Механические способы подготовки к выемке естественного камня

Сохранение физико-механических свойств и декоративности, а также достижение определенных размеров и формы камня возможны при использовании специальных методов и средств направленного отделения блоков или штучного камня от массива, обеспечивающих концентрацию критических напряжений строго в необходимых плоскостях раскола или реза. Применение взрывчатых веществ при добычи блоков не рекомендуется, так как это приводит к появлению трещин в массиве и нарушению его пластичности.

При механическом (безвзрывном) отделении крупных монолитов камня от массива используются буроклиновой способ, терморезаки, канатные пилы, ченнелеры и буроклиновой способ; крупные монолиты затем разделяют на товарные блоки. Для непосредственного отделения стенового камня или облицовочных блоков применяют камнерезные машины (таблица 30.1).

Таблица 30.1 Способы подготовки к выемке блоков естественного камня

Способ	Рабочий орган	Принцип действия рабочего органа
Камнерезными машинами с кольцевой фрезой Канатными пилами   Камнерезными машинами с алмазными отрезными кругами Буроклиновой (бурение ручное и с кареткой) Бурогидроклиновой   Ударно-клиновыми машинами (ченнелерами)	Кольцевая фреза с твердо- сплавными резцами Стальной канат с кварцевым песком Алмазные отрезные круги диаметром 2.5 – 3.0 м   Буровые коронки, сложные клинья Буровые коронки гидроклинья Набор долот	Врубовой режущий   То же   То же     Бурильный ударно-вращательный То же   Врубовой ударный

В настоящее время на ряде гранитных карьеров внедрена термическая резка для отделения монолитов от массива (рис. 30.3). Производительность газоструйных камнерезных машин составляет 1 – 2 м²/ч. Преимуществами их применения является увеличение выхода блоков в 1.5 – 2 раза по сравнению с выходом их при буровзрывном способе, улучшение качества блоков, сокращение затрат ручного труда и увеличение производительности камнетесов.

При буроклиновом способе подготовка блоков к выемке состоит из двух взаимосвязанных процессов: бурение рядов сближенных шпуров в вертикальном и наклонном направлениях по принятым плоскостям; последующего клинового откола камня.

При разделке гранитных монолитов на кондиционные блоки шпуры диаметром 20 – 40 мм бурят на глубину 80 – 100 мм, расстояние между шпурами 0.05 – 0.1 м. В шпуры вставляют простые или сложные (состоящие из двух щечек и собственного клина) клинья.

При разработке мраморных месторождений шпуры бурят на всю высоту или ширину блока. Расстояние между ними составляет 0.2 – 0.2 м в зависимости от способности мрамора к расколу и размеров добываемых блоков, на 1 м³ горной массы бурят до 6 – 10 шпуров. Производительность труда бурильщика при бурении горизонтальных шпуров составляет 25 – 35 м/смену. Производительность труда рабочего по отколу 2 – 3 м³/ч. Суммарная производительность труда рабочего по производству готовых блоков 0.2 – 0.6 м³/смену, трудоемкость работ при этом равна 1.7 – 5 чел-смен/м³.

Достоинства буроклинового способа подготовки мраморных блоков: простота, максимальное использование природных трещин, возможность применения в сложных горно-геологических условиях и отбойки блоков любого размера и любой прочности. Недостатки: большой удельный вес ручного труда, низкая производительность труда высокие себестоимость блоков и трудоемкость работ, сложность обеспечения безопасности работ. В зарубежной практике при буроклиновом способе подготовки блоков широко используются вертикальные, горизонтальные и наклонные каретки и станки колонкового бурения.

Чаще всего буроклиновой способ применяют в сочетании со взрывным способом отбойки монолитов, с канатными пилами и другими способами.

Перспективным в направленном отколе блоков от массива или от крупных монолитов является применение закладных клиньев с гидравлическим приводом. Концентрация напряжений в необходимой плоскости и направленный откол блоков возможны только при групповой синхронной работе нескольких гидроклиньев ( рис. 30.3). Использование таких клиньев позволяет увеличить расстояние между шпурами до 0.3 – 0.4 м, что значительно сокращает объем выполняемых буровых работ и повышает производительность труда рабочих.

