автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Повышение эффективности разрушения угля и горных пород при физико-химическом воздействии

6 од

П Г Р11 Министерство топлива и энергетики РФ

Российская академия наук Институт горного дела им. А. А.Скочинского

На правах рукописи

Наталья Юрьевна ИСАЕВА

УДК 622-236:451.1.002.237(043.3)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ И ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Специальность: 05.15.11 - "Физические процессы

горного производств"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1993

Работа выполнена в Институте горного дела им. А.А.Скочинского.

Научный руководитель -

проф., докт.техн.наук Н.Ф.Кусов.

Официальные оппоненты:

проф., докт.техн.наук Е.З.Г1озин, канд.техн.наук Л.С.Кузиев.

. Москва.

/гЛ __1993 г.

в-7 у ч на заседании специализированного совета К. 135.05.02 ИГД им. А.А.Скочинского (140004, г.Люберцы Московской обл.).

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им. А.А.Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета

канд.техн.наук А.Н.Комракоо

1993 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность. Проблема повышения эффективности разрушения утля и горных пород о каждым годом становится все более актуальной в связи с постоянным увеличением глубины разработок и связанным с этим повышением прочности разрушаемых пород. Это приводит к значительному росту энерговооруженности и массы разрушающих машин, механизмов и инструментов, что затрудняет их применение в ограниченных по размеру подземных выработках.Б настоящее» время возможности решения этой проблемы практически исчерпаны. Поэтому одним из путей повышения эффективности разрушения является целенаправленное изменение прочностных и деформационных свойств углепородного массива. Исследования последних лет показала, что наиболее экономически выгодным, а также не требующим больших энергозатрат является физико-химическое воздействие растворами поверхностно-активных веществ, основанное на использовании аффекта Ребиндера. При этом на требуется существенных конструктивных усовершенствований применяемого оборудования. В последние годы ведутся интенсивные исследования в этом направлении. Ослабляющие раствори используются в нефтяном и геологоразведочном бурении, при пылеподавлении, борьбе с внезапными выбросами утля а газа, разрушении крепках горных пород резцовыми инструментами, дроблении горных пород а угля и др.

Однако среди ученых, занимающихся исследованием проблемы ослабления угля и породы, отсутствует единое мнение, какие характеристики твердых материалов следует оценивать при этих процессах и какие вещества, входящие в состав ослабляющих растворов, проявляют наибольший аффект ослабления углепородного массива. Поэтому представляется актуальным обобщить существующий опыт работ в этой области в определить единый методологический подход к выявлению зависимостей системы разрушаемый материал (уголь и порода) - активная жидкость а оптимизировать выбор состава раствора на основе изучения термодинамики физико-химического процесса взаимодействия адсорбат-адсорбент. При этом искольэуатся различные составы водных растворов ПАВ и электролитов.

Налью диссертации является проведение теоретического и экспериментального обоснования методов выбора ПАВ дяя повышения эффективности разрушения.

Идея работы - разработка метода выбора растворов, позволяйся существенно изменить сопротивляемость угля и пород разрушена», на основе изучения физико-химических закономерностей взаимодействия диспергирующей сред» с разрушаемым материалом. На защиту выносятся:

аналитически установленная (зависимость изменения прочности угля и горных пород от величины адсорбции ПАВ на их поверхности;

экспериментальная зависимость изменения прочностных характеристик угля в горних пород от величины постоянной впитывавия адсорбционно-активного раствора различного состава;

експериментальная зависимость показателей трения инструмента о материал от величины адсорбционного эффекта ПАВ, определяющего снижение прочности горных пород в угля;

методика определения составов растворов для снижения прочности угля и породи.

