работ.

2.3. Буровзрывной способ проходки горных выработок

При разведке месторождений буровзрывные работы наиболее широко используют в процессе проведения горных выработок, реже БВР применяют в геологоразведочных партиях при прокладке наземных транспортных трасс в гористой местности и при сооружении производственных площадок, с которых осуществляют разведочное бурение или проводят подземные горные выработки. Эти работы наиболее распространены при отбойке пород средней и выше средней крепости (коэффициент крепости f > 2). Назначение буровзрывных работ — предварительное рыхление скальных пород.

Буровзрывные работы (БВР) — это комплекс взаимосвязанных технологических процессов, выполняемых с целью отбойки и дробления скальных горных пород при проходке горных выработок. БВР состоят из нескольких последовательных процессов: бурение шпуров (скважин), размещение в них зарядов ВВ (заряжание) и взрывание этих зарядов.

Скважины предназначены для размещения зарядов ВВ.

Шпур представляет собой искусственное цилиндрическое углубление (канал) в горной породе диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м. Скважиной называют канал цилиндрической формы любого диаметра глубиной более 5 м или любой глубины диаметром более 75 мм.

Взрывные работы — это работы по заряжанию и взрыванию зарядов взрывчатых веществ (ВВ).

Заряжанием называют процесс размещения заряда в зарядной камере, взрыванием — процесс производства взрыва заряда ВВ.

2.3.1. Горнопроходческий цикл

Технологический комплекс проходки горной выработки включает совокупность отдельных процессов и операций, которые выполняются в определенной последовательности.

В состав работ на забое входят: основные проходческие операции; взрывные работы и вентиляция; составление геологической документации.

Основные проходческие операции включают: бурение шпуров; уборку породы; крепление горной выработки; вспомогательные операции (монтаж оборудования, устройство освещения, водоотвод, настилка путей и др.).

Все эти работы выполняются в определенной последовательности горнопроходческой бригадой.

Горнопроходческий цикл — это повторяющаяся совокупность основных проходческих операций, выполняемых в определенной последовательности между двумя взрывными отбойками породы в забое горной выработки.

Интервал горной выработки, который проходится за один горнопроходческий цикл, называется «заходка».

От длины заходки будет зависеть скорость проходческих работ. Короткая заходка снижают производительность работ, но их длина ограничена шириной выработки. Кроме того, она ограничена и длительностью рабочей смены. Чтобы обеспечить эффективность работ, необходимо учесть все выше обозначенные ограничения и условия. Однако, в конечном счете производительность труда будет зависеть от того насколько полно в течение смены будут задействованы все члены проходческой бригады. Этого можно достичь, такой организацией труда, когда отдельные так называемые «непроизводительные» операции проходческого цикла будут выполняться между сменами или циклами в пределах смены. К таким операциям можно отнести зарядку и взрывание, вентиляцию, в некоторых случаях крепление горной выработки. При этом возможно совмещение операций цикла, а также и совмещение разных видов работ отдельными членами бригады при неполной их занятости. В практике горных работ наиболее распространены схемы организации, в которых предусмотрено выполнение одного цикла в смену. Длина заходки, при которой продолжительность горнопроходческого цикла равна или кратна продолжительности смены называется рациональной длиной заходки.

Такая длина заходки обеспечивает максимальную производительность труда.

Для канав, в которых все работы укладываются в один цикл, расчет рациональной длины заходки не производится, он производится для подземных выработок, проходка которых осуществляется в течение ряда циклов.

Расчет длительности одного цикла производится на основании утвержденных норм выработки по каждой операции проходческого цикла [ ]. При этом, вначале определяют суммарную длительность производительных работ по их видам из расчета длины заходки равной одному метру стандартного сечения выработки (шурф или штольня), а далее берут отношение общих затрат труда всей бригады (точнее тех ее членов, которые могут работать одновременно на забое в течение цикла) к сумме затрат труда определяемых по нормам на один погонный метр выработки:

L=m*n/Q

где L — рациональная длина заходки, м

m — продолжительность смены, час

n — число рабочих на забое

Q — затраты труда на проходку одного метра выработки стандартного сечения, чел/час.

В шурфе на забое может работать только один человек, в горизонтальных выработках из расчета 2 м² на человека. Длительность рабочей смены принимается равной 6 часам в подземных (при глубине более трех метров).

Надо иметь ввиду то обстоятельство, что разные породы будут проходиться с разной длиной заходки — чем тверже порода, тем короче будет заходка и наоборот. Поэтому при проектировании работ это необходимо учитывать: или проводить отдельные расчеты или делать их усредненными.

Для наглядного отображения организации работы строится график цикличности, на котором показывается последовательность проведения отдельных операций в пределах одного цикла и рабочей смены и их длительность (рис. 7).

