Основные производственные процессы
Общие сведения
При очистной выемке руды выполняются следующие основные производственные процессы: отбойка руды, вторичное дробление, выпуск и доставка руды до откаточного горизонта, управление горным давлением. На эти процессы приходится до 50 % всех затрат труда при подземной добыче руд. Взаимовлияние основных производственных процессов на их технико-экономические показатели весьма существенно. Плохое дробление руды при отбойке и в блоке обусловливает рост затрат на вторичное дробление и снижение производительности доставки. Вторичное дробление руды с помощью взрывных работ вызывает простои в выполнении других работ, например по выпуску руды. Поэтому качественное выполнение предыдущего производственного процесса благоприятно влияет на выполнение последующего.
Особенности рудных месторождений (см. подразд. 5.1) существенно влияют на содержание технологических, процессов при очистной выемке руды, обусловливают другие приемы и средства их осуществления по сравнению с угольными месторождениями.
Способы отбойки руды
Отбойка — это процесс отделения части руды от массива в блоке с одновременным дроблением ее на куски. Она должна обеспечивать более полное отделение руды от массива в пределах проектного контура, минимальные законтурные обрушения массива и хорошее качество дробления. Отбойка руды осуществляется с применением буровзрывных работ, механических средств и самообрушения. Выбор способа отбойки руды зависит от таких факторов, как физико-механические свойства руды, горно-геологические условия и принятая система разработки.
При подземной добыче в основном применяют взрывную отбойку. Ее превалирующее значение в обозримом будущем сохраняется. Применяют следующие способы взрывной отбойки: шпуровой, скважинный и минный (сосредоточенными зарядами).
При шпуровой отбойке в рудном массиве бурят шпуры глубиной до 5 м и диаметром до 75 см. Наиболее распространены шпуры глубиной 2–3,5 м, диаметром 40–50 мм, Применяют вращательное, ударно-поворотное и ударно-вращательное бурение шпуров. Вращательное бурение электросверлами на рудниках применяют довольно редко, при крепости руд до 4–6. В основном применяют ударно-поворотное бурение пневматическими перфораторами или ударно-вращательное бурение пневматическими или гидравлическими перфораторами. Применяют ручные (на пневмоподдержке), телескопные и колонковые перфораторы на самоходных буровых установках.
В качестве взрывчатых веществ применяют патронированные порошкообразные (аммонит № 6ЖВ, скальный аммонит, детонит) или рыхлые гранулированные ВВ (гранулит, зерногранулит). Применяют как ручное, так и механизированное заряжание шпуров.
Выемка руды при шпуровой отбойке может быть слоевой, потолкоуступной и подэтажной (рис. 5.6).
Выемка слоев может осуществляться как в нисходящем, так и в восходящем порядке. Шпуры в слоях располагают горизонтально или вертикально. Их рекомендуется бурить перпендикулярно к основной системе трещин.
Рис. 5.6. Схемы шпуровой отбойки руды:
а — слоевая выемка в нисходящем порядке с отбойкой горизонтальными шпурами; б — слоевая выемка в нисходящем порядке с отбойкой вертикальными шпурами; в — слоевая выемка в восходящем порядке с отбойкой горизонтальными шпурами; г — слоевая выемка в восходящем порядке с отбойкой вертикальными шпурами; д — потолкоуступная выемка; е — подэтажная отбойка
Основные показатели шпуровой отбойки: удельный расход ВВ — 0,6–3 кг/м3, производительность труда бурильщика — 5–50 м3/чел-смену при бурении ручными перфораторами. Она значительно возрастает при применении современных бурильных машин.
К достоинствам шпуровой отбойки следует отнести: мелкое и более равномерное дробление руды, возможность применения в маломощных рудных телах и при неустойчивых вмещающих породах, меньше потери и разубоживание. Недостатки: сравнительно высокая трудоемкость, неблагоприятные условия труда при обслуживании бурильных машин.
Основные условия применения шпуровой отбойки: рудные залежи мощностью до 5–8 м при любых углах падения; мощные залежи при отбойке руды из очистного пространства; системы разработки с искусственным поддержанием очистного пространства; ценные руды со сложным залеганием.
При разработке мощных рудных тел (больше 6–8 м) широко применяется отбойка руды взрыванием зарядов в скважинах глубиной до 40–60 м и более, диаметром 60–150 мм. Скважины большого диаметра (100–150 мм и больше) применяют при массовой отбойке, т.е. при одновременном обрушении значительных объемов руды.
