автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка методов физико-химического разупрочнения горного массива для повышения эффективности открытых работ

гМинисщхггво топлива и энергетики Российской Федерации сп Российская Академия наук

Институт горного дела им.А.А.Скочинского

ии-

>=Х

го На правах рукописи

оо

Георгий Яковлевич ВОРОНКОВ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО РАЗУПРОЧНЕНИЯ ГОРНОГО МАССИВА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТКРЫТЫХ РАБОТ

Специальность 05.15.11 -"Физические процессы горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997

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

Официальные оппоненты:

проф., докт. техн. наук Николай Владимирович Чураев, проф., докт. техн. наук Владимир Викторович Васильев, проф., докт. техн. наук Юрий Иванович Анистратов

Ведущее предприятие -ЗАО "Гипроуголь" (г.Новосибирск)

Автореферат разослан

1992гу

.,3а\пта диссертации состоитбяж^ " // 1997г.

в 'уУч. на заседании специализированного со«5та Д135.05.03 Института горного дела им. А.А.Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета инсппуга.

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

Ученый секретарь специализированною совета

Н.Ф.Кусои

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Добыча полезного ископаемого, начиная со вскрытия залежи и кончая отделением его от массива, связана с разрушением горной по-эоды, разрывом связей между ее частицами и образованием новых сво-5одных поверхностей. Объемы работ по разрушению горной массы на открытых горных работах с учетом коэффициента вскрыши огромны. Если грунты и слабые горные породы достаточно эффективно отрабатываются существующими экскаваторами, то при разрушении крепких пород, когда удельные затраты энергии, например.'при шарошечном бурении или резании достигают 35 Дж/см3, ограниченные возможности современной экскавационной и выемочной техники заставляют прибегать к взрывным способам разупрочнения горного массива. В настоящее время на открытых разработках угольных месторождений более 60% объема горной массы прочностью на сжатие свыше 15-30 МПа требуют предварительного■ разупрочнения с целью ее экскавации существующими типами выемоч-но-погрузочной техники, главным образом экскаваторами. Разупрочнение осуществляется с помощью буровзрывных работ, при этом на каждые 10 м3 горной массы пробуривается около 0,2-0.5 м скважин, на каждый кубический метр горной массы расходуется в среднем 0.4 кг дорогостоящих взрывчатых веществ, используется большое количество энергоемкого бурового оборудования, транспортных средств и задалживается значительное количество рабочих. В результате доля затрат на буровзрывную подготовку горной массы в общей себестоимости доходит до 25-35%. При этом взрывная подготовка забоев отрицательно сказывается на качестве добываемого угля из-за перемешивания породы и угля в зоне их контакта.

Велико негативное воздействие буровых и особенно взрывных работ на окружающую среду. На каждый кубический метр взорванной горной массы в атмосферу выбрасывается в среднем 20 г пыли, на каждый килограмм взрывчатых веществ выделяется до 100 л вредных газов. Вредные выбросы от взрывных работ разносятся порой на расстояние более 20 км.

Для обеспечения безопасности при проведении взрывов требуете; периодическая остановка горного производства и вывод оборудован!!, из зоны влияния взрывных работ, что приводит к снижению его произ водительности. Фактические эксплуатационные показатели технологий, основанных на применении горного оборудования большой единично! мощности, не достигают 40% расчетных плановых показателей, что также во многом обусловлено высокими физико-механическими характеристиками горных пород.

Несмотря на преобладание в настоящее время в топливно-энерге тическом балансе России нефти и газа, в перспективе потребность 1 угле будет заметно возрастать. Увеличение добычи угля и стабилиза ция объемов горного производства в новых условиях должны происходить на основе повышения качества поставляемого потребителю угля 1 снижения издержек производства при уменьшении капитальных вложений. Реализация этих положений должна предусматривать также решение острых вопросов защиты окружающей среды. Из этого следует, что решеши проблемы безвзрывного разупрочнения горного массива позволит повысить эффективность открытых работ - уменьшить издержки производства, снизить затраты энергии на разрушение, улучшить экологическу] обстановку, повысить качество добываемого угля и уменьшить изно< породоразрушающего инструмента.

Опираясь на фундаментальные основы теории и практики открыта разработок (Н.В.Мельников. В.В.Ржевский и др.), крупный вклад ! создание, внедрение инженерных решений и технологий качественно нового уровня внесли К. Н. Трубецкой. М.И.Щадов. К.Е.Вшшцкий. Б. Г. Алешин. М.Г.Потапов, Ю.П.Самородов. Н.М.Сеинов. А.И.Шендеров, Е.Ф.Сапрыкин. Ю. И. Анистратов, Р. М.Штейнцайг и другое ученые и специалисты.