Метод» исследований' включают в себя анализ и обобщение научно-технической литературы по рассматриваемым вопросам, аналитические а экспериментальные исследования процесса адсорбции в лабораторных и производственных условиях с использованием фа-зико-хниачесгсих методик в ыэтоьа моделирования физико-химических процессов в лабораторных условиях, обработку данных методами математической статистики. Научная новизна работы;

аналитически определена & экспериментально подтверждена зависимость снижения прочности угля а породы от величины адсорбции ПАВ и злвктролитов;

экспериментально подтверждены зависимость адсорбционных свойств компонентов разупрочнятаей среды для угля и породы от алактроповерхностного взаимодействия на границо твердой в кадкой фаз, а такяе зависимость адсорбции ПАВ от кислотности дисперсной среды;

установлено влияние сникенвя транвя разрушапзэго инструмента по породе в углю при использовании разупрочкяющего раотвора

иа »фиктивность разрушения. . _ _

Достоверность научных положений, выводов и "рекомендаций подтверждается представительным объемом экспериментов, выполнению: на углях с различными физико-химическим:: характеристиками

поверхности в растворах, соответствием аналитических результатов и экспериментальных данных. Коэффициент вариации параллельных измерений не превышал 0,25 для угля и 0,2 для породи.

Реализация результатов работы. Разработана методика определения составов ослабляющих растворов для снижения прочности угля и пород. Выбранные по данной методике составы опробованы:

при разрушении песчаников шарошечным инструментом при стендовых испытаниях;

при бурении скважин шарошечными долотами на карьере ПО "Бор";

при испытании физико-химической технологии нетрадиционного разрушения на экспериментальных участках шахты "Бунгурская" концерна "Кузнецкуголь";

при исследовании процесса резания угля комбайном 1К Ю1У на шахте им. Газеты "Комсомольская правда" ПО "Ростову-го л г.".

Практическая ценность работы состоит в разработке методологических основ выбора разупрочнякщего раствора для обработки угля и порода и'практических рекомендаций по применению выбранного состава раствора при определенных видах механического разрушения,

Апробяипя работа. Диссертационная работа и ее положения докладывались я обсувдались на научных семинарах отделения нетрадиционных способов добычи ИГД пм.А.А.Скочинского (Люберцы, 1983-1991 гг.), УП Всесоюзной научной конференции вузов с участием НИИ "Комплексные исследования физических процессов горных пород" (Москва, 1981 г.), конференции аспирантов п молодых ученых ИГД им.А.А.Скочинского по итогам научных исследований,(Москва, 1981 г.),У республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов горной промышленности Грузии "Совершенствование технологии и механизации добычи полезных ископаемых" (Тбилиси, 1986 г.), Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленной«! о участием стран-членов СЭВ (Москва, 1987 г.), Всесоюзной конференции по коллоидной химии двспероных систем (Канев, 198? г.), .Ш Всесоюзной конференции по геотехнологическим методам добычи полезных ископаемых "Проблема геотехнологии" (Люберцы, Новочеркасск, 1983 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа.

Э

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав в заключения, изложенных на 123 страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков, II таблиц, список литературы из 97 наименований и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАКШ

Вопросам создания комбинированных способов механического разрушения и, таким образом, понижения энергоемкости этого процесса посвящены исследования Л.И.Барона, А.И.Борона, Ю.Л.Худина, Л.Б.Глатмана, Е.З.Позина, С.И.Мультанова, Е.Д.Трубицына, Л.А.Ле-ванковского и др.

В настоящее время ведутся исследования в области создания комплексных методов управления свойствами и состоянием углепород-ных массивов. Необходимость разработки и изыскания способов снижения энергоемкости процесса разрушения с помощью физико-химического разупрочнения угля и пород обусловлена решением экономических, социальных и вкологическвх задач. Изучение физико-химических закономерностей взаимодействия диспергирующей среды с материалом и выбор оптимальных растворов поверхностно-активных веществ и электролитов, основанный на эффекте адсорбционного понижения прочности, позволяют существенно снизать прочность угля в пород, а следовательно, и механическое сопротивление нх разрушению. Значительный вклад в развитие этого направления в теоретическом и практическом аспектах внесли работы Е.Д.Щукина, Н.В.Пер?-цова, Н.Ф.Кусова, А.Д.Алексоева, В.В.Репки, Г.Я.Вороккова, Г.И.Марцинкевича, О.А.Эдельштвйна, Л.П.Шоболовой и др.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) в силу своих структурных особенностей являются наиболее перспективными компонентами разупро'чняхщой жидкости, так как их конйентрошш в поверхностном' слое материала может быть существенно большей в среднем по объему. Поэтому добавка уже небольшого их количества в раствор существенно сникает поверхпоотную энергию материала в обусловливает изменение работы, необходимой для образования новых поверхностей (эффект Ребиндера), и, как следствие, изменение механических свойств материала.

