Tehnologii de excavare a lucrarilor subterane în rocă

Excavarea cu explozivi

Tehnologia de excavare a lucrarilor subterane cu ajutorul explozivilor ramâne si in prezent cea mai raspândita din lume.

Mecanismul acestui fenomen se explica astfel: explozivul prin detonare actioneaza asupra rocii prin presiunea de detonatie ce are loc prin contactul direct dintre exploziv si roca. Durata fenomenului este doar de câteva microsecunde, dupa care roca este supusa actiunii gazelor de explozie. Aceasta presiune dureaza mai mult timp in functie de incarcatura si anume de la zeci de milisecunde pâna la sute de milisecunde. Viteza de propagare a acestor unde depinde de modulul de elasticitate si de duritatea mediului inconjurator, fiind constanta in limitele legii lui Hook. Undele de presiune se propaga in roca de la locul de explozie pâna ajung la o suprafata libera de unde sunt reflectate, ca unde de tensiune. Undele de tensiune sunt purtatorii partii energiei devenita libera prin explozie, deoarece diferenta dintre impedanta acustica a rocii si a aerului este destul de mare, si de aceea o parte din energie se intoarce ca unda reflectata.

Presiunea uriasa la care este supusa roca, sparge zona invecinata a gaurii de foraj si expune roca din jur la eforturi tangentiale sub forma de unda de soc de iesire care circula prin roca cu o viteza de 3000-5000 m/s. Grosimea rocii sparte in jurul unei gauri cu diametrul de 40 mm este tot de 40 mm sau chiar mai putin. Apare insa un sistem de crapaturi care porneste partial din centrul gaurii, ce poate afecta roca pe o adâncime de 1 m. Dezvoltarea pe directie radiala se explica prin faptul ca roca este mai putin rezistenta la intindere decât la compresiune. Formarea fisurilor la impuscare depinde de volumul de roca afectat fiecarei gauri de mina, de distanta dintre gauri si de asemenea daca aprinderea este simultana sau cu intârziere.

In jurul unei explozii se disting urmatoarele zone:

1) Cavitatea exploziei, unde are loc detonatia 2) Zona de tranzitie, unde presiunea se reduce rapid prin unda de soc, dând

nastere la o curgere plastica, o sfarâmare si o fisuratie.3) Zona de sfarâmare.4) Zona de fisuratie.5) Zona seismica, unde presiunea exploziei având o valoare sub limita de

rupere a rocii, acesta nu se rupe.

Incarcarea si evacuarea sterilului

Operatia de incarcare a sterilului consta din evacuarea materialului rezultat dupa impuscarea frontului. Aceasta operatie reprezinta 30-40% din ciclul total, necesar pentru excavarea unei galerii, respectiv din ciclul unui atac complet, perforare, impuscare, transport, sustinere. La toate tehnologiile moderne sau vechi, operatia de incarcare se suprapune cu operatia de transport. Instalatiile utilizate in acest scop pot fi de tipul:

masini de incarcat cu cupe masini de incarcat cu brate instalatii de incarcat cu screpere masini de incarcat cu greifer

Transportul este operatia de evacuare a materialului rezultat de la impuscare, incarcat intr-un mijloc de transport stabilit, care poate fi: banda, vagoneti, autobasculante, pentru a fi dus la halde. Transportul este o operatie independenta sau suprapusa cu incarcarea in cadru tehnologiilor bazate pe explozivi.

Execuţia direct la secţiunea finală

În funcţie de dimensiunile galeriei şi de caracteristicile rocii excavarea prin acest procedeu se poate realiza direct la secţiunea finală sau în 2 sau mai multe trepte şi faze.

În situaţia dimensiunilor curente a galeriilor/tunelelor executate în roci cu caracteristici mecanice bune tehnologia de execuţie cuprinde următoarele etapele ilustrate în figura de ma jos. Succesiunea operaţiilor în ordine tehnologică se prezintă astfel:

trasarea frontului, materializarea pe front a schemei de perforare; perforarea frontului cu ajutorul perforatoarelor manuale pe lungimea de 3 m, sau

similară, funcţie de avansul proiectat; perforarea în partea superioara se poate face de pe o platforma de lucru (executată din ţeavă şi dulapi) sau de pe steril, pînă ce acesta nu a fost evacuat;

puşcare, aerisire; copturirea suprafeţei bolţii cât şi a pereţilor pe lungime de 3 m, de pe

materialul rezultat la puşcare; perforarea găurilor pentru ancore; aducerea în front a încărcătorului (ce staţiona în prima nişă de lîngă front) şi

