CC BY
27
© B.C. Марков, B.H. Лабутин, 2012
УДК 622.232.7
B.C. Марков, В.Н. Лабутин
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ БЕЗВЗРЫВНОЙ ПРОХОДКИ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ ЗАПОЛЯРЬЯ
На основе результатов экспериментальных исследований процесса комбинированного разрушения (ударного скалывания и резания) многолетнемерзлых крупнообломочных пород предлагаются перспективные технологические решения подземной проходки выработок с применением проходческого комбайна с ударным и режушим исполнительными органами.
Ключевые слова: россыпные месторождения; многолетнемерзлые крупнообломочные породы; комбайн с комбинированным исполнительным органом; схемы разрушения.
Освоение территорий Северо-Востока России, богатых сырьевыми минеральными ресурсами и благородными металлами неразрывно связано с развитием горнодобывающей промышленности. Основной удельный вес золотодобычи падает на россыпные месторождения, разработка которых осуществляется открытым и подземным способами. Продуктивные пески россыпных месторождений залегают в граничных зонах стыковки коренных и наносных пород ледникового происхождения, состоящих из смеси валунов, гальки и песка, связанных многолетней мерзлотой. При этом основная часть разведанных и прогнозных запасов россыпных месторождений золота и олова находятся в районах распространения многолетнемерзлых пород, которые характеризуются суровыми климатическими условиями.
В настоящее время подземная разработка большинства россыпных месторождений в условиях Заполярья осуществляется в основном с применением камерно-лавной системы с переносным оборудованием. Удельный вес горно-подготовитель-
ных работ составляет 20—25 % от общего объема, при этом затраты на проведение подготовительно-нарезных выработок превышают затраты на очистную выемку на 30-35 %. Система разработки предусматривает безвозвратную потерю полезного ископаемого достигающей до 1518 % в породных целиках в качестве крепи. Работы проводятся буровзрывным способом, характеризующимся низкими технико-экономическими показателями и уровнем безопасности работ.
Используя специфические особенности залегания россыпных месторождений, отличающихся неоднородностью строения горного массива, ряд горнодобывающих предприятий Заполярья стали применять проходческие комбайны типа ГПКС и 4ПП-2 с режущими исполнительными органами для проходки вскрывающих выработок. Однако, как показывает опыт эксплуатации проходческих комбайнов в условиях многолетнемерзлых россыпей, область их применения ограничивается выработками, проходимыми по тонкодисперсным породам с содержанием кварцевых включений
размером не более 20 мм (до 10 %) и участками льдов и однородных по ли-тологическому составу илисто-глинистых пород. При достижении комбайнами участков гравийно-галечных отложений с включениями кварца крупностью свыше 80-100 мм и более 10 % по объему в породах забоя эффективность применения их резко снижается из-за недопустимого увеличения расхода режущего инструмента [1]. В этой связи проблема повышения эффективности и расширения области применения безвзрывного способа проходки в подземных россыпях Заполярья приобретает исключительно важное значение.
Научно-исследовательские работы, проводимые за рубежом и в нашей стране, показывают, что перспективными для разрушения крепких горных пород являются устройства ударного действия.
С целью определения принципиальной возможности применения ударного способа в конце 80-х годов ИГД Севера СО РАН совместно с ИГЛ СО РАН на Куларском золотоносном месторождении (за Полярным кругом) были проведены шахтные эксперименты по исследованию ударного разрушения многолетнемерзлых горных пород. В качестве экспериментального оборудования были применены пневмомолоты конструкции ИГЛ СО РАН: ПН-1300 и ПН-1700 с энергией единичного удара соответственно 1300 и 1700 Лж [2].
Проведенные шахтные эксперименты показали высокую эффективность ударного разрушения много-летнемерзлых горных пород с интенсивностью разрушения одним ударным инструментом 15-25 м3/ч и удельной энергоемкостью 1,0-1,5 кВт-ч/м3 [3,4], а полученные основные силовые и энергетические параметры процесса ударного разрушения
можно использовать при проектировании исполнительных органов ударного действия для проходческих и очистных машин. На основе данных первых проведенных опытов был спроектирован и изготовлен экспериментальный образец навесного исполнительного органа ударного действия к проходческому комбайну ГПКС, испытания которого были проведены на одной из шахт ГОК «Куларзолото» [2].
