» » Основные производственные процессы очистной выемки
15.05.2015

Очистная выемка включает три основных производственных процесса:
1) отбойку руды (отделение ее от рудного массива);
2) перемещение отбитой руды от забоя до откаточного горизонта;
3) поддержание выработанного пространства.
Указанные процессы проводятся при всех системах разработки, за исключением системы этажного естественного обрушения. Однако трудоемкость производственных процессов и затраты на них при применяемых системах разработки различны. Например затраты на поддержание выработанного пространства при системах с креплением и закладкой составляют 30—70% от общих затрат на очистную выемку, а при системах с открытым очистным пространством с отбойкой руды из подэтажных выработок — всего 1—3%.
Эффективность применяемых систем разработки в основном зависит от техники и организации работ, выполняемых при проведении производственных процессов. Ниже приводятся краткие сведения о технике и организации производственных процессов на горнорудных предприятиях России.
Отбойка руды

Для отбойки руды в пробуренные шпуры или скважины закладывают взрывчатые вещества и взрывают их. Сравнительно редко применяют отбойку с использованием больших зарядов, закладываемых в специальные горные выработки (минная отбойка).
При разработке месторождений ограниченной мощности чаще применяют шпуровую отбойку, а при разработке мощных месторождений — отбойку скважинами. Шпуры бурят бурильными молотками (перфораторами) ручными, телескопными или колонковыми. Скважины бурят бурильными молотками, но чаще буровыми станками.
Отбойка скважинами — основой вил отбойки при разработке мощных месторождений. Преимуществами отбойки скважинами являются большой выход руды на 1 пог. м скважины (до 40—50 т), лучшие санитарно-гигиенические условия труда буровых рабочих, высокая производительность труда и низкая стоимость отбойки.
Впервые отбойка скважинами была применена на шахтах Кривбасса в 1935 и 1936 гг., где нашли широкое применение телескопные и колонковые перфораторы и станки вpaщaтeльнoгo бурения конструкции инж. Миняйло. Эффективность работы таких станков резко снижается при бурении крепких пород, поэтому многие шахты горнорудной промышленности цветной металлургии вынуждены были применять дробовое бурение с низкими скоростями (1—2 м/см). Ho даже при такой скорости бурения скважин диам. 200—300 мм эффективность отбойки скважинами была все же выше эффективности шпуровой отбойки.
В последние годы на шахтах России стали широко внедряться станки вращательного бурения с шарошечными долотами и перфораторы, входящие в скважину (пневмоударники). Эти буровые агрегаты позволяют успешно бурить скважины в крепких породах.
Весьма оригинальной конструкцией буровых машин является пневмоударник, впервые в мире изготовленный на Кыштымском заводе (марка БМК-2). Позже были изготовлены пневмоударники конструкций Лениногорского комбината и Института горного дела Казахстана, Криворожского НИГРИ. Ho более совершенна конструкция пневмоударника, разработанного Западно-Сибирским филиалом АН России вместе с Кузнецким комбинатом. Такие пневмоударники (марка БА-100) широко внедряются в горнорудной промышленности России.
Буровой агрегат БА-100 предназначен для бурения скважин диам. 100 мм глубиной до 50 м в любом направлении. Средняя производительность станка в крепких породах колеблется в пределах 10—14 м за смену. Проведенные испытания пневмоударников на руднике им. Губкина (KMA) показали, что существенные преимущества БА-100 перед всеми другими следующие:
1) перфоратор станка БА-100 имеет при небольшом весе, самую большую силу удара и число ударов в минуту, производительность его выше в 3—4 раза производительности аналогичных машин и в 6—8 раз более производительности дробового бурения;
2) запыленность воздуха в зоне дыхания бурильщиков у агрегата БА-100 находится на уровне санитарной нормы.
Общий вид пневмоударника БА-100 представлен на рис. 30.
Основные производственные процессы очистной выемки

В 1955 г. в Кривбассе была изготовлена опытная партия погружных перфораторов ПШ-20 для бурения восстающих скважин диаметром 90 мм, глубиной до 50 м и под углом 5—90° к горизонту. Перфоратор ПШ-20 устанавливается на распорной винтовой колонке и может работать с ручной или винтовой подачей (рис. 31). Он имеет меньший вес, чем БА-100, для него требуется малая камера, однако по производительности он уступает БА-100.
Способ бурения глубоких скважин в крепких породах шарошечным долотом был предложен Институтом НИГРИС в 1951 г. Принцип действия шарошечного долота заключается в следующем.
Основные производственные процессы очистной выемки

