автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Использование поверхностно-активных сред для направленного изменения свойств пород в процессах горного производства

, о Яа правах рукописи

/<5

Л V

Ч

ЛАТЫШЕВ Олег Георгиевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ АКТИВНЫХ СРЕД ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО НЗЖНЕШШ СВОЙСТВ ПОРОД В ПРОЦЕССАХ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность:

05.15,11 - Физические процессы горного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Г?

С. -

Кемерово - 1996

Работа выполнена ь Уральской государственной горно-геологической академии.

Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. Ерофеев Л.М.

докт. техн. наук. 'проф. Иванов Б.В.

докт. т-ехн.'наук, проф. Фрянов Б.Н.

Ведущая организация: Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук

Задита диссертации состоится __1&96 г.

час. <2й мин. на васедании диссертационного совета Л Обо.70.02 ь Кузбасском государственном техническом университете по адресу:

550020, г.лемероьо, ул.ьесенняя, £&, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться ь библиотеке Кузбасского государственного технического университета.

Автореферат разослан ." & " ¿Ьо/э^лЯ г>

•/ ченыи секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Таыкйнов А. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Увеличение глубины разработки, сопровождается усложнением горно-геологических условий,. увеличением прочности пород, динамическими проявлениями горного давления -горными ударами и выбросами. В таких условиях существенно снижается эффективность и повышается трудоемкость процессов горного производства. Одним из наиболее перспективных путей интенсификации процессов строительства и эксплуатации шахт является направленное изменение свойств и состояния разрабатываемого массива пород. .........

Эффективным инструментом управления свойствами пород служит использование поверхностно-активных сред (ПС), действие которых основано на - адсорбционном . понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). Возможность существенного изменения под действием ПС прочностных, упругих, реологических и горно-технических характеристик пород, сравнительно низкая стоимость ПС, минимум дополнительных затрат при их использовании и экологическая безопасность открывают широкие перспективы использования поверхностно-активных сред в . подземных условиях.' Однако применение ПС в процессах строительства шахт и разработки месторождений до настоящего времени носит лишь эпизодический характер, а исследования, выполненные в данном направлении, зачастую посвящены одной, иногда достаточно узкой области применения ПС, тогда как объект воздействия - горный массив един для самых разных процессов горной технологии. Это дает возможность не только управлять параметрами отдельных процессов, но и повысить эффективность горной.технологии в целом как единой системы взаимосвязанных операций.' .

Все это определяет актуальность данных исследований, посвященных теоретическому обобщению и определению путей практического использования ПС в шахтных'условиях.

Работа выполнена на основании плана важнейших исследований, утвержденного Академией наук и ГКНТ СССР и по результатам хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ Уральской государственной горно-геологической.академии.

• Целью работы является повышение эффективности и безопасности процессов шахтного строительства путем направленного изменения свойств горных пород с помощью поверхностно-активных сред.

Основная идея работы состоит' в использовании основных закономерностей воздействия поверхностно-активных сред на свойства и состояние горных пород для оптимизации и повышения эффективности

всего комплекса взаимосвязанных процессов горной технологии.

Задачи исследований:

1. Разработка методики и выбор эффективных поверхностно-активных сред в их оптимальной концентрации для конкретных типов горных пород.

2. Исследование и обоснование методов контроля процесса насыщения горных пород растворами ПС.

3. Установление закономерностей действия ПС на горные породы и обоснование методов контроля изменения их свойств и состояния под влиянием поверхностно-активных сред.

4. Обоснование и анализ системы количественных оценок влияния ПС на параметры процессов горной технологии.

5. Разработка методов оптимизации горной технологии как единой системы взаимосвязанных процессов, зависящих от действия ПС.,

Метода и объекта исследований. В качестве основного методического принципа принят комплексный подход, заключающийся в рассмотрении строения, свойств, состояния горных пород и действующей на них поверхностно-активной среды как единой взаимосвязанной системы. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории физики горных пород кафедры шахтного строительства УГГГА, на кафедре коллоидной химии Московского государственного-университета, стендах института НИПИГормаш и заключались в изучении строения горных пород по шлифам и люминесцентным методом, их физико-механических свойств по современным стандартным методикам, в моделировании процессов,бурения, резания и взрывания. Промышленные испытания выполнены на шахтах треста "Бокситстрой", ПО "Севуралбок-ситруда", ШПУ N10 треста "Горловскуглестрой". Для обработки и анализа результатов исследований использовались методы статистической проверки гипотез, дисперсионного и корреляционного анализов, а также методы анализа временных рядов.

Объекты исследований - горные породы Североуральских бокситовых, Узельгинского медноколчеданного месторождений, Горловского региона Донбасса при воздействии на них различных поверхностно-активных сред.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Зависимость контактной прочности от времени воздействия ПС на поверхность горной породы имеет циклически затухающий характер, где минимум первой полуволны соответствует максимальному эффекту действия ПС и в этом качестве служит критерием выбора оптимальной для данной породы поверхностно-активной среды.

'2. Параллельное измерение скорости упругой волны и относи- , тельной диэлектрической проницаемости пород является основой контроля процесса насыщения горного массива растворами ПС, позво-• ляющего выделить ту составляющую изменчивости скорости волны,- которая обусловлена только увеличением дефектности (трещиноватости) пород в поверхностно-активных средах.

3. Концентрация _трещин, образующихся при нагружении скальных пород в присутствии ПС, имеет логарифмически-линейное распределение по их длине, оценка параметров которого-по скорости упругой волны с учетом размеров минеральных зерен позволяет прогнозировать изменение свойств и состояния горных пород на основе установленной системы взаимосвязей механических характеристик пород, чувствительных к действию ПС.

4. Повышение эффективности горно-проходческих процессов за счет использования поверхностно-активных сред можно априорно прогнозировать с помощью установленной системы оценок, достоверность и надежность которых подтверждена результатами моделирования и опытно-промышленных испытаний в шахтных условиях.

5. Взаимосвязь и взаимообусловленность горных процессов оп- • ределяют кумулятивный эффект, действия-ПС, заключающийся в том, что суммарная эффективность использования поверхностно-активных сред в горной технологии превышает сумму повышения эффективности отдельных процессов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается: использованием фундаментальных теоретических положений физики горных пород, теории упругости, физической и коллоидной химии; достаточным (с точки зрения- заданой- надежности - 95%) объемом и представительностью статистических выборок, использованных для установления основных закономерностей воздействия ПС на свойства' горных пород и параметры процессов горной технологии; удовлетворительной сопоставимостью, подтвержденной методами статистической проверки гипотез, лабораторных и промышленных исследований; достаточно надежным соответствием результатов расчетных методов фактическим данным - расхождение не превышает доверительного интервала экспериментальных определений при уровне значимости 0.05; положительными результатами практического, использования ПС в процессах горного - производства.

Научная новизна:

1. Разработана методика выбора эффективных поверхностно-активных сред в их оптимальной концентрации, основанная на анализе

временных рядов изменчивости контактной прочности горных'пород.

2. Установлены уравнения кинетики насыщения горных пород растворами ПС, параметры которых определяются степенью активности данного раствора, пористостью пород, удельной поверхностью минеральных зерен и характером цементирующего материал'^; разработана методика контроля процесса насыщения, позволяющая выделять и количественно оценивать эффекты замещения газа в порах раствором ПС и развития трещиноватости горных пород.

3. На основе изученных закономерностей распределения трещин в нагруженных в присутствии ПС горных породах заложена теоретическая основа методов контроля свойств и состояния массива при использовании поверхностно-активных сред в процессах горного производства.

4. Определена система оценок эффективности использования поверхностно-активных сред в процессах бурения, комбайнового резания, взрывного разрушения горных пород и борьбы с горными ударами, учитывающая физическую сущность данных процессов и основанная на изученных закономерностях влияния ПС на свойства пород, определяющие параметры этих процессов.

