Бульдозерный способ вскрышных работ и способы выемки пород

15.06.2018
При добыче песков бульдозерами или скреперами вскрышные работы производят в зависимости от условий — бульдозерами, колесными скреперами или экскаваторами. Ниже рассматривается технология только бульдозерных и скреперных вскрышных работ.

Вскрышные работы по торфам бульдозерами осуществляют, совершая следующие один за другим заезды; при этом могут быть применены различные способы выемки пород, укладки торфов в отвалы и системы вскрышных работ, что обусловливает технологию вскрышных работ.

При выборе технологии вскрышных работ следует стремиться к наиболее производительному использованию вскрышных машин, при котором обеспечивались бы наименьшие затраты на выемку 1 м3 торфов.

Во время выемки пород бульдозером подрезаемая стружка постепенно скапливается, образуя вал впереди ножа. Объем породы, которую в состоянии переместить бульдозер, зависит не только от размеров и формы ножа, угла естественного откоса пород, наклона поверхности и способа выемки, но и от тягового усилия трактора.

Выемку пород бульдозером можно производить следующими основными способами (рис. 23): 1) смежными горизонтальными стружками; 2) бороздами; 3) с подгребкой; 4) с механическим рыхлением; 5) наклонными стружками; 6) спаренными машинами; 7) с рыхлением взрывными работами.

При выемке смежными горизонтальными стружками (рис. 23, а) набирают вал, подрезая породу слоями толщиной 5—20 см, в порядке 1-а, 1-в, а затем и на полосе 2. Забою стремятся придать ровную поверхность с уклоном в сторону осушающей канавы. Обычно выемку начинают от границы наиболее удаленной части забоя. Потери пород из-за отсыпки ее в обе стороны вала (см. валик 3) возрастают с увеличением расстояния доставки, поэтому данный способ выемки целесообразно применять при малых расстояниях перемещения (до. 40 м). Для уменьшения потерь пород во время доставки стремятся подбирать ножом один из боковых валиков 3, оставшийся от предыдущей заходки. Несмотря на это, объем вала, перемещаемого бульдозером, постепенно уменьшается и соответственно снижается коэффициент перемещения е, который определяют по уравнению
Бульдозерный способ вскрышных работ и способы выемки пород

где w — коэффициент потерь (для песчаных пород w = 0,006/0,01,

для глинистых w = 0,004/0,006);

u — поправочный коэффициент, учитывающий снижение потерь;

при перемещении по поверхности р = I;

l — расстояние перемещения, м.

Выемку смежными горизонтальными стружками широко применяют весной на мерзлых породах при небольших расстояниях перемещения. Для наиболее производительной работы необходима следующая толщина талого слоя: для малольдистых пород, не содержащих булыжников и валунов, 7 см, для пород, с льдистостью 20—50% и с валунами размером до 20 см — 10 см, для валунистых пород до 15 см. Увеличение толщины талого слоя летом замедляет вскрышные работы. К осени целесообразно больше увеличить глубину оттаявших пород. При вскрышных работах предохранительный слой торфов (рубашку) над пластом оставляют толщиной 20 см.

Скорость оттаивания мерзлых пород за сутки зависит не только от погоды, но и от того, удаляется ли ежесуточно верхний талый слой.

В табл. 10 приведены данные глубины оттаивания на двух опытных площадях прииска «Комсомолец» Сусуманского района. За год до начала наблюдений на площадях удалили растительный слой, а весной очистили от снега. Породы были представлены песчано-галечными речниками с незначительной примесью глины. На одной площадке ежедневно удаляли талый слой, а на второй производили только замеры глубины оттаявшего слоя.

Среднесуточная скорость при послойной оттайке в июне — июле составила 15—17 см; в среднем за сезон для Сусуманского района составляет 10,5 см. Для Заполярных районов глубина оттайки в 1,5 раза меньше, средняя — около 7 см.

В табл. 11 приведены глубины оттаивания мерзлоты по дням, если талый слой не удалять.

