ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ И ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ
реклама
Лекция №1 по дисциплине: «ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ И ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ » Тема: «ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ» Существует большое количество разнообразных строительных материалов. Их номенклатуру стремятся представить в виде системных классификаций. В качестве классификационных признаков выбирают: вид исходного сырья, технологические признаки, назначение и область применения материалов, основной показатель качества и др. Одна часть материалов, объединенных в группы, относится к природным, а другая - к искусственным материалами. К природным строительным материалам относятся материалы, получаемые непосредственно из недр земли или в результате переработки лесных массивов в "деловой лес". Этим материалам придают определенную форму и размеры, но не изменяют их состава, внутреннего строения. К природным материалам относятся природные каменные материалы, древесина и материалы на основе растительного сырья - камыш, солома, лузга, костра и т.п., а также природный битум, асфальт, озокерит, казеин. Природные материалы могут быть органическими и неорганическими. Природные каменные материалы, получаемые в результате относительно несложной механической обработки монолитных горных пород с сохранением их физико-механических и технологических свойств, используются в виде плит, блоков, бортовых и облицовочных камней, дорожной брусчатки, бутового камня, щебня, дробленого песка и т. д. В огромных количествах используются также естественные рыхлые породы: валуны, гравий, песок, глина и др. Кроме того, горные породы являются важнейшими сырьевыми продуктами при получении искусственных строительных материалов (строительной керамики, огнеупоров, стекла, цемента, извести и др.). Для чего они подвергаются сложным видам механической и химической переработки. Широкое использование природного сырья связано с наличием благоприятных физико-химических свойств многочисленных пород. Уже в ранний период своего существования человек обнаружил на поверхности земли и в ее недрах множество природных материалов, которые полностью удовлетворяли его сравнительно ограниченные потребности. На последующих стадиях развития человеческого общества появляются повышенные требования к качеству строительного камня и одновременно усложняются способы обработки и переработки природного сырья для получения материалов иного качества и свойств, например превращения обычной глины в камень при ее обжиге и получения стабильных свойств готового продукта. Горными породами называются простые и сложные природные минеральные агрегаты, которые занимают значительные участки земной коры и отличаются большим или меньшим постоянством химического и минерального Страница 1 из 79 состава, структуры, а также определенными условиями залегания. Они слагают поверхностные слои земной коры мощностью около 15 ... 60 км и образуют естественные скопления ценного минерального сырья. К основным древесным строительным материалам относятся круглый лес, пиломатериалы, клееные изделия и конструкции, древесностружечные и древесноволокнистые плиты, арболит, фибролит, ксилолит и др. Круглые лесоматериалы – отрезки древесного ствола разных пород и размеров, очищенные от коры и сучьев. Пиломатериалы – это продукция, получаемая при раскрое бревен, имеющая стандартные размеры и качество, используемая в целом виде или для выработки заготовок, деталей и изделий из древесины. Клееные деревянные конструкции – изделия, получаемые путем склеивания досок (брусков) и фанеры. Древесностружечной плитой называют плиту, изготовленную путем горячего прессования древесных частиц, смешанных со связующим. Древесноволокнистые плиты представляют собой листовой материал, изготовленный в процессе горячего прессования или сушки массы из древесного волокна, сформированной в виде ковра. Арболит – разновидность легкого бетона, в состав которого входит органический заполнитель в виде древесной дробленки, минеральное вяжущее, химические добавки и вода. Фибролит – спрессованные и затвердевшие плиты из древесных стружек, обработанных минерализаторами с минеральным вяжущим веществом. Ксилолит – искусственный строительный материал, состоящий из смеси магнезиального вяжущего, древесных опилок с добавлением тонкодисперсных минеральных веществ (тальк, асбест, мраморная мука) и щелочестойких пигментов. К материалам на основе растительного сырья относятся: Камыш – хороший дешевый местный строительный материал, в настоящее время камыш переживает второе рождение, потому что камыш очень легок, экологичен и прост в использовании. Применяют как теплоизоляционный материал (стены из камышитовых плит толщиной 10 см, оштукатуренные с обеих сторон, соответствуют кирпичным стенам в два кирпича). Но сейчас камыш входит в моду в качестве кровельного материала. Солома и костра в строительстве применяются как органический заполнитель при производстве арболита, солома применяется еще в составе глиняной массе как армирующий и теплоизолирующий компонент при возведении соломенного дома. Лузга в строительстве используется при изготовлении декоративных теплозвукоизоляционных плит, а также в качестве выгорающей добавки в керамической промышленности. К прочим природным строительным материалам относятся: Природные битумы – вязкие жидкости и твердоподобные вещества. Природные битумы образовались в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Они встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Страница 2 из 79 Асфальтовые породы – это пористые горные породы, пропитанные битумом. Из этих пород выделяют битум или их размалывают и применяют в виде асфальтового порошка. Озокерит (горный воск) – природный нефтяной битум; смесь твердых насыщенных углеводородов. Желтый, бурый, зеленоватый. Твердость 1; плотность 0,85-1 г/см3. Сырье для парфюмерной и лакокрасочной промышленности; применяется также в медицине. Казеин – белковое вещество, образующееся при свертывании молока и применяемое в пищевой промышленности, медицине, для производства красок, клеев, пластмасс и т.п. Страница 3 из 79 Лекция №2 по дисциплине: «ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ И ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ » Тема: СТРОИТЕЛЬНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ Вопросы: 2.1 Понятие о горных породах и минералах 2.2 Область применения строительных горных пород и комплексное их использование 2.1 Понятие о горных породах и минералах Отличительными показателями минералов служат их химический состав и физические свойства — плотность, твердость. Среди большого разнообразия природных минералов только небольшая их часть принимает основное участие в образовании горных пород. Поэтому эти минералы названы породообразующими (полевые шпаты, слюды, железисто-магнезиальные минералы, карбонаты и сульфаты). Кварц по химическому составу представлен диоксидом кремния SiO2. Это наиболее распространенный минерал земной коры, находящийся в природе в виде самостоятельной горной породы (кварцевых песка и стекла, горного хрусталя) или входящий в состав полиминеральных горных пород. Плотность кварца 2650 кг/м3, твердость 7 (по шкале Мооса), предел прочности при сжатии около 2000 МПа. Кварц стоек к действию кислот, за исключением плавиковой, и обладает высокой атмосферостойкостью. При температуре 18...20°С кварц не реагирует с известью Са(ОН)2, но в среде насыщенного водяного пара и при температуре 150... 200 °С вступает с ней в реакцию, образуя гидросиликаты. Этим свойством кварца пользуются, получая искусственные каменные материалы из смеси кварцевого песка и извести, называемые силикатными. Полевые шпаты по химическому составу представляют собой алюмосиликаты — соединения кремнезема с оксидом алюминия и оксидами щелочных металлов К2О, Na2O, CaO. Полевые шпаты имеют плоскости спайности, легко раскалываются по этим плоскостям и отличаются различной окраской. Твердость их равна 6. По характеру проявления спайности полевые шпаты делят на ортоклазы и плагиоклазы. Ортоклазы — прямо раскалывающиеся минералы; плагиоклазы — косо раскалывающиеся. Полевые шпаты имеют предел прочности на сжатие 120...170 МПа, плотность — от 2500 (ортоклаз) до 2760 кг/м3 (анортит). По сравнению, например, с кварцем они легко выветриваются, т. е. разрушаются под действием атмосферных агентов — влаги, углекислого газа. Продуктами выветривания являются алюмосиликаты, в частности каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O, входящий в состав глин, а иногда и кальцит СаСО3. Слюды — водяные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Их делят на два вида: биотит и мусковит. В биотите содержатся примеси в виде оксида магния и железа, вследствие чего биотит непрозрачен и имеет темный, а Страница 4 из 79 иногда и черный цвет; мусковит прозрачен, так как не имеет этих примесей. Слюды легко расщепляются на тонкие упругие пластинки, что характеризует их совершенную спайность. Плотность мусковита 2760... 3100 кг/м3, а биотита 2800...3200 кг/м3, твердость 2...3. Биотит входит в состав многих изверженных горных пород. Выветривается он быстрее, чем мусковит. Последний встречается в изверженных и осадочных горных породах. К железисто-магнезиальным минералам относятся пироксены (наиболее распространенный представитель — авгит), амфиболы (роговая обманка) и оливин. Железисто-магнезиальные минералы имеют сложный химический состав; в основном это силикаты магния и железа. Они имеют темную окраску зеленого, бурого, а иногда и черного цвета. Плотность 3000...3600 кг/м3, твердость 5,5...7,5. Минералы этой группы (за исключением оливина) обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью против выветривания. Важнейшими породообразующими минералами осадочных горных пород являются кальцит, магнезит, доломит, гипс и ангидрит. Кальцит СаСО3 (известковый шпат) является одним из наиболее распространенных минералов земной коры. Кальцит образует крупно-, средне- и мелкозернистые породы; плотность его 2700 кг/м3, твердость 3. Кальцит растворим в воде (0,03 г в 1 л), бурно реагирует с кислотами. Вода, содержащая СО2, действует на кальцит разрушающе, так как при этом образуется кислый углекислый кальций Са(НСО3)2, который растворим в воде более чем в 100 раз по сравнению с СаСО3. Магнезит MgCO3 в отличие от кальцита встречается в природе значительно реже, он имеет несколько большую твердость и меньшую растворимость, чем кальцит. Доломит MgCO3·СаСО3 — минерал, который по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль магния и кальция. Доломит по физическим свойствам аналогичен магнезиту. Гипс CaSO4·2H2O представляет собой минерал пластинчатого, волокнистого или зернистого строения, плотность 2300 кг/м3, мягкий — твердость 2. Гипс имеет белый цвет, иногда окрашен примесями в различные цвета: серый, красноватый, желтоватый и черный. Гипс обладает сравнительно легкой растворимостью в воде (примерно в 75 раз большей, чем кальцит). Ангидрид CaSO4 — безводная разновидность гипса. Плотность 3 ангидрита 2800...3000 кг/м , твердость 3...3,5; цвет от красновато-белого до серого. При длительном воздействии воды ангидрит способен перейти в гипс с незначительным увеличением объема. Каолинит представляет собой водный силикат алюминия. Отдельные пластинки и чешуйки его бесцветны, а сплошная масса может иметь белый, желтоватый, буроватый и голубовато-зеленоватый цвета. Твердость 2,5. Магматические (изверженные) горные породы. Магматические породы образовались в результате застывания магмы. При этом имеют огромное значение величины давлений, температура и содержание в ней минерализаторов — паров воды, углекислоты и др. Страница 5 из 79 Рис. 2.1. Полнокристаллическая структура глубинных пород (гранит): Оr — ортоклаз; PL — плагиоклаз; q — кварц; b — биотит В зависимости от условий образования магматические породы разделяются на глубинные (интрузивные), излившиеся (эффузивные) и полуглубинные (гипабиссальные). Глубинные породы образуются на больших глубинах в условиях высоких температуры и давления, медленного и равномерного остывания магмы. Оно завершается формированием разновидностей с полнокристаллической структурой, массивной текстурой и равномерным распределением минеральных составных частей в массе породы, любые участки которой одинаковы по составу и структуре. Излившиеся породы появляются на поверхности земли в условиях низкой температуры и атмосферного давления при быстрой отдаче теплоты и быстром выделении газообразных веществ из лавы с образованием в ней многочисленных пор, сохраняющихся и после затвердевания. Поэтому они отличаются неполнокристаллической структурой с обилием аморфного стекла, неоднородной текстурой и чередованием в ее объеме участков с неодинаковыми составом и структурой. Полуглубинные породы образуются на некоторой глубине от поверхности земли при изменяющемся режиме понижения температуры, в результате чего из магмы выделяются разноразмерные кристаллы одного и того же минерала: крупные, образовавшиеся в первую, и мелкие, появившиеся во вторую фазы кристаллизации. Структуры этих пород отличаются разнозернистостью и называются порфировидными. Рис. 2.2. Неполнокристаллическая (порфировая) структура излившихся пород (альбитовый порфир): Ав – альбит в скрытозернистой основной массе породы В составе магматических пород существенное значение имеют оксиды: SiO2; А12О3; FeO; MgO; CaO; Na2O; K2O; H2O и особенно первый, являющийся надежной характеристикой их химического состава. В зависимости от количественного содержания кремнезема все магматические породы разделяются на: ультракислые — свыше 75%; кислые — от 65 до 75%; средние — от 52 до 65%, основные — от 40 до 52% и ультраосновные— менее 40% кремнезема. Главнейшими минералами магматических пород являются кварц, полевые шпаты, плагиоклазы, нефелин, слюды, авгит, роговая обманка и др. Калиевые полевые шпаты и кислые плагиоклазы, кварц и слюды встречаются преимущественно в кислых породах; средние плагиоклазы и роговая обманка — в средних, а основные плагиоклазы и авгит — в основных породах. Страница 6 из 79 Глубинные породы имеют высокие показатели прочности, средней плотности, а также незначительную пористость, с которой связаны весьма низкое водопоглощение, высокие теплопроводность и морозостойкость. Из этой группы рассматриваются граниты, сиениты, диориты, габбро, перидотиты и пироксениты, расположенные в приведенном порядке по мере уменьшения в них кремнезема. Граниты — широко распространенные в природе кислые породы, содержащие 65 ... 75% SiO2. Сиениты — средние породы, содержащие до 65% SiO2. Диориты являются средними (62...65% SiO2;) породами, состоящими из средних плагиоклазов (до 75%) и роговой обманки (25%), наряду с которой могут присутствовать авгит, биотит. Габбро — основные породы, содержащие от 40 до 52% SiO2. Перидотиты и пироксениты — ультраосновные бесполевошпатовые полнокристаллические породы, содержащие менее 40% SiO2 и сходные по своим свойствам. Излившиеся породы являются аналогами глубинных по составу, но сильно отличаются от них по структурным и текстурным особенностям. Из их числа рассматриваются кварцевые порфиры и липариты; бескварцевые порфиры (ортофиры) и трахиты; порфириты и андезиты; диабазы и базальты, расположенные в приведенном порядке по тому же признаку уменьшения кремнезема, что и в группе глубинных пород. Кварцевые порфиры и липариты — излившиеся аналоги гранитов. Бескварцевые порфиры (ортофиры) и трахиты являются соответственно древними и молодыми излившимися аналогами сиенитов. У ортофиров сильно изменен минеральный состав с появлением в нем вторичных минералов: каолинита, карбонатов, хлоритов и др., которые уплотняют породу, заполняя ее пустоты, и способствуют образованию вторичной микрозернистой структуры. Бескварцевые порфиры окрашены в серовато-зеленый или красновато-бурый цвета. Трахиты — пористые и сильношероховатые породы белой, серой, желтоватой окраски с ясно выраженной порфировой структурой. Порфириты и андезиты — плагиоклазовые излившиеся аналоги диоритов, соответственно древне- и нововулканического возраста. Отличаются пористой текстурой и порфировой структурой с вкрапленниками плагиоклазов или роговой обманки. Диабазы и базальты — излившиеся древне - и нововулканические аналоги габбро, отличающиеся от него своими структурными и текстурными особенностями. Диабазы имеют скрытокристаллическую структуру, характерную тем, что промежутки между переплетенными кристаллами основного плагиоклаза (Лабрадора) заполнены мелкозернистой авгитовой массой. Они окрашены в зеленые и зеленовато-серые тона. Базальты макроскопически представляют собой черную плотную застывшую лаву, находящуюся в скрытокристаллическом или аморфном состоянии с зернистым строением и стекловатой массой, заполняющей промежутки между зернами различных размеров; вместе с тем наблюдаются также порфировые разновидности этих пород. К вулканогенным породам относят рыхлые вулканические пеплы, пески и Страница 7 из 79 сцементированные — вулканические туфы, туфовые лавы. Вулканические пеплы — мелкие порошкообразные массы частиц неправильной формы, выброшенные во время извержений и осевшие на поверхности лавовых потоков, а также вокруг вулканических конусов. Они состоят из мельчайших обломков вулканического стекла и кристаллических зерен некоторых минералов, особенно кварца. Размеры частиц вулканических пеплов колеблются от 0,1 до 2 мм. В пеплах содержится свыше 65% частиц мельче 0,15 мм преимущественно кремнистого состава. Рыхлые массы, сложенные более крупными частицами (до 5 мм), называются вулканическими песками. Вулканические пеплы являются активными минеральными добавками при производстве цементов. Вулканические туфы образуются путем цементации и уплотнения вулканических пеплов и другого твердого материала. Цементом служат вулканический пепел, кремнезем, глина и продукты разложения пепла. Они различны по строению и характеризуются непостоянными химическими и физико-механическими свойствами. Туфовые лавы образуются при быстром вспенивании изливающихся лав при резком падении давления и одновременном примешивании к ней разнообразного вулканического материала. Осадочные горные породы. Осадочные породы представляют особый интерес для строителей, так как они служат основаниями и средой для различных сооружений и повсеместно доступны в качестве строительных материалов. Они имеют вторичное происхождение, поскольку исходным материалом для их формирования являются продукты разрушения ранее существовавших пород. Процесс образования осадочных пород протекает по схеме: физическое и химическое выветривание