Добыча природного облицовочного камня

ДОБЫЧА ПРИРОДНОГО ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ



Глава 1.

1.1 Требования к качеству блоков из природного облицовочного камня

Технические требования на блоки из природного облицовочного камня для производства облицовочных плит, архитектурно-строительных изделий и других материалов определяются ГОСТ 9479--84. Согласно требованиям настоящего стандарта блоки из камня, добываемые на карьерах, должны характеризоваться: длиной, шириной, высотой, формой и объемом; качеством поверхности граней; физико-механическими свойствами породы; составом и происхождением горной породы; декоративными свойствами.

Блоки из природного облицовочного камня должны иметь: форму прямоугольного параллелепипеда или близкую к нему; ширину и высоту от 0,2 до 2 м и длину до 3,5 м. По объему блоки подразделяются на следующие пять групп (табл. 1.):

Таблица 1

Наименование показателя	Группа
	1	II	III	IV	V
Объем блока, м3	Свыше 5	Свыше 2 до 5	Свыше 1 до 2	Свыше 0,4 до 1	Свыше 0,01 до 0,4

В зависимости от типа оборудования, используемого на добыче блоков, последние подразделяются на пиленые (блоки, имеющие не менее четырех граней, полученных выпиливанием) и колотые (блоки, добытые выкалыванием из массива горной породы).

Отклонения от размеров и качество поверхности блоков должны удовлетворять требованиям, приведенным в табл. 2.

На стандартных блоках не допускается более одной трещины тектонического происхождения с нарушением сплошности шириной не более 0,05 мм и длиной 1/3 наименьшего размера граней, распространяющейся на две смежные грани.

Таблица 2.

Наименование показателя	Значение показателя, мм
	Пиленые блоки групп	Колотые блоки групп
	I--IV	І-ІІІ	IV	V
Отклонение от перпендикулярности двух смежных граней на 1 м грани, не более Высота выступов и глубина впадин по наибольшему просвету под линейкой, не более: для нижней грани для остальных граней	60 40 100	110 100 200	150 100 100	100 100 100

На блоках допускаются прожилки и полосы, образованные трещинами тектонического происхождения, зацементированные вторичными минералами, которые не выкрашиваются при обработке.

Для блоков, которые используются при производстве облицовочных материалов для лестниц и полов, истираемость должна быть не более (г/см²): 2,2 -- при слабом механическом воздействии; 1,5 -- при умеренном механическом воздействии и 0,5 -- при значительном и весьма значительном воздействии.

Декоративные свойства горных пород (определяются при геологической разведке), пригодных для производства блоков, характеризуются цветом, текстурой-рисунком, структурой, просвечиваемостью и отражательной способностью после полировки.

Физико-механические свойства горной породы блока должны удовлетворять значениям, приведенным в табл. 3.

К блокам из изверженных горных пород, которые имеют водопоглощение 0,5 % и ниже, и к блокам, используемым для производства облицовочных материалов для внутренней облицовки, требования по морозостойкости не предъявляются.

Пригодность блоков из изверженных горных пород для производства облицовочных материалов, применяемых в конструкциях, соприкасающихся с грунтом (цоколи, парапеты и др.), дополнительно оценивает потребитель испытанием образцов в растворе сернокислого натрия (потеря массы образцов не должна превышать 5 % после 10 циклов испытаний).

Петрографическая характеристика о составе и происхождении исходной горной породы, используемой для производства блоков, должна включать: наименование породы; происхождение (генетическую группу); содержание главных породообразующих минералов, отрицательно влияющих на долговечность и декоративность облицовочных материалов: сульфидов (пирита FeS₂, пирротина Fe_1-nS, n = 0,1--0,2, халькопирита CuFeS, сфалерита ZnS, галенита PbS), сульфатов (барита BaS0₄, целестина Sr[S0₄], гипса CaS0_4-2H₂0, ангидрита Ca[S0₄]), гидроксидов железа и других вторичных минералов, не устойчивых к выветриванию (использование горных пород с указанными включениями для производства блоков, предназначаемых для изготовления плит наружной облицовки и полов зданий и сооружений, допускается только на основе специальных исследований); описание текстурных и структурных особенностей; оценку микротрещиноватости; данные о наличии или отсутствии следов выветривания, вторичных изменений; данные о включении пород и минералов, затрудняющих обработку низкопрочных пород вследствие более высокой твердости (например, включения желваков кремня в известняках), а также рыхлых пород и минералов, выкрашивающихся при обработке пород; радиационно-гигиеническую оценку.

Таблица 3.

Наименование горной породы	Норма
	Предел прочности на сжатие в сухом состоянии, МПа (кгс/см2), не менее	Коэффициент снижения прочности при насыщении водой, не менее	Марка по морозостойкости, циклы, не менее
Прочные породы
Гранит, сиенит, габбро, кварцит, диорит, плотный базальт	80 (800)	0,8	F50
Породы средней прочности
Лабрадорит, диабаз, порфирит, андезит, липарит, гнейс, трахит	60 (600)	0,7	F50
Мрамор, конгломерат, брекчия, мраморизованный известняк	40 (400)	0,7	F25
Низкопрочные породы
Пористый базальт, песчаник	30 (300)	0,7	F25
Плотные известняк и доломит, травертин	20 (200)	0,65	F25
Вулканический фельзитовый туф	20 (200)	0,7	F15
Пористые известняк и доломит	10(100)	0,65	F25
Известняк-ракушечник	10(100)	0,65	F15
Гипсовый камень	15(150)	0,65	Не нормируется
Вулканические туфы (кроме фельзитового)	5(50)	0,7	F25

Петрографическая характеристика горных пород определяется при геологической разведке месторождений.

Блоки из природного камня следует использовать только для производства облицовочных материалов и архитектурно-строительных изделий. При соответствующем технико-экономическом обосновании допускается изготовление из блоков групп IV и V бортового камня по ГОСТ 6666--81, из блоков группы V -- брусчатого камня по ГОСТ 23668--79, а также шашек и различных товаров народного потребления.

Добыча блоков из горных пород может производиться механическим, буроклиновым, буровзрывным, термическим методами либо сочетанием перечисленных методов, а также при помощи невзрывчатых разрушающих средств (НРС).

При буровзрывном методе должны применяться только метательные взрывчатые вещества и детонирующий шнур (не более двух ниток в шпуре).

