rudarski i geotehniČki strojevi

RUDARSKI I GEOTEHNIČKI STROJEVI

Rudarsko-geološko-naftni fakultet

SVOJSTVA STIJENA

Uvod

- izbor rudarskih strojeva ovisi u velikoj mjeri o radnoj sredini

- kod odabira rudarske mehanizacije, osim tehničkih značajki strojeva, potrebno poznavati fizikalno-mehanička i tehnička svojstva stijene:

1. struktura i tekstura (mineraloško-petrografska svojstava)2. gustoća (fizikalna svojstva)3. vodoupijanje, bubrenje, ljepljivost (hidrofizička svojstva)4. čvrstoća, tvrdoća, žilavost, krtost (mehanička svojstva) 5. rastresitost, držanje (stabilnost) rastresitog materijala, otpor

prema bušenju, abrazivnost, otpor prema rezanju (glodanju) i struganju (tehnička svojstva)

Struktura i tekstura stijene

Struktura stijene -definirana stupnjem kristaliniteta, oblikom, veličinom i međusobnom vezom mineralnih sastojaka ovisi o načinu postanka stijene

Tekstura stijene-prostorni raspored mineralnih sastojaka (način na koji su minerali zauzeli prostor u stijenskoj masi) posljedica je utjecaja vanjskih faktora za vrijeme i poslije nastanka stijene

Kamen - prirodnim ili umjetnim putem odvaljeni (odlomljeni) dio stijene

Stijena- sastavni dio litosfere, određenog načina geološkog pojavljivanja, strukture, teksture i

mineralnog sastava. - mineralni agregat, sastavljen od jedne vrste minerala (monomineralna) ili više njih

(polimineralna).

Stijene Struktura Tekstura

MAGMATSKE (ERUPTIVNE)

intruzivne (dubinske) efuzivne (površinske) žične (hipabisalne)

Zrnata

Porfirska

Ofitska struktura

Homogena (masivna)

Fluidalna

Vezikularna

Klasifikacija prema načinu postanka, struktura i tekstura stijena


SEDIMENTNE

mehanički sedimenti

kemijskisedimenti

organogenisedimenti

Klastična

Kristalasta

Homogena (masivna)

Trakasta i slojevita

Brečasta

psefitskapsamitska

siltitska

pelitska

krupnokristalasta

sitnokristalasta

afanitska

amorfna

oolitska i sferolitska

Organogena



METAMORFNE

Homogena (masivna)

Čvorasta (okasta)

ŠkriljavaBlastična

-homeoblastična

zrnata

listićava

štapičasta

- heteroblastična

Klastična

-porfiroklastična

-mortarska (brečasta)

-kataklastična

Tekstura gnajsa


Svojstva stijena

Prema načinu pojavljivanja stijenske mase, odnosno ležišta mineralne sirovine:masivne (kompaktne) stijene (nema pojave slojevitosti, škriljavosti i pukotina),slojevite (sa slojnim plohama različite debljine),raspucale (s pukotinama koje presjecaju stijensku masu u jednom ili više smjerova na različitim razmacima) plastične (poluvezane stijene, npr. glina)sipke stijene (nevezane, npr. pijesak i šljunak).

Gustoća - ovisi o mineralnom sastavu i stupnju zbijenosti. 1. Specifična gustoća (s) - masa jedinice volumena čvrstih čestica stijene tj. potpuno zbijenog materijala bez pora i šupljina, odnosno vode i zraka.

2. Volumna gustoća () - ukupna masa jedinice volumena stijene sa svim njenim porama i pukotinama (onakve kakva se nalazi u prirodi odn. ležištu).

Suha gustoća (gustoća suhe stijene, d = md/V) - masa jedinice volumena suhog uzorka, tj. uzorka sa svim porama i šupljinama ali bez vode.

s = ms/Vs

s = 2,6 do 4,7 g/cm3, ovisno o vrsti stijene

d = md/V

= m/V

Gustoća

3. Nasipna gustoća (r) - masa jedinice volumena iskopanog materijala, tj. stijene u rastresitom stanju.

r = /kr

kr – koeficijent rastresitost

Vr – volumen iskopanog materijala (materijala u rastresitom stanju)

V – volumen materijala u masivu – gustoća neporemećene stijenske maser – nasipna gustoća (t/m3)

Koeficijent rastresitosti

kr = Vr/V = /r

Vr > V (20 do 60%)

Specifična, volumna, nasipna gustoća i koeficijent rastresitosti materijala

Mineralna sirovina

Specifična gustoća

s

Volumna gustoća(gustoća

neporem.stijene)