пород, механический и химический перенос, отложение и накопление продуктов их разрушения и, наконец, уплотнение и цементация рыхлого осадка с превращением его в породу. Общими свойствами осадочных пород являются одинаковые формы залегания в виде пластов, с которыми связаны их характерные текстурные признаки - слоистость и пористость. Последняя особенно важна, так как оказывает большое влияние на физико-механические свойства пород: прочность, плотность и среднюю плотность, водопоглощение, морозостойкость, механическую обработку и др. Рис. 2.3. Структура осадочных пород зернистая (песчаник) Среди породообразующих минералов встречаются осажденные из водных растворов карбонаты, сульфаты, водный кремнезем; вторичные (глинистые) продукты выветривания материнских пород - каолинит, монтмориллонит; слюдистые минералы, гидроксиды А1 и Fe; реликтовые минералы, сохранившиеся без изменения, - магматический кварц, полевые шпаты, а также обломки пород различного генезиса и остатки организмов. Некоторые представители осадочных пород растворяются в воде, например каменная соль, гипс, известняки. Страница 8 из 79 Рис. 2.4. Структуры осадочных пород (известняк химического образования) По условиям образования осадочные породы делятся на три группы: обломочные, химические и органогенные. Между ними существуют переходные разновидности смешанного генезиса. Рис. 2.5. Структуры осадочных пород - ракушечная (известняк биогенный) Породы обломочного (механического) происхождения являются продуктами механического разрушения каких-либо материнских пород и сложены преимущественно обломками устойчивых к выветриванию минералов и пород. Они разделяются по крупности обломков на грубообломочные, среднеобломочные (песчаные), мелкообломочные (пылеватые) и тонкообломочные (глинистые). Породы химического происхождения (хемогенные) образовались в результате выпадения из истинных и коллоидных водных растворов различных веществ. Важное значение имеют слаборастворимые и подвижные соединения карбонатов Са и Mg. К карбонатным породам относятся микрозернистые (афанитовые) известняки, а также мономинеральные породы, сложенные кальцитом, с зернистой или кристаллической структурой, пористой или кавернозной текстурой; в зависимости от текстуры средняя плотность известняков изменяется в пределах 2600 ...2000 кг/м3, снижаясь до 1000 кг/м3 у сильнопористых и кавернозных разновидностей. Пористость прочносцементированных известняков не превышает десятых долей процента, а у слабосцементированных — достигает 15...20% и выше, Окраска их разнообразна: белая, серая, желтоватая до черной в зависимости от примесей. Известковые туфы — высокопористые, ноздреватые породы, сложенные кальцитом, выпадающим из холодных и горячих углекислых источников при выходе их на поверхность земли. Они отличаются легкостью, небольшой средней плотностью до 1650 кг/м3 и малой прочностью, обычно около 10 МПа, хотя у плотных разновидностей (травертино), образовавшихся из горячих источников, она может достигать 80 МПа. Из известковых туфов получают известь, применяют их в производстве цемента, а также в качестве стенового и декоративного материала (травертино). Магнезиты являются светлоокрашенными породами, состоящими из минерала магнезита. Прочность и плотность их выше, чем у известняков, но в природе они встречаются реже. Магнезиты являются сырьем для производства огнеупорных изделий, а скрыто-кристаллические разновидности с плотностью 2,9 ...3,0 г/см3 — Страница 9 из 79 для изготовления минеральных вяжущих (каустического магнезита) и изделий на их основе. Сульфатные породы. Главными представителями их являются гипс и ангидрит. Они являются мономинеральными породами зернистокристаллической структуры, сложенными минералами одноименного названия с возможными небольшими примесями глины, песка, органических веществ и др. Породы органогенного происхождения образовались при непосредственном или косвенном участии организмов, способных извлекать из растворов или морских вод необходимые для их жизнедеятельности соединения и концентрировать их в твердых частях тела. Для этих пород характерны цельнораковинные (биоморфные) и органогенно-детритовые структуры, состоящие из обломков раковин. Из этой группы рассматриваются породы кремнистого (силициты) и карбонатного составов. Метаморфические (видоизмененные) горные породы. Метаморфические горные породы образовались из магматических и осадочных путем их преобразования под влиянием высокой температуры и давления. В строительстве применяют гнейсы, глинистые сланцы, мраморы, кварциты. Рис. 2.6. Структура и текстуры метаморфических пород: а - гранобластовая структура (гнейс); б - слоистая текстура (гнейс) Гнейсы по минералогическому составу являются аналогами гранита и имеют сланцевое строение. Используют гнейсы преимущественно как облицовочные плиты, в виде бутового камня для кладки фундаментов и стен неотапливаемых зданий, для тротуаров. Глинистые сланцы состоят из уплотненных сланцевых глин. Цвет темносерый, иногда черный, раскалываются на тонкие плитки, обладают высокой атмосферостойкостью и долговечностью, что позволяет использовать их в качестве кровельного материала. Мрамор — кристаллическая порода, образовавшаяся из известняков или доломитов. Кристаллы соединены без цементирующего вещества. Прочность мрамора до 300 МПа. Твердость небольшая — 3,0...3,5. Он сравнительно легко пилится на плиты и хорошо полируется. Применяют мрамор для облицовки внутренних частей зданий, так как снаружи зданий полировка быстро утрачивается. Кварциты — метаморфическая разновидность кремнистых песчаников с перекристаллизованными и сросшимися зернами кварца, так что цементирующее вещество неразличимо. Кварциты стойки против выветривания, прочность достигает 400 МПа. Используют кварциты для облицовки зданий, опор мостов, а также как сырье для производства динасовых огнеупорных изделий. Страница 10 из 79 2.2 Область применения строительных горных пород и комплексное их использование В зависимости от способа обработки горных пород различают следующие виды каменных материалов и изделий: добываемые выпиливанием из массива или путем выкалывания плиты и блоки для каменной кладки, облицовочные плиты, профильные детали и др. Некоторые материалы подвергаются обработке скалывающими инструментами, например бортовый камень, другие — грубоколотые, направляются непосредственно на строительные объекты без последующей механической обработки (брусчатка). Крупный рваный камень (бут) получают после взрывания пород в карьере или при шпуровой разделке крупных блоков; при последующем дроблении из него получают щебень, каменную крошку, песок, а при помоле — минеральный порошок. Из природных сортированных залежей добывается окатанный обломочный материал в виде валунов, булыжника, гальки, гравия. Из природного камня без изменения его состава получают также плавленые материалы (каменное литье). Для каждого конкретного строительства СНиПом рекомендуются определенные виды материалов и изделий из природного камня. Для возведения фундаментов, например, пригоден бутовый камень, пиленые и колотые камни из всех видов пород, а для кладки стен — камни (плиты), блоки из всех разновидностей известняков, доломитов, песчаников, вулканического туфа; для наружной облицовки применяют облицовочные плиты, профильные изделия из гранита, сиенита, диорита, габбро, базальта, кварцита, иногда мрамора и др., а для внутренней отделки - те же наименования изделий, но получаемых из мрамора, мраморовидных известняков, гипсового камня, туфов и др. Природный камень широко используется в дорожном строительстве в виде бортового и мостильного камней, брусчатки; для защитной облицовки мостовых опор, парапетных, карнизных, а также тротуарных плит. Эти изделия изготовляются из гранита, диорита, габбро, базальта, песчаника и других и показывают высокую эксплуатационную стойкость. Рис. 2.7. Виды фактуры камня: 1 — скала; 2 — рифленая; 3 — бороздчатая; 4 — бугристая; 5 — точечная; 6 — грубошлифованная Правильный выбор пород для конкретных строительных работ предусматривает их разделение по величинам прочности при сжатии с Страница 11 из 79 выделением марок: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 800 и 1000 (соответственно — от 0,4 до 100 МПа). К легким относятся каменные материалы, маркирующиеся в интервале включительно от 4 до 200, а к тяжелым — от 300 и выше. Такая же маркировка предусмотрена по степени морозостойкости, которая устанавливается числом циклов замораживания и оттаивания: Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 200, 300 и 500. По средней плотности выделяются породы тяжелые, со средней плотностью более 1800 кг/м3, средние— 1800 ... 1500 кг/м3 и легкие — со средней плотностью менее 1500 кг/м3. Для возможного снижения прочности при увлажнении пород последние маркируются по коэффициенту размягчения (водостойкости) в пределах: 0,6; 0,75; 0,9 и 1. Страница 12 из 79 Лекция №3 по дисциплине: «ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ И ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ » Тема: ЗАПОЛНИТЕЛИ ИЗ ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ ПОРОД Вопросы: 3.1 Добыча природного песка 3.2 Технология добычи гравия 3.3 Технология производства щебня 3.1 ДОБЫЧА ПРИРОДНОГО ПЕСКА Плотные природные каменные горные породы — основная сырьевая база для производства заполнителей. Для приготовления легких бетонов используют легкие пористые заполнители: щебень из перистых горных пород (пемзы, вулканических туфов и лав, известковых туфов, ракушечников и т. п.). Природный песок добывается в песчаных и песчано-гравийных карьерах. Получение песка в последних связано с сортировкой песчано-гравийной смеси. По условиям залегания месторождений песка, как и других полезных ископаемых, карьеры подразделяются на косогорные, равнинные и водные. Косогорными называют карьеры, располагающиеся на склонах возвышенностей. В этом случае место добычи песка выше транспортных путей и окружающей местности. Такие карьеры всегда сухие. В равнинных карьерах песок залегает ниже поверхности земли и иногда ниже уровня грунтовых вод. Такие карьеры могут быть сухими или обводненными. В зависимости от способа разработки песка карьер либо осушают посредством водоотвода, дренажа, либо, наоборот, обводняют для последующей добычи песка. В водных карьерах песок добывают из-под слоя воды в руслах рек, в озерах и других водоемах. Таким образом, песок в карьерах добывают или открытым способом, или подводной разработкой. Открытый способ добычи песка наиболее распространен. Залежи песка в месторождении, как правило, скрыты под слоем почвы, а также глинистых и других пород. Этот слой называют вскрышей, а отношение его объема к объему полезного ископаемого (в данном случае песка) — коэффициентом вскрыши. Вскрышные работы, т. е. удаление вскрыши за пределы карьера и обнажение залежей полезного ископаемого, производят заблаговременно во избежание загрязнения добываемого песка нежелательными примесями. Вскрышные работы осуществляют бульдозерами, скреперами, иногда, при большой мощности слоя вскрыши, экскаваторами с вывозкой в отвал. После удаления вскрыши в карьере прокладывают траншеи для образования рабочих уступов (рис. 3.1) и транспортных путей. Высота уступа составляет 6...10 м и более. Она связана с высотой черпания применяемого экскаватора. Если песок залегает в карьере более мощным слоем, то его добычу производят послойно. Ширина забоя также зависит от типа экскаватора и составляет 1,2 ... 1,3 его радиуса черпания. Для разработки песка в открытых карьерах используют разнообразные Страница 13 из 79 экскаваторы, а также скреперы и другие машины. Рис. 3.1. Открытая разработка песка: 1 — нижняя площадка; 2 — откос; 3 — верхняя площадка; 4 — забой Наиболее распространены одноковшовые экскаваторы с прямой лопатой (вместимость ковша 0,25 ... 15 м3). Высота черпания таких экскаваторов — 6 ... 30 м, радиус черпания — 6 ... 40 м. Экскаваторы с прямой лопатой располагают на нижней площадке уступа, как и транспортные средства. Экскаваторы-драглайны (рис. 3.2) отличаются тем, что их ковш совкового типа подвешен к стреле на канатах. Драглайн черпает ниже уровня своей стоянки, поэтому может работать на верхней площадке карьера. Рис. 3.2. Экскаватор-драглайн а) б) Рис. 3.3. Многоковшовые экскаваторы: а – цепной; б - роторный Все большее применение находят многоковшовые (многочерпаковые) экскаваторы (рис. 3.3, а). Цепные многоковшовые экскаваторы представляют собой конвейер с непрерывно движущимися вдоль откоса черпаками. Выгрузка Страница 14 из 79 черпаков производится при их опрокидывании на ленточный транспортер. Вместимость черпаков невелика, но их в цепи до 40 шт., поэтому при непрерывной работе обеспечивается высокая производительность. Если песок в месторождении неоднороден и залегает слоями, отличающимися по крупности зерен, то при добыче многоковшовым экскаватором зерновой состав песка усредняется перемешиванием в пределах высоты разрабатываемого уступа, что является положительным фактором. Кроме цепных используются роторные многоковшовые экскаваторы (рис. 3.3, б), рабочим органом которых является вращающееся на конце стрелы роторное колесо с черпаками. Разработка месторождений песка ведется строго по карте, составленной на основании детальной геологической разведки. Основным видом карьерного транспорта являются автосамосвалы и автотягачи с прицепами и полуприцепами. Используются также самосвалытроллейвозы с электродвигателями, питаемыми электроэнергией по троллейным проводам на переносных опорах; тракторы с саморазгружающимися прицепами; железнодорожный транспорт (мотовозы, электровозы, саморазгружающиеся вагоны и платформы); подвесные канатные дороги и т. д. В ряде случаев очень эффективен конвейерный транспорт в виде непрерывной поточной линии ленточных транспортеров, особенно в сочетании с роторными или цепными многоковшовыми экскаваторами. Подводная добыча песка со дна водоемов в обводненных карьерах может производиться с помощью экскаваторов-драглайнов, канатных скреперов, землечерпалок, но наиболее эффективен гидромеханизированный способ добычи. Обогащение и фракционирование. Обогащение песка состоит в удалении зерен крупнее 5 мм, отмывке пылевидных, илистых и глинистых частиц и улучшении зернового состава. Промывку песка с целью удаления пылевидных, илистых и глинистых примесей осуществляют в пескомойках или классификаторах различной конструкции. Схема такой машины показана на рис. 3.4. Рис. 3.4. Схема спирального классификатора: 1 — загрузка песка; 2 — слив загрязненной воды; 3 — вращающаяся спираль (шнек); 4 — подача воды (брызгала); 5 — выгрузка промытого песка Перспективным направлением, уже осуществляемым в промышленности нерудных материалов, является фракционирование песка, т. е. разделение его по крупности зерен на фракции. Фракционирование осуществляют разделением песка на две фракции — крупную и мелкую — по граничному зерну, соответствующему размерам отверстий контрольных сит 1,25 или 0,63 мм. Таким образом, вместо обычного Страница 15 из 79 песка крупностью 0 ... 5 мм потребителю может поставляться отдельно крупный песок (1,25 ... 5 или 0,63 ... 5 мм) и мелкий песок (соответственно до 1,25 или 0,63 мм). 3.2 ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ ГРАВИЯ Гравием называют каменные обломки пород крупностью от 5 (иногда от 3) до 70 мм (иногда более). Преобладающими породами, из которых состоят зерна гравия, являются граниты, гнейсы, диабазы, известняки, песчаники. Наиболее окатанными обычно бывают зерна гравия в руслах рек и на побережьях морей (галька) — до формы яйца или овального диска — с гладкой поверхностью, с которой цементный камень в бетоне имеет плохое сцепление. Изза недостаточного сцепления гравий, как правило, не применяется в бетонах с пределом прочности выше 30 МПа. Крупные фракции гравия используют для дробления на щебень. Добыча и фракционирование. Гравий чаще всего добывают вместе с песком при разработке песчано-гравийных месторождений. Массовая доля гравия в песчано-гравийных смесях составляет в среднем 30 ... 40%. Основные принципы организации карьеров и добычи песчано-гравийной смеси мало отличаются от описанных выше способов разработки месторождений песка. При разработке месторождений добытая песчано-гравийная смесь подвергается сортировке с отделением песка и разделением гравия по крупности зерен на предусмотренные стандартом фракции. В настоящее время добываемые песчано-гравийные смеси не всегда сортируют. Нередко их используют непосредственно для приготовления бетона. Это проще, дешевле и может быть признано в некоторых случаях целесообразным. Для сортировки песчано-гравийной смеси используют грохоты, а процесс разделения сыпучей смеси по крупности зерен называют грохочением. Для грохочения необходимо движение смеси по ситу. Иногда это достигается установкой грохотов под углом, превышающим угол естественного откоса смеси. В этом случае смесь движется самотеком. Такие грохоты называют неподвижными. В большинстве случаев используют подвижные грохоты, на которых процесс сортировки интенсифицируется. Кроме плоских грохотов, распространены барабанные (рис. 3.5), в которых сортировка происходит при сравнительно медленном равномерном вращении цилиндрического решета вокруг наклонной оси. Рис. 3.5. Схема барабанного грохота Страница 16 из 79 Промывка. При гидромеханизированной добыче промывка гравия и удаление пылевидных, глинистых и илистых частиц осуществляется попутно. При сухой разработке месторождений добытый гравий может быть промыт орошением водой в процессе грохочения. Обогащение. Гравий часто не соответствует требованиям стандарта по содержанию слабых зерен, т. е. содержит их более 10%. Одним из способов сортировки гравия – использование барабанного сепаратора, принцип действия которого основан на различии зерен как по силе трения, так и по упругим свойствам (рис. 3.6). Рис. 3.6. Барабанный сепаратор 3.3 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЩЕБНЯ Щебень получают дроблением каменных пород. Это наиболее качественный крупный заполнитель для высокопрочных бетонов. Сырьем для получения щебня служат в основном изверженные породы типа гранита, габбро, диабаза, базальта и карбонатные осадочные породы - известняки и доломиты. Меньшее промышленное значение имеют песчаники и метаморфические горные породы. Производство щебня включает следующие технологические процессы: добычу камня, дробление и сортировку (грохочение). Добыча камня осуществляется в основном в карьерах. Разработке месторождений каменных пород предшествуют вскрышные работы, состоящие в удалении растительного слоя и песчано-глинистых пород средствами, описанными выше. В состав вскрышных работ может входить и удаление непригодного камня верхней зоны (зоны выветривания). Эти работы выполняют буровзрывным способом с вывозкой камня в отвал. После обнажения каменного массива и подготовки уступа (рис. 3.7) специальными буровыми машинами и станками в массиве бурят скважины диаметром до 250 мм на глубину 10 ... 