2.3.2. Бурение шпуров

В горном деле заряды размещаются в специальных горных выработках, чаще всего в специальных скважинах. При диаметре скважин до 75 мм и глубине до 5 м их называют шпурами, при более значительных размерах — взрывными скважинами; относительно редко ВВ размещают непосредственно в специальных горных выработках, называемых минными.

Определенное количество ВВ, подготовленное к взрыву, называют зарядом. В зависимости от типа пространства различают следующие их типы

1) в шпурах (шпуровые заряды);

2) во взрывных скважинах (скважинные заряды);

3) в минных выработках (камерные заряды).

При проведении геологоразведочных выработок взрывная отбойка горных пород почти во всех случаях осуществляется с использованием шпуровых зарядов.

При горно-разведочных работах производству взрывной отбойки предшествует в основном бурение шпуров. По мере увеличения крепости пород процесс БВР усложняется — возрастают энергоемкость и время, затрачиваемое на бурение, увеличивается объем буровых работ вследствие того, что появляется необходимость размещения в зарядных камерах все большего количества ВВ. Естественно, что в этих условиях растет и стоимость производства буровзрывных работ. Время бурения шпуров составляет от 40 до 60% общего времени проходческого цикла. Поэтому выбор бурового оборудования существенно влияет на скорость проведения горных выработок.

Процесс бурения, осуществляемый различными способами, включает две, как правило, совмещаемые во времени операции: отделение от забоя, сопровождаемое разрушением породы, и удаление из шпура или скважины горной мелочи (буровой шлам). В условиях геологоразведочных работ породу при бурении разрушают с помощью передачи на забой шпура (скважины) через буровой инструмент механических нагрузок. Этот вид бурения называют механическим. При механических способах бурения на забой передаются сжимающие нагрузки, вызывающие в породе напряжения сжатия, которые трансформируются в напряжения сдвига, среза, растяжения. Когда величина этих напряжений превышает предел прочности, порода на забое разрушается.

Вторая операция — удаление шлама из шпура (скважины) — осуществляется водой, воздушной струей или механически.

На горноразведочных работах применяют механические способы бурения шпуров и скважин. При механических способах бурения порода разрушается твердым породоразрушающим инструментом. Механические способы бурения подразделяют на ударно-поворотный, ударно-вращательный, вращательно-ударный и вращательный.

Ударно-вращательный способ бурения характеризуется тем, что удары наносят по непрерывно вращающемуся буровому инструменту, разрушающему забой шпура. Данный способ может применяться при крепости пород f = 6−20.

Вращательно-ударный способ бурения сочетает вращательный и ударный способы. Коронке, находящейся под давлением, придается независимое вращение и одновременно по ней наносятся удары. Разрушение породы происходит за счет ее скалывания при вращении коронки. Этот способ бурения целесообразно использовать в породах крепостью f = 4−14.

При вращательном бурении разрушение забоя шпура производится за счет сжатия, раздавливания и скалывания лезвиями инструмента (резца), вращающегося при одновременном действии осевого давления. Вращательное бурение может применяться в породах крепостью f? 12 в зависимости от типа бурильной машины вращательного действия.

Ударно-поворотный способ бурения характеризуется тем, что порода разрушается в результате последовательных ударов по забою шпура бурового инструмента (штанги и буровой коронки), совершающего возвратно-поступательные движения. Перед каждым следующим ударом инструмент поворачивается на некоторый угол, чем обеспечивается разрушение породы по всей площади шпура. Этот способ бурения может использоваться для пород крепостью f=4~20.

В некоторых случаях в труднодоступных районах, куда трудно доставить технику и при малом объеме работ в породах V — XIII категорий применяется ручное бурение шпуров. Ручное бурение бывает только ударно-поворотным.

2.3.3. Машины для бурения шпуров

Шпуры бурят с использованием компактных, транспортабельных бурильных машин относительно небольшой мощности. Эти особенности бурильных машин обеспечивают удобство их эксплуатации в горных выработках; в условиях разведки месторождений они облегчают перевозку оборудования к месту производства работ и позволяют бурить шпуры при небольшой энерговооруженности.

Бурильные машины оборудуют индивидуальными силовыми приводами — пневматическими, электрическими или встроенными в корпус двигателями внутреннего сгорания.

При значительных объемах бурения шпуров в определенных горно-геологических условиях становится целесообразным использование более мощного и производительного оборудования — бурильных установок, имеющих пневматические или электрические силовые приводы.

Исходя из рассмотренных выше способов бурения шпуров бурильные машины разделяют на следующие классы:

1) ударно-поворотного действия — перфораторы;

2) вращательного действия — сверла;

3) вращательно-ударного действия — колонковые перфораторы и бурильные головки, монтируемые преимущественно на специальных бурильных установках.