încărcarea sterilului în vagoane; transportul cu locomotiva electrică de mină la haldă; evacuarea din front a încărcătorului şi a celorlalte echipamente;

În timpul operaţiei de perforare a ancorelor şi de evacuare a sterilului, concomitent se executa lucrarile de susţineri provizorii. În cazul rocilor tari susţinerile folosite sunt ancore betonate de l = 0,75—1,50 m, Ø 25 mm, plasă de sârmă cu ochiuri 60 x 60 mm, şpriţ-beton de 5 cm grosime.

După susţinerea provizorie se execută urmatoarele lucrări: săparea rigolelor de scurgere a apelor de la infiltraţii şi de la perforajul

umed; pregătirea patului de radier prin aşternerea de nisip 0-7 mm, sau pietriş 0-15

mm, în vederea montării prefabricatelor de radier; montarea radierului prefabricat şi solidarizarea acestuia de vatră cu ancore

Ø 20 (2 buc/prefabricat) impotriva deplasării către front. Operaţiunea de montare a radierului prefabricat se execută în sensul portal - front, la o distanţă minimă de 30 m faţă de front.

În tehnologiile moderne se prevede execuţia radierelor prefabricate, concomitent cu lucrările de excavare-înaintare, radierul prefabricat aflîndu-se la o distanţă destul de mică în spatele frontului de excavaţii. Prin folosirea acestor prefabricate se creează condiţii favorabile pentru lucrările de betonare. Se obţin următoarele avantaje:

cale de circulaţie în perfectă stare ce permite amplasarea şi transportul facil al instalaţiilor necesare tehnologiei;

un control şi o verificare a profilelor excavate pe tot conturul galeriei, putându-se manevra un şablon mobil;

posibilitatea executării reprofilărilor necesare, utilizind o platformă ce circulă pe calea de rulare ;

se constituie un reazem stabil şi bine centrat pentru cofrajul metalic autoportant al inelului la betonare;

se dă posibilitatea efectuării şi întreţinerii ordinei şi curaţeniei prin existenţa radierului definitiv pe toată lungimea.

Fig.1 Fazele de execuţie pentru excavarea la secţiune întreagă

Execuţia în mai multe trepte şi faze

În cazul galeriilor de mai mari dimensiuni excavarea se face în mai multe faze, uneori foarte elaborate, aşa cum se poate urmări în figura 2.

Fig. 2 Faze de excavare în cazul unei galerii de mari dimensiuni

În cele ce urmează se detaliază fazele de execuţie în cazul excavării în 2 trepte. Excavarea în 2 trepte afectează viteza de execuţie. Astfel, pentru o sectiune medie de 20 m2 a galeriei se obtine un avansament mediu de 80 ml/lună, în cazul excavatiei în trepte şi de 100 ml/lună în cazul excavatiei la secţiune plină.

Tehnologia de execuţie în vartianta cu 2 trepte cuprinde operaţiile prezentate în figura. Cele două trepte sunt decalate în plan longitudinal pe distanţa maximă de 5,0 m. În situaţia când frontul de lucru nu este decalat în trepte, pentru intrarea în această tehnologie de lucru, se execută lucrări pentru realizarea treptei superioare pe un decalaj de 2,0 m. Aceste lucrări sunt:

montarea unei platforme de lucru executata din ţeavă şi dulapi. Înălţimea platformei este astfel aleasă încât să permită, lucrul minerilor atât în partea superioară la boltă, cât şi sub platformă;

perforarea frontului pe 2 m adâncime cu perforatorul individual; puscare, aerisire, copturire; evacuare manuală a sterilului de pe treapta superioară; încărcarea sterilului de pe treapta inferioară cu încărcătorul în vagon CF, şi

transport la haldă; executarea pe trepte a susţinerilor provizorii şi definitive.

