Новая технология разработки крепких пород фирмы Sunburst excavation

PCF — эффективный способ разрушения крепких пород

кспериментальные исследования показали, что разрушение пород по технологии PCF в 4-5 раз эффективнее, чем с помощью буро-взрывных работ. В технологии PCF используются небольшие по массе заряды. При взрыве 0.3 кг ВВ отбивается примерно 0.75 м3 породы. При этом из-за малой взрывной энергии по сравнению с обычной взрывной отбойкой наблюдается уменьшенный разлет кусков породы так, что оборудование может не удаляться из рабочей зоны.

Основными особенностями технологии PCF являются:

обеспечение эффективных и экономичных средств отбойки пород;
обеспечение исключительно низкой скорости разлета кусков породы;
возможность управления гранулометрическим составом породы с получением минимального количества мелочи и негабарита;
возможность контролирования переборов;
минимальное нарушение законтурного массива;
минимальный уровень сейсмического колебания грунта;
использование метательных ВВ класса В (контролируемое горение) вместо высокобризантных ВВ класса А (детонация).

Выемка пород по технологии фирмы Sunburst

Комбайн для выемки пород по технологии фирмы Sunburst обязательно должен включать гидравлическое буровое устройство и газовый инжектор, которые размещаются на стрелах и индексере, монтирующихся на ходовой тележке. С помощью погрузочного органа отбитая порода направляется на приемно-разгрузочный конвейер. Ходовая тележка также может быть приспособлена для анкерного крепления. Для быстрой очистки рудничной атмосферы от небольшого количества выделяющейся пыли и газов целесообразно использовать местное проветривание. Рабочий цикл включает разметку шпура, установку стрелы комбайна PCF, забуривание и бурение шпура, помещение в шпур газового инжектора и взрывание. Уборка породы производится обычно через 8-16 взрывов, в зависимости от размера выработки, крепости породы, массы заряда и используемого способа доставки. В технологии PCF не требуется бурить комплект шпуров. Для достижения оптимальных результатов важное значение имеет опыт и квалификация машиниста комбайна. Объем единичного взрыва составляет примерно 0.75 м3 и продвижение забоя осуществляется малыми порциями с учетом всех геологических условий.

Удельный расход метательного ВВ колеблется от 0.75 кг/м3 в кварците до 0.22 кг/м3 в слоистом сланце. Эти цифры относятся к проходке тоннеля, когда наибольшую долю составляют контурные и отбойные шпуры. Значения получены для газового инжектора диаметром 76 мм (диаметр газового инжектора соответствует диаметру дна шпура, в который вставляется инжектор). Удельный расход определяется объемом отбитой породы и массой ВВ в инжекторе.

Фирма Sunburst также оценивает способ PCF по разрушению 5-тонного куска породы. Для его разрушения на несколько небольших кусочков без значительного их разлета достаточно разместить в центре куска небольшой заряд массой 80-120 г (т.е. при удельном расходе ВВ 0.04-0.06 кг/м3). Среднее время цикла в серии из 12-ти взрывов составляет 4.3 мин, из которых 37% тратится на установку стрелы, 9% — на забуривание, и 16% — на бурение шпура. Оставшиеся 38% приходятся на размещение газового инжектора, взрывание и извлечение патрона.

В перспективе предлагается уменьшить время цикла за счет:

изменения конструкции стрелы для увеличения ее жесткости и подвижности;
установки дополнительного автозарядчика для дальнейшей автоматизации операции заряжания;
дополнительного контроля машиниста.

Благодаря этим усовершенствованиям время цикла может быть сокращено до 3 мин и менее. Вышеприведенное время цикла не включает время на уборку породы и установку крепления. Обе эти операции могут выполняться независимо от основных после каждых 8-16 взрывов, в зависимости от количества отбитой породы и расстояний между анкерами.

Во время проходки выработки шириной 4 м, высотой 3.5 м и длиной 12 м на опытной шахте горного бюро США были исследованы несколько способов расположения шпура, в том числе способ, разработанный фирмой ITC SA с использованием гидравлического перфоратора для выравнивания контура до желаемых размеров. Разрушаемая порода была представлена гнейсом крепостю 200 МПа, имевшим естественную сеть трещиноватости с расстояниями между трещинами 200-600 мм. Средний перебор составлял 100-300 мм и контролировался расстоянием между трещинами. Для определения сейсмического воздействия, вызванного способом PCF, на предприятии Mount Isa фирмы AMIRA производилось измерение колебаний грунта на расстоянии 18 м от места взрыва. При этом скорость колебаний не превышала 1.1 мм/с. Дополнительные измерения колебаний грунта проводились на опытной шахте Горного бюро США. При этих исследованиях использовались заряды метательного ВВ массой 180-270 г. Наибольшая скорость колебаний на расстоянии 23.9 м от забоя составила 1.5 мм/с; на расстоянии 20 м выше и ниже уровня заряда — менее 1.0 мм/с. Эти скорости были фактически предельными для восприятия человеком и значительно меньше нормативного уровня (50 мм/с). Величина максимальной скорости грунта зафиксирована на уровне 5 мм/с.