20 м в один ряд вдоль уступа или в два-три ряда в шахматном порядке через 4 ... 7 м, закладывают в них взрывчатые вещества (аммониты, тротил и др.) и производят одновременно массовый взрыв (предварительно удалив из опасной зоны людей и технику). В результате взрыва уступ заполняется рваным камнем разной крупности и глыбами. Крупные глыбы (негабарит) взрывают вторично накладными или шпуровыми зарядами. Камень грузят экскаваторами в транспортные средства (преимущественно автосамосвалы большой грузоподъемности), доставляющие его на дробильносортировочный завод. Страница 17 из 79 Рис. 3.7. Разработка скальных пород буровзрывным способом: 1 — подошва уступа; 2 — откос; 3 — контур развала породы после взрыва; 4 — скважины В некоторых случаях первичное дробление камня целесообразно осуществлять непосредственно в карьере и доставлять на дробильносортировочный завод уже не крупный камень, а частично дробленый. Основное оборудование дробильно-сортировочного завода— дробилки и грохоты, а также ленточные конвейеры, питатели, транспортеры, объединяющие все агрегаты в технологические линии. Дробилки по конструкции и принципу дробления подразделяются на щековые, конусные, валковые, молотковые (рис. 3.8, а, б, в и г соответственно) и др. Наиболее широкое применение для крупного и среднего дробления камня нашли щековые дробилки (рис. 3.8, а). Рис. 3.8. Виды дробилок Обогащение. Почти все месторождения характеризуются в той или иной степени неоднородностью камня по прочности. Для обогащения щебня используют те же методы, которые применяются для гравия и описаны выше. Промывка щебня производится, когда содержание пыли в нем превышает пределы, допускаемые стандартами. Осуществляется она, как правило, в процессе мокрого грохочения разбрызгиванием воды над грохотами. Щебень из гравия. В весьма больших объемах (около 20% общего выпуска) щебень производится дроблением крупных фракций гравия. Страница 18 из 79 Лекция №4 по дисциплине: «ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ И ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ » Тема: ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ГОРНЫХ РАБОТ НА КАРЬЕРАХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД Вопросы: 4.1 Подготовка строительных горных пород к выемке 4.2 Способы рыхления горных пород 4.3 Выемочно-погрузочные работы и транспорт на карьерах строительных горных пород 4.1 Подготовка строительных горных пород к выемке В зависимости от условий залегания разработка пород может производиться открытым способом, в карьерах, реже подземным (например, разработка органогенных известняков в штольнях) или подводным, при неглубоком залегании пород от поверхности воды в реке, озере. Преимущества открытой разработки месторождения перед подземной: - выше безопасность труда, ниже риск обрушений обвалов; - выше производительность труда в 4-7 раз: - ниже себестоимость добычи (без транспортировки на поверхность) в 2-4 раза; - ниже сроки строительства карьера и капитальные затраты - в 2-2,5 раза; - более благоприятные условия для полной механизации горных работ и селективной выемке руды. Недостатки: - экологический ущерб окружающей среде за счет отчуждения земель (навсегда), загрязнения воды и атмосферы; - необходимость рекультивации земель после окончания всех работ; - зависимость работ в карьере от погоды и климата. Этапы открытой разработки: 1-й период - строительство карьера: - подготовка земной поверхности (вырубка леса, отвод рек, снос зданий, перенос дорог и линий электропередач); - горно-капитальные работы (проведение капитальных, разрезных траншей, удаление некоторого строительного объема вскрышных пород для пуска карьера в эксплуатацию); 2-й период - эксплуатация карьера: - горно-подготовительные работы по вскрытию очередного рабочего горизонта-уступа): - вскрышные и добычные работы. Технологические процессы на карьере: - подготовка пород к выемке (бурение, заряжание, взрывание); Страница 19 из 79 - выемочно-погрузочные работы (экскавация); - перемещение горной породы (транспорт пустых вскрышных пород и полезного ископаемого самосвалами, железнодорожным транспортом...); - отвалообразование, складирование и рудосортировка на складах. Различают непрерывную (поточную), цикличную и комбинированную технологию ведения открытых работ - в зависимости от типа используемых машин: непрерывного (роторные экскаваторы, конвейер...) или цикличного действия (одноковшовые экскаваторы, самосвалы...). Когда месторождения полезных ископаемых залегают в обводнённых массивах, применят комплекс мероприятий по откачке повышенных притоков подземных вод при строительстве и эксплуатации таких карьеров. Капиталовложения на осушение в общем комплексе горных работ достигают 1520% от общей стоимости, а эксплуатационные расходы — до 25-30% от себестоимости добычи. Поверхностное осушение производится при помощи водопонижающих и поглощающих скважин, траншей, закрытых дрен, иглофильтровых установок и т.д. Подземное осушение проводится из подземных горных выработок посредством сквозных и забивных фильтров, понижающих колодцев и восстающих скважин. Для подземного способа характерен приём воды от дренажных устройств в горные выработки с последующей выдачей её на поверхность по системе шахтного водоотлива. Комбинированное осушение сочетает мероприятия поверхностного и подземного способов. Для введения работы в зимних условиях существуют несколько способов оттаивания, различающихся в зависимости от источников тепла и способов теплопередачи. Pадиационный способ - оттаивание теплом естественных источников при сохранении естественных механизмов теплопередачи в грунтах и направленном изменении условий на их поверхности для увеличения поступления летнего тепла в грунт путем удаления растительного и торфяного покровов; то же c зачернением поверхности с целью уменьшения альбедо, применения плёночных покрытий и др. Наиболее эффективен и широко используется при горном производстве метод послойного удаления оттаивающего грунта, позволяющий за один летний сезон разработать толщу многолетнемёрзлых пород мощностью до 10-15 м. Эффективность гидрооттайки повышается c увеличением температуры воды, поэтому применяется её предварительный прогрев (искусственный или в прудахотстойниках). 4.2 Способы рыхления горных пород Рыхление строительных горных пород осуществляют механическим и взрывным способами. Механическое рыхление - послойное отделение породы от массива и разделение ее на куски при помощи механических рыхлителей. Размеры кусков породы, отделенных от массива, должны обеспечивать высокую производительность выемочно-погрузочного и транспортного оборудования при разработке пластов различной мощности. Применяемые рыхлители по способу крепления рабочего органа Страница 20 из 79 разделяются на навесные и прицепные. Основным преимуществом навесных рыхлителей по сравнению с прицепными является возможность использования массы тягача для заглубления рабочего органа рыхлителя. Прицепные рыхлители осуществляют рыхление на глубину не более 0,5 м, а навесные - на глубину до 2 м. Конструктивная схема навесного рыхлителя показана на рис. 4.1. а) б) Рис. 4.1 - Конструктивная схема навесного рыхлителя (а) и то же, в рабочем положении на тягаче (б): 1 - наконечник зуба: 2 - стопорное устройство; 3 - стойка: 4 - поворотная скоба; 5 - тяга; 6 - рабочая рама: 7 - гидроцилиндр привода; 8 - опорный кронштейн: 9 - болты крепления на базовом тракторе: 10 – тягач Основными параметрами, характеризующими рабочий угол рыхлителя, являются угол резания γ, угол заострения ω, задний угол φ, толщина и длина зуба и расстояние между зубьями (рис. 4.2). Рис. 4.2 - Параметры рыхления при заглублении прямого наконечника Угол резания оказывает существенное влияние на силу резания. Рациональные значения угла рыхления при разработке скальных, полускальных и мерзлых пород находятся в пределах 30 - 45°. Угол заострения наконечников ω находится в пределах 20 - 30°. Во всех случаях угол заострения должен быть таким, чтобы при любом заглублении зубьев задний угол φ был не менее 5° при рыхлении полускальных и скальных пород. При меньшем значении заднего угла φ происходит смятие породы задней гранью наконечника, в результате чего возрастает сопротивление породы рыхлению и повышается износ наконечника. Механическое рыхление пород осуществляется при движении тягача с заглубленным зубом. При создании значительных усилий на режущей кромке Страница 21 из 79 зуба происходит отрыв кусков породы от массива и разрушение породы в пределах трапециевидной прорези (рис. 4.3 и 4.4). Рис. 4.3 - Сечения одиночных борозд рыхления: а, б - соответственно фактическое и теоретическое для монолитного массива; в, г – соответственно фактическое и теоретическое для трещиноватого массива. в Рис. 4.4 - Сечения борозд рыхления при параллельных проходах рыхлителя: а – в монолитном массиве; б - в трещиноватом массиве; в – бульдозер с трезубым навесным рыхлителем; 1 - целики Расчёт параметров механического рыхления. Эффективность рыхления горных пород зависит от тяговых характеристик трактора, параметров рыхлителя, физико-механических свойств пород и структуры массива. Существенное влияние на производительность рыхлителя оказывают глубина погружения зуба и скорость движения рыхлителя. Эти параметры не могут приниматься произвольно, а должны рассчитываться по тяговой характеристики тяговой машины с учётом свойств рыхлимых пород. Область применения и эффективность механического рыхления определяются степенью рыхлимости массива. Быстрое и сравнительно недорогостоящее получение необходимой информации о свойствах Страница 22 из 79 разрабатываемого массива дают сейсмоакустические методы исследований, основанные на изучении характера распространения упругих колебаний в массиве. Рыхление массива навесными рыхлителями можно вести горизонтальными или наклонными слоями (рис 4.5). Рис. 4.5 - Схема производства добычных работ с применением рыхлителей: а - разработка уступа наклонными слоями; б - разработка уступа горизонтальными слоями с нормальным откосом уступа; 1 - экскаватор; 2 – бульдозер; 3 – погрузчик Расчёт затрат на механическое рыхление пород. Затраты на механическое рыхление мёрзлых пород ЗМР определяют на основании расчёта стоимости одного машино-часа работы бульдозера. В общем случае в данном расчёте рассматриваются следующие статьи затрат: - оплата труда (ЗОТ); - амортизация (А); - стоимость ГСМ (ЗГСМ); - затраты на текущий ремонт (ЗТР); - стоимость запасных частей (ЗЗЧ); - стоимость малоценных предметов (ЗМЛ); - прочие неучтённые затраты (ЗПР), т.е. ЗМР Зот А З ГСМ ЗТР ЗЗЧ ЗМП З ПР , руб/ч Взрывное рыхление горных пород. Взрывная технология целенаправленное разрушение, перемещение, изменение структуры и формы горных пород, которое осуществляется за счёт энергии взрыва. B качестве энергоносителей используются в основном химические взрывчатые вещества (BB) (аммониты, тротил и др.). После вскрышных работ (рис. 4.6) специальными буровыми машинами и станками в массиве бурят скважины диаметром до 250 мм на глубину 10 ... 20 м в один ряд вдоль уступа или в два-три ряда в шахматном порядке через 4 ... 7 м, закладывают в них взрывчатые вещества и производят одновременно массовый взрыв (предварительно удалив из опасной зоны людей и технику). В результате взрыва уступ заполняется рваным камнем разной крупности и глыбами. Страница 23 из 79 Рис. 4.6. Элементы уступа: 1 — нижняя площадка; 2 — откос уступа; 3 — бровка уступа; 4 — скважина; Н — высота уступа; α — угол откоса уступа Для образования уступов в полезном слое устраивают резервную траншею таким образом, чтобы каждая ее сторона в будущем служила откосом следующего уступа 4.7. Pис. 4.7. Схема разработки горных пород буровзрывным методом: 1 - скважинные заряды диаметром до 250мм; 2 - верхний рабочий уступ; 3 нижний рабочий уступ Крупные глыбы (негабарит) шпуровыми зарядами (рис. 4.8). взрывают вторично накладными или Рис. 4.8. Схема разделки негабарита взрывом: а — накладным зарядом; б— заряд в шпуре; 1 — негабарит; 2 — инертный материал; 3 — огнепроводящий шнур; 4 — капсюль-детонатор; 5 — детонирующий шнур; 6—забойка; 7—заряд в шпуре Буровые работы осуществляют пневматическими перфораторами (бурильными молотками) и буровыми станками. Бурильные молотки применяют для бурения шпуров, а станки — для бурения скважин. Страница 24 из 79 По характеру действия ВВ делят на две группы: метательные и бризантные (дробящие). Первые обладают сравнительно небольшой скоростью распространения взрыва (300-400 м/с), вследствие чего объем газа увеличивается постепенно. При применении этих ВВ сильного дробления горной породы не происходит, поэтому их применяют для получения монолитов больших размеров. Бризантные ВВ характеризуются большой скоростью распространения взрыва (4000-7000 м/с), мгновенным увеличением объема газов (например, аммонал), в результате чего происходит дробление горной породы. Их применяют при добыче рваного камня, щебня. Для получения большого количества камня и щебня иногда прибегают к массовым взрывам породы крупными зарядами. 4.3 Выемочно-погрузочные работы и транспорт на карьерах строительных горных пород Выемка и погрузка горных пород является одним из основных процессов технологии добычи полезных ископаемых открытым способом. От выбора выемочно-погрузочных машин и их соответствия конкретным гидрогеологическим условиям в значительной степени зависят основные технико-экономические показатели работы карьера. На рудных карьерах для выемки и погрузки горных пород чаще всего применяют машины цикличного действия — одноковшовые экскаваторы и фронтальные погрузчики. При удалении из карьерного поля мягких вскрышных пород используют также технику непрерывного действия — многочерпаковые цепные и роторные экскаваторы. Землеройно-транспортные машины (бульдозеры, колесные скреперы и т. п.) применяют на вспомогательных работах (строительство автодорог, планирование рабочих и отвальных площадок и т. д.). Выемка горных пород—отделение мягких пород от массива уступа или черпанье разрыхленных скальных пород из развала горной массы рабочим органом машины. Погрузка горных пород — процесс перемещения пород из забоя уступа в транспортные средства или непосредственно в отвал. Выемку и погрузку горных пород выполняют, как правило, одной машиной или комплексом машин. При выемке мягких пород из массива забои могут быть торцовые, продольные, тупиковые. При выемке полускальных и скальных горных пород забои бывают торцовые или продольные. Выбор типа забоя зависит как от свойств разрабатываемых горных пород и условий их залегания, так и от типа применяемого выемочно-погрузочного оборудования. Торцовый забой типичен при выемке пород одноковшовыми и роторными экскаваторами как из массива, так и из развала. Он применим также при разработке россыпных месторождений бульдозерами и колесными скреперами. Разновидностью торцевого забоя является траншейный (тупиковый) забой. Продольный (фронтальный) забой используют при применении многочерпаковых цепных экскаваторов на рельсовом ходу, при выемке пород из массива бульдозерами или колесными скреперами. При выемке разрушенных скальных пород из развала продольным забоем используют одноковшовые погрузчики, а также одноковшовые экскаваторы при селективной выемке руды и вмещающих пород. Страница 25 из 79 По взаимному расположению забоя и горизонта установки выемочнопогрузочной машины различают выемку верхним, нижним и смешанным черпанием. Аналогично различают и способы погрузки — верхнюю, нижнюю и смешанную. На рудных карьерах отработку уступов осуществляют полосами породного массива вдоль фронта работ. Отработка каждой полосы характеризуется новым положением транспортных коммуникаций на уступе. По длине фронта работ на уступе может быть установлено несколько экскаваторов. В этом случае отрабатываемый уступ делят на экскаваторные блоки, полосы уступа или развала, отработка которых связана с продвиганием выемочно-погрузочных машин, называют заходками. При всех типах забоев заходки по ширине делят на нормальные, узкие и широкие. В нормальных заходках выемку породы производят при постоянном положении оси движения экскаватора по длине заходки и максимальном использовании их рабочих параметров. Узкие заходки отличаются от нормальных неполным использованием рабочих параметров выемочно-погрузочных машин при постоянном положении их оси перемещения вдоль заходки. Широкие заходки характеризуются переменным положением оси движения выемочных машин в плане. По характеру движения транспортных средств под загрузку при выемке пород в пределах экскаваторных блоков выделяют тупиковые и сквозные схемы движения (рис. 4.9). Тупиковые схемы характеризуются движением транспортных средств только в пределах выработанного пространства. Рис. 4.9. Схема движения транспортных средств под загрузку при выемке пород в пределах экскаваторных блоков: а – тупиковые; б - сквозные схемы движения; 1, 3 – направление движения автосамосвала; 2 – автосамосвал. Сквозные схемы позволяют организовать движение транспортных средств вдоль всего экскаваторного блока. Страница 26 из 79 Транспорт на карьерах строительных горных пород. Основные виды карьерного транспорта железнодорожный карьерный транспорт, автомобильный карьерный транспорт и конвейерный транспорт, применяемые самостоятельно и в различных комбинациях. Реже на карьерах используются канатный, гидравлический карьерный транспорт, скреперные средства доставки. При разработке мягких вскрышных пород и полезного ископаемого на рудных карьерах применяют драглайны (4.10). Их используют для перевалки вскрышных пород в отвалы, проведения траншей, возведения насыпей, разработки обводненных пород и затопленных водой участков. Рис. 4.10. Экскаватор-драглайн Драглайны с ковшами вместимостью до 10—15 м3 используют также для погрузки породы в транспортные средства. На карьерах наибольшее распространение получили фронтальные погрузчики на пневмоколесном ходу (рис. 4.11). Рис. 4.11. Погрузчик на пневмоколесном ходу Погрузчиками производят выемку мягких пород непосредственно из массива и механически разрушенных или взорванных пород из развала. Разрыхленную горную массу грузят экскаваторами в транспортные средства (4.12) (преимущественно автосамосвалы большой грузоподъемности), доставляющие его на дробильно-сортировочный завод. Страница 27 из 79 а) б) Рис. 4.12. Схема погрузки экскаваторами: а - строение экскаватора; б - схема погрузки Скрепер относится к землеройно-транспортным машинам, он выполняет процессы выемки породы, перемещения ее на расстояние 0,2—6 км и укладки ее в отвал. Он используется в дорожном строительстве и на карьерах для разработки мягких или полускальных предварительно разрыхленных механическим способом пород. Скреперы выпускаются прицепные и самоходные (рис. 4.13). Рис. 4.13. Виды скреперов: а-прицепной; б-самоходный Преимущество скреперов заключается в их мобильности, поэтому применение их эффективно для разработки небольших объемов горных пород. Скрепер применяется при снятии плодородного слоя, а затем, после отработки Страница 28 из 79 карьерного поля и планирования отвалов, — при перемещении и нанесении его на поверхность отвала, производстве вскрышных работ и т. п. Рабочий цикл скрепера состоит из срезания слоя породы с заполнением ковша, транспортирования породы на необходимое расстояние, разгрузки ковша и возвращения в забой. Конвейеры являются перспективным видом карьерного транспорта. Они обеспечивают высокую производительность предприятий и позволяют значительно улучшить использование оборудования (рис. 4.14). Рис. 4.14. Конвейерный транспорт на карьерах Конвейерный транспорт наиболее целесообразно применять на карьерах с мощной толщей покрывающих мягких пород при грузообороте 20—30 млн. т и более горной массы в год, в районах с умеренным климатом. При выемке взорванных пород конвейеры применяют на карьерах глубиной более 150 м при расстоянии транспортирования до 2,5—3 км. Допустимый угол подъема конвейерных линий в грузовом направлении зависит от физико-механических свойств транспортируемого материала и составляет 20—22° и 16—18° соответственно при транспортировании рыхлых и взорванных скальных пород. При спуске пород допустимый угол па 2—3° меньше, чем при подъеме. При эксплуатации конвейерных установок необходимо: периодически передвигать и наращивать конвейерные линии, производить техническое обслуживание и своевременный ремонт, убирать просыпи породы в местах перегрузки и т. п. Передвижку забойных и отвальных конвейеров осуществляют вслед за перемещением фронта горных и отвальных работ в процессе разработки месторождения. Ленточные конвейеры разнообразных моделей имеют производительностью от 100 до 5000 м3 /ч. Страница 29 из 79 Лекция №5 по дисциплине: «Технология добычи и обработки природных строительных материалов » Тема: РАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИРОДНОГО СТЕНОВОГО КАМНЯ Вопросы: 5.1 Виды природного стенового камня и требования к его качеству 5.2 Особенности разработки месторождений природного стенового камня 5.3 Подготовка стенового камня к выемке 5.4 Системы добычных работ 5.1 ВИДЫ ПИРОДНОГО СТЕНОВОГО КАМНЯ И ТРЕБОВАНИЯ К ЕГО КАЧЕСТВУ В промышленности под стеновым камнем подразумевают такие строительные горные породы (известняки, плотные мергели, туфы, опоки, гипсы и др.), которые обладают достаточной прочностью и долговечностью и поддаются распиливанию неабразивными режущими рабочими инструментами (дисковыми пилами, барами, кольцевыми фрезами). Продукция (штучные стеновые камни и стеновые блоки), получаемая путем выпиливания камнерезными машинами непосредственно в забое и имеющая заданную форму и размеры, называется пиленой. Для производства стенового материала пригодны месторождения со средней прочностью камня 0,4 – 40 МПа (предел прочности при сжатии). Штучные стеновые камни, применяемые для кладки стен, перегородок и других частей зданий и сооружений, подразделяются на 14 марок: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300 и 400, что соответствует пределу прочности при сжатии (среднее значение для 10 образцов). Пористые известняки-ракушечники могут иметь марки от 4 до 50, плотные известняки — от 50 до 150, а туфы — от 50 до 400. Штучные стеновые камни выпиливают из горных пород плотностью не более 2100 кг/м3 (в отдельных случаях для возведения фундаментов или внутренних стен допускается применение камня плотностью до 2300 кг/м3). Масса одного камня должна быть не более 40 кг. По размерам штучные стеновые камни изготовляются трех типов (табл. 5.1). Таблица 5.1 Страница 30 из 79 Для удобства кладки, помимо камней, указанных в таблице, выпиливаются неполномерные доборочные камни длиной, равной 1/2 и 3/4 табличной. С целью улучшения качества предусматривается производство штучного стенового камня двух сортов. Для лицевой кладки рекомендуется применять камень I сорта, для кладки стен и перегородок под штукатурку — II сорта. Основными причинами, вызывающими дефекты при добыче штучных стеновых пиленых камней, являются следующие (рис. 5.1). Рис. 5.1. Дефекты, возникающие при вырезке стеновых камней: а — эталон; б — недопил и отбитые углы; в — недопил грани; г — скол ребра грани; д — подрез грани; а, b, h — соответственно ширина, длина и высота камня Недопил и отбитые углы (рис. 5.2). После оконтуривания камня поперечными и горизонтальными пропилами он отделяется от массива тыльной пилой 1. При этом на задней грани камня остается уменьшающаяся перемычка 2, связывающая камень с массивом. Когда площадь поперечного сечения перемычки становится меньше, чем предельная для сопротивления вертикальной составляющей веса камня (Р), последний обрывается, образуя либо скол, либо нарост угла (см. рис. 5.1, в). Рис. 5.2. Схема возникновения скола угла камня: 1 —тыльная пила; 2 — перемычка Помимо штучного стенового камня правильной формы, регламентируемого ГОСТом, производится также стеновой грубооколо-тый камень размерами 330 х 230х(330-550) мм, требования к качеству которого определяются техническими условиями. Стеновые блоки по назначению подразделяются на типы: Д — стеновые блоки для кладки при двухрядной разрезке стен зданий и сооружений; Б — стеновые блоки Страница 31 из 79 для кладки при многорядной разрезке стен зданий и сооружений. Они должны иметь форму прямоугольного параллелепипеда в соответствии с рис. 5.3. Конструктивно блоки типа Д выполняются с прямоугольными пазами на торцевых вертикальных гранях по оси симметрии блоков. Площадь поперечного сечения паза равна 8x14 = 112 см2. В полость, образуемую пазами, заливается кладочный раствор с применением вертикального металлического армирования. Блоки типа Б выполняются без пазов. Рис. 5.3. Типы крупных стеновых блоков: а, б—блоки типа Д; в — блоки типа Б Основные размеры стеновых блоков должны соответствовать указанным в табл. 5.2. Таблица 5.2 В связи с тем, что стены из крупных блоков не подвергаются штукатурке, лицевая поверхность их должна иметь однородную структуру без резких пятен и полос. 5.2 ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИРОДНОГО СТЕНОВОГО КАМНЯ Месторождения стенового камня, как правило, имеют незначительную мощность вскрышных пород и другие благоприятные горно-геологические условия. Поэтому они разрабатываются открытым способом. Производство пиленых стеновых материалов из природного камня имеет следующие специфические особенности: • малая высота уступов 0,41—3 м; • необходимость соблюдения размеров и направления уступов с миллиметровой точностью; Страница 32 из 79 • необходимость сохранения физико-механических свойств и декоративных качеств разрабатываемых пород и получения определенных размеров и формы камня; • применение для вырезки камня специальных машин и методов, позволяющих получить продукцию заданных размеров; • необходимость выдерживания готовой продукции на специальных площадках для удаления влаги; • небольшая мощность полезного ископаемого и незначительный объем вскрышных работ; • невозможность применения одних и тех же типов машин на добычных и вскрышных работах; • противопоказанность применения буровзрывных работ, исключающих возможность получения продукции заданной геометрической формы; • большое разнообразие методов вырезки камня из массива; • сравнительно небольшой выход готовой продукции из массива (25—65 %) и необходимость разделения в забое продукции и отходов; • возможность и необходимость использования отходов камнепиления. При разработке месторождений природного стенового камня различные виды пород и их физико-механические свойства, минералогический и химический состав наряду с другими показателями, характеризующими условия залегания месторождений, определяют варианты вскрытия и системы разработки, технологические схемы производства работ по подготовке горных пород к выемке, погрузке и транспортированию горной массы, а также варианты обеспечения горных работ средствами механизации. При этом надо иметь в виду, что на таких карьерах, кроме разработки рыхлых и скальных вскрышных пород, добычи штучного камня и стеновых блоков, необходимо предусматривать использование попутно получаемых бута и штыба. Годовая производительность карьера по готовой продукции, м3/год ПК = КИ ∙ VИ где КИ — коэффициент извлечения (выхода) штучного камня или стеновых блоков; КИ = 0,25 – 0,65; VИ — годовой объем добываемого полезного ископаемого, м3, который равен: VИ = ПК+Vб+VШ где Vб — объем попутно получаемого бута и окола камня, м3/год; VШ — объем попутно получаемого штыба, м3/год. Механизация вскрышных и добычных работ, транспортирование вскрышных пород, стеновых блоков, штучного камня, бута и штыба характеризуется наличием разнообразного оборудования. В качестве средств механизации на вскрышных работах в мягких породах используются бульдозеры и экскаваторы в комплексе с автосамосвалами. В аналогичных условиях успешно могут также использоваться колесные скреперы, которые обладают достаточно высокой производительностью и маневренностью, а также возможностью выполнения различных работ. Эффективными средствами механизации как вскрышных, так и горноподготовительных работ являются навесные тракторные рыхлители и одноковшовые погрузчики. Анализ оборудования для выемки, погрузки и транспортирования стеновых блоков и Страница 33 из 79 штучного камня, бута и штыба показывает, что стреловые краны (автомобильные, пневмоколесные и гусеничные) являются основным видом подъемного оборудования, а автомобильный транспорт — основным видом транспорта. 5.3 ПОДГОТОВКА СТЕНОВОГО КАМНЯ К ВЫЕМКЕ Для подготовки стенового камня к выемке применяются камнерезные машины, имеющие рабочие органы: дисковые пилы с зубками, армируемыми твердыми сплавами, цепные бары и кольцевые фрезы. Выбор типа камнерезной машины определяется главным образом прочностью добываемого камня и выбранной технологией его вырезки. Дисковые машины применяются для резания камня прочностью при сжатии от 1 до 25 МПа, машины с цепными барами — для резания камня прочностью 1—10 МПа, машины с кольцевыми фрезами — для резания камня прочностью 20— 160 МПа. Дисковая пила (рис. 5.4) состоит из сплошного стального диска и твердосплавных зубков, укрепленных в стальных державках. Дисковые режущие органы диаметром 800, 1100, 1300, 1650, 2000, 2400 мм нашли наиболее широкое применение. Ими оснащено 85 % камнерезных машин для разработки месторождений природного стенового камня. Рис. 5.4. Схема дисковой пилы: 1 —диск; 2 — державка; 3 — твердосплавный зубок Камнерезная машина СМ-89А (рис. 5.5) предназначена для вырезки штучного стенового камня прочностью при сжатии до 10 МПа. Машина состоит из рамы (с ходовыми колесами и приводом), которая перемещается по рельсам вдоль фронта работ, и тележки, передвигающейся по уложенным рельсам перпендикулярно к ходу рамы. На тележке расположены набор дисковых пил с приводом и пульт управления. Машина рассчитана для работы при высоте уступа 0,41 м. Машина оборудована тремя пилами (две вертикальных и одна горизонтальная). Вертикальные пилы можно поворачивать на 90°, благодаря чему они в одном случае служат для поперечного резания, а в другом — для продольного. Страница 34 из 79 Рис. 5.5. Камнерезная машина СМ-89А для вырезки штучного стенового камня Для добычи стенового камня применяются камнерезные низкоуступные машины СМР-026/1А. Они предназначены для вырезки стенового камня из массива горных пород прочностью до 40 МПа с механизированной уборкой вырезанных камней и выносом их за пределы машины. Камнерезная низкоуступная машина СМР-026/1А состоит из самоходной рамы, пильной тележки, режущих вертикальных и горизонтальных головок, уборочных конвейера и устройства кабины управления, кабельного барабана, электро- и гидрооборудования. Самоходная рама машины перемещается по рельсам, уложенным вдоль уступа. Один рельс укладывается на подошве, а второй — на кровле уступа. По направляющим, закрепленным на раме машины и расположенным перпендикулярно к рельсам, перемещается пильная тележка с режущими головками. Преимуществом камнерезных машин с дисковыми пилами является то, что они имеют простую конструкцию, надежны в эксплуатации и обеспечивают минимальную толщину пропила. Недостатком дисковых пил является низкий коэффициент использования диаметра — 35 %. С целью устранения этого недостатка на карьерах применяются камнерезные машины с кольцевыми фрезами, у которых использование рабочего органа по длине составляет 65—75 % (рис. 5.6). Рис. 5.6. Схема кольцевой фрезы: 1 — ведущая шестерня; 2 — сальниковый диск; 3 — твердосплавная пластина; 4 — зубок; 5 — несущий диск; 6 — ролик Для добычи крупных стеновых блоков прочностью при сжатии до 40 МПа в основном применяются камнерезные машины СМ-580А (рис. 5.7), которые последовательно выполняют поперечные, горизонтальные и продольные затыловочные пропилы для отделения блока от массива. Страница 35 из 79 Для добычи стеновых блоков применяются также камнерезные машины с цепными (баровыми) режущими органами. Рис. 5.7. Камнерезная машина СМ-580А для вырезки крупных стеновых блоков Комплексная механизация всех операций при отделении штучного камня и стеновых блоков от массива является важной задачей камнедобывающей промышленности. Эту задачу можно решить как созданием машин, способных выполнять основные и вспомогательные операции, так и конструированием и внедрением специальных машин для выполнения только вспомогательных операций. Примером может служить камнеуборочная машина (рис. 5.8), применяемая на Камышбурунском карьере и работающая в комплексе с камнерезной машиной СМ-89А. Рис. 5.8. Камнеуборочная машина для штучного стенового камня: 1 — рама машины; 2 — камнерезная машина; 3 — питатель; 4 — отжимной щиток; 5, 7, 8 — цепные конвейеры; 6 — ленточный конвейер Вырезанный из массива камень по наклонному питателю поступает на цепной конвейер, затем посредством отжимного щитка следует на ленточный и далее цепной конвейеры, где происходит разделение бута и щебня и штучных камней. Последние Страница 36 из 79 цепным конвейером транспортируются в штабель за пределы рельсового пути камнерезной машины. 5.4 СИСТЕМЫ ДОБЫЧНЫХ РАБОТ Независимо от количества и высоты уступов технология вырезки камня разделяется на три основные операции (рис. 5.9). I операция. Горизонтальный прямоугольный уступ оконтурен по краям фланговыми траншеями (2 —заходная, 1 — выходная). Режущие органы машины (3) поперечно фронту работ разрезают уступ на блоки, равные по ширине одному из размеров камня (обычно длине). Длина поперечного захвата должна быть кратная одному из размеров камня (ширине или толщине). В связи с необходимостью перемещения машины эта операция является периодической и всегда самостоятельной. II операция. Режущими органами машины (4) осуществляются горизонтальные пропилы на всю длину фронта работ уступа. III операция. Вертикальный режущий орган машины (5) отделяет блоки (штучные камни) от массива. В ряде камнерезных машин операции II и III объединены и выполняются одновременно. Рис. 5.9. Схема очередности пропилов при вырезке камня: 1 — выходная траншея; 2 — заходная траншея; 3, 4, 5— соответственно диски поперечного, горизонтального и продольного пропилов Системы добычных работ при разработки природного стенового камня по проф. Б.М. Родину представлены на рис. 5.10. Низкоуступная захватная система НЗ характеризуется тем, что уступ поперечными пропилами длиной, соответствующей конструктивным параметрам машины, разделяется на блоки, ширина которых равна длине камня. Затем горизонтальными и затыловочными пилами камень отделяется от массива (см. рис 5.10, а). Низкоуступная столбовая система НСт отличается тем, что машина, передвигающаяся по кровле уступа, поперечными пропилами нарезает уступ на длинные столбы, ширина которых равна длине камня. Затем эта машина перебрасывается на следующий участок, а на подготовленном уступе горизонтальными и затыловочными пилами камень отделяется от массива по всей ширине участка (рис. 5.10, б). Страница 37 из 79 Рис. 5.10. Системы добычных работ Страница 38 из 79 При высокоуступной столбовой системе ВСт надуступная баровая машина выполняет поперечные, а затем продольные вертикальные пропилы шириной 60—65 мм, создавая систему поперечных и продольных столбов (см. рис. 5.10, в). Затем в вертикальные пропилы вводятся шпиндели отрезной машины с горизонтально расположенными дисками, которые отделяют блоки от массива. Вертикальные пропилы захватывают по высоте два камня, горизонтальные — один. Это делается для того, чтобы штыб, получающийся при работе дисковых пил, мог разместиться в вертикальной зарубной щели. При высокоуступной захватной сплошной системе ВЗС одна машина или агрегат, состоящий из нескольких машин, за один проход вдоль подготовленного уступа (один цикл) отделяет от массива сплошную полосу камня, высота которого равна высоте уступа, длина — длине фронта работ на уступе, ширина — одному из размеров камня (см. рис. 5.10, г). Эта система эффективна при добыче мелких и крупных блоков на карьерах большой производственной мощности при условии эксплуатации пологого или горизонтального малотрещиноватого пласта большой протяженности по простиранию и мощностью не менее 2 м. Характерными добычными машинами являются: для добычи мелких блоков — СМ-824, для добычи крупных блоков — СМР-028, СМ-177А, СМ-580А и др. При высокоуступной захватной системе с горизонтальными заходками ВЗГ одна машина или агрегат, состоящий из нескольких машин, за один проход вдоль уступа (один цикл) отделяет от массива полосу камня, высота которого равна толщине одного или нескольких камней (но всегда меньше высоты уступа), длина равна длине фронта работ на уступе, ширина — одному из размеров камня (см. рис. 5.10, д). Следовательно, для отработки всего уступа по высоте необходимо пройти понижающимися забоями число циклов, равное отношению высоты забоя к высоте заходки (машины КМ-4М, СМ-826 и др.). При высокоуступной захватной системе с вертикальными заходками ВЗВ (см. рис. 5.10, е) на уступе системой поперечных и горизонтальных пропилов подготавливаются камни заданных размеров. Затем затыловочными последовательными пропилами, идущими сверху