ОБЩИЕ ООЛОЖЕНИЯ РАЗРАБОТКИ НЕРУДНЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ И ШТУЧНОГО КАМНЯ

К этой категории полезных ископаемых относятся все виды минерального сы­рья, которые после их добычи используются без или почти без какой-либо перера­ботки. Хотя достаточно четкой границы здесь провести нельзя, и в этом делении сегодня больше традиционности, чем физического содержания.

Наиболее масштабной среди природных стройматериалов является добыча песка и различных глин, которые составляют основу современной строительной индустрии.

Разработка месторождений этих полезных ископаемых производится с при­менением механического разрушения различными машинами. В общем, здесь су­ществуют очень значительные аналогии с разработкой россыпных месторожде­ний (см. раздел 8.1).

Особую специфику здесь имеет только добыча блоков горных пород, при ко­торой применяются достаточно сложные геотехнологии.

■ 9.1. ДОБЫЧА КАМНЯ (БЛОКОВ ГОРНЫХ ПОРОД)

Горные породы издавна используются человеком для прикладных целей. Породы, добываемые из земных недр в виде каменных глыб — блоков или плит, представляют собой исходное сырье для производства облицовочных материалов, а также архитектурно-строительных, монументальных и некоторых технических изделий.

На территории нашей страны в качестве декоративно-обллцовочных камней используются следующие типы горных пород:

магматические — граниты, гранитогнейсы, гранодиориты, диориты, габбро-диориты, габбро-диабазы, пироксениты, сиениты, порфириты и др.;

метаморфические — кварциты, кварцитопесчаники, мраморы, амфиболи­ты;

осадочные — известняки, доломиты, песчаники, гипсы.

К основным факторам, определяющим практиче-скую ценность облицовоч­ных материалов, относятся декоративность, долговечность, блочность и физико- технические характеристики пород.

Наибольшее применение в строительстве получили изверженные породы: гранит, сиенит, диорит, габбро, лабрадорит.

Гранит — наиболее распространенная глубинная порода. Минеральный со­став гранитов характеризуется наличием следующих компонентов: кварц, ще- лочнои полевой шпат, кислый плагиоклаз, биотит, мусковит, иногда роговая об­манка. Строение породы— однородное с равномернозернистой структурой В гранитах наблюдается иногда порфировидное строение вследствие разви­тия крупных кристаллов полевого шпата, что придает ему особо высокую деко­ративность. Граниты имеют плотность 2600-2700 кг/м3, малую пористость — в среднем 1,5 %, незначительное водопоглощение — не более 0,6 %, предел прочно­сти при сжатии 120 - 250 МПа, хорошую сопротивляемость истиранию Чаще гра­ниты имеют серую окраску различных оттенков, реже розовую, красную Очень

редки граниты голубовато-зеленой окраски. Встречаются также очень светлые почти белые граниты. '

Используют гранит для облицовки цоколей, порталов, устройства полов и лест­ниц с интенсивным движением людских потоков, облицовки набережных и т п Гранит — порода монолитная, позволяющая получать блоки больших размеров

Диорит — глубинная зернистая порода, состоящая главным образом из пла­гиоклаза и темного минерала (пироксена или биотита). Кроме того, в состав ди­орита небольшим количеством входит кварц. Окраска диоритов — серая или

зеленовато-серая, при преобладании темных минералов, переходящая в почти черную.

Й™ ПЛОХ° пРинимают полировку. Предел прочности при сжатии 150- J00 МПа. Залегают диориты в виде штоков, иногда образуют крупные массивы

11рименяют их для наружных облицовок, а также для изготовления ступеней и по­крытия полов.

Сиенит — глубинная зернистая порода. Главными составляющими являются калиевыи полевой шпат и темный минерал (пироксен, биотит), кварц отсутству­ет или имеется в небольшом количестве. Структура сиенитов близка к гранитам и часто носит порфировидный характер. Структура сиенитов — полнокристалличе­ская, обычно среднезернистая.