Рис. 5.7. Схема отбойки руды скважинами на компенсационное пространство (а) и в зажиме (б):
1 — подсечка камеры; 2 — компенсационная камера; 3 — скважина; 4 — руда в зажиме
Скважинная отбойка руды может осуществляться на открытое компенсационное пространство или в зажиме (рис. 5.7), т.е. на пространство, заполняемое раздробленной горной массой. Чтобы получить нормально разрыхленную руду, объем руды, отбиваемой на компенсационное пространство, не должен более чем вдвое превышать объем этого компенсационного пространства. Отбойка в зажиме применяется в мощных залежах при крепких к средней крепости рудах, не склонных к слеживанию. Отбойка в зажиме позволяет снизить выход негабарита и интенсифицировать процесс выпуска и доставки руды.
Скважинная отбойка руды осуществляется вертикальными, горизонтальными или наклонными слоями. Наиболее распространена отбойка вертикальными слоями. Перед началом отбойки руды буровзрывными работами образуют вертикальную отрезную щель, являющуюся начальным открытым компенсационным пространством. Как правило, в нижней части очистного блока над выпускными выработками делают подсечку в виде горизонтальной щели.
Расположение скважин в отбиваемом вертикальном слое может быть параллельным и веерным (рис. 5.8). При параллельном расположении скважин в ряду достигается более равномерное дробление руды, но увеличиваются затраты на буровзрывные работы, что связано с необходимостью проведения буровых выработок, перемещением бурового станка и пр. При веерном расположении скважин дробление руды оказывается неравномерным, но меньше затраты на их бурение, так как все скважины веера бурят с одной установки бурового станка.
Рис. 5.8. Параллельное (а) и веерное (б) расположение скважин
Обычно применяют многорядное (до 5 слоев) короткозамедленное взрывание скважин. Расстояние между рядами скважин и между скважинами в ряду 2–2,5 м.
В практике отбойки руды применяют также параллельно сближенные и пучковые комплекты скважин.
В настоящее время применяются следующие способы бурения скважин:
• штанговое — тяжелыми телескопными колонковыми перфораторами. Диаметр скважин 50–70 мм. Глубина бурения от 12–15 до 20–25 м и более при крепости руды от 6 до 14. Производительность бурения 30–70 м/смену. Широко применяются самоходные буровые установки;
• погружными пневмоударниками. Диаметр скважин 85, 100 мм и более. Производительность бурения зависит от крепости руд и колеблется от 5–7 (очень крепкие руды) до 15–20 м/смену;
• шарошками, армированными твердыми сплавами. Диаметр скважин 150 мм и более. Глубина бурения 50–60 м. Применяется в крепких и весьма крепких рудах. Производительность шарошечного бурения выше пневмоударного в 2–3 раза;
• вращательное твердосплавными и алмазными кольцевыми коронками. Диаметр скважин 80–100 мм. Крепость руд 6–8. Производительность бурения 20–40 м/смену.
Заряжают скважины, как правило, гранулированными ВВ. Детонирование заряда ВВ в скважине осуществляется детонирующим шнуром, проходящим вдоль заряда по всей длине скважины. Короткозамедленное взрывание осуществляется специальными электродетонаторами или пиротехническими замедлителями. Заряжают скважины пневмозарядниками.
Преимущества скважинной отбойки заключаются в увеличении производительности труда по отбойке в 2–3 раза, повышении безопасности работ, снижении запыленности рудничного воздуха, возможности применения более производительных систем разработки. К недостаткам следует отнести более высокое разубоживание руды, повышенный выход негабарита, что ведет к росту затрат на вторичное дробление, увеличение потерь руды при выпуске рудной массы и др.
Минная отбойка представляет собой отбойку руды взрыванием сосредоточенных зарядов большой массы, размещаемых в специально проводимых выработках. Она применяется при разработке мощных рудных тел, представленных крепкими рудами, а также при обрушении междукамерных целиков и потолочин, в которых имеются необходимые выработки для размещения сосредоточенных зарядов.
Механическая отбойка применяется при добыче комбайнами относительно мягких руд (марганца, калийной соли).
Самообрушение как наиболее экономичный способ отделения руды от массива применяется крайне редко. Оно происходит в очистных блоках под действием собственного веса трещиноватых руд и давления налегающих пород. При этом способе невозможно управлять качеством отбойки.
Вторичное дробление руды
По условиям технологического процесса отбитая руда должна иметь куски определенной крупности. Максимально допустимый размер кусков, на который рассчитываются выпускные выработки и все погрузочное и транспортное оборудование, называется кондиционным. Размер кондиционных кусков обычно принимают от 300–400 до 800–1000 мм, при разработке тонких жил — 200–250 мм. При отбойке руды взрывным способом образуется некоторое количество некондиционных, крупных кусков, так называемых негабаритов. Выход негабарита составляет 5–12% при больших размерах негабаритного куска и достигает 20–25% при небольших размерах. Чтобы обеспечить транспортабельность таких кусков, их необходимо подвергнуть дополнительному дроблению на более мелкие куски, т.е. осуществить вторичное дробление.
