RUDARSTVO IN GEOTEHNOLOGIJO “Vrtanje minskih vrtin ” doc.dr. J ože KORTNIK

1. RUDARSTVO IN GEOTEHNOLOGIJO“Vrtanje minskih vrtin”doc.dr. Jože KORTNIK LJUBLJANA-IG, 17. september 2009 1/30

2. Vrtanje minskih vrtin • Pri vrtanju minskih vrtin poznamo naslednje načine fizikalnega delovanja: • mehansko vrtanje, • termično vrtanje, • hidravlično vrtanje (naravni kamen - magmatske kamnine), • električno vrtanje, • seizmično vrtanje, • ultrazvočno (akustično) vrtanje. Uporaba različnih načinov vrtanja je odvisna predvsem od tlačne trdnosti hribine in zahtevanega premera vrtin. V vsakodnevni praksi pridobivanja, pa se danes uporablja izključno mehanski način vrtanja minskih vrtin. • Mehanski način vrtanja z neposrednim delovanjem vrtalnega orodja na hribino razdelimo na: • udarno-rotacijsko vrtanje, • udarno vrtanje, • rotacijsko vrtanje. V vsakodnevni praksi pridobivanja danes med mehanskimi načini prevladuje udarno-rotacijski način vrtanja. 2/30

3. Udarno-rotacijski način vrtanja • Učinek vrtanja je odvisen od ostrine noža, teže dleta in števila udarcev na enoto časa in na enoto volumna vrtine cm3 in od gostote ter količine navrtanega materiala v vrtini. • Udarno-rotacijsko vrtanje je najbolj razširjen mehanski način vrtanjaOsnovni princip udarnega vrtanja je udarec bata na orodje (sveder, vrtalni drog), ki energijo udarca preko rezila prenese na dno vrtine. Rotacija Udarjanje Potisna sila Izplakovanje 3/30

4. Udarno-rotacijsko vrtanje • Vrtenje vrtalnega drogovja, zaradi katerega se med posameznim udarcem rezilo obrne, omogoča da rezilo na dnu vrtine ne udari vedno na isto mesto. Za različne vrste hribin znaša ustrezno število udarcev 80÷150 obratov/minuto in kotom zasuka rezila 10÷20º. Za rezila premera  51÷89 mm je hitrost manjša in sicer 40÷60 obratov/minuto in kotom zasuka rezila 5÷7º. • Moč udarca je energija, ki jo ustvari udarec bata in se prenese preko rezila na hribino. Zato mora imeti rezilo stalni kontakt z dnom vrtine. • Preslab udarec ima negativni vpliv, kar lahko pomeni manjšo hitrost vrtanja, manjšo penetracijo rezila v hribino in/ali večjo obrabo vrtalnega drogovja. 4/30

5. Udarno-rotacijsko vrtanje • Potek osnega rušenja hribine (Hartman, 1959). 5/30

6. Udarno-rotacijsko vrtanje • Poznamo naslednje načine čiščenja dna vrtine: • Zračno (izpihovanje), • Vodno (izplakovanje), • S peno. • Za učinkovito izpihovanje dna vrtine in s tem preprečevanja zaglave ter doseganje večjega učinka rezila mora hitrost zraka znašati 15÷30 m/s in vode 0,4÷1 m/s.Tlak zraka pri kladivih na zračno izpihovanje dna vrtine mora znašati 100÷700 kPa (1÷7 bar). 6/30

7. Udarno-rotacijsko vrtanje • Glede na pogon, vrtalna kladiva delimo na: • Pnevmatska vrtalna kladiva, • Hidravlična vrtalna kladiva. 7/30

