Как уже отмечалось выше, проведение резов в горизонтальной плоскости наиболее трудоемко. В первую очередь, это связано с повышенной точностью бурения, обеспечивающей пересечение горизонтальных скважин, что значительно усложняет подготовительные работы. Также при проведении горизонтального пропила сложно обеспечить охлаждение контура и вынос шлама из пропила. Применение на горизонтальном пропиле баровой камнерезной машины позволяет устранить вышеперечисленные недостатки.
Сущность комбинированной технологии заключается в следующем (рис.2.6): сначала в массиве прорезается горизонтальный рез баровой машиной, затем пробуривается вертикальная скважина. Через эту скважину и выполненный ранее баровой камнерезной машиной рез протягивается режущий контур. Канат огибает ведущий шкив канатной камнерезной машины и плоскость забоя, образуя замкнутый кольцевой контур. Контур натягивается и приводится в движение. Машина, перемещаясь по специальным направляющим, создает постоянное натяжение каната [31].
2.4. Опрокидывание монолитов на рабочую площадку
Отделенный от массива монолит необходимо опрокинуть для последующей пассировки на товарные блоки. Для опрокидывания монолитов используются гидравлические домкраты, техническая характеристика которых приведена в табл.2.2, и пневматические прорезиненные подушки (рис.2.7, 2.8) Иногда для этих целей возможно применение мощных транспортных тягачей или экскаваторов.
Таблица 2.2
Техническая характеристика гидродомкратов (Италия)
| Основные показатели | Модель, фирма | ||||
| 166/50 «Бенетти» | 166/100 «Бенетти» | 166/150 «Бенетти» | 166/300 «Бенетти» | Титан «Пеллегрини» | |
| Максимальное отодвигающее усилие, т | |||||
| Максимальный ход штока, мм | |||||
| Рабочее давление в гидроцилиндре, атм | |||||
| Емкость гидросистемы, л | |||||
| Установленная мощность, кВт | |||||
| Масса гидродомкрата, кг |
Рис.2.6. Схема комбинированной технологии добычи мраморных блоков
алмазно-канатными пилами и баровыми камнерезными машинами:
I - горизонтальный рез баровой камнерезной машиной; II - вертикальный поперечный рез канатной пилой; III - вертикальный продольный рез
канатной пилой; 1 - кран гусеничный; 2 - алмазно-канатная пила;
3 - буровая установка; 4 - гидродомкрат; 5 - камнерезная баровая машина; 6 – автосамосвал
Для первоначальной установки гидродомкратов в массиве устраиваются специальные ниши. Для перестановки гидродомкратов наклоненный монолит фиксируется кусками породы, забрасываемой в щель между монолитом и массивом (см. рис.2.8). Окончательное опрокидывание монолита происходит после нескольких перестановок гидродомкратов, опущенных на веревках в щель. В случае применения пневматических подушек процесс опрокидывания ускоряется.
Опрокидывание монолита с применением тягачей рекомендуется при повышенной трещиноватости, когда гидродомкратами сдвигаются лишь отдельные части монолита. В этом случае также целесообразно применять резиновые подушки.
Для снижения эксплуатационных потерь, т.е. разрушения мрамора не по естественным трещинам, в месте падения монолита отсыпается амортизационная подушка из штыба и буровой мелочи (см. рис.2.7, 2.8).
а б
в г д
Рис.2.7. Схема последовательности (а, б, в, г, д) опрокидывания монолита
с применением гидродомкрата:
а - опрокидываемый монолит; б - гидродомкрат;
в - поддерживающие веревки; г - камни для фиксации монолита;
д - амортизационная подушка из штыба и буровой мелочи
Рис.2.8. Схема опрокидывания монолита с применением
пневмоподушки: 1 - опрокидываемый монолит; 2 – пневмоподушка;
3 - поддерживающие веревки; 4 - амортизационная подушка
2.5. Разделка опрокинутых монолитов на товарные блоки
После опрокидывания монолит пассируется на товарные блоки. Пассировка возможна как канатными пилами, так и баровыми камнерезными машинами (рис.2.9). В том случае, когда монолит не имеет трещин, требуется только распиловка на части, оптимально подходящие для последующей обработки. В действительности же монолит практически всегда имеет естественные трещины, которыми он рассекается на отдельности различной формы после падения (рис.4.7). В соответствии с чем следующей задачей будет выделение из отдельностей различной формы товарных блоков правильной формы. Требуемые объемы и форма товарных блоков будет зависеть от оборудования, которым производится обработка.