Для дробления негабарита применяют взрывчатые вещества или механические дробилки. При дроблении взрывчатыми веществами используют накладные или шпуровые заряды, глубиной 15–20 см. Наиболее распространен взрывной способ дробления негабарита.
Вторичное дробление руды может осуществляться в самом очистном пространстве, если в него возможен безопасный доступ, в выпускных и доставочных выработках. Иногда для вторичного дробления образуют специальные выработки (выработки горизонта дробления при донном выпуске руды).
Рис. 5.9. Схемы вторичного дробления в выпускной выработке при доставке скреперной (а), вибропитателем (б) и самоходным оборудованием (в): 1 — фугасный заряд; 2 — скрепер; 3 — вибропитатель; 4 — накладной заряд; 5 — самоходная погрузочная машина; 6 — негабарит
Взрывной способ дробления негабарита может осуществляться в горловине выпускной выработки на вибропитателе, на почве доставочной выработки с самоходным оборудованием (рис. 5.9).
Чаще всего при выпуске руды негабаритные куски зависают в горловине выпускной выработки.
Ликвидируют эти зависания фугасными зарядами массой до 10 кг, которые прикрепляют к деревянным шестам. Для ликвидации высоких зависаний испытаны специальные стреляющие системы-гранатометы. Негабаритные куски, прошедшие через горловину выпускной выработки, подвергаются вторичному дроблению на почве выработки или непосредственно на вибропитателе. При доставке руды самоходным оборудованием негабаритные куски складируют самой машиной в дробильной камере или в каком-либо другом месте, а затем подвергают дроблению взрывным способом.
Другие, невзрывные способы дробления негабаритных кусков в подземных рудниках широкого применения не нашли. Иногда используют стационарные бутобои грохотов в выработках вторичного дробления руды.
Выпуск и доставка руды
Значение доставки руды как технологического процесса очистной выемки очень велико. Доля затрат на доставку руды достигает 50% всех затрат на очистную выемку. Под доставкой руды понимают перемещение рудной массы от мест отбойки до транспортных выработок блока (откаточных штреков или ортов). В пределах блока сначала осуществляется выпуск рудной массы, самотечная доставка, а затем ее транспортирование различными механическими средствами к местам погрузки в рудничные вагонетки.
Выпуск руды — это перемещение ее по очистному пространству под действием собственного веса. Различают выпуск донный к торцевой.
При донном выпуске в нижней часта блока образуют специальные выпускные выработки (воронки или траншеи), через которые отбитая руда по всей площади блока поступает в доставочные выработки и по ним транспортируется скреперными установками.
Воронки (рис. 5.10) для выпуска руды представляют собой выпускные отверстия. Их устраивают по всему днищу блока. Воронки имеют форму усеченного конуса или усеченной пирамиды. Диаметр воронки по верху составляет 6–12 м. Их применяют при небольшой мощности залежей или при недостаточно устойчивых рудах.
В рудных залежах средней мощности и мощных с крепкими устойчивыми рудами в днище блока вместо воронок устраивают траншеи (рис. 5.11). Траншея в поперечном сечении имеет форму опрокинутой трапеции. В основании трапеции через 6–8 м по ее длине проходят короткие рудоспуски (дучки), со 
единяемые нишами с доставочной выработкой. При торцевом выпуске руды (см. рис. 5.19) надобность в устройстве выпускных выработок отпадает. Руда с торца доставочной выработки перемещается по ней механизированным способом. При этом используется самоходное оборудование, или вибропитатели и конвейеры. По мере выпуска руды доставочная выработка погашается, а пункт ее погрузки в средства механизированной доставки перемещается. Отсутствие выпускных воронок обусловливает снижение затрат на проведение подготовительно-нарезных выработок в блоке.
Следующим этапом транспортирования руды в пределах блока является ее доставка к пунктам погрузки различными механическими средствами. Применяются следующие виды механической доставки: скреперная, самоходным оборудованием, питателями и конвейерами.
Скреперная доставка благодаря сравнительной простоте имеет довольно широкое распространение. Скреперная установка (рис. 5.12 ) — это транспортное средство периодического действия и состоит из скреперной лебедки, скрепера, головного и хвостового канатов, концевого и поддерживающего блоков. Транспортирование руды осуществляется посредством возвратно-поступательного движения скрепера. К месту погрузки скрепер перемещается с помощью хвостового каната. Двигаясь в обратном направлении с помощью головного каната, скрепер, внедряясь в рыхлую рудную массу, самозагружается и доставляет ее волоком к месту разгрузки. Скреперование осуществляется по доставочным выработкам, куда руда поступает через выпускные выработки под действием собственного веса. В этих же выработках обычно осуществляется дробление негабаритных кусков накладными зарядами.