Упрощенный теоретический расчет глубины суточного оттаивания при ежедневном удалении талого слоя может быть произведен по номограмме, в которой учитывается состояние погоды и физические свойства мерзлоты (в основном льдистость).

За последние годы проводят опыты по ускорению оттайки мерзлых пород путем покрытия поверхности полиэтиленовой и полиамидной пленкой. Пленка толщиной 0,07 мм выпускается в рулонах шириной 1,5 м; 1 кг пленки имеет поверхность 10—12 м2. Пленку склеивают клеем перфоль или сваривают электроутюгом или паяльной лампой в полотнище шириной 3—6 м, длиной 20 м. Предварительно с оттаиваемой поверхности осенью удаляют бульдозером растительно-илистый слой и валуны и придают уклон, чтобы образующаяся при таянии льда вода стекала в канавы. Ранней весной с этой площади удаляют снег. Если породы представлены речниками, полотнища укладывают непосредственно на землю, по краям полотнища присыпают землей, а в средней части укладывают камни. Полотнища натягивают также на переносные рамы, изготовляемые из уголков размером 3x3 см. Рама представляет собой дугу высотой 0,6 м и длиной 4—4,5 м. Устанавливают рамы на расстоянии около 2 м, соединяют друг с другом и укрепляют в почве.

Под воздействием солнечных лучей под пленкой воздух и поверхность нагреваются значительно быстрее, поскольку пленка пропускает солнечные лучи, но задерживает, тепло, поэтому потери от теплообмена с окружающим воздухом, от испарения и от излучения резко сокращаются.

Изменение температуры поверхности пород на протяжении суток:

При укреплении пленки на рамах породы прогреваются быстрее, а ночью охлаждаются более медленно. Среднесуточная температура под пленкой выше на 7—12°.

В местностях с повышенной облачностью в весеннее время выгоднее применять полиэтиленовую белесоватую пленку, которая и более прочная.

К оттайке мерзлых пород с помощью пленки на Колымских россыпях приступают с начала апреля. К маю речники с льдистостью 13% под пленкой оттаивают на 1 м, в то время как вне пленки породы еще не оттаивают из-за ночных заморозков. Далее к концу мая под пленкой породы оттаивают на глубину 2,4 м, а вне пленки только на 1,4 м. Прекращают оттайку с пленкой в начале июня. В настоящее время опыты с покрытием пленкой проводятся уже в марте.

Применение пленки позволяет удлинить сезон вскрышных работ. Необходимо бережно относиться к пленке и не загрязнять ее. Наиболее сложным является склейка и расстилка полотнищ, предохранение их от разрыва во время ветра и наложение заплат в местах разрыва. Пленка часто рвется и только при осторожной расстилке и обращении полотнище можно использовать две весны. Склейку производят двое рабочих, а расстилку бригада из четырех человек. Производительность одного рабочего на склейке, подготовке и расстилке пленки на землю в смену составляет 250—300 м2. Наблюдают за оттайкой не менее 2—3 рабочих на 20 тыс. м2 покрытой поверхности. Работы по расстилке весьма трудоемки, что значительно снижает экономическую эффективность их применения.

По предварительным данным, себестоимость оттайки с использованием пленки составляет 10—20 коп/м3. Этот способ используют в настоящее время в опытном порядке. Его лучше применять на ограниченных площадях, которые необходимо быстрее оттаять, например по линии проведения бульдозерных борозд.

Весной снежный покров и наледи задерживают начало оттаивания мерзлых пород на 15—40 суток. Для ускорения оттайки мерзлых пород и удлинения сезона вскрышных работ с естественной оттайкой снежный покров следует удалять бульдозерами до начала его таяния в марте — начале апреля.

Проводят опыты по ускорению таяния снега и мерзлых пород зачернением поверхности. Для этого распыляют мелкую угольную пыль, золу, шлак или смеси с мельчайшими пылеватыми породами. Золу или угольную пыль с крупностью частиц 0,05 мм распыляют по 10—400 кг на 1 га. В местностях с северной широтой 62—70° необходимо заканчивать зачернение к 10—20 апреля. При зачерневши снег полностью сходит на 10—15 дней раньше.