Koeficijent rastresitosti

kr

Nasipna gustoćar = /kr

Nemetalne: granitdijabazvapnenacpješčenjaklaporMetalne:ruda Pb-Zn ruda Fe (hematit)Ugljeni:kamenimrki (vlažan)mrki (suh)lignit

2,65-2,752,85-3,152,70-2,902,60-2,762,56-2,86

4,23-4,73

2,53-2,632,80-3,002,65-2,851,65-2,191,63-2,63

4,01-4,622,6

1,31,2

1,61,71,71,5-1,91,25-2,0

1,43-1,651,5

1,51,6

1,61,71,61,151,3

2,81,75

0,870,870,750,65

Hidrofizička svojstva

-vodoupijanje, bubrenje i ljepljivost

Primjer

– eksploatacija u glinovitom materijalu (glina upijanjem vode može povećati svoj volumen i do preko 50%):

-zaglavljenje alata kod bušenja vodenom isplakom (mokro bušenje) zbog povećanja volumena gline,

-promjena mase i volumena glinovitih materijala tijekom manipulacije kod utovara, transporta i skladištenja

-pojava bubrenja (bujanja) materijala u podini, krovini ili bokovima podzemnih prostorija

Hidrofizička svojstva

Ljepljivost direktno smanjuje kapacitet rudarskih strojeva ili povećava utrošak energije, a često i jedno i drugo.

Primjer -hvatanje (ljepljenje) materijala na transportnim trakama, valjcima i bubnjevima transportera s beskonačnom trakom, -sljepljivanje lanaca i grabilica kod grabuljastih transportera-naljepljivanje materijala-otežano kretanje vozila i strojeva na gumenim kotačima,

Mehanička svojstva stijena

Osnovna mehanička svojstva su: tvrdoća, čvrstoća, žilavost, krtost

Tvrdoća

1) određivanje tzv. skleroskopske tvrdoće metodom odskoka po Shore-u

2) određivanje utisne tvrdoće ugljena po Sauberlich-uSchmidtov čekić

- otpor koji stijena pruža prodiranju nekog drugog tvrđeg tijela

- ovisi o mineralnom sastavu i djelomično strukturi stijene

- najveću tvrdoću imaju stijene sa viskom sadržajem SiO2

- kod rudarskih i geotehničkih radova tvrdoća stijene najviše dolazi do izražaja kod tzv. ripanja s buldozerom

Mineral Tvrdoća

talk 1

gips 2

kalcit 3

fluorit 4

apatit 5

ortoklas 6

kvarc 7

topaz 8

korund 9

dijamant 10

Mohs-ova skala


Vrsta stijene

Čvrstoća(MPa)

tlačna vlačna

GranitDijabazAndezitPješčenjakMramorVapnenacDolomitSolUgljen

60-300110-32070-20030-20050-28020-22030-15020-100

5-70

6-3515-507-202-205-302-203-151-100,4-7

Čvrstoća stijene je otpor kojeg vanjske sile moraju savladati da bi došlo do sloma odnosno razaranja stijene (tj. to je naprezanje pri kojem dolazi do sloma stijene).


Žilavost je otpor prema djelovanju dinamičkih sila (to je zapravo dinamička čvrstoća), koji u rudarstvu dolazi do izražaja u procesima gdje sila djeluje na stijenu u mahovima, diskontinuirano i pulzirajuće (npr. pri radu udarnih drobilica, hidrauličkog čekića, te u manjoj mjeri kod rotornih bagera, bagera vedričara i dinamičkih strugova za ugljen).

Krtost je suprotno svojstvo od žilavosti, tj. svojstvo materijala da ne pruža otpor dinamičkom naprezanju i da do njenog sloma dođe bez prethodne deformacije.


Tehnička svojstva stijena

Rastresitost je osobina iskopanog ili odminiranog materijala da ima veći volumen nego kada je bio u cjelini.

Povećanje volumena ovisi o strukturi, mineralnom sastavu, tvrdoći, čvrstoći, žilavosti i najviše o stupnju usitnjenosti stijene odnosno postignutom granulometrijskom sastavu, a izražava se koeficijentom rastresitosti, koji se određuje iz odnosa:

kr = Vr/Vm

gdje je: Vr – volumen iskopanog materijala (materijala u rastresitom stanju)

V – volumen materijala u masivu

Kod dimenzioniranja utovarnih i transportnih sredstava, bunkera i odlagališta jalovine i sirovine


ravna traka užljebljena traka

kamion vagon

bunker

bager

utovarač

buldozer

tgo= 3h

/o 0,7

o – statički kut unutrašnjeg trenja – dinamički kut unutrašnjeg trenja

Držanje (stabilnost) materijala je sposobnost sipkih (nevezanih) materijala, odnosno iskopanih ili odminiranih masa da se drže na ravnoj podlozi u obliku stošca bez pridržavanja sa strana.