Армированные зубками, изготовленными из вольфрамо-кобальтового сплава, конусообразные шарошки, вращаясь вокруг своих осей на цапфах лап долота, перекатываются по забою скважины. Под действием осевого давления, передаваемого на долото буровым станком через став штанг, зубки внедряются в породу и разрушают ее. Образующийся шлам удаляется из скважины при промывке водой.
Станки шарошечного бурения были широко испытаны на Сокольном, Быструшинском, Салаирском, Зыряновском и Миргалимсайском рудниках. Бурение велось, в основном, станками ЗИВ-150; была достигнута скорость бурения от 2—2,5 до 4—4,5 м за смену.
В 1955 г. Вниицветметом и Лениногорским комбинатом был сконструирован более совершенный станок шарошечного бурения СБ-4 для бурения скважин глубиной до 50 м диам. 150 мм; скважины могут располагаться веерообразно в горизонтальном, наклонном или вертикальном направлениях.
Станок СБ-4 (рис. 32) рассчитан на максимальное осевое давление до 6000 кг, средняя производительность его колеблется в пределах 5—10 м за смену. Успешные испытания этого станка на Лениногорских рудниках позволяют утверждать, что этот станок, как и пневмоударник БА-100, — основная буровая машина, подлежащая широкому внедрению на горнорудных предприятиях России.
Основные производственные процессы очистной выемки

В ближайшие годы наряду с шарошечным бурением и бурением пневмоударниками может найти широкое применение алмазное бурение (в связи с открытием Якутского месторождения алмазовов).
Основные мероприятия для повышения эффективности отбойки скважинами следующие:
1) применение миллисекундного взрывания скважин (взрывание отдельных скважин через весьма короткие промежутки времени, измеряемые миллисекундами); такое мероприятие позволит уменьшить сейсмический эффект взрыва и сохранить оставляемые при многих системах разработки целики руды;
2) широкое внедрение станков шарошечного бурения и пневмоударников новейших конструкций;
3) переход на отбойку более крупных кусков руды (до 800 мм) с применением на горизонтах скреперования скреперов большой емкости, люков с большими выпускными отверстиями, большегрузных вагонов и подземных дробилок.
В области шпуровой отбойки, широко применяемой при разработке месторождений ограниченной мощности, основными мероприятиями являются;
1) применение шпуров малого диаметра (до 30—35 мм) при разработке весьма тонких и тонких рудных тел (во избежание значительного разубоживания отбиваемой жильной массы);
2) применение высокоударных бурильных молотков, имеющих более высокую производительность, чем обычные;
3) применение бурильных молотков с автоматической подачей;
4) широкое внедрение многозабойного и многомолоткового методов работ и рациональное расположение шпуров и скважин (методы новаторов Семиволоса, Янкина, Зинькова, Митрофанова и др.).
Доставка руды

В условиях разработки рудных месторождений наиболее часто применяются скреперная доставка и доставка с использованием веса полезного ископаемого. Скреперная доставка является весьма маневренной; производительность скреперной, установки колеблется в зависимости от емкости скрепера и расстояния доставки (чаще в пределах 75—100 т за смену, при применении же мощных скреперных лебедок производительность увеличивается до 200—300 г за смену).
Для повышения эффективности скреперной доставки необходимо применение конструкций литых скреперов; трехбарабанных скреперных лебедок (при широком фронте погрузки); дистанционного и автоматического управления скреперными лебедками, скреперов большой емкости и мощных скреперных лебедок при высокопроизводительных системах разработки.
Можно отметить два перспективных способа доставки: конвейерами и самоходными вагонетками.
Широкое применение конвейерной доставки до последнего времени затруднялось из-за отсутствия соответствующих лент. В связи с начатым изготовлением прочных лент конвейерная доставка должна получить распространение на горнорудных предприятиях. Сплошная конвейеризация при соответствующих условиях разработки (от забоя до поверхности) — одно из перспективных направлений в целях повышения эффективности работы горнорудных предприятий.
Самоходные вагонетки в сочетании с погрузочными машинами широко применяются на зарубежных рудниках (США, Швеция, Франция и др.). Достоинством их является высокая производительность при перемещении руды на расстояние до 100 м и более.
Гипроцветметом запроектированы самоходные вагонетки для некоторых рудников цветной металлургии, разрабатывающих пологие залежи. При разработке мощных горизонтально залегающих рудных тел могут успешно применяться автосамосвалы в сочетании с экскаваторной погрузкой. Применение самоходного бурового, погрузочного и транспортного оборудования при соответствующих горно-геологических условиях — важнейшее техническое мероприятие при разработке мощных горизонтальных и пологозалегающих залежей. На рис. 33 представлена схема камерно-столбовой системы с применением самоходного оборудования.
Основные производственные процессы очистной выемки