5. Предложены математическая модель и программа оптимизации параметров горной технологии, базирующиеся на анализе взаимосвязи и взаимообусловленности процессов подземной разработки месторождений полезных ископаемых;

Личный вклад автора заключается: в постановке цели, определении задач исследования и разработке методов их решения; организации, методическом руководстве и-личном участии в лабораторных и промышленных (шахтных) испытаниях; выполнении всех аналитических исследований; обобщении и теоретическом анализе экспериментов по определению трещиноватости горных пород,, нагруженных в присутствии ПС (МГУ), и усилий резания бокситов (НИГШГормаш); разработке методик выбора эффективных ПС, контроля процесса насыщения горных пород и контроля свойств и состояния горного массива; разработке математической модели, алгоритма и оптимизации параметров горных процессов при использовании поверхностно-активных сред.

Научное значение работы состоит в разработке комплексного подхода к использованию поверхностно-активных сред, включающего выбор эффективных ПС, контроль процесса насыщения горных пород растворами, контроль свойств и состояния массива в ходе насыщения, ' количественную оценку эффективности использования ПС как. в отдельных процессах, так и всей горной технологии в целом. Научные результаты исследований могут быть полезны для уточнения ме-

ханизма действия эффекта Ребиндера в таких неоднородных и многокомпонентных твердых телах, как горные породы.

Практическое значение работы состоит в методическом обеспечении использования ПС в горных процессах, предлагаемых способах и средствах воздействия растворами ПС на массив горных пород, позволяющих заметно увеличить скорость бурения и. резания пород, снизить затупление и расход бурового инструмента и резцов, улучшить пылеподавление, сократить удельный расход ВВ при взрывных работах, снизить трудоемкость мероприятий по борьбе с горными ударами.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Разработанное на основе данных исследований "Временное руководство по организации процесса бурения с промывкой растворами ПС" принято к использованию в шахтостроительном тресте "Бокситс-трой", ПО СУБР, ШПУ N10 треста "Горловскуглестрой"; применение предложенного способа бурения шпуров и скважин позволило на (16-52)% повысить скорость чистого бурения, на (20-40)% снизить-износ и затупление бурового инструмента, что в 1.5-3.0 раза увеличивает время работы коронок до их замены, уменьшение в 1.6-3.7 раза запыленность рудничной атмосферы.

"Методика оптимизации процессов проходки горных выработок с использованием ПС" утверждена и принята к внедрению в тресте "Бокситстрой" и ПО СУБР; в соответствии с расчетом использование новой оптимальной технологии при проходке вскрывающего квершлага гор.-860 м шахты "Ново-Кальинская" обеспечивает увеличение производительности труда с 3.4 до 4.45 м/чел-смен, увеличение скорости проходки на 43 м/мес, сокращение забойных затрат в 1.23 раза и общей стоимости 1 м квершлага на 11.3%.

■ Использование поверхностно-активных сред для борьбы с горными ударами на шахтах СУБРа в зависимости от категории удароопас-ности и принятой технологии позволяет (в соответствии с расчетом по- нормативам и ценам 1984 года) снизить затраты на противоударные мероприятия от 48 до 92 руб на 1 м выработки. "Методические указания по контролю свойств и состояния горного массива при его насыщении поверхностно-активными средами" утверждены главными инженерши треста "Бокситстрой", ПО СУБР и ШПУ N10 треста "Горловскуглестрой".

Элементы-теоретических и методических разработок диссертации внедрены в учебный процесс Уральской государственной горно-геологической академии при чтении курсов "Физика горных пород", "Исследование процессов подземного строительства" и при выполнении

- 6 -

студентами курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научной конференции вузов СССР "Физика горных пород и процессов" (Москва, 1974), на территориальном семинаре "Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования при проектировании проходки глубоких шахтных стволов" (Североуральск, 1974), на Всесоюзных научных конференциях вузов СССР "Комплексные■исследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва, 1977, 1984, 1987), на конференции "Изучение инженерно-геологических условий месторождений Урала различных генетических типов" (Свердловск, 1983), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Проблемы горного давления на больших глубинах при ведении подземных и открытых работ" (Кривой Рог, 1990), на Российском совещании "Гидрогеология, инженерная геология и геоэкология месторождений полезных ископаемых" (Екатеринбург, 1994), на Российской конференции "Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов" (Москва, 1995), на научно-технических советах треста "Бокситстрой" (1989, 1990, 1991, 1992), ПО СУБР (1992, 1993), треста "Горловскуглестрой" (1992, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе .учебное пособие. Результаты исследований изложены в 10 научных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 331- странице машинописного текста, включая 74 рисунка, 24 уаблицы, список литературы из' 171 наименования и приложений.

Работа выполнена на кафедре шахтного строительства Уральской государственной горно-геологической академии по результатам 9 хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, в которых автор участвовал в качестве научного руководителя.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Выбор поверхностно-активных сред и их оптимальной концентрации

Зависимость контактной прочности от времени воздействия ПС на поверхность горной породы имеет циклически затухающий характер, где минимум первой полуволны соответствует максимальному аффекту действия ПС и в этом качестве служит критерием выбора оптимальной для данной породы поверхностно-активной среды.

Собственно поверхностно-активными веществами принято называть органические соединения с асимметричной молекулярной структурой, которая содержит атомные группы, резко отличающиеся характером взаимодействия с окружающей средой. Однако еще П.А.Ребинде-ром, а затем и.другими исследователями, для воздействия на горные породы помимо собственно поверхностно-активных веществ широко использовались электролиты, растворы солей, расплавы и пр. Для обозначения совокупности всех этих веществ в.литературе используются различные термины. В контексте данных исследований принято наименование - поверхностно-активные среды (ПС).

Одной из главных, черт эффекта Ребиндера, особенно для электролитов, имеющих резко выраженный концентрационный максимум эффективности (Ф.Д.Овчаренко), является избирательность действия. По свидетельству Н.В.Перцова, несмотря на более, чем полувековой период исследований, надежного теоретического инструмента выбора оптимальной ПС для реального технологического процесса не создано. Господствует эмпирический подход и в обозримом будущем изменения ситуации не предвидится. В настоящее время разными исследователями (Г.Я.Воронков, Г.И.Марцинкевич, И.И.Круглицкий, Л.Н.Ма-евская, В.И.Оробченко, А.Д.Алексеев, С.Я.Ярема, 0.А.Эдельштейн, *Л.П.Шоболова и др.) используется широкая гамма самых разнообразных критериев эффективности ПС, главным недостатком которых является трудоемкость определения.

Наиболее рациональным способом выбора ПС является изучение ее воздействия на те свойства горных пород, которые прямо влияют на эффективность рассматриваемого процесса. Анализ с этой точки зрения основных механических характеристик горных пород показал предпочтительность показателя контактной прочности, уменьшение величины которого под действием ПС обусловлено резкой потерей прочности поверхностного слоя породы, названной Л. А.Шрейнером "адсорбционным понижением твердости".

Исследование контактной прочности Рк как меры эффективности поверхностно-активных сред показало следующее. Изменение данного показателя со временем воздействия ПС на поверхность породы носит циклически затухающий характер, что определяется кинетикой насыщения пород растворами и связанным с этим изменением, механизма-разрушения тела под штампом. В месте контакта штампа с хрупкой породой происходит ее упругий прогиб, а под основанием штампа образуется ядро уплотнения с областью пластических сдвигов в его нижней части (й.А.Остроушко). При этом начальное (первые'5-Ю ми- . нут действия ПС) снижение величины Рк хорошо описывается механиз-

мом адсорбционного понижения твердости (Л.А.Шрейнер). По мере проникновения активного раствора по контактам минеральных зерен и системе микротрещин пластические сдвиги происходят уже по всей поверхности полусферы ядра уплотнения и достигают поверхности породы. В момент, когда предел текучести верхнего слоя породы станет меньше напряжений, обусловливающих хрупкий выкол, вместо упругого прогиба под штампом происходит его заглубление с выдавливанием породы по периферии. Вследствие этого разрушение осуществляется в более глубоких слоях породы, в меньшей степени затронутых разупрочняющим действием ПС - величина контактной прочности скачком возрастает (см. рис.1)'. В дальнейшем, по мере все большего проникновения раствора ПС, цикл повторяется, но уже с меньшей амплитудой за счет ухудшения условий работы ядра уплотнения по мере заглубления штампа.