Рисунок 30.3 Схема гидроклиновой установки:

1 – насос; 2 – измерительная аппаратура; 3 – золотниковый распределитель; 4 – шланг; 5 – закладные гидроклинья; 6 – породный блок

Канатные пилы (рис. 30.4) различных конструкций являются основным средством направленного отделения мраморных блоков от массива и монолитов. Процесс пиления осуществляется за счет абразивного действия кварцевого песка, непрерывно подаваемого с водой в забой. Производительность канатных установок составляет 1.2 – 1.5 м³/ч. Достоинства канатных пил: простота конструкции и обслуживания, получение блоков необходимого размера и правильной формы, относительно небольшая энергоемкость пропила. Недостатки: сложность работы, снижение эффективности при наличии твердых включений и повышенной трещиноватости массива, большой объем горно-подготовительных работ.

Ударно-врубовые машины (ченнелеры) широко применяются на мраморных карьеров США, Канады, Франции и Испании. Машины могут производить вертикальные, наклонные, реже горизонтальные врубы. Рабочим органом этих камнерезных машин является комплект долот, которым сообщается возвратно-поступательное движение. При перемещении ченнелера по рельсам долота наносят удары по горной породе, разрушают ее и образуют врубовую щель шириной до 50 – 60 мм и глубиной до 6 м.

Рисунок 30.4 Схема канатной пилы:

1 – приводная станция; 2 – направляющие шкивы; 3 – пильные стойки; 4 – канат; 5 – натяжное устройство

Организация работ при работе ченнелеров предусматривает проведение вертикальных или наклонных врубов ( в зависимости от трещиноватости или слоистости полезной толщи) на значительной площади кровли разрабатываемого слоя. Затем проводят разрезную траншею и производят горизонтальную отбойку нарезанных челеннерами блоков (чаще всего буроклиновым способом), подготовляя таким способом к выемке весь слой. Производительность ченнелеров составляет 0.8 – 1.2 м³/ч или 5 – 8 м²/смену. Ударно-врубовые машины имеют относительно высокую производительность при прочном мраморе, дают возможность получать блоки рациональных размеров. Недостатки их применения: увеличенная ширина вруба, большая энергоемкость разрушения, возможное нарушение прочности камня из-за большой энергии одиночного удара. Применение ченнелеров рекомендуется при их производительности не менее 5 м²/смену на карьерах мощностью до 1000 – 1500 м³ блоков в год.

Камнерезные машины разделяются на дисковые, баровые и с кольцевой фрезой. Выбор типа камнерезной машины определяется главным образом прочностью горной породы, потребными размерами продукции и выбранной технологией вырезки камня.

Подготовка пильного камня к выемке включает три операции (рис. 30.5): нарезку поперечных пропилов (1); горизонтальный пропил на длину заходки (2) и нарезку затылочного пропила и отделение камня от массива по всей длине заходки (3).

Рисунок 30.5 Схема очередности (1 – 3) пропилов при работе камнерезных машин

Дисковые машины применяют для резания камня с пределом прочности при сжатии σсж = 1÷25 МПа, машины с цепными барами – при σсж = 1 ÷ 10 МПа, камнерезные машины с кольцевыми фрезами – при σсж = 5 ÷ 120 МПа.

При использовании дисковых пил максимальная глубина пропила (м) определяется из выражения

h = 0.5(D – d), (30.1) где D – диаметр диска, м; d – диаметр фланца, м.

Чтобы избежать трения фланца о породу, необходимо принимать h = 0,4D, что составляет 0,3 – 0,5 м. Производительность камнерезных машин, оснащенных дисковыми пилами, равна 4 – 20 м³/ч (рис. 30.6). Преимущества камнерезных машин с дисковыми пилами заключается в простоте конструкции, надежности эксплуатации, обеспечения минимальной толщины пропила. Недостаток дисковых пил – малый коэффициент использования корпуса диска по диаметру.

Рисунок 30.6 Камнерезная машина СМ-89А

Для увеличения коэффициента использования длины рабочего органа и добычи крупных блоков стенового камня на карьерах применяют камнерезные машины с кольцевыми фрезами. У этих машин использование рабочего органа по диаметру составляет 65 -75 %. Кольцевые фрезы обеспечивают глубину пропила до 1025 мм. Для добычи крупных стеновых блоков с пределом прочности при сжатии до 40 МПа в основном применяется машина СМ-580А (рис. 30.7), имеющая производительность по горной массе 4 – 12 м³/ч.