Крома того, размеры молекул ПАВ и обилие функциональных груш в их составе обусловливают более сальное адсорбционное взаимодействие с поверхность» твердых тел по сравнению с воздей-

станем на них просто водой или входящими в состав раствора веществами неорганического происхождения. Адсорбция молекул ПАВ приводит к снижению прочности угля и породи при механическом разрушении за счет снижения поверхностной энергии, расклинивающего действия адсорбционных и диффузных слоев, электрических взаимодействий в области двойного электрического слоя на границе двух фаз и коэффициента трения.

Изучение литературных данных о применении ПАВ в нефтяном п геологоразведочном бурепий показало, что оптимальные составы растворов ПАВ и целесообразность нх применения устанавливались лишь в процессе разрушения пород, минуя важную стадию лабораторий исследований.

Вняскеко также, что единый методический подход к исследованию по подбору состава разупрочняющей кидкости практически отсутствует, так как большинство авторов использовали для своих исследований ослабляющую жидкость, состоящую из одного компонента или представляющую собой комбинацию широкого спектра веществ, выбор которых не всегда обоснован с точки зрения физико-химиче- ~ ских процессов. При этом не учитывалось взаимодействие составляющих системы кидкость - материал - инструмент, что определяет эффективность процесса ослабления по П.А.Ребаадеру, а именно: сродство взааиодойетвувщих Фаз, нарушенпссть поверхности разрушаемого материала и его напряженное состояние.

Анализ литературных данных не дает также возможности установить количественную оценку влияния процесса адсорбции ПАВ на поверхности"угля и породы и эффективность их разупрочнения. Поэтому задачами данной диссертационной работа являются:

установить корреляционные зависимости мекду прочностными параметрами угля и горных пород и величиной адсорбции поверхностно-активных веществ;

изучить влияние фпзггсо-гямичеоких свойств активного" раствора па адсорбционные характеристики угля п породы;

изучить влияние кинэтичасхскх параметров взаимодействия яд~ с'орбционно-активных растворов с углей и породой на пх прочностные свойства;

исследовать влияние адсорбционного действия поверхностно-активных веществ на показатели трения при разрушении;

разработать рекомендации ло выбору состава адсорбпионно-активннзс растворов идя свнкаяия прочности угля и породы;

провести экспериментальную проверку эффективности предложенных рекомендаций. .............

Аналитические исследования прочности угля и пород в зависимости от величины адсорбции ШШ основываются на известных зависимостях Гриффитса и Гиббса. Исходя из уравнения Гиббса снижение поверхностной энергии твердого тела д£ прямопропорционально предельной адсорбции;

-Дб = НТГ,

Где )? - универсальная газовая постоянная, Дк/град.моль; Г - температура в градусах Кельвина; Г - предельная адсорбция, моль/м2.

Сопоставив изменения свободной энергии с независимыми измерениями прочности в рамках схемы Гриффятся, получим

1 „г .

Р0 - Рк ь<*

. "е.*

где Р0 - прочность разрушаемого сухого материала,МПа; Р, - прочность разрушаемого материала в адсорбцаонно-активной среде, МПа; <а„ - поверхностная анергия сухого материала, Дк/м2.

Учитывая, что прочность материала в воде меньше прочности сухого материала, получим

лб гат

где Р - прочность при обработке материала водой, Ша.

_ р/, _£Т_г Р» ~~РГ С/'

(I)

Зависимость (I) экспериментально подтверждена.

Для определенен величины адсорбции разработана методика измерения концентрации ШШ в растворе до контакта с утлем п породой и после установления адсорбционного равновесия па приборе интерферометр "Ылр-115" для концентраций от 0,005 до 0,1 насо.2 вещества, ошибка измерений во превышала 15-20%. Для определения прочности угля и пород про воздействии адсорбцаонно-ахтввного раствора был выбран гоотированныИ метод определения прочности на одноосное раотяяенва образцов псодправальвоЗ форма, сферичасквиа ивдвнтораш. Коэффициент вариации для породы не превышал 0,25, для угля 0,3. Скорость нагружен ил била постоянной.