Fig. 3 Fazele de execuţie în varianta cu 2 trepte

După realizarea treptei de lucru superioare se execută următoarele operaţii: trasarea frontului şi materializarea găurilor ce se perforează; perforarea frontului superior pe 1,5m adâncime cu perforatoare individuale;

perforarea găurilor pentru ancore cu o lungime de 2,50 m; puşcare, aerisire, copturire; evacuare manuală a sterilului de pe treapta superioară; aducerea în front a încărcătorului (ce staţiona în prima nişă din spatele frontului)

şi încărcarea sterilului în vagoane; transport la haldă;

Se recomandă executarea suprapusă a operaţiilor de încărcare a sterilului cu cele aferente realizării susţinerii provizorii. Susţinerile provizorii folosesc ancore betonate l = 2,50 m, Ø = 25 mm, plasa cu ochiuri 60 x 60 mm, şpriţ beton 10 cm, cintre simple sau duble (funcţie de natura rocii) la 1,50m distanţă unele de altele.

După terminarea lucrărilor de susţinere provizorie pe 1,5 m se trece la faza următoare care este executarea unui nou atac de 1,5 m pe treapta superioară şi a unui atac de 3,0 m pe treapta inferioară.

Se execută două atacuri scurte de 1,5m, pe treapta superioară, din considerente de susţinere şi pentru o evacuare manuală mai uşoară a sterilului. În acest scop se execută următoarele operaţii:

trasarea frontului şi materializarea găurilor ce se perforează; perforarea treptei superioare pe încă 1,5 m cu perforatoare individuale cât şi

a găurilor pentru ancorele de 2,5 m din boltă; retragerea utilajelor; puşcare, aerisire, copturire ; perforare cu perforatoarele individuale a treptei inferioare ; puşcare, aerisire, copturire pereţi; evacuare manuală a sterilului rămas pe treapta superioara (o parte din acest

steril a cazut pe radier la puşcarea treptei inferioare); aducerea în front a încărcătorului (ce staţiona în prima nişă din spatele

frontului) şi încărcare sterilului în vagoane; transport la haldă.

În timpul operaţiei de perforare a frontului şi de evacuare a sterilului rezultat din puşcările celor două trepte se execută concomitent lucrarile de susţineri provizorii. Tavanul şi pereţii se vor controla şi copturi la începutul schimbului, după puşcare şi ori de câte ori apar semne că roca are tendinţa să se desprindă. În timpul copturirii este interzisă executarea altor lucrări în frontul de lucru.

Lucrări de puşcare. Schema de puşcare

Tipuri de sâmburi pentru impuscare

Sâmburele de impuscare este volumul de roca din frontul de lucru care se rupe primul la impuscare, in urma exploziei unor gauri de mina speciale, denumite gauri de sâmbure. Acesta trebuie sa fie cât mai mare, uniform pe toata lungimea lui si sa permita crearea unei degajari complete, astfel incât celelalte gauri din schema de impuscare sa poata exploda, iar materialul sa fie sfarâmat si aruncat cât mai aproape de front. Exista mai multe tipuri de sâmburi:

a) sâmbure in evantai in care gaurile sunt dirijate de la front, sub un unghi ascutit spre unul dintre pereti – are un randament scazut;

b) sâmbure in plug sau V, in care gaurile sunt inclinate unele catre altele pornind de la front;

c) sâmburele instantaneu sau piramidal este cel mai vechi model de sâmbure – are un randament scazut si este folosit la galerii cu sectiuni mici;

d) sâmburele paralel, folosit la orice tip de galerie, cu randamente mari, dar care necesita o precizie mare.

Lungimea atacului a in functie de sectiunea teoretica F si de procedeul de realizare a sâmburelui este aceea a lui G. Burkhardt (fig. 2, 3):

o pentru impuscare cu sâmbure conic: ;o pentru impuscare cu gauri paralele: .Coeficientul de rupere al unei gauri este dat de raportul intre lungimea atacului si

lungimea medie a gaurii forate si depinde de tipul de sâmbure.Numarul de gauri forate depinde de gradul de coeziune al rocii existând in acest

sens formule experimentale stabilite pe baza analizei unui numar mare de impuscari. Protodiakonov propune urmatoarea relatie:

f = coeficientul de tarie al rocii;S = sectiunea galeriei;N= numarul de gauri pe 1 m2 forat.

Din analiza tuturor formulelor utilizate la calculul numarului de gauri se constata ca numarul de gauri pe 1 m2 de front este invers proportional cu sectiunea gaurii. In conditii normale acest numar variaza intre 2.5 si 4.0 gauri/m2 de galerie. Consumul de exploziv este in jur de 0.9-1.4 kg exploziv/mc de roca excavata. Numarul de gauri si consumul de exploziv creste in galeriile cu sectiune redusa si in cazul rocilor foarte tari.

