Способ добычи блочного камня

1. СПОСОБ ДОБЫЧИ БЛОЧНОГО КАМНЯ, включающий обуривание монолита параллельными шпурами или скважинами в плоскостях предполагаемого откола, создание в этих плоскостях поля статических напряжений, посредством размещенных в шпурах распорных приспособлений, отделение монолита динамической нагрузкой, создаваемой взрывными приспособлениями, размещаемыми в ряду параллельных шпуров или скважин, и разделение монолита на блоки, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности добычи за счет одновременного отделения монолита и разделения его на блоки, а также повышения качества добываемых блоков за счет снижения динамического воздействия на них, перед отделением монолита его обуривают шпурами по плоскостям разделения на блоки, параллельным плоскостям предполагаемого откола, и создают в плоскостях разделения поля статических напряжений посредством размещения в этих шпурах распорных приспособлений, а взрывные приспособления размещают в ряду шпуров или скважин, расположенных за пределами отделяемого монолита в плоскости, параллельной одной из плоскостей его отделения.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между шпурами в каждом ряду разделяемых блоков определяют из выражения

где P давление, развиваемое веществом при затвердевании, МПа;
D диаметр шпура, м;
_p предел прочности горной породы на разрыв, МПа;
A, K эмпирические коэффициенты, A 43,61, K -0,03;
e основание натурального логарифма;
r наименьшее расстояние от ряда взрывных шпуров или скважин до разрушаемой точки массива, м;
Q масса взрывчатого вещества, кг;
B и L ширина и длина разрушаемого массива, м;
K_д коэффициент динамичности породы;
a, b и c ширина, высота и длина готового блока, м.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве распорных приспособлений используют вещество, расширяющееся при затвердевании.
4. Способ по пп. 1,2 и 3, отличающийся тем, что вертикальные шпуры или скважины бурят на глубину кратную 2 4 размерам добываемых блоков.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для разрушения горных пород, в частности для раскалывания массивов природного камня на блоки для производства облицовочных изделий.
Известен способ добычи блоков облицовочного камня, выполняемый в две стадии. На первой отделяют от массива монолиты, а на второй разделывают их на блоки заданного размера. При отделении монолита по его контуру бурят шпуры и горную породу между ними разрушают клиньями или зарядами взрывчатого вещества.
Разделение монолита на блоки выполняют буроклиновым способом. К недостаткам такого способа относятся необходимость перемещения монолитов большого веса, отделенных от массива, и трудность механизации бурения шпуров при разделении монолитов. Кроме того, вследствие падения монолитов и применения при их отделении взрывчатых веществ происходит образование в монолитах трещин, которые приводят к снижению выхода и объемов блоков заданных размеров и к увеличению трудозатрат на добычу блоков.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ добычи блочного камня, включающий оборудование монолита параллельными шпурами или скважинами в плоскостях предполагаемого откола, создание в этих плоскостях поля статических напряжений посредством размещенных в шпурах распорных приспособлений, отделение монолита динамической нагрузкой, создаваемой взрывными приспособлениями, размещаемыми в ряду параллельных шпуров или скважин и разделение монолита на блоки.
Недостатком известного способа является стадийность отделения монолита и его разделения на блоки, что снижает производительность работ, а также излишнее динамическое воздействие на монолит, снижающее качество добываемого камня.
Цель изобретения повышение производительности добычи за счет одновременного отделения монолита и разделения его на блоки, а также повышение качества добываемых блоков за счет снижения динамического воздействия на них.
Для достижения указанной цели в известном способе добычи блочного камня, включающем обуривание монолита параллельными шпурами или скважинами в плоскостях предполагаемого откола, создание в этих плоскостях поля статических напряжений посредством размещенных в шпурах распорных приспособлений, отделение монолита динамической нагрузкой, создаваемой взрывными приспособлениями, размещенными в ряду параллельных шпуров или скважин, и разделение монолита на блоки, перед отделением монолита его обуривают шпурами по плоскостям разделения на блоки, параллельным плоскостям предполагаемого откола, и создают в плоскостях разделения поля статических напряжений посредством размещения в этих шпурах распорных приспособлений, а взрывные приспособления размещают в ряду шпуров или скважин, расположенных за пределами отделяемого монолита в плоскости, параллельной одной из плоскостей его отделения.
