Горные машины

Вопрос 1. Назначение горноразведочных выработок при  проведении геологоразведочных работ. Типы поверхностных выработок. 

   Открытыми геологоразведочными выработками называются искусственные обнажения, создаваемые на земной поверхности с целью геологического изучения близповерхностных слоев земной коры, а также с целью поисков и разведки закрытых наносными отложениями месторождений полезных ископаемых. Открытые геологоразведочные выработки, открывающие доступ к рудным телам, позволяют изучать состав и строение рудных тел, определять их форму и размеры, отбирать пробы, получать характеристику горнотехнических условий в заранее заданных местах.

   К открытым геологоразведочным выработкам относят разведочные канавы, разведочные траншеи и копуши.

  Разведочная канава — это открытая горная выработка трапециевидного, реже прямоугольного сечения, имеющая при значительной длине небольшую глубину и ширину. Канавы проходят с целью вскрытия коренных пород и полезного ископаемого или изучения разреза рыхлых отложений. В отличие от других (подземных) горных выработок характерной чертой канав является незамкнутый по сечению контур.

  Разведочные траншеи, как и разведочные канавы, относятся к открытым горным выработкам, поскольку также имеют незамкнутое поперечное сечение и могут служить для вскрытия и изучения верхнезалегающих пород земной коры. В отличие от канав их обычно проходят для отбора крупнообъемных, валовых проб, что требуется при поисках, вскрытии и документировании россыпных месторождений полезных ископаемых.

  Копуш (закопушка) — наиболее простая открытая геологоразведочная выработка, проходимая обычно для вскрытия выходов коренных пород и полезных ископаемых путем удаления перекрывающего их маломощного слоя рыхлых отложений. По существу — это неглубокая выемка, выполняемая, как правило, вручную с целью возможного обнажения и последующего изучения коренных пород.

  Расчиска  – это искусственное обножение, неглубокое, но большое по плащади, форма неправильная и определяется контуром необходимого вскрытия породы. Применяется приизучении геологических структур или отбора больших по объему проб.

  Карьер  – большая по площади и глубине открытая эксплуатационная выработка неопределенной формы, зависящей от расположения и морфологии рудных тел. Угольные карьеры принято называть разрезами.  
 
 

Вопрос 2. Способы проходки поверхностных горноразведочных выработок. Механизмы и машины для проведения поверхностных горных выработок. 

     Способы проходки выбирают в зависимости  от геологических и географо-экономических  условий и масштабов проходческих работ. Геологические параметры сводятся к физико-механическим характеристикам горных пород, мощности покровных отложений и стадии геологоразведочных работ, определяющей масштабы и интенсивность работ. 

     Механизированный  способ проходки возможен в мягких, сыпучих, вязких трещиноватых горных породах (I-V категорий) и предусматривает использование экскаваторов, бульдозеров, скреперов и некоторых других агрегатов. Наиболее целесообразен на стадии поисков и разведки с относительно большими объемами проходческих работ. 

     Проходка  вручную осуществляется при небольших  объемах работ или при невозможности  применения землеройных машин в рыхлых, мягких и трещиноватых горных породах. В некоторых случаях возможна проходка вручную в крепких трещиноватых или слоистых породах с применением клиньев. 

     В твердых породах категорий VI-XX и  мерзлых породах всех категорий  проходка горных выработок осуществляется с применением буровзрывных работ. 
 

Вопрос 3. Общие положения по физическим свойствам горных пород. Крепость горных пород по шкале        М.М. Протодьяконова.

  Все горные породы, как известно, разделяют  по происхождению на три группы: магматические, осадочные и метаморфические. Для каждой группы пород характерны свои породообразующие минералы.

  На  физические характеристики горных пород помимо их минерального состава влияет целый ряд факторов, основными из которых являются: условия образования породы, структура (особенности строения, обусловленные размерами, формой, однородностью и характером связей минералов), текстура (массивная, пористая и др.), характер и степень трещиноватости. У многих пород осадочной группы значительные изменения физических свойств проявляются при различной глубине залегания, обводненности и температуре.

   Не  все физические свойства пород необходимо учитывать при выборе технологических процессов горных и буровых работ. Подтвердим это следующим примером: к одному из основных физических свойств пород относится их цвет, позволяющий геологу диагностировать многие минералы. Но при проведении горных выработок и бурении скважин он (цвет) теряет свое значение. Поэтому целесообразно ограничиться изучением комплекса физических свойств пород, влияющих на способы, технологию и режим горно-буровых работ. Эти свойства горных пород назовем «горнотехнологи ческими».

   Шкала Протодьяконова – шкала коэффициента крепости горной породы. Разработана  в начале XX века Протодьяконовым М.М. Является одной из первых классификаций пород, основывается на измерении трудоемкости их разрушения при добывании.