' Анализ корреляционной функции временных рядов Рк и распределения величины коэффициента вариации единичных определений, а также статистическая проверка соответствующих гипотез показывают, что с надежностью не менее 97% такой циклически затухающий характер изменчивости контактной прочности отражает объективно существующую закономерность, а ее зависимость от времени воздействия ПС обладает свойством эргодичности. Тогда единственная реализация такой зависимости при достаточно большом времени испытаний (не менее 30 минут) дает статистически надежную характеристику вре-

менного ряда" изменчивости контактной прочности. Для определения детерминированной части временного ряда P(t) разработана программа, реализованная- в среде Quattro Pro на ЭВМ типа IBM PC, осуществляющая сглаживание эмпирических данных m-членными фильтрами и полиномами k-ой (к < 5) степени. Результаты исследования контактной прочности представительных горных пород Североуральских бокситовых, Узельгинекого медноколчеданного месторождений и Гор-ловского региона Донбасса при воздействии на них различных ПС в концентрациях от 0.5 до 0.001%. показывают, что наименьший разброс данных, не превышающий погрешность единичных определений Рк, наблюдается в первой полуволне временного ряда, а ее экстремум соответствует максимальной эффективности принятого раствора ПС. Для подавляющего большинства изученных горных пород и ПС наилучшее приближение к экспериментальным данным дает пятичленный фильтр Шеппарда.

Таким образом, в качестве критерия выбора оптимальной для данных условий поверхностно-активной среды следует использовать величину минимума первой полуволны детерминированной составляющей" временного ряда контактной прочности торных пород. Установлено, что эта величина коррелирует с параметрами кинетики насыщения пород растворами ПС, относительным снижением прочности, упругости и в этом качестве может служить мерой эффективности использования данного раствора в процессах горной технологии.

Реализация разработанной методики позволила установить эффективные для основных типов изученных пород растворы ПС в их оптимальной концентрации.

2. Контроль процесса насыщения горных пород

растворами ПС

Параллельное измерение скорости упругой волны и относительной диэлектрической проницаемости пород является основой контроля про процесса насыщения горного массива растворами ПС, позволяющего выделить ту составляющую изменчивости скорости волны,' которая обусловлена только увеличением дефектности (трещиноватости) пород в поверхностно-активних средах.

Анализ кинетики насыщения горных пород Урала и . Горловского-региона Донбасса растворами ПС показывает, что при существенной разнице количественных оценок характер насыщения для всех пород и растворов одинаков. На графиках кинетики (рис.2) четко выделяются три участка, соответствующие трем стадиям (фазам) насыщения. Первая стадия- соответствует фильтрации растворов по открытым кана-

Рис.2. Кинетика насыщения известняков

РисЗ. Связь влажности известняков со скоростью волны

1 2 3 4 9 6 7 8 . Изменение скорости волны,%

вода ж ДС

а МгС12

лам. Для малых по размеру образцов этот процесс происходит- практически мгновенно (длительность не более минуты) и максимальное увлажнение Щ пропорционально открытой пористости пород. В случае насыщения реального горного массива эта величина будет определяться его строением и тревдковатостью, однако решение"этой сложной задачи выходит за рамки данных исследований. Для изученных пород добавка ПС увеличивает величину Иг в -среднем на 20£, что обусловлено известным механизмом влияния активных молекул на краевой угол смачивания и вязкость нагнетаемой жидкости.

Вторая стадия насыщения определяется миграцией адсорбирующихся молекул раствора по микротрещинам и контактам минеральных зерен. Уравнение кинетики этой стадии для изученных пород достаточно точно (отклонение опытных и расчетных значений в пределах (0.5-8.7%) описывается уравнением

И = Ко + А-Ь1/г, (1) '

где И=И0+ Иг - влажность пород в.начале второй стадии, которая складывается из естественной влажности пород Иг и увлажнения на стадии фильтрации Иг. Коэффициент интенсивности насыщения А изменяется в широких пределах -.от 1-Ю"4 до 60• Ю-4 с~1/2 и пропорционален квадрату среднего диаметра составляющих породу минеральных зерен А1/А2 т.е. соотношению их суммарных поверхностей. Это подтверждает вывод о том, что доминирующим механизмом второй стадии насыщения является миграция молекул раствора по доступным им поверхностям на контактах минеральных частиц.

Третья, еще более медленная стадия насыщения характерна только для поверхностно-активных сред. Это позволяет предположить, что она связана с активизацией под действием ПС трещинооб-разования за счет внутренних напряжений в горных'Народах и двумерной миграцией активных молекул по вновь образованной поверхности микротредан." Наилучшее приближение к опытным данным (1.1-4.6%) дает уравнение гиперболы в виде

■■■ - ■ И = кр-Итах^/(1 + Тр), ■ (2)

где Ишах ~ максимальная влагоемкость горной породы (при насыщении водой), определяется общей пористостью пород П и для эффузивных литотипов Урала пироксен-плагиоклазового состава может быть найдена по уравнению Итах ='0.12-П2; кр - коэффициент активности данного раствора ПС, показывающий во сколько раз увеличивается Ищах при введении в воду поверхностно-активных веществ. Для изученных пород и растворов кр= 1.0-1.5. Параметр Тр можно интерпретировать как время, за которое влажность пород достигает величины крИтах/2 при условии доминирования механизма третьей стадии насы-

щения; определяется .опытным путем по п экспериментальным данным на последней стадии насыщения пород Тр=£{11СкрШтах/Ш(11)-13>/п.

Анализ методов контроля процесса насыщения показывает,■ что наиболее информативным критерием оценки влажности горных пород является скорость распространения упругой волны. Результаты лабораторных исследований позволили установить единое уравнение связи для различных пород и ПС (рис.3)

» « Щ + (крИрах- Ив)•£1-ехр(-100-Ь-ЛУСв)3, . (3) где С6 - соответствующая естественной влажности горных пород скорость продольной волны, йС - приращение скорости волны при насыщении пород, Ь - безразмерный коэффициент (Ь = 0.3-0.7), определяемый составом и строением горных пород и не зависящий от типа ПС.

' На изменение скорости упругой волны влияют две разнонаправленные тенденции. С одной стороны, повышение сплошности породы за счет вытеснения газов из пор жидкостью приводит к росту скорости волны, с другой. - увеличение трещиноватости пород под действием ПС сопровождается снижением С. Это подтверждается тем фактом, что наиболее эффективным инструментом контроля влажности меняющего свое строение горного массива является высокочастотный диэлектрический метод, основанный на зависимости относительной диэлектрической проницаемости £ от влажности горных пород V, уравнение которой можно представить в виде

3-£гпбе. (4)

где £Гп ~ диэлектрическая проницаемость слагающих породу минералов и бе = (е - £ГП)/£е - относительное изменение е при увлажнении породы, вызванное дипольной поляризацией молекул воды. Для всех изученных горных пород величина эмпирического коэффициента в остается достаточно стабильной и в среднем составляет в » 4.4. ,

Таким образом, параллельное измерение в процессе насыщения горных пород скорости упругой волны и диэлектрической проницаемости позволяет оценить приращение скорости волны 6С(№) = (ДС/Се) •100%, обусловленное замещением газов в порах раствором ПС и 5С(Ю, вызванное развитием трещиноватости пород. Учитывая, что максимальное увлажнение пород растворами ПС выше, чем водой, полученные соотношения можно преобразовать к следующей системе уравнений

г

|8С(И) = ~ 1п[1 - 4.4(£гп/£е)й£^тах]/Ь при Де < ДеКр.

|5С№ = бС(Икр) при Де > ДеКр- (5)

I.

Здесь обозначения с индексом (кр) соответствуют состоянию полного насыщения горных пород.

Установленные закономерности позволили разработать методику контроля процесса насыщения горного массива растворами ПС. Для ее опробования проведена серия шахтных испытаний по насыщению породного массива (порфириты гор.-800 м шахты 12-12бис СУВРа) раствором А1С1з в концентрации 0.001%, позволившая"отработать режим и параметры контроля.

3. Влияние поверхностно-активных сред на свойства и состояние горних пород Концентрация трещин, образующихся при нагружении скальных пород в присутствии ПС, имеет логарифмически-линейное распределение по их длине, оценка параметров которого по скорости упругой волны с учетом размеров минеральных зерен позволяет прогнозировать изменение свойств и состояния горных пород на основе установленной системы взаимосвязей механических характеристик пород, чувствительных к действию ПС.