Комплекс выпускных и доставочных выработок, в которых осуществляются скреперование и вторичное дробление руды, называют горизонтом скреперования.
При скреперовании руды применяют следующее оборудование: двухбарабанные и иногда трехбарабанные скреперные лебедки мощностью от 7 до 100 кВт; скреперы гребкового или ящичного типа вместимостью от 0,1 до 2 м3; канаты диаметром от 10 до 28 мм. Дальность транспортирования от 15 до 35 м и более.
Производительность скреперной установки зависит от мощности скреперной лебедки, вместимости скрепера, дальности транспортирования и размера кондиционных кусков. Колеблется она в широких пределах: от 20 до 350 т/смену.
Скреперная доставка руды отличается конструктивной простотой и небольшой стоимостью оборудования, малыми затратами на его монтаж и доставку. Недостатками являются сравнительно малая производительность и частое расположение рудоспусков. Несмотря на простоту, скреперная доставка стала вытесняться самоходным оборудованием, хотя ее применение не исключается в некоторых горно-геологических условиях и в будущем.
Самоходным называют безрельсовое оборудование, имеющее самостоятельный привод для передвижения. Оно выполняется на шинном, реже на гусеничном ходу. Его применяют для транспортирования как в открытом очистном пространстве, так и в доставочных выработках.
Самоходное оборудование бывает с дизельным, электрическим (кабельным или троллейным) и пневматическим приводом. Более мощное оборудование выпускают с дизельным или электрическим кабельным приводом. Применение дизельных машин обусловливает подачу дополнительного количества воздуха для проветривания выработок.
Самоходные машины для доставки руды можно разделить на три группы: погрузочные, доставочные и погрузочно-транспортные машины.
Погрузочные машины осуществляют только погрузку рудной массы в транспортные средства. К ним относятся машины с нагребающими лапами, подземные экскаваторы и ковшовые погрузчики.
Погрузочные машины типа ПНБ применяют при мелкокусковатой руде. Подземные экскаваторы типа ЭП применяют для погрузки руды при отработке пологих залежей мощностью не менее 4,5–5 м в открытом очистном пространстве. Вместимость ковша 1–2 м3. Ковшовые колесные погрузчики, обладающие высокой маневренностью, имеют вместимость ковша 1–3 м3. Они могут использоваться и для доставки руды на небольшое расстояние (до 300 м).
К доставочным машинам, осуществляющим доставку рудной массы, относятся подземные автосамосвалы и самоходные вагонетки. Самоходная вагонетка на пневматическом ходу представляет собой короб длиной 8–10 м, в дне которого смонтирован скребковый или пластинчатый конвейер, обеспечивающий равномерность распределения рудной массы при загрузке и последующую выгрузку из вагонетки. Привод вагонеток обычно дизельный, иногда электрический. Вместимость вагонеток 10–15 т, скорость движения до 8–10 км/ч. Большей частью их применяют для доставки мягких неабразивных руд. Автосамосвалы на подземных работах используют для доставки и транспортирования руды на значительные расстояния (до 2500 м и более). В основном применяют автосамосвалы с опрокидным кузовом. Грузоподъемность автосамосвалов 10–40 т. Скорость движения до 40–45 км/ч.
Погрузочно-транспортные машины (ПТМ) совмещают в себе функции погрузочных и доставочных машин. Они имеют дизельный или электрический привод, оборудованы ковшовыми погрузчиками. Доставка руды осуществляется либо в бункерах машины (машина типа ПТ), либо непосредственно в ковше (машины типа ПД). Вместимость бункера колеблется от 1—2,5 до 3—10 м3, ковша от 0,15—0,5 до 3—5 м3 и более. Скорость движения 20—40 км/ч.
На подземных рудниках получили широкое распространение такие стационарные установки непрерывного действия, как питатели и конвейеры. С их помощью доставляются от 10 до 20% руд.
Питатели — это короткие конвейеры длиной до 6–8 м, служащие для погрузки руды в другие средства механизированной доставки, в рудоспуски или непосредственно в рудничные вагонетки (см. рис. 5.9, б). Наиболее распространены вибрационные питатели (вибропитатели). Их применяют при любой крупности и абразивности, не склонных к слеживаемости рудах. Вторичное дробление негабарита производят на лотке вибропитателя. При применении виброустановок производительность доставки увеличивается примерно в 3 раза по сравнению со скреперной доставкой. Для доставки руды применяют вибрационные, скребковые и пластинчатые конвейеры. На мягких рудах находят применение ленточные конвейеры. Они служат для доставки руды до рудоспусков от выпускных отверстий или других средств механизированной доставки. На базе конвейеров возможен поточный транспорт руды от блока до поверхности.