МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Под механическим разрушением горных пород принято понимать технологи­ческое отделение от массива и дробление твердого вещества литосферы за счет использования механической энергии.

В современной горнодобывающей индустрии механическое разрушение гор­ных пород производится за счет ударных нагрузок или усилий резания.

На разрушении массива за счет энергии удара основываются основные спосо­бы бурения прочных горных пород — ударно-вращательное, ударно-поворотное и шарошечное.

В результате удара инструмента по забою шпура (скважины) кинетическая энергия инструмента (энергия ударного импульса) затрачивается на дробление породы и вытеснение отделившихся частиц из образующейся лунки. Очевидно, чем большая доля энергии затрачивается на поступательное движение инструмен­та, тем большее значение приобретают удары для разрушения. При ударных спо­собах бурения вследствие принудительного вращения инструмента при последу­ющих ударах разрушаются новые участки забоя скважины.

При ударном и ударно-вращательном способах бурения разрушение поро­ды происходит в основном в результате последовательных ударов инструмента по забою. Инструмент движется возвратно-поступательно и вращается, при этом обеспечивается разрушение породы по всей площади забоя. В машинах ударно­го бурения, как правило, принудительный поворот инструмента осуществляет­ся только при его возвратном движении, поэтому такие машины иногда называ­ют ударноповортными.

При вращательно-ударном бурении инструмент вдавливается в породу под действием динамических нагрузок, как при вращательном способе.

Бурение шарошечными долотами может быть отнесено к ударному, если раз­рушение происходит только в результате перекатывания шарошки по забою, и к вращательно-ударному, если, кроме того, наблюдается скольжение зуба шарош­ки по забою.

Разрушение горных пород за счет усилий резания составляет основу враща­тельного способа бурения малопрочных горных пород, разработки этих пород экскаваторами непрерывного действия (роторными или многоковшовыми), а так­же комбайновой и струговой добычи горючих полезных ископаемых — углей и го­рючих сланцев.

В мировой практике открытых горных работ наиболыпее распространение получили роторные экскаваторы, позволяющие обеспечивать большие усилия ко­пания и высоту уступов. Эти экскаваторы отличаются высоким КПД, относитель­но небольшим износом элементов рабочего оборудования, универсальностью. Производительность этих экскаваторов колеблется от 200 до 19000 м3/ч при высо­те уступов от б до 50 м.

Многоковшовые цепные экскаваторы применяются при разработке отно­сительно мягких горных пород с удельным сопротивлением копанию до 0,6 — 0,7 МПа. Цепные экскаваторы, применяемые на горнодобывающих предприятиях, имеют производительность от 300 — 400 до 6000 м3/ч.

На открытых горных работах широко используются специализированные машины для механического рыхления горных пород. Бульдозеры используются для послойной разработки горных пород с пределами прочности на сжатие до 40 МПа.

Рыхлители на базе мощных промышленных тракторов применяются для безвзрывной подготовки к выемке и погрузке разрабатываемых горных пород с пре­делом прочности на сжатие до 90 МПа, а также мерзлых и трещиноватых скаль­ных пород.

Колесные скреперы применяются для послойной разработки горных пород с пределами прочности на сжатие до 40 МПа с последующим транспортированием и укладкой этих пород.

Достаточно широко применяется механическое разрушение горных пород в процессе вторичного дробления крупногабаритных кусков, образующихся при взрывном дроблении горного массива.

Для этих целей в крановых бутобоях используют энергию удара падающего груза массой до 3 — 5 т.

Для дробления негабарита созданы также различные типы пневматических и гидропневматических бутобоев, выполняемых либо как стационарные установ­ки на перегрузочных пунктах, либо как навесное оборудование к экскаваторам.

Наиболее широкое применение механического разрушения пород непосред­ственно на добыче полезных ископаемых имеет место в угледобывающей про­мышленности.

Эффективность механического разрушения угля зависит прежде всего от его прочности и крепости. Интегральным показателем усилия резания является со­противляемость угля резанию.

Сопротивляемость угля резанию — характеристика сопротивления, оказыва­емая углем разрушению режущим инструментом. Показателем сопротивляемо­сти резанию А (кН/см) является приращение силы резания на один сантиметр тол­щины стружки.

Между сопротивляемостью угля резанию А и коэффициентом крепости / су­ществует корреляционная зависимость вида А = 1,5/.

Угольные пласты с сопротивляемостью резанию до 1,8 кН/см благоприятны для применения стругов; 1,8 — 2,4 кН/см — для обычных комбайнов и стругов от­рывного действия с высокой энерговооруженностью; 2,4 — 3,6— для очистных комбайнов высокой энерговооруженности.

Механическое разрушение при добыче угля осуществляется исполнитель­ным органом очистного комбайна. Очистной угольный комбайн — машина, одно­временно выполняющая в забое операции по отделению угля от массива, дробле­нию его до кусков транспортабельного размера и навалке на забойный конвей­ер. Угольный комбайн как выемочная машина состоит из электродвигателя, по­дающей части, исполнительного органа, погрузочного устройства и других узлов.

Действие исполнительных органов большинства комбайнов основано на принципе механического разрушения угля. Наиболее эффективными являются такие исполнительные органы, при работе которых в угле возникают растягиваю­щие напряжения без образования объемного напряженного состояния.

Струговая установка — выемочная машина, предназначенная для механиче­ской отбойки, погрузки и доставки угля в очистных забоях. Исполнительным ор­ганом установки является струг. При движении вдоль забоя прижимаемого к нему струга снимается стружка угля толщиной 100—150 мм. Отбитый таким образом уголь корпусом струга грузится на конвейер. В отече-ственной практике струго­вые установки распространения не получили.

Механическое разрушение углей и пород при проходке выработок осущест­вляется исполнительным органом проходческого комбайна. Распространены ис­полнительные органы с коническими резцовыми коронками или шаровыми фре­зами, установленными на стреле.

К механическому способу разрушения по сути своей относится и гидравличе­ское разрушение.

Гидравлическое разрушение горных пород основано на использовании кине­тической энергии струи воды, выбрасываемой из гидромонитора. Считается, что эффективная отбойка происходит при напоре, развиваемом гидромонитором.

Гидравлическое разрушение применяют на открытых работах при разработ­ке наносных отложений (вскрышные работы) и в отдельных случаях при подзем­ной добыче угля. В зависимости от крепости угля применяют гидравлическое, взрывогидравлическое и гидромеханическое разрушение.

Гидромонитор — устройство, служащее для создания (формирования) плот­ной летящей с большой скоростью водяной струи и управления ею при размыве и отбойке полезного ископаемого или породы.

На шахтах, где осуществляется гидродобыча, для выемки угля и проведения горных выработок применяются гидромониторы, развивающие давление воды 12-16 МПа.

Наиболее широкое распространение гидравлический способ разрушения массивов приобрел при разработке рассыпных месторождений полезных иско­паемых.

Кроме этих основных способов разрушения горных пород в той или иной сте­пени готовности к массовому применению находятся разработки по использова­нию тепловой энергии сред разрушения горных пород за счет эффекта теплового расширения твердых тел. Здесь можно выделить также принципиальные направ­ления:

нагревание породы внешним источником тепла;

нагревание породы за счет электрофизических излучений.

Эти направления представлены единичными экспериментальными работами по созданию специализированного горного оборудования с инфракрасными или высокочастотными излучателями. Полученные результаты, пока только обнаде­живают технологов своими дальними перспективами, но не дают оснований для разработки полупромышленных и тем более промышленных установок.