2.6. Погрузочно-транспортные работы
Для выполнения погрузочно-транспортных работ на карьерах природного облицовочного камня применяются передвижные (см. рис.2.6) и стационарные краны, ковшовые погрузчики с комплектом сменного оборудования, тяговые лебедки, грузовые автомобили различной грузоподъемности (см. рис.2.6).
а б
Рис.2.9. Схема пассировки блоков:
а - баровыми камнерезными машинами; б – канатно-алмазными пилами;
1 - товарные блоки готовые к погрузке; 2 – канатно-алмазная пила;
3 – баровая камнерезная машина
В зарубежной практике преобладают углубочные схемы вскрытия месторождений, и поэтому чаще применяются стационарные деррик-краны (рис.2.10) грузоподъемностью 30-50 т в комплекте с подтяжными лебедками, транспортирующими блоки волоком в зону действия крана. Применяются ковшовые погрузчики грузоподъемностью 15-30 т, в которых ковш заменяется вилочными захватами или укосиной с крюком для строповки блоков. Применяются специализированные автомобили, оснащенные лебедками и специальными направляющими, для загрузки блоков и последующей транспортировки на камнеобрабатывающие предприятия. Однако применение их оправдано на карьерах небольшой производительности с одной, двумя канатными пилами.
Рис.2.10. Принципиальная схема деррик-крана
Для крупных карьеров более целесообразно применение передвижных кранов большой грузоподъемности. При небольших геометрических размерах карьера в плане более целесообразно применение деррик-крана (см. рис.2.10), техническая характеристика которого приведена в табл.2.3, 2.4.
Таблица 2.3
Техническая характеристика деррик-крана («Pellegrini»)
| Показатель | Единица измерения | Значение |
| Максимальная грузоподъемность | т | 20-35 |
| Отклонение крюка | м | |
| Длина плеча | м | 20-50 |
| Скорость подъема груза | м/мин | 1-12 |
| Мощность моторов | л./с. | 20-25 |
Таблица 2.4
| Тип | А | В | С | D | Е | S1 | S2 | S3 | Р1 | Р2 | Р3 |
| метр | тонна | ||||||||||
| DK 20 | |||||||||||
| DK 25 | |||||||||||
| DK 30 | |||||||||||
| DKS 30 | |||||||||||
| DKS 40 | |||||||||||
| DKS 50 |
3. ТРЕЩИНОВАТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД И МЕТОДЫЕЕ ОЦЕНКИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ДОБЫЧЕ БЛОЧНОГО КАМНЯ
Весьма важной горно-геологической характеристикой залегания облицовочных горных пород является природная трещиноватость массивов, оказывающая решающее влияние на выбор технологии и комплексов оборудования добычи блоков камня и последующую их обработку. В связи с этим большое значение имеет надёжность способа обработки полученных замеров трещиноватости [11].
Трещины - это разрывы сплошности породы без видимого смещения, размеры которых по простиранию и падению на несколько порядков больше их мощности (раскрытия).
Трещины делятся на системные, внесистемные и постельные (напластование).
Системные трещины имеют близкую пространственную ориентировку, и вследствие этого примерно параллельны друг другу.
Внесистемные трещины – трещины развития в массиве, зафиксированные при взятии замеров, но не вошедшие в системы.
Постельные (трещины напластования) являются также системными, но развитые в горизонтальной и слабонаклонной плоскостях. Каждая трещина характеризуется своими параметрами, из которых основными являются элементы ее залегания: азимут простирания и угол падения.
Трещиноватость массива - совокупность развитых в массиве системных, внесистемных и постельных трещин [8].
Изучение трещиноватости массива представляет не только теоретический интерес, но и имеет важное практическое значение при решении многих инженерно-геологических и технологических задач, связанных с разведкой и эксплуатацией месторождений полезных ископаемых. Успешное решение этих задач возможно на основе углубленного изучения трещинной тектоники, с учетом не только интенсивности проявления трещиноватости, но и генетической природы трещин и их количественных соотношений.