Использование других видов взрывчатых веществ допускается только при технико-экономическом обосновании и согласовании на установленный срок с базовой организацией по стандартизации (по перечню Госстроя) при обязательном представлении карьером в базовую организацию не реже 2 раз в год отчета о выходе блоков.

При комплексном использовании сырья отходы от добычи блоков применяют для производства декоративных плит на основе природного камня по ГОСТ 24099--80, декоративных щебня и песка по ГОСТ 22856--77, известняковой муки по ГОСТ 14050--78 и для других целей.

1.2 1. Требования к качеству блоков из природного облицовочного камня

Разработка месторождений по добыче блоков природного облицовочного камня в отличие от разработки угольных, рудных и других полезных ископаемых характеризуется рядом специфических особенностей, которые позволяют выделить карьеры по добыче блоков в особую группу предприятий горнодобывающей промышленности. Как правило, эти месторождения имеют благоприятные горно-геологические условия (незначительную мощность вскрышных пород), поэтому разрабатываются открытым способом. Кроме того, разработка месторождений природного облицовочного камня должна обеспечивать сохранение прочностных свойств и декоративных качеств пород, что определяет ее специфические особенности, к которым относятся:

* небольшие размеры карьеров в плане и по глубине;

* незначительный объем мягких вскрышных пород и зоны сильнотрещиноватой выветрелой скальной вскрыши;

* наличие определенной закономерности в строении массива, проявляющейся в существовании систем вертикальных и пологих трещин отдельностей и анизотропии прочностных свойств горных пород, что обусловливает расположение фронта горных работ и отметок уступов применительно к направлениям облегченного раскола камня;

* необходимость содержания значительного подготовленного резервного фронта горных работ, обеспечивающего добычу блоков с требуемыми декоративными свойствами и необходимыми размерами;

* сохранение природной монолитности камня в процессе отделения блоков от массива",

* незначительная высота разрабатываемых уступов;

* применение специальных способов отделения блоков камня от массива;

* получение блоков камня определенных размеров и формы;

* выемка блоков камня больших размеров и массы, что требует применения уникального специфического выемочно-погрузочного оборудования;

* строгое соблюдение направленной выемки в пространстве из-за малых величин допустимых отклонений от стандартных размеров блоков камня;

* объем добычи попутных горных пород в большинстве случаев превышает количество основной добываемой блочной продукции, что ставит вопрос о комплексном использовании сырья.

При разработке месторождений природного облицовочного камня различные физико-механические свойства горных пород, условия залегания месторождений, требования, предъявляемые к сырью, определяют: варианты вскрытия горизонтов карьера и систему разработки; комплекты оборудования для производства вскрышных и добычных работ; способы подготовки пород к выемке; средства выемки, погрузки, транспортирования и переработки горной массы. Характерной особенностью освоения месторождения из природного облицовочного камня является создание опытного карьера, используемого для добычи первоначального объема полезного ископаемого, необходимого для оценки блочности, декоративности и физико-механических свойств камня.

Карьеры, разрабатывающие месторождения природного облицовочного камня, условно можно разделить на три типа:

* карьеры по добыче блоков из прочных пород с пределом прочности на сжатие 80--250 МПа, где применяют в основном буровзрывные и буроклиновые работы;

* карьеры по добыче блоков из пород средней прочности с пределом прочности на сжатие 40--150 МПа, на которых используют камнерезные машины и комбинированные способы добычи блоков;

* карьеры по добыче пиленого стенового камня из низкопрочных пород с пределом прочности на сжатие 0,4--40 МПа, где применяют специальные камнерезные машины (см. гл. 6).

Производительность действующих карьеров по добыче блоков из изверженных пород (гранитов и сходных с ними пород) составляет от 2 до 5 тыс. м³ в год, крупных карьеров -- до 10-- 12 тыс. м³ в год. Средний выход блоков на гранитных карьерах колеблется от 20 до 30 %, достигая на отдельных предприятиях 50 % и более.

Производительность карьеров по добыче мраморных блоков составляет от 2 до 4 тыс. м³ в год, крупных карьеров -- от 10 до 40 тыс. м³ в год и более. Для большинства карьеров выход мраморных блоков находится в пределах 15--20 %, достигая на отдельных предприятиях 30--35 %.

Технология ведения горных работ на карьерах включает следующие основные операции:

а) при добыче блоков из изверженных пород (гранитов и сходных с ними пород):

* вскрышные работы по удалению рыхлых и разрушенных скальных пород;

* отделение монолитов от массива с помощью буровзрывных, буроклиновых работ или невзрывчатых разрушающих средств;

* оттаскивание монолитов от забоя для последующей разделки;

* раскалывание монолитов на товарные блоки;

* пассировка блоков (грубая обработка);

* погрузка блоков и окола в средства транспорта;

* вспомогательные работы по поддержанию рабочих площадок;

б) при добыче блоков из пород средней прочности (мраморов и сходных с ними осадочных пород):

* вскрышные работы по удалению рыхлых и разрушенных скальных пород;

* выпиливание товарных блоков непосредственно из массива камнерезными машинами с кольцевыми фрезами или барами или отделение от массива крупных монолитов канатными пилами с последующей разделкой их на товарные блоки с помощью буроклиновых работ;

* отгрузка блоков и отходов (окол, бут, шлам) в средства транспорта.

Добыча блоков из природного облицовочного камня может производиться по одно- и двухстадийной технологическим схемам. При одностадийной схеме подготовки отделенные от массива блоки стандартных размеров грузятся и транспортируются для дальнейшей переработки. При двухстадийной технологической схеме предварительно отделенный от массива монолит объемом 10 -- 600 м³ и более подвергается последующей разделке на товарные блоки в пределах рабочей зоны карьера.

1.3 Добыча блоков природного облицовочного камня из прочных пород

1.3.1 Производство вскрышных работ

Вскрышные породы на большинстве месторождений природного облицовочного камня представлены рыхлыми четвертичными отложениями и слоем эрозированного камня. Их мощность измеряется от нескольких десятков сантиметров до десятков метров. Мощность рыхлых пород (почвенно-растительный слой, глины, суглинки, супеси с включением щебня и др.) обычно не превышает 3--5 м. Рыхлые вскрышные породы разрабатываются одноковшовыми экскаваторами с малой вместимостью ковша с погрузкой в автосамосвалы и транспортированием в отвалы. При мощности вскрыши менее 1,5 м предусматривается предварительное ее штабелирование бульдозером в навалы для последующей отгрузки экскаваторами или погрузчиками. Бульдозеры также выполняют работы по зачистке кровли полезной толщи от вскрышных пород.