Г, 10 *моль/мг

Рве. I. Изотермы адсообцаа (а) а азмонэние прочности (б) при действии АДАЗ на уголь Г (X) КЛАВ на уголь Г (2) а ДПАЗ на песчаник (3)

Представленные на рис. I изотермы адсорбция анионоактивного ПАВ (/ЛАВ) и катиопоактивного ПАВ (КЛАВ) на угле марки Г (с пределом прочности на растяяоние 1,56 Ша) и АШБ на песчанике (предел прочности 7»7 Ша), а также результат измерений относительного изменения прочности образцов угля и порода ь то:: ео растворах показывают, что с увеличением адсорбции относительное ониже-нно прочности становится вое более эффективным. Сопоставив зависимости г=/(с} и Рх/Ра-{(с), получаем завис-кость квадрата понижения прочноота от величины адсорбцийгйолучэннке оксперпмепт&чь-1шэ точки определяют семейство прямых о тангенсом угла наклона, равиш 1?Т/£0. Обобщенная прямая выранается зависимостью (I).

На рио. I видно, что при обработке угля и породы водой отношение 0,9, оледовательнс^/р/* 0,8 (рис. 2). Тогда

йт

—= 0,8 — Г. (2)

Р„ <°о

Ш

о.»

о.ь

а*

0.2

•

ч

X

0,1

0.2 Г, нмаАь/мг

Рис. 2. Сопоставление незавясямо найявиких значила! понананзл прочности я адсор<5ши ПАВ на угле я породе:

* - шз » ям»; ® - к^аэ м к«;

• - Ш м пород»

Установленные зависимости (I) и (2) и их экспериментальное подтверждение имеют важное значение. Учитывая эти зависимости, ыокно целенаправленно яэионять прочность разрушаемого материала путем обработка ого активной средой с заданными адсорбционными характеристиками.

В диссертационной работе проведены исследования влияния кислотности растворов равЛйЧкых ПАВ на их адсорбцию на углях «арка Б, Г и песчанике. ВодородЙЙ ИрЙайатадь,измерялся на милливольтметре рН-340, ошибка измерйМ сооЪШиШ *0,05. Установлено, что в процессе разупрочнения угЛЯ, Ц ЙйроЯЙ п}>а исггоябйЪаа-ния растворов АПАВ необходимо создаЬйН кЙслу»''сроду (рН<7), так как при уменьшении рН раствора пб Ъ ОДЙГ&Ш (¡?!1=4) величина адсорбции возрастает на 52% для угля ыаркй ^ Ш для пеоча-пика. При использовании КЛАВ рекомендуете^ воАве щелочная среда. 8

В этом случав при увеличении рН раствора на 3 единицы (рй=Ю) величина адсорбции увеличивается на 75$ для угля и на 48$ для породы. При использовании неионогенных ПАВ (ШШЗ) значения водородного показателя практически не влияют на адсорбцию, так как молекулы НПАВ не способны к диссоциации в водном растворе в отличие от АПАВ и КЛАВ. Зависимость величины адсорбции от кислотности среды показывает, что, меняя значение рН, можно управлять степенью диссоциации молекул ПАЗ, составляющих адсорбционно-ак-тивный раствор. При этом увеличивается количество адсорбирующихся на поверхности ионов или молекул.

Учитывая, что ионы электролитов входят в состав ш^тной воды, на основе которой в производственных условиях готовится активный раствор, а также то, что добавка электролита может изменять величину адсорбционного и диффузионного слоев системы твердое тело - жидкость и поэтому способствовать процессу адсорбции, проведены исследования влияния совместного действия ПАВ и электролитов на величину адсорбции по сравнению с воздействием раствора, состоящего из одного компонента - ПАВ. В качестве поверхностно-активного вещества взято НПАВ (смачиватель ДБ концентрацией 0,05%), в качестве электролита - концентрацией 0,1%. Установлено, что при совместном использовании ПАВ, представляющего собой органическое вещество, и минеральной соли адсорбция увеличивается как на угле (на 20$), так и на породе (на 45$) и,следовательно, повышается эффективность применения разрабатываемой жидкости.

Ранее проведенные исследования показали, что поверхность угольного вещества и породы как и всех минералов в водных растворах приобретает заряд, поэтому фактором, прямо влияющим на процесс адсорбции ионов ПАВ на любой границе раздела фаз,' является электрическое взаимодействие в облаоти двойного электрического слоя (ДЗС).