вниз, эти камни отделяются от массива (машина КМАЗ-188 и др.). Эта система применяется в основном при проведении фланговых траншей и на доработке уступов, ранее разрабатываемых другими типами машин. При высокоуступной двухстадийной фронтальной системе ВДФ (см. рис. 5.10, ж) вырезаются блоки-заготовки параллельно фронту работ (машины СМР-028, СМ177А), которые затем разделываются на готовую продукцию. При высокоуступной двухстадийной диагональной системе ВДД (см. рис. 5.10, з) блоки из массива вырезают вертикальными пропилами, расположенными под углом 45° к уступу и 90° по отношению один к другому. При этой системе появляется возможность вырезки блоков из массива без проведения фланговых траншей. Страница 39 из 79 Лекция №6 по дисциплине: «Технология добычи и обработки природных строительных материалов» Тема: ДОБЫЧА ПРИРОДНОГО ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ Вопросы: 6.1 Требования к качеству блоков из природного облицовочного камня 6.2 Особенности разработки месторождений природного облицовочного камня 6.3 Добыча блоков (монолитов) природного облицовочного камня 6.4 Перемещение монолитов, погрузочные, транспортные и вспомогательные работы 6.1 ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ БЛОКОВ ИЗ ПРИРОДНОГО ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ Блоки из природного облицовочного камня должны иметь форму прямоугольного параллелепипеда или близкую к нему; ширину и высоту от 0,2 до 2 м и длину до 3,5 м. По объему блоки подразделяются на следующие пять групп (табл. 6.1): Таблица 6.1 В зависимости от типа оборудования, используемого на добыче блоков, последние подразделяются на пиленые (блоки, имеющие не менее четырех граней, полученных выпиливанием) и колотые (блоки, добытые выкалыванием из массива горной породы). Отклонения от размеров и качество поверхности блоков должны удовлетворять требованиям, приведенным в табл. 6.2. Таблица 6.2 На стандартных блоках не допускается более одной трещины тектонического происхождения с нарушением сплошности шириной не более 0,05 мм и длиной 1/3 наименьшего размера граней, распространяющейся на две смежные грани. На блоках допускаются прожилки и полосы, образованные трещинами тектонического происхождения, зацементированные вторичными минералами, Страница 40 из 79 которые не выкрашиваются при обработке. Для блоков, которые используются при производстве облицовочных материалов для лестниц и полов, истираемость должна быть не более (г/см2): 2,2 — при слабом механическом воздействии; 1,5 — при умеренном механическом воздействии и 0,5 — при значительном и весьма значительном воздействии. Декоративные свойства горных пород (определяются при геологической разведке), пригодных для производства блоков, характеризуются цветом, текстурой-рисунком, структурой, просвечиваемостью и отражательной способностью после полировки. Физико-механические свойства горной породы блока должны удовлетворять значениям, приведенным в табл. 6.3. Таблица 6.3 Блоки из природного камня следует использовать только для производства облицовочных материалов и архитектурно-строительных изделий. При соответствующем технико-экономическом обосновании допускается изготовление из блоков групп IV и V бортового камня по ГОСТ 6666—81, из блоков группы V — брусчатого камня по ГОСТ 23668—79, а также шашек и различных товаров народного потребления. Страница 41 из 79 Добыча блоков из горных пород может производиться механическим, буроклиновым, буровзрывным, термическим методами либо сочетанием перечисленных методов, а также при помощи невзрывчатых разрушающих средств (НРС). При буровзрывном методе должны применяться только метательные взрывчатые вещества и детонирующий шнур (не более двух ниток в шпуре). Использование других видов взрывчатых веществ допускается только при технико-экономическом обосновании. При комплексном использовании сырья отходы от добычи блоков применяют для производства декоративных плит на основе природного камня по ГОСТ 24099 — 80, декоративных щебня и песка по ГОСТ 22856 —77, известняковой муки по ГОСТ 14050—78 и для других целей. 6.2 ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИРОДНОГО ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ Разработка месторождений по добыче блоков природного облицовочного камня в отличие от разработки угольных, рудных и других полезных ископаемых характеризуется рядом специфических особенностей, которые позволяют выделить карьеры по добыче блоков в особую группу предприятий горнодобывающей промышленности. Как правило, эти месторождения имеют благоприятные горногеологические условия (незначительную мощность вскрышных пород), поэтому разрабатываются открытым способом. Кроме того, разработка месторождений природного облицовочного камня должна обеспечивать сохранение прочностных свойств и декоративных качеств пород, что определяет ее специфические особенности, к которым относятся: • небольшие размеры карьеров в плане и по глубине; • незначительный объем мягких вскрышных пород и зоны сильнотрещиноватой выветрелой скальной вскрыши; • наличие определенной закономерности в строении массива, проявляющейся в существовании систем вертикальных и пологих трещин отдельностей и анизотропии прочностных свойств горных пород, что обусловливает расположение фронта горных работ и отметок уступов применительно к направлениям облегченного раскола камня; • необходимость содержания значительного подготовленного резервного фронта горных работ, обеспечивающего добычу блоков с требуемыми декоративными свойствами и необходимыми размерами; • сохранение природной монолитности камня в процессе отделения блоков от массива; • незначительная высота разрабатываемых уступов; • применение специальных способов отделения блоков камня от массива; • получение блоков камня определенных размеров и формы; • выемка блоков камня больших размеров и массы, что требует применения уникального специфического выемочно-погрузочного оборудования; • строгое соблюдение направленной выемки в пространстве из-за малых величин допустимых отклонений от стандартных размеров блоков камня; Страница 42 из 79 • объем добычи попутных горных пород в большинстве случаев превышает количество основной добываемой блочной продукции, что ставит вопрос о комплексном использовании сырья. Характерной особенностью освоения месторождения из природного облицовочного камня является создание опытного карьера, используемого для добычи первоначального объема полезного ископаемого, необходимого для оценки блочности, декоративности и физико-механических свойств камня. Карьеры, разрабатывающие месторождения природного облицовочного камня, условно можно разделить на три типа: • карьеры по добыче блоков из прочных пород с пределом прочности на сжатие 80—250 МПа, где применяют в основном буровзрывные и буроклиновые работы; • карьеры по добыче блоков из пород средней прочности с пределом прочности на сжатие 40—150 МПа, на которых используют камнерезные машины и комбинированные способы добычи блоков; • карьеры по добыче пиленого стенового камня из низкопрочных пород с пределом прочности на сжатие 0,4—40 МПа, где применяют специальные камнерезные машины. Технология ведения горных работ на карьерах включает следующие основные операции: а) при добыче блоков из изверженных пород (гранитов и сходных с ними пород): • вскрышные работы по удалению рыхлых и разрушенных скальных пород; • отделение монолитов от массива с помощью буровзрывных, буроклиновых работ или невзрывчатых разрушающих средств; • оттаскивание монолитов от забоя для последующей разделки; • раскалывание монолитов на товарные блоки; • пассировка блоков (грубая обработка); • погрузка блоков и окола в средства транспорта; • вспомогательные работы по поддержанию рабочих площадок; б) при добыче блоков из пород средней прочности (мраморов и сходных с ними осадочных пород): • вскрышные работы по удалению рыхлых и разрушенных скальных пород; • выпиливание товарных блоков непосредственно из массива камнерезными машинами с кольцевыми фрезами или барами или отделение от массива крупных монолитов канатными пилами с последующей разделкой их на товарные блоки с помощью буроклиновых работ; • отгрузка блоков и отходов (окол, бут, шлам) в средства транспорта. Добыча блоков из природного облицовочного камня может производиться по однои двухстадийной технологическим схемам. При одностадийной схеме подготовки отделенные от массива блоки стандартных размеров грузятся и транспортируются для дальнейшей переработки. При двухстадийной технологической схеме предварительно отделенный от массива монолит объемом 10—600 м3 и более подвергается последующей разделке на товарные блоки в пределах рабочей зоны карьера. Страница 43 из 79 6.3 ДОБЫЧА БЛОКОВ (МОНОЛИТОВ) ПРИРОДНОГО ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ Добыча блоков природного облицовочного камня из прочных пород. Производство вскрышных работ. Вскрышные породы на большинстве месторождений природного облицовочного камня представлены рыхлыми четвертичными отложениями и слоем эрозированного камня. Их мощность измеряется от нескольких десятков сантиметров до десятков метров. Мощность рыхлых пород (почвенно-растительный слой, глины, суглинки, супеси с включением щебня и др.) обычно не превышает 3—5 м. Рыхлые вскрышные породы разрабатываются одноковшовыми экскаваторами с малой вместимостью ковша с погрузкой в автосамосвалы и транспортированием в отвалы. При мощности скальной вскрыши до 3—4 м разработка ее производится одним уступом с применением буровзрывных работ — методом шпуровых зарядов. Технология добычи блоков камня. Технология добычи блоков камня - есть комплекс основных производственных процессов, включающий подготовку горных пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, транспортирование и складирование карьерных грузов. Подготовка камня к выемке заключается в отделении от массива горных пород блоков или монолитов камня, затраты на что иногда составляют до 75 % от себестоимости добычи блоков, а используемые технические средства оказывают наибольшее влияние на выход товарной продукции. Способы отделения блоков (монолитов) камня от массива. А) Буровой. Этот способ заключается в пробуривании по линиям намечаемого раскола ряда шпуров, расположенных почти вплотную друг к другу. Для данного способа отделения гранитных блоков от массива особенно важно, чтобы все шпуры каждого ряда располагались точно по заданной линии раскола и находились в одной плоскости. Для этой цели рекомендуется использовать станки строчечного бурения (рис. 6.1), оснащенные 1 — 4 перфораторами, которые позволяют в несколько раз повысить производительность труда по сравнению с ручным бурением, полностью исключить влияние вибрации и шума на организм оператора, усовершенствовать технологию добычи блоков. Шпуры обычно бурят перфораторами на всю высоту отделяемого блока. Б) Ударно-врубовой способ отделения блоков камня от массива осуществляется посредством проходки врубовых щелей по линиям намечаемого раскола с помощью ударно-врубовых машин — ченнелеров, у которых рабочим органом является комплект долот V- и Z-образной формы. Долота, которым сообщается возвратно-поступательное движение большой частоты, наносят удары по камню, разрушают его и образуют щель шириной до 60 мм и глубиной до 6 м. Ченнелеры перемещаются по рельсам, проложенным вдоль направления вырубаемой щели, и могут выполнять вертикальные, наклонные и горизонтальные врубы. Страница 44 из 79 Рис. 6.1. Конструктивная схема станка строчечного бурения: 1 — несущая балка: 2 — винтовые домкраты; 3 — перфоратор; 4 — колонка В) Клиновой способ для отделения блоков камня от массива основан на следующих положениях механики: • клин при приложении к нему нагрузки дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько длина его щек больше ширины обуха, т.е. чем меньше угол заострения клина, тем больше выигрыш в силе; • работа, производимая ударом кувалды (молота) по клину, может создавать достаточно большие усилия, ограничиваемые прочностью самого клина и среды (камня), в которой он действует. Исходя из принципа равенства работ, совершаемых при ударе кувалды и углублении клина в породу, можно записать (Рис. 6.2): q · H = Q·Δh, (7.5) где q — масса кувалды (молота), кг; Н — высота падения кувалды, см; Q — усилие, возникающее в клине, кг; Δh — углубление клина в породу от действия удара кувалды, см, поэтому Q = qh/ Δh. В зависимости от физико-механических свойств породы и ее трещиноватости применяют следующие виды клиновых работ: с использованием естественной трещиноватости породы; с размещением клиньев в гнездах, образуемых посредством отбойных молотков. Клиновой способ отделения блоков камня от массива применяют при разработке пород, обладающих повышенной способностью раскалываться по сравнительно равным плоскостям, используя клинья длиной не более 10 см с углом заострения около 30°. Страница 45 из 79 Рис. 6.2. Схема к определению усилия, создаваемо го клином в гранитном массиве Г) Буроклиповои способ предусматривает два варианта отделения монолитов от массива пород — механизированный и ручной. Механизированный буроклиновый способ основан на размещении в шпурах закладных клиньев с гидравлическим приводом. Конструктивная схема гидроклина приведена на рис. 6.3. На карьерах страны в настоящее время применяются зарубежные и отечественные гидроклиновые установки (рис. 6.4). Рис. 6.3. Схема гидроклина для раскалывания камня: 1 — поршень со штоком; 2 — клин, 3 — пружинящие шечки; 4 — корпус; 5 — напорный шланг; 6 — сливной шланг Гидроклиновая установка состоит из гидроагрегата, пяти гидроклиньев и системы высоконапорных шлангов. Ручной буроклиновой способ отделения монолитов от массива применяется при разработке пород, обладающих достаточной способностью раскалываться по сравнительно ровным плоскостям, при котором в шпуры, пробуренные по линии предполагаемого раскола, вставляются металлические клинья. По клиньям равномерно наносят удары кувалдой до появления трещины раскола. Страница 46 из 79 Рис. 6.4. Схема гидроклиновой установки для направленного откола блоков: 1 — масляный насос; 2 — золотниковый распределитель: 3— шланг; 4 — гидроклин; 5 — блок Раскалывание камня наиболее часто осуществляется простыми клиньями и сложными (составными) клиньями со щечками (рис. 6.5), размещаемыми в шпурах круглого или овального сечения, пробуренных специальным инструментом. Рис. 6.5. Составной клин для раскалывания камня: 1 — цилиндрическая часть клина; 2 — коническая часть клина; 3 — щечки При отделении монолита от массива глубина шпуров может быть от 7 до 12 см, а расстояние между шпурами 15—20 см. Диаметр шпуров зависит от формы и размеров клиньев, а также от глубины шпуров и толщины выкалываемого монолита. Д) Буровзрывной способ отделения монолитов от массива чаще всего применяется на карьерах при разработке прочных пород (гранита, базальта и др.). При данном способе для бурения взрывных скважин и для щелеобразования при отделении монолитов используются буровые станки с погружными пневмоударниками БМК-4М, СБМК-5 и СБУ-100Г-35. Страница 47 из 79 Е) С помощью невзрывчатых разрушающих средств (НРС). Невзрывчатое разрушающее средство получают специальным обжигом карбонатных пород с последующим измельчением продукта обжига со специальными добавками. Невзрывчатое разрушающее средство работает только при смешивании с водой. В результате химической реакции происходит расширение массы в шпуре, что и создает раскалывающее (расширяющее) усилие, которое увеличивается с течением времени. От этого усилия в породе возникают напряжения, которые приводят к образованию трещин, а расширяющее усилие поддерживается также после появления трещин. Ж) Установками HRS [23] HRS — Hydro Rock Splitter (дословный перевод с английского — гидравлический раскалыватель породы) — силовой элемент скважинного типа, размещаемый в металлическом цилиндре и служащий для создания направленной нагрузки на стенки скважины (шпура) и разрушения прочных пород. После монтажа установки HRS, который занимает несколько минут, силовые элементы устанавливаются в шпуры. Затем с помощью маслостанции начинается нагнетание жидкости в силовые элементы. Последние расширяются в одном направлении и осуществляют направленный откол породы. Раскалывание монолитов на блоки и их пассировка. На карьерах разделка монолитов на блоки обычно выполняется буровзрывным или механизированным буроклиновым способами, реже ручным буроклиновым. Наибольшее распространение на карьерах получил буровзрывной способ раскалывания монолитов на блоки с размещением и взрыванием ДШ в шпурах. Клиновой способ разделки монолита на блоки с размещением клиньев в гнездах применяется для пород, обладающих способностью легко раскалываться по сравнительно ровным плоскостям, при высоте монолита до 1 м. Пассировка — грубая обработка блоков из горных пород для придания им заданной формы и размеров, соответствующих требованиям ГОСТа. Добыча блоков (монолитов) природного облицовочного камня из пород средней прочности. Производство вскрышных работ. На большинстве месторождений пород средней прочности (типа мрамора, мраморизованных известняков и сходных с ними пород) верхняя часть полезного ископаемого представлена выветрелыми и сильнотрещиноватыми породами, не пригодными для получения блочной продукции. Мощность рыхлых вскрышных пород и способ их разработки аналогичны таковым при разработке прочных пород. Предварительное рыхление скальной вскрыши с помощью буровзрывных работ приводит к образованию в массиве дополнительной трещиноватости и снижает выход блоков (в %). Поэтому разработка скальной вскрыши должна проводиться способами, гарантирующими сохранность массива облицовочного камня. Рыхление предварительно подрезанной скальной породы целесообразно производить шпуровыми зарядами при высоте уступа до 2—3 м (рис. 6.6). Страница 48 из 79 Рис. 6.6. Схема отбойки скальной вскрыши на границе с массивом блочного камня для пород средней прочности: 1 — пропил камнерезной машины; 2—шпур; H — высота уступа; Ш — ширина пропила: Г—глубина пропила Производство добычных работ. Добыча блоков из пород средней прочности осуществляется на карьерах с использованием камнерезных машин с кольцевыми фрезами; баровых машин; канатных пил; буроклинового, буровзрывного или комбинированных способов. Добыча блоков камнерезными машинами с кольцевыми фрезами. Для добычи мраморных блоков на карьерах используются камнерезные машины с кольцевыми фрезами конструкции A.M. Столярова. Машина СМР-028 (рис. 6.7) представляет собой Г-образную самоходную раму, перемещающуюся по рельсам, уложенным вдоль забоя: один рельс — на подошве уступа, второй — на верхней его площадке. Рабочим органом машины являются кольцевые