В связи с тем, что процессы разрушения и перемещения разрушенного материала связаны с межфазными, поверхностными свойствами тел. а суммарная энергоемкость разрушения горных пород складывается и: затрат энергии на упругую и пластическую деформацию, затрат энергш на образование новых поверхностей (дробление) и перемещение горной массы в процессе разрушения, то становится очевидной возможное™ уменьшения энергоемкости разрушения за счет изменения природы физико-химических явлений на межфазных границах твердого тела и соответ твующего изменения прочности породы вследствие физико-химического {

зупрочнения. Значительный вклад в установление природы физико-хим!

'

{еского взаимодействия жидкой среды и твердых тел и изучение физи-)-химических закономерностей процессов изменения поверхностных и физико-механических свойств дисперсных систем, механизма переноса злаги и структурообразования. служащих основой при разработке новых технологических методоз в области добычи и переработки природных органических сырьевых ресурсов, в химической промышленности, коллоидной химии, электрохимии, почвоведении, агрохимии, экологии и пр. знесли П.А.Ребиндер, А.Н.Фрумкин, Б.В.Дерягин. Е.Д.Щукин. Н.В.Чура-эв, Н. В. Перцов. Б. Д. Сумм, М. П. Воларович, В. А. Чантурия, Ф.Д.Овчарен-ко, И.И.Лиштван, Н. И. Гамашов. C.B. Нерпин, А. С. Вествуд, В.И.Лихт-иан. A.M. Лыч, Г. С.Ходаков. С. Видерхорн и др.

Роль дисперсионной активной среды, применение физико-химических и других нетрадиционных методов в горном деле эффективно проявились в работах Е.И.Шемякина, Л.И.Барона, Г.Я.Новика, И.Г.Ищука.

B.В.Васильева, С.Е.Чиркова. А.Н.Ставрогина, И.А.Кузьмича, Л.Б.Глат-иана, А.В.Кузнецова, Е. З.Позина, В. В. Присташа, С. В. Мучника,

C. И. Мультанова. Ф. М. Гельфанда, В. П. Журавлева, А. В. Астахова. М.Я.Шмрта, И. Л. Эттингера и др. Созданию новых геотехнологических методов разработки полезных ископаемых посвящены работы В.Ж. Аренса. Большой вклад в разработку принципов Физико-химической обработки горного массива и применения таких методов для повышения эффективности процессов горного производства и создания новых нетрадиционных технологий и средств разрушения внесли D. Ф. Васючков, Н.Ф. Кусов.

A.Д.Алексеев, А.С.Бурчаков, В.В.Репка, Г.И.Марцинкевич. Е.Ф.Эпш-тейн, А.А.Кузнецов. 0.А.Эдельштейн, Л.П.Шоболова, В.И.Оробченко,

B. Н. Шиленков и др.

Актуальность работа определяется как потребностью открытых горных работ в разработке новых способов разупрочнения гцрного массива для создания безвзрывных методов подготовки горной массы к выемке, снижения экологической нагрузки и уменьшения износа породо-разрушащего инструмента, так и необходимостью оптимизации физико-химического воздействия на горный массив.

Цель работы - разработка и внедрение способов разупрочнения горного массива и подготовки горной массы к экскавации при открытой разработке угольных месторождений на основе физико-химических процессов взаимодействия поверхностно-активных сред с породами горного массива.

Идея работа заключается в создании новых способов разупрочнения горных пород путем опережающей обработки массива специалык выбранными водными растворами, обеспечивающими заполнение внутрипо-рового пространства горных пород, изменение природы физико-химических явлений на межфазных границах твердого тела и соответствующее снижение прочности горной породы.

Объекты исследований и воздействий - вскрышные породы и угли, т. е. те составляющие горного массива, в которых, исходя из их вещественного состава, структуры, трещиноватости и пористости, возможно значительное физико-химическое модифицирование поверхности I наиболее полное заполнение порового пространства.

Задачи исследований заключаются в следующем:

1. Изучить и описать свойства горных пород как природных пористых дисперсных Физико-химических систем, обладающих определенными специфическими свойствами поверхности, которые определяют наличие сложных поверхностных явлений, протекание в них процессов фильтрации, смачивