Нормы технологического проектирования предприятий нерудных строительных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие сведения о разработке месторождении

1.1 Условия залегания горных пород

Горные породы составляют земную кору, которая является верхней частью силикатной оболочки земного шара(литосфера). В ней сосредоточена основная масса веществ коры, примерно 93%. Сама литосфера состоит преимущественно из изверженных пород.

Горной породой называют однородной по строению минеральную массу, состоящую из одного минерала(простая, моно- минеральная порода) или из нескольких минералов(сложная полиминеральная порода).

Важнейшие горные породы распределяются следующим образом:

1) Магматические(изверженные)- 17,1%;

2) Осадочные- 81,7%;

3) Метаморфические-1,2%.

Изверженные породы подразделяют на интрузивные(глубинные- граниты, гранитоиды, диорит, сиенит и габбро) и эффузивные(излившиеся- андезит, трахит, порфирит, базальт, диабаз, туф). Изверженные горные породы образовались в результате застывания магмы, как в земной коре, так и на ее поверхности. В условиях медленной кристаллизации образовались крупные кристаллы минералов. При быстрой кристаллизации образовались мелкие кристаллы породообразующих минералов. При выбросах магмы и быстром охлаждении, при выделении паров(газов), формировались горные породы с пористой, ноздреватой структурой, которые в дальнейшем при уплотнении и цементации образовывали туфы и туфолавы. Обладают высокой прочностью, твердостью, вязкостью, морозостойкостью, износостойкостью и хорошо поддаются обработке.

Осадочные скальные горные породы- залегают в верхних слоях земной коры, занимая 75% суши. К осадочным породам скального типа относят известняки, доломиты, гипс, ангидрит, конгломераты, брекчии. Для производства НСМ в основном разрабатываются месторождения известняков, доломитов и песчаников. Карбонатные породы(известняки, доломиты) состоят преимущественно из кальцита с включением карбоната магния и доломита.

Метаморфические горные породы. Метаморфизмом называют преобразования горных пород, которые происходят в недрах земной коры под влиянием высоких температур и давлений. В этих случаях может происходить перекристаллизация минералов без их плавления. Главными факторами метаморфоза являются температура, давление и химически активные вещества - растворы и газы, под действием которых породы любого состава и генезиса подвергаются изменениям. Из видоизмененных пород в строительстве применяются гнейсы, мраморы, кварциты и глинистые сланцы.

Основные характеристики исходной горной породы.

Базальт - порода темного цвета со скрытокристаллической структурой, состоит из плагиоклаза и авгита. Базальты имеют истинную плотность в пределах 2700-3000 кг/м³, высокую твердость и прочность. Предел прочности при сжатии изменяется от 300 до 500 МПа(месторождение Мяндуха в Архангельской области). Из базальтов получают высокопрочный щебень, а из расплавов- базальтовое волокно, кислотоупорные изделия. Основные месторождения базальтов находятся на Кавказе, Украине, Камчатке и Архангельской области.

Основные требования к месторождениям

Карьер Берестовецкая. Разработка Берестовецких базальтовых карьеров началась в 1835 году. Однако до 1882 года промышленной добычи не было, местные жители использовали его только для своих нужд. В 1882-1884 годах месторождения эксплуатировались различными российскими предпринимателями, а с 1884 по 1914 год - предпринимателем по фамилии Вигас. В 1929 году с Берестовца до станции Любомирск была проложена узкоколейка, которая позволила экспортировать продукцию из базальта. В каменоломнях работало уже свыше 400 рабочих. Ежемесячно добывалось до 10 тысяч тонн камня, а годовая стоимость его достигала 1 миллион 400 тысяч злотых. С Берестовецка к Любомирску, курсировали паровозы, продукция активно вывозилась за рубеж. Доходы предприятия росли. Была привезена и смонтирована дробильная установка для изготовления базальтового щебня. Основной продукцией была грубоколотая шашка, сортовая шашка для покрытия дорог, брусчатка размерами 15x20x15 сантиметров для мощения улиц и площадей, бутовый камень для кладки фундаментов и щебень. Кроме того, отдельно изготовлялась мозаика размером 5x5x5 см для мощения пешеходных дорожек. Берестовецким камнем вымощены улицы и площади многих европейских столиц: Варшавы, Парижа, Лондона, Люксембурга, Праги. Вены а также Женевы. Берестовецкой брусчаткой были замощены улицы, ведущие к Московскому Кремлю и знаменитая Красная площадь. Средняя мощность базальтов в карьере составляет 15,7 м. Форма отдельности их глыбовая, столбчатая, шарообразная. Отличаются высокими физико-механическими и декоративными показателями, принимают полировку отличного качества, цвет полированной поверхности черный, ахроматичный. Эти базальты представляют интерес также как материал для получения блочного камня. Месторождение разрабатывается карьерами. Базальты используются для изготовления различных декоративно - архитектурных изделий, мостовой шашки, элементов садово-парковой архитектуры. Перспективные запасы базальта обеспечивают возможность его разработки на многие десятки лет. Базальт этого месторождения представляет собой крепкую мелкозернистую массивную породу от темно - серого до черного цвета. Объемная масса 2900 кг/м, предел прочности при сжатии 3200 - 3400 кгс/смІ.

Порода мелкоблочная с размером глыб от 0,2 - 0,5 м.