Для количественной оценки развития трещиноватости нагруженных в присутствии ПС (додецилсульфат натрия СДС], К2СО3) горных пород Урала совместно с кафедрой коллоидной химии Московского гос.университета выполнена серия лабораторных экспериментов (Н.И.Иванова). Анализ результатов показывает, что при примерно одинаковой длине трещин их концентрация увеличивается с N = 1.25-109 1/м3 на воздухе до N = 4.47-Ю8 1/м3 в 0.16% растворе ДС, удельная поверхность трещин возрастает, соответственно, с 2.25 до 8.34 м2/м3, т.е. почти в 4 раза. Испытания, выполненные • при различных уровнях нагрузки, свидетельствуют о том, что вновь образованная в присутствии ПС удельная поверхность прямо пропорциональна корню квадратному величины приложенных напряжений.

Результаты экспериментов показывают, что общее увеличение трещиноватости пород под действием ПС обусловлено ростом концентрации трещин самых малых и.самых больших размеров (см. наличие минимума на рис.4). Следовательно, механизм трещинообразования в ПС заключается в росте уже существующих трещин и зарождении новых ; Первое определяется понижением за счет ПС поверхностной энергий пород (механизм Гриффитса), .второе - увеличением актива-ционного объема ■ и'облегчением движения дислокаций в присутствии активных молекул (Е.Д.Щукин). При этом распределение концентрации трещин по их длине Ц имеет логарифмически линейный характер и с надежностью более 99% (критерий согласия Пирсона) может быть опи-

саны уравнением

^ - 1.1 - Кь-1п1ь (б)

где и - логарифм концентрации трещин единичной длины (1 мкм) и Кь - коэффициент снижения концентрации трещин с увеличением их длины.

Рост концентрации трещин определяет снижение скорости упругой волны С в горных породах по закону

N = 1п(С0/С)/с13, (7)

где С0 - скорость упругой волны в ненарушенной породе и й - средний диаметр минеральных зерен (размер элементарного структурного элемента горной породы); коэффициент корреляции взаимосвязи г = -0.874.

Учитывая, что суммарная концентрация трещин в горной породе соответствует определенному интегралу от функции распределения (6) с учетом средней ширины интервалов по длинам трещин Ь и используя уравнение (7), получим

ЬСЬ12/2Кь - 3.221.1 + 5.2КьЗ = С0/С - 31пс1. (8)

Уравнение содержит два неизвестных параметра - Ц и Кь. Для их количественной оценки возможны два пути:

1. Для изученных горных пород при их нагружении в воде и растворах ПС логарифм концентрации трещин единичной длины, остается постоянным (в частности, для пород пироксен-плагиоклазового состава Ь1 = 19.7). Тогда уравнение (8) преобразуется к виду

Ш94/Кьг 63 + 5.2КьЗ = С0/С - 31пс1. (9)

2. В ряде случаев обычными мерными инструментами можно определить длину наибольшей трещины в горной породе 1тах. Если обозначить 1п(1щах) = Ь1/Кь = Ь, то уравнение (8) можно разрешить относительно его параметров

Кь = Е (20о/С - 61пф/Ы/(Ь2 - 6.44Ь + 10.4), Ц = Кь-Ь. (10)

Развитие трещиноватости горных пород в ПС существенно изменяет их механические свойства. Так прочность пород снижается на 20-80%, причем это снижение значительно больше, чем следует из теории хрупкого разрушения Гриффитса. Очевидно, это объясняется тем, что при обработке пород растворами ПС существенно меняется сам характер деформирования и разрушения - появляется заметная пластическая деформация, выраженная в "мягком" разрушении образцов. Все это по своей сути не. соответствует условиям теории хрупкого разрушения Гриффитса. В этой связи представляется более пра-

вильным учитывать не длину магистральной трещины, а общую характеристику трещиноватости пород. Хорошее соответствие опытным данным дает экспоненциальная зависимость прочности от концентрации трещин в горной породе

б = б0-ехр(~с13М), (И)

где б0 - прочность ненарушенной горной породы.

Характер изменения прочностных показателей во времени однозначно соответствует кинетике насыщения пород растворами ПС и в этой связи может быть оценен параметрами уравнения (1). При этом максимальное снижение прочности по времени совпадает с окончанием второй стадии насыщения (стадии адсорбционной миграции активных молекул). Установлено, что определяющим фактором.в механизме разупрочнения является не общее количество поставляемого в породы раствора ПС, а характер и степень его проникновения в межзеренное пространство.

Повышение дефектности горных пород в ПС приводит к их существенному пластифицированию,.. которое сопровождается появлением необратимых (остаточных) деформаций, увеличением коэффициента пластичности до к = 1.2-1.9, снижением модуля упругости Е. Последнее определяется'концентрацией трещин

£ = Е0-ехр(-2с!3М), (12)

где Е0 - модуль упругости исходной (ненарушенной) породы.

Все это приводит к тому, что при одном и том же уровне напряжений б введение поверхностно-активных сред сопровождается совершением дополнительной работы по деформированию горного массива ДА = к-(б2/2Ео)[ехр(2с13Млс) - ехр(2<13Мо) 1. (13)

Для оценки эффективности пластифицирующегр действия ПС удоб- -но использовать'относительную характеристику 6А = ДА/А0. Тогда 5А = ехр[2с]3(Мпс - И0)] - 1. (14)

Проверка применимости полученных соотношений (11-14) показала, что для широкой гаммы изученных пород эти уравнения обеспечивают достаточную точность - среднее расхождение с опытными значениями, составляет 8%, что лежит в пределах погрешности экспериментального определения данных характеристик.

Реологические свойства определяют изменение механических характеристик пород во времени и в этом качестве играют исключительно важную роль в прогнозировании поведения горного массива под действием ПС. Установлено (эксперименты по схеме центрального нагружения балок), что мгновенная деформация за счет снижения модуля упругости горных пород под действием ПС возрастает от 10 до 70%, в то время как деформация ползучести гп увеличивается от 2

Рис.4. Относительная концентрация -

до 7 раз. Опытные данные достаточно точно описываются .уравнением Больцмана со степенным ядром ползучести Ц1,т)й5(1-т)~а, однако подавляющее большинство горных пород, обработанных растворами ПС, имеют явно выраженный двухстадийный характер деформирования (рис.5) с существенно различными параметрами а и б.

Такой характер достаточно очевидно соотносится с двумя последними фазами насыщения горных пород (см.рис.2). Это' позволяет предположить, что доминирующим механизмом первой стадии ползучести является мёжзеренное скольжение, облегчение которого определяется проникновением активного раствора за счет адсорбционной миграции на контакты минеральных зерен. Вторая, более медленная стадия ползучести, по-видимому, связана с внутризеренным скольжением за счет облегчения сдвиговых деформаций в кристаллических минеральных частицах.

Из уравнения Больцмана скорость ползучести определится как с!еп/с& = (б-б/Е)^"3. С учетом уравнения (12), получим

(Згп/сй = [6-б-ехр(2с!3ЮЗ/(Ео-1~а), (15)

т.е. скорость ползучести экспоненциально увеличивается с ростом концентрации трещин в горной породе. Активизация ползучести горных пород под действием ПС приводит к тому, что для ее реализации массив совершает дополнительную работу Ап. С учетом известных соотношений механики горных пород и выше приведенных уравнений эту работу можно определить следующим выражением

Ап = (62/2Е0)[(к-1)+2к(5/[1-])- (16) Используемое для описания ползучести уравнение Больцмана достаточно точно соответствует опытным данным в диапазоне нагру-жения до 48 часов. Однако это уравнение не.имеет экспоненты, т.е. строго говоря, пригодно лишь для описания незатухающей ползучести, в то время как в горных выработках ползучесть носит, как правило, затухающий характер. Статистический анализ опытных данных показывает, что финишные участки кривых ползучести в ПС (при I > 24 час) имеют характер аналогичный темпу насыщения горных пород в его последней третьей стадии. Тогда по аналогии с выражением (2) уравнение второй стадии ползучести запишется в виде

гп = £тах^(1 + Те), (17)

где £тах - предельная деформация ползучести (асимптота графика), Тв - время, за которое гп достигнет половины Ешах- Уравнение (16) преобразуется к виду

Ап = б2(к-1)/2Ео + б-Етах, ■ (18)

где величину - £тах следует определять "способом наименьших квад-

ратов" по опытным данным последнего этапа ползучести £тах - вп!'