Kut kojeg nasipani materijal tvori s ravnom (horizontalnom) podlogom naziva se prirodnim kutem sipanja materijala i zapravo predstavlja kut unutrašnjeg trenja materijala


• pirodni kut sipanja o veći je kod neklasiranog (dobro graduiranog) materijala

• pirodni kut sipanja (o) klasiranog materijala: 35-45˚

Vrsta materijala Kut unutrašnjeg trenja (˚)

bazaltdijabazgabrogranit

dolomitvapnenacpješčenjak

gnajsmramorkvarcitpijesak šljunak

glinapjeskovita glina

rovni ugljen (mekši)antracitCu rudaFe ruda

48-5050-5510-3145-60

2235-5027-3531-3535-5026-6020-3535-4015-4530-5035-37

273737

Tablica 5. Kut unutrašnjeg trenja za različite materijale


• Otpor prema bušenju

- otpor stijene prema razaranju prilikom bušenja,

- ovisi o fiz.-meh. svojstvima stijene, vrsti i obliku bušače krune, te režimu bušenja

a) Pasivni otpor prema bušenju (bušivost) – otpor stijene prodiranju bušaćeg alata, koji ovisi o čvrstoći, tvrdoći i žilavosti stijene, a izražava se brzinom bušenja (mm/min)

B = L/t , (cm/min) ili (mm/min) L – ukupna dužina izbušenih bušotina (cm)

t – čisto vrijeme bušenja (min).

b) Aktivni otpor prema bušenju – djelovanje stijene na bušaći alat (habanje - mehaničko trošenje alata); pokazatelj izgubljena masa alata u (mg)

Kritični pritisak

- minimalni pritisak koji je potreban da bi bušaći alat mogao prodrijeti u stijenu pri rotacijskom bušenju.

Tehnička svojstva stijena• Otpor prema rezanju (rezivost)

- ovisi o mehaničkim svojstvima stijene (čvrstoći, tvrdoći i žilavosti)

- izražava se utrošenom energijom na jedinicu dobivene rude

- utrošak energije ovisi o rezivosti stijene, te vrsti, geometriji i stanju istrošenosti reznog alata.

• Otpor prema struganju

Razlike između otpora prema rezanju i otpora prema struganju:

1) kod rezanja putanja alata je pravolinijska ili (krivulja) (ovisno o vrsti stroja i njegovog radnog organa), a kod struganja samo pravolinijska;

2) brzine noževa su kod rezanja veće (približno 1,5-2,5 m/s) nego kod struganja (cca. 0,3-0,5 m/min)

Klasifikacija stijena

1. klasična geološka (genetska) klasifikacija

– prema načinu postanka i mineraloškom sastavu stijena

2. inženjersko-geološke klasifikacije

– prema čvrstoći, bušivosti, abrazivnosti i sl.

– primjeri:

Klasifikacija stijena po čvrstoći prema M. M. Protođakonovu,

Klasifikacija stijena po bušivosti prema jedinstvenoj klasifikaciji (bivšeg) AN SSSR,

Klasifikacija stijena po abrazivnosti prema L. I. Baronu,

Klasifikacija stijena u tunelogradnji prema Bieniawskom,

i dr.

Klasifikacija stijena po čvrstoći (prema M. M. Protođakonovu)

Jedinstvena klasifikacija stijena po bušivosti (AN SSSR)

Klasifikacija je izvedena na osnovi brzine bušenja standardnim bušaćim čekićem u standardnim uvjetima:

• ručni bušači čekić mase: 22 kg

• pritisak komprimairanog zraka 4,5 0,25 at

• automatsko potiskivanje

• dlijeto s jednim sječivom s umetkom od tvrde legure, promjera glave 42 mm i kutem oštrice 110º

• dubina bušenja: 1m (uz ispuhivanje bušotine)

Klasifikacija stijena po abrazivnosti (prema L. I. Baronu)

vremenska postojanost nepodgrađenog prostora (sati)

Nep

odgr

ađen

i pro

stor

(m

)

Klasifikacija stijena za tunelogradnju (prema Z. T. Bieniawskom)

e širina pukotina (mm)

f kontinuitet pukotina

g pritjecanje vode (lmin-1)

h zalijeganje pukotina

Opis:

a RQD%

b trošnost stijene

c čvrstoća probnog tijela (MNm-2)

d razmak pukotina (m)

rudarski i geotehniČki strojevi

Documents