8. Udarno-rotacijsko vrtanje • Prednost hidravličnih kladiv pred pnevmatskimi: • Manjša poraba energije; hidravlična vrtalna kladiva obratujejo pri višjih tlakih kot pnevmatska. Zaradi zahtevane večje tesnosti hidravličnih kladiv se tlačne izgube minimalne. Energija pri hidravličnih vrtalnih kladivih je bolj učinkovito izrabljena in predstavlja cca. 1/3 stroškov pnevmatskega pogona. • Nižja cena nadomestnih delov; prenos energije se vrši preko batov, ki so daljši in imajo manjši premer. V praksi se je izkazalo, da je življenjska doba hidravličnih vrtalnih garnitur za 20% daljša. • Večje vrtalne sposobnosti; predvsem zaradi boljšega energijskega prenosa, je penetracija hidravličnih vrtalnih kladiv od 50 do 100% večja. • Boljši pogoji dela; so manj hrupne, pri podzemni uporabi ne nastaja megla. • Možnost avtomatizacije; lažja avtomatizacija posameznih delovnih operacij (npr. menjave vrtalnega drogovja, mehanizma proti zaskočitvi, itd.) 8/30

9. Udarno-rotacijsko vrtanje • Energetska poraba vrtalnih kladiv. 1 HP=745,7 W 149,1 kW PNEVMATSKO KLADIVO 111,8 kW PORABA ENERGIJE (HP, kW) 74,6 kW HIDRAVLIČNO KLADIVO 37,3 kW PREMER VRTINE (mm) 9/30

10. Udarno-rotacijsko vrtanje • Glede na lego vrtalnega kladiva pri udarno-rotacijskem vrtanju poznamo: • Vrtalno kladivo zgoraj – izven vrtine (Tophammer), • Vrtalno kladivo spodaj – na dnu vrtine (Down-the-hole DTH). • Vrtalno kladivo zgoraj izven vrtine; obe osnovni fazi vrtanje in udarjanje potekata izven vrtine in se prenašata od držaja vrtalnega orodja preko vrtalnega drogovja na rezilo. Pogon vrtalnega kladiva poteka na pnevmatski ali hidravlični pogon. • Vrtalno kladivo v vrtini; Udarci se prenašajo direktno na rezilo v vrtini, medtem ko obračanje (rotacija) poteka zunaj vrtine. Bat je na pnevmatski pogon, medtem ko se vrtenje izvaja na pnevmatski ali hidravlični pogon. Glede na lokacijo uporabe vrtalne garniture, na površini ali podpovršino, se uporabljajo tudi različni premeri vrtin. 10/30

11. Udarno-rotacijsko vrtanje • Razvoj tehnologije udarno-rotacijskega vrtanja; • Podzemno vrtanje v čelno steno (Face drilling): 1. 1940; Švedska metoda vrtanja (s hidravlično podporno nogo) Učinek vrtanja 10 m/h, 2. 1973;Vrtanje s hidravličnim kladivom prve generacije 2 lafeti, COP 1038, premer vrtin 51 mm Učinek vrtanja 125 m/h 3. 2000;Rocket Boomer L3 C3 lafete, COP 1838 HF, premer vrtin 51 mm Učinek vrtanja 275 m/h • Površinsko etažno vrtanje (Surface bench drilling): 1. 1940;Ročno vrtanje Učinek vrtanja 5 m/h 2. 1974;Hidravlična vrtalna garnitura prve generacije1 lafeta, COP 1038 HB, premer vrtin76 mm Učinek vrtanja 30 m/h 3. 2002;Računalniško voden ROC D7 C 1 lafeta, COP 1838 ME/HE, premer vrtin 76 mm Učinek vrtanja 60 m/h 11/30

12. Udarno-rotacijsko vrtanje • Vrtalno kladivo zunaj vrtine (Top hammer TH) (1); 12/30

13. Udarno-rotacijsko vrtanje • Vrtalno kladivo v vrtini (Down-the-hole drilling DTH). • Vrtanje s kladivom v vrtini je bilo razvito leta 1951. Danes se najpogosteje uporablja za vrtanje minskih vrtin na površini v primeru srednje trdnih in trdnih hribin in je konkurenčno rotacijskemu vrtanju. Na trgu obstajajo vrtalne garniture za vrtanje vrtin premera  105÷200 mm, največ do  915 mm. Ta način vrtanja se ni uveljavil za vrtanje vrtin v podzemnih prostorih. vrtalna glava varnostni ventil vodilo konusni navoj bat pritezovalnik 13/30

14. Udarno-rotacijsko vrtanje • Vrtalno kladivo v vrtini (Down-the-hole drilling DTH). Princip delovanja kladiva v vrtini; udarec bata vrtalnega kladiva se prenaša direktno na rezilo. Pogonsko sredstvo (medij) je komprimiran zrak, ki ga dovajamo preko vrtalnega drogovja, ki hkrati zagotavlja rotacijo rezila. Rotacija se vrši s pomočjo hidravličnega ali pnevmatskega kladiva na površini. Čiščenje dna vrtine poteka preko odprtin v vrtalni kroni s komprimiranim zrakom, ki se predhodno uporabi za pogon vrtalnega kladiva. Število udarcev znaša 600÷1600 min-1. 1. Motor za rotacijo2. Prijemalo vrtalnega drogovja3. Motor za spuščanje4. Spojnica5. Vrtalno drogovje6. Vrtalno kladivo7. Rezilo 14/30

15. Metoda vrtanja in miniranja Lega vrtin v prostoru (vertikalne, poševne, horizontalne, kombinirane) vertikalne vrtine poševne vrtine 15/30

16. Metoda vrtanja in miniranja Linijo, ki predstavlja najkrajšo razdaljo od sredine razstrelilne vrtine do najbližje proste ploskve imenujemo linija najmanjšega upora in mora biti vedno manjša od globine vrtine. Pokazatelj delovanja razstreljevanja n; r – polmer razstrelilnega lijaka R – polmer eksplozije W – linija najmanjšega upora (izbojnica) 16/30

17. Metoda vrtanja in miniranja Razlikujemo tri pokazatelje delovanja razstreljevanja; normalno delovanje zmanjšano delovanje pretirano delovanje (n = 1, r = W)(n < 1, r < W)(n>1, r>W) n < 0,7; ni lijakarazmet Kadar je delovanje razstreljevanja n < 0,7 ne dobimo lijaka, temveč je hribina nad delovanja eksplozije le razdrobljena in malo dvignjena. Pretirano delovanje razstreljevanja uporabimo takrat, kadar želimo iz razstrelilnega lijaka odstraniti odstreljeno hribino. Nevarnost razmeta. r= polmer razstrelilnega lijaka 17/30

18. Vrtanje minskih vrtin • Osnovni parametri vrtanja minskih vrtin: do … premer minske vrtine (76mm) l … dolžina minske vrtine lpr … dolžina podvrtavanja H … višina etažne brežine  … naklonski kot delovne brežine W … izbojnica b … oddaljenost ustja vrtine od roba etaže 18/30

19. Vrtanje minskih vrtin • Vrtanje minskih vrtin: Večji kosi hribine in nevarnost razmeta predstavlja to območje Dolžina izbojnice v odvisnosti od premera vrtine Mašilov dolžini cca. izbojnice Premer vrtine (mm)razmak vrtin cca. 1,25 x izbojnica 19/30

20. Vrtanje minskih vrtin 20/30

21. Vrtanje minskih vrtin • Osnovne fizikalne lastnosti hribin, ki imajo vpliv na hitrost napredovanja (prodiranje/penetracijo) vrtalnega orodja in s tem odločilen vpliv na izbiro vrtalne metode so: • Trdota hribin (Mohsova 10 stopenjska trdotna lestvica), • Trdnost (tlačna trdnost, natezna trdnost običajno predstavlja 10÷15 % tlačne trdnosti), • Elastičnosto-plastične lastnosti hribin, • Abrazivnost, • Geološka zgradba hribin (žilavost), • Struktura, slojevitost, • Karakteristični prelomi (diskontinuitete). 21/30

22. Vrtanje minskih vrtin • Vrtanje minskih vrtin: Smer lege plasti 22/30

23. Vrtanje minskih vrtin • Primer odklona minskih vrtin: Glavni parameter, ki vpliva na ustrezno fragmentacijsko/granulacijsko sestavo mineralne surovine je izdelava načrtovane minske vrtine v njeni celotni dolžini. Ker je premočrtnost minske vrtine zelo pomembna, se je potrebno izogibati vsakim odklonom vrtine kolikor je to le mogoče. Prva zahteva za zagotovitev/doseganje ustreznega predhodno načrtovanega rezultata miniranja, je natančna izvedba teoretično načrtovanega polja minskih vrtin na terenu. To pomeni, da morajo biti ustja minskih vrtin na načrtovanih mestih in izvrtana v pravilnih smereh in v ustreznih dolžinah. 23/30

