Развитие технологий разрушения горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Развитие технологий разрушения горных пород

В Украине имеются большие запасы угля. Уголь - один из видов энергетического сырья. Это настоящий хлеб промышленности. Возрастает значение угля для химической промышленности (получение серы, пластмасс, красителей, удобрений и др.).

Развитие техники, совершенствование технологии и организации горных работ приводят к коренным изменениям в горной промышленности.

Большие нагрузки на очистные забои требуют повышения скоростей проведения горных выработок до 400 - 500 м/мес. Прохождение горных выработок ведется с помощью комбайнов или буровзрывным способом.

Буровзрывные работы находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Являясь основным средством отделения от массива и дробления горных пород при добыче полезного ископаемого, буровзрывные работы успешно применяются при строительстве плотин и вышек различного назначения, разведке полезных ископаемых, исследованиях строения земной коры, проходке нефтяных и газовых скважин, в машиностроении (для сварки металлов, упрочнения и штамповки деталей).

В общем технологическом комплексе производственных процессов горного предприятия буровзрывные работы предопределяют производительность добычи угля и в конечном итоге его себестоимость.

Разрушение горной породы редставляет собой отделение от массива ее кусков и дробление их до кондиционной крупности. В настоящее время это основной процес технологии добычи твердых полезных ископаемых.

Различают следующие виды разрушения горных пород: механическое, взрывное, гидравлическое, термическое, электрическое, комбинированое и др.

1. Механическое разрушение - это отделение горных пород от массива или их измельчение путем воздействия породоразрушаещего инструмента (резца, коронки, фрезы, ударника и др.). При этом протекают физические процессы чисто механического разрушения породы рабочим органом: резание, разделывания, скалывание, дробление, сжатие и др. Механический способ разрушения пород широко используют для непосредственной добычи угля, бурения шпуров и скважин.

2. Взрывное разрушение представляет собой отделение горных пород от массива и перемещение их под действием энергии взрывчатых веществ, размещенных в массиве (в шпурах, скважинах). Взрывной способ разрушения горных пород применяют в породах различной крепости, но наиболее экономичен он в крепких породах, когда другие способы разрушения неэффективны или вовсе применять нельзя.

3. Гидравлическое разрушение связано с отделением горных пород от массива путем воздействия на него струи воды под високим давлением (>10 мПа). Этой же водой осуществляется и транспортировка горной массы. Гидравлический способ разрушения горных пород применяется при добыче угля и слабых пород.

4. Термическое разрушение происходит под действием физических полей за счет физико-химических процессов, протекающих под действием высокой температуры без использования породоразрушающих инструментов.

5. Электрическое разрушение основано на воздействии на горную породу электрической энергии в виде электрического разряда, электромагнитного поля и др.

6. Комбинированое разрушение основано на использовании комбинации двух видов разрушения (буровзрывное, механогидравлическое и др.).

1. По характеру воздействия и величине нагрузок, разрушающих горную породу, различают следующие способы механического бурения:

1. Вращательный

2.Ударно - поворотный

3.Ударно - вращательный

4.Вращательно - ударный

1. Механическое разрушение как способ ведения горных работ имеет довольно широкое распространение. Его применяют как при добыче угля, так и при проведении горных выработок по углю и породам небольшой крепости.

Эффективность механического разрушения угля зависит прежде всего от его прочности и крепости (см. разд. 2.1). Интегральным показателем усилия резания является сопротивляемость угля резанию.

Сопротивляемость угля резанию -- характеристика сопротивления, оказываемая углем разрушению режущим инструментом. Показателем сопротивляемости резанию А (кН/см) является приращение силы резания на один сантиметр толщины стружки.

Между сопротивляемостью угля резанию А и коэффициентом крепости f существует корреляционная зависимость вида А =1,5 f.

Угольные пласты с сопротивляемостью резанию до 1,8 кН/см благоприятны для применения стругов; 1,8-2,4 кН/см -- для обычных комбайнов и стругов отрывного действия с высокой энерговооруженностью; 2,4-3,6 -- для очистных комбайнов высокой энерговооруженности.