месторождение нерудный горный порода

2. Требования к качеству нерудных материалов (по ГОСТ)

2.1 Требования по ГОСТ. Технические условия

Пески. Пески делятся на природные, обогащенные, фракционированные, дробленые и дробленые фракционированные. Природный песок - неорганический сыпучий материал с крупностью зерен до 5 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения скальных горных пород и получаемый при разработке песчаных и песчано-гравийных месторождений без использования или с использованием специального обогатительного оборудования. Дробленый песок - песок с крупностью зерен до 5 мм, изготавливаемый из скальных горных пород и гравия с использованием специального дробильно-размольного оборудования. Фракционированный песок - песок, разделенный на две или более фракций с использованием специального оборудования. Песок из отсевов дробления - неорганический сыпучий материал с крупностью зерен до 5 мм, получаемый из отсевов дробления горных пород при производстве щебня и из отходов обогащения руд черных и цветных металлов и неметаллических ископаемых и других отраслей промышленности. К песку, предназначенному для использования в качестве заполнителями бетона, для строительных растворов, балластного слоя железнодорожного пути и строительства автомобильных дорог, предъявляют требования по ГОСТ 8736-93 “Песок для строительных работ. Технические условия”. Настоящий стандарт распространяется на природный песок и песок из отсевов дробления горных пород с истинной плотностью зерен от 2,0 до 2,8 г/см3, предназначенные для применения в качестве заполнителя тяжелых, легких, мелкозернистых, ячеистых и силикатных бетонов, строительных растворов, приготовления сухих смесей, для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов. Требования настоящего стандарта не распространяются на фракционированные и дробленые пески. Песок должен быть изготовлен в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологической документации, утвержденной предприятием-изготовителем. Песок в зависимости от значений нормируемых показателей качества (зернового состава, содержания пылевидных и глинистых частиц) подразделяют на два класса.

Основные параметры и размеры. В зависимости от зернового состава песок подразделяют на группы по крупности: I класс - очень крупный (песок из отсевов дробления), повышенной крупности, крупный, средний и мелкий; II класс - очень крупный (песок из отсевов дробления), повышенной крупности, крупный, средний, мелкий, очень мелкий, тонкий и очень тонкий. Каждую группу песка характеризуют значением модуля крупности от 2,5 до 3,25, проход сквозь сито №014 не более 5%, полный остаток песка на сите с сеткой № 063 не менее 50%, содержание зерен, содержание в песке пылевидных и глинистых частиц. Природный песок при обработке раствором гидроксида натрия (колориметрическая проба на органические примеси по ГОСТ 8735) не должен придавать раствору окраску, соответствующую или темнее цвета эталона.

Щебень. Щебнем называют материал с зернами размером от 3(5) до 70 мм, полученный после дробления гравия крупных фракций, валунов и скальных пород. В зависимости от дробимости при раздавливании в цилиндре щебень подразделяют на семь марок по прочности: 1200, 1000, 600, 400, 300 и 200 (ГОСТ 8267-93 “Щебень и гравий из плотных пород. Технические условия”). Щебень должен изготовляться в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологической документации, утвержденной предприятием-изготовителем.

Основные параметры и размеры. Щебень выпускают в виде следующих основных фракций: от 5 (3) до 10 мм; св. 10 до 20 мм; св. 20 до 40 мм; св. 40 до 80 (70) мм и смеси фракций от 5 (3) до 20 мм. По согласованию изготовителя с потребителем выпускают щебень в виде фракций от 10 до 15 мм; св. 15 до 20 мм; св. 80 (70) до 120 мм и св. 120 до 150 мм, а также смеси фракций от 5 (3) до 15 мм; св. 5 (3) до 40 мм; св. 20 до 80 (70) мм. Полные остатки на контрольных ситах при рассеве щебня, марки по истираемости щебня, содержание зерен слабых пород, морозостойкость(F15; F25; F50; F100; F150; F200; F300; F400), содержание пылевидных и глинистых частиц, наличие вредных компонентов и примесей, стойкость к воздействию окружающей среды, радиационно-гигиеническая оценка, обеспеченность установленных стандартом значений показателей качества.

2.2 Требования по ГОСТ. Методы испытаний

Песок. Для определения качественных характеристик песка применяют методики, предусмотренные ГОСТ 8735-89 “Песок для строительных работ. Методы испытаний”. Общие положения:

1) Область применения методов испытаний песка, предусмотренных настоящим стандартом. 2) Пробы взвешивают с погрешностью 0,1 % массы, если в стандарте не даны другие указания. 3) Пробы или навески песка высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре (105 ± 5) °С до тех пор, пока разница между результатами двух взвешиваний будет не более 0,1 % массы. Каждое последующее взвешивание производят после высушивания не менее 1 ч и охлаждения не менее 45 мин. 4) Результаты испытаний рассчитывают с точностью до второго знака после запятой, если не даны другие указания относительно точности вычисления. 5) За результат испытаний принимают среднее арифметическое значение параллельных определений, предусмотренных для соответствующего метода. 6) Стандартный набор сит для песка включает сита с круглыми отверстиями диаметрами 10; 5 и 2,5 мм и сита проволочные со стандартными квадратными ячейками № 1,25; 063; 0315; 016; 005 по ГОСТ 6613-86 (рамки сит круглые или квадратные с диаметром или боковой стороной не менее 100 мм). 7) Температура помещения, в котором проводят испытания, должна быть (25 ± 10) °С. Перед началом испытания песок и вода должны иметь температуру, соответствующую температуре воздуха в помещении. 8) Воду для проведения испытаний применяют по ГОСТ 2874-82 или ГОСТ 23732-79, если в стандарте не приведены указания по использованию дистиллированной воды. 9) При использовании в качестве реактивов опасных (едких, токсичных) веществ следует руководствоваться требованиями безопасности, изложенными в нормативно-технических документах на эти реактивы. 10) Для проведения испытаний допускается применять импортное оборудование, аналогичное приведенному в настоящем стандарте. Нестандартизованные средства измерений должны пройти метрологическую аттестацию в соответствии с ГОСТ 8.326-89.

Щебень. Для определения качественных показателей щебень из естественного камня испытывают по методикам, указанным в ГОСТ 8269-82 “Щебень из естественного камня. Методы испытания”.

3. Подготовка и вскрытие месторождения горной породы

3.1 Подготовка и вскрытие месторождения

Для начала разработки месторождения и ввода карьера в эксплуатацию, осуществляются горно-капитальные работы. К этим работам относят: проходку въездных траншей или полутраншей в контуре или вне карьерного поля; разрезных траншей по полезному ископаемому длиной, необходимой для нормальной эксплуатации. Производят нарезку уступов и выполняют вскрышные работы в объеме, обеспечивающем подготовку к выемке запасов на срок менее 6-ти месяцев работы. Кроме того, должны быть проведены работы по осушению поверхности месторождения; проведению нагорных каналов; осуществляют рубку леса и корчевание пней на площади горно-капитальных выработок.