фрезы диаметром 1380 мм, позволяющие производить пропилы в породе глубиной до 1,04 м. Рис. 6.7. Конструктивная схема камнерезной машины СМР-028: 1 — рама; 2 — кабина; 3 — электрошкаф; 4 — колеса; 5 — рельсы; 6 — домкраты; 7 — горизонтальная фреза; 8 — консоль крепления фрезы; 9 — вертикальная фреза; 10 — отпиливаемый блок; 11 — вертикальный продольный пропил; 12 — горизонтальный продольный пропил Добыча блоков баровыми машинами. Камнерезные баровые машины предназначены для добычи блоков и монолитов из мрамора, туфа и других пород с Страница 49 из 79 пределом прочности на сжатие до 150 МПа. Баровая машина (рис. 6.8) состоит из ходовой рамы, приводов подачи и бара, рельсового пути, бара, смазочного устройства, консольного крана, гидро-, электрооборудования и др. Основным рабочим органом машины является бар, представляющий собой плоскую удлиненную конструкцию, по периметру которой скользит цепь с твердосплавными режущими зубцами. Бар служит для выполнения горизонтальных и вертикальных пропилов. Рис. 6.8. Схема баровой камнерезной машины: 1 – нижняя направляющая; 2 — ходовая платформа; 3 — баровая пила; 4 — электродвига-тель привода баровой пилы; 5 — приводная звездочка; 6 — консольный кран; 7 — масляный бак; 8 — электродвигатель подачи; 9 — гидродвигатель; 10 — механизм поворота баровой пилы Добыча блоков канатными пилами. Камнерезные машины, рабочим органом которых является канат, называются канатными пилами. В комплект канатной пилы входят следующие элементы (рис. 6.9): приводная станция 1, рабочие стойки 2 с узлом подачи, питатель 3 абразивной пульпы, комплект направляющих стоек 4 со шкивами, бесконечный рабочий контур — канат 5, проходящий через шкивы направляющих и рабочих стоек, натяжная станция 6. Принцип работы канатной пилы заключается в следующем. При движении каната под него в пропил подается абразивный материал — кварцевый песок с водой. Зерна кварцевого песка, попадая в пазы свивки пильного каната, производят микроцарапание — пиление породы, так как песчаное зерно неэластично и не меняет свою форму. Технология добычи камня с использованием канатных пил включает следующие основные операции: подготовительные работы; отпиливание монолита от массива; опрокидывание монолита. Страница 50 из 79 Рис. 7.9. Схема канатной пилы Опрокидывание монолитов можно осуществлять бульдозером, лебедкой с помощью тросов или гидродомкратами типа «Титан» фирмы «Пеллегрини». Опрокидывание монолитов гидродомкратами осуществляется в следующем порядке. В кровле разрабатываемого уступа на контакте с вертикальным пропилом буровзрывным или иным способом вырабатывают две лунки, в которые устанавливают домкраты (рис. 6.10). При включении домкратов и после отклонения монолита на шаг домкрата в образовавшееся пространство между массивом и монолитом забрасываются камни для фиксации монолита в достигнутом положении после отклонения (рис. 6.11). Затем между массивом и домкратом закладывают жесткие прокладки. Упирая домкрат на них и на монолит, продолжают отклонение монолита. Рис. 6.10. Схема расположения домкратов при опрокидывании монолита: 1 — уступ; 2 — опрокидываемый монолит; 3 — лупка для размещения домкрата; 4 — домкрат; 5 — тележка: 6 — шланга Страница 51 из 79 Рис. 6.11. Схема опрокидывания монолита: а — положение вставки домкрата: б — положение выхода стержня домкрата; в — положение вставки прокладок; 1 — монолит; 2 — домкрат; 3 — прокладки; 4 — камни для фиксации монолита; 5 — опрокинутый монолит; 6— подушка из щебня К достоинствам канатных пил следует отнести простоту конструкции, незначительную энерго- и металлоемкость, невысокие потери сырья на пропил, возможность получения монолитов (блоков) больших размеров. Основными недостатками канатных пил являются: сложность эксплуатации при отрицательных температурах; резкое снижение показателей работы при наличии твердых включений и повышенной трещиноватости массива; большой объем горноподготовительных работ. Добыча блоков буроклиновым, буровзрывным и комбинированным способами. Добыча блоков из пород средней прочности буроклиновым, буровзрывным и комбинированным способами должна осуществляться в тех условиях, когда использование камнерезных машин невозможно или практически становится экономически нецелесообразным. К таким условиям относятся: прочность разрабатываемых пород более 120 МПа; наличие в массиве повышенной трещи-новатости; содержание в массиве включений твердых и абразивных пород (кварца, диорита и др.), превышающее 5 %; угол падения залежи полезного ископаемого более 20° (для баровых машин). 6.4 ПЕРЕМЕЩЕНИЕ МОНОЛИТОВ, ПОГРУЗОЧНЫЕ, ТРАНСПОРТНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ На карьерах природного облицовочного камня грузами, подлежащими перемещению и транспортированию, являются монолиты, стандартные и некондиционные блоки, бутовый камень, штыб, окол и породы вскрыши. Перемещение монолитов от массива для последующего их раскалывания на блоки осуществляется в основном при разработке прочных пород. Перемещение монолитов от забоя осуществляют тракторами-бульдозерами с использованием тяговых канатов или с помощью лебедок. Погрузка блоков на карьерах осуществляется автомобильными, гусеничными, пневмоколесными, кабельными кранами и деррик-кранами. На карьерах природного облицовочного камня транспортирование блоков, крупного и мелкого окола, отходов камнедобычи из карьера осуществляется обычно автомобильным транспортом — автосамосвалами грузоподъемностью до 12 т и бортовыми машинами. Крупные блоки целесообразно транспортировать на прицепах Страница 52 из 79 типа ЧМЗАП-5523А грузоподъемностью 21 т в комплексе с тягачами КрАЗ-255В Челябинского машиностроительного завода автотракторных прицепов. На погрузке и транспортировании вскрышных пород на карьерах обычно применяются одноковшовые экскаваторы с вместимостью ковша до 1,25 м3 и автосамосвалы КрАЗ-256Б. Страница 53 из 79 Лекция №7 по дисциплине: «Технология добычи и обработки природных строительных материалов» Тема: ОБРАБОТКА ПРИРОДНОГО ОБЛИЦОВОЧНОГО КАМНЯ Вопросы: 7.1 Изделия из камня и требования к их качеству; 7.2 Виды обработки природного камня; 7.3 Камнераспиловочное оборудование; 7.4 Фрезерование и окантовка изделий из природного камня; 7.5 Фактурная обработка природного камня; 7.6 Вспомогательное оборудование; 7.7 Шламовое хозяйство, оборотное водоснабжение 7.1 ИЗДЕЛИЯ ИЗ КАМНЯ И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ КАЧЕСТВУ На протяжении всей истории человечества природный камень использовался не только как строительный материал, но и как исходный материал для производства изделий декоративного, художественного, технического назначения, а также широко использовался в быту. Основным изделием (до 40 % от объема), выпускаемым предприятиями, являются облицовочные плиты. Схематическое изображение облицовочного изделия — плиты приведено на рис. 7.1. На территории СНГ действует ГОСТ 9480—89 на плиты облицовочные из природного камня, согласно которому допускается изготовление плит следующих размеров, мм: • длиной 150—1500; • шириной 150—1200 или полосок и шашек менее 150; • толщиной 8—30 или 40 из мраморизованного известняка, туфа, ракушечника, известняка. Предельные отклонения от номинальных размеров плит даны в табл. 7.1. Таблица 7.1 Страница 54 из 79 Отклонения от прямого угла облицовочных плит на 1 м длины должны быть не более ±1 мм. Рис. 7.1. Схематическое изображение облицовочного изделия — плиты; 1 — обработанная поверхность; а, b, h — соответственно длина, ширина и толщина плиты; 2 — закрепительные канавки для увеличения адгезии между камнем и раствором (1—5шт.); d = 2-5 мм — ширина канавки; e = 1-3 мм— глубина канавки; 3 — торцевые прорези для монтажа крепежной арматуры (заменяются отверстиями Ø 4-10 мм или торцевой канавкой вдоль всей плиты шириной 4-8 мм и глубиной 5-15 мм); f = 50-100 мм — длина прорези; g = 4-8 мм — ширина прорези; к = 20-50 мм — глубина прорези Учитывая высокие декоративные свойства природного камня и его высокую стоимость, широкое распространение за рубежом получили облицовочные декоративные плиты с мозаичной, брекчиевидной и орнаментной поверхностями, изготовляемые с использованием природного камня (отходы, щебень, бут и др.) и различных неорганических (цемент и др.) и органических (смолы, клеи) связующих. Эти плиты используются как в наружной, так и внутренней облицовке зданий и сооружений. В зависимости от способа изготовления плиты подразделяются на три типа (ГОСТ 24099—80): I — прессованные или формованные; II — пиленые из искусственно отформованных блоков (пильный камнебетон); III — склеенные из кусков камня правильной или произвольной формы. Страница 55 из 79 Лицевая поверхность плит должна быть для I типа — мозаичной (М), брекчиевидной (Б) или орнаментной, II типа — мозаичной или брекчиевидной, III типа — мозаичной, брекчиевидной или орнаментной. Мозаичную лицевую поверхность получают с использованием декоративного щебня из природного камня; брекчиевидную лицевую поверхность получают из кусков природного камня произвольной формы или из смеси кусков природного камня произвольной формы и декоративного щебня; орнаментальную лицевую поверхность получают из природного камня правильной формы. Несмотря на высокую стоимость, трудоемкость укладки, появление за последнее столетие новых искусственных материалов для дорожного строительства, изделия из природного камня достаточно широко применяются в градостроительстве. Брусчатый камень — брусчатка (ГОСТ 23668—79) для дорожных покрытий изготовляется из изверженных горных пород или из литых огненно-жидких металлургических шлаков и предназначен для устройства покрытий на городских площадях, улицах, трамвайных путях и городских автомобильных дорогах. Бортовые камни из природного камня, несмотря на применение в дорожном строительстве изделий из искусственных материалов, являются более долговечными и декоративными изделиями и широко применяются для отделения проезжей части улиц, дорог, внутриквартальных проездов, пешеходных дорожек и тротуаров от остальных участков городского и путевого дорожного покрытия. Отходы добычи и обработки природного камня условно, в зависимости от формы и размеров, можно разделить на следующие виды: • негабаритные блоки, бут, щебень, представляющие собой куски камня неправильной формы размерами более 400 мм (блоки), размерами 5—70 мм (щебень) и более 70 мм (бут); • горбыль, представляющий из себя отход пассировки и распиловки блоков, имеющий неправильную форму с одной обработанной плоской поверхностью и линейными размерами, которые соизмеримы с размерами блоков; • окол, представляющий из себя пластины камня толщиной 5—50 мм неправильной формы в плане и являющийся отходом распиловки, шлифовки, полировки и окантовки плит; • штыб и шлам — мелкодисперные отходы камня, образующиеся в результате осуществления процессов резания и шлифования при добыче и обработке камня, размерами более 0,5 мм (штыб) и менее 0,5 мм (шлам). Наиболее характерным продуктом утилизации негабаритных блоков, бута, щебня, горбыля являются декоративные щебень и песок из природного камня (мраморная или другая крошка). Щебень и песок получают фракционированием дробленых отходов камнеобработки (дробление, грохочение, обогащение путем промывки в мойках); фракционный состав песка — до 2,5 мм, щебня — более 2,5 мм. Для утилизации отходов камнедобычи и камнеобработки распространены следующие технологии производства облицовочных изделий различного назначения. 1. Технология производства облицовочных изделий с использованием пильного камнебетона. Типовой процесс включает следующие операции: Страница 56 из 79 а) изготовление камнебетонной смеси с использованием декоративных отходов камня (бут, щебень, песок) в качестве заполнителя и связующего — цемент, различные смолы (полиэфирные, эпоксидные, акриловые и др.); б) заливка бетона в специальные формы с использованием термовлажностной (термической), вибрационной обработки, вакуумирования, прессования и др.; г) распиловка полученных бетонных блоков на традиционном или специализированном распиловочном оборудовании; д) калибровка, шлифовка и полировка плит; е) окантовка, промывка, сушка и др. 2. Технология производства облицовочных изделий и напольных покрытий с использованием окола, операций распиловки и шлифовки камня. Типовой процесс изготовления плит включает следующие операции: а) укладка окола с неправильной формой в специальные формы; б) составление бетонной смеси из связующего (цемент или различные органические связующие) и наполнителя (щебень, песок и др.); в) заливка форм бетонной смесью с использованием термовлажностной (термической), вибрационной обработки, вакуумирования, прессования; г) калибровка, шлифовка и полировка плит. Типовой процесс изготовления напольных покрытий с использованием окола камня: а) заливка пола цементным или другим связующим; б) укладка окола с погружением в цементную основу; в) шлифовка, полировка шлифмашинами отвердевшего полового покрытия. 3. Технология производства облицовочных изделий с использованием щебня и песка из декоративного камня. При этом различают «генуэзские» полы (с использованием материала крупностью до 5 мм) или «венецианские» с использованием материала крупностью около 20 мм. Типовой процесс состоит из следующих операций: а) составление бетонной смеси из цемента или другого связующего, дробленого камня и различных пигментов; б) заливка заранее приготовленного и очищенного пола или специальных форм; в) шлифовка, полировка пола либо полученных изделий. Наиболее активными и экологически вредными отходами предприятий по добыче и обработке камня являются шламы камнеобработки. Все виды шламов (I, II, III, IV) в качестве основных компонентов используются при производстве и изготовлении следующих материалов и изделий: чистящее средство «Чистоль» (III); замазка универсальная морозостойкая (I, II, III); герметик «Гермопласт» (III); средство для чистки медных и алюминиевых изделий «Асидол» (I, II, III); чистящее средство для кухонных плит «Норма» (I, II, IV); сухие штукатурные смеси различного назначения (I, II, III); шпатлевка «Карболит» (I, II, III); наполнители пластмасс, линолеума, резины и других полимерных композиций (I, II, III); добавки в асфальт и мягкие кровельные материалы (I, II, III); активные минеральные добавки к Страница 57 из 79 вяжущим и уплотнители бетонов (III, IV); кислотоупорная мука (IV); наполнители лаков и красок (II, III); добавки к угольным брикетам (III); наполнители ядохимикатов (II, IV); осветлители жиров, масел, вин и других жидкостей (IV); наполнители мыл, паст и других моющих средств (III, IV); фильтрующие материалы (II, IV); адсорбенты и носители катализаторов (IV); абразивные порошки и изделия (II, III, IV); сырье для производства керамических изделий, стекла, стекловолокна, стеклопластиков (IV); сырье для каменного литья (IV); наполнители и добавки к строительным материалам и изделиям (I, II, III, IV) и др. 7.2 ВИДЫ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ Обработкой камня называется технологический процесс, в результате которого добытый блок разделяется на архитектурно-строительные детали или ему придают заданные формы и размеры, а лицевой поверхности — необходимую фактуру. Комплектование структур комплексной механизации для обработки камня связано в основном с массовым поточным производством архитектурностроительных деталей и изделий. В общем случае технологическая схема обработки камня включает выполнение следующих операций: заготовительную (пассировка блоков, подготовка блоков-заготовок) для придания блокам правильной формы; распиловочную (распиловка блоков на плиты больших размеров, на плиты-заготовки стандартной ширины); раскройную, окантовочную; фактурную обработку (шлифование-полирование, ударная обработка бучардами, обработка пескоструйными, виброкопировальными, ультразвуковыми установками и др.); обработку фасок, торцов, крепежных канавок изделий; мойку, сушку, сортировку, упаковку готовой продукции. В зависимости от назначения изделий из природного облицовочного камня обработка его может быть различной. По характеру приложения нагрузки и применяемому оборудованию обработка камня может выполняться скалыванием и резанием. Различают два последовательных процесса по обработке камня: обработку по форме (придание полуфабрикату требуемых размеров и формы) и фактурную обработку (декоративную отделку поверхности). Обработка камня по форме бывает приближенная и точная. Приближенная обработка скалыванием выполняется обуриванием с использованием ручных перфораторов и пневмомолотков, раскалыванием простыми и сложными клиньями и околкой с использованием закольников. Точная обработка лицевой поверхности скалыванием проводится с использованием шпунта, скарпели, бучарды, троянки и других ударных инструментов. Термоструйная фактура получается обработкой камня термоотбойниками. Приближенная абразивная обработка проводится на распиловочных станках рамного типа, а также на дисковых, канатных и ленточных станках. Точная абразивная обработка осуществляется механическим путем на фрезерноокантовочных и шлифовально-полировальных станках и конвейерах. Технологический процесс обработки камня скалыванием включает Страница 58 из 79 следующие операции: раскалывание блоков на заготовки заданных размеров, окалывание полуфабрикатов, точная и фактурная обработка лицевой поверхности. Окалывание полуфабрикатов — это придание им формы, грубо приближающейся к заданной. Точная обработка скалыванием — это придание заготовкам заданных размеров и формы. Для окалывания, точной и фактурной обработок полуфабрикатов и заготовок применяются твердосплавные инструменты: скарпели, шпунты, закольники, бучарды, киянки, пазовки, троянки, термоотбойники и др. Абразивная обработка камня по форме включает также приближенную и точную обработку. Приближенная абразивная обработка камня производится на распиловочных рамных, дисковых и канатных станках. Точная абразивная обработка камня производится на фрезерно-окантовочных станках. 7.3 КАМНЕРАСПИЛОВОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ По виду применяемого рабочего инструмента распиловочное оборудование в основном подразделяется на рамные (штрипсовые), дисковые и канатные станки. Распиловочный рамный станок — это стационарный механизм, распиливающий камень при помощи полосовых пил (штрипсов) из стали и непрерывно подаваемого в пропил абразива (стальной или чугунной дроби) или при помощи полосовых пил из стали, армированных алмазными элементами (твердосплавными зубками). Рамные станки оборудованы кривошипно-шатунным механизмом, который приводится в действие от электродвигателя через редуктор. Рама приводится в возвратно-поступательное движение шатуном и одновременно с помощью винтов опускается вниз с регулируемой скоростью. Конструкции некоторых разновидностей полосовых пил приведены на рис. 7.2. Страница 59 из 79 Рис. 7.2. Основные разновидности полосовых (штрипсовых) пил: а — гладкая пила; б — гладкая перфорированная пила; в — алмазная пила без пазов;.г — алмазная пила с пазами; д — твердосплавная пила; 1 — корпус пилы; 2 — стальные накладки; 3 — алмазные бруски; 4 — твердосплавные резцы По характеру траектории движения рамы различают станки с маятниковым (качательным) движением рамы, станки с прямолинейным горизонтальным движением рамы и станки с вертикально (наклонно) расположенной рамой и подачей блока камня на рабочий орган (рис. 7.3). Рис. 7.3. Схемы штрипсовых рамных станков: а, б — горизонтальнораспиловочные станки соответственно с криволинейным и прямолинейным движением рамы: в — вертикально-распиловочный станок с прямолинейным движением рамы: 1 — двигатель: 2 — кривошипно-шатунный механизм: 3 — станина; 4 — ползун: 5 — рама; 6 — тележка с блоком камня: 7 — маятниковая подвеска: 8 — прямолинейные направляющие; V — главное движение резания: S — направление рабочей подачи рабочего органа Страница 60 из 79 Дисковые станки предназначены для распиловки блоков природного камня на плиты различных размеров. В качестве рабочего органа распиловочных станков используются алмазные отрезные сегментные круги (АОСК), представляющие собой стальной диск (корпус) с пазами, по периферии которого напаяны алмазосодержащие сегменты. Некоторые конструкции алмазных кругов приведены на рис. 7.4. Рис. 7.4. Алмазные отрезные круги: а — основные размеры (Д — наружный диаметр, Н — диаметр посадочного отверстия, Е— толщина корпуса, Т— ширина сегмента, X — высота алмазосодержащего сегмента, L — длина сегмента); б— виды пазов и сегментов (I — узкий паз и узкие сегменты, II — широкий паз и широкие сегменты, III — узкий паз и широкие сегменты); в — типы сегментов (1 — прямоугольные с неалмазной базой, 2 — прямоугольные, 3 — прямоугольные типа «еендвич», 4 — трапецеидальные типа «сендвич»); г — отрезные круги типа «турбо»; д — отрезные круги типа «лазер»; е — отрезные круги — фрезы Страница 61 из 79 Достоинством алмазных отрезных кругов является возможность получения высоких линейных скоростей резания, что обеспечивает высокую производительность распиловочных станков и сравнительно низкий удельный расход алмазов. Недостатком отрезных кругов является малая допустимая глубина резания, равная приблизительно 1/3 диаметра круга. Дисковые распиловочные станки разделяют обычно на две основные группы: однодисковые и многодисковые. Однодисковые распиловочные станки характеризуются значительным диаметром рабочего инструмента (2200—5000 мм) и могут иметь, в основном, портальное или мостовое исполнение (рис. 7.5). К преимуществам этих станков следует отнести их высокую производительность при распиловке плит и блоков-заготовок шириной до 1,5 м. Рис. 7.5. Схемы портального и мостового однодисковых панков: а — портальный; б — мостовой; 1 — тележка; 2 — распиливаемый блок: 3 — алмазный отрезной сегментный круг; 4 — режущая головка; 5 — суппорт; 6 — траверса портала: 7 — пульт управления: 8 — мост; 9 — железобетонные опоры; 10 — колонны; V — окружная частота вращения АОСК (движение резания): S— рабочая подача (скорость перемещения отрезного круга): S1 — установочное перемещение блока или инструмента (определяет толщину выпиливаемого изделия); .S2 — установочное движение отрезного круга, определяющее глубину врезания инструмента в блок (для твердых пород) Страница 62 из 79 Дисковые распиловочные станки для производства плит стандартных размеров наиболее распространены и выпускаются многодисковыми (диаметр отрезных кругов 725—1600 мм), для которых характерно: относительно незначительное количество одновременно работающих отрезных кругов (до 15 шт.) при распиловке пород малой и средней прочности; большое количество кругов (15—60 шт.) при распиловке пород высокой прочности (гранита и др.). Многодисковые станки выпускаются с ортогональными (подрезными) головками для отделения отпиливаемых плит от блока и без этих головок. К распиловочному оборудованию можно отнести алмазно-канатные установки стационарного типа. Физические основы распиловки горных пород канатом, армированным алмазными элементами, не отличаются от процессов разрушения камня другими алмазными инструментами. При движении каната с напрессованными алмазными втулками вдоль блока камня за счет микроцарапания осуществляется направленное разрушение камня. Наиболее характерные конструкции канатных рабочих органов показаны на рис. 7.6. Рис. 7.6. Схемы канатных рабочих органов: а — трехжильный канат для канатно-абразивной распиловки; б — канат, армированный коническими твердосплавными шайбами; в — канат, армированный алмазными элементами; г — современный канат с напрессованными алмазными элементами; 1 — канат; 2 — пружинный сепаратор; 3 — стальная втулка; 4 — твердосплавная коническая втулка; 5 — напрессованный алмазный элемент; 6 — резиновое или пластиковое покрытие для защиты каната; 7— соединительная муфта Страница 63 из 79 Алмазно-канатные установки применяются не только для распиловки горных пород типа мраморов, но и для обработки заготовок и изделий из гранитов. Эти установки обладают самыми широкими технологическими возможностями и обеспечивают максимальную рентабельность при обработке большинства пород (рис. 7.7). Алмазно-канатные установки выпускаются с вертикальным и в большинстве случаев с горизонтальным расположением шкивов. Рис. 7.7. Схемы канатных установок: а — с ограниченной длиной каната; б — с удлиненным канатом: в — с канатом произвольной длины; 1 — траверса; 2 — колонны с направляющими; 3 — рабочий орган (канат); 4 — рабочие шкивы; 5 — распиливаемый блок; 6 — тележка; 7 — дополнительные шкивы; 8 — натяжное устройство; S — постоянная во времени подача рабочего органа; S1 —установочное движение блока, определяющее толщину выпиливаемого изделия; V—скорость резания режущего инструмента Наиболее перспективными для распиловки горных пород являются алмазноканатные установки с неограниченной длиной каната (см. рис. 7.7, в), оснащенные несколькими (до 10) одновременно работающими контурами канатов и позволяющие осуществлять многопильную распиловку любых пород из блоков неограниченных размеров. Страница 64 из 79 7.4. ФРЕЗЕРОВАНИЕ И ОКАНТОВКА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПРИРОДНОГО КАМНЯ Операции фрезерования и окантовки плит из облицовочных каменных материалов придают окончательную форму строительным изделиям. Основным инструментом для окантовки изделий из камня являются алмазные отрезные круги. Кроме алмазных отрезных сегментных кругов АОСК (ГОСТ 16115— 78) для окантовки плит в камнеобрабатывающем производстве используются алмазные отрезные круги АОК (ГОСТ 10110—87) со сплошной режущей кромкой, на которую алмазосодержащий слой напрессовывается по периферии корпуса круга. Алмазные фрезы в зависимости от вида режущей кромки бывают цилиндрические, торцевые, фасонные и пальцевые. Основные схемы обработки каменных изделий цилиндрическими алмазными фрезами и их наборами показаны на рис. 7.8. Рис. 7.8. Схемы обработки камня цилиндрическими алмазными фрезами: а — обработка пазов; б — обработка ступенчатых поверхностей набором фрез различных диаметров; 1 — шпиндель; 2 — набор цилиндрических алмазных фрез; 3— обрабатываемая заготовка; 4— стол станка; V— вращательное движение резания; S — рабочая подача стола Фасонные фрезы или их комплекты, собираемые на шпинделе станка, имеют профиль, соответствующий профилю, который необходимо получить на камне. При осуществлении вращательного движения и соответствующей подачи на заготовке получается профилированная поверхность (рис. 7.9, а). Применение трехкоординатных станков, у которых стол вместе с заготовкой камня или инструментальная головка относительно неподвижной заготовки может совершать движения по трем координатным осям, позволяет получать сложнопрофильный рисунок на поверхности заготовки камня. Движение стола может осуществляться по заданной программе или копии — копиру. Обработка в этом случае производится специальной пальцевой фрезой (см. рис. 7.9, б). Страница 65 из 79 Рис. 7.9. Схемы сложнопрофильной обработки камня: а — обработка профильного изделия с помощью фасонной алмазной фрезы или набора фрез; б — обработка на объемном трехкоординатном фрезернокопировальном станке пальцевой фрезой; 1 — шпиндель; 2 — фреза или набор фрез; 3 — обрабатываемая заготовка; 4 — стол станка: V — вращательное движение резания; S — рабочая подача; S1, S2, S3 — рабочие подачи по трем координатам Фрезерно-окантовочное оборудование — это класс станков, оснащенных отрезными кругами диаметром 200—1200 мм и предназначенных для окантовки стандартных пиленых плит и фрезерования прямолинейных элементов облицовочных и других изделий. Этот вид оборудования условно можно разделить по назначению на два типа: 1 — специализированное оборудование, встраиваемое в поточные линии по производству стандартных изделий (модульных плит); 2 — универсальное оборудование, используемое как для окантовки различных плит, так и для производства изделий разных размеров и сложной конфигурации. Первый тип — специализированное оборудование представляет собой конвейерный или рольганговый станок с автоматической подачей плит и гидравлическим или ручным (продольным, поперечным) механизмом для подачи (движение резания) шпиндельной головки с алмазным кругом. Станок отрезной портальный СМР-038 (рис. 7.10) предназначен для окантовки и продольной разрезки плит-заготовок из гранита и мрамора на полосы заданной ширины и может работать как в составе поточной линии, так и самостоятельно для окантовки облицовочных плит. Рис. 7.10. Схема отрезного портального станка СМР-038: 1 — пластинчатый конвейер; 2—окантовываемая плита; 3 — блок из пяти окантовочных шпинделных головок с автономными приводами; 4 — механизм ломки обрезков; 5 — отрезные круги (5 шт.); S — рабочая подача конвейера: V— движение резания Второй тип — универсальное фрезерно-окантовочное оборудование отличается большим разнообразием. Наиболее распространены мостовые конструкции станков, Страница 66 из 79 станки с ручной или механизированной тележкой (конвейером или рольгангом) и станки с неподвижным столом и подвижной режущей головкой. 7.5. ФАКТУРНАЯ ОБРАБОТКА ПРИРОДНОГО КАМНЯ Фактура (от латинского слова factura — делание) — особенность отделки поверхности природного камня. Наиболее распространенными видами фактурной обработки изделий из камня являются шлифование и полирование. Шлифование камня — процесс абразивной обработки камня, в результате которого его поверхность приобретает шлифованную фактуру. Шлифование камня включает следующие основные стадии: обдирка (грубая шлифовка); средняя шлифовка; тонкая шлифовка; доводочная шлифовка (лощение). Полирование камня — заключительный процесс обработки камня, в результате которого его поверхности придается зеркальный блеск, полностью выявляющий фактуру, цвет, рисунок и структуру горной породы. В камнеобрабатывающем производстве для осуществления операций шлифовки и полировки используется рабочий инструмент различных конструкций, называемый в большинстве случаев шарошками. Для выполнения операции полировки камня применяют оксид хрома, оксид железа (крокус), оксид олова, оксид алюминия, полирит (оксиды редкоземельных металлов), микропорошки некоторых абразивов и др. Распространенным полирующим материалом является оксид хрома, который применяется для полировки неокрашиваемых темных горных пород (гранит, габбро, лабрадорит и др.). Шлифовально-полировальное оборудование по технологическим и конструктивным особенностям подразделяется на ручные шлифмашинки; ручные коленно-рычажные станки; мостовые, портальные и конвейерные станки. Мостовые (портальные) шлифовально-полировальные станки (рис. 7.11, а, б) имеют мост (портал), который может двигаться по направляющим вдоль рабочего стола станка, а по мосту (порталу) перемещается поперек рабочего стола каретка с рабочей головкой (плоской планшайбой или планетарной головкой с абразивными, алмазными элементами). Конвейерные станки (линии) представляют собой ленточный (пластинчатый) конвейер (см. рис. 7.11, в), над которым расположены друг за другом вращающиеся шлифовальные головки с соответствующим номером шлифовальио-полироваль-ного инструмента. Страница 67 из 79 Рис. 7.11. Схемы шлифовально-полировальных станков: а — портального; б — мостового; в — конвейерного; г — ручного коленно-рычажного (колонкового); 1 — обрабатываемое изделие; 2 — шлифовальный инструмент: 3 — шпиндель: 4 — шлифовальная головка; 5—(слежка; 6 — стол: 7 — конвейер; 8 — портал; 9— мост; 10—колонна; 11 —рычажный механизм; V — вращательное движение шлифования: S— рабочая подача; S1, S2 — установочные движения 7.6. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ К вспомогательному оборудованию относятся различные грузоподъемные, транспортирующие, переворачивающие устройства, а также оборудование для очистки сточных вод камнеобрабатывающих предприятий от шламов. В качестве грузоподъемных механизмов используются мостовые (кран-балки), консольные (настенные) краны, тельферы внутри производственных цехов и козловые или мостовые краны на колоннах — на открытых складах сырья и готовой продукции. Пролет крана зависит от пролета имеющегося или строящегося производственного помещения (здания, цеха). Как транспортирующие средства в камнеобрабатывающем производстве используются конвейеры (ленточные, пластинчатые), рольганги, тележки (ручные, механизированные), погрузчики грузоподъемностью 3,2—10 т, поворотные и опрокидывающие устройства. Страница 68 из 79 Для транспортировки и установки плит-заготовок в качестве грузозахватных устройств на предприятиях применяются специальные клещевые захваты, вакуумные присоски, специальные стеллажи. Для укладки полуфабрикатов и готовых изделий используются деревянные или металлические поддоны, стеллажи, тележки, а для сбора отходов — кюбеля (ящики). Для кантования плит-полуфабрикатов и их поворота на производстве используются специальные поворотные устройства. 7.7. ШЛАМОВОЕ ХОЗЯЙСТВО, ОБОРОТНОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ Практически при всех операциях обработки камня образуются отходы в виде окола, штыба и шлама. Окол-обломки плит после распиловки, окантовки, шлифовки, полировки и других операций — являются товарной продукцией. Штыб — отходы камня крупностью менее 6 мм. Шлам (буквально грязь) — частицы камня крупностью менее 3—40 мкм в смеси с водой (пульпа, гидросмесь). Наиболее экологически вредными отходами камнеобработки являются шламы. Система производственного водоснабжения на предприятиях камнеобработки должна пополняться возвратом очищенной воды от шламов. Прямоточная система водоснабжения может применяться (как исключение) при согласовании с соответствующими органами санитарного надзора. На рис. 7.12 приведено схематическое изображение системы очистки сточных вод с использованием пресс-фильтров. Шлам после обработки горных пород на камнеобрабатывающих станках I (см. рис. 7.12) по отводным лоткам самотеком поступает в сточную емкость А, из которой грунтонасосом подается в седиментационный бак С (седиментация — оседание мелких частиц в жидкости под действием гравитации). В системе очистки сточных вод предусмотрена емкость В, где находится флокулянт (специальное вещество, способствующее образованию осадка), добавляемый в шлам (см. рис. 7.12) при подаче его в седиментационный бак С В агрегате С под действием сил гравитации шлам осаждается на дно бака, а из верхней его части чистая вода подается в резервуар очищенной воды Е. Шлам, осажденный на дно агрегата С, через сток направляется для гомогенизации (придания материалу однородности) в емкость Д, где осуществляется тщательное его перемешивание для получения однородной густой массы. Последняя принудительно подается на пресс-фильтры Е, где отделяется вода от шлама. Сухой шлам в виде сыпучего порошка расфасовывается в разовые пакеты и может быть утилизирован в различных производствах в качестве наполнителя. Чистая вода после пресс-фильтров Е направляется в резервуар для сбора очищенной воды F, откуда насосом подается в сеть оборотного водоснабжения для подачи ее в зону работы камнеобрабатывающих станков. Страница 69 из 79 Рис. 7.12. Система очистки сточных вод камнеобработки пресс-фильтрами: 1 — шламообразующее оборудование (камнеобрабатывающие станки); А — емкость для сбора шламов; В — бак для флокулянта; С — седиментационный бак; D — емкость для гомогенизации шлама; Е— пресс-фильтры; F— резервуар для сбора очищенной воды Страница 70 из 79 Лекция №8 по дисциплине: «Технология добычи и обработки природных строительных материалов» Тема: ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕСНЫХ МАТЕРАИЛОВ Вопросы: 8.1 Строение, свойства и применение древесины 8.2 Технология обработки древесины 8.3 Строительные материалы и изделия из древесины 8.4 Мероприятия по защите древесины от воздействия вредных факторов 8.1 СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ Дерево состоит из корней, ствола и кроны. Корни служат для всасывания воды и растворенных в ней питательных веществ. Они же удерживают дерево в вертикальном положении. Ствол проводит питательные вещества от корней к листьям и от листьев к корням. Крона состоит из ветвей и листьев или хвои. В листьях образуются органические вещества (рис. 8.1 и 8.2). Главное промышленное значение имеет ствол, который дает от 50 до 90% древесины. При изучении строения ствола и древесины рассматривают ее макроструктуру — видимое невооруженным глазом или через лупу и микроструктуру — видимое под микроскопом. Рис. 8.1. Главные разрезы ствола дерева: 1 - поперечный (торцовый); 2 радиальный; 3 - тангенциальный Рис. 8.2. Поперечный разрез ствола: 1 - сердцевина, 2 - сердцевинные лучи; 3 - ядро, 4 - пробковый слой; 5 - лубяной слой; 6 - заболонь; 7 камбий; 8 - годичные слои Изучение ведут по трем разрезам ствола: поперечному (торцовому), радиальному, проходящему через ось ствола, и тангенциальному, проходящему по хорде вдоль ствола. Различают следующие основные части ствола: кору, камбий, древесину и сердцевину. Кора состоит из наружного слоя — кожицы, или корки, и внутреннего — луба. Кожица, или корка, предохраняет древесину от внешних воздействий. Луб проводит питательные вещества, вырабатываемые листьями, вниз по стволу. Камбий — тонкий слой клеток, способный к делению и росту. В результате образуются клетки луба и древесины. Страница 71 из 79 Древесина слагается из годичных слоев в виде концентрических колец, видных у большинства пород невооруженным глазом. Она состоит из 40–50% целлюлозы, 20–30% лигнина, 15–30% гемицеллюлозы и 1–3% смол, масел, дубильных веществ. В состав древесины входит 49,5% углерода, 44,08% кислорода, 0,12% азота, 6,3% водорода и 0,2– 1,7% минеральных веществ. Древесина включает заболонь и ядро, отличающиеся по цвету. Заболонь состоит из живых клеток, ядро — из мертвых. У таких пород, как береза, клен, ольха, ядро отсутствует, и их называют забеленными. Сердцевинная трубка расположена в центре ствола. Она имеет небольшую прочность и подвержена загниванию. По радиусам к коре располагаются сердцевинные лучи, которые проводят питательные вещества в горизонтальном направлении. Наблюдая строение древесины под микроскопом, видим, что основной ее объем составляют сосуды. Лиственные породы по характеру строения сосудов подразделяют на кольцесосудистые и рассеяннососудистые. К кольцесосудистым относят дуб, ясень, вяз. У них крупные сосуды расположены в ранней древесине годичных слоев, мелкие сосуды собраны в группы или равномерно распределены в поздней древесине. К рассеяннососудистым относят все остальные лиственные породы. У них сосуды распределены равномерно по всей ширине годичного слоя. Хвойные породы деревьев состоят из замкнутых клеток — трахеидов. Кроме того, они имеют ходы, заполненные смолой. Применение древесины в качестве конструкционного материала обусловлено способностью сопротивляться действию усилий, т.