Горное дело

ВВЕДЕНИЕ

     

    Горное дело относится к одному из основных видов человеческой деятельности, обеспечивающей существование и уровень развития цивилизации. Горное дело охватывает разведку месторождений полезных ископаемых, их разработку, первичную переработку добываемого сырья, строительство горных предприятий и подземных сооружений различного назначения./1/

    Горнодобывающая  промышленность - это составная часть  горного дела, цель которой состоит  в добыче и первичном обогащении  полезного ископаемого. Эта промышленность поставляет минеральное топливо (уголь, торф, горючие сланцы, нефть), руды (чёрных, цветных, редких и ценных металлов). Горнодобывающая промышленность имеет важную роль в экономике государства, определяет его самостоятельность.

    Проектирование, строительство новых и реконструкция существующих предприятий по добыче твердых полезных ископаемых требует знаний технологических процессов, понимания и учета горно-геологических условий, специфики ведения горных работ, требования техники безопасности и охраны труда.

Виды работ в горном деле:

    Буровзрывные  работы применяются в горном  деле в различных технологических  процессах подземной и открытой  добычи полезных ископаемых. Качество  буровзрывных работ определяется  равномерностью дробления скальных пород, хорошей проработкой контура отбиваемой от массива части горной массы, низким процентом выхода негабарита, шириной развала горной массы.

    При подземных  горных работах буровзрывные  работы применяются как при  проходке горных выработок, так  и при добыче полезных ископаемых.

    На открытых  горных работах работы ведутся  уступами. Поэтому буровзрывные  работы ведутся путём поэтапного  взрыва уступов карьера. На  подготавливаемом к взрыву части  уступа (блоке) вначале бурятся  скважины в соответствии с  паспортом ведения буровзрывных работ, затем заряжаются и готовятся к взрыву. На время взрыва все работы в карьере прекращаются. После массового взрыва производится погрузка отбитой горной массы в транспортные средства и затем вывозится либо на обогатительную фабрику (полезное ископаемое), либо в отвал (пустая порода).

    Горная выработка — искусственная полость, сделанная в недрах земли или на поверхности. В зависимости от назначения, различают горные выработки разведочные и эксплуатационные. Первые используют для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, вторые — для разработки месторождений, то есть для извлечения полезных ископаемых из недр.

Эксплуатационные выработки, в свою очередь, в зависимости  от назначения разделяются на вскрывающие, подготавливающие и очистные.

    Вскрывающие выработки служат для вскрытия шахтного поля.

    Подготовительные выработки сооружаются для подготовки шахтного поля к разработке.

    В очистных выработках непосредственно ведется добыча полезных ископаемых.

    При проведении капитальных и подготовительных горных выработок в процессе погрузки горной массы производится установка временной призабойной крепи, затем возводится постоянная крепь; в крепких породах сразу устанавливают постоянную крепь. Крепление очистных выработок производится одновременно с выемкой полезного ископаемого той же бригадой рабочих, которая добывает полезное ископаемое. Крепление горной выработки производится в соответствии с утвержденным паспортом крепления, который составляют для каждой горной выработки; в нём указывается тип крепи, необходимое количество крепёжных материалов, порядок производства работ и т. п.

    Основные операции крепления капитальных выработок (стволов шахт, околоствольных выработок и др.) монолитным бетоном и сборными железобетонными крепями в большинстве случаев выполняются с применением передвижной механизированной опалубки, бетоноукладчиков, бетононасосов, крепеукладчиков (для сборных крепей) и др. средств механизации. В очистных выработках механизация крепления осуществлена за счёт применения передвижных механизированных крепей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ВЫБОР ФОРМЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ  РАЗМЕРОВ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ  ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

 

    Выбор формы  и поперечных размеров горной  выработки зависит как от величины  горного давления, так и от срока службы горной выработки./2/

    Форма поперечного сечения  выработки определяется удобством  ее эксплуатации, условиями сохранения  длительной ее устойчивости, материалом  и конструкцией крепи и другими  факторами. 

    Наиболее устойчива круглая форма поперечного сечения выработок с гладким контуром, но проведение ее очень трудоемко. Поэтому круглыми делают, как правило, выработки длительного срока существования, в первую очередь, вертикальные стволы, а в слабых породах иногда и главные откаточные горизонтальные выработки.

    Горизонтальные и наклонные  выработки имеют, как правило,  в устойчивых породах сечения  прямоугольное или в виде свода,  в недостаточно устойчивых —  трапециевидное, так как для организации  перемещения людей и грузов  необходима плоская подошва выработок. 
    Размеры поперечного сечения выработок определяются в зависимости от типа и размера транспортных устройств, величинами зазоров между оборудованием и крепью или стенками выработки, а в ряде случаев - необходимым количеством воздуха, которое требуется подать по выработке.  
    Применяют следующие виды горных выработок:

1)круглая форма применяется  при большом всестороннем давлении  и большом сроке службы горной  выработки. Данная форма так  же применяется при проведении  вертикальных стволов и при проведении вертикальных выработок небольшого сечения методом бурения.

2)прямоугольная форма применяется  в выработках, имеющих небольшое  горное давление, а так же небольшое  сечение самой выработки; при  проведении вертикальных выработок  (восстающих и стволов).

    Размеры поперечного  сечения стволов обуславливаются  их назначением. В горнодобывающей  промышленности в основном применяют  стволы диаметрами от 5 до 8,5 м  в свету. Размеры площади поперечного  сечения ствола определяются  в зависимости от размеров принятых подъемных сосудов, их расположения в стволе с соблюдением необходимых зазоров./3/ 

    Для выбора поперечных  размеров горной выработки руководствуемся  габаритными размерами скипов 1720х1900 мм, а так же допустимыми зазорами  при применении данного оборудования.