3.1. Особенности методов оценки трещиноватости
Существующие методы оценки трещиноватости массивов горных пород можно объединить в две группы:
1. Статистические методы: непосредственное наблюдение за трещинами и их измерение в обнажениях карьеров, изучение трещиноватости путем бурения геологоразведочных скважин, изучение просачивания воды в скважины, наблюдение за блочностью в действующих карьерах путем измерений размеров блоков и вынутого камня.
2. Геофизические методы: электроразведка, магнито- и сейсморазведка.
Геофизические методы целесообразно применять для определения структурных неоднородностей массива, имеющих практическое значение в горном деле и являющихся объектами эффективной геофизической интроскопии. К таким структурным неоднородностям следует относить границы раздела горных пород с различными физическими свойствами, карсты и пустоты, твердые включения и залежи, сбросы, обводненные зоны трещиноватости. Рассматриваемые методы позволяют получить общую оценку трещиноватости массива без разделения трещин по классам и установления элементов их залегания.
Анализ существующих методов изучения трещиноватости свидетельствует, что наиболее эффективными для карьеров блочного камня являются статистические и горно-геометрические методы, а именно:
- массовые измерения трещин в забоях и обнажениях с инструментальной их привязкой и последующей обработкой, составлением планов, карт и диаграмм трещиноватости;
- изучение трещиноватости с помощью колонкового бурения скважин;
- непосредственное наблюдение за выходом блочной продукции в карьерах;
- наблюдение за микро- и макротрещиноватостью камня при его добыче и переработке на продукцию.
Вполне естественно, что эти методы имеют недостатки, обусловливающие погрешность результатов, а их познание способствует повышению достоверности выводов. Комплексное применение всех рекомендуемых методов повышает качество изучения трещиноватости.
При изучении трещиноватости на карьерах блочного камня важное место отводится обоснованию количественных показателей оценки трещиноватости.
В качестве критерия оценки трещиноватости и блочности в работе [23] принята удельная трещиноватось Uтр (м/м2), характеризующая среднюю длину трещин приходящихся на 1 м2 обследуемой поверхности, и определяется по формуле
Uтр=Lтр / По,
где Lтр – общая длина трещин на участке, м;
По – площадь изучаемого участка, м2.
Этот показатель, по мнению авторов, отражает объемную нарушенность массива плоскостями трещин, так как связан с другими характеристиками трещиноватости и блочности корреляционными связями.
В качестве показателя, наиболее полно характеризующего среднее расстояние D между трещинами, принят показатель удельной линейной трещиноватости,представляющий собой отношение общей длины всех кусков Sк по измеряемому профилю, направление которого расположено вкрест простирания трещин данной системы, к числу этих кусков Nк, т.е.
D=Sк / Nк.
Очевидно, что трещиноватость месторождения является основным определяющим фактором рентабельности разработки месторождений блочного камня, исключением лишь могут быть месторождения высокоценных облицовочных камней. Поэтому чрезвычайно важно выбрать качественный метод оценки трещиноватости.
3.2. Методы оценки блочности
При оценке потенциальных возможностей месторождения, технологической пригодности сырья, при решении вопросов проектирования горных работ весьма важно знать плановый (теоретический) выход блоков из горной массы. Исследованиями установлено и практикой подтверждено, что теоретический выход блоков целиком и полностью зависит от природной трещиноватости и первоочередно таких ее показателей, как неортогональность систем трещин и величины расстояний между трещинами [17].
В настоящее время существует несколько методов оценки блочности месторождений облицовочных камней, которые применительно к одним условиям дают довольно точные результаты, а к другим - лишь в первом приближении.
Эти методы подразделяются на следующие виды: статистические, графоаналитические, горно-геометрические, вероятностные, опытной добычи, графостатического моделирования и гранотектонические.