е. механическими свойствами. Различают следующие свойства древесины, проявляющиеся под воздействием механических нагрузок: прочность - способность сопротивляться разрушению, деформативность - способность сопротивляться изменению размеров и формы, технологические и эксплуатационные свойства. Показатели механических свойств древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина анизотропный материал, т.е. материал с различными свойствами в разных направлениях, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направлении). Деформативность. При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, которые после нагрузки исчезают. Износостойкость - способность древесины сопротивляться износу, т.е. постепенному разрушению её поверхностных зон при трении. Испытания на износостойкость древесины показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности торцевого разреза. С повышением плотности и твёрдости древесины износ уменьшился. У влажной древесины износ больше, чем у сухой. Уникальным свойством древесины является способность удерживать крепления: гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. Применение в строительстве. Из древесины изготовляют окна, двери, погонажные изделия (плинтус, планка и т.д.), а также клееные деревянные конструкции и т.д. 8.2 ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ Существует несколько способов обработки древесины. Для выполнения каждого из них необходим определенный набор инструментов и владение определенным набором знаний. Древесина – является органическим, пористым материалом растительного происхождения, которое может быть подвержено биологическому, механическому или Страница 72 из 79 химическому воздействию. Биологическая обработка древесины – это переработка низкокачественной древесины и миллионы тон разнообразных древесных и сельскохозяйственных отходов в важнейший продукт – кормовые белковые дрожжи, а так же вырабатывать этиловый спирт, фурфурол, ксилит. Биологическая обработка древесины призванная обеспечить сельскохозяйственное производство ценными продуктами микробиологического синтеза. Механическая обработка древесины – это обработка при которой изменяются форма и объем древесины без изменения самого вещества. Такая обработка древесины резко отличается от химической, при которой изменяется вещество древесины. Подавляющая часть древесных материалов обрабатывается с нарушением связи между волокнами. Эта обработка древесины основана на свойстве делимости и производится в основном резанием: пилением, строганием, фрезерованием и др. Значительно реже применяется обработка без нарушения связи между волокнами (прессование, гнутье), при которой используются пластические свойства древесины, т. е. способность сохранять приданную ей деформацию после прекращения действия внешних сил. Однако пластичность древесины весьма мала по сравнению с пластичностью таких материалов, как металл, в связи с чем это свойство используется в древесине в меньшей степени. Химическая обработка древесины – это обработка в процессе которой на древесину воздействуют различными химическими соединениями. Химическая обработка древесины объединяет несколько производств: Целлюлозно-бумажное производство – производство бумаги и картона; Гидролизное производство; Пиролиз (сухая перегонка) древесины дает древесный уголь, метиловый спирт, уксусную кислоту, фенольные смолы, различные органические растворители; Канифольно-скипидарное производство позволяет получить канифоль, скипидар. Которые используются в лакокрасочной, парфюмерной и фармацевтической промышленности. В связи с этим в любом деревообрабатывающем, лесопильном или химическом производстве обработка древесины происходит по этапам, в процессе которых, конечному изделию из древесины придают определенные свойства, которые должны отвечать определенным требованиям рынка. Только при выполнении этих требований можно гарантировать устойчивость изделия в процессе его эксплуатации, механическую стойкость, неизменность линейных размеров в среде, где часто возникают изменения влажности и температуры. 8.3 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ Материалы из древесины, сохранившие ее природную физическую структуру и химический состав, называют лесоматериалами или лесными сортаментами. Их подразделяют на необработанные (круглые) и обработанные (пиломатериалы, колотые лесоматериалы, шпон и др.). Круглые лесоматериалы представляют собой очищенные от сучьев отрезки древесных стволов. В зависимости от диаметра верхнего торца круглые лесоматериалы подразделяют на бревна, подтоварник и жерди. Бревна строительные и пиловочные из хвойных и лиственных пород должны иметь диаметр верхнего торца не менее 14 см и длину 4–6,5 м. Они должны быть ошкурены и опилены под прямым углом к продольной оси. По качеству бревна подразделяют на три сорта. Хранят круглые лесоматериалы в штабелях по породам, категориям и длине. Страница 73 из 79 Пиломатериалы изготовляют путем продольной распиловки пиловочных бревен. По форме поперечного сечения различают следующие виды пиломатериалов: пластины, четвертины, горбыль, доски, брусья, бруски (рис. 8.3). Пиломатериалы транспортируют обычно на железнодорожных платформах, хранят в штабелях. Над штабелями, выложенными на открытом воздухе, делают навесы из досок в два ряда. Рис. 8.3. Пиломатериалы: а — пластины; б — четвертины; в — горбыль; г — доска необрезная; д — доска полуобрезная; е — доска обрезная; ж, я — брус чистообрезной. Изделия из древесины. На основе древесины хвойных и лиственных пород изготовляют широкую номенклатуру изделий, из которых основными являются строганые погонажные изделия, изделия для паркетных полов, фанера и др. Длина погонажных изделий из древесины 2,1 м и более (с градацией 100 мм). На рис. 8.4. показаны сечения профильных погонажных изделий. Рис. 8.4. Погонажные изделия: а - шпунтованные доски; б — фальцовые доски; в — плинтус; г — наличник; д — поручни для перил Кровельные материалы из древесины включают кровельные плитки, гонт, кровельную дрань, кровельную стружку. К столярным изделиям относят оконные, балконные и дверные блоки, подоконные доски, столярные перегородки. К клееным дощатым и фанерным конструкциям относят балки, рамы, арки. Клееные дощатые балки получают склеиванием досок. Они бывают прямоугольного, таврового или двутаврового сечения, односкатные и двускатные, длиной от 6 до 16 м. Применяют их в покрытиях производственных зданий. Для склеивания древесины применяют, в основном, фенолоформальдегидные, карбамидные и поливинилацетатные клеи. Страница 74 из 79 8.4 МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ ДРЕВЕСИНЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ Ограничивает срок службы древесины ее способность гнить и гореть. Кроме того, древесину повреждают насекомые. Только на ремонт и замену деревянных конструкций, разрушенных гниением, ежегодно идет более 30% всей расходуемой древесины. Стойкость древесины против гниения зависит от породы, ее строения и подразделяется на четыре класса: I — стойкие: сосна, ясень, ядро дуба и лиственница; II — среднестойкие: ель, пихта, периферийная часть кедра, заболонь лиственницы, центральная зона бука; III — малостойкие: заболонь березы, бука, граба, дуба, клена; IV — нестойкие: ольха, осина, заболонь липы, центральная зона березы. Дереворазрушающие бактерии и грибы могут повреждать древесину. Гниение происходит при благоприятных условиях — влажности древесины 20–60% и температуре воздуха от +2 до +40 оС. При более низкой и высокой влажности и температуре древесина не гниет. Предохраняет древесину от гниения сушка, различные конструктивные приемы, защищающие от увлажнения, антисептирование. Важнейшим мероприятием, предохраняющим древесину от гниения, является сушка. Сушат древесину до транспортной влажности 18–25% или до эксплуатационной — 7– 12%. Защита древесины от гниения. При применении древесины с влажностью более 20% и если нет возможности предохранить от увлажнения конструктивными приемами, ее пропитывают антисептиками (фторид натрия, кремнефторид натрия, кремнефторид аммония, хлорид цинка, масло сланцевое, растворы пентохлорфенола в маслах) — химическими веществами, консервирующими древесину. Антисептики должны быть токсичными к грибам, но безвредными для людей и животных. Глубокая пропитка древесины водными и маслянистыми составами производится в автоклавах. Материал загружают в автоклав, создают разрежение, в результате чего из древесины удаляется воздух. Затем автоклав заполняют антисептиком и создают давление 0,6–1,5 МПа, после чего давление сбрасывают до нормального. Этот способ обеспечивает быструю пропитку древесины. Защита древесины от насекомых. Поражают древесину насекомые-короеды, жукиточильщики, жуки-усачи и их личинки. Они образуют ходы, называемые червоточиной. Короеды прокладывают извилистые борозды под корой дерева на небольшую глубину. Существенного влияния на прочность древесины они не оказывают. Глубокие ходы прокладывают жуки-точильщики. Такую древесину не следует применять для изготовления несущих конструкций. Основные способы борьбы с насекомыми при хранении древесины на складах — соблюдение санитарных норм и своевременное окуривание круглого леса. При обнаружении насекомых на складах и при ремонтных работах древесину обрабатывают инсектицидами — хлорофосом (диметилтрихлороксиэтилфосфонатом техническим), хлороданом, хлорпикрином и др. Защищают древесину, обрабатывая ее путем пропитки, опрыскивания, опыления или окуривания. Защищают древесину от возгорания конструктивными мерами или различными огнезащитными покрытиями или пропитками. К конструктивным мерам относят: удаление деревянных элементов от источника нагревания, возведение несгораемых стен и перегородок через определенное расстояние. В качестве огнезащитных покрытий применяется штукатурка, облицовка малотеплопроводными и несгораемыми материалами, например асбестовыми, Страница 75 из 79 окрашивание огнезащитными красками, нанесение обмазок. Пропитка выполняется антипиренами. Лучшим огнезащитным средством являются антипирены — химические вещества, которые при нагревании выделяют негорючие газы и оттесняют кислород от нагреваемой древесины, препятствуют выделению высококалорийных газов или плавятся с образованием огнезащитных пленок. В качестве антипиренов применяют фосфорно-кислый аммоний — (NH4)3РО4, сернокислый аммоний — (NH4)2SO4, буру — N2В4О710Н2О и др. Их вводят в древесину в виде водных растворов путем пропитки или краскопультом. Страница 76 из 79 Лекция №9 по дисциплине: «Технология добычи и обработки природных строительных материалов» Тема: СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ Вопросы: 9.1 Камыш как теплоизоляционный и кровельный материал; 9.2 Применение соломы, лузги и костры в строительстве 9.1 КАМЫШ КАК ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ И КРОВЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ Имея трубчатое строение стебля, камыш обладает малым весом и плохой теплопроводностью. По теплоизоляционным свойствам стены из камышитовых плит толщиной 10 см, оштукатуренные с обеих сторон, соответствуют кирпичным стенам в два кирпича. Вследствие наличия кремневых отложений в клетках камыша он меньше, нежели дерево, подвержен гниению. Плиты из прессованного камыша не горят открытым пламенем под воздействием огня, а только тлеют. Малый объемный вес камыша позволяет изготовлять из него плиты, фашины и маты, которые используются как стеновой материал, а также для заполнения междуэтажных перекрытий, в качестве потолочных перекрытий и кровельного материала. Производство строительных изделий из камыша несложно и без больших затрат может быть организовано в местах, где имеются заросли камыша. Увеличение толщины стеблей снижает качество камыша, а следовательно, и качество изделий из него. Лучшими по качеству для строительных целей считаются вполне спелые стебли диаметром 0,7—1,5 см. Камыш лучше всего заготавливать поздней осенью и зимой, когда места зарослей камыша (озера, реки, поймы) покрыты льдом. Камышит изготовляют путем прессования стеблей камыша в плиты и скрепления последних проволокой. ГОСТом 7483-58 установлены следующие размеры плит: толщина 30, 50, 70, 100 мм, ширина 550, 950, 1150 и 1500 мм, длина 2400, 2600, 2800 мм. Механизированные прессы для изготовления камышитовых плит дают высокую производительность, доходящую до 500 м2 плит в смену. Камышитовые панели и плиты с железобетонной обвязкой. При строительстве каркасных домов с применением камышитовых плит расход лесоматериала на устройство каркаса составляет 0,26—0,38 м3 на 1 м2 жилой площади. В целях экономии лесоматериала практикуют строительство одноэтажных жилых домов из камышитовых плит с железобетонной обвязкой. Изготовление таких плит и панелей несложно. В собранную на бетонной площадке форму укладывают камышитовую плиту, предварительно вырезав в ней с обеих сторон четверти для обвязки. При изготовлении панелей с проемами в форму закладывают также оконную или дверную коробку. В промежутке между камышитовой плитой и бортовыми щитами формы по периметру панели Страница 77 из 79 устанавливают арматурный каркас. Каркас состоит из двух железных стержней (6 мм), соединенных поперечными хомутами. Соединительные хомуты устанавливают через 25—30 см и закрепляют электросваркой. После установки каркаса места обвязки заполняют бетоном марки 200. Обвязанная плита освобождается от формы после того, как бетон наберет достаточную прочность. Камышито-гипсовые плиты. Плиты обладают хорошей прочностью (выдерживают нагрузку посредине плиты 225—230 кг), обладают малым весом и плохой теплопроводностью, хорошо обрабатываются, пилятся и гвоздятся. Конструкции из таких плит обладают хорошими звукоизоляционными свойствами. Потолки и перегородки из плит не требуют штукатурки. Материалами для изготовления камышито-гипсовых плит служат камыш, гипс и древесные опилки. На 1 м2 плиты нужно камыша 4,5 кг, гипса 4,5 кг, опилок 10,0 кг, воды 30 л. Технология изготовления плит весьма проста. Воду, гипс и опилки загружают в растворомешалку и тщательно перемешивают в течение 2—3 минут. Получившуюся массу быстро заливают в форму на часть ее высоты и хорошо разравнивают. Сверху на этот слой укладывают в шахматном порядке заранее нарезанные по размеру стебли камыша и форму заливают раствором на всю ее высоту. Пластичность массы должна быть такой, чтобы раствор плотно охватывал камыш. Отформованные плиты через 15—25 минут освобождают от формы и устанавливают для окончательной сушки. В летнее время камышито-гипсовые плиты можно изготовлять во дворе под навесом. Зимой плиты для твердения помещают в сушилку на 5—7 дней. В сушилке должна поддерживаться температура 30—35°. Применение камышитовых плит в жилищном строительстве значительно снижает стоимость построек. Аналогичное положение имеет место и при применении камышитовых плит в других конструкциях зданий. 9.2 ПРИМЕНЕНИЕ СОЛОМЫ, ЛУЗГИ И КОСТРЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Основным видом сырья для изготовления древесно-стружечных плит и многих других строительных материалов служит неделовая древесина, к которой относятся отходы лесопиления и деревообработки, а также отходы лубяных растений — солома, тростник, костра, лузга. Соломенные маты. Соломенные маты вяжут обычно вручную. Отобранные горсти ровной ржаной или пшеничной соломы перевязывают шпагатом для получения ровной ленты нужной длины. В последнее время для вязки соломенных матов стали применять станки различных конструкций. По принципу работы все они в основном одинаковы и копируют принципиальную схему станков для производства камышитовых плит. Применяют соломенные маты как теплоизоляционный материал. Арболит на основе фосфогипса и костры льна можно эффективно использовать при изготовлении стеновых изделий гражданских, промышленных и сельскохозяйственных зданий, перегородок и других конструкционнотеплоизоляционных материалов, устройстве подготовок под полы и др. Страница 78 из 79 Технология получения ортенкса включает смешивание органического заполнителя со связующим, которое вводят распылением, с последующей укладкой проклеенной массы в форму и прессованием при просасывании через изделие горячего воздуха. Весь процесс формования и тепловой обработки изделий продолжается 20—25 мин. Плотность плит из ортенкса составляет 175— 300 кг/м3, прочность при изгибе — 0,5 МПа, теплопроводность — 0,21—0,24 Вт/(м • °С). Риплит — теплоизоляционный материал на основе рисовой соломы и вспененного полимерного связующего. Он не горит, не подвергается воздействию плесени и микроорганизмов. Риплит получают четырех марок по плотности: 75, 100,150 и 200 с пределом прочности при сжатии 0,05—0,18 МПа, при изгибе 0,08—0,6 МПа, водопоглощением за 24 ч 13—20% (по объему) и теплопроводностью 0,14—0,19 Вт/(м • °С). Так же, как и пенопласты, риплит применяют в качестве заливочной массы для 3-слойных панелей. Плитный риплит можно применять как утеплитель под рулонную кровлю. Для изготовления риплита требуется в 1,5—2 раза меньше полимерного связующего, чем для получения пенопласта. Лузга в строительстве используется при изготовлении декоративных теплозвукоизоляционных плит, а также в качестве выгорающей добавки в керамической промышленности. Страница 79 из 79
