TECHNKI URABIANIA STOSOWANE W GÓRNICTWIE

Urabianiem skał nazywa się oddzielanie cząstek skały od calizny w taki sposób, aby otrzymać urobek o wymaganym uziarnieniu, a wyrobisko posiadało projektowany prze­krój poprzeczny. Energetyczny aspekt procesu urabiania polega na transformacji energii o określonym rodzaju i postaci na energie wewnętrzną skały powodującą jej destrukcję przez pokonanie spójności i uzyskanie urobku [2].

Skały urabia się głównie sposobem mechanicznym, rzadziej fizycznym czy chemicznym lub kombinacją tych sposobów [1].

Mechaniczne urabianie polega na odspajaniu kawałków skały od calizny i rozdrobnieniu ich bez zmiany stanu skupienia. Me­chaniczne urabianie skały jest wykonywane za pomocą:

— narzędzi ręcznych lub elementów urabiających maszyn górniczych;

— strumienia wody o dużym ciśnieniu;

— ciśnienia gazów wywiązujących się w otworach strzałowych w wyniku wybuchu materiału wybuchowego lub wypływa­jącego z umieszczanych w otworze nabojnic;

— wytwarzanie w skale termicznych naprężeń; dawniej skałę nagrzaną ogniem zlewano wodą powodując jej spękanie; obecnie robione są próby nagrzewania skał polem elektro­magnetycznym wielkiej częstotliwości, co powoduje ich pękanie lub obniżenie ich spójności.

Fizyczne sposoby urabiania polegają na zmianie stanu skupie­nia skały ze stałego w ciekły lub gazowy (bez powodowania zmian chemicznych) za pomocą wyługowania, wytopienia, destylacji lub tp. (np. ługowanie soli kuchennej, wytapianie siarki metodą Frasha itp.).

Chemiczne sposoby urabiania polegają na zmianie stanu sku­pienia skały ze stałego w ciekły lub gazowy z równoczesnym przebiegiem reakcji chemicznych, jak np. za pomocą gazyfikacji skały, skraplania itp. (np. podziemne zgazowanie węgla).

Najczęściej stosuje się następujące spo­soby urabiania [3]:

• odspajanie przy użyciu materiału wybuchowego (MW) z zastosowaniem odpowiedniej
  techniki strzelniczej,

• odspajanie mechaniczne z wykorzystaniem specjalnych maszyn urabiająco-ładujących,

• ługowanie złóż solnych wodą i wydobywaniu ich roztworów na powierzchnię w postaci
  solanki,

• hydrodynamiczne za pomocą strumieni wodnych,

• termiczne polegające na wytapianiu złoża płynami o wysokiej temperaturze,

• chemiczne polegające na traktowaniu złoża chemikaliami a następnie strąceniu z otrzy­manych roztworów użytecznych związków lub pierwiastków chemicznych.

Zasadniczy wpływ na wybór sposobu urabiania mają mechaniczne i chemiczne właściwości skał, szczelinowatość, liczba i wielkość powierzchni odsłonięcia złoża, grubość złoża i inne.

Urabialność, to znaczy podatność skał na urabianie, określa się różnymi metodami. Jednym z popularnie używanych wskaźników urabialności jest wskaźnik zwięzłości skał f ozna­czany według Protodiakonowa juniora. Wskaźnik zwięzłości f wyznaczyć można w przyrządzie Syskowa poprzez pomiar objętości podziarna (<0,5 mm) rozkruszonych próbek skalnych.

Na próbki skalne o uziarnieniu około 10 mm i masie 40 do 80 g opuszcza się bijak o masie 2,4 kg z wysokości 60 cm (3 lub 5 razy). Pięć tak rozkruszonych porcji przesiewa się przez sito z otworami 0,5 mm. Wskaźnik f wyznacza się ze wzoru:

gdzie:

ho — wysokość przesiewu odczytana w objętomierzu o średnicy 23 mm,

n_u — ilość uderzeń (3 lub 5).

Klasyfikację skał według Protodiakonowa (juniora) podano w tabeli 1.

Tabela 1.