Для обеспечения заданной степени изменения механических характеристик пород и оценки их влияния на параметры конкретных горных процессов необходим непрерывный контроль свойств и состояния горного массива по мере его насыщения растворами ПС. В качестве критерия такого контроля может служить относительное изменение скорости продольной волны 6С(Ю, обусловленное только строением горных пород и не зависящее от влажности массива. Методика определения этой величины изложена в предыдущем разделе и предусматривает стационарную установку датчиков на весь период насыщения, что в значительной мере уменьшает погрешность измерений.

Приведенные выше результаты исследований позволили разработать математическую модель и для широкого круга изученных пород определить параметры уравнений контроля -ДИ = % - N1.= [1п(С1/С2)3/с13, [б] = (б0/С0)-С - Р0, Е = (Ео/Со2)-С2,

ДА = (б2Со2/2Ео)•[1/С12 - 1/С22], (19)

■<1бпЛ1Ь = (5-б-С02)/(Е0Спс2-Ьа), Ап = (62/2Ео)[С12/С22

- 13 + б-Етах.

Высокая надежность (по - критерию Пирсона), достаточная для практики точность (не ниже вариации характеристик в единичных определениях) позволяют использовать данные уравнения для оценки относительного изменения свойств в процессе обработки горных пород растворами ПС. Опытная проверка данных соотношений для эффузивных пород Александринского медноколчеданного месторождения (Южный Урал) показала их приемлемую точность (средняя вариация от 10 до 18%), что подтверждает принципиальную применимость разработанной модели для сходных по составу пород других месторождений. Помимо относительной оценки данные зависимости могут быть использованы для косвенного (по скорости волны) определения и абсолютных величин свойств пород. С этой целью для каждого класса изученных литотипов установлены уравнения масштабного эффекта и поправки на действующее горное давление.

По результатам исследований разработаны "Методические указа- , ния по контролю свойств и состояния горного массива при его насыщении поверхностно-активными средами", утвержденные главными инженерами ПО СУВР и треста "Бокситстрой".

4. Использование поверхностно-активных сред в процессах горного производства Повышение эффективности горно-проходческих процессов за счет использования поверхностно-активных сред можно априорно прогнозировать с помощью установленной системы оценок, достоверность и надежность которых подтверждена результатами моделирования и опытно-прохийденних испытаний в шахтных условиях. Бурение шпуров и сквашп.

«•Значительное снижение твердости и прочности горных пород в ПС позволяет ожидать существенного повышения эффективности процесса бурения,, что еще в 30-х годах было доказано П.А.Ребиндером и Л.А.Шрейнером. Однако до настоящего времени, особенно при подземной разработке месторождений, где бурение шпуров и скважин составляет до половины трудоемкости всех горных процессов, поверхностно- активные среды не находят сколько-нибудь заметного применения. Рассматривая процесс бурения, как вдавливание в упруго-пластичное полупространство плоского штампа (Л.А.Шрейнер), под которым образуется ядро уплотнения (И.А.Остроушко) , анализируя теоретические соотношения для.механизмов скола и выкола (Ю.И.Протасов) и основываясь"на'установленных закономерностях изменения свойств горных пород под действием ПС, определены уравнения относительного изменения параметров бурения при использовании поверхностно-активных сред. Скорость бурения

Уб(пс)/Уб(о) = £бр(о)/бр(пс)31/2-. (20)

где брсо) и бр(пс) - прочность при растяжении горных пород - исходных и обработанных раствором ПС..

Относительное снижение энергоемкости бурения

Яо/Чпс = £бр(о)/бр(пс)]3/2. (21)

Решая совместно уравнения (32) и (33), получим

Чо/алс - ГУб(пс)/У6(о)33. (22)

Достоверность и надежность данных соотношений подтверждена результатами моделирования процесса бурения представительных горных пород Североуральских бокситовых месторождений и Горловского региона Донбасса. Для промышленного испытания и внедрения предложенного способа бурения разработано и изготовлено дозирующе-пода-ющее устройство (ДПУ), позволяющее при минимальных габаритах и массе создавать и контролировать заданную концентрацию ПС в растворе и автоматически поддерживать нужные параметры при работе бурильных машин и насосов. .

На основании разработанного "Временного руководства по орга-

- 20 - .

низации процесса бурения шпуров с промывкой растворами ПС", утвержденного главными инженерами трестов "Бокситстрой","Горловс-куглестрой" и ПО СУБР проведены опытно-промышленные испытания по перфораторному и вращательному (НКР-100) бурению в 9 забоях горных выработок данных предприятий по всем основным типам разрабатываемых пород. За счет использования предварительно выбранных оптимальных ПС достигнуто увеличение скорости бурения от 16 до 52% и в среднем 30%. Теоретические оценки по уравнениям (20-22) дают удовлетворительную сходимость с результатами шахтных испытаний - среднее отклонение 3%.

Высокая эффективность бурения с использованием в качестве промывочной жидкости растворов ПС обусловлена не только (и даже не столько) ослаблением самой поверхности забоя шпура или скважины, сколько общей системой взаимодействия горной породы, поверхностно-активной среды и разрушающего инструмента. Так если рассматривать одиночный удар при одномоментной подаче раствора на поверхность породы, то в силу малого времени воздействия ПС указанный выше эффект получить невозможно. Об этом свидетельствует, в частности, характер временных рядов контактной прочности (см. рис.1). Однако при многократном последовательном действии разрушающего инструмента на горную породу образуется достаточно обширная зона трещиноватости, куда проникают активные растворы, ослабляя массив на значительную глубину. Последнее обстоятельство и является решающим.

Указанные закономерности являются одной из основных причин повышения эффективности ПС в более прочных и напряженных породах, где скорость бурения снижается и, следовательно, увеличивается время, в течение которого активный раствор может мигрировать по трещинам предразрушения за счет механизма адсорбции. Так установлено, что скорость бурения нелинейно уменьшается по мере заглубления бура в массив, что, в первую очередь, связано с выходом шпуров в зону опорного давления. Однако темп спада скорости при . бурении с растворами ПС гораздо ниже, чем при традиционной технологии (рис.6). Суммарная оценка данных эффектов может быть осуществлена уравнением

Уб(пс)'- СУср(о)/11/43-[1 + (1 - 1/кпс)-1], (23)

где УСр(о) - средняя скорость бурения 1 м шпура с промывкой водой, 1 - глубина шпуров, кпс - коэффициент относительного увеличения скорости бурения в ПС.

а

- сс -

Разрушение бокситов проходческими комбайнами

Одним»из путей значительного подъема производительности добычи является внедрение комбайнового резания бокситов. Однако промышленные испытания угольных комбайнов ПК-9р и 4ПП-2 в условиях СУБРа показали, что эффективность использования комбайнов реэ-' ко снижается при разработке высокопрочных красных немарких бокситов. Использование ПС способно существенно расширить область эффективного использования комбайновой отбойки. Для количественной оценки такой возможности на стендах института НИПИГормаш осуществлено моделирование процесса резания бокситов и известняков Североуральских месторождений в различных режимах (В.Г.Дронов).

Анализ результатов моделирования показал, что для условий СУБРа зависимость усилий резания Fz3 и энергоемкости разрушения Hw от свойств горных пород можно описать следующими уравнениями:

- в установившемся-режиме (шаг резания t = 10 мм, толщина стружки Н = 4 мм, острым резцом ШБМ2С-1-1-0.4, скорость резания V = 0.4-0.5 м/с)

- Fzs = 9.4-10_7Рк, г =0.94; . - .