Минимальное количество подготовленных к выемке запасов должно обеспечить работу карьера в течение 3-ч месяцев при круглосуточном режиме вскрышных работ.

При сезонном режиме работ по вскрыше, подготовленные запасы при транспортной системе разработки, должны обеспечить не менее 2-ч месяцев работы на начало сезона и 6-8 месяцев к концу сезона. При бестранспортной системе разработки готовые к выемке запасы определяют шириной одной заходки и длиной фронта работ.

Руководящий уклон капитальных траншей принимают в %:

-при рельсовом транспорте- 2-4;

-при автомобильном транспорте- 7-8;

-при тролейвозном транспорте- до 12;

-при конвейерном транспорте- до 30.

При установлении положения трассы траншей, ее стремятся провести так, чтобы при минимальных объемах строительных работ обеспечить наилучшие условия в период эксплуатации. Различают тупиковую, спиральную и петлевую формы трасс.

Количество пустых пород, добытых и перемещенных в отвал, приходящихся на объемную или массовую единицу добычи полезного ископаемого, называется коэффициентом вскрыши(КВ). Различают коэффициенты вскрыши: средний КВ_ср., эксплуатационный КВ_э., слоейвой КВ_сл., контурный КВ_кон., текущий КВ_т., граничный КВ_гр. и плановый КВ_пл..

Средний коэффициент вскрыши характеризует отношение объема пустых пород к запасам полезного ископаемого (по объему или по массе) в контуре карьера в целом или в его части:

, [м³/м³] или [Т_В/Т_П].,

где V_В- объем вскрыши [м³] или [T],

V_П- объем полезного ископаемого [м³] или [T].

Текущий коэффициент вскрыши определяется как отношение объема пустых пород, перемещенных в отвал, за какой-либо период времени (месяц, год) к объему (или массе) полезного ископаемого, добытого за тот же период:

, [м³/м³] или [T_В/T_П.Т.].,

Слоевой коэффициент вскрыши характеризует отношение объема вскрышных пород в границах горизонтального слоя (обычно отступа) к запасам полезного ископаемого в этом же слое:

[м³/м³][Т_ВС/Т_ВС].,

Высота уступа. При разработке пород механическими лопатами высота уступа не должна превышать максимальной высоты черпания экскаватора, а при разработке драглайнами и многочерпаковыми экскаваторами высота уступа должна соответствовать параметрам экскаваторов.

При разработке пород с применением взрывных работ высота уступа не должна превышать 1,5 высоты черпания.

На карьерах нерудных строительных материалов наблюдается тенденция к увеличению высоты уступов. Это делает возможность значительно сократить протяженность транспортных коммуникаций в карьере, увеличить масштабы массовых взрывов, улучшить технологию буровзрывных работ.

Высокие уступы позволяют более эффективно использовать экскаваторы. Но по мере увеличения высоты уступов возникает опасность появление оползней и заколов, особенно если на поверхности напластований протекает вода. В этом случае необходимо уменьшить угол откоса и обеспечить отвод поверхностных вод. Высоту уступа можно определить по формуле Н.В.Мельникова:

м.,

где R_ч- радиус черпания экскаватора, м;

R_р- радиус загрузки экскаватора, м;

б- угол откоса уступа, град.;

в- угол откоса взорванной породы, град.;

к- коэффициент разрыхления породы;

мЧ- отношение ЛНС первого ряда к высоте уступа;

мЧЧ- отношение расстояния между рядами скважин ЛНС.

Ширину заходки принимают для механической лопаты от одного до полутора радиусов черпания на уровне стояния; для драглайна- по значению нормального радиуса черпания и углу рабочего разворота драглайна, величину которого устанавливают в пределах 30-45°.

Ширина рабочей площадки. Её минимальную величину определяют по формуле:

В=А+Б+Г+Д+Е+…+М,

где А- ширина экскаваторной заходки, м;

Б- ширина развала породы после взрыва, м;

Г- расстояние от развала до транспортной полосы, м;

Д- ширина транспортной полосы, м;

Е- берма в пределах призмы обрушения, м.

Длину фронта работ на каждый экскаватор следует устанавливать из условий обеспечения экскаватора горной массой в количестве, необходимом для бесперебойной работы не менее чем на один месяц.

Вскрытие месторождения полезного ископаемого, проведение капитальных горных выработок, открывающих доступ с поверхности ко всему месторождению или его части и обеспечивающих возможность проведения подготовительных горных выработок, необходимых для обслуживания добычных забоев.

Главные цели В. м. -- создание транспортных связей между очистными забоями (местом добычи полезного ископаемого) и пунктом приёма его на поверхности, обеспечение условий для безопасного перемещения людей; подача чистого воздуха к рабочим участкам (в шахтах).

Под системой открытых горных разработок понимается определенный порядок выполнения подготовительных, вскрышных и добычных работ, обеспечивающий для данного месторождения безопасную, экономичную и наиболее полную выемку кондиционных запасов полезного ископаемого.

В горнодобывающей промышленности получила широкое распространение классификация систем разработки профессора Е.Ф. Шешко и академика Н.В. Мельникова. В основу этой классификации положен общий признак- способ перемещения вскрышных пород.

По этому признаку система разработки бывает следующая:

- бестранспортная:

а) простая- с непосредственным перемещением породы во внутренние отвалы экскаватором;

б) с переэкскавацией пород на отвалах;

в) экскаватор в карьере, когда вскрышные и добычные работы осуществляются одним экскаватором попеременно;

- транспортно-отвальная с перемещением вскрышных пород во внутренние отвалы при помощи транспортно-отвальных мостов или консольных отвалообразователей;

- транспортная с перемещением вскрышных пород во внутренние или внешние отвалы при помощи рельсового, автомобильного или конвейерного транспорта. Наибольшее распространение на карьерах нерудных строительных материалов получила транспортная система с использованием автосамосвалов с грузоподъемностью от 5 до 27 тонн;

- специальная, при которой удаление вскрышных пород осуществляется при помощи башенных экскаваторов, колесных скреперов, способом гидромеханизации, кабельными кранами. На ряде карьеров нерудных строительным материалов с мягкими, глинистыми породами нашли применение специальные системы разработки с использованием скреперов и гидромеханизации;

- комбинированная, при которых удаление вскрышных пород производят в сочетании приведенных выше систем.