Klasyfikacja zwięzłości skał [4]

Kategoria zwięzłości	Zwięzłość skał	Przeciętna wartość f	Rodzaje skał
I	Bardzo silnie zwięzłe	20	Najmocniejsze kwarcyty i bazalty oraz wyjątkowo inne rodzaje skał
II	Silnie zwięzłe	15	Najmocniejsze skały granitowe, porfiry kwarcytowe, łupki krzemionkowe oraz najmocniejsze piaskowce i wapienie
III	Zwięzłe	10	Skały granitowe, mocne piaskowce i wapienie, mocne konglomeraty (zlepieńce), rudy żelaza, marmury, dolomity
IV	Umiarkowanie zwięzłe	6	Przeciętne piaskowce, rudy żelaza, łupki piaszczyste, mułowce
V	Średniej zwięzłości	4	Mocne łupki ilaste i iłowce, słabe piaskowce i wapienie, margle i miękkie zlepieńce
VI	Umiarkowanie miękkie	2	Słabe łupki, bardzo słabe wapienie, kreda, halit, gips, antracyt, margle, mocny węgiel kamienny
VII	Miękkie	1	Słaby węgiel kamienny, słaby łupek ilasty, gliny piaszczyste, lessy
VIII	Ziemiste	0,6	Torfy, lekkie gliny, grunty roślinne (humusowe), zbite piaski
IX	Sypkie	0,5	Piaski, nasypy, drobne żwiry, rozdrobniony węgiel
X	Płynne	0,3	Kurzawka, grunty błotniste, rozluźnione lessy

Mając na uwadze podaną klasyfikację można ogólnie stwierdzić, że mechaniczne urabianie skał jest możliwe w kategoriach zwięzłości od V do X. W niższych kategoriach zwięzłości stosuje się w zasadzie urabiania za pomocą MW.

1. Urabianie skał za pomocą prostych narzędzi urabiających

Najprostszymi narzędziami stosowanymi do urabiania zalicza się kilofy górnicze oraz łopaty [1].

Rys. 1. Kilofy górnicze a - jednostronne, b - dwustronne (oskard), c - z wymiennym ostrzem	Rys. 2. Łopaty górnicze a - do węgla (sercówka), b - do kamienia, c - do piasku

Do czasu zastosowania w górnictwie materiałów wybuchowych urabiano twarde skały za pomocą żelazka, w postaci osadzonego na trzonie, stalowego, zaostrzonego młotka (rys. 3a) i perlika, czyli zakrzywionego łukowato młotka stalowego o ciężarze 2 ÷ 2,5 kG (rys. 3b) [5]. Urabianie żelazkiem polegało na tym, że ostrze żelazka przystawia się do przodka, a przeciwny jego koniec pobija się perlikiem, wskutek czego następuje odłupywanie się kawałków skały. Skrzyżowane żelazko i perlik stanowią godło górnicze (rys. 4).

Rys. 3. Narzędzia do urabiania skał twardych a - żelazko, b - perlik	Rys. 4. Godło górnictwa

Do urabiania skał twardych używano dawniej również stalowych klinów zakończonych ostro lub płasko (rys. 5) lub łomami czyli drągami stalowymi o długościach 1,8 m; 2,5 m i 3,0 m i o ciężarach 3,8 ; 5,25 i 6,30 kG (rys. 6)[5].

Rys. 5. Kliny do urabiania skał twardych a - spiczasty, b - płaski	Rys. 6. Znormalizowany łom stalowy

Prostym narzędziem do urabiania są młotki pneumatyczne napędzane sprężonym powietrzem.

2. Urabianie za pomocą materiałów wybuchowych

Materiałem wybuchowym nazywa się związki chemiczne lub ich mieszaniny, które pod wpływem bodźca zewnętrznego jak uderzenie, płomień, tarcie, detonacja — zdolne są do gwałtownej reakcji chemicznej, przebiegającej z wydzielaniem dużej ilości ciepła i gazów o wysokiej prężności [3].