Поддержание выработанного пространства

Поддержание выработанного пространства целиками руды. При выемке рудных тел с устойчивой рудой ограниченной ценности и устойчивыми вмещающими породами выработанное пространство поддерживается постоянными целиками руды. Иногда этот способ применяют в комбинации с другими способами поддержания. Чаще оставляют временные целики, в дальнейшем вынимаемые соответствующими системами разработки.
Различают следующие основные виды оставляемых целиков руды при очистной выемке; междукамерные, подштрековые или подортовые (потолочные), надштрековые или надортовые и внутризабойные (целики, оставляемые внутри выемочного участка).
Внутризабойные целики обычно используют для поддержания кровли при разработке горизонтально и полого залегающих рудных тел. Эти целики могут располагаться бессистемно (при частом включении пустых пород и бедной руды) или регулярно и должны иметь определенные размеры и форму. Бессистемно расположенные целики не вынимают, регулярно же расположенные целики вынимают частично при окончательной доработке выемочных участков с соблюдением мер предосторожности.
Размеры целиков часто принимают на основе данных практики. Общепринятого способа расчета размеров целиков и пролета между ними пока нет. Советские ученые предложили различные приближенные способы расчета целиков.
В последние годы на рудниках России применяют в опытном порядке новый микросейсмический метод ориентировочной оценки величины горного давления в междукамерных целиках и потолочинах специальными пьезоэлектрическими приборами. Микросейсмический метод основан на возникновении в некоторых горных породах звуков под влиянием давления. При этом звуки начинают слышаться еще до того, как давление достигает опасных пределов. С увеличением давления частота появления звуков, как правило, нарастает (у разных пород различно). Зная нарастание частоты появления звуков в той или иной породе, можно практически установить допустимые минимальные размеры целиков. Возникающие в породах слабые звуки улавливаются и регистрируются специальной высокочувствительной приемной и усилительной аппаратурой.
Чтобы определить необходимые размеры целиков, в последние годы успешно применяется центробежное моделирование. Применение этого метода дало возможность НИГРИ (Криворожский научно-исследовательский горнорудный институт) разрешить ряд прикладных вопросов, имеющих важное значение для горной промышленности.
Одним из новейших методов исследования напряжений в целиках является оптический метод исследования соответствующих моделей. Можно полагать, что результаты проводимых оптических исследований моделей позволят уточнить применяемые расчетные методы определения основных параметров систем разработки.
Важное значение имеют также проводимые в настоящее время исследования моделей, изготовляемых из эквивалентных материалов.
Поддержание выработанного пространства отбитой Рудой и закладкой. Выработанное пространство поддерживают отбитой рудой в том случае, когда руда и боковые породы настолько устойчивы, что можно отбивать руду, не устанавливая крепь, и полностью выпускать отбитую руду, необрушая боковые породы.
Для поддержания выработанного пространства закладкой применяют либо закладку без крепи, либо закладку с крепью (при малой устойчивости руды и боковых пород). В качестве закладочного материала при разработке рудных месторождений часто используют пустую породу, полученную в шахте или из отвалов пустых пород на поверхности, а также гранулированный шлак металлургических заводов или хвосты обогатительных фабрик.
Количество необходимого закладочного материала в массиве определяют с учетом объема выработанного пространства (без выработок и крепи, нe подлежащих закладке) и степени разрыхления закладочного материала.
Закладочный материал после заполнения выработанного пространства подвергается уплотнению-усадке. Величина усадки для различных видов закладки может быть принята следующая, %: для гидравлической закладки 5—12, для пневматической и механической закладки 10—15; для мокрой закладки 15—20; для сухой самотечной закладки при крутом падении (при мелкозернистой породе) 15—25, при породе в крупных кусках — 25—40; для сухой ручной закладки при пологом падении 40—50.
Ручная закладка дорога и малопроизводительна, поэтому в настоящее время ее применяют редко.
При разработке крутопадающих рудных тел и при выемке руды камерами или наклонными слоями применяют самотечную закладку.
Скреперную закладку применяют при размещении материала, представленного кусками различного размера, включая и крупные куски. Скреперная закладка имеет широкое применение на горнорудных предприятиях России.
Механические метательные закладочные машины в опытном порядке успешно применялись на уральских медноколчеданных рудниках. Принцип работы механических метательных закладочных машин заключается в сбрасывании закладочного материала с бесконечной ленты, движущейся с большой скоростью. Материал на ленту поступает через специальную воронку и барабан, имеющий форму катушки.
Недостатки механической закладки — сложность транспортирования материала до машины, ограниченная дальность метания и сложность перемещения машин.
Последние опытные работы, проведенные на угольных шахтах, показывают возможность применения гидротранспорта закладочного материала до метательной машины. В этом случае доставленный материал должен быть предварительно обезвожен.
При пневматической необходимая скорость перемещения закладочного материала и метания его в забое достигается с помощью сжатого воздуха. В трубопровод материал равномерно подается специальными закладочными машинами камерными (ПЗМ-1м) или барабанными (БПЗМ-2м). Давление воздуха в рабочем трубопроводе до 3,5 aт. Трубопроводная арматура должна быть износоустойчива.
В качестве закладочного материала используется дробленая порода размером до 60—80 мм. Вследствие существенных недостатков (высокий расход воздуха, недопустимость сложной трассы трубопровода, быстрое изнашивание труб) пневматическая закладка с перемещением закладочного материала на большие расстояния не получила практического применения на горнорудных предприятиях России.
Одной из наиболее эффективных является гидравлическая закладка (рис. 34), получившая широкое применение при разработке медноколчеданных месторождений на Урале. Закладка хвостами успешно применяется на Пышминском руднике.
Основные производственные процессы очистной выемки