Factorii principali care influenteaza lucrarile de impuscare sunt:o marimea incarcaturii;o lungimea gaurii de mina;o diametrul incarcaturii in relatia acesteia cu diametrul gaurii de mina.Diametrul gaurilor poate fi de 43-50 mm (România, Cehoslovacia), 28-32 mm (Anglia Suedia, Germania) sau 32-36 mm (S.U.A.).

Tipuri de perforatoare. Perforatorul este in prezent utilajul de baza pentru executarea lucrarilor in subtera. In functie de energia de alimentare perforatoarele pot fi: pneumatice, electrice, hidraulice si termice. Dupa greutate se impart in: perforatoare usoare de 20-40 kg si perforatoare grele de peste 40 kg. Dupa numarul bratelor de perforare se impart in perforatoare individuale si perforatoare cu mai multe brate.

Scheme de impuscareSchemele de perforare-puscare – denumite pe scurt scheme de impuscare se compun din: gauri de sâmburi; gauri de largire ajutatoare; gauri de contur; gauri de protectie. In functie de forma si dimensiunile golului excavat exista si alte scheme de

impuscare.Schema de puscare se alege in functie de urmatoarele conditii:

taria rocii; stratificatia rocilor si inclinatia directa a straturilor; infiltratiile de apa si existenta gazelor in masiv; sectiunea si forma galeriei; tehnologia folosita si utilajele de perforare, incarcare, transport, puscare; tipul de exploziv folosit si caracteristicile lui; sustinerea provizorie si definitiva;

destinatia galeriei (de aductiune, de fuga, de acces, etc); ciclograma prevazuta si monografia de armare;

O problema importanta care se pune in tehnica impuscarii, in subteran este aceea a supraprofilului, respectiv a diferentei dintre profilul obtinut, dupa impuscare si cel proiectat. Supraprofilul are influenta atât asupra vitezei de inaintare, cât si asupra economicitatii metodei. In Statele Unite marimea medie acestui supraprofil este in jur de 73 cm iar la noi intre 30-40 cm.

Pentru reducerea acestui supraprofil se aplica in prezent mai multe principii de impuscare controlata precum:

a) Perforarea in linie care presupune un singur rând de gauri apropiate (la distanta de 2-4 ori diametrul gaurii), cu diametru mic de 30-50 mm, neincarcate, perforate pe intregul contur de excavare.

b) Impuscarea amortizata este constituita dintr-un singur rând de gauri de-a lungul profilului de excavare, care se incarca cu incarcaturi reduse bine distribuite in gaura. Acestea explodeaza dupa ce s-au impuscat sâmburele si gaurile de largire ajutatoare.

c) Impuscarea neteda sau lina este metoda cu cea mai mare aplicabilitate, gaurile distribuite pe profilul excavatiei, fiind prevazute cu o incarcatura usoara, bine repartizata pe lungime si folosind capse cu intârziere minima intre gauri. Aceste gauri numite si gauri de netezire, explodeaza ultimile.

Schema de puşcare trebuie sa fie afişată la loc vizibil la intrarea în galerie cât şi la frontul de lucru. Excavarea în toate categoriile de roci se face cu ajutorul explozivilor. Explozivii sunt substanţe care aprinse au proprietatea să ardă într-un timp foarte scurt (fracţiuni de secundă), degajând mari cantităţi de gaze şi căldură. Dacă explozivul arde într-un spaţiu mic, închis, astfel încât gazele degajate să nu poată ieşi afară, atunci ele apasă asupra pereţilor cu o presiune foarte mare şi îi rup.

Aprinderea încărcăturii explozive se poate face pirotehnic sau electric. În excavaţiile subterane se foloseşte întotdeauna aprinderea electrică a incărcăturii. Metoda electrică de puşcare are avantaje deoarece:

prezintă posibilitatea explodării simultane a unui număr mare de încărcături şi prin aceasta sporirea efectului exploziv.

se poate face reglarea cu precizie a exploziei în privinţa timpului de producere. dă posibilitatea de a păstra o anumită succesiune a exploziilor, în raport cu

scopul urmarit.