Вскрытие для открытой разработки месторождений включает проведение наклонных (капитальных) открытых выработок с поперечным сечением ступенчатой формы или в виде трапеции (траншей) или треугольника (полутраншей) с поверхности земли или от разрабатываемой части карьера к вновь создаваемым рабочим горизонтам. Непосредственным продолжением капитальной траншеи является горизонтальная выработка с трапецеидальным (треугольным) поперечным сечением -- разрезная траншея (полутраншея), проводимая для создания первоначального фронта горных работ.

Определяющими элементами траншеи являются конечная её глубина, продольный уклон подошвы, ширина основания, длина, углы откосов сортов. Глубина капитальных траншей равна высоте одного или нескольких уступов. На подошве траншеи размещаются транспортные коммуникации и ширина основания траншей определяется габаритами транспортных сосудов (например, думпкаров, автосамосвалов). Продольный уклон наклонных капитальных траншей, предназначенный для железнодорожного или автомобильного транспорта, в большинстве случаев не превышает соответственно 40 и 80‰. Крутые траншеи для конвейеров имеют уклон до 18°, а для Скипов -- до 45°. Если направление перемещения горных пород (грузопотоков) из карьера разное, каждый уступ может вскрываться отдельной капитальной траншеей. Групповые траншеи применяются для разделения грузопотоков вскрышных пород и полезного ископаемого. Внешними стационарными траншеями вскрывают карьеры, разрабатывающие горизонтальные и пологие залежи. В. м. скользящими съездами позволяет уменьшить объём горных работ в период строительства карьера. Скользящими съездами вскрывают обычно 2--4 нижних рабочих уступа при разработке крутопадающих месторождений. В. м. внутренними капитальными траншеями осуществляют при разработке наклонных залежей полезного ископаемого (до 27--30°). Трасса системы капитальных траншей (пространственное положение и направление продольной оси траншей) может быть простой, если траншеи расположены на одном борту карьера и направление движения транспортных средств не изменяется. Сложная трасса состоит из двух или нескольких участков различного направления, соединённых между собой посредством тупиков (при железнодорожном транспорте) или петель малого радиуса (обычно при автотранспорте). Спиральная трасса проходит по всем бортам карьера, опоясывая его один или несколько раз. Часто 2--3 верхних уступа карьера вскрывают внешними траншеями, а нижележащие уступы -- внутренними капитальными. Иногда карьеры вскрывают подземными выработками -- наклонными и вертикальными стволами со штольнями или тоннелями.

Выбор рационального способа В. м. производится в период проектирования горного предприятия и является сложной инженерной задачей в силу специфики горного производства: нестабильность производственных условий (изменчивость природных факторов); разбросанность рабочих мест и их непрерывное перемещение; необходимость постоянного воспроизводства выбывающих (отработанных) очистных забоев.

При проектировании, кроме классического математико-аналитического, применяется метод комплексной оптимизации проектных решений, при котором разрабатывается несколько вариантов В. м. с последующим составлением экономико-математической модели шахты (карьера). При последующем решении на ЭВМ отыскивается наилучший вариант.

Вскрытие для подземной разработки месторождений. Капитальные вскрывающие выработки делятся на главные и вспомогательные. К главным относят выработки, имеющие непосредственный выход на поверхность: вертикальные и наклонные стволы шахтные и штольни; к вспомогательным -- Квершлаги, Гезенки, Бремсберги и уклоны. Подготовительные выработки -- это главным образом Штреки, пройденные по полезному ископаемому. Способы В. м. весьма разнообразны и различаются по роду главных вскрывающих выработок, по их расположению относительно пластов или рудных тел, по наличию вспомогательных вскрывающих выработок, по числу подземных транспортных горизонтов. Способ В. м. зависит от рельефа местности, ценности полезного ископаемого, формы, размеров и глубины его залегания, мощности и угла падения пластов или рудных тел, их числа и расстояния между ними и других факторов. При выборе способа вскрытия влияние перечисленных выше геологических и горнотехнических факторов учитывается комплексно. К важнейшим из них следует отнести: минимальные первоначальные капитальные затраты и сроки строительства шахты; концентрацию производства при условии максимального увеличения добычи с очистного забоя; концентрацию добычи шахты на ограниченном числе одновременно разрабатываемых пластов; сокращение протяжённости поддерживаемых горных выработок путём интенсификации очистных работ и периодического обновления горного хозяйства шахты за счёт подготовки является универсальным. Проходят не менее двух стволов (два безопасных выхода из шахты на поверхность), один из которых служит для подачи свежего воздуха в шахту, а второй -- для отвода воздуха на поверхность.

При вскрытии угольных месторождений находит широкое применение схема (рис. 1), по которой стволы 1, 2 проводят на полную проектную глубину; около них сооружают выработки откаточного горизонта (околоствольный двор, квершлаг 3, главные штреки 4). Вверх по полезному ископаемому проводят комплект наклонных капитальных выработок (бремсберг 5 с ходками), а от них -- штреки: откаточный 6 и вентиляционный 7. Между ними располагают длинные очистные забои, которые оборудуют механизированными комплексами для добычи полезного ископаемого. У верхней границы месторождения сооружают выработки вентиляционного горизонта. Уголь из очистного забоя транспортируется по штреку 6, бремсбергу 5, квершлагу 3 и через один из стволов выдаётся на поверхность.