Верхняя часть массива полезной толщи на многих месторождениях природного камня затронута выветриванием и интенсивной трещиноватостью и является непригодной для получения блоков. Суммарная мощность таких пород изменяется от 1 до 5 м, иногда до 10 м. Несмотря на незначительную мощность скальных вскрышных пород, разработка их на карьерах природного облицовочного камня оказывается весьма сложной и трудоемкой, так как удалять скальную вскрышу необходимо такими способами, которые гарантируют сохранность нижележащего массива камня.

При мощности скальной вскрыши до 3--4 м разработка ее производится одним уступом с применением буровзрывных работ -- методом шпуровых зарядов. В качестве взрывчатых веществ используется черный порох или детонирующий шнур. При мощности скальной вскрыши более 4 м отбойку ее производят скважинными зарядами диаметром менее 110 мм. С целью сохранения монолитности массива камня шпуры и скважины не добуривают на 0,5--1 м до кровли верхнего добычного уступа.

Применение для отбойки скальных вскрышных пород бризантных взрывчатых веществ запрещается без проведения специальных исследований.

При незначительной мощности эрозированного камня (до 1,5 м) скальные вскрышные породы разрабатываются обычно совместно с рыхлой вскрышей одним уступом.

1.3.2 Технология добычи блоков камня

Технология добычи блоков камня есть комплекс основных производственных процессов, включающий подготовку горных пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, транспортирование и складирование карьерных грузов.

Основным технологическим процессом является подготовка камня к выемке, для осуществления которой применяются различные способы направленного разрушения горных пород и их комбинации, обеспечивающие концентрацию критических напряжений строго в требуемых плоскостях раскола камня.

Способы подготовки блоков камня к выемке весьма разнообразны и их выбор в значительной мере зависит от физико-механических свойств и трещиноватости массива. Они должны обеспечивать сохранность физико-механических свойств и декоративных качеств добываемых блоков, а также достижение определенных размеров и формы блока камня.

Подготовка камня к выемке заключается в отделении от массива горных пород блоков или монолитов камня, затраты на что иногда составляют до 75 % от себестоимости добычи блоков, а используемые технические средства оказывают наибольшее влияние на выход товарной продукции.

1.3.3 Способы отселения блоков (монолитов) камня от массива

А) Буровой. Этот способ заключается в пробуривании по линиям намечаемого раскола ряда шпуров, расположенных почти вплотную друг к другу. Для данного способа отделения гранитных блоков от массива особенно важно, чтобы все шпуры каждого ряда располагались точно по заданной линии раскола и находились в одной плоскости. Для этой цели рекомендуется использовать станки строчечного бурения (рис. 7.1), оснащенные 1--4 перфораторами, которые позволяют в несколько раз повысить производительность труда по сравнению с ручным бурением, полностью исключить влияние вибрации и шума на организм оператора, усовершенствовать технологию добычи блоков.

Техническая характеристика станка строчечного бурения шпуров в заданном направлении марки ССБ-2 (разработка ВНИПИИстромсырье) приведена в табл. 4.

Рис. 1. Конструктивная схема станка строчечного бурения:

1 -- несущая балка; 2 -- винтовые домкраты; 3 -- перфоратор; 4-- колонка

Таблица 4.

Наименование параметров	Показатели
Диаметр шпуров, мм	25-42
Глубина бурения (без замены бура), м	2--2,5
Усилие подачи канатно-поршневых податчиков, Н	0--1000
Число перфораторов, шт	2
Тип перфоратора	По желанию заказчика
Угол наклона при бурении шпуров, град.	0--90
Максимальная длина строчки буров, пробуриваемых с одной установки станка, м	4,5
Производительность по породам средней крепости (при использовании буровой коронки долотчатой формы диаметром 32 мм) за 8 ч. работы, м	170
Расход воздуха, м3/мин.	До 4,5
Рабочее давление в системе, МПа	0,5
Габариты станка (длина х высота), мм	5140x3630
Масса, кг	600

Шпуры обычно бурят перфораторами на всю высоту отделяемого блока (до горизонтальной или пологой--постельной трещины), однако при глубине шпуров более 2,5--3 м они отклоняются от заданного направления, что затрудняет правильный раскол камня. Остающиеся между соседними шпурами породные перемычки разбуриваются также перфораторами.

Техническая характеристика перфораторов и область их применения приведены соответственно в табл. 5 и 6.

Низкая производительность бурового способа отделения блоков камня от массива обусловливается большим объемом потребного бурения, удельный расход которого на добываемый кубический метр блока будет изменяться в зависимости от размеров и формы выкалываемых блоков. Так, при размере блока 10х5х1 м при обуривании его с четырех сторон потребуется: 2(10+5)1 = 30 м шпуров (шпуры бурятся на расстоянии 1 м друг от друга) или на кубический метр блока: 30:50 = 0,6 м/м³, тогда как для блока размером 20х10х1 м потребуется: 2(20+10)1 = 60 м шпуров, что составит на кубический метр добываемого блока 60:200 = 0,3 м/м³, т.е. в два раза меньше, чем в первом случае.

Таблица 5.

Показатели	Марка перфоратора
	ПП36В	ПП54В	ПП54ВБ	ПП63В	ПП63Б	ПП63С
Диаметр буровой коронки, мм	32--40	32--45	32-6	36--46	36--46	До 46
Число ударов в минуту	2300	2300	2300	1800	1800	1800
Энергия удара, Дж	37	55	55	65	65	65
Крутящий момент, Нм	20	29,4	29,4	27	27	27,5
Длина перфоратора, мм	705	775	850	830	900	750
Внутренний диаметр шланга, мм:
воздушного водяного	25 12,5	25 12,5	25 12,5	25 12,5	25 12,5	25
Масса, кг	24	31,5	31,3	33	33	33
Примечания: 1. Расшифровка буквенных обозначений в марках перфораторов: ПП -- перфоратор переносной: В -- пылеподавление водой; Б -- боковая промывка; С -- продувка; 2. Удельный расход воздуха, м3/мин, составляет 1,3; 3. Рабочее давление воздуха 0,5МПа; 4. Размер хвостовика (диаметр х длина), мм, 25х108.