Механизация работ по распылению еще не освоена. В порядке опыта применяют машины для разбрасывания удобрений и песка, производительность машины составляет 140 тыс. м2 в сутки. На сибирских реках распыление порошка производят небольшими самолетами.

Верхний растительный илистый покров замедляет оттаивание нижележащих мерзлых пород. Так, в Сусуманском районе, если за лето россыпь оттаивает на 1,35 м, а в Билибинском на 0,7 м, то после удаления растительного покрова и осушения площади глубина оттаивания речников увеличивается соответственно до 3—3,5 и 1,2—1,8 м.

Глубина отработки уступа мерзлых торфов или песков с естественной оттайкой за летний сезон (годовое понижение) для наиболее тяжелых условий Севера составляет от 1,5 до 3,5 м. В более южных районах годовое понижение забоя по торфам составляет 4—7 м. В случае необходимости годовое понижение уступа мерзлых торфов, сложенных из речников, при естественной оттайке может быть доведено на Колымских россыпях при ежесуточном удалении талого слоя до 9—15 м.

При выемке мерзлых пород всегда необходимо учитывать осадку пород после оттайки, вследствие чего уменьшается объем пород по сравнению с разведочными данными и маркшейдерскими замерами, произведенными до их оттаивания.

Бороздовый (траншейный) способ выемки (рис. 23, б) состоит в том, что бульдозером последовательно подрезают породу слоями по одной и той же заходке 3; 7, пока не будет образована борозда глубиной от 0,2 до 1,7 м. Между бороздами оставляют целик шириной по поверхности 0,7—4 м. Во избежание попадания гальки под катки гусениц при выемке крупных речников не следует прокладывать борозду глубиной более 0,5 м. На мерзлых россыпях глубину борозды устанавливают в зависимости от глубины и скорости оттайки, а при медленной оттайке на один бульдозер поддерживают три — четыре борозды. В этих случаях часто борозду образуют валки породы высотой 20—40 см, которые отсыпаются из вала, перемещаемого бульдозером. Потери породы при перемещении по борозде . малы, поэтому доставляемый бульдозером вал имеет больший объем, чем при выемке смежными горизонтальными стружками. Коэффициент перемещения для бороздового способа при глубине борозды более 0,7 м принимают равным е = 0,96/0,98. Когда глубина борозды меньше 0,5 м, коэффициент перемещения подсчитывают по уравнению (24) с введением поправочного коэффициента u.

После выемки пород в бороздах до необходимых отметок переходят на отработку бульдозером междубороздового целика, породу которого бульдозером ссыпают в борозду, и несколькими подгребками набирают вал нужного объема. Выемку слоев каждой заходки начинают со стороны, обеспечивающей более полное использование борозды для перемещения пород, т. е. с ближнего к отвалу конца, а после образования борозды и с дальнего конца, соблюдая ровный забой и уклон для стока воды. Выемка бороздами является одним из наиболее распространенных способов, поскольку при средних и больших расстояниях перемещения в породах до III категории обеспечивается высокая производительность машин.

Выемка с подгребкой (рис. 23,в) заключается в том, что вначале бульдозером подгребают породу в вал, отъезжая 2—3 раза назад, пока вал не достигнет нужного объема, а затем по борозде или между валками перемещают его. Объем вала при подгребке бульдозером мощностью 100 л. с. может достигать 2—3 м3, но продолжительность заезда при этом увеличивается на 0,6—1 мин. Выемку с подгребкой применяют на мерзлых россыпях при очень малой толщине талого слоя, начиная с 3 см весной при медленной оттайке мерзлых торфов. Этот способ применяют также при перемещении на расстояние свыше 100 м, когда потери пород значительны. В последнем случае не имеет смысла перемещать оставшийся малый объем вала сразу до нужного места доставки, и на полпути или меньше оставляют вал, вторично подгребают породу бульдозером и только после этого производят перемещение сдвоенного вала к месту доставки. Иногда сдвоенный вал перемещают другим бульдозером.