На расстоянии 1 м вглубь массива скорость колебаний грунта составила 8 мм/с при использовании гидравлического молотка мощностью 18 кВт. Пиковая скорость в этих же условиях с использованием способа PCF колебалась от 40 до 90 мм/с.

Таким образом технология PCF может использоваться для проходки выработок метро и промышленных тоннелей, а также сооружения котлованов под фундаменты в строительстве. Необходимо заметить, что минимальная скорость колебаний в первую очередь прямо пропорциональна заряду метательного ВВ. Поскольку газовые инжекторы фирмы Sunburst имеют массу 80-500 г, то уровень колебаний может быть снижен за счет уменьшения заряда ВВ.

Продукты горения заряда ВВ массой 300 г состоят из 172.5 г СО; 12.7 г СО2; 41.3 г воды; 37.1 г азота; 4.6 г водорода со следами окислов азота.

При проведении выработки сечением 5х5 м измерение концентрации СО производилось на расстоянии 18-25 м от забоя при интенсивности вентиляции 2.36 м3/с. За период времени 40-50 с концентрация СО составляла 50-100 частей на 1 млн. с максимальным значением в течение 30 с. По истечению 4 мин и более атмосфера очищалась от СО.

Исследования шумового воздействия на подземных работах показали, что кратковременный уровень шума около машиниста достигает 145-160 дБА при частоте около 100 Гц. Фирмой Sunburst проведена оценка различных способов снижения уровня шума, включая активные и пассивные средства. Установлено, что при том же уровне шума при бурении и взрывании наиболее эффективно нахождение машиниста в звукоизоляционной кабине, а также использование индивидуальных средств и электронных устройств защиты от шума.

Стоимость проходки

способом PCF

В результате экспериментальных исследований выявлено, что объем бурения, выполняемый при использовании способа PCF, меньше, чем при традиционных буро-взрывных работах, а удельный расход ВВ составляет 20-25 % от расхода ВВ при традиционных буро-взрывных работах. В результате стоимость метательного ВВ примерно равна стоимости АС-ДТ и значительно ниже стоимости водостойкого эмульсионного ВВ.

Сравнительный анализ стоимости проходки подземных выработок способом PCF и традиционным буро-взрывным способом (с АС-ДТ и эмульсионным ВВ) выполнены для штрека высотой 5 м, шириной 6 м и длиной 100 м. Крепление производилось от портала на расстоянии 100 м. В варианте способа PCF принята двухстреловая машина, время взрывного цикла — 3 мин для каждой стрелы, диаметр шпура — 89 мм, а удельный расход метательного ВВ — 0.43 кг/м3. Основные результаты сравнения приведены в таблице. Одним из самых значительных факторов является сокращение времени проходки. При подземных работах в гражданском строительстве и при разработке месторождений полезных ископаемых выемка породы является наиболее важным процессом. Сокращение времени выемки породы на 30 % способствует дополнительному снижению многих прямых и косвенных затрат.

Разница в стоимости еще более возрастет при строительстве подземных сооружений в городских условиях и при селективной выемке в тонких жилах.

Разновидности машин для технологии PCF

Фирмой Sunburst предполагаются следующие области применения машин различных типов, использующих технологию PCF:

селективная выемка из узких жил. Эти машины будут иметь единственную стрелу для способа PCF и будут работать в узких жилах, где интенсивно используется ручное бурение;
проведение подготовительных штреков на горных предприятиях и городских тоннелей. Машина для тоннельных работ будет иметь 1-2 стрелы в зависимости от сечения тоннеля. Она должна обеспечивать скорость проходки примерно на 30 % выше скорости проходки с использованием традиционных буро-взрывных работ;
выемка пород в городских и аналогичных условиях.

Будет создано несколько типов машин. В настоящее время уже имеются машины, которые представляют одностреловые буровые установки. Также будут созданы машины на базе гидравлических экскаваторов и других гидрофицированных машин для использования в местах, где производство буро-взрывных работ запрещено.

Для специальных способов разработки и специальных строительных работ будут созданы машины, использующие модульный принцип комплектации оборудования (за исключением газового инжектора и соответствующих деталей). В результате необходимый вариант машины для специфических условий будет изготавливаться в сжатые сроки.