Рис 2.1. Узкозахватный комбайн 1ГШ68

1 - механизм одачи; 2, 3, 5, 6 - редуктоы; 4 - электодвигатель; 8 - погузочные щетки; 9 - передний шнек; 10 - задний шнек.

Механическое разрушение при добыче угля осуществляется исполнительным органом очистного комбайна. Очистной угольный комбайн -- машина, одновременно выполняющая в забое операции по отделению угля от массива, дроблению его до кусков транспортабельного размера и навалке на забойный конвейер. Угольный комбайн как выемочная машина состоит из электродвигателя, подающей части, исполнительного органа, погрузочного устройства и других узлов (рис. 2.1).

Действие исполнительных органов большинства комбайнов основано на принципе механического разрушения угля. Наиболее эффективными являются такие исполнительные органы, при работе которых в угле возникают растягивающие напряжения без образования объемного напряженного состояния.

Исполнительные органы очистных комбайнов должны удовлетворять следующим требованиям: высокая производительность; малая удельная энергоемкость процесса разрушения; высокий КПД; простота конструкции; высокая стойкость инструмента; высокая надежность в работе; возможность автоматизации режимов работы; выполнение функций отбойки и погрузки угля; обеспечение высокой сортности добываемого угля; способность самозарубаться в пласт.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет исполнительный орган в виде шнека с закрепленными на нем зубками. Шнековыми исполнительными органами оснащено большинство современных узкозахватных комбайнов (ГШ-68, КШ3 и др.). Применяются также исполнительные органы барабанного типа.

Струговая установка -- выемочная машина, предназначенная для механической отбойки, погрузки и доставки угля в очистных забоях. Исполнительным органом установки является струг. При движении вдоль забоя прижимаемого к нему струга снимается стружка угля толщиной 100--150 мм. Отбитый таким образом уголь корпусом струга грузится на конвейер. В отечественной практике струговые установки широкого распространения не получили.

Механическое разрушение углей и пород при проходке выработок осуществляется исполнительным органом проходческого комбайна. Распространены исполнительные органы с коническими резцовыми коронками (рис. 2.2) или шаровыми фрезами, установленными на стреле (4ПУ, ПК-9Р, ГПК и др.).

2. Взрыв- это процесс быстрого физико-химического превращения вещества, при котором выделяется тепло и большое количество сжатых газов, способных производить механическую работу по разрушению и перемещению разрушаемых объектов в окружающей среде.

Взрывание представляет собой процесс инициирования зарядов в заданной последовательности способами, обеспечивающими безопасность и эффективность работ.

Заряд состоит из определенного количества взрывчатых веществ (ВВ), подготовленное к взрыву, с введенным в них инициатором взрывания. Величина (масса) заряда указывается в килограммах или тоннах.

Средство инициирования взрыва (СИ) - это небольшой заряд, инициирующий взрыв промышленных ВВ.

По своей природе взрывы делятся на:

физические;

химические;

ядерные.

При физическом взрыве происходит только физическое преобразование вещества (беспламенное взрывание с помощью жидкой углекислоты и сжатого воздуха, взрывы паровых котлов, баллонов со сжиженным газом, электрические разряды и т. п.).

В случае химического взрыва идет чрезвычайно быстрая химическая реакция окисления водорода и углерода с выделением 3,2*103 -5,6*103кДж/кг тепла и газов (взрыв метана, угольной или другой органической пыли).

В процессе ядерного взрыва происходит цепная реакция деления и синтеза ядер с образованием новых элементов. В настоящее время реализуется два способа выделения атомной энергии при взрыве. Это превращение тяжелых ядер в более легкие (радиоактивный распад и деление атомных ядер урана и плутония) и образование из легких ядер болеет тяжелых (синтез атомных ядер). Например, при термоядерном взрыве из тяжелого водорода образуется гелий.

Понятие про взрыв и основные свойства взрывчатых веществ. Виды взрывов. Физико-химические характеристики взрывчатых веществ. Кислородный баланс. Основные свойства и методы их определения

Скорость с которой происходит быстрая химическая реакция, называется скоростью взрыва.