Приоритет в вопросе прогнозирования численной величины коэффициента выхода блоков из массива пород, разбитого трещинами, принадлежит Б.П. Беликову [10]. Сущность метода заключается в том, что на каком-либо участке карьера или обнажения выполняется 100-200 измерений азимутов простирания и углов падения всех без исключения трещин, а также расстояний между трещинами на каком-либо интервале. При этом блочность камня оценивается числом интервалов более 1 м. Полученные значения – число интервалов на 10 м (первый коэффициент) и число интервалов на 1 м (второй коэффициент), в сумме называемые коэффициентом частоты, записывают на диаграмму при соответствующих максимумах, причем второй коэффициент ставят в скобках. Статистическая обработка выполненных измерений осуществляется путем построения круговых диаграмм трещиноватости с использованием равноплощадной сетки Вальтер-Шмидта. В итоге получается цифровая диаграмма, в которой проводятся изолинии плотности трещин. Расчет ориентировочного среднего размера блока ведется путем перемножения средних длин интервалов по трем главным системам трещин. Это для случая, когда углы между главными максимумами приближаются к прямым. В противном случае, объем природного блока определяется по формулам косоугольных параллелепипедов. К недостаткам этого способа следует отнести тот факт, что к учету при определении блочности принимаются только три системы трещин, а диагональные трещины, оказывающие большое вредное воздействие на блочность, к учету не принимаются.
Усредненные длины интервалов рассматриваются как постоянные величины, что не совсем верно, так как расстояния между трещинами изменяются с изменением форм массивов. Составление круговых диаграмм в изолиниях весьма трудоемкий процесс.
Различные графоаналитические методы изложены в работах И.Н. Горбулева [14], А.И. Косолапова [23], Н.Н. Анощенко [6]. Сущность данных методов заключается в проецировании плоскостей трещин на какую-либо из сторон подготавливаемого к выемке объема камня и вписывании прямоугольников в свободные участки. Часть стандартных камней, рассеченных трещинами, являются непригодными для получения блоков. В итоге, зная число рассеченных камней и целых блоков, вычисляется аналитическим путем общий процент выхода стандартных блоков горной массы. Изложенные графоаналитические методы также имеют ряд недостатков. Сложно пересекающиеся между собой системы трещин картируются на какой-то одной геометрической плоскости (горизонтальной или вертикальной) и будут достоверны только для первого ряда выпиливаемых блоков. Метод приемлем для карьеров по добыче стандартных блоков, выпиливаемых камнерезными машинами, и неприемлем для карьеров облицовочных гранитов и других сходных с ними пород, так как добываемые блоки варьируют по объему и наружным размерам.
В работах [51], [16] развиваются методы изучения трещиноватости по керну, которые послужили основанием для разработки способов оценки выхода блоков в следующих работах [26], [49], [53].
Н.Т. Бакка [7] предложен горно-геометрический метод оценки блочности. В качестве основных количественных показателей оценки трещиноватости, дающих наибольшую информацию о нарушенности массива, принимаются удельная линейная и площадная трещиноватости. По результатам изучения трещиноватости и закономерностям ее развития определяются поправочные коэффициенты влияния трещин на выход блоков по специально предложенным аналитическим зависимостям. А общий коэффициент определяется путем арифметического перемножения указанных коэффициентов. Блочность рассматривается как соотношение объема искусственного блока к объему природного, умноженное на общий коэффициент трещиноватости. Геометрическую характеристику блочности лучше всего выполнять на специальном плане изоблочности. Для составления которого участок месторождения на плане разбивается на блоки-участки правильной формы, для каждого из которых по вышеизложенной методике вычисляется блочность, а ее значение относится к геометрическому центру блока-участка. Затем по полученным значениям строится план блочности в изолиниях.
С.И. Подойниковым [48] предложены методы, где при расчете коэффициента выхода блоков при добыче их различными способами учитывают вероятностный характер распределения параметров систем трещин, основанный на теории вероятности. Решение проблемы районирования месторождений по блочности нашло отражение в работах [6, 26]. Выбору направления развития фронта работ с учетом ориентации трещин посвящены работы [28, 4]. А.И. Косолаповым [22] установлено влияние напряженного состояния в массиве на коэффициент выхода блоков.
Приведенные исследования послужили основой для разработки практических методик оценки природной структуры массивов на карьерах по добыче блочного камня.
3.3. Особенности изучения трещиноватости при добыче