Stabilirea lungimii şi distributiei găurilor ce urmează a fi forate în front (schema de puşcare) este o operaţie importantă, fiindcă de ea depinde felul ruperii şi consumul de exploziv. Ruperea rocii trebuie realizată cât mai aproape de profilul teoretic al secţiunii, iar sterilul rezultat să fie cât mai mărunt, pentru a putea fi încărcat mai uşor. Schema de puşcare se alege în funcţie de următoarele condiţii:

tăria rocii; stratificaţia rocii, înclinarea şi direcţia straturilor; infiltraţiile de apă şi existenţa gazelor în masiv ; secţiunea şi forma galeriei ; tehnologia folosită şi utilajele de perforare, încărcare, transport, puşcare; tipul de exploziv folosit şi caracteristicile lui ; susţinerea provizorie şi definitivă; destinaţia galeriei ciclograma prevăzută şi monografia de armare.

La orice schemă de perforare, urmărind din centru spre margini se disting găurile de sâmbure, care explodează primele, apoi găuri de lărgire şi găuri de profilare. O schemă de puşcare se poate urmări în figura 2.4.

Fig.4 Schemă de puşcare pentru o galerie de dimensiuni medii

Diametrul găurilor este cuprins intre 32-45 mm şi trebuie să depăşească cu 4-5 mm diametral cartuşelor de exploziv folosite. Adincimea găurilor este cuprinsă între 1,5 şi 3 m. La secţiuni sprijinite adâncimea găurilor din care rezultă pasul de înaintare nu poate depăşi lungimea pe care lucrarea poate sta nearmată.

Găurile de sâmbure, explodând primele au rolul de a produce o scobitură (un făgaş sau sâmbure) pentru a crea o a doua faţă liberă. În acest mod ruperea rocii produsă prin explozia celorlalte găuri se face în condiţiuni mai bune. În zona sâmburelui găurile au o desime mai mare şi se încarcă cu cantităţi sporite de exploziv (cu 20-25% mai mult ca la celelalte găuri). Din motivele arătate găurile de sâmbure converg (au tendinţa să se întîlnească) în interiorul frontului, deosebindu-se din acest punct de vedere sâmburi conici sau piramidali, sâmburi pană, sâmburi triunghi, etc.

Găurile de lărgire se perforează pe unul sau două rânduri în jurul sâmburelui, funcţie de tăria rocii şi mărimea profilului, având şi ele o uşoară înclinare spre axul galeriei. La secţiunile mici găurile de lărgire pot lipsi.

Găurile de profilare explodează ultimele şi au rolul de a crea un profil cât mai apropiat de cel teoretic. Ele sunt plasate mai des, la distanţe de 0,10-0,15 m de marginea teoretică a profilului şi sunt paralele cu axul galeriei, sau la 0,15 m de marginea teoretică a profilului şi sunt uşor divergente (înclinate spre exterior). Încărcătura pe gaură este mai mică decât la celelalte tipuri de găuri. Pentru galerii care rămân necăptuşite încărcătura se limiteaza la circa 200 grame exploziv/gaura de 1 m. Uneori găurile de profil se încarcă din două în două (una da, una nu). în acest caz se reduce cantitatea de exploziv folosit pentru puşcare pe de o parte,

iar pe de altă parte se dirijează ruperea spre găurile neîncărcate şi se obţine o rupere mai bună a conturului galeriei.

Numărul de găuri pe un metru pătrat de secţiune variază în limite depinzând de tăria rocii şi de mărimea profilului excavat. În condiţii normale el variaza între 2,5 şi 4,0 găuri/m2 de galerie. Consumul de exploziv este în jur de 0,9-1,4 kg exploziv/m3 de rocă excavată. Numărul de găuri şi consumul de exploziv creşte în galeriile de secţiune mare şi în cazul rocilor foarte tari. Cantitatea de exploziv necesar pentru o gaură depinde de următorii factori:

- lungimea găurii şi poziţia explozivului în gaură;- duritatea rocii;- puterea materialului exploziv şi gradul lui de îndesare;- gradul de fisurare al rocii, precum şi stratificaţia ei;- cunoaşterea amănunţită a proprietăţilor explozivului folosit.

Gaura se poate încărca pe maximum 2/3 din lungimea ei. Pentru încărcarea frontului şi puşcarea electrică patronul armat (cu capsă) se introduce în fundul găurii, apoi se introduc patroanele de dinamita. Burarea se face cu argilă, nisip sau apă.

În încheierea acestui paragraf sunt prezentate o serie de fotografii din timpul execuţiei unor galerii de secţiune mare.

Fig. 5 Fotografii din timpul execuţiei unor galerii de secţiune mare