    По графическому построению  получили диаметр скипового ствола  D=5,5 м

    Определяем площадь поперечного  сечения ствола

    Sсв=πR², м²                                                                                                         (1)

где R=2,75 м – радиус ствола

    Sсв=3,14·2,75²=23,75 м²

Площадь поперечного  сечения в свету составила 23,75 м²

 

 

2 РАСЧЕТ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ  СВОЙСТВ ПОРОД

 

    Состояние  окружающего породного массива  характеризуют определенными физико-механическими свойствами. Достоверные сведения о физико-механических свойствах горных пород позволяют заблаговременно составить представление о характере возможных деформаций и степени устойчивости обнажений массива, а также служат основанием для разработки и внедрения наиболее эффективных методов разрушения горных пород при ведении горных работ, креплении и поддержании горных выработок./4/

    Под механическими  свойствами горных пород понимают  характеристики, определяющие способность  пород противодействовать деформированию и разрушению в сочетании со способностью упруго или пластически деформироваться под действием внешних механических сил. Механические свойства пород можно подразделить на прочностные, упругие и др. Прочность характеризует сопротивляемость породы раздавливающим, разрывающим и скалывающим нагрузкам. Пределом прочности называют напряжение, при котором образец породы разрушается. Большинство горных пород имеет зернистую структуру (например, песчаники), причем межкристаллическое сцепление значительно меньше прочности самих зерен. Такие горные породы являются хрупкими и разрушаются без предварительной пластической деформации. Глины и некоторые виды известняков обладают пластическими свойствами. Горные породы обладают достаточно высокой прочностью только на сжатие, сопротивление же их растяжению, сдвигу и изгибу очень мало и составляет десятые и сотые доли сопротивления сжатию.  При сложных процессах механического разрушения горных пород (бурение шпуров, применение проходческих комбайнов и т.д.) чаще находит применение термин «крепость горной породы».

    Крепость —  величина, приближенно характеризующая  относительную сопротивляемость  породы разрушению при добыче. Данные о физико-механических  свойствах горных пород получают  путем испытания их образцов на сопротивление сжатию, разрыву, изгибу и сдвигу.

    Определяем  предел прочности образцов горных  пород на сжатие:

     σ_сж = 10⁷ f , МПа                                                                                               (2)  

где f – коэффициент крепости пород.                                                                  

    σ_сж =10 ·10, МПа = 100 МПа                                                                         

    Определяем предел прочности  образцов горных пород на растяжение:

    σ_р = 0,1 σ_сж, МПа                                                                                               (3)

    σ_р =0,1·100=10 МПа

    Для получения прочностных  характеристик массива горных  пород через прочность образцов определяем коэффициент структурного ослабления по интенсивности трещиноватости.

для вертикальных стволов: половина длины окружности  π r/в                     

где В – линейный размер рассматриваемой  области массива, м;

       в – средний  размер структурного блока (куска), м.

для В/в > 14  К_с = 0,2

    Принимаем коэффициент  длительности прочности пород:

при ƒ=10        ξ=0,65

    Рассчитываем предел  прочности массива на сжатие:

    R_сж = σ_сж ּ К_с ּ ξ , МПа.                                                                                     (4)

    R_сж =100·0,2·0,65=13, Мпа

    Определяем коэффициент  и угол внутреннего трения  пород:

    tg φ = (σ_сж – σ_р ) / (σ_сж + σ_р )                                                                              (5)

    tgφ=(100-10)/(100+10)=39˚16             

    φ = аrсtg (tg φ), ^о =39˚16

В результате физико-механических свойств угол внутреннего трения составил 39˚16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО  СОСТОЯНИЯ ПОРОД

 

    Способ оценки напряженного состояния горных пород, основанный на измерении параметров упругих импульсов акустической эмиссии при образовании трещин в породе, отличающийся тем, что в исследуемом интервале горной выработки, по крайней мере, в двух точках, отстоящих одна от другой на расстоянии, сопоставимое с задаваемой глубинностью изучения массива вокруг выработки, синхронно измеряют разности времен или фаз между импульсами продольных и поперечных колебаний в каждой точке и между соответствующими импульсами по совокупности полученных данных определяют скорости распространения импульсов указанных типов колебаний, положение и величину сейсмического момента, линейные размеры трещин или угловые частоты спектра, по соотношению которых оценивают напряженное состояние горных пород./5/

   Оцениваем величину максимальных сжимающих (для боков) и минимальных растягивающих напряжений в кровле:

    σ_max = К₃γН, Па                                                                                                  (6)

где К₃ = 3 - коэффициент концентрации сжимающих напряжений на 

       протяженных участках  выработки 

    σ_max =3·2200·560=36,96·10 =36,96·10 Па

    Минимальные растягивающие  напряжения в вертикальных выработках  прямоугольной формы поперечного сечения:

     σ_min = К₅λ₁γН, Па                                                                                               (7)

где К₅ = 1 -  коэффициент концентрации растягивающих напряжений.

    σ_min =2·0,4·2200·560=9,856·10 =9,856·10 Па

    Определяем коэффициент бокового распора:

     λ₁=0,28/(1-0,28)=0,4

    Для выбора типа крепи в вертикальных горных выработках  определяется критерий устойчивости пород: 

    С = ,                                                                (8)

где k_сб=1 - коэффициент воздействия на ствол других выработок для

             протяженных участков

      Н_р=560 м - расчетная глубина рассматриваемого участка от поверхности.

     (Н_р = Нk, здесь k = 1,5 для районов, подверженных движениям

      земной коры и в зонах тектонических нарушений; в других 

      случаях k = 1);