Таблица 6

Марка перфоратора	Показатели
	Диаметр шпура, мм	Глубина бурения, м, не более	Коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова
ПП36В ПП54В, ПП54ВБ ПП63В, ПП63ВБ, ПП63С	32--40 40--46 40--46	2 4 5	12 14 20

Если обозначить высоту (до постельной трещины), ширину и длину блока соответственно через h, а, b (м) и принять 20 шпуров диаметром 50 мм, приходящихся на 1 м обуриваемого периметра блока, то удельный расход бурения (в м/м³) составит:

(7.1)

или при N шпурах на 1 м периметра блока, м/м³

(7.2)

Выражение (7.2) показывает, что удельный расход бурения при отделении блока от массива не зависит от высоты блока, но будет уменьшаться с увеличением его длины и ширины.

Если длина и ширина отделяемого блока увеличиваются в п раз, то удельный расход бурения уменьшается во столько же раз. На самом деле, если , то после увеличения ширины и длины блока в п раз получим, м/м³:

(7.3)

(7.4)

поэтому минимальное значение удельный расход бурения будет иметь при максимально возможной величине длины и ширины отделяемого блока. Однако практически размеры блоков камня ограничиваются расстояниями между трещинами, грузоподъемностью подъемно-транспортных средств и требованиями потребителей.

Из-за большой трудоемкости и малой производительности буровой способ отделения блоков камня от массива не получил на практике широкого распространения. Обычно им пользуются в исключительных случаях и только для добычи наиболее ценных и крупных блоков камня, так как данный способ наиболее полно сохраняет природные свойства камня.

Б) Ударно-врубовой способ отделения блоков камня от массива осуществляется посредством проходки врубовых щелей по линиям намечаемого раскола с помощью ударно-врубовых машин -- ченнелеров, у которых рабочим органом является комплект долот V- и Z-образной формы. Долота, которым сообщается возвратно-поступательное движение большой частоты, наносят удары по камню, разрушают его и образуют щель шириной до 60 мм и глубиной до 6 м. Ченнелеры перемещаются по рельсам, проложенным вдоль направления вырубаемой щели и ли и могут выполнять вертикальные, наклонные и горизонтальные врубы. Производительность ченнелеров колеблется от 5 до 8 м² в смену. Они хорошо себя зарекомендовали при обработке монолитных массивов с прочностью камня до 140 МПа и позволяют получать блоки требуемых размеров. Однако из-за большой энергии единичного удара имеют место нарушения монолитности породы. Ширина вруба обусловливает более высокие количественные и качественные потери. Хотя данный способ и сохраняет качество добываемого гранита и сходных с ним пород наиболее полно, он не имеет в отечественной практике большого распространения вследствие низкой производительности.

В) Клиновой способ для отделения блоков камня от массива основан на следующих положениях механики:

* клин при приложении к нему нагрузки дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько длина его щек больше ширины обуха, т.е. чем меньше угол заострения клина, тем больше выигрыш в силе;

* работа, производимая ударом кувалды (молота) по клину, может создавать достаточно большие усилия, ограничиваемые прочностью самого клина и среды (камня), в которой он действует.

Исходя из принципа равенства работ, совершаемых при ударе кувалды и углублении клина в породу, можно записать (Рис. 7.2):

(7.5)

где q -- масса кувалды (молота), кг;

Н -- высота падения кувалды, см;

Q -- усилие, возникающее в клине, кг;

?h -- углубление клина в породу от действия удара кувалды, см, поэтому

.

Практически часть работы, совершаемой при нанесении ударов кувалдой по клиньям, расходуется на деформацию этих клиньев и участков породы, непосредственно к ним примыкающих, а также часть работы теряется на нагревание, преодоление сил трения и др. Величина создаваемого в массиве усилия от действия клина ограничивается его прочностью и пределом сопротивления породы на растяжение. В противном случае имело бы место смятие клина или породы, непосредственно соприкасающейся с ним.

Рис. 2. Схема к определению усилия, создаваемого клином в гранитном массиве

Усилие, возникающее в клине, может достичь значительной величины, а при ударе по клину кувалдой массой 7 кг с высоты 1 м (100 см) и углублении клина в породу под действием этого удара на глубину 0,5 см составит, кг:

В зависимости от физико-механических свойств породы и ее трещиноватости применяют следующие виды клиновых работ: с использованием естественной трещиноватости породы; с размещением клиньев в гнездах, образуемых посредством отбойных молотков.

Пневматические отбойные молотки применяют для образования сплошных борозд и гнезд при клиновых работах по отделению монолитов от массива и раскалыванию их на блоки, а также при пассировке блоков. Техническая характеристика молотков приведена в табл. 7.



Таблица 7.

Показатели	Марка молотка
	МО-5ПМ	МО-6ПМ	МО-7ПМ
Масса молотка, кг Длина молотка, мм Частота ударов в минуту Работа удара, Дж Избыточное давление воздуха, МПа Расход воздуха, м3/мин Внутренний диаметр шланга, мм	7,8 540 1500 3 0,5 1,1 16	8,5 580 1300 3,6 0,5 1,1 16	9 630 1100 4,2 0,5 1,1 16

Клиновые расходы с использованием естественной трещиноватости могут быть применены в том случае, если имеются явно выраженные трещины в массиве. Клинья вставляют в трещины или в гнезда, образуемые в трещине перфораторами.

Клиновые работы с размещением клиньев в гнездах применяют при высоте отделяемого блока камня до 1,5 м. Для выкалывания блока камня по линии намечаемого раскола разрабатывают сплошную направляющую борозду глубиной 1--1,5 см, используя отбойные молотки, оснащенные скарпелем (от итальянского scarpello -- стальной круглый или граненый стержень, расширенный к одному концу в виде остро отточенной лопатки). В борозде через 10--15 см отбойным молотком с применением набора специального инструмента (скарпель, спица и др.) вырабатывают конические гнезда овального сечения глубиной 6--8 см, вытянутые по линии намечаемого раскола породы.

Клиновой способ отделения блоков камня от массива применяют при разработке пород, обладающих повышенной способностью раскалываться по сравнительно равным плоскостям, используя клинья длиной не более 10 см с углом заострения около 30°.

Г) Буроклиновой способ предусматривает два варианта отделения монолитов от массива пород -- механизированный и ручной.