опп J]™Tb сиенитов 2700 кг/м3, предел прочности при сжатии примерно zOO МПа.

Применяют их в строительстве аналогично гранитам.

Габбро — кристаллическая глубинная порода среднезернистой структуры, со­стоящая из плагиоклаза и темных минералов (пироксена, оливина, роговой обман­ки). Цвет — от серого до черного. Плотность колеблется в пределах 2700 - 3200 кг/ м , а предел прочности при сжатии 200 - 300 МПа.

Габбро пригодны для наружной отделки зданий, настилки полов, сооружения памятников.

Лабрадорит — является габбро-норитовой породой и характеризуется преоб­ладанием кристаллов Лабрадора, имеющих иногда голубую, синюю, реже золоти­стую иризацию. Чем больше иризирующих кристаллов в лабрадорите, тем выше свойства породы. Плотность породы в пределах 2600 - 2900 кг/м3, предел прочно­сти при сжатии 200 - 280 МПа.

Применяется для наружных и внутренних облицовок, широко используется при сооружении памятников.

Из группы эффузивных пород чаще всего используются:

Диабаз — изверженная порода полнокристаллической структуры, состоящая из плагиоклаза и авгита. Цвет темно-серый или зеленовато-черный. Плотность 2900 - 3100 кг/м3, предел прочности при сжатии около 220 - 280 МПа.

Применяется для наружной отделки зданий, настилки полов, изготовления дорожной шашки, брусчатки и бортового камня.

Базальт — изверженная излившаяся порода. Состоит из плагиоклаза, авгита оливина, магнетита. Структура неполнокристаллическая, мелкозернистая. Цвет 201

8 Основы горного дела

базальта темно-серый или черный. Плотность 2800 — 3000 кг/м3, предел прочности при сжатии 100 — 400 МПа. Особо плотные базальты используются для облицовок в гидротехническом строительстве. Благодаря малому коэффициенту температур­ного расширения из базальта изготавливают мерные плиты и измерительный ин­струмент высшего класса.

Пористые разновидности базальта хорошо обрабатываются и применяются для изготовления наружных облицовок.

Андезит — изверженная излившаяся порода неполнокристаллической структуры. Состоит из плагиоклаза и темноцветных минералов. Цвет серый и темно-серый. Плотность 2900 кг/м3, предел прочности при сжатии 140 — 250 МПа. Плотные андезиты применяются преимущественно в виде плит для кислостойких облицовок.

Из группы метаморфических пород в качестве облицовочного камня наи­более широко применяются мраморы. Гораздо реже используются кальциты. Промежуточное положение между осадочными и метаморфическими карбонат­ными породами занимают широко использующиеся мраморированные извест­няки.

Мрамор — полнокристаллическая порода, состоящая из зерен кальцита и до­ломита. В мраморах часто присутствуют кварц, графит, гематит, лимонит, хлорит, гранат и другие минералы. Текстура может быть массивной, слоистой, полосча­той, мозаичной. Мрамор имеет самую различную окраску — от чисто-белой до черной, а также розовую, голубую, желтую, зеленую и др. Неравномерное рас­пределение примесей вызывает полосчатую или пеструю, пятнистую окраску. Большое значение для оценки декоративных качеств мрамора имеет его просве­чиваемость, т. е. способность пропускать свет на глубину. Некоторые разновид­ности мрамора просвечиваются на глубину 3 — 4 см. Плотность мрамора в среднем составляет 2700 кг/м3, предел проч-ности при сжатии 70—150 МПа. Мраморы хо­рошо пилятся, шлифуются и полируются. Широко применяются для внутренних облицовок зданий.