Zgodnie z ustawą z dnia 21.06.2002 r. [7] pod pojęciem materiałów wybuchowych należy rozumieć substancje chemiczne stałe lub ciekłe albo mieszaniny substancji zdolne do reakcji chemicznej z wytwarzaniem gazu o takiej temperaturze i ciśnieniu i z taką szybkością, że mogą powodować zniszczenia w otaczającym środowisku, a także wyroby wypełnione materiałem wybuchowym.

Ilekroć w rozporządzeniu [7] jest mowa o:

1) "przedmiotach wypełnionych materiałem wybuchowym" - należy przez to rozumieć środki inicjujące oraz środki zapalające;

2) "środkach inicjujących" - należy przez to rozumieć spłonki, zapalniki, lonty detonujące, opóźniacze detonujące oraz inne środki służące do zainicjowania materiału wybuchowego;

3) "środkach zapalających" - należy przez to rozumieć lonty prochowe, zapalacze lontowe, zapalniki elektryczne nieostre i inne środki służące pośrednio do zainicjowania materiału wybuchowego;

4) "sprzęcie strzałowym" - należy przez to rozumieć przyrządy, przybory oraz urządzenia służące do bezpiecznego: przewożenia, przenoszenia i przechowywania środków strzałowych, sporządzania, wprowadzania materiałów wybuchowych, wprowadzania ładunków materiału wybuchowego, konstruowania i sprawdzania obwodów strzałowych, a także urządzenia służące do odpalania ładunków materiałów wybuchowych;

5) "ładunku materiału wybuchowego" - należy przez to rozumieć materiał wybuchowy uzbrojony środkiem inicjującym lub zapalającym;

6. "rzeczoznawcy" - należy przez to rozumieć rzeczoznawcę do spraw ruchu zakładu górniczego;

7. "osobie dozoru ruchu górniczego" - należy przez to rozumieć osobę dozoru ruchu o specjalnościach górniczych: techniczna eksploatacja złóż lub technika strzałowa;

8. "ustawie o materiałach wybuchowych" - należy przez to rozumieć ustawę z dnia 21 czerwca 2002 r. o materiałach wybuchowych przeznaczonych do użytku cywilnego (Dz. U. Nr 117, poz. 1007 i Nr 238, poz. 2019).

Wybuchem nazywamy chemiczny rozkład substancji z towarzyszeniem bardzo szybkiego przejścia jej energii chemicznej w energię mechaniczną i ruchu substancji wyjściowej lub jej produktów oraz otaczającego środowiska.

Deflagracja jest to spalanie się materiału wybuchowego z prędkością kilku m/s - wywołuje lekki syk.

Spłon materiału wybuchowego - szybkość rozkładu w granicach kilkudziesięciu m/s - szybkie spalanie bez możliwości wykonania znaczniejszej pracy.

Wybuch materiału wybuchowego - od 400 do 1000 m/s - powolne wytwarzanie gazów oraz stopniowe narastanie ciśnienia - praca odepchnięcia (miotanie).

Cecha charakterystyczna wybuchu - gazy powstające jako produkt reakcji rozprężają się w kierunku przeciwnym do biegu fali wybuchu.

Wybuch detonacyjny krótkotrwały ale o nadzwyczaj silnym ciśnieniu rozprężających się gazów - uderzenie, rozbicie i rozkruszenie przeszkody.

Wybuch detonacyjny jest procesem związanym z przejściem przez materiał wybuchowy tzw. fali detonacyjnej, powstaje układ złożony z fazy gazowej i fazy stałej - układ zdolny do reakcji wtórnych - reakcje wtórne potrzebują temperatury i ciśnienia - jeżeli gazy mają warunki do rozprężania - następuje ich ochłodzenie i reakcje wtórne ulegają zatrzymaniu

faza gazowa powstająca po przejściu detonacji ma kierunek zgodny z kierunkiem fali detonacyjnej, a prędkość mniejszą o 4/5.

Środki strzałowe:

- materiały wybuchowe - substancje chemiczne stałe lub ciekłe albo mieszaniny substancji, zdolne do reakcji chemicznej z wytwarzaniem gazu o takiej temperaturze i ciśnieniu i z taką szybkością, że mogą powodować zniszczenia w otaczającym środowisku a także wyroby wypełnione materiałem wybuchowym,

- środki inicjujące - bardzo wrażliwe na bodźce mechaniczne, termiczne i inne

,

- środki zapalające,

- ładunki specjalnego przeznaczenia.

Do chemicznych związków wybuchowych należą między innymi:

• nitrozwiązki; trotyl, kwas pikrynowy,

• nitroaminy; heksogen, tetryl,

• estry kwasu azotowego; nitrogliceryna, nitroceluloza,

• sole kwasu azotowego; saletra potasowa i amonowa,

• pochodne kwasu chlorowego i nadchlorowego.

Górnicze materiały wybuchowe muszą spełniać odpowiednie wymagania w zakresie:

• wrażliwości w sensie pewności detonacji i bezpieczeństwa przy normalnym
  posługiwaniu się,

• stałości w czasie składowania,

• dostatecznej zdolności do urabiania skał,

• zdatności do pełnego opanowania technicznego.

Mieszaniny wybuchowe zawierają w swym składzie związki chemiczne wybuchowe oraz składniki palne (węgiel, mączka drzewna), sole chłodzące (sól kuchenna, salmiak), zmiękczacze (stearynian wapnia, olej, pył aluminiowy) i inne. Obecnie produkowane MW charakteryzują się ciepłem reakcji od 2100 kJ/kg do 5650 kJ/kg, temperaturą wybuchu od 1400°C do 3600°C i pręd­kością detonacji od 1500 m/s do 6000 m/s. W kopalniach podziemnych stosuje się materiały wybuchowe w postaci cylindrycznych naboi (patronów) w opakowaniu papierowym lub folii z tworzywa sztucznego (rys. ), materiały wybuchowe luzem. Materiały w postaci naboi produ­kowane są przez fabryki i dostarczane są do kopalnianych składów MW a materiały sypkie i emulsyjne sporządza się z odpowiednich komponentów w fabrykach lub w kopalni. Z fabryk dostarcza się je w workach, kartonach lub kontenerach.

Strefy działania ładunku na środowisko

3. Urabianie mechaniczne

4. Techniki urabiania stosowane w górnictwie. Urządzenia mechaniczne: koparki, kombajny, strugi, ługowanie, wytapianie i metody niekonwencjonalne. 2 godz.

5. Pojęcie wybuchu. Materiał wybuchowy w górnictwie. Urabianie przy zastosowaniu techniki strzelniczej. 2 godz.

6. Konstrukcja otworu strzałowego. Metryka strzałowa. 1 godz.

Literatura

1. Nowak K., Kostrz J.: Górnictwo. Część I. Wyd. „Śląsk”, Katowice 1989

2. Klich A. I inni: Maszyny i urządzenia dla inżynierów budownictwa podziemnego. Katowice 1999

3. Piechota S.: Technika eksploatacji złóż, część I. Podstawowe zasady i technologie wybierania kopalin stałych. Wydawnictwo PAN IGSMiE. Kraków 2003

4. Kidybiński A.: Podstawy geotechniki kopalnianej. Katowice 1998

5. Jackiewicz A.: Górnictwo, część I. Wyd. Górniczo-Hutnicze, Katowice 1959

6. Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 1 kwietnia 2003 r. (Dz. U. z 29.04.2003) w sprawie przechowywania i użytkowania środków strzałowych i sprzętu strzałowego w zakładach górniczych

7. Ustawa z dnia 21 czerwca 2002 r. o materiałach wybuchowych przeznaczonych do użytku cywilnego (Dz.U. z 2002 r. Nr 117, poz. 1007, Nr 238, poz. 2019, z 2004 r . Nr 222, poz. 2249, z 2006 r. Nr 104, poz. 708 i 711, z 2007 r. Nr 176, poz. 1238)

8. Onderka Z.: Technika strzelnicza w górnictwie odkrywkowym Skrypt AGH. Kraków 1994

9. Praca zbiorowa pod red. Batko P. Technika strzelnicza. T. 1, Górnicze środki strzałowe i sprzęt strzałowy. Wykaz dopuszczeń, zakresy stosowania, charakterystyki. Wyd. AGH, Kraków 1998

1

---