     Коэффициент крепости f по шкале проф. М.М. Протодьяконова

        Протодьяконов предполагал положить подобную классификацию в основу оценки труда рабочего при добыче угля и руд, нормирования труда. Он полагал, что при любом методе разрушения породы и способе её добычи, возможно оценить породу по усредненному коэффициенту добываемости. Если один из двух типов пород более трудоемок при разрушении, например, энергией взрыва, то порода будет более крепкой при любом процессе её разрушения, например, зубком комбайна, кайлом, лезвием головки бура при бурении и т.д.           

 При  разработке подобной шкалы М.М. Протодьяконов ввел понятие крепость горной породы. В отличие от принятого понятия прочность материала, оцениваемой по одному из видов напряженного её состояния, например, временном сопротивлении на сжатие, на растяжение, на кручение и т.д., параметр «крепость» позволяет сравнивать горные породы по трудоемкости разрушения, по добываемости. Он полагал, что с помощью этого параметра возможно оценить совокупность действующих при разрушении породы различных по характеру напряжений, как это имеет место, например, при разрушении взрывом.            

 М.М.  Протодьяконов разработал шкалу  коэффициента крепости породы. Одним из методов определения этого коэффициента было предложено испытание образца породы на его прочность на сжатие в кг/см², а значение коэффициента определялось как одна сотая временного сопротивления на сжатие. Этот метод достаточно хорошо коррелирует со шкалой крепости, предложенной М.М. Протодьяконовым для пород различной крепости угольной формации, пород средней крепости, но мало пригоден при определении этим методом коэффициента крепости очень крепких пород. Шкала крепости ограничивается коэффициентом 20, т.е. породами с временным сопротивлением на сжатие 2000 кг/см², а у сливного базальта, например, этот параметр равен 3000 кг/см2. Тем не менее, в Советском Союзе шкала крепости М.М. Протодьконова имела широкое применение при оценке трудоемкости разрушения горной породы и используется до настоящего времени. Она удобна для относительной оценки крепости горной породы при ее разрушении при помощи буровзрывных работ.    

Коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову рассчитывается по формуле:

f_кр = 0.1σ_сж, где σ_сж - предел прочности на одноосное сжатие (МПа). 
 

Вопрос 4. Абразивность горных пород. Методы определение  абразивности. Классификация горных пород по абразивности. 

   Под абразивностью  горных пород понимается их способность изнашивать при трении металлы, твердые сплавы и другие твердые тела, в частности, породоразрушающий инструмент.

  При абразивном износе поверхность инструмента истирается вследствие царапания (микрорезания) ее небольшими твердыми шероховатыми частицами породы.

  Абразивные  свойства пород зависят от их петрографических характеристик, основными из которых являются: 1) твердость зерен пород, увеличивающая абразивность пород (например, высокоабразивными являются кварц- и корундсодержащие породы); большая разность в твердости зерен и цемента также увеличивает абразивность; 2) форма зерен (остроугольные более абразивны, чем окатанные); 3) размер зерен (влияет на степень шероховатости, крупные зерна вызывают повышенный абразивный износ); 4) пористость (также увеличивает шероховатость и способствует повышению абразивности); 5) влажность (способствует понижению абразивное некоторых осадочных пород).

   В результате абразивного износа постепенно меняются размеры и геометрия рабочих органов. В частности, уменьшается диаметр коронок, на резцах образуются площадки притупления, уменьшается толщина стенок бурильных труб при трении о стенки скважин, изнашиваются ковши, кузова, транспортеры. Абразивность является важнейшим технологическим свойством, оказывающим непосредственное влияние на сроки службы инструмента.

          Абразивность определяют путем оценки износа материала, контактирующего  с перемещаемой по отношению к нему горной породой. Наиболее простой и распространенный способ заключается в определении износа при истирании торцов цилиндрических стержней из специальной нержавеющей стали-серебрянки. В одном из торцов стержня просверливают углубление диаметром 4 мм. Таким способом имитируется кольцевой забой. Это необходимо для усреднения результатов опытов, так как было установлено, что в малоабразивных породах меньший износ дает сплошной забой, а в абразивных — кольцевой. Испытания проводят на установке, состоящей из настольного сверлильного станка и тисков для крепления исследуемого образца. Стержень из стали зажимают в патроне станка, прижимают к необработанной поверхности породы с заданным усилием и вращают определенное время. Стандартные условия проведения испытаний следующие: осевая нагрузка (сила прижатия) — 150 Н, частота вращения — 400 мин^-1, длительность истирания — 10 мин, диаметр стержня — 8 мм, длина стержня — 70 мм. Испытания проводят дважды — со сплошным торцом и кольцевым. Стержень из стали взвешивают до и после испытаний с точностью до 0,1 мг на высокоточных аналитических весах. После этого определяют показатель абразивности (мг) по формуле.