Мраморизованные известняки незначительно отличаются от мрамора по внешнему виду и техническим свойствам кристаллической структуры. Плотность их достигает 2700 кг/м3, а предел прочности при сжатии — до 170 МПа. Цвет раз­нообразен, сходен с цветом мрамора. В отличие от мрамора мраморированные из­вестняки несколько хуже обрабатываются.

Кварцит — метаморфическая горная порода, образовавшая из кварцевого песчаника. Кварциты характеризуются высокой механической прочностью, кис- лото- и щелочеупорностью, малой пористостью. Они хорошо полируются, но их обработка ввиду высокой твердости трудна и дорога, что ограничивает их приме­нение в качестве декоративного камня. Цвет серый, красный и малиново-красный разных оттенков, реже чисто-белый. Плотность 2000 - 2600 кг/м3, предел проч­ности при сжатии 206 — 557 МПа.

Породы средней прочности охватывают широкую гамму горных пород с пре­делом прочности на сжатие 40—150 МПа. При разработке месторождений пород средней прочности применяется технология добычи блоков с использованием камнерезных машин. Однако в отличие от добычи низкопрочных пород разработ­ка месторождений пород средней прочности характеризуется значительно боль­шим разнообразием применяемых средств резания камня, в которых использу­ются рабочие органы, основанные на различных принципах направленного раз­рушения горных пород.

При разработке месторождений камня с большим значением предела проч­ности при сжатии и при наличии включений твердых пород (кварца, диорита и

др.) применяются комбинированные способы добычи блоков (рис. 9.1, см. вкл.). Помимо камнерезных машин используются средства направленного создания тре­щин. Таким образом, разработка месторождений пород средней прочности близ­ка к технологии добычи прочных пород. Совершенство технологии добычи блоков определяется эффективностью средств резания. В большей степени она зависит от средств проходки щелевых выработок и рациональности их использования.

Средствами проходки щелевых выработок выполняется основной производ­ственный процесс добычи блоков камня — подготовка пород к выемке, т. е. отде­ление монолитов или блоков от массива, на который приходится основная доля трудозатрат. Именно эти работы определяют эффективность всего добычного цикла. В связи с этим оборудованию для этого процесса будет отведено главное место при описании структур механизации горных работ.

Добыча блоков камнерезными машинами с кольцевыми фрезами. На карьерах для добычи мраморных блоков используются машины с кольцевыми фрезами, из которых наибольшее распространение получила CM- 177А. В настоящее время вы­пускается модернизированный вариант этой машины — СМР-028, в котором ре­шены задачи автоматизации некоторых процессов резания. Машина СМР-028 представляет собой Г-образную самоходную раму, перемещающуюся по рельсам, уложенным вдоль забоя: один рельс на подошве уступа, второй — на верхней его площадке. По направляющим рамы, расположенным перпендикулярно к рельсам, перемещается пильная тележка с режущими органами. На раме установлены хо­довая часть машины с тросовыми барабанами для рабочих перемещений машины и тележки, привод ходовой части, домкрат, гидронасосная установка, пульт управ­ления. На пильной тележке смонтированы вертикальные фрезы, консоль с гори­зонтальной фрезой, привод вертикальных фрез и привод горизонтальной фрезы.

Поперечные пропилы в горном массиве производятся перпендикулярно рель­совому пути при перемещении пильной тележки с режущими органами по на­правляющим неподвижной рамы. При движении машины с неподвижной теле­жкой производятся одновременно горизонтальные и тыльные пропилы, т. е. от­деление блока от массива. В случае необходимости пропилы делаются раздельно: сначала горизонтальный, затем тыльный.

Добыча блоков баровыми камнерезными машинами. В современном исполне­нии режущий орган баровых машин представляет собой так называемый бар — плоскую удлиненную конструкцию, соотношение длины и ширины которой 6:1. По периферийной части бара скользит цепь, звенья которой снабжены режущи­ми зубками из твердого сплава. Корпус бара прикреплен одним концом к маши­не, которая в процессе работы перемещается по мере выполнения пропила вдоль забоя.