Рудные месторождения обычно отличаются непостоянством мощности и углов падения рудных тел, наличием большого числа нарушений, незначительными размерами по длине, но с большим распространением в глубину и пр. Поэтому вскрытие их осуществляется вертикальными стволами и квершлагами (рис. 2), проходимыми последовательно, по мере углубления стволов. Стволы 1 для подъёма полезного ископаемого располагают примерно в средней части месторождения, а стволы 2 для вентиляции -- на флангах.

При добыче полезного ископаемого происходит обрушение горных пород и опускание вышележащих толщ. Поэтому при В. м. крутых и наклонных шахтные стволы проходят в породах лежачего бока вне зоны сдвижения с тем, чтобы избежать деформации стволов. Кроме того, это исключает потери ценных руд в охранных целиках, необходимых для охраны стволов. Наклонными стволами вскрывают обычно обособленные пласты или рудные тела при сравнительно небольшой глубине их залегания. Стволы проходят под углом до 18° и при вскрытии угольных пластов располагают по полезному ископаемому, а рудных тел -- в пустых породах лежачего бока. Первоначально наклонные стволы вскрывают запасы верхнего горизонта; по мере их отработки стволы углубляют до следующего горизонта (рис. 3) и т. д.

В. м. с помощью штолен производят при сильно расчленённом рельефе местности, когда применение вертикальных или наклонных стволов технически невозможно или экономически нецелесообразно. В зависимости от расположения месторождения по отношению к горному склону штольни проводят по полезному ископаемому или по пустым породам. Возможно сочетание главных вскрывающих выработок, например вертикальных и наклонных стволов (комбинированный способ вскрытия). Наклонный ствол в этом случае используется для конвейерного транспорта полезного ископаемого на поверхность, а вертикальный -- для вспомогательных целей.

Рис. 1. Вскрытие свиты пологих угольных пластов вертикальными стволами и капитальным квершлагом.

Рис. 2. Вскрытие крутого рудного тела вертикальными стволами и этажными квершлагами.

Рис. 3. Вскрытие пласта наклонными стволами: 1 -- наклонные стволы; 2 -- штреки; 3 -- очистные забои; 4 -- обрушенные породы.

3.2 Добычные работы

Добычные работы на гранитных месторождениях имеют свои особенности. Добываемый для архитектурно-строительных целей гранит должен быть высокопрочным, долговечным, крупноблочным и декоративным. Выбор способа добычи блоков гранита следует производить с учетом необходимости наиболее полного сохранения названных их качеств. Применение взрывов зарядов бризантных ВВ для этой цели неприемлемо, так как в результате взрыва таких зарядов образуется множество трещин далеко за их пределами. Наилучшим способом получения гранитных блоков является выпиливание их из массива с помощью канатных пил или камнерезных машин, применяемых при разработке месторождений мрамора и других менее крепких пород. Однако высокая крепость гранита делает ограниченным этот способ. Получение гранитных блоков возможно путем образования по границам блоков врубов с помощью ударпо-врубовых машин (чен-нелеров) или бурением по линии намечаемого раскола рядов шпуров (располагаемых почти вплотную друг к другу), применением клиионых работ, комбинацией буровых и клиповых работ, использованием зарядов метательных ВВ, действующих как клин.

Широкий диапазон прочностных характеристик горных пород, перерабатываем на заполнители (находящихся в пределах на сжатие от 30 до 400 МПа), предопределяют применение эффективных методов бурения. К таким методам следует относить станки вращательного, термического и ударно-вращательного бурения. При невысоких производственных мощностях предприятий нерудных строительных материалов применяют легкие и средние буровые станки.

Шнековое бурение применяют в карбонатных породах средней крепости. Для шнекового бурения используют станки БСН-110, СВБ-2, иногда БТС-2, который обеспечивает большее усилие подачи на инструмент, увеличивая соответственно скорость бурения. На скорость бурения и скорость работ по бурению (проходки) значительное влияние оказывают применяемые коронки.

Из многочисленных конструкций коронок для шнекового бурения, рекомендуются к применению коронки разработанные Новочеркасским политехническим институтом и Карпинским машиностроительным заводом. Коронки НПИ-1 применяют для бурения неабразивных пород с коэффициентом крепости до 8; коронки НПИ-2- для абразивных пород.

Для шнекового бурения скважин с меняющимися по крепости пород, разработаны конструкции долота со смещенными резцами на перьях. В центральной части долота, на резьбе крепят забурник. Резцы и забурник армированы твердым сплавом.

Правильный выбор типа шашечного долота и режима их эксплуатации обеспечивает получение показателей бурения в среднем на 20-30%.

Шарошечные долота выпускаются для бурения- секционные, трехшарошечные с многоконусными самоочищающимися шарошками, не имеющие смещения осей относительно долота. Шарошки монтируют на трехрядных подшипниках на цапфах лап (секций), соединяемых друг с другом с помощью электросварки, после чего на хвостовиках лап нарезают присоединительную коническую резьбу.

Долота типа ТЗ/ТЗП имеют центральную схему промывочных (продувочных) устройств. Подводимый к долоту промывочный (продувочный) агент поступает на забой скважины через центральный канал между секциями долота. У долота диаметром 190 мм и более в центральном канале устанавливают специальное сопло, формирующее струю рабочего агента, поступающего на забой скважины.

Для шарошечного бурения в породах невысоской крепости, содержащих включения абразивных и крепких пород, НИИОГР разработал конструкцию долота типа ДВР с вращающимися резцами. Долото состоит из корпуса, сменных вращающихся резцов и опор скольжения. Корпус долота имеет резьбу для соединения с буровой штангой и каналы, для подвода воздуха к забою скважины. Хорошей конструктивной особенностью долота является возможность раздельной замены деталей (резцов и шайб) по мере выхода их из строя.

Термическое бурение. Эффективность термического бурения наиболее ярко проявляется в кварцевосодержащих горных породах, где шарошечное бурение малоэффективно. В условиях сравнительно невысокой производительности карьеров нерудных строительных материалов применение термического бурения на привозном кислороде нецелесообразно. Поэтому исследовались возможности применение бензо-воздушной смеси. Имеет меньшую скорость бурения и стоимость, чем керосино-кислородная смесь.