Соглаоно теории, разработанной Ю.М.Черноберэжским, между величинами потенциала ДЭС и суспензионного аффекта дрн существует однозначная зависимость. На основе зависимости дрН а. }(рН ) установлено, что в нормальной водной среде (рН=7) уголь марки Б и песчаник заряжаются отрицательна, а уголь марки Г - положительно, и аэоолектрическое состояние (дрН=0), способствующее хрупкому разрушению твердых материалов, наступает при различных рН среды, а также в присутствии электролита. Однако при добавлении ионогенных ПАВ (воздействие раствора катамина КЛАВ кон-

центрацйи 0,С)1 маоо.# на песчаник и сульфонола (АПЛВ) той же концентрации на уголь марки Г) рН раствора изменяется и переэа-рядка поверхности происходит утке при больших значениях рН.

С повышением концентрации ПАВ заряд поверхности угля сначала уменьшается за счет адсорбции ионов, а затем увеличивается из-за возможного образования второго адсорбционного слоя с обратной ориентацией гидрофильных групп.

Следовательно, изменяя килотность адсорбирующихся растворов ПАВ, можно регулировать состояние поверхности адсорбента.

На( основании полученных зависимостей, а также с учетом того, что адсорбция ва любой поверхности зависит от заряда определяющего иона среды и от эаряжениости поверхности, можно сдслагь вывод, что если заряд ионов ПАВ противоположен по знаку общему заряду поверхности, то электрическое взаимодействие способствует процессу адсорбции. Твкая ситуация имеет место для комбинации КЛАВ - отрицательно заряженная поверхность, АДАВ - положительно заряженная поверхность. Эти данные подтверждаются в результата йксперимантов, проведенных с цель» изучения адсорбпав.Таким образом, по адсорбционной способности к угли марка Б в.песчанику ПАВ располагаются в сдедувдам порядка: КПАВ> ШАВ > АПАВ, а для каменного угля ' марка Г - ЖАВ > НПАВ > КЛАВ.

Известно, что скорости роста трещин при хрупком разрушении пород в воздушно-сухом состоянии достигают значительных величин. Исходя из механизма действия ПАВ необходимо постоянное присутствие активного вещества ь аокэ разрешено*. Скорости распространения активного вещество по свакеобразованвоЯ поверхности изменяются в широком диапазоне в зависимости от вх фазкко-хишчеоквх параметров.

Кинетика проникновения адсорбционно-активной ккдкоста в пористую среду описывается соотношениями, известными иэ теории капиллярной пропитки твердых тел, и изучалась по методике капиллярного впитывания в порошок исследуемых углей и пород.

Результаты исследований показала, что как в утло, так а в породе процесс вкатывания раствора ПАВ происходит быстрее, чем "впитывание воды. Поскольку в исследованиях используются растворы малых концентраций, то по мере физпко-хишческого ваааыодействая молекул ПАВ о поверхность» стенок трещины их концентрация в раствора стремится к нулю, Поотому продесо впитывания замедляется в " приближается к окороств впитывания воды в уголь в породу. . При отом коэффициент вариации для угля составляет 10-12%, для порода 7-8%.

Пропитка и проникновение молекул жидкой среда в трещину обусловливают также проявление структурного (стерического) аффекта присутствия тонких слоев жидкости на станках трещин в яоне разрушения. Он проявляется в том, что после снятия нагрузки в результате расклинивающего давления тонких слоев жидкости на стенки трещины не схлопываются, и это значительно снижает прочность материалов прп последующем цикле разрушения.

Установлено, что относительное снижение прочности угля на 18'^ в породи т 22% при воздействии раствора МАВ концентрацией 0,01 насо.# соответствует увеличения постоянной впитывания з 2 раза.

Вследствие того, что во многях технологических процессах горного производства большая часть энергозатрат пдот не внедрение разрушающего инструмента в материал, а следовательно, и на трепне его по поверхности, установлена зависимость влияния адсорбционного действия ПАВ на показатели трения при разрушении. В таблЛ приведены показатели снижения трения в присутствии ад-еорбиионно-активного раствора и влияния трения на параметры разупрочнения угля и породы. Установлено, что максимальное снижение треппя для породы п угля составило около Концентрация ПАВ составляла 0,05 масс.£.