При выемке пород с механическим рыхлением поверхность забоя предварительно разрыхляют (рис. 23, г) тракторными рыхлителями или корчевателями. Глубина рыхления достигает 15—60 см. Чаще рыхлят на глубину 20—40 см. Зубьями прорезают борозды с углом откоса стенок 35—65° (рис. 24, а), благодаря чему в междубороздовом пространстве (целике) образуются трещины. Наибольшее число глубоких трещин появляется в верхней части, вследствие чего породы разрыхляются, и подрезка верхнего слоя ножом бульдозера облегчается. В нижней части целика трещин мало, поэтому на уровне наибольшей глубины борозды породы целика остаются неразрыхленными. Наибольшее число трещин наблюдается при зубьях прямоугольного сечения и при перпендикулярном расположении ножки зуба относительно поверхности. Бульдозером можно производить выемку разрыхленных пород только на часть глубины рыхления hp.

Рыхлитель перемещают при полной загрузке на первой скорости и им совершают поперечные, продольные, спиральные и перекрестные заезды. При поперечных заездах (рис. 24, б), когда длина их небольшая (до 30 м), после прохода полосы навесные рыхлители обратно перемещают задним ходом с поднятыми зубьями и наибольшей скоростью. При длинных продольных заездах рыхлители разворачивают в крайних точках заезда для того, чтобы сократить время на холостой ход (рис. 24, в). При спиральных заездах (рис. 24, г) отсутствуют простои на развороты, поэтому на широких россыпях рыхлители используют с большей нагрузкой. Расстояние между бороздами изменяется от 0,6 до 1,2 м, устанавливают его на основании наблюдений. Когда породы разрыхляются на небольшую глубину, целесообразно в следующем заезде нарезать борозды в промежутке между уже образованными. В наиболее крепких породах применяют перекрестные заезды (рис. 24, д). В илисто-глинистых породах при одностороннем направлении борозд и расстоянии между ними 0,6—0,8 м выемку производят на 80—90% от глубины борозды. В глинистых речниках при том же расположении борозд использование глубины снижается соответственно до 60—70%, а при перекрестном — до 70—85%. При больших расстояниях между бороздами глубину рыхления используют только на 30—40%.

По наблюдениям, сопротивление пород на торцовую поверхность зуба при рыхлении достигает в породах IV категории 20 кгс/см2, а в породах VI—VII категории 50—70 кгс/см2. Лучше всего рыхление производить при установке на рыхлителе одного мощного зуба.

После рыхления мерзлые породы скорее оттаивают под воздействием солнца, и среднесуточная скорость оттайки возрастает на 10—20%, благодаря чему общая глубина сезонной отработки при естественном оттаивании дополнительно увеличивается на 0,7—2 м. Валунистые породы рыхлить можно, когда преобладающая часть валунов находится в талом слое, а большие валуны залегают в мерзлоте не более чем на одну треть своего поперечника. Поэтому валунистые породы приходится рыхлить при значительной глубине талого слоя.

Поздней осенью рыхлителями разрушают мерзлую корку, этим удлиняют продолжительность сезона вскрышных работ. Для лучшего использования бульдозеров выделяют площади, на которых к середине июля удаляют растительный слой, и открытую поверхность оставляют для естественного оттаивания. К октябрю породы оттаивают на 1,5—2 м. После этого во время морозов в октябре и ноябре переходят к вскрышным работам этого талого слоя с рыхлением корки. В декабре приходится переходить на буровзрывные работы. Этим удлиняют продолжительность вскрышных работ на 20—50 дней. Целесообразно также оттаивать породы к осени игловой водооттайкой.

Производительность рыхлителя мощностью 100—130 л. с. за 8-часовую смену при различной крепости пород составляют 600—3000 м3. Себестоимость рыхления от 2 до 30 коп/м3.

Производительность бульдозера мощностью 100 л. с. после предварительного рыхления возрастает при выемке пород III категории на 10—15%, IV категории на 30—50%, V категории на 150—200%. Производительность возрастает от увеличения объема вала, образуемого бульдозером во время одной подрезки, от сокращения числа подгребок для образования вала и от увеличения средней скорости движения на 10%. Затраты на рыхление окупаются, начиная с выемки пород III категории, а снижается себестоимость выемки при рыхлении пород IV—VI категории.