Достоинства гидравлической закладки — плотность, высокая производительность и простота работ, малые капиталовложения на устройство установки, малая себестоимость закладки (себестоимость гидравлической закладки по сравнению с себестоимостью ручной меньше в полтора-два раза; основная статья себестоимости гидравлической закладки — затраты на получение закладочного материала, составляющие в среднем 40—50% от полной себестоимости гидравлической закладки).
Недостатки гидравлической закладки — большая обводненность горных выработок, вынос месте с водой мелких фракций закладочного материала в откаточные выработки, необходимость сооружения водосборников для отстоя воды и перемычек для ограждения закладочного массива.
На Уральских медноколчеданных рудниках производительность гидравлических закладочных установок в смену колеблется в пределах от 40 до 100—130 твердого при расходе воды 1,8—2,5 м3 на 1 м3 гранулированного шлака. Производительность рабочего по закладке 8—16 за смену. Полная стоимость колеблется в пределах 9—20 руб. за 1 уложенной закладки.
К основным мероприятиям по совершенствованию гидравлической закладки относятся: 1) улучшение процесса пульпообразования с созданием замкнутой системы движения воды в шахте; 2) улучшение способов отстоя и осветления воды в результате применения совершенных отстойников, коагуляции и специальных фильтров; 3) применение автоматизации основных процессов гидравлической закладки, включая изготовление пульпы определенного состава.
Гидравлическая закладка, несомненно, будет иметь широкое применение при разработке месторождений полезных ископаемых в России.
Из новых способов проведения закладочных работ следует отметить закладку с использованием энергии вентиляционной струи от проходческих вентиляторов ВВД-8, ВВД-9 или сжатого воздуха непосредственно из сети. Широкие опытные работы, проведенные в 1955—1957 гг. Минцветметзолотом с ИГД АН России на одном из рудников, показали более высокую эффективность такого способа закладки по сравнению с ручным. Закладочные машины (приемные воронки) таких установок просты и маневренны, производительность установки при длине перемещения закладочного материала до 40—60 м (крупность кусков — 80+10 мм) составляет до 4—5 м3 за час работы. Расход воздуха при работе установки с использованием вентиляторов составляет до 120 на 1 м3 закладки, с использованием сжатого воздуха из сети — до 160 м3 на 1 м3 закладки. Себестоимость размещения закладки ниже на 40—50%, чем размещения ручного.
Одним из важнейших мероприятий в целях повышения эффективности закладочных работ с использованием струи сжатого воздуха является порционная подача воздуха и закладочного материала — работа по принципу пушки. Это позволит снизить расход воздуха до 60—70 м3 на 1 м3 закладки (практика рудников Рио-Тинто в Испании).
Крепление очистных выработок на большинстве горнорудных предприятий России производится дорогостоющей деревянной крепью. Для повышения эффективности крепления следует применять:
1) передвижные металлические стойки (опытные работы с применением таких стоек на Дегтярском руднике и руднике им. III Интернационала показали экономическую эффективность применения металлической крепи);
2) механизированную обработку и заправку леса на централизованных складах с последующей доставкой готовой крепи в контейнерах или пакетах на шахты;
3) бетонные настилы, возводимые с использованием передвижных бетономешалок и пневмонагнетателей бетона;
4) металлическую податливую крепь на горизонтах вторичного дробления и скреперования (практика Кривбасса);
5) штанговую (болтовую) крепь в очистных забоях.
Применение штанговой крепи позволит в ряде случаев отказаться от малопроизводительных систем с креплением и закладкой и перейти на более эффективные системы с магазинированием руды или открытым очистным пространством. Штанговая крепь успешно применяется на Миргалимсайском, Джезказганском, Североуральском рудниках, руднике Бестюбе, золотых рудниках Дальстроя (Магадан) и др.