Hw = 2.2-Рк, г = 0.91-,

Fzs = 1.36-10~5С2 + 0.1-С, ti = 0.97; (24)

- Hw = 0.42-С2 + 1900-С, Ti = 0.97;

- в блокированном режиме с выровненной поверхности (Н=4 мм) -

г FZ3 = 15.4-10"7Рк, г = 0.89;

Hw = 3.67-Рк, Г = 0.87;

FZ3 = 2.25-10~5Сг + 0.18-С, ц = 0.99; (25)

- Hw = 0.8-С2 + 2660-С, и = 0.98. . '

В свою очередь зависимость усилий резания от шага и глубины резания бокситов описывается уравнением

Fzo = Fzari7H1,41' + (1.5 + 250Н)-t]-Ю-4. (26)"

Если эталонные усилия резания Fzs оценивать по скорости упругой волны С, то итоговое уравнение запишется в виде

Fzo=42.5• KaKßKf(1.36•105С2+0.1С)С17Н1'41+(1.5+250Н)•t3, (27) где Ka.Ks.Kf - совокупность коэффициентов, учитывающих геометрию резца (Л.И.Барон).

Для проверки работоспособности полученных соотношений на стендах НИПИГормаш проведено контрольное резание трех разновидностей бокситов при широком варьировании резцов и параметров резания (В.Г.Дронов). Анализ показывает достаточно хорошее соответствие расчетных и опытных характеристик - отклонение в среднем составляет 6.5%. "

Расчеты, выполненные для усредненных характеристик красных марких бокситов, показывают, что подача на рабочий орган комбайна 0.01% раствора А1С1з способна на 20% уменьшить необходимые усилия резания и расстояние между резцами, что обеспечивает рост производительности комбайновой отбойки в 1.6 раза.

Взрывание горных пород При взрывном воздействии основным критерием разрушаемости пород является распределение в них микротрещин еще на стадии, предшествующей разрушению (В.И.Мосинец, А.Н.Ханукаев). Исследованиями В.А.Безматерных установлено, что параметры взрывного разрушения монолитных массивов определяются показателем дефектности торных пород г0> который, может интерпретироваться как число нарушений Гриффитса (дефгкты любого характера, способные дать начало трещине при ударах и взрывах) на единицу длины. При этом количественно показатель к0 предлагается определять экспериментально по гранулометрическому составу горных пород, разрушенных взрывом сквозного цилиндрического заряда ВВ. Для изученных горных пород установлено, что величина г0 соответствует числу трещин на единицу длины размером менее 2 мкм. Тогда по известному .закону распределения" трещин '(уравнение 6) при 1=2 мкм

Го = Сехр(и - 0.7КЬ)]1/3. (28)

В свою очередь параметры и Кь могут быть оценены по скорости упругой волны в массиве (уравнения 9 и 10). На этой основе разработана классификация горных пород Североуральских бокситовых месторождений, где каждому выделенному классу пород сопоставлен типовой паспорт буровзрывных работ. Обработка горных пород поверхностно-активными средами приводит к активному зарождению микротрещин, т.е. увеличению показателя дефектности То, что сопро-' вождается снижением удельного расхода ВВ и возрастанием величины ЛНС. Например, разупрочнение под действием ПС пироксен-плагиокла-зовых пород Урала позволяет уменьшить в среднем удельный расход ВВ в 1.4 раза.

Износ и затупление породоразрушаюшрго инструмента. Анализ закономерностей механического разрушения горных пород показывает, что степень затупления бурового инструмента пропорциональна его линейному износу Д, относительной оценкой которого может служить соотношение

До/Дпс - (гоЕо/гпсЕпс)17^. (29)

где Ъ - абразивность (по Л.И. Барону) и Е - модуль упругости пород. Опыт перфораторного бурения по порфиритам (СУВР) показал, что использование в качестве промывочной жидкости 0.001% раствора

А1С1з снижает линейный износ коронки (КТ-40) в среднем в 1.28 раза. Расчет по формуле (29) для этих условий дает достаточно близкий результат До/Лпс =1.22.

Вследствие уменьшения скорости износа бурового инструмента при использовании ПС увеличиваемся время пробега коронок. Периодичность их замены увеличится в пропорции

■Ьпс^о = (До/Лпс) - 20Е0/2псЕПс, (30)

что для выше указанных условий позволяет в 2.2 раза реже производить смену коронок.

Линейный износ резцов при комбайновом резании бокситов уменьшается в следующей пропорции

йо/Дпс = С6р(о)/брспс)3(2о/гпс)1/2, (31)

а периодичность их замены'-

^с^о = (Ло/Лпс)2 = 2обр(о) 2/2псбр(пс)(32)

Для условий разработки красных марких бокситов расчет показывает, что орошение забоя раствором ПС способно в 1.5 раза снизить износ резцов и более, чем в'2 раза их долговечность.

Борьба с пылью

Уменьшение прочности пород, повышение эффективности работы ядра уплотнения, меньшее затупление .инструмента при бурении с использованием ПС способствуют уменьшению образования пыли в процессе разрушения горных пород. Кроме того, адсорбция активных молекул и уменьшение поверхностного натяжения воды с введением в ..нее ПС улучшают условия смачивания уже образовавшейся' пыли. Количественной оценкой последнего эффекта могут служить установленные характеристики процесса насыщения пород растворами ПС и, в частности, коэффициент активности раствора кр (см. уравнение 2). Комплексной мерой снижения запыленности шахтной атмосферы при бурении с промывкой растворами ПС служит соотношение Чо/Клс = кр

Аналогичное выражение получено для комбайнового резания бокситов '

Тс/Тле Ебр(о)АоРг(пс) ]2/Сбр(пс)АпсРг(о)]2, (34) где А - ширина лезвия резца.

Независимые исследования, выполненные лабораториями военизированных горноспасательных отрядов при контрольном бурении шпуров по порфиритам, известнякам (СУБР) и песчаникам (Горловский регион), показали снижение- выхода пыли (при 'использовании. ПС) в 2.0 - 3.7 раза. Аналитические оценки достаточно точно соответствуют данным контрольных замеров - расхождение от 4 до 17%.

- 25 -

Борьба с горными ударами

Предварительное.насыщение горных пород растворами ПС сопровождается релаксацией напряжений в приконтурном массиве, а пластифицирование пород в соответствии с общепринятыми критериями (И.М.Петухов, П.В.Егоров) переводит их в неудароспасное состояние. Полученные в работе соотношения позволяют количественно оценить эти эффекты. Так расчеты, выполненные для условий горизонта -860 м шахты 12-12бис СУБРа, показывают, что насыщение порфирита 0.001% раствором А1С1з снижает период релаксации до 1.6-105с, что при постоянной деформации приводит к уменьшению действующих, напряжений на контуре выработки с 25 до 14.6 МПа в течение первых суток.'Для тех же условий работа пластического деформирования массива под действием ПС составляет 40.8 кДж/м3, что превышает _первоначальный упругий потенциал (32.2 кДж/м3) и, следовательно, удароопасная ситуация становится невозможной.

Приведенные оценки справедливы при полном насыщении массива растворами ПС. Однако производственный опыт нагнетания воды в ■ удароопасные породы глубоких горизонтов (СУБР) показывают его низкую эффективность.. Изучение кинетики насыщения пород (см. раздел 2) позволяет уверенно прогнозировать, повышение интенсивности насыщения массива при использовании ПС, особенно на стадии адсорбционной миграции. Разработанная методика контроля процесса насыщения дает возможность не только оценивать степень увлажнения пород, но и определять относительное изменение свойств и состояния массива в ходе его обработки растворами ПС, а следовательно/ - и эффективность' ПС как средства борьбы с горными ударами.

Безотносительно к качеству и самой возможности увлажнения массива, поверхностно-активные среды могут успешно использоваться и в традиционных методах профилактики горных ударов. Так в соответствии с типовыми схемами разгрузки горного массива скважинами (СУБР) объем бурения достигает 160 м на 1 м выработки. Тогда только за счет интенсификации процесса бурения при использовании растворов ПС в качестве промывочной жидкости в среднем на 30% уменьшается трудоемкость сооружения скважин, что эквивалентно сокращению объема бурения от 3 до 48 м на 1 м выработки. Кроме того, применение ПС при бурении приводит к увеличению радиуса влияния каждой скважины в соотношении

Гпс/Го = кр[У6(пс)^б(о)31/2 = кр[бр(о)/бр(пс)31/4, (35) что для изученных пород и растворов позволяет в 1.3-1.7 раза уменьшить число буримых скважин при разгрузке горного массива.