Выемка наклонными слоями (рис. 23, е) производится бульдозером при его движении под уклон 0,1—0,25. При этом породу перемещают обычно по борозде, благодаря чему объем вала значительно увеличивается. Данный способ возможно применять тогда, когда место доставки находится ниже забоя, например, при размещении торфов в выработанном пространстве. Влияние уклона на производительность бульдозера при выемке наклонными слоями устанавливают по уравнениям (8) и (9). У некоторых бульдозеров передние катки гусеничного хода перегреваются во время выемки пород под уклон; в таких случаях уклон забоя уменьшают до 0,1.

Выемка пород спаренными бульдозерами (см. рис. 23, д) производится обычно двумя — тремя, а при больших расстояниях четырьмя совместно работающими машинами. Бульдозеры выстраивают так, чтобы ножи их находились на одной линии, а зазор между ними был не более 15—20 см. При совместном перемещении бульдозеров образуется общий большой вал, размер которого в направлении движения достигает 2—4 м, в то время как при одном работающем бульдозере он не превышает 1,7 м. Кроме того, увеличивается используемая площадь боковых частей ножа 1; 2; 3 для образования вала породы и уменьшаются потери пород во время перемещения. Вследствие этого объем породы, приходящийся на один бульдозер у места разгрузки, увеличивается на 20—60%. Продолжительность заезда увеличивается на 5—15%, но производительность возрастает На 10—30%, например, при перемещении легких и переувлажненных пород на расстояние 70—200 м. Перемещение льдистых весьма разжиженных после оттайки торфов по длинной канаве (см. рис. 18) целесообразно производить спаренными бульдозерами с одновременной работой 2—3 пар бульдозеров, которые передвигаются с промежутками в 10—15 м. На тяжелых породах с коэффициентом крепости 1,5—2 во избежание большой перегрузки машин этот способ применять менее выгодно. Чтобы ножи работающих бульдозеров не сцеплялись, на их боковых поверхностях приваривают направляющие полосы. Объем вала, перемещаемого двумя спаренно работающими бульдозерами, может быть определен по уравнениям (2)—(7), при этом необходимо вместо величины Д подставить величину, равную 2Д + е (е = 0,15/0,2 м определяет зазор между ножами машин).

Выемка с рыхлением взрывными работами применяется преимущественно на вечномерзловалунистых породах. Бурение осуществляют: 1) мелкошпуровым способом с использованием бурильных молотков; 2) ударно-вращательными станками ВУД-1 бурением вертикальных скважин, а также станками БМК-4 с пневмоударниками и бурением вертикальных или горизонтальных скважин.

Мелкошпуровое бурение применяют на уступах высотой 1,4— 4 м. При высоте менее 3,5 м обуривают уступ тремя рядами шпуров — в двух нижних рядах шпурам придают наклонное расположение, а в верхнем — вертикальное (рис. 25, а). Расположение и длина шпуров приведены на рис. 25, а. Показатели по буровзрывным работам при высоте 3,5 м в мерзлых породах VI—VII категории следующие: выход горной массы с 1 м шпура 1,3 м3, к. и. ш. 0,82—0,9, расход BB 0,75 кг/м3, трудоемкость 0,004 чел-смен/м3, себестоимость буровзрывных работ около 1,9 руб/м3.

Во избежание уплотнения (укатывания) бульдозером взорванных пород вначале проходят траншеи с шириной основания 3,5 м. Буровзрывные работы в траншее проводят в 3—5 слоев. Шпуры бурят глубиной 1,25—1,35 от мощности взрываемого слоя, располагают их в шахматном порядке на расстоянии 1,2 м, удельный расход BB возрастает на 30%.

Станком ВУД-1 бурят вертикальные скважины диаметром 56 мм. В породах VI—VII категории при высоте уступа 3,5 м скважины располагают на расстоянии 1,3 м в ряду (остальные данные приведены на рис. 25, б). Основные показатели для этих условий: выход горной массы на 1 м скважины 2—3 м3, расход BB 0,80 кг/м3, трудоемкость 0,022 чел-смен/м3, себестоимость буровзрывных работ около 1,2 руб/м3.