Механизированный буроклиновый способ основан на размещении в шпурах закладных клиньев с гидравлическим приводом.

Конструктивная схема гидроклина приведена на рис. 7.3.

На карьерах страны в настоящее время применяются зарубежные и отечественные гидроклиновые установки (рис. 7.4). Из зарубежных наибольшее распространение получили гидроклиновые установки «Дарда», изготовляемые фирмой «Порт-сфельд» (Германия). Техническая характеристика гидроагрегата «Дарда» приведена в табл. 7.8.

Рис. 3. Схема гидроклина для раскалывания камня:

1 -- поршень со штоком; 2 -- клин; 3 -- пружинящие щечки; 4 -- корпус; 5 -- напорный шланг; 6 -- сливной шланг

Рис. 7.4. Схема гидроклиновой установки для направленного откола блоков:

1 --масляный насос; 2 -- золотниковый распределитель; 3 -- шланг; 4-- гидроклин; 5 -- блок

Таблица 8.

Параметры	Показатели
Производительность гидронасоса, л/мин	5,3
Объем резервуара для масла, л	5,5
Давление масла, развиваемое насосом, МПа	до 50
Число гидроклиньев в комплекте, шт.	5
Габарит установки, мм	1180x650x730
Масса, кг	113

Отечественной промышленностью выпускаются аналогичные гидроклиновые установки модели КМ-26 (г. Самара), техническая характеристика которых приведена в табл. 7.9.

Гидроклиновая установка состоит из гидроагрегата, пяти гидроклиньев и системы высоконапорных шлангов.

Согласно генетической классификации Р. Болка трещины в массиве горных пород подразделяются на продольные S, поперечные Q, диагональные Д и первично-пластовые L (пологие, постельные).

Наиболее целесообразное механическое буроклиновое откалывание блоков обеспечивается при таком расположении забоя, когда основание откалываемого блока размещается на поверхности пологой трещины L, а одна из боковых или торцевых граней блока обнажена. Вторую длинную грань откалывания блока целесообразно располагать параллельно продольным трещинам S, а торцевую -- поперечным Q.

Таблица 9.

Параметры	Показатели
Давление масла в гидросистеме, МПа	25
Ход клина, мм	180
Угол клина, град.	4
Перемещение щечек, мм	12,5
Распорное усилие, кН	2300
Длина гидроклина, мм	1020
Масса гидроклина, кг	27
Число гидроклиньев в комплекте, шт.	5
Габарит установки, мм	1300x710x840
Масса установки, кг	280
Мощность электродвигателя, кВт	4

Для использования гидроклиньев при отделении монолитов камня от массива горных пород большое значение имеют: выбор направления линии предполагаемого раскола параллельно одной из систем трещин при наличии трех обнаженных плоскостей; расположение шпуров строго в плоскости намечаемого раскола; достаточная глубина шпуров и наиболее целесообразное расстояние между ними, соответствующее наименьшему удельному расходу бурения; определение высоты монолита, соответствующее расстоянию между постельными трещинами; отношение высоты отделяемого монолита к его ширине до 4:1.

При проведении работ следует строго выдерживать размеры шпуров, диаметр которых должен превышать диаметр гидроклиньев не более чем на 2--3 мм, а глубина шпуров быть не менее длины гидроклина плюс длина хода поршня, в противном случае снижается раскалывающее усилие и вероятна поломка острия клина.

В комплект гидроклиновых установок входит пять гидроклиньев, что позволяет производить откол монолита длиной до 3 м. При больших размерах монолита необходимо использовать дополнительные гидроклиновые установки, которые могут откалывать камень как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

Среднерасчетные параметры шпуров для размещения гидроклиньев при механизированном буроклиновом способе отделения монолитов от массива приведены в табл. 7.10.

Таблица 10.

Наименование параметров	Выколка для прямослойных пород
	Высота монолита
	до 1000 мм	более 1000 мм
Глубина шпура, мм Расстояние между шпурами, мм	80--100 200--250	Равна высоте монолита 250--350
Примечание: При заготовке плит толщиной до 150 мм и при раскалывании косослойного камня проводится сквозное бурение шпуров независимо от высоты монолита.

Следует иметь в виду, что при раскалывании монолитов гидроклиньями должно соблюдаться соотношение длины закладного клина к высоте раскалываемого монолита 1:3--1:4.

Ручной буроклиновой способ отделения монолитов от массива применяется при разработке пород, обладающих достаточной способностью раскалываться по сравнительно ровным плоскостям, при котором в шпуры, пробуренные по линии предполагаемого раскола, вставляются металлические клинья. По клиньям равномерно наносят удары кувалдой до появления трещины раскола.

Раскалывание камня наиболее часто осуществляется простыми клиньями и сложными (составными) клиньями со щечками (рис. 7.5), размещаемыми в шпурах круглого или овального сечения, пробуренных специальным инструментом.

Недостаточная площадь соприкосновения простого клина с породой сопровождается разрушением последней в устье шпура, что приводит к непроизводительной работе кольщика. Для устранения этого недостатка применяют составные клинья с двумя щечками. Последние вставляют в шпур таким образом, чтобы линия их контакта совпадала с намечаемым направлением плоскости откола, исключая искривление линии откола.

Рис. 7.5. Составной клин для раскалывания камня

1 -- цилиндрическая часть клина; 2 -- коническая часть клина; 3-- щечки

Следует отметить, что при раскалывании гранита вдоль направления развития продольных трещин S число ударов для раскалывания в 2 раза меньше, чем в перпендикулярном направлении к нему, и примерно в 5 раз меньше, чем в направлении под косым углом.

Некоторые крупнокристаллические разновидности гранитов и трудно поддающиеся раскалыванию породы требуют бурения шпуров на всю высоту монолита при расстоянии между шпурами 7--10 см. При отделении монолита от массива легко раскалываемых пород глубина шпуров может быть от 7 до 12 см, а расстояние между шпурами 15--20 см.

Диаметр шпуров зависит от формы и размеров клиньев, а также от глубины шпуров и толщины выкалываемого монолита. При применении простых клиньев (прямоугольного или круглого сечения, длина клина от 70 до 200 мм, угол заострения около 30°) и отделении монолитов легко раскалываемых пород при малой глубине шпуров их диаметр меняется от 20 до 30 мм. В трудно раскалываемых породах при использовании сложных (с двумя щечками) клиньев диаметр шпуров принимается от 32 до 45 мм.