По скорости взрыва различают: детонацию, взрывное горение и выгорание.

1. Детонация - взрыв, распостроняющийся с постоянной и максимальной для конкретного взрывчатого ВВ и данных условий сверхзвуковой скоростью (1200 - 7000 м/с).

2. Взрывное горение- взрыв, протикающий со скоростью несколько сотен метров в секунду (взрыв пороха, возбужденный искрой или пламенем). t0 - несколько тысяч Со.

3. Выгорание - переход детонации в горение со скоростью нескольких десятков метров в секунду. Промежуточное явление между 1 и 2.

4. Термический распад - происходит при нагреве ВВ ниже температуры вспышки.

ВВ- химические соединения или смеси химических веществ, способные под воздействием внешнего импульса (нагревания, удара, искры) быстро переходить в другие вещества с выделением большого количества тепла и образования газов, способных производить механическую работу.

Продукты взрыва содержат пары воды, углекислый газ, окиси азота и другие газы.

Мощность ВВзависит от его состава, кислородного баланса, количества газа, образовавшихся при взрыве, температуры и скорости взрыва.

Кислородным балансом называют избыток или недостаток химически связанного кислорода во взрывчатом веществе по сравнению с количеством его, необходимым для полного окисления всех горючих элементов. Кислородный баланс может быть положительным, отрицательным и нулевым.

При положительном кислородном балансе в составе ВВ содержится больше кислорода, чем нужно для полного окисления горючих элементов. Оставшийся кислород окисляет при взрыве свободный азот, образуя ядовитые окиси азота, вследствие чего такие ВВ не допускаются для взрывных работ под землей.

При отрицательном кислородном балансе не все горючие элементы окисляются полностью, из-за недостатка кислорода в продуктах взрыва образуется ядовитая окись углерода.

Наиболее эффективными являются ВВ с нулевым кислородным балансом, при котором в составе ВВ кислород содержится в количестве, необходимом, для полного окисления всех горючих элементов.

В подземных условиях применяют ВВ с «0» или близким к «0» кислородным балансом.

Основными характеристиками ВВ являются: работоспособность, бризантность и чувствительность, которые определяют опытным путем в лабораторных условиях.

Работоспособность ВВ - способность при взрыве производить механическую работу (определяют по методу Трауцля).

РИСУНОК

Поле взрыва измеряют объем образовавшейся полости, заливая в нее воду из мерного сосуда. Работоспособность ВВ определяет как разность объемов полости после взрыва V и объем канала до взрыва (61,5 см3) за вычетом работоспособности детонатора (30 см3) т.е. P=V-61,5-30=V-91,5[см3] горный взрыв гидромеханический бурение

Бризантность ВВ - способность при взрыве производить дробление среды, сопрекосающейся с зарядом.

После взрыва цилиндрик дает усадку. Бризантность ВВ - hбр определяется как разность высот цилиндрика до и после взрыва. Бризантность промышленных ВВ составляет 4-30мм. Например: Скальный аммонит пресованый hбр=28мм; Аммонит hбр=14мм; Угленит hбр=9мм.

Чувствительность ВВ - способность реагировать на различного рода внешние воздействия (удар, искра, нагревание, горение).

Чувствительность ВВ к удару определяет степень опасности обращения с ними. РИСУНОК

Мерой чувствительности является наименьшая высота, падая с которой, груз вызывает взрывание навески ВВ.

Чувствительность ВВ зависит от его физического состояния и химического состава. ВВ, имеющее чувствительность до 7см считают высокочувствительными к удару и весьма опасными в обращении:

- гремучая ртуть - 2 см; азот свинца - 6 см;

- нитроглицерин - 4см.

Промышленные ВВ: Динамиты - 20-30 см; Аммониты - самые низкочувствительные - 70-100 см.

К основным физико-химическим характеристикам ВВ относят: плотность, слеживаемость, гидроскопичность, водоустойчивость, старение, эскудацию.