Забой нарезной выработки сечением 7 м2 в верхней части был представлен беспорядочно ориентированным кварцевым щебнем, сцементированным песчано-глинистым заполнителем. В нем залегал слой мощностью до 0.5 м с отдельными включениями кварцевых валунов размером 0.1^0.15 м. Коренные породы в нижней части забоя (плотик) были представлены глинистыми сланцами. Температура массива - 80С при весовой влажности пород в забое 18 %.
Первый опыт проведения выработок с применением чисто ударного способа разрушения многолетнемерз-лых крупнообломочных пород показал, что скорость проходки составила всего 1.7 м/сутки. Основной причиной низкой производительности экспериментальной установки явилась высокая трудоемкость образования вруба пневмомолотом.
Известно, что эффективность разрушения горных пород во многом зависит от выбранной схемы разрушения. Наибольший эффект достигается при послойной схеме, когда забой имеет две обнаженные поверхности, а инструмент наклонен к одной из них под углом 20-30° (отбойка сколом). Лля создания двух плоскостей обнажения при проходческих работах необходимо образовать вруб, при производстве которого используется отбойка выколом (разрушение «в лоб
забоя»), когда инструмент наклонен к поверхности забоя под углом близким к 900. Энергоемкость процесса отбойки выколом, на два порядка больше, чем при разрушении сколом [5]. О низкой эффективности отбойки выколом свидетельствует и тот факт, что затраты времени на образование вруба при проведении выработки этим способом составили около 50 % продолжительности проходческого цикла в целом [4].
В связи с изложенными факторами, учитывая характерную неоднородность строения горного массива по сечению выработки, опре-деляюшую неравнозначную сопротивляемость механическому разрушению отдельных его участков, была предложена комбинированная схема разрушения забоя, основанная на использовании известных преимушеств, принципа резания и ударного разрушения.
Комбинированный исполнительный орган включал в себя режушую коронку проходческого комбайна ГПКС, ос-нашенную резцами 3Р4-80 с приводом мошностью 55кВт, и навесное ударное устройство - пневмомолот ПН-1700, который крепился на телескопической стреле комбайна (рис.1). Режушая коронка и исполнительный орган ударного действия подавались на забой гидродомкратами выдвижения телескопической стрелы комбайна на 0,5 м. Поворот рабочего органа в горизонтальной и вертикальной плоскостях осуше-ствлялся стрелой комбайна. Кроме того, для реализации возможности работы только режушей коронкой ударное устройство убиралось из рабочего положения поворотом в горизонтальной плоскости.
Такая схема разрушения была апробирована в шахтных условиях при проходке горной выработки сечением 7м2 проходческим комбайном
ГПКС, оснашенным режушей коронкой и исполнительным органом ударного действия. Технологический процесс проведения выработки заключался в следуюшем. В первую очередь у почвы забоя (по плотику) с помошью режушей коронки проходился вруб, средняя высота которого составляла 0,6 м, а глубина соответствовала величине хода телескопа стрелы комбайна и равнялась 0,5 м. Затем оставшаяся часть забоя обрабатывалась исполнительным органом ударного действия последовательными сколами стружки в сторону обнаженной поверхности вруба. Тол-шина слоя сколов колебалась от 0,15 до 0,35 м. В целом средняя часть забоя разрушалась эффективно: отделялись куски породы размером от нескольких сантиметров в поперечнике до крупных кусков размерами 0,5х 0,3 х 0,2 м. Окончательное доведение сечения выработки до проектных размеров осу-шествлялось путем снятия режушей коронкой приконтурного слоя тол-шиной 10-20 см, ослабленного ударными нагрузками.
На основании анализа результатов комбинированного разрушения мно-голетнемерзлых горных пород с точки зрения энергопотребления (табл. 1) был сделан вывод, что для рассматриваемых условий разрушения при проведении горной выработки сечением 7 м2 средняя удельная энергоемкость по всему забою в 2.4 раза меньше энергоемкости, полученной при обработке участков забоя резанием.
Техническая скорость проходки составила около 1 пог.м/ч. Эксплуатационная скорость проходки при со-ответствуюшей организации ведения горных работ может составить 10-12 пог.м/сут., что почти в 3 раза выше, чем проходка с применением буровзрывных работ.