Размеры сложных клиньев для раскалывания гранита приведены в табл. 11.

Таблица 11.

Площадь сечения раскола, м2	Наименьшие размеры клина	Размеры щечек, мм
	угол заострения, град	длина, мм	диаметр, мм	наружный диаметр	высота
До 1	12	100	18	20	70
1--2	12	120	25	30	100
Более 2	12	150--250	35	40	До 200

Расчетные параметры шпуров при выкалывании монолитов из прямослойных пород ручным буроклиновым способом приведены в табл. 12.

Таблица 12.

Наименование показателей	Высота монолита
	до 1000 мм	более 1000 мм
Диаметр шпура, мм Диаметр шпура при применении клиньев, мм: простых сложных Расстояние между шпурами, мм	70--90 20--25 До 32 150--200	Равна высоте монолита 25--30 32--45 150--200

Данные табл. 12 должны уточняться для конкретных условий при разработке конкретного месторождения.

Предельно допустимые значения высоты раскалывания породы механизированным и ручным буроклиновым способами, при которых обеспечивается, в основном, полное отсутствие диагональных сколов камня, составляют: для крупнозернистых пород (лабрадоритов, порфировидных гранитов и других сходных с ними пород) -- 1,4--1,8 м; для среднезернистых изверженных пород -- 1,6--2 м; для мелкозернистых изверженных пород-- 1,8--2,4 м.

Д) Буровзрывной способ отделения монолитов от массива чаще всего применяется на карьерах при разработке прочных пород (гранита, базальта и др.). По типам применяемых ВВ все известные способы добычи монолитных блоков можно разделить на две группы: I -- способы, базирующиеся на использовании метательных ВВ -- черного (дымного) пороха; II -- способы, основанные на применении бризантных ВВ -- в основном, детонирующего шнура (ДШ).

Отделение монолитов шпуровыми зарядами дымного пороха основано на использовании метательных свойств пороха. Нарастание давления газов при сгорании пороха происходит относительно медленно (разложение пороха при взрыве протекает со скоростью около 400 м/с), и механическая работа в шпуре возрастает постепенно, что проявляется в раскалывании камня подобно клиновому действию и в отбрасывании монолита, т.е. в метательном действии ВВ. Применение черного пороха при правильно выбранных направлении раскалывания и величине заряда не вызывает, в основном, образования новых трещин в массиве.

Важнейшим параметром, влияющим на выход блоков при разработке месторождения с использованием буровзрывного способа добычи, является рациональное расстояние между шпурами, которое определяет объем буровых работ и качество плоскости раскола. При выборе рациональных параметров буровзрывных работ необходимо соблюдать следующие условия: правильно сочетать трещиноватость и анизотропность разрабатываемого массива, которые определяют возможную блочность камня и его выход; проводить работы при наличии трех обнаженных плоскостей. Глубина шпуров должна соответствовать высоте монолита, равной расстоянию между постельными трещинами за вычетом недобура 0,2--0,3 м до трещины в его основании.

Расстояние между шпурами в монолитных и слаботрещиноватых породах обычно подбирается опытным путем, начиная с 0,3--0,4 м. На добыче гранитных блоков расстояние между шпурами колеблется от 0,5 до 1 м, а диаметр шпура изменяется в пределах от 30 до 55 мм.

Масса заряда пороха для отделения монолита от массива определяется (в кг) по выражению:

Q = qV, (7.6)

где q -- удельный расход ВВ, кг/м³; V--объем откалываемого монолита, м³.

Особенности строения месторождений природного облицовочного камня весьма разнообразны, поэтому удельный расход черного пороха должен определяться экспериментальным путем, начиная с 0,3 -- 0,4 кг/м³, и окончательно уточняться в процессе работ. Следует отметить, что завышенный удельный расход пороха приводит к образованию дополнительных трещин и значительному смещению взрывом монолита от массива при нормальном смещении до 0,2--0,5 м. Более точным контролем влияния удельного расхода пороха на качество отделяемого монолита является непосредственная распиловка блоков на плиты в производственных условиях с учетом выхода плит (в м²) на 1 м³ блока.

Обычно величину заряда пороха в отдельных шпурах определяют делением массы общего заряда ВВ на число шпуров и уточняют ее опытными взрывами. Длину забойки рекомендуется принимать не менее 22--25 диаметров шпура, а при высоте монолитов до 1,8 м -- не менее 1/3 глубины шпура. Взрывание пороховых зарядов осуществляется с помощью огнепроводного, детонирующего шнура или электровоспламенителя.

Длина, ширина и высота (объем V) первоначального монолита определяется существующей природной системой трещин и направлениями облегченного раскола камня. Длина отделяемого от массива монолита принимается в зависимости от расстояния между вертикальными трещинами и достигает 15--20 м, ширина обычно составляет 2,5--6 м, а высота -- 2--6 м (зависит от расстояний между постельными трещинами).

Скважинные пороховые заряды (диаметр скважин 100--105 мм) для отделения монолитов от массива применяются в исключительных случаях, поскольку приводят к образованию микротрещин в породе, излишнему ее дроблению и уменьшению выхода блоков(в %). Метод скважинных зарядов используется при ограниченных размерах карьерного поля в плане (недостаточная длина фронта работ для шпурового метода), незначительном выходе блоков (до 10--15 %) и производстве изделий для дорожного строительства (бортовые и брусчатые камни).

Для бурения взрывных скважин и для щелеобразования при отделении монолитов используются буровые станки с погружными пневмоударниками БМК-4М, СБМК-5 и СБУ-ЮОГ-35. Станки БМК-4М и СБМК-5 сняты с производства, но продолжают еще эксплуатироваться на карьерах. Техническая характеристика буровых станков приведена в табл. 7.13.

Способ отделения монолитов от массива с помощью детонирующего шнура (ДШ) был предложен Г.А. Бершивили и Р.В. Михельсоном. Он основан на взрывании одной или нескольких нитей ДШ, помещаемых в шпур. Преимущества -- возможность применения способа в любых погодных условиях, высокая степень безопасности работ. Недостаток -- не гарантированное качество блоков из-за отсутствия обоснованных рекомендаций по выбору рациональных параметров взрывного отделения монолитов в различных горно-геологических условиях.

Таблица 13.