Проверку качества ВВ производят в соответствии с Едиными правилами безопасности при взрывных работах . (г.Киев, «Норматив» 1992 г.)

Для разрушения массива горных пород применяют заряды ВВ, которые классифицируют:

по приложению к взрывчатому объекту - наружные (накладные) и внутренние;

по форме - сосредоточенные и удлиненные

сосредоточенные- имеют форму шара, куба, призмы, если отношение его длины к поперечному размеру не превышает 4.

удлинённые- отношение длины к поперечному размеру >4

по характеру действия - выброс (вызывающий выброс породы), рыхления (вызывающий рыхление породы) и камуфлета (внутреннего действия т.е. не проявляющегося при взрыве видимого действия на поверхности).

Три вида выброса: нормальный при n=1, уменьшенный при n<1 и усиленный при n>1.

На угольных шахтах в основном применяют внутренние, удлиненные, сплошные заряды, вызывающие выброс горной массы.

К3= L3/Lш = 0,3-0,85 - коэффициент заполнения шнура.

На эффективность взрывных работ большое влияние оказывает расположение шпуров в забое выработки. Разрушение пород происходит по линии наименьшего сопротивления.

Линия наименьшего сопротивления (W) - кратчайшие расстояния от центра заряда до открытой поверхности (обнажения).

Глубина шпура (L) - это проекция длины шпура на продавную ось выработки.

При взрыве заряда ВВ порода разрушается не на всю глубину шкура, т.к. остаётся неиспользованная его часть («стаканы»)

Подвигание забоя за 1м взрыв называют глубиной заходки - l3 КИШ з=l3/l.

Коэффициент использования шкура - отношение глубины заходки к глубине шкура. КИШ в крепких породах равен 0,7-0,8; в породах средней крепости 0,8-0,9; в мягких 0,9-0,95; а при наличии двух (обнажённых поверхностей) может =1 поверхность обнажения^.

Вблизи от взорванного заряда ВВ распространение взрывной волны и движение расширяющихся взрывных газов происходит на некотором расстоянии, но при этом давлении взрывных газов и скорость их расширения постепенно (падает) уменьшается. Таким образом, действие взрыва заряда ВВ в горной породе можно охарактеризовать зонами вытеснения, раздавления и уплотнения, разрывов их трещинообразования и сотрясения.

1. Заряд ВВ.

2. Зона вытеснения

3. Сферический слой мелкораздробной и сильноуплотнённой породы.

4. Зона радиальных трещин.

На угольных шахтах при электрическом способе взрывания в основном применяется взрывные приборы, ПИВ - 100М, КВП - 1/100М и взрывные машинки КПМ - 3 и ВМК - 500, у которых источником тока является маломощные генераторы с ручным приводом. Наибольшее применение в шахтах, в том числе и опасных по газу и пыли получил переносной конденсаторный взрывной прибор ПИВ - 100М, предназначенный для взрывания до 100 последовательно соединенных электродитонаторов. Он отличается от других переносных приборов наличием омметра, который служит для проверки исправности взрывной сети и измерения сопротивления.

Максимальное сопротивление взрывной цепи 320Ом. Сила тока не менее 1А, напряжение 600В, масса прибора 2,7кг, размеры 195X126Х95 мм.

На шахтах, опасных по газу и пыли, для контроля допустимого сопротивления взрывной цепи и проверки отдельных ее элементов применяют также испытатель взрывной светодиодный ВИС - 1 (размеры 135Х65Х40 мм масса 0,3кг).Для проверки целостности нихромового мостика электродетонатора применяют пьезоэлектрический прибор ВИО - 3.

Электрический способ инициирования является самым распостраненым в угольной промышленности и единственным на шахтах, по газу и пыли. Это объясняется следующими достоинствами: большая безопасность работы для взрывника, так как взрывания происходит из укрытия; возможность создания интересов между взрывниками. К недостаткам относятся опасность в отношении блуждагонных токов, сложность выполнения работ, необходимость расчета электровзрывной сети.