Таблица 1
Удельная энергоемкость разрушения смешанного забоя подготовительной выработки
Составляющие технологического цикла прохолки выработки Объем разрушения, м3 Произволи-тельность, м3/ч Улельная энергоемкость, кВт-ч/м3 Срелняя улельная энергоемкость по забою, кВт-ч/м3 Скорость прохолки, пог.м/ч
Образование вруба 0.9 5.4 10.2
резанием
Ударное разруше-
ние центральной 2.08 8.5 1.2 4.9 0.98
части забоя
Обработка контура 4.8 4.8 11.5
выработки резани-
ем
Таблица 2
Область применения проходческого комбайна с комбинированным исполнительным органом
Показатели Классы структур порол прохолческого забоя
I II III IV V
Виды выработок вскрывающие подготовительные, нарезные
Протяженность вы- 0,3-1,5 0,1-0,5 0,1-0,5 98 < 0,1
работок, %
Ёьдистость, % до 60 30-40 12-15 15-20 20-30
Температура, С0 -6 ч — 10
Абразивность, мг 5 до 6 более 20 12-15 более10
Расход резцов, 0,01-0,03 0,55 2 и более 0,4-1,5 0,4-1,5
шт/м3
Энергоемкость разрушения, кВт-ч/м3:
— режущей корон-
кой 10-15 10-15 -
0,3 0,3-1,2 и более и более
— комбинирован-
ным исполнитель-
ным органом 0,3 0,3-1,2 2-5 2-2,5 1-2
Условия примене-
ния комбайнов ти- благо- благо- неблаго- неблагопри- неблаго-
па: приятные приятные приятные ятные приятные
— с режущей ко-
ронкой; благо- благо-
— с комбиниро- приятные приятные благопри- благоприят- благопри-
ванным исп. орга- ятные ные ятные
ном
Рис. 1. Экспериментальный комбинированный исполнительный орган проходческого комбайна ГПКС в забое россыпной шахты.
Результаты испытаний проходческого комбайна ГПКС с комбинированным исполнительным органом позволили обосновать следуюшую двух-стадийную технологическую схему обработки забоя подготовительных выработок в условиях россыпных шахт рассматриваемого региона:
• обработка контура выработки до проектного сечения с последуюшим образованием вруба режушей коронкой комбайна по коренным породам или ледяным включениям;
• разрушение основной части забоя (ядро сечения) исполнительным органом ударного действия.
Предлагаемая технологическая схема обработки забоя позволит обеспечить работу режушего и ударного устройств комбинированного исполнительного органа в условиях, способствуюших достижению максимальной эффективности отбойки пород в сложно-структурном забое.
Анализ горно-геологических условий разработки россыпных месторождений, проведенный в ИГЛ С СО РАН [6], показывает, что типы забоев подготовительных выработок (включая вскрываюшие) можно классифицировать следуюшим образом:
• забой представлен однородными тонкодисперсными породами с со-
держанием крупнообломочных включений до 10-15 % по объему (I а);
• плошадь забоя состоит из двух типов многолетнемерзлых пород: верхняя часть — тонкодисперсные породы с малым содержанием крупнообломочных включений (аналогично схеме I а), нижняя часть — породы, содержашие крупнообломочные включения свыше 15 % (II а);
• вся плошадь забоя представлена многолетнемерзлыми породами, со-держашими значительное (свыше 15 %) количество крупнообломочных включений и валунов (III а);
• забой состоит из двух типов пород: верхняя часть — породы со значительным (свыше 15 %о) содержанием крупнообломочных включений и валунов, нижняя-коренные породы (глинистые сланцы) (IV а);
• часть мошности пласта представлена крупнообломочными породами и илами (V а).
Лля всех пяти классов (I а — V а) в районах распространения повторно-жильных льдов типичными являются варианты с частичной или полной присеч-кой жилы льда (1 б — 5 б). В отдельных случаях возможно фронтальное пересечение выработкой ледяной жилы по всей плошади забоя (I в — V в).
Представленные классами I — V типичные структуры забоев в об-шем объеме, проводимых вскры-ваюших и подготовительно-нарезных выработок имеют различный удельный вес (рис. 2).