Таблица I

Аясоз&стонко- Относительное Относительное

Порода актзвтй сяаяенпэ проч- изменение

раствор ности ял рястя- коэф?;пиента

явнпв тре ния

сухо« г I

Уголь Зола 0,93 0,94

ыарха Г КПАЗ 0.73 0,87

шш 0,71 0,85

АПЛЗ 0,62 0,80

Сухой I I

Вода 0,90 0,38

Песчаяак КПАЗ 0,82 0,92

НПАВ 0,90 0,86

ЛИАЗ 0,97 9,81

Коэффициент трения Ктр измерялся при постоянной нагрузке 50 Н, значения силы трения записывались на осциллограмму, по которой вычислялось среднее усилие перемещения образца стали ВК-8, наиболее часто используемой при шарошечном бурении. Коэффициент КТ(5 вычислялся как отношение среднего усилия перемещения к силе нормального давления. Коэффициент вариации - 0,2. I

На основании результатов проведенных исследований и согласно разработанной методике рекомендуется следующий порядок выбора

эффективных растворов для разупрочнения углей и пород;

|

1. Выбираем класс ПАВ, потенциалопределлющий ион которых имеет противоположный знак по отношению к заряду поверхности исследуемого материала. При этом учитывается доступность веществ в данном регионе страны.

2. Определяем компоненты разупрочняюцей жидкости для создания такой кислотности среды, где действие данного ПАВ будет наиболее эффективным.

3. Устанавливаем добавки минеральных солей, улучшающих процесс адсорбции и способствующих хрупкому разрушению.

• 4. Определяем величину адсорбции выбранного ПАВ или электролита и прочность на растяжение исследуемых образцов угля юш породы, обработанных адсорбционио-активным раствором, водой, и в сухом состоянии. Согласно зависимостям Р^/Р0=/(с) и Г » / (с ) выбираем концентрацию- адсорбирующегося компонента ' в растворе, при которой возможно максимальное снижение прочности. При этом необходимо учитывать экономически оправданный расход вещества.

5. Выбираем компоненты раствора для оникения показателей трения, если при данном виде разрушения энергоемкость процесса значительно зависит от трения.

6. Проводим эксперименты в лаборатории, устанавливающие максимальную скорость пропитки данными веществами образцов исследуемого материала.

7. Корректируем рабочую жидкость по всем параметрам, после чего она готова к отендовым испытаниям, а'затем к промышленным.

Лля проверки этих рекомендаций по заказу ПО "Бор" были испытаны четыре вида пород типа датолит в 12 различных адсорбционно-активных жидкостях.

Исследования проводились в следующем порядке: отбор образцов;

исследование адсорбции отобранных реагентов на образцах; определение оптимальной скорости впитывания в образцы; определение прочности на одноосное растяжение образцов пород в отобранных жидкостях.

Относительная погрешность измерений не превышала 20%. Результаты исследований показали, что прочность на растяжение при применении жидкости, составленной на основе KCl и NaCl , снижается на 25%, а при применении жидкости на осног.е АГ1АИ + Ш?С0} -т 23%. Эти жидкости и были рекомендованы для использования пря шарошечном бурении в ПО "Бор". В результате испытаний установлено, что средняя скорость бурения шпура увеличилась на 28%.

Исследование процесса разрушения песчаника с пределом прочности на одноосное сжатие 82 МПа, на растяжение 9 МПа шарошечным инструментом с применением ПАВ проведено на полноразмерном стенде, базой которого был продольно-строгальный станок типа 7112, скорость перекатывания шэрожи составляла I м/с, расход жидкости - 6 л/ч.

Параметры режима разрушения песчаника с применением различных ПА13 были постоянными, глубина разрушения составляла 2,5 км, расстояние между линиями реза - 30 мм, число однозначных опытов не менее 5.

Результаты измерений усилий разрушения песчаника при резании шаропечкым инструментом в присутствии различных растворов приведены в табл. 2. Там хе дшш значения коэффициентов снижения усилий подачи и перекатывания при применении ПАЗ, определяемые по формулам

Р • Р ■

к.= 1--— ; к.. - t-

« р ' » р '.

где , Р ^ - усилие перекатывания и подачи при применении ПАВ;

Ргс , - усилие перекатывания п подачи без применения ПАВ.