Гидравлическое разрушение горных пород

Гидравлическое разрушение горных пород основано на использовании кинетической энергии струи воды, выбрасываемой из гидромонитора. Считается, что эффективная отбойка происходит при напоре, развиваемом гидромонитором:

Гидравлическое разрушение применяют на открытых работах при разработке наносных отложений (вскрышные работы) и, в отдельных случаях, при подземной добыче угля. В зависимости от крепости угля применяют гидравлическое, взрывогидравлическое и гидромеханическое разрушение. Технологию подземной гидродобычи угля разработал B.C. Мучник.

Гидромонитор -- устройство, служащее для создания (формирования) плотной летящей с большой скоростью водяной струи и управления ею при размыве и отбойке полезного ископаемого или породы (рис. 2.3).

На шахтах, где осуществляется гидродобыча, для выемки угля и проведения горных выработок применяются гидромониторы ГМДЦ-3М, ГМДЦ-4, 12ГД-2, 16ГД и другие, развивающие давление воды 12-16 МПа.

4. Термическое бурение неглубоких скважин, предназначенных для взрывных работ заключается в следующем.

Горящая смесь керосина, этилового спирта или дизельного топлива с кислородом создает в огнеструйной горелке пламя с температурой 2400-32000. Скорость истечения раскаленных газов составляет 1800-2000 м/сек, благодаря чему обеспечиваются огромная скорость передачи тепла нагреваемой поверхности породы и большие температурные напряжения в горной породе приводят к ее разрушению. Этот метод перспективный для бурения в крепких породах для неглубоких скважин.

5. Электродуговое бурение основано на локальном нагревании породы электрической дугой постоянного и переменного тока промышленной частоты за счет выделения тепла дуги и передачи его породе, а также за счет тепла, выделяющегося при прохождении тока через локальные участки породы. Электрическая дуга создает температуру от 5500 до 16 700 °С и при достаточной энергонапряженности способна расплавить любую породу.

6. Комбинированное (с вращательным) механическое разрушение горных пород

a) Ударно-вращательный способ бурения. Реализуется разрушение за счет удара высокого уровня энергии, а вращение инструмента носит вспомогательный характер, определяя схему поражения забоя породоразрушающими вставками долота или коронки. Для бурения используются гидро-, пневмоударники и буровой инструмент с резцами в основном клиновидной и шарообразной формы. Способ успешно применяется для бурения горных пород самой различной твердости и при сооружении скважин различного назначения - взрывных, гидрогеологических, инженерно-геологических, геологоразведочных и др., диаметра и глубины.

b) Вращательно-ударный способ бурения. Способ применяется для бурения твердых горных пород алмазным инструментом при сооружении в основном геологоразведочных скважин. При бурении реализуется разрушение породы за счет действия осевой силы и усилия резания. Ударное воздействие на породу с высокой частотой, но малой энергией дополняет породоразрушающее воздействие на породу основных факторов, характеризующих вращательное бурение - осевая нагрузка и частота вращения. Для бурения используются алмазный однослойный буровой инструмент или шарошечные долота и высокочастотные гидроударники.

c) Гидромеханический способ бурения. Реализуется при вращательном способе бурения скважин, при котором горные породы разрушаются под воздействием стационарных высоконапорных тонких струй промывочной жидкости (воды или бурового раствора) и механических породоразрушающих элементов (резец, шарошка). Струями воды формируются щели в породе, а механическим инструментом производится скалывание ослабленных межщелевых блоков. При гидромеханическом разрушении осуществляется непрерывное динамическое и статическое воздействие на забой. Давление жидкости, необходимое для гидромеханического разрушения рыхлых пород, 20-50 22 МПа, мягких и средней твердости - 70-100, очень твердых - более 150 МПа. Рациональные окружные скорости перемещения насадок 10-40 см/с.

d)Термомеханический способ бурения. Вращательный способ бурения горных пород твердосплавным или алмазным буровым инструментом с одновременным нагреванием до высокой температуры торца инструмента и горной породы на забое. Нагревание породы снижает ее твердость и упругость, повышает пластичность.

Размещено на Allbest.ru