Машина СМ-177А (рис. 30.8) предназначена для вырезки крупных блоков мрамора, мраморизированного известняка и других сходных с ними горных пород. Эксплуатационная производительность машин на мраморе – от 6 до 20 м² пропила в смену. Степень механизации процесса подготовки блоков к выемке составляет 60 – 70 %. Достоинства машины СМ-177А: надежность эксплуатации, высокая производительность при резании прочного мрамора (σсж 120 МПа), правильная форма и ровные поверхности вырезаемых блоков. Недостатки: ограниченные размеры блока по ширине и высоте, значительные потери мрамора из-за ширины пропила 34 – 36 мм, снижение выхода блоков при развитой системе трещин.

Рисунок 30.7 Камнерезная машина с кольцевыми фрезами СМ-580А

Модификация машины СМ-177А является камнерезная машина СМ-428, которая применяется в основном для подрезки мрамора при планировки кровли пласта, т. е. для производства работ по скальным вскрышным породам. Она обеспечивает монолитность нижележащего массива.

При добыче крупных блоков известняка и мрамора широко распространен алмазный инструмент. В Бельгии и Франции эффективно используются камнерезные машины, оснащенные алмазными сегментными отрезными кругами диаметром 2.5 – 3.0 м. Алмазные отрезные круги диаметром 0.5 – 0.8 м широкое применение получили в США, где ими оснащаются малогабаритные добычные камнерезные машины, а также в Австралии при разработке песчаника. Использование таких машин целесообразно при разработке месторождений осадочных, метаморфических и изверженных горных пород с σсж ≤ 100 – 120 МПа. По сравнению с камнерезной машины СМ-177А, оснащенные алмазным инструментом, имеют следующие основные преимущества: производительность труда рабочих увеличивается в 2.5 раза, затраты на создание щелевого пропила и потери полезного ископаемого на пропил сокращаются в 2 раза, повышается качество поверхностных граней вырезаемых блоков.

Для подготовки к выемке крупных блоков применяются также камнерезные машины с цепными (баровыми) режущими органами. Использование длины рабочего органа при этом составляет 85 – 90 %.

Типичной машиной подобного рода является двухбарабанная камнерезная машина КМАЗ-188, которую обычно применяют при прочности камня 4 -5 МПа; при этом производительность ее не превышает 1 - 2 м³/ч по горной массе. Камнерезная машина КБЦ-3а (рис. 30.8) вырезает блоки размером 1 м, производительность ее в смену доходит до 18 м³.

Рисунок 30.8 Схема универсальной камнерезной машины СМ-177А:

1 и 3 – соответственно нижняя и верхняя тележки; 2 – катки; 4 – электродвигатели;

5 – редукторы; 6 – опорный вал; 7, 8 и 13 соответственно поперечная продольная и горизонтальная фрезы; 9 – направляющие ролики; 10 – тросы; 11 – лебедки; 12 – муфты; 14 – ведущая шестерня; 15 – рельсы

На ряде карьеров облицовочного известняка и мрамора (Бельгия, Франция, Италия) распространены машины, оснащенные тонкими барами (толщиной 25 – 30 мм) с твердосплавными резцами. Производительность таких машин на мраморовидном известняке составляет 5 м² вруба в час при стойкости инструмента 1000 – 1200 м² пропила.

Рисунок 30.8 Схема камнерезной баровой машины КЦБ-3а:

1- бар; 2 – цепь; 3 – звездочка; 4 – электродвигатель; 5 – колонка; 6 – трос; 7 – кронштейн; 8 – ролики; 9 – колесо; 10 – ручка; 11 – лебедка; 12 – головка; 13 – бачок с водой; 14 – твердосплавные пластинки; 15 - планки

К достоинствам камнерезных машин с цепными режущими органами относятся: малые размеры и масса, маневренность в забое, относительно небольшая энергоемкость резания, возможность осуществления глубоких пропилов, Вместе с тем этому типу режущего органа свойственен ряд недостатков, основными из которых являются быстрый износ (вследствии большого числа подвижных звеньев) и наличие больших динамических нагрузок. Конструктивно цепные фрезы значительно сложнее дисковых пил.