Кроме того, расстояние между шпурами в каждом ряду разделяемых блоков определяют из выражения
Q_ш= DP - , м где Р давление, развиваемое веществом, на стенки шпура, МПа;
_p предел прочности горной породы на разрыв, МПа;
D диаметр шпура, м;
А,К- эмпирические коэффициенты, А43,61; К -0,03;
Q масса заряда взрывчатого вещества, кг;
В и L ширина и длина разрушаемого породного массива, м;
е основание натурального логарифма;
r наименьшее расстояние от ряда взрывных шпуров или скважин до точки разрушения массива, м;
K_д коэффициент динамичности породы;
a,b,c размеры готовых блоков, м.
Кроме того, в качестве распорных приспособлений используют вещество, расширяющееся при затвердении.
Кроме того, шпуры или скважины в вертикальных плоскостях бурят на глубину, кратную 2-4 размерам добываемых блоков.
На фиг.1 представлена схема направленного разрушения породного массива; на фиг.2 разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез по Б-Б на фиг.1.
В породном массиве 1 вдоль предполагаемых линий разрушения 2 бурят шпуры 3 и на некотором расстоянии от них скважины 4. В шпуры на всю их длину заливают вещество 5, рассматривающееся при затвердевании, например клинкер, предварительно смешанный с водой в требуемом соотношении. После затвердевания клинкера и создания в шпурах требуемого предварительного напряжения в скважинах 4 создают ударный импульс, например, взрывая заряды взрывчатого вещества 6. В результате в массиве возникают растягивающие напряжения, превышающие динамический предел прочности горной породы на разрыв, концентрирующиеся вдоль линий 2 и приводящие к отделению монолита от массива и одновременному его разрушению в требуемых направлениях на отдельные блоки.
Поскольку разрушение происходит за счет совокупности статических и динамических нагрузок, то при оценке его процесса следует пользоваться динамическим пределом прочности ( _д) горной породы на разрыв.
_д=K_д( _p- _пр), (1) где К_д коэффициент динамичности породы;
_p- предел прочности горной породы на разрыв, МПа;
_пр предварительное напряжение горной породы статическим нагружением, МПа.
Разрушение в результате действия взрыва произойдет в случае, если напряжение [ _д] развиваемое в массиве, превысит динамический предел прочности горной породы на разрыв, т.е. при
[ _д] _д. (2)
Поскольку предварительное статическое нагружение приводит к концентрации динамических нагрузок вдоль намечаемых линий разрушения, то усилия, развиваемые в результате взрывания зарядов взрывчатого вещества, распределяются по всей площади поверхности получаемых блоков, а следовательно, величина создаваемого взрывом динамического напряжения определяется по формуле
[ _д] (3) где S_y удельная площадь поверхности разрушения готового блока, м²/м³;
S_у= + + (4) или [ _д]
(5) где F_д сила, вызывающая в массиве развитие растягивающих напряжений в результате действия взрыва, МН;
L,H и B длина, высота и ширина отделяемого монолита, м;
a,b,c размеры готового блока, м.
Причем В Н; при В n₁a; Н n₂c; где n₁, n₂ целое число, 1,2,3.
В свою очередь,
F_д= BH, (6) где растягивающее напряжение, возникающее в массиве от взрыва, МПа.
Для расчета величины использована формула (Мироненко П.С. Взрывы и сейсмоопасность сооружений. М. "Недра", 1973, с.104).
A (7) где А,К эмпирические коэффициенты, А43,61; К -0,03;
Q общая масса взрывчатого вещества, взрываемая в ряду скважин, кг;
r наименьшее расстояние от ряда скважин до точки разрушения массива, м.
В результате подстановки правой части выражения (7) в формулу (6) получаем
[ _д] (8)
В результате замены левой части уравнения (1) правой частью выражения (8) и решения полученного уравнения относительно _пр, получаем выражение для расчета необходимой величины предварительного напряжения, создаваемого статическими нагрузками
_пр= _p-
(9)
Поскольку расстояние между шпурами зависит от усилия, развиваемого в шпуре, и необходимой величины предварительного напряжения, то получаем следующую формулу
Q_ш= DP -
(10) где 3,14;
D диаметр шпура, м;
Р давление, развиваемое клинкером, на стенки шпура, МПа.