При разведке месторождений полезных ископаемых шпуры в подавляющем большинстве случаев бурят перфораторами и сверлами. В геологоразведочных партиях наиболее распространены пневматические перфораторы. В особых условиях проведения горных выработок при отсутствии достаточно мощных энергетических источников применяют перфораторы с двигателями внутреннего сгорания, называемые мотоперфораторами (бензоперфораторы).

Пневматический перфоратор представляет собой поршневую машину ударно-поворотного действия. По конструктивным особенностям механизма поворота различают перфораторы с зависимым и независимым приводами; по способу применения — переносные, телескопные и колонковые; по массе — легкие (до 18 кг); средние— (20—25 кг) и тяжелые (>30 кг).

Пневматические перфораторы массой до 33 кг называют переносными. Пневматические переносные перфораторы — ПП предназначены для бурения шпуров диаметром 30—50 мм в забоях горизонтальных и наклонных (нисходящих) выработок. Бурение шпуров переносными перфораторами осуществляется с использованием простейших поддерживающих устройств (пневмоподдержек) или ручной подачей (поэтому переносные перфораторы ранее назывались ручными). Переносные перфораторы применяют в подземных и открытых горных выработках для бурения горизонтальных, наклонных и направленных вниз шпуров.

В подземных выработках для бурения направленных вверх шпуров применяют телескопные перфораторы (ПТ). Масса телескопных перфораторов, используемых в геологоразведочных выработках, достигает 50 кг. Телескопные перфораторы представляют собой конструктивно единое целое перфоратора и пневмоподдержки, соединенных между собой стяжными болтами. Перфораторы этого типа предназначены для бурения восстающих шпуров и скважин, диаметром до 85 мм.

Колонковые перфораторы, имеюще значительную мощность и массу 100 кг и более, используют для бурения шпуров и скважин в крепких породах диаметром до 40—85 мм в горизонтальных выработках. Их устанавливают на специальных распорных колонках, манипуляторах или буровых каретках. Подача колонковых перфораторов на забой производится автоматическими винтовыми или цепными податчиками.

Мотоперфораторы используют для бурения нисходящих или наклонных шпуров преимущественно в процессе проходки открытых горных выработок. Масса мотоперфораторов составляет 30 кг.

Менее распространены при проведении разведочных выработок сверла, основная причина этого — затрудненность или невозможность бурения шпуров в крепких породах. Электрические сверла разделяют на ручные (масса до 24 кг) и колонковые, монтируемые на распорных колонках, манипуляторах или буровых каретках (масса колонковых электрических сверл достигает 130 кг).

Пневматические сверла практически не применяют при проведении горных выработок в процессе геологоразведочных работ, они используются в основном на угольных шахтах, в выработки которых выделяются горючие газы и пыль, образующие с воздухом взрывоопасные смеси, Сверла с двигателями внутреннего сгорания (мотобуры) применяют при проведении открытых горных выработок в мягких некрепких породах; эти ручные бурильные машины имеют массу до 15 кг.

При больших объемах проходческих работ, осуществляемых в крепких породах, в процессе проведения подземных горизонтальных выработок применяют мощные пневматические машины вращательно-ударного действия, монтируемые на бурильных установках.

Буровой инструмент для ударно-поворотного бурения шпуров состоит из штанги и съемной буровой коронки (рис 9, 10). Штанги буров изготовляют из пустотелых стальных стержней шестигранного или круглого профиля длиной от 400 до 3000 мм, диаметром 32−46 мм.

Таблица 4

Технические характеристики пневматических перфораторов Марка перфоратора Масса, кг Энергия удара, Дж Частота ударов, мин -1 Расход воздуха, м3/мин Глубина бурения, м Усилие подачи, Н Переносные ПП36 В 29,4 36 2300 2,8 2−4 0−1200

ПП54 В 30,5 54 2300 3,5 2−4 0−1200

ПП63 В 33,0 63 1800 3,5 2−4 0−1200

Телескопные ПТ-29М 38 50 2400 3,3 До 8 1000−2000

ПТ-36М 47 90 2600 4,5 До 15 1000−2000

Колонковые ПК-60 60 90 2500 9,0 До 25 До 7000

ПК-75 75 150 2600 13,0 До 50 До 10 000

2.3.4. Типы шпуров, расчет количества шпуров, размещение шпуров на забое

При проведении горных выработок шпуровым методом выделяют следующие основные параметры взрывной отбойки: число шпуров, их глубину и диаметр, коэффициент использования шпура и удельные расходы ВВ.

Типы шпуров по назначению.