Стоимость взрывных работ при применении дешевого игданита снижается, удельный расход BB составит: игданита 0,9. кг/м3 и аммонита 0,15 кг/м3. Траншеи обуривают в четыре ряда скважин с расстоянием между ними 1,2—1,8 м; выход горной массы на 1 м меньше на 20%, а расход аммонита на 10% больше. При бурении вертикальных скважин предохранительную рубашку над пластом песков оставляют толщиной 50 см.

При бурении вертикальных скважин диаметром 102 мм станками БМК-4 или станком СДВВ выход горной массы с 1 м скважины достигает 7 м3, при этом негабаритные куски получаются в объеме 2— 3%, себестоимость рыхления на 18% ниже предыдущего способа.

Горизонтальные скважины диаметром 95—102 мм бурят станком БМК-4 или НКР-100. При высоте взрываемого уступа 2,2—5 м скважины располагают в один ряд от основания уступа на высоте 0,15— 0,3 м, между скважинами выдерживают расстояние в 0,9—1 высоты уступа. Горизонтальная длина (глубина) скважин 4—18 м (преимущественно 5—12 м), величина перебура 0,5—0,9 м. Наименьшую глубину скважин выдерживают, когда их устье направлено в сторону выброса (рис. 25, в). Наибольшую глубину придают при расположении скважин перпендикулярно направлению выброса (рис. 25, г).

Для удешевления буровзрывных работ и бульдозерной уборки при таком расположении скважин сначала проходят выездные траншеи 1; 2; 3; 4 на полную их глубину. Затем проходят буровые траншеи 5; 6; 7; 8 (рис. 25, д), из которых бурят глубокие горизонтальные скважины. После проходки траншей буровзрывные работы ведут на полную высоту уступов, как показано на схеме (см. рис. 25, в и г). Породу убирают бульдозером при его перемещении по основанию траншеи 2; 3.

Выездные траншеи проходят поперек россыпи на расстояние около 100 м. При применении буровых траншей (рис. 25, г) объем буровых работ сокращается на 5—10%, возможно более производительно использовать буровые станки, поскольку они не мешают работам по уборке пород; развал породы получается больший и более пологий, что облегчает бульдозерную уборку. Общая себестоимость рыхления уменьшается примерно на 20%.

Показатели в породах VI-VII категории при высоте уступа 3,5 м: выход горной массы с 1 м скважины 10 м3, расход BB 0,40 кг/м3, трудоемкость 0,013 чел-смен/м3, расход электроэнергии 0,08 квт*ч/м3, выход негабарита 3—5%, себестоимость буровзрывных работ 0,80 руб/м3. В последнее время начали обуривать уступы горизонтальными скважинами длиной 10 м (рис. 25, в) в сочетании с вертикальными глубиной 3 м, что удешевило буровзрывные работы на 5%. Бульдозерная выемка мерзлых пород с взрывными работами стоит дорого, поскольку только буровзрывные работы обходятся 0,8—2 руб/м3. Данный способ применяют тогда, когда необходимо ускорить вскрышные работы в зимнее время, например при недостаточном опережении вскрышных работ или при вскрыше нижних горизонтов на глубоких россыпях. Его также экономически выгодно применять в определенном объеме для повышения использования бульдозеров зимой, а также для сокращения числа рабочих в летнее время, а следовательно, и для сокращения накладных расходов, связанных с вербовкой и содержанием рабочих. В настоящее время этот способ выемки используют в объеме 9—12%.

Бульдозеры более подвижны, чем скреперы, они могут производить выемку талого слоя наименьшей толщины, поэтому к бульдозерной вскрыше весной можно приступить раньше.

Осенью с наступлением морозов вскрышу целесообразно проводить, применяя рыхление мерзлой корки. При этом следует интенсивно отрабатывать забой большим числом машин.

Наиболее эффективный способ выемки уточняют наблюдением на месте.