Как показали результаты исследований,из выбранных по разработанной методике ПАВ наиболее оптимальным по составу является раствор №СЕ + НПАВ, при использовании кото/го можно : добиться достаточного разупрочнения материала и, как следствие, резкого

13

Результаты акспврямэнтагьшд исследований

Таблипа 2

Иослелуемне адсорбциовно-актавкые растворы Усилие перекатывания, н Усилие подачя, Я Коэффициенты снижения усилий при Коэффициент неравномерности Удельная

сред- макси- сред- макси- применении ПАВ усилий энергоемкость, кВт.ч/м?

нее, "ж мальное р 2. тая нее мальное Р у та* усилие перекатывания усилие подачи р 2 та* Р* Р ¡(ПК« р*

I. Без раствора (разрушение сухого образца) 116050 18540 23400 35100 10,6

2. Вода 11049 15027 12250 14700 0,05 0,48 1,4 1,2 10,5

3. ЕПАВ 0,004? 10138 15207 9322 13051 0,13 0.61 1.5 1,4 9,2

4. НаСе 0.12 М 10623 15930 10141 13183 0,09 0,57 1.5 1.3 9.66

5. КаСС 0,25 М 10310 13403 9780 ' 13699 0,12 0,59 1,3 1.4 9,38

6. ВПАВ 0,004? + а 0,5 М 2 : I 5559 10006 8928 11606 0,52 0,62 1,8 1.3 5,06

7. КагС0, 0,12 М ИГ-55 170325 9884 13838 0,07 0,58 1,5 1,4 10,34

8. N¡¡¡0!} 0,25 М 8978 170582 10778 16167 0,22 0,54 1,9 1,5 9,18

9. ВПАВ 0,004? + Ма,СС>,0,5 М X : I г 5 9834 18685 9699 12609 0,16 0,59 1.9 1,3 8,95

уменьшения усилия перекатывания шарошки {на 52$). При этом усилие подачи снижается не 62$ в результате того, что при разрушений разуцрочненнсго слоя уменьшается"и коэффициент трения. В целом удельная энергоемкость разрушения уменьшается в два раза (состав раствора 6).

При сравнительно небольшой пропитке, но хорошей адсорбирующей активности ионов Ыа*. усилие подачи снижается, но это мало сказывается па энергоемкости (состав растворов 4 и 5). Если же мы используем лишь один из компонентов, онижапцих трение (например ЫагС05), на энергоемкости процесса разрушения это также почти пэ отразится (состав растворов 7 и 8).

При хорскей пропитке ВПАВ, но без значительного адсорбционного эффекта, энергоемкость такне существенно не меняется (состав раствора 3).

Таким образом, для разрушения утлепородного массива шарошечным инструментом необходимо подбирать компоненты, обеспечивающие хорошие адсорбционные показатели и максимальное впитывание.

Дня оценки разработанных физико-химических способов разупрочнения угля при разработке технологии нетрадиционной выемки были проведены лабораторные исследования влияния понизителей прочности на прочность угля марки Г пласта 4 шахты им. "Бунгурская" концерна "Кузпэшсутоль". Максимальное снижение прочности возможно при использовании раствора неонола 0,1 касс.5? и хлористого натрия ОД масс.? при рН = 7. При этом предел прочности на растяжение снижается на &0%.

При воздействии раэупрочняющего раствора на основе ЛИАЗ £вол-гопата) а электролита на уголь марки Л пласта 11„ижний Степа-ковский шахты им. Газеты "Комсомольская правда" АО "Ростовуголь" прочность снизилась~на~Т4,3-3474£, энергоемкость "процесса "разрушения также умояывилаоь, а производительность комбайна повыси-.лась на 37-55;?.

ЗШШЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи установления количественной оценка влияния адсорбции ПАВ и электролитов на поверхности угля и породы на эффективность механического разрушения.

Основные выводы и практические результаты заключаются в следующем.

1. Установлена и экспериментально подтверждена зависимость снижения прочности угля и горных пород от величины адсорбция: квадрат снижения прочности прямо пропорционален величине адсорбции.

2. Показана возможность управления адсорбционными свойствами угля и породы путем изменения кислотности растворов. Если рН уменьшается на 3 единицы он нейтрального при использовании раствора АПАВ относительная прочность угля снижается на 22?,песчаника - на 23$. При увеличении рН среды для раствора КЛАВ на 3 единицы относительная прочность угля снижается на 20$ и песчаника -на 32$.