При проходке горных выработок в твердых породах важно правильно определить количество шпуров, расположить их на забое и соблюдать определенную последовательность при их взрывании.

Действие ВВ на горную породу в значительной степени отличается при условие одной или нескольких обнаженных поверхностей на забое.

Наличие дополнительной обнаженной поверхности способствует большему эффекту взрыва по сравнению с первым случаем. Поэтому при проходке многих горных выработок на забое создается вруб — первичное углубление, которое дает дополнительное обнажение поверхности и ослабляет породу.

Различают врубовые, отбойные и оконтуривающие шпуры.

Врубовые шпуры предназначены для создания дополнительной обнаженной поверхности, облегчающей полезную работу другим — отбойным шпурам. Они всегда взрываются первыми. Количество врубовых шпуров обычно 3−6 штук в зависимости от крепости пород. В некоторых случаях в очень крепких породах в центре забоя бурятся 1−2 холостых шпура, которые не имеют заряда и играют роль дополнительной обнаженной поверхности.

Схема размещения и ориентировка врубовых шпуров на забое называется типом вруба.

По принципу действия врубы разделяются на отрывающие (клиновые, пирамидальные), в которых шпуры наклонены к оси выработки и разрушающие (прямые, призматические, щелевые) с ориентировкой шпуров параллельно оси выработки.

Врубы первой группы боле распространенные, но их глубина лимитируется шириной выработки (В).

l шп = (0,7−0,9)В Углы наклона зависят от крепости пород. Породы с коэффициентом крепости по Протодьяконову 15−20 бурятся с максимальным наклоном — 600, менее крепкие (15−5) — 650 град и от 1до 5 с углом не более 700.

Шпуры второй группы позволяют осуществлять заходки большей величины.

l шп = (1,1−1,3)В Расстояние между отбойными несколько больше, чем между врубовыми, так как последние работают в более трудных условиях (монолитный массив пород). Отбойные шпуры в свою очередь, хотя и могут взрываться одновременно, по своему расположению делятся на вспомогательные и оконтуривающие. Первые расположены ближе к врубовым и расширяют вруб, а задача оконтуривающих шпуров — обеспечить сохранение заданных параметров сечения горной выработки. Для этого в крепких породах они бурятся с наклоном с выходом нижней части за пределы контура выработки, в средних же по крепости породах они могут буриться вертикальными или наклонными, но при этом остаются в контуре выработки.

На основе практических данных установлена область применения различных врубов. В массивных породах наиболее эффективным является пирамидальный вруб в центральной части забоя. Клиновый вруб применяют в слоистых породах. Прямые врубы (щелевой и призматический) могут применяться в выработках малых сечений.

Вспомогательные шпуры производят отбойку породы в сторону боковой обнаженной поверхности (вруба). Они взрываются вслед за взрывом врубовых шпуров и способствуют расширению врубовой полости.

Оконтуривающие шпуры, взрываемые последними, предназначены для придания выработке запроектированной формы и размеров поперечного сечения.

В забоях выработок небольшого сечения вспомогательные шпуры иногда не бурят, а их функции выполняют оконтуривающие шпуры.

Расчет количества шпуров.

Существуют несколько способов расчета, все эмпирические. Наиболее часто расчет ведется на основе формулы проф. М. М. Протодьяконова, связывающей коэффициент крепости пород и площадь забоя.

Указанное неравенство может служить для проверки результата расчета по вышеприведенной формуле М. М. Протодьяконова. Если неравенство не выполняется, то количество шпуров изменяется таким образом, чтобы площадь забоя, приходящаяся на один шпур соответствовала указанным значениям.

Размещение шпуров на забое горной выработки.

После определения количества шпуров на забое выработки необходимо составить схему размещения шпуров на забое горной выработки. При размещении шпуров следует учитывать следующие правила: 1 — шпуры размещаются по площади забоя относительно равномерно, чтобы была обеспечена равномерная работа каждого шпура; 2 — минимальное расстояние между зарядами должны быть таким, чтобы исключалась возможность детонации; 3 — размещение шпуров должно обеспечивать отбойку породы в контурах выработки согласно проекта с наибольшим КИШ; 4 — необходимо обеспечить равномерное дробление породы до необходимой крупности кусков.

Схема расположения шпуров представляет изображение их пространственного положения на трех взаимно перпендикулярных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью забоя.

Порядок составления схемы следующий.

Вначале, исходя из особенностей горных пород, определяется тип вруба, количество врубовых шпуров и углы их наклона к плоскости забоя. Затем определяется количество отбойных шпуров, необходимых для поддержания при проходке проектного сечения горной выработки и углы их наклона к плоскости забоя. Оставшееся количество шпуров считается вспомогательными.

Размещение шпуров при проходке канав.