- 26 -

Экологическая проработка

В результате аналитических исследований, лабораторных и шахтных экспериментов, а также независимой экспертизы (Свердловская СЭС, отряды ВГСЧ, "Уралмеханобр") установлено, что применение ПС не оказывает вредного воздействия на обслуживающий персонал и не требует специальных мер защиты, не способствует накоплению в подземных водах вредных примесей, не ухудшает коррозионную стойкость шахтного оборудования. Более того, снижение запыленности рудничной атмосферы благодаря ПС увеличивает безопасность и улучшает санитарно-гигиенические условия труда. На основании этого получено заключение Свердловского областного отдела здравоохранения и разрешение областной санитарно-эпидемиологической станции на применение рекомендованных поверхностно-активных сред в-процессах подземной разработки месторождений.

5. Оптимизация параметров горной технологии с учетом использования ПС

Взаимосвязь и взаимообусловленность горных процессов определяют кумулятивный эффект действия ПС, заключающийся в том, что суммарная эффективность использования поверхностно-активных сред в горной технологии превышает сумму повышения эффективности отдельных процессов.

Особенностью горного производства является циклический характер технологии. При разрушении горных-пород буровзрывным способом наиболее рациональна такая организация работ, при которой время цикла кратно продолжительности рабочей смены, тогда интенсификация хотя бы одного из элементов цикла, например, бурения шпуров, требует изменения параметров всей технологической цепочки. На основании принципов расчета, заложенных Н.М.Покровским, с использованием идей П.А.Лыхина о взаимосвязи элементов горной технологии разработана математическая модель оптимизации параметров цикличной организации работ

(^; 1шп) = Тц,

Умес - шах. (36)

где р! - расчетная функция 1-ой операции, включающая приведенные выше оценки эффективности действия ПС, с варьируемыми параметрами продолжительности операции ^ и глубины шпуров 1ШП.

Основная идея оптимизации заключается в поэтапном изменении (пересчете) параметров всех процессов проходческого цикла с учетом увеличения скорости бурения и связанной с .этим возможности увеличения глубины шпуров, обеспечивающих максимальные темпы про-.

ходки VMec при заданной системе ограничений. Решение оптимизационной модели осуществляется методом последовательных приближений с помощью компьютерной программы, реализованной в среде электронных таблиц Qattro Pro.

"Методика оптимизации процессов проходки горных выработок с использованием поверхностно-активных сред" утверждена главными инженерами треста "Бокситстрой" и ПО СУБР. Расчеты выполненные применительно к проходке вскрывающего квершлага гор.-860 м шахты "Ново-Кальинская", показывают, что увеличение скорости, чистого бурения за счет использования ПС с 22.2 см/мин до 33.1 см/мин и снижение износа буровых коронок в 2.2 раза позволяют при- том же времени цикла увеличить глубину шпуров с 1.75 до 2.30 м. При этом существенно изменяются параметры взрывных работ, погрузки породы, штангового крепления. В итоге скорость проходки квершлага увеличивается на 31% и достигает величины 181 м/мес.

В общем случае использование ПС и связанная с'этим возможность увеличения глубины шпуров обеспечивают относительное снижение времени заряжания и проветривания, повышение эффективности процесса погрузки породы, уменьшение трудоемкости штангового крепления и ,.других операций. Такой кумулятивный эффект действия ПС дает значительно больший прирост темпов проходки выработки (рис. 7, кривая 1), чем без учета этого эффекта (кривая 2).

Достигнутое увеличение скорости проходки позволяет на 23.3% сократить прямые нормируемые затраты (в том числе на зарплату, буровой инструмент, средства взрывания, энергию, амортизационные отчисления), на 4.4% - общешахтные, на 7.6% - накладные и на 12.7% - плановые накопления. При этом затраты на поверхностно-активные вещества пренебрежимо малы. Использование ПС при борьбе с горными ударами только в традиционной технологии дает расчетное снижение затрат в среднем на 34% за счет сокращения трудоемкости бурения разгрузочных скважин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны теоретические положения по оценке закономерностей воздействия поверхностно-активных сред на свойства и состояние скальных горных пород и изложены научно обоснованные технологические решения по повышению эффективности и безопасности' процессов шахтного строительства путем направленного изменения свойств и состояния горных пород поверхностно-активными

средами, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение .' научно-технического прогресса в горном деле.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1.' Критерием выбора оптимальной для данных условий поверхностно-активной среды может служить величина контактной прочности горных пород, зависимость которой от времени воздействия ПС имеет статистически надежно установленный циклически-затухающий характер и обладает свойством эргодичности. Разработанный на этой основе экспресс-метод позволил определить эффективные ПС в их оптимальной концентрации для представительных горных пород Североуральских бокситовых, Узельгинского медноколчеданного месторождений и Горловского региона Донбасса.

" 2. Зависимость насыщения пород растворами ПС соответствует _ трем стадиям процесса, уравнения кинетики которых позволяют прогнозировать скорость насыщения и количество проникающего в горные породы раствора. Параметры уравнений определяются пористостью пород, удельной поверхностью минеральных зерен, характером цемента, заполняющего межзеренные контакты и трещины отдельности.

3. Темп насыщения горных пород растворами ПС экспоненциально связан с изменением скорости распространений в них упругой волны, причем на это изменение влияют две разнонаправленные тенденции -увеличение скорости за счет вытеснения газов из пор раствором и уменьшение ее величины за счет развития трещиноватости в ПС. Первая тенденция в чистом виде может быть выявлена путем косвенной оценки влажности по изменению относительной диэлектрической проницаемости горных пород.

4. Действие ПС в условиях напряженных горных пород приводит к развитию существующей системы трещин и зарождению новых микротрещин, что сопровождается значительным (в 4 и более раза) увеличением общей дефектности пород. Распределение концентрации трещин по их длине имеет логарифмически линейное распределение, параметры которого однозначно определяются средним размером минеральных зерен, концентрацией трещин единичной длины и могут быть оценены по скорости распространения в породе упругой волны.

5. Адсорбционное понижение поверхностной энергии горных пород, облегчение движения дислокаций и пластифицирование межзерен-

• ных контактов в результате действия ПС сопровождается закономерным изменением комплекса механических свойств пород: снижением прочности (от 20 до 70%), уменьшбнием модуля и предела упругости

(в среднем в 1.3-1.5 раза)^ активизацией (в 1.5-7.0 раз) процессов ползучести и релаксации напряжений в массиве и др. Разработанная система уравнений позволяет количественно оценить данные явления.

6. На базе установленных закономерностей разработан метод контроля свойств и состояния горного массива в ходе его насыщения растворами ПС, заключающийся в одновременном измерении скорости упругой волны С и диэлектрической проницаемости е, определении по величине г влажности массива, выделении той составляющей С, которая обусловлена изменением строения (трещиковатости) пород, и использовании, соответствующих- уравнений для косвенной оценки изменчивости механических характеристик горных пород.- •

7. Направленное изменение свойств и состояния горных пород под. действием ПС позволяет существенно повысить эффективность основных процессов горной технологии:

- использование в качестве промывочной жидкости растворов ПС увеличивает в 1.16- 1.52 раза скорость бурения шпуров и скважин;

- уменьшение затупления и абразивного износа бурового инструмента в среднем в 1.2 - 1.4 раза позволяет увеличить пробег коронок до их-замены более, чем в'2 раза;

- подача на забой растворов ПС при резании бокситов проходческими комбайнами снижает в среднем в 1.5 раза износ резцов и повышает в 1.5 раза производительность отбойки;

- адсорбционная активность молекул ПС, а также улучшение условий бурения и резания снижает запыленность рудничной атмосферы в 1.6 - 3.7 раза;

- увеличение дефектности (концентрации трещин) горных пород обусловливает возрастание величины л.н.с., что позволяет снизить удельный расход ВВ при взрывных работах в среднем в 1.4 раза;

- использование ПС для борьбы с горными ударами-позволяет повысить (в среднем на 30%) производительность бурения камуфлет-ных шпуров и разгрузочных скважин, сократить на 25% их число, привести горные породы в неудароопасное состояние и снизить напряжения в приконтурном массиве;

Установленные в ходе теоретических и лабораторных (моделирование) исследований расчетные зависимости, достоверность и надежность которых подтверждена результатами шахтных^испытаний, позволяют количественно оценить эффект использования ПС уже на стадии проектирования технологии горных процессов:

8. Кумулятивный эффект действия ПС позволяет повысить эффективность горной технологии в целом как единой системы взаимосвя-

занных элементов. Так повышение скорости бурения дает возможность принтом же времени цикла увеличить глубину шпуров, что, в свою очередь, повышает производительность погрузки породы, сокращает относительное время вспомогательных операций и в конечном счете приводит к увеличению скорости проходки горных выработок. На основании установленных закономерностей разработана математическая модель и алгоритм оптимизации параметров технологии шахтного строительства, реализованные, в соответствующей программе на ЭВМ.