Показатели	Марка бурового станка
	БМК-4М	СБМК-5	СБУ-100Г-35
Диаметр буровой коронки, мм	105	105	105; 125
Глубина бурения, м	До 35	До 35	Не менее 35
Работа удара поршня, Дж	70--75	70--75	70--75
Частота вращения шпинделя, МИН-1	41	41	46
Удаление шлама	Воздушное	Воздушно-водяное	Воздушное
Избыточное давление сжатого воздуха, МПа	0,5--0,7	0,5--0,7	0,5--0,7
Расход воздуха, м3/мин	4,2	4,5	5
Мощность электродвигателя, кВт	3	10	24
Ход станка	На салазках, лебедкой или трактором	Гусеничный
Габариты станка, мм	2470х1000х2070	3100x1850x2300	4000х2300х 2340
Масса, т	0,45	3,34	5

Расчетные параметры скважинных зарядов, применяемых на карьерах, приведены в табл. 14.



Таблица 14.

Наименование параметров	Показатели
Высота уступа, м	До 10
Диаметр скважины, мм	100--105
Расстояние между скважинами, м	1,5--3
Линия сопротивления по подошве (ширина монолита), м	3--5
Удельный расход пороха, кг/м3	0,3--0,4
Расход бурения, м/м3	0,1--0,3

Суть способа заключается в следующем: по плоскости намечаемого раскола (вертикальной, горизонтальной) бурится ряд шпуров, в которые вводятся отрезки ДШ, соединенные в сеть, взрываемую с помощью детонатора. Порядок отделения монолита от массива, расположение и диаметр шпуров в основном такие же, как при шпуровом методе взрывания пороховых зарядов.

При отделении монолита от массива с применением ДШ необходимо соблюдать дополнительные условия: обязательно наличие в основании отделяемого монолита постельных трещин или искусственного вруба; шпуры не добуривают до постельной трещины или искусственного вруба на величину 2--3 диаметров шпура; бурение шпуров выполняют станками строчечного бурения; заряд в шпурах допускается в пределах двух нитей ДШ; забойку шпуров не проводят; все заряды присоединяют к единой взрывной магистральной линии ДШ; взрывание мгновенное.

Расчетные параметры буровзрывных работ с использованием ДШ, применяемые на карьерах, приведены в табл. 15.

Таблица 15

Наименование параметров	Показатели
Диаметр шпура, мм	32--42
Расстояние между вертикальными и горизонтальными шпурами, мм	200--350
Линия сопротивления по подошве -- ширина монолита, м	1,3--2,5
Глубина шпуров -- высота монолита, м	1--3
Число ниток ДШ, шт.	1--2
Удельный расход ДШ, м/м3:
при вертикальном отделении монолита от массива	3-4,2
при вертикальном и горизонтальном отделении монолита от массива	5--7

Заслуживает внимания и рекомендуется к применению на карьерах разработанная институтом ВНИПИИстромсырье технология отделения монолитов от массива зарядами направленного раскола посредством взрывания в шпурах зарядов специальной конструкции, выполненных на основе ДШ. По данной технологии отделяемый монолит в намечаемых плоскостях раскола оконтуривают шпурами с помощью станков строчечного бурения, в которых размещают заряды специальной конструкции, взрываемые в определенной последовательности (рис. 6).

Схема взрывной сети монтируется таким образом, чтобы заряды, расположенные в вертикальных шпурах, взрывались раньше зарядов в горизонтальных шпурах. Это позволяет раскрыться вертикальной трещине, которая препятствует распространению трещины, возникающей при взрыве зарядов, расположенных в горизонтальных шпурах. Экспериментальные взрывы, выполненные для гранитов карельских месторождений (Шальское и «Кашина гора»), позволили установить расстояние между шпурами 25±5 см для заряда в две нити ДШ, размещаемого в шпурах диаметром 32--42 мм. Примерные параметры отделяемых монолитов составляют: высота 1--3 м, ширина 1,5--2,5 м, длина до 20--30 м.

Рис. 6. Технология отделения монолитов от массива с применением направленного раскола

1 -- схема расположения шпуров, скважин и взрывной сети; ІІ -- схема расположения зарядов в массиве; а -- при отсутствии постельных трещин; б -- при наличии постельных трещин; ІІІ -- конструкция зарядов; 1 -- скважины диаметром 105 мм; 2 -- шпуры; 3 -- детонирующий шнур; 4 -- электродетонатор; 5 -- замедлитель-петля ДШ (3,5 м); 6 -- порох; 7-- прокладка из дерева; 8 -- металлический стержень

Применение направленного раскола с помощью ДШ позволяет до 50 % снизить объем бурения, до 1,5 раз увеличить выход блоков из массива, исключить недостатки, присущие пороховым зарядам (опасность в обращении с порохом при заряжании шпуров и значительная трудоемкость этих работ, водонеустойчивость пороха).

В некоторых случаях перед взрыванием ДШ шпуры полностью заливают водой, что позволяет несколько снизить расход бурения и увеличить расстояние между шпурами. Однако необходимо учитывать, что отделение монолитов таким способом сопровождается увеличением зоны нарушения породы взрывом вокруг шпура, так как вода является несжимаемой жидкостью, и взрыв действует во все стороны с одинаковой силой. Поэтому при гидровзрывании с помощью ДШ верхнюю часть шпура на глубину 10--15 см рекомендуется водой не заполнять в целях устранения закольных явлений в верхней части отделяемого монолита по плоскости раскола.

Удельный расход ДШ при отделении монолитов от массива составляет 0,005--0,01 кг/м³.

Е) С помощью невзрывчатых разрушающих средств (НРС)*

Невзрывчатое разрушающее средство получают специальным обжигом карбонатных пород с последующим измельчением продукта обжига со специальными добавками. Оно представляет собой порошкообразный материал светло-серого цвета с различными оттенками, пылящий, негорючий и не взрывоопасный, обладающий щелочными свойствами.

Разработаны три композиционных состава НРС.

В состав смеси НРС-1, разработанной Московским институтом ВНИИстром им. П.П. Будникова, основным компонентом (до 98 %) является обожженная грубодисперсная известь. Обжиг негашеной извести (СаО) производится в печах специальной конструкции при температуре свыше 1400 °С. В качестве добавок используются борная кислота (Н_зВО_з), кальцинированная сода (Nа₂СО_з), химическое вещество -- сульфатно-дрожжевая бражка. Порошок НРС-1, смешанный с водой в соотношении 3:1, образует пастообразную массу, которая при затвердении увеличивает свой объем, создавая в разрушаемом объекте давление до 50 МПа. Состав НРС-1 характеризуется стабильностью свойств и большим сроком годности.