Учитывая, что подавляюшая часть объемов проходки подготовительно-нарезных выработок связана с забоями, соответствуюшими классу IV. Обработку такого забоя необходимо осушествлять комбинированным способом: начинать с резания плотика и образования горизонтального вруба, а остаюшуюся часть забоя с двумя плоскостями обнажения, представленную
Рис. 2. Классификация структуры пород ского забоя
крепкими мерзлыми крупнообломочными породами, разрушать ударно-скалывающим инструментом. При наличии прослоев ила или ледяных жил в верхней части пласта их, как и плотик, можно отрабатывать режущим органом. Это, по существу, является обоснованием целесообразности применения комбинированного принципа разрушения в забоях, неоднородных по литологическому составу горных по-
род, отличающимися неравнозначностью сопротивляемости механическому разрушению.
Анализ структуры проходческих забоев и опыт их применения в условиях россыпных шахт Севера позволили определить область применения проходческих комбайнов с комбинированными исполнительными органами (табл. 2).
Как видно из таблицы, для комбайнов с режущим исполнительным органом благоприятными условиями применений являются классы структур пород проходческих забоев I и II, а классы III, IV V не рекомендуется разрушать режущим исполнительным органом из-за большой энергоемкости и недопустимо большого расхода резцов. Комбайны с комбинированными исполнительными органами практически могут найти повсеместное применение. Выводы
1. Состав, криогенное пРоходче- строение, структурные особенности многолетнемерзлых крупнообломочных пород, разрабатываемых при проведении вскрывающих и подготовительно-нарезных выработок в условиях россыпных шахт Заполярья, весьма разнообразны и требуют дифференцированного подхода к выбору техники и технологии проходки.
2. Наиболее распространенным при проведении подготовительно-нарезных выработок (штреков, рассечек и т.п.) является двухслойный забой IV типа, представленный много-
летнемерзлыми крупнообломочными наносами (верхний слой) и пересекаемый до 0,6-1,0 м коренными породами - плотиком (нижняя зона).
3. Лля разрушения этого типа пород перспективным можно считать применение комбайна с комбинированным исполнительным органом (ударно-режуший), который может разрушать породы крепостью до 100 МПа.
4. Результаты испытаний проходческого комбайна ГПКС с комбинированным исполнительным органом позволили обосновать следуюшую двухстадийную технологическую схему обработки забоя подготовительных выработок в условиях россыпных шахт рассматриваемого региона:
• обработка контура выработки до проектного сечения с последуюшим образованием вруба режушей корон-
1. Егоров И.К., Тарасов Н.И. Разрушение многолетнемерзлых пород горнопроходческими комбайнами // Цветная металлургия. - 1985. №1. - С.28-32.
2. Слепцов А.Е., Федулов А.И., Лабутин В.Н. и др. Перспективы создания поточной технологии на основе разрушения много-летнемерзлых горных пород пневмомолотом ПН1300 // Колыма, 1982. №11. - С.7-9.
3. Федулов А.И., Лабутин В.Н., Костыр-кин В.Н. и др. Ударное разрушение многолетнемерзлых горных пород // В кн.: Научные основы механизации открытых и подземных горных работ. - Новосибирск: изд. ИГД СО АН СССР, 1983. - С. 125-131.
кой комбайна по коренным породам или ледяным включениям;
• разрушение основной части забоя (ядро сечения) исполнительным органом ударного действия.
Таким образом, предлагаемая технологическая схема обработки забоя позволит обеспечить работу режущего и ударного устройств комбинированного исполнительного органа в условиях, способствующих достижению максимальной эффективности отбойки пород в сложно-структурном забое.
Наибольший эффект от применения комбинированного способа ожидается при проходке выработок по смешанному забою с присечкой крепких пород, проведение которых в настоящее время остается актуальной задачей в горнодобывающей промышленности.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Марков B.C., Лабутин В.Н., Елшин В.К. и др. Шахтные испытания проходческого комбайна ГПКС с экспериментальным исполнительным органом // ФТПРПИ — 1988. — №5. — С.78-80.
5. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. - М.: МГГУ, 1995.
6. Марков В.С. Обоснование технологии проведения подготовительных выработок россыпей Севера комбайнами с комбинированными исполнительными органами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Якутск. 1989. 18 с. К2Е
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Марков Валерий Степанович — кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected], Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова,
Лабутин Виктор Никитович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории бурения технологических и импульсных машин, е-mail: [email protected], ИГЛ им. Н.А. Чинакала СО РАН (ИГЛ СО РАН).