24. Vrtanje minskih vrtin • Odklon minskih vrtin: Na sliki so prikazani različni vzroki za morebitni odklon vrtine. Natančnost izvedbe ustja in orientiranost vrtine je mogoče izvesti z ustreznimi meritvami in označevanjem mreže vrtanja minskih vrtin na terenu kot z ustreznimi merilnimi instrumenti opremljeno vrtalno garnituro (meritev naklona in globina vrtanja). Pri sami izvedbi vrtanja minskih vrtin pa je potrebno zagotoviti tudi ustrezno vidljivost in vodenje vrtalne garniture. odstopanje ustja vrtine Odklon ustja vrtine Načrtovana vrtina 24/30

25. Vrtanje minskih vrtin • Primer odklona minskih vrtin: Minske vrtine imajo pretežno tendenco odklona v smeri pravokotno glede na smer plasti. Daljša kot je vrtina, bolj poudarjena je lahko odklon. V praksi se pogosto potrjuje ugotovitev, da je odklon vrtine proporcionalen/sorazmeren globini krat dva. Praktične izkušnje kažejo, da je prevsem pomemben kot s katerim se vrtalna krona približuje mejni plasti. V primeru, da je kot manjši od 15º se vrtalna krona usmeri vzporedno z lego plasti. Vrtanje vrtin skozi homogene hribine, kot je npr. izotropen granit z redkimi razpokami, praktično ne povzroča odklonov vrtin. v primeru, da je  > 15°, je odklon vrtine pravokoten na plastovitost 25/30

26. Vrtanje minskih vrtin • Vpliv dolžine vrtine na odklona minskih vrtin: Delež odklona vrtine (%) 6 12 18 24 30 Dolžina vrtine (m) 26/30

27. Vrtanje minskih vrtin • Tehnike za zmanjševanje odklonov minskih vrtin: Uporaba togega vrtalnega drogovja in majhnega prostora med steno vrtine in vrtalnim drogovjem zmanjšuje možnost odklona vrtin. Za primer vrtalnega kladiva zunaj vrtine (Atlas Copco) se uporabi t.i. TAC nastavek/cevi (TAC tubes), ki se vgradi takoj za krono in izboljšuje izpiranje dna vrtine ter odpravlja/zmanjšuje nevarnost zaglave krone. Kombinacija zmanjšanja sile/tlaka potiska in povečanja hitrosti rotacije zmanjšuje možnost odklona vrtine. Odklon vrtine je prav tako manjši v primeru uporabe DTH vrtanja, COPROD vrtanja ali rotacijskega vrtanja. Znatno manjši odkloni vrtin pa nastopajo v primeru uporabe minskih vrtin manjših dolžin in posledično nižjih delovnih etaž (10 m). 27/30

28. Vrtanje minskih vrtin • Instrument za meritev naklona in globine vrtine: 28/30

29. Vrtanje minskih vrtin • Literatura, viri: • Jože Hrastnik; Rudarska dela in jamsko pridobivanje II. del, skripta FNT, Ljubljana, 1981, str. 26-60. • Ninko PURTIĆ; Bušenje i miniranje, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet, 1991, str. 15-130. • Raj K. SINGHAL; Mine Planning and Equipment Selection, Balkema, Rotterdam, 1998, str. 391-398. • Surface Drilling, second edition, Atlas-Copco Rock Drills AB, 2002, str. 3-8 (www.surfacedrilling.com). • Zakona o rudarstvu ZRud (Uradni list RS, št. 98/2004). 29/30

30. Vrtanje minskih vrtin • Standardizirani premeri vrtalnih glav po EU in ZDA standardu; 30/30

31. Udarno-rotacijsko vrtanje • Energija, ki se sprošča pri udarnem kladivu se izračuna. 31/30

32. Udarno-rotacijsko vrtanje • Moč vrtalnih kladiv na hidravlični pogon se izraža z vrednostjo energije enega udarca. Celotna moč vrtalnega kladiva je energija enega udarca pomnožena s številom udarcev ng. • Mehanizem za udarjanje porabi 80÷85% celotne moči vrtalnega kladiva. 32/30