Применение термических станков для бурения кварцитов обеспечивает высокую производительность и низкую стоимость в сравнении с другими способами. Термобуры можно успешно применять для разбуривания негабарита.

Перфораторы, электросверла, компрессоры. Простота устройства, малая энергоемкость и универсальность, позволяют использовать перфораторы для бурения шпуров и скважин в различных породах.

Различают 3 группы перфораторов: ручные (легкие, средние и тяжелые), телескопные и колонковые.

Электросверла. Для бурения в породах мягких и средней крепости применяют электросверла, которые просты по конструкции и имеют высокий коэффициент полезного действия. Ручные сверла между собой отличаются мощностью электродвигателя.

Взрывчатые вещества (ВВ)- химические вещества, которые под внешним воздействием способны образовывать большое количество газов с выделением тепла. В зависимости от скорости превращения реакций различают детонацию и взрывное горение. Способность взрывчатых веществ дробить (разрушать) породу называют бризантностью.

Способность ВВ производить работу расширения газов при взрыве называют работоспособностью ВВ.

ВВ по переходу к взрывному превращению обладают различной чувствительностью. Одни взрываются от механических воздействий, другие от теплового воздействия, отдельная группа- взрывается при детонации.

По составу ВВ, применяемые на открытых горных породах подразделяются на: аммиачно-селитровые, нитроглицериновые, порох, оксиликвиты.

Смесь аммиачной селитры с тротилом называют аммонитом; смесь аммиачной селитры с тротилом и алюминием- аммоналом.

По физическому состоянию промышленные ВВ классифицируют на сухие порошкообразные (аммониты, детониты, аммонаты, динамоны), сухие гранулированный (граммониты, граммонаты, гранулиты, игданит, гранулотол, алюмотол), водосодержащие (акватолы, акваниты и акваналы).

3.3 Выемка и погрузка горных пород

Подготовительные работы для горных пород к выемке. Подготовительные работы для горных пород к выемке являются начальным и производятся для обеспечения безопасности и полного технологического процесса ведения разработки горных работ.

Подготовка горных работ к выемке включает: осушение пород; разупрочнение пород перед выемкой - разделение массива на более мелкие частицы различными способами; изменение агрегатного состояния горных пород.

Выемка мягких, песчаных, естественно нарушенных мелкораздробленных пород и песчано-гравийной смеси, которая успешно может производиться всеми видами выемочно-погрузочного оборудования.

Разработка плотных и наименее прочных полускальных горных пород может осуществляться непосредственно выемочными машинами с повышенными усилиями резания. Если усилия рыхления пород недостаточно, то используются механические способы разрыхления или взрывные для сотрясения. Скальные и полускальные горные породы подготавливаются к выемке взрывным способом.

Осушение пород перед выемкой. Наличие воды в карьерах затрудняет условия для выполнения работ как для людей, так и для механизмов. Насыщенные водой породы меняют свои физико-химические свойства и становятся непригодными для разработки и дальнейшей переработки.

Осушение (дренаж) карьерных полей предусматривает снижение уровня или напоров водоносных горизонтов и выполняется с целью сокращения притока воды в горные выработки, обеспечения устойчивости горно-технических сооружений, снижение влажности полезного ископаемого и другие показатели, снижающие возможности горных работ.

Горные породы по дренируемости разделяют на 6 групп:

1- скальные и полускальные породы, устойчивые к воздействию воды;

2- твердые плотные трещиноватые глинистые породы способные набухать и размокать на фильтрующих участках уступов;

3- слабые глинистые породы, интенсивно набухающие при контакте с водоносными породами, водоупорные, устойчивые к размоканию;

4- слабые песчано-глинистые породы с высокой пористостью, малой водопроницаемостью, склонные к оплыванию;

5- несвязные породы с хорошей водопроницаемостью;

6- неуплотненные осадки водоемов.

Месторождения полезных ископаемых разделяют на группы А, Б и В по дренируемости и влиянию дренажа на устойчивость бортов карьеров. В группу А включены месторождения, сложенные из слабых глинистых и несвязанных пород. В зависимости от условия залегания пород месторождения выделяют подгруппы:

А-1- сложенные горизонтально залегающими слоями;

А-2- с полого залегающими слоями;

А-3- наклонно и круто залегающими слоями пород.

В группу Б включены месторождения, сложенные преимущественно горно-геологическими комплексами трещиноватых, хорошо фильтрующих пород. К группе В относят месторождения, в сложении которых участвуют комплексы А и Б.

Дренаж карьеров осуществляется с применением устройств различных типов: водопонижающих скважин, оборудованных глубинными насосами; дренаж штреков с фильтрами и колодцами; самоизливающихся и поглощающих скважин; иглофильтрованных установок; прибортового дренажа; дренажных траншей, канав, зумпфов.

Механическое рыхление пород. Механическое рыхление- послойное отделение пород от массива, затем разделение на куски, обеспечивающих выемку и дальнейшую переработку горной породы. Применяемые рыхлители по способу крепления рабочего органа разделяют на навесные и прицепные. Применение механического рыхлителя для подготовки горной массы к выемке и погрузке наиболее перспективно при разработке карбонатных месторождений.

Рыхление горных пород взрывом. Получение дробленных (разрыхленных) горных пород использованием буровзрывными работами занимают 20-25% стоимости всех работ в технологическом цикле.

От качества разрыхления горной породы взрывом зависит её дальнейшая переработка и качественные характеристики.

3.4 Добыча и разделка монолитов

При ведении взрывных работ методом скважинных зарядом нормативный выход негабарита составляет от 3 до 20%. Разделка негабарита производится различными способами: взрывание с применением шпуровых, накладных и аккумулятивных зарядов, способом гидровзрыва, механическими способами, электрофизическими способами.

Способом взрывания с применением шпуровых и накладных зарядов разделывают негабариты на большинстве карьеров. Более эффективным способом разделки негабарита является способ кумулятивных зарядов конструкции А.В.Сафронова. Кумулятивными зарядами можно взрывать негабариты в лотках вибропитателей, в вагонах, дробилках и т.д. без повреждения оборудования.