НРС, разработанное Киевским политехническим институтом, по составу аналогично НРС-1. При изготовлении требуется специальный обжиг карбонатных пород с гипсосодержащим камнем (CaSO₄*2Н₂О), затем измельчение полученного клинкера с некоторыми добавками. Более сложная технология оправдывается лучшим качеством смеси, стабильностью ее работы, меньшей слеживаемостью и более длительным сроком хранения. Развивает давление до 50 МПа.

В составе смеси, разработанной Львовским политехническим институтом, основным компонентом является грубоизмельченная негашеная известь. От составов ВНИИстром и КПИ отличается тем, что при изготовлении смеси не требуется обжига извести, что значительно снижает ее стоимость. Приготовление смеси осуществляется механическим перемешиванием компонентов. Максимально развиваемое давление 40 МПа. Недостатки: нестабильность свойств из-за гашения негашеной извести при взаимодействии с воздухом; малый срок годности.

Невзрывчатое разрушающее средство может использоваться как для отделения монолитов от массива, так и для раскалывания монолитов на стандартные блоки.

Для отделения монолита от массива с помощью НРС бурят шпуры, диаметр и глубина которых, а также расстояние между ними определяются в зависимости от физико-механических свойств пород. С увеличением диаметра шпуров возрастает разрушающее усилие и вероятность холостого выстрела шпура вверх без достижения требуемого эффекта.

Для высокопрочных пород при отделении монолитов от массива с помощью НРС рациональный диаметр шпуров, по данным практики, находится в интервале 36--60 мм, расстояние между шпурами 20--50 см. Глубина шпуров должна составлять не менее 70 % высоты отделяемого монолита. Шпуры заполняются рабочей смесью НРС на всю глубину.

Приготовление рабочей смеси осуществляется в открытом сосуде, в который заливают отмеренное количество воды, в которую постепенно высыпают отвешенное количество НРС, тщательно перемешивая массу до получения хорошей ее текучести.

Продолжительность приготовления массы не должна превышать 8--10 мин. Вода, используемая для приготовления раствора НРС, должна иметь температуру не более 25 °С. Уменьшение или увеличение расхода воды от рекомендуемых пределов при приготовлении рабочей смеси НРС приводит к уменьшению его расширяющего усилия.

Невзрывчатое разрушающее средство работает только при смешивании с водой. В результате химической реакции происходит расширение массы в шпуре, что и создает раскалывающее (расширяющее) усилие, которое увеличивается с течением времени. От этого усилия в породе возникают напряжения, которые приводят к образованию трещин, а расширяющее усилие поддерживается также после появления трещин.

Опытно-промышленные испытания НРС на гранитных карьерах (Емельяновском, Гловинском, Корнинком) по отделению монолитов от массива показали, что усилия, развиваемые НРС, вполне достаточны для отделения монолитов объемом более 90 м³ в породах с пределом прочности на сжатие до 200 МПа. По сравнению с традиционными способ отделения монолитов от массива с помощью НРС позволяет увеличить выход блоков из массива на 5--10 %, исключить разрушающее воздействие на массив, повысить качество блоков.

Расход НРС на 1 м³ отделяемой породы зависит от прочностных свойств породы, наличия в ней трещин, объема отделяемого монолита и его размеров, глубины шпуров, межшпуровых расстояний и других показателей. Этот расход для различных пород и разных условий составляет 2--5 кг на I м³ отделяемой породы (на основании промышленных экспериментов удельный расход НРС при отколе блоков гранита составил 5 кг/м³, мрамора -- 3,5 кг/м³).

Расчетный удельный расход НРС для отделения двух граней камня можно определить (в кг/м³) по формуле:

(7.7)

где l_ш -- глубина шпура, м;

А -- ширина отделяемого камня, м;

р -- вместимость шпура, кг/м;

а_ш -- расстояние между шпурами, м;

Н -- высота отделяемого камня, м.

При расколе по одной грани камня для расчета q_H из числителя формулы (7.7) исключают А.

К преимуществам применения НРС относятся: беззвучность раскалывания камня; отсутствие сейсмического эффекта, разлета осколков породы, выброса твердых и газообразных продуктов. Недостатки: невозможность использования НРС при минусовой температуре; большая продолжительность раскалывания породы (20--70 ч).

Ж) Установками HRS [23]

HRS -- Hydro Rock Splitter (дословный перевод с английского -- гидравлический раскалыватель породы) -- силовой элемент скважинного типа, размещаемый в металлическом цилиндре и служащий для создания направленной нагрузки на стенки скважины (шпура) и разрушения прочных пород. Силовой элемент HRS может быть размещен в скважине на любой глубине.

Установка HRS укомплектовывается источником давления (маслостанцией с электрическим или ручным приводом), шлангами низкого и высокого давления с быстросъемными соединениями на 6 или 12 силовых элементов, которые могут работать одновременно от одной маслостанции с распределителем и механическим отодвигающим устройством.

После монтажа установки HRS, который занимает несколько минут, силовые элементы устанавливаются в шпуры. Затем с помощью маслостанции начинается нагнетание жидкости в силовые элементы. Последние расширяются в одном направлении (рабочий ход силового элемента для разных конструкций HRS составляет 7--18 мм) и осуществляют направленный откол породы.

Различные модификации установок HRS выпускаются с силовыми элементами диаметром 33, 40, 60, 97 и 100 мм, имеющими рабочее давление от 90 до 125 МПа, разрывное усилие от 1000 до 8500 кН и массу от 1,5 до 25 кг.

При применении HRS диаметр скважин (шпуров) должен превышать диаметр силового элемента на 2--5 мм. Установка обслуживается одним оператором.

з) Комбинированные способы

Применение различных технических средств для отделения монолитов от массива позволяет полнее использовать их преимущества, увеличить коэффициент выхода и объемы блоков, снизить трудоемкость, улучшить организацию и безопасность работ. Комбинированные способы подготовки горных пород к выемке позволяют более полно сочетать и учитывать конкретные горно-геологические условия залегания пород и их физико-технические свойства.

На карьерах в основном применяются следующие комбинированные способы отделения монолитов от массива: