NME Közleményei, Miskolc, I. Sorozjt, Bányászat, 34(1986) kötet, 1-4. füzet, 65-74.
VÁGATHAJTÖGÉPEK KIVÁLASZTÁSA A KŐZETBEN MÉRT HANGTERJEDÉSI SEBESSÉG ALAPJÁN FÖLDESI JÁNOS összefoglalás A bányagépeket tervező intézetek a kőzetek gépi jöveszthetőségénél a nyomószilárdság értékét tekintik alapadatnak. A Bakonyi Bauxitbányáknál elvégzett vágathajtási munkáknál a kőzetjellemzők laboratóriumi és helyszíni mérései alapján egyérteművé vált, hogy csupán a kőzetek nyomószilárdságá • val nem jellemezhetjük azok gépi jöveszthetőségét. A bányabeli mérésekkel meghatározott hangterjedési sebesség összefüggésbe hozható a vágathajtá si sebességekkel. A hangterjedési sebesség egyúttal jellemzi a kőzet repedezettségét is, amely jellemző a jövesztőséggel is szoros összefüggésben van. 1. Bevezetés Az ipari társadalmakban a bányászattal szemben támasztott mennyiségi követelmé nyek kielégítése céljából egyre növekednek az olyan törekvések, hogy a szakaszos techno lógiákat folyamatosak váltsák fel. Vágatok hajtásánál is a nagyobb szilárdságú kőzetekben a robbantástechnológiák kiküszöbölését próbálják megvalósítani. Annak eldöntésére viszont, hogy milyen körülmények között gazdaságos a vágathajtás gépesítése, nem alakul ki egysé-
DR. FÖLDESI JÁNOS oki. bányamérnök, egyetemi docens, a műszaki tudomány kandidátusa Nehézipari Műszaki Egyetem Bányaműveléstani Tanszék
A kézirat beérkezett: 1985. 12. 09.
ges álláspont. Különösen nehéz ez olyan bányák esetében, ahol a kőzetek jellemzői a vá gathajtás során rendszertelenül és sokszor változnak. A bányagépeket tervező intézetek a kőzetek nyomószilárdságát tekintik alapadatnak annak eldöntésére, hogy adott körülmények között milyen módon alkalmazható a vágat hajtó gép. A nyomószilárdság alapján történő gépkiválasztásnál az a probléma, hogy a kő zetek nyomószilárdságát laboratóriumi mintákon határozzák meg, a kőzeteket pedig in si tu kell jöveszteni. Bizonyos típusú vágathajtó berendezésnél a kőzetforgács mérete a labora tóriumi mintatest méreténél is kisebb, repedésmentes kőzetdarab. A homogén, repedésmen tes kőzet igen nagy ellenállást fejthet ki a jövesztőgépekkel szemben akkor is, ha a nyomó szilárdsága nem nagy. Közismert az a tény, hogy a kőzetmegbontást erősen befolyásolja a jövesztendő anyag repedezettsége. A repedezettség számos kőzetjellemzővel összefüggésbe hozható. A külfejtési kőzetszaggató berendezések telepíthetőségénél a kőzetekben terjedő hangse besség függvényében adják meg kőzettípusonként a gazdaságos jövesztés határait [1] (7. ábra). A tológépes kőzetszaggatás analógiájára a Bakonyi Bauxitbányák iharkúti külfejté sében egy alagúthajtás során lehetőségünk volt arra, hogy különböző jövesztőgépek telje sítményét meghatározzuk a kőzetben terjedő hangsebesség függvényében. A kísérletek idején a laboratóriumi kőzet-mechanikai jellemzőket is meghatároztuk. Az iharkúti kül fejtésben kialakított alagútban három vágathajtó berendezéssel végeztek kísérletet. A Thys sen Paurat cég Roboter 134, a Voest Alpine cég AM-75 és a Dosco cég MK—3 jelű gépe a 2. ábrán vázolt helyeken különböző struktúrájú dolomitot jövesztett. Mielőtt az eredmények ismertetésére rátérnénk, szólnunk kell arról, hogy miért tu lajdonítunk ilyen nagy szerepet a kőzetben terjedő hang sebességének. 2. A kőzetben terjedő hang sebességének szerepe a kőzetek megbontásában A jövesztőszerszámok felütésekor a kőzetben hangsebességgel terjedő nyomáshullám halad végig. A nyomáshullám áthaladása közben a részecskék v sebességgel kitérnek erede ti helyzetükből és a kőzet akusztikus impedanciájával (p' Cj) arányos feszültség keletkezik: 0 = pCjV,
ahol:
(1)
p - a kőzet sűrűsége; Ci — a kőzetben terjedő hang sebessége.
A törés akkor jön létre, ha a értéke meghaladja a kőzet szilárdságát (omeg). Az (1) kife jezésben p és Ci a kőzetre jellemző érték, amely szerint v megfelelő értékénél következik be a a > am . Azt a részecskesebességet, amelynél a kőzet törése bekövetkezik, kritikus se bességnek nevezzük. Ez a kritikus sebesség a vkr= 1 0 - 4 ci
66
(2)
ON
-4
1. ábra: A talajszaggató berendezés teljesítménye különféle anyagok szeizmikus hullámsebessége alapján.
oo
Z ábra: Kőzetjellemzők változása az iharkúti áttörésnél.
kifejezéssel határozható meg. A kritikus sebesség értékét (1) kifejezésbe helyettesítve a = 10" * pc).
(3)
A törés feltétele tehát 10-4PC/2>ameg.
(4)
Ez alátámasztja a hangsebesség fontosságát a kőzetjövesztésben. A megfelelő jövesztési technológia megválasztásához tehát ismerni kell azt is, hogy mekkora a kőzetekben a hang terjedési sebessége. 3. Kőzetjellemzők értékei a Bakonyi Bauxitbányák iharkűti külfejtésében A kőzettömegből kivett mintatesteken meghatározott paraméterek általában eltér nek az in situ mérhető értékeitől. Az eltérés függ a minta méreteitől, a terhelés módjától és sebességétől. Ezeket a körülményeket a következőképp foglalhatjuk össze: (a)
A minta mérete 1,5 m oldalhosszig befolyásolja a szilárdsági értékeket. A 0,1 tri es méretű mintán kb. kétszer akkora szilárdságot határoznak meg, mint 1,5 mnél nagyobb kiterjedésű kőzettömbön. Ennek a megfigyelésnek a gyakorlati értéke a gépi jövesztésnél: a kőzet szilárdságát az olyan méretű mintán meg határozott szilárdsággal kell azonosnak venni, mint két egymást követő kés felütése között mért távolság.
(b)
A kőzetek szilárdsága annál nagyobb, minél gyorsabb a terhelés változása. A robbantásos kőzetmegbontásnál ez az érték csaknem kétszeres, a gépi jövesz tésnél 1 , 2 . . . 1, 3-szoros.
(c)
A minták vételének módja, nedvességtartalma, a vizsgálóberendezés működé se befolyással van a mért értékekre.
(d)
Az impulzusszerű terheléssel előidézett kőzetmegbontásnál (robbantás, kő zetszaggatás, forgácsolás stb.) kitüntetett szerepe van az akusztikai tulajdon ságoknak. Ennek oka: ha a rugalmas hullámok egy kritikus értéknél nagyobb sebességre gyorsítják fel a kőzetrészecskéket, akkor a kőzetben törés áll elő. Ez a kritikus sebesség lineáris függvénye a hang terjedési sebességének. (A hangterjedési sebesség meghatározása csak akkor lehet elég pontos, ha a min ta hossza legalább 5-szöröse a hullámhossznak.)
A kőzetek megbontásakor - leszámítva a robbanóanyag körüli hidrosztatikus zónát — néhány ezrelék nagyságrendű deformáció elegendő a törés megindításához. A kések be csapódási helyei közötti távolságoknál ezek az értékek a mm tört részei. Ez az alapvető 69
oka annak, hogy a felület benyomódásának mértékével jellemezhető keménység-vizsgála tokat tekintették kezdetben a gépi jövesztés egyik alapvető mérőszámának. Ezt a feltétele zést azonban a kísérletek nem igazolták. A keménységvizsgálatok mérőszámaiból ugyanis nem következtethetünk a keletkező repedések méreteire. A keménységmérés gyakorlati haszna csak a vágószerszámok alakjának kiképzésében mutatkozik meg. A vágószerszám kőzetbe hatolásának mikéntjét a gép konstrukciója, működési elve határozza meg, a repe dések kifejlődését pedig alapvetően a kőzetben terjedő hangsebesség. Természetesen ezek a megállapítások tovább finomíthatok. Az eddigiekben megállapítottuk, hogy a repedezett bányakőzetekből vett kismintán végzett laboratóriumi vizsgálatok eredményei és a gépi jövesztés teljesítménye között köz vetlen kapcsolatot nem találunk. A kőzet sűrűségváltozása és a gépi jöveszthetőség közötti kapcsolatot sem találtuk elég meggyőzőnek az újabb értékelések során. Ismert kőzetjellemző a nyomó- és húzószilárdság hányadosa, az ún. Brinke-féle szám, melynek értéke kb. 10. Ha ennek a számnak a reciprokat képezzük, akkor felvilágosítást kaphatunk arra vonatkozóan, hogy mennyire repedezett a kőzet. A kőzetben levő hajszálrepedések gyakorlatilag érzéketlenek az összenyomásra, de a húzóigénybevételre nem. Az alagút 6 és 65 m-e között, ahol a kőzet erősen repedezett volt a aT\oc hányados értéke kicsi. Azon a szakaszon, ahol az ALPINE vágathajtó gép dol gozott és a robbantással jövesztett szakaszon a húzó- és nyomószilárdság aránya kb. 2,8szor nagyobb mint azon a szakaszon, ahol a PAURAT gép üzemelt (2 ábra). A PAURAT gép nagy teljesítményét elsősorban annak tulajdoníthatjuk, hogy ezen a szakaszon az átla gosnál repedezettebb volt a kőzet. Az alagút 160 és 200 m-e között oT\oc = 0,15 kisebb mint a robbantott szakaszon, ahol: oTjac = 0,25, de nagyobb mint 6 . . . 69 m között, ahol aT\oc = 0,09. A fenti adatokból következik, hogy ott, ahol a DOSCO gép dolgozott, a kőzet még mindig igen szívósnak mutatkozott a megbontással szemben (2 ábra). A 2. ábrán laboratóriumi és üzemi mérések legvalószínűbb eredményeit is ábrázol tuk. A nyomó szilárdság, húzószilárdság, kohézió és nedves kőzetsűrűség értékeket labora tóriumban határoztuk meg. A hang terjedési sebességét üzemi mérésekből számítottuk. A laboratóriumi kőzetjellemzők meghatározásánál azt tapasztaltuk, hogy a mért ér tékek igen nagy métékben szórnak. Ez a szórás különösen a nyomószilárdságok értékeinél adott sokszor elfogadhatatlannak tűnő adatsort. A gépi jövesztési kísérleteknél tapasztalt kőzetmegbontási nehézségekre ül. változásokra mégis csak ezen kőzetjellemzők alapján adhatunk objektív választ. A laboratóriumi és üzemi mérések legvalószínűbb értékeként az átlagértékeket fogadtuk el. A 2 ábra szerint változó kőzetjellemzők alapján az iharkúti alagút kőzeteiről az alábbiak állapíthatók meg: - oc nyomószüárdság átlagértéke nem ad megfelelő információt arra vonatkozóan, hogy a kőzet hogyan jöveszthető. (6 és 65 m között oc átlagértéke nagyobb mint 86 és 200 m között, vagy 160 és 200 m között, mégis a PAURAT gép vágathajtási sebessége meg haladta a DOSCO gép vágathajtási sebességét.) 70
— ox átlagértékének az alagút hosszszelvénye szerinti változása jól reprezentálja, hogy a kőzet a vágat mely szakaszain jöveszthető könnyen illetve nehezen. (6 . . . 60 m) között a kőzet átlagos húzószilárdsága: ~ 7 MPa; 60 .. . 160 m között ~ 15 MPa; 160 . . . 200 m között ~ 9 MPa.) Ismert, hogy a kőzetek a húzőgiénybevétel hatására mennek könynyebben tönkre. Ezt az elvégzett gépkisérletek is igazolják, hiszen azon a vágatszakaszon, ahol a PAURAT gép dolgozott, kb. 30 %-kal volt kisebb a kőzet húzószilárdsága mint ott, ahol a DOSCO cég gépe végezte a kőzet jövesztését. Azon a szakaszon, ahol az ALPINE gép üzemelt, aT értéke ~ 14 MPa volt. — pn a bányanedves állapotban mért kőzetsűrűség kevésbé karakterisztikus, de mégis fon tos jellemző arra vonatkozóan, hogy a kőzet milyen módon jöveszthető. — a kohézió alkalmasnak látszik annak megítélésére, hogy a kőzet miként bontható meg. Sajnos a mintavétel különbözőségéből és a mintatest méreteiből adódóan is igen eltérő adatokat is kaphatunk. Dyen kiemelkedően nagy értékkel találkoztunk az 50 . . . 53 m között vett mintatesteknél. Ezt a nagy értéket nem indokolja a többi kőzetjellemző. — a kőzetben terjedő hangsebesség értéke a kőzetmegbontás hatékonyságát jelentősen befolyásoló anyagjellemző. Az áttörés mentén a laboratóriumi kőzetjellemzők közül a ej változása oT, C és oTjoc jellegét követi. (6 . . . 65 méter között; cx« 1500 m/s; 65 . . . 86 m között; cx« 4180 m/s; 86 . . . 160 m között cx» 3520 m/s; 160 . . . 200 m kö zött; cx» 2900 m/s. A gépi jövesztési kísérleteknél elért vágathajtási sebességek arányo sak voltak a cx értékével. Az áttörés mentén a cx átlaga 2880 m/s-ra adódott. Amerikai kőzetszaggatási kísérleteknél megállapították, hogy a dolomit könnyen jöveszthető gé pi úton, ha cx < 1900 m/s; géppel nehezen jöveszthető a kőzet, ha 1900 < cx < 2700 m/s és gazdaságtalan a kőzetjövesztés géppel, ha cx > 2700 m/s. (A 2. ábrán látható, hogy az adott vágatszakaszon cx = 1900 m/s 63 m-nél van; cx = 2700 m/s 64 m-nél ta lálható; az alagút 64 . . . 200 m-e között; cx« 2700 m/s.) — A kőzetben mért hangterjedési sebesség alapján viszonylag egyszerűbben objektív vá laszt kaphatunk arra, hogy a kőzetek megbontása milyen lesz a különböző jövesztési módoknál. Ennek a kőzetjellemzőnek nagy előnye a többivel szemben, hogy magáról a kőzetmasszivum egészéről ad információt és nemcsak annak egy kis részéről, amely részek tulajdonsága igen eltérő is lehet. A laboratóriumi mérések számának igen nagy nak kell lenni ahhoz, hogy egész kőzetösszletre jellemző elfogadható átlagértéket kapjunk annak megítéléséhez, hogy egy kőzet hogyan jöveszthető vagy biztosítható. 4. Befejezés A Bakonyi Bauxitbányáknál vágathajtási kísérleteket „normál" és „igen kemény"nek minősített dolomitban végeztek [3]. A 3. ábrán látható, hogy abban az esetben, ha cx < 1900 m/s a vágathajtási sebesség, sokkal nagyobb mint akkor, ha a cx > 1900 m/s. A vágathajtási sebességek különbségének abszolút értékét az ábráról szintén leolvas hatjuk. Ezeket a vágathajtási sebességkülönbségeket a 2. ábrán vázolt nyomószilárdság-érté kek nem indokolják. 71
PAURAT ROBOTER
134
3. ábra: A gépi vágathajtás sebessége a vágathajtó gépeknél különböző hangterjedési sebességek mellett.
Az eltérő vágathajtási sebességek sokkal inkább jellemezhetők a húzószilárdsággal, a kohézióval és a kőzetben terjedő hang sebességével, mint a nyomószilárdsággal. A felsorolt jellemzők közül a at, C és oc laboratóriumi körülmények között meg határozott állandók, a cl pedig bányabeli körülmények között szeizmikus úton meghatá rozható jellemző. A c, értékét a már kihajtott vágatokban vagy mélyfúrásokban is meg lehet határoz ni és az értékek alapján el lehet dönteni, hogy érdemes-e az igen drága, többnyire csak tő kés relációból beszerezhető vágathajtó berendezést az adott kőzetkörülmények között üzembe állítani. Vágathajtógépek kiválasztásánál a kőzetek nyomószilárdsága nem lehet egyedül dön tő paraméter a jövesztés eredményességét illetően. 72
IRODALOM 1. ATECO Ripping handbook (1970) 2. FÖLDESI J.,-BOHUS G.: In situ kőzetvizsgálati eredmények hasznosítási lehetőségei a robbantá sos és egyéb jövesztéstechnikában. VIII. Nemzetközi Robbantástechnikai Konferencia, Balatonfü red, 1985. IX. 3-6. 3. Vágathajtógépek kísérleti használatának összehasonlító vizsgálata. ROBOTER 134; AM-75; MK-3 Kézirat, Bakonyi Bauxitbányák, Tapolca, 1985.
SELECTION OF ADVANCE MACHINES BASED ON THE SOUND-PROPAGATION VELOCITY MEASURED IN ROCK J. FÖLDESI Summary In considering the mechanical breakability of rocks, the value of compressive strength is usually taken as the basic characteristic. In the course of the advance work carried out at the Bakony Bauxite Mine Works, it became obvious on the basis of laboratory and in-situ measurements of rock characte ristics that a characterization of their mechanical breakability cannot be made using solely the compres sive strength of the rocks. The sound-propagation velocity as determined by in-mine measurements can be related to the advance speeds. At the same time, the sound-propagation velocity characterizes the ruptured state of the rock, these characteristics being closely related to breakability as well.
AUSWAHL VON VORORTMASCHINEN AUFGRUND DER IM GEBIRGE GEMESSENEN SCHALLAUSBREITUNGSGESCHWINDIGKEIT J. FÖLDESI Zusammenfassung Die Institutionen für die Planung von Bergwerkmaschinen betrachten den Wert der Druckfestig keit als einen Grundwert. Bei den Streckenvortriebsarbeiten, die bei den Bakonyer Bauxitbergwerken durchgeführt werden, wurde es aufgrund von Labor- und Lokalmessungen der Gebirgscharakteristiken offensichtlich, daß die mechanische Gewinnbarkeit des Gebirges lediglich durch dessen Druckfestigkeit nicht charakterisiert werden kann. Die durch Grubenmessungen bestimmte Schallausbreitungsgeschwin digkeit kann mit den Vortriebsgeschwindigkeiten in Beziehung gebracht werden. Duch die Schallaus breitungsgeschwindigkeit wird auch die Rissigkeit des Gebirges charakterisiert, wobei dieser Kennwert auch mit der Gewinnbarkeit eng zusammenhängt
73
ВЫБОР ЗАБОЙНЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕННОЙ В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА Я. ФЕЛДЕШИ Резюме Учреждения, прокетирующие шахтные машины, основным данным считают значение прочности на давление породы при механизированной проходке. На основе лабораторных и полевых измерений характеристик пород во время работ, производимых в бокситных шахтах Баконь, стало однозначным, что невозможно характеризовать машинную проходимость поро ды только ее прочностью на давление. Скорость распространения звуко, определенная измере ниями в шахте, связана со скоростью проходки. Скорость распространения звука характери зует также растресканность породы, которая тоже находится в тесной связи с характерной проходимостью.
74