Способ гидровзрывания. Применение метода гидровзрывания горных пород позволяет снизить расход взрывчатых веществ, трудовые затраты, повысить безопасность взрывных работ. Он основан на использовании гидравлического удара, при котором в ударную волну переходит до 70% энергии взрыва.

Механические способы разделки негабариты основаны на использовании разрушающей силы удара. Институтом Гипрорудмаш были сконструированы два типа бутобоев: пневматические и механический. Установки смонтированы на гусеничном ходу.

Электрофизические способы разрушения негабарита. Указанные способы основаны на создании высокочастотного тока и передачи этого тока на горнуюпороду. Для этих целей используются высокочастотные генераторы с напряжением 220/380 В. Они могут быть стационарными и передвижными.

4. Карьерные дороги и транспорт

Для транспортирования горной породы в отвалы и на дробильно-сортировочные фабрики (ДСФ) применяют автомобильный транспорт, реже железнодорожный и конвейерный. Перемещение материала на всех постах и технологических переделах осуществляется в основном конвейерами, а при мокрых процессах, часто применятся гидротранспорт. Для маневровых работ и подъездах железнодорожных путей предприятий применяют электровозы и тепловозы.

4.1 Автомобильный транспорт

На карьерах нерудных строительных материалов из всех видов транспортирования материалов, свыше 90% приходится на автомобильный. В случаях применения автотранспорта обеспечивается высокая маневренность в сопоставлении с железнодорожным и другим транспортом. Автомобильный транспорт на карьерах представлен автосамосвалами, автотягачами, троллейвозами и т.д.

При разработке неглубоких карьеров и транспортирования по поверхности или насыпной разработке карьеров, целесообразно применять автомобильные полуприцепы. перспективным видом для карьерного транспорта является одноосные и многоосные седельные тягачи.

Важным элементов в организации автомобильного транспорта на карьерах является правильный выбор рабочих площадок на уступах и выбор рациональной схемы заезда автомашин под погрузку.

4.2 Конвейерный транспорт

По своему назначению конвейерный транспорт подразделяют: на забойный, передаточный, подъемный, магистральный и отвальный. Иногда выделяют складские конвейеры. В комплексах карьерного транспорта предусматриваются загрузочно-перегрузочные устройства; конвейеры перегрузки и конвейеры отвалообразователи.

Забойные конвейеры перемещают горную массу от экскаватора до передаточных конвейеров, располагаются они на рабочей площадке уступа;

Передаточные конвейеры перемещают горную массу от забойных конвейеров к подъемным или отвальным. Он может быть передвижным, стационарным и полустационарным.

Подъемные конвейеры поднимают горную массу из карьера на поверхность и являются стационарными устройствами.

Магистральные конвейеры стационары. Они располагаются на поверхности и транспортируют вскрышные породы или полезные ископаемые от подъемных конвейеров соответственно к отвалам, к погрузочному пункту, на дробильно-сортировочную фабрику и т.д.

Отвальные конвейеры перемещают породу, от передаточных или магистральных конвейеров к отвалообразователям. Такие конвейеры служат и для размещения в отвалах отходов дробильно-сортировочных фабрик.

Складские конвейеры перемещают готовую продукцию в погрузочные бункера и на склады готовой продукции.

Ленточные конвейеры- основной вид технологического транспорта на дробильно-сортировочных фабриках.

Рис. 4. Схема конвейерного транспорта при разработке рыхлых вскрышных пород роторными экскаваторами: 1 - турнодозер; 2 - самоходный бункер; 3 - забойный конвейер; 4 - перегружатель; 5 - роторный экскаватор; 6 - телескопический конвейер; 7 - торцовый конвейер; 8 - межуступный перегружатель; 9 - погрузочное устройство; 10 - магистральный конвейер; 11 - перегрузочная тележка (автостелла); 12 - отвалообразователь; 13 - отвальный конвейер.

4.3 Железнодорожный транспорт

В железнодорожном транспорте применяемого на карьерах добычи нерудных строительных материалов следует выделять тяговую единицу и подвижный состав.

В качестве тяговой единице на карьерном железнодорожном транспорте применяют электровозы, тепловозы, мотовозы и другие средства.

5. Переработка и обогащение нерудных материалов

5.1 Основные операции переработки

В строительстве используется большое количество нерудных материалов: камня, щебня, гравия, песка и каменной крошки. Основная часть щебня, гравия и песка идет на приготовление бетонов, песка -- на приготовление растворов.

Песок и гравий добывают в естественных отложениях в полуготовом виде. Дальнейшая переработка этих материалов заключается в сортировке и промывке их на специальных установках.

Щебень производится из твердых горных пород, добываемых в карьерах, с последующим их дроблением и сортировкой на специальных дробильно-сортировочных заводах.

Переработка твердых каменных пород на дробильно-сортировочных заводах заключается в основном в дроблении исходных материалов до необходимых размеров, сортировке получаемого продукта по размерам кусков и промывке их от пыли и глинистых частиц. Основным показателем работы дробильно-помолочных машин является степень измельчения получаемой на ней продукции, т. е. отношение средних размеров кусков исходного продукта D к среднему размеру конечного продукта d.

В одной дробильной машине получить высокую степень измельчения материала практически очень трудно. При крупных размерах кусков исходного материала и необходимости получения достаточно мелких кусков конечного продукта рациональнее вести дробление в несколько стадий.

Исходный материал по величине зерен (кусков) всегда неоднороден, в нем могут находиться куски с размерами, меньшими, чем выходное отверстие дробилки. Такие куски желательно предварительно отсеять сортирующей машиной. Конечный продукт может содержать часть зерен (кусков), превосходящих по размеру ширину разгрузочной щели дробилки, особенно, когда щель имеет удлиненную форму. В этом случае перед передачей продукта на последующую стадию дробления такие части отделяют сортирующей машиной и направляют обратно в поток материала, поступающего в дробилку, из которой данный продукт получен. Таким образом, различают приемы дробления: открытый и замкнутый. При открытом методе дробления материал проходит через дробилку один раз, а при замкнутом методе дробления часть крупных кусков возвращается в ту же дробилку для додрабливания.