3. Установлена зависимость между постоянной впитывания активного раствора в материал и снижением его прочности. При этом увеличение постоянной впитывания раствора АПАВ в среднем в два раза для породы и угля соответствует относительному снижению прочности на 18? для породы и на 22$ для угля.

4. С увеличением величины адсорбции ПАВ на поверхности разрушаемого материала его прочность уменьшается на 36-38$, а коэффициент трения инструмента о Горную породу и уголь снижается на 20$.

5. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность обработки пород и угля адсорбционно-активннми растворами. Так, при использовании раствора НПАВ (0,004 масс.?) в ЫаСЕ 0,4 масс. % энергоемкость разрушения песчаника шарошками снижается в два раза.При воздействии разупрочняпцвго раствора на основе АПАВ и электролита на уголь марки А производительность добычного комбайна увеличивается до 55$.

6. В результате проведенных исследований предложены методологические основы и разработана методика выбора эффективных составов растворов для снижения прочности разрушаемых углей и горных пород.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Физико-химические аспекты взаимодействия квдкоотей и угля в целях повышения эффективности горного производства // Тез. конф. аспирантов к молодых научных сотрудников ИГД им.А.А.Ско-чипского по итогам научных исследований. - Деп. в ЦНИЭИуголь, * 11-12, 1981, » 2183.

2. Впитывание растворов в уголь в условиях сложного капрякен-ного состояния Ц Управление состоянием горного массива: Науч. сообя. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - М., 1986. -

Выл. 244. - С.24-28 (соавторы Г.Я.Воронков, Г.И.Марцинкевич).

3. Роль злектроповерхностннх и адсорбционных свойств ПАВ в изменении ттрочноствых свойств угля и порода // Повышение надежности и качества технологических процессов в угольной промышленности: Тез.докл. Зсосоюзн.научно-техн.конф.молодых ученых и специалистов угольной промышленности с участием стран-членов СЭВ.-М., 1987.

4. Адсорбция ПАВ из растворов и снижение прочности угля // Способы я средства управления состоянием массива: Науч.сообщ. / Ин-т горн.дела им.А.А.Скочинского. - М., 1987. - С.24-28 (соавторы Г.Я.Воронков, Г.И.Марцинкевич).

5. Проявление эффекта Гебипдоря при пропитке угля и пород и разрушении их в присутствии ПАВ // Тез. докл. УП Всессган.конф. по поверхностно-активным веществам и сырью для их производства.-Белгород, 1988 (соавторы Г.Я.Воронков, Г.И.Марцинкевич).

6. Изучение процесса адсорбции на углях н породах с целью изменения их свойств // Нетрадиционные способы добычи и использования угля. Науч. сообщ. /Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинско-го. - М., 1988. - С.34-36.

7. О возможности фйзгко-химического способа добычи угля // Тез. докл. научно-практической конкуренции молодых ученых "Молодые ученые - КАТЗКу". ~ Красноярск, 1988. - C.III, 112 (соавторы Н.Ф.Кусов, Г.Я.Воронков).

8. Роль злектроповерхностных а адсорбционных свойств углк а породи в проявлении аффекта Гебиндера // Сизико-техническиа проблеш разработки полезных ископаемых. - М., 1990. - li> I. -С.109-112 (соавторы Г.Я.Воронков, Г.И.Марцинкевич).

9. Влияние кислотности среды па сорбционние и прочностные свойства углей // Нетрадиционные способы добычи и использования угля: - Науч.сообщ. /Йн-т Горн, дела им. А.А.Скочкиского. - М., 1989. - С.36-41.

10. A.c. Л I6I36II, E2I. Способ извлечения угля из газонасыщенности пласта / Н.Ю.Исаева, Н.О.Кусов, Г.И.Марцинкевич, Г.Я.Воронков, В.В.Репка, К.К.СофиЙскиЯ - № 4462450/30-05; Заяал. 30.Сб.68; Опубл. 15.08.1990; Бил. »5.

11. Влияние адсорбционно-активпой среда на разрушение крепкой породы варошечш/м инструментом // Нетрадиционные способы добычи угля: Науч. сообщ. /Ия-т горн, дела им. А.А.Скочинского, 1993. - Вып. 295.