9. Внедрение полученных результатов применительно к строительству вскрывающего квершлага шахты "Ново-Кальинская" (СУБР) обеспечивает рост производительности' труда с 3.4 до 4.45 м/чел-смен, увеличение скорости проходки на 43 м/мес, сокращение забойных ^затрат в 1.23 раза и общей стоимости 1м выработки на 11.3%.

10. "Методические указания по контролю свойств и состояния горного массива при его насыщении поверхностно-активными средами", "Временное руководство по организации процесса бурения шпуров и скважин с промывкой растворами ПС", "Методика оптимизации процессов проходки горных выработок с использованием ПС" утверждены главными инженерами и приняты к внедрению в шахтостроитель-ных трестах "Бокситстрой", "Горловскуглестрой" и ПО СУБР.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Суворов Б.И., Латышев О.Г. Комплексное исследование физических свойств горных пород Северного Урала//Термомеханические методы разрушения горных пород.-Часть 1. Физические свойства горных пород в тепловых и механических полях/Труды 11 Всес.науч. -техн. конференции. - Киев: Наукова думка, 1972.-С.21-24.

2. Суворов Б.И., Латышев 0.Г. Исследование деформационных свойств горных пород. Североуральских бокситовых месторожде-" ний//Физика горных пород и процессов/Тез.докл.Всес.научн. конференции вузов СССР.-М, 1974. -С.5.

3. Латышев О.Г., Суворов Б. И. Исследование взаимосвязей между показателями физических свойств горных пород Североураль'ских месторождений боксита//Физика горных пород и процессов/Тез.докл. Всес.научн. конференции вузов СССР.-М, 1974.-С.9-10.

4. Латышев О.Г., Суворов Б.И. Изучение контактной прочности и дробимости горных пород с помощью ультразвука//Изв.вузов. Горный журнал.- 1974, N8.-0.74-76.

5. Зависимость силовых и энергетических показателей резания горных пород от их физических свойств/В.Г.Дронов, А.М.Мальцев,

О.Г.'Латышев и др.//Изв.вузов. Горный журнал,- 1975, N11. -С.3-7.

6. Латышев О.Г., Суворов Б.И. Взаимосвязь между показателем

- дробимости, коэффициентом крепости и прочностью при растяжении' горных пород Североуральских бокситовых месторождений//Гидрогео-логия и инженерная геология Урала. Вып.1/Межвуз.науч.-темат. сборник.-Свердловск: УПИ, 1976. -С.87-89.

7. Дубейковский С.Г., Латышев О.Г., Шкшвжов И.И. О связи горных ударов со структурными особенностями закарстованных пород, вмещающих месторождения Североуральского бокситового бассейна .//Гидрогеология и инженерная геология Урала. Вып.1/Межвуз.науч.-темат. сборник.-Свердловск: УПИ, 1976. -С.76-81.

8. Исследование усилий при резании бокситоз/А.М.Мальцев, О.Г.Латышев, H.H.Петухов,, В.Г.Дронов//йзв.вузов. Горный журнал. -1977, N3. -С.79-83.

9 . Результаты исследования физических свойств рудовмешающих пород Узельгинского медноколчеданного месторождения/О.Г.Латышев, Б.И.Суворов, М.А.Азанов, В.В.Потапов//Рудоносные метасоматические формации Урала. Часть 11.-Свердловск: УНЦ АН СССР, 1978 -С.47-48.

10. Расчет усилий резания бокситов одиночным инструментом /В. Г. Дронов, В. И. Фельдшеров, О. Г.Латшов,-Н: Н: Петухов//Изв. вузов. Горный журнал.-1979, N1, -С.94-97.

11. Латышев О.Г. Связь минерального состава и строения с физическими свойствами горных пород//Изв.вузов. Горный журнал, -1979, N8. -С.6-8.

12. Латышев О.Г. Оценка изменчивости физических свойств горных пород//Изв.вузов. Горный журнал, -1979, N9. -С.6-8.

13. Безматерных В.А., Латышев О.Г., Черкасов В.М. Физические характеристики разрушаемости твердых горных пород//Изв.вузов. Горный журнал.-1981, N10. -С.61-65.

14. Латшев О.Г., Иванова С. С., Суворов Б. И. Оценка зффек-.тивности разупрочнения горных пород поверхностно-активными ве-ществами//Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов/Тез.докл.Всес.научн. конференции вузов СССР. -М, 1984. -С.17-18.

15. Латышев О.Г., Иванова С.С., Суворов Б.И. Влияние поверхностно-активных веществ на физические свойства горных пород //Изв.вузов. Горный журнал. -1985, N12. -С.1-5.

16. Иванова С.С., Латышев О.Г. Кинетика изменения физических свойств порфиритов при увлажнении//Физ.-хим. механика и лиофиль-ность дисперс. систем/Респ.межвед.сб.-Вып.18, АН УССР -1985. -С.36-40.

г 32 -

17. Латышев О.Г., Иванова С.С. Изучение влияния поверхностно-активных веществ на механические свойства горных лород//Комп-лексные исследования физических свойств горных пород и процессов /Тез.докл.Всес.научн. конференции вузов СССР. -М, 1987. -С.13-14.

18. Влияние поверхностно-активных веществ на развитие трещи? новатости нагруженных горных пород/О.Г.Латышев, Н.И.Иванова, С.С.Иванова, Н.В.Перцов//Мзв.вузов. Горный журнал. -1988, N12. -С. 4-8.

19. Латышев О.Г. Перспективы использования поверхностно-активных веществ для управления свойствами пород в процессах строи-

• тельства шахт//Строительство шахт, рудников и подземных сооружений /Межвуз.науч.-темат. сборник.-Свердловск:СГИ, 1988. -С.69-73.

20. Латышев 0.Г., Иванова С.С., Каргапольцев М.М. Бурение шпуров и скважин с промывкой растворами поверхностно-активных ве-ществ//Строительство шахт, рудников и подземных сооружений/Меж-вуз.науч.-темат. сборник.-Свердловск: СГИ, 1990. -С.44-49.

21. Латышев О.Г., Иванова С.С. Влияние трещиноватости горных пород на их деформационные характеристики//Изв.вузов. Горный журнал. -1992, N3. -С,1-5. ,

22. Латышев О.Г., Засыпкин А.И., Меньшиков Б.В. Оценка пыле-подавления и износа инструмента при бурении горных пород с промывкой растворами поверхностно-активных веществ/УСтроительство шахт, рудников и подземных сооружений/Межвуз.науч.-темат. сборник. -Екатеринбург: УТИ, 1992. -С.51-54.

23. Латышев О.Г. Оценка эффективности использования поверхностно-активных сред для борьбы с горными ударами//Гидрогеология, инженерная геология и геоякология месторождений полезных ископаемых/ Информационные матерйаш Российского совещания. -Екатеринбург, УНЦ-АКРФ, 1994. -С.44-45.

24. Латышев О.Г. Направленное изменение свойств пород в процессах горного производства:Учебное пособие.-Екатеринбург:УГГГА, 1994. -92с.

25. Латышев О.Г. Повышение эффективности процессов горного производства пугем направленного изменения свойств и состояния пород с помощью поверхностно-активных пред//Вторая международная научно-техническая конференция "Экологические проблемы горнего производства, переработка и размещение отходов"(тексты докладов, Т.П. -Могква:М:ТУ, 1995. -Г!.4^4-467.