По конструктивному устройству камнедробильные, машины разделяются, (рис. 5) на щековые, конусные, валковые, молотковые дробилки, бегуны, барабанные и вибрационные мельницы.

Соответственно стадиям дробления дробильные машины разделяют на крупного, среднего, мелкого дробления и мельницы.

Расчетную производительность дробилок можно определить по формуле:

Q=Q_n*K_др*К_ф*К_кр

где Q_n- паспортная производительность дробилки;

К_др- поправочный коэффициент по дробимости, зависящий от прочности на сжатие;

К_ф- поправочный коэффициент, учитывающий форму дробимого материала.

Рис. 5. Типы дробильных машин и мельниц:

а -- щековая; б -- конусная; в -- валковая; г -- молотковая; д -- бегуны; е -- барабанная мельница; ж -- вибромельиица; 1 -- подвижная щека; 2 -- неподвижная щека; 3 -- эксцентриковый вал; 4 -- распорная плита.

5.2 Оборудование для переработки

Щёковые дробилки-- это тип дробилки, использующей для разрушения кусков материала сжатием щек. Щековая дробилка является универсальной машиной для дробления материалов. Применяется на горных породах любых прочностей, на шлаках, некоторых металлических материалах. Применение невозможно на вязкоупругих материалах, таких как древесина, полимеры, определенные металлические сплавы. Входная крупность достигает 1500 мм. Крупность готового продукта для небольших дробилок составляет до 10 мм. Щековые дробилки имеются во всех классах дробления: крупном, среднем и мелком.

Принцип работы щековой дробилки основан на сжатии рабочими поверхностями (щеками) материала, что приводит к возникновению больших напряжений сжатия и сдвига, разрушающих материал. На рисунке показан принцип работы щековой дробилки. Одна из щек дробилки делается неподвижной. Вторая щека крепится на шатуне обеспечивающем перемещение верхнего края щеки так, что щека совершает качающееся движение. Вал шатуна приводится во вращение через клиноременную передачу от двигателя (электрический, дизельный). На этом же валу крепится второй шкив, играющий роль маховика и противовеса для основного шкива. Нижний край подвижной щеки имеет возможность регулировки положения в горизонтальном направлении (механический привод или гидравлический привод), которое влияет на ширину минимальной щели, определяющую максимальную крупность материала на выходе из дробилки. Щеки образуют клинообразную форму камеры дробления в которой материал под действием силы тяжести и после разрушения продвигается от верхней части, в которую загружаются крупные куски, до выходной (разгрузочной) щели. Боковые стенки в процессе дробления не участвуют. Сейчас применяют щековые дробилки простого и сложного качения щеки. В последних дробилках достигается более высокая степень нагрузки на материал (большие напряжения сдвига). Одно из относительно недавних новшеств -- это виброщековые дробилки, которые должны найти применение на очень прочных материалах.

В силу больших нормальных и сдвиговых напряжений материал в щековой дробилке разрушается с образованием вытянутых кусков: пластин -- содержание которых в дробленном материале может достигать большого количества (в процентном отношении по массе) от 25 до 50 %. Поэтому материал по одному из характерных направлений проходит через разгрузочную щель, а по двум другим может превышать размер щели. Поэтому, если ширина разгрузочной щели задана и равна D, то в дробленном 95 % материала будет меньше размера 1.5*D, а 100 % материала должно быть меньше 2*D. Обычная степень сокращения крупности материала в щековой дробилке соответствует 2-3 (уменьшение средней крупности в 2-3 раза). Реальные характеристики работы щековой дробилки и дробленного материала зависят от свойств исходного материала, его происхождения (геологии) и способа добычи.

Наиболее надежными и дешевыми в эксплуатации оказались три разновидности щековых дробилок: щековая дробилка с простым движением щеки, щековая дробилка со сложным движением, щековая дробилка с роликом.

Щековые дробилки применяются на различных прочных и хрупких материалах в промышленности по переработке первичной горной породы, производстве строительного камня и щебня, в металлургии на шлаках и, конечно, в лабораторных условиях. Крупность питания может достигать 1500 мм. Длительная промышленная эксплуатация дробилок позволяет заранее говорить о крупности дробленного продукта в зависимости от выставленной ширины разгрузочной щели. Работа щековой дробилки хорошо прогнозируется. Материал в дробилку может поступать с естественной влажностью, нормальная работа происходит при влажности материала до 6-8 %. Щековые дробилки просты в обслуживании и эксплуатации. После дробления материал подлежит разделению на классифицирующем оборудовании по крупностям готовых фракций.

Широко представлены щековые дробилки стационарного и мобильного исполнения (на гусеничном или колёсном шасси). Для щековой дробилки стационарного исполнения требуется специальный фундамент.

Так как дробленный материал может содержать большую массу пластин и лещадных зерен (до 50 %), то для задач получения дробленного продукта с высокими требованиями к форме зерен щековые дробилки находят применение только на первой и второй стадиях дробления.

Рис. 6. Принципиальная схема щёковой дробилки.

Роторная дробилка- механическая дробильная машина с жестко закрепленными рабочими деталями -- билами (лопатками), предназначенная для дробления материалов малой крепости путём массивного быстрого вращения ротора с жёстко закреплёнными рабочими органами -- молотками (билами) и многократными ударами кусков по отбойным плитам или решёткам. Отдельным типом роторных дробилок являются центробежно-ударные дробилки, отличающиеся вертикальным расположением ротора и использованием центробежного разгона материала и удара его кусков не о брони, а о самофутеровку.

Данная дробилка применяется в дроблении материалов с размером 500 мм, пределом прочности при сжатии до 360 МПa. Наилучшие результаты достигаются при дроблении гранита, камней-известняков, речных галек, применяемых в производстве строительных материалов, цемента, на транспорте, энергетике, химической промышленности, карьерном деле.