Отсюда можно рассчитать удельный расход бурения для разрушения породного массива
R + + (11) где R удельный расход бурения, м/м³.
Для снижения дробящего действия взрыва на монолит скважины для размещения взрывчатого вещества располагаются в ряд и бурятся на высоту разрушаемого монолита, а расстояние между ними в ряду рассчитывается по формуле
Q_c= (12) где Q_c расстояние между скважинами в ряду, м;
q вместимость скважин, кг/м.
Ниже приводится пример, иллюстрирующий отличительные признаки предлагаемого изобретения.
П р и м е р. Для создания статической нагрузки в шпур диаметром D 0,043 м заливается клинкер, который затвердевает и через сутки в шпурах давление Р 35 МПа.
Динамическая нагрузка создается взрыванием в скважинах диаметром 105 мм зарядов взрывчатого вещества гранулита АС-8.
Разрушение ведется с целью получения блоков для производства облицовочных изделий, поэтому воздействие на монолитность массива должно быть минимальным, К_д 1,65.
Расчеты параметров процесса разрушения породного массива выполнены по формулам (10-12), для ниже приведенных условий.
I условиеQ 60,120 кг;r 5,0, 10 м; _p= 7,5, 12,5 МПа; а 1,0 м; b 1,0 м; с 1,0 м; Н B 5 м; L 5,0 м.
Результаты расчетов по формулам (10-12) приведены табл.1.
2 условие: меняются параметры блоков а 2,5 м; b 2,5 м; с 2,5 м; Н В 5 м.
Результаты расчетов по формулам (10-12) приведены в табл.2.
3 условие: меняются параметры блоков а 1,25 м; b 1,4 м; с 2,5 м; Н В 5,6 м.
Результаты расчетов по формулам (10-12) приведены в табл.3.
4 условие: меняются параметры блоков а 1,4 м; b 1,4 м; с 2,1 м; Н В 4,2 м; L 4,2.
Результаты расчетов по формулам (10-12) приведены в табл.4.
Из сопоставления результатов расчетов (см.табл. 1-4) видно, что уменьшение расстояния до разрушаемого монолита от ряда скважин для размещения зарядов взрывчатого вещества, увеличение массы взрывчатого вещества, уменьшение длины разрушаемого монолита и его прочности, увеличение размеров готовых блоков позволяет увеличить расстояние между шпурами и уменьшить удельный расход бурения для разрушения породного массива на блоки. Кроме того, установлено, что кратность 2-4 размера блоков длине шпура является оптимальный при длине шпура 4-5 м.
В случае бурения шпуров глубиной менее 4 м возрастают удельные затраты времени на перестановку буровых установок и, соответственно, снижается их эксплуатационная производительность, а следовательно, увеличиваются затраты на разрушение. При бурении глубиной более 6 м затрудняется очистка шпуров и за счет этого тоже падает производительность бурения. То есть в интервале глубины шпуров 4-6 м обеспечивается оптимальное использование буровых установок. Кроме того, при увеличении глубины горизонтальных шпуров усложняется их зарядка веществом для создания в них давления.
Взаимное расположение рядов, обеспечивающее равенство двух размеров блока глубине шпура, целесообразно с точки зрения получения в одну стадию блоков с максимально допустимыми товарными размерами. А уже при равенстве пяти размеров блока глубине шпура 4-6 м происходит разрушение породного массива на блоки минимального объема при одновременном увеличении затрат на бурение.
Таким образом, приведенный пример подтверждает, что использование для направленного разрушения породного массива на блоки совокупности указанных приемов позволяет по сравнению с прототипом увеличить расстояние между шпурами, сократить объем буровых работ, создает возможность их полной механизации при одновременном снижении неровностей поверхности блоков вследствие концентрации разрушающих усилий в требуемых направлениях. Кроме того, повышается производительность бурового оборудования за счет бурения шпуров в одну стадию, в целом повышается производительность процесса разрушения, что в конечном счете предопределяет экономичность данного способа.