Процесс добычи блока баровой машиной заключается в отделении его от мас­сива по трем взаимно-перпендикулярным плоскостям. Порядок производства ра­бот остается таким же, как и при работе камнерезных машин с кольцевыми фре­зами.

Добыча блоков канатно-пильными установками. При использовании этих установок, рабочим инструментом которых является канатная пила с контуром значительной длины, добыча блоков чаще всего осуществляется в две стадии. Сначала от массива отделяют крупногабаритный монолит, а затем разрезают его на блоки необходимых размеров.

К достоинствам канатно-пильных установок следует отнести простоту кон­струкции, незначительную энергоемкость, низкие технологические потери сы­рья, возможность выполнения разрезов значительной длины, технологическая гибкость. 203

Технологический процесс отделения блоков от массива прочных горных по­род строится на сочетании камнерезных и колочных работ. Такой подход к про­цессу отделения блоков сокращает объемы работ по проходке щелевых вырабо­ток, как наиболее трудоемкие, и расширяет использование средств направлен­ного развития трещин, которые обеспечивают получение разделительных щелей при сравнительно небольших трудовых затратах.

Технология добычи блоков при этом осуществляется в две стадии. Вначале от массива отделяют монолит (крупный блок), который в последующем разделывают на блоки нужных размеров. Перед отделением монолита от массива его обнажают щелевыми выработками настолько, чтобы обеспечить естественную целостность камня и не допустить развитие трещин в массиве и отделяемом монолите. Степень обнажения и размеры отделяемого монолита определяются характером трещино- ватости массива и технологическими параметрами средств для проходки щелевых выработок, а также средств направленной колки камня и отбойки.

Проходка щелевых выработок в прочных горных породах. Наиболее широко используются огнеструйные горелки для создания щелевых выработок. Однако эффективность использования огнеструйных рабочих органов в большей степе­ни зависит от физических свойств горных пород и ограничивается узким кругом кварцсодержащих пород. В последнее время больше внимания уделяется разра­ботке более универсальных способов направленного разрушения.

Буроклиновый способ колки камня больше всех выдержал проверку временем и широко используется в настоящее время на зарубежных и отечественных кам- необрабатывающих предприятиях. Его технология проста: по линии намеченного раскола бурятся шпуры, в которые вставляются клинья.

Буровзрывной способ отбойки. Буровзрывной способ создания разделитель­ных трещин чаще всего используется при отделении крупных монолитов от масси­ва. Преимуществом этого способа перед другими является не только возможность получения разделительных трещин в заданном направлении, но и способность вы­полнить работу по перемещению отделяемого монолита от забоя. Возможность пе­ремещения крупных монолитов от забоя выгодно выделяет буровзрывной способ от других методов и средств отбойки. Сразу же после перемещения монолита от за­боя можно проводить работы по роспуску его на блоки с применением различных средств направленной колки и грузоподъемных механизмов и машин.

При буровзрывном способе отбойка осуществляется следующим способом По линии намеченной отбойки бурятся шпуры на всю высоту отделяемого моно­лита или скважины, если высота отделяемого монолита более 5 м. В шпурах (сква­жинах) размещается заряд. Взрыв зарядов ведется одновременно во всех шпурах. В качестве ВВ применяется черный дымный порох, обладающий метательными свойствами. При правильно выбранном расположении шпуров, массе и конструк­ции зарядов дополнительного трещинообразования в массиве не происходит.

Взрывание пороховых зарядов производят с помощью огнепроводного или детонирующего шнура, капсюлями-детонаторами или специальными электрово­спламенителями.

Невзрывчатые разрушающие средства. В последние годы испытываются не­взрывчатые разрушающие средства (НРС), обладающие способностью при за­твердевании расширяться. При заполнении этим веществом шпуров оно затвер­девает и, расширяясь, создает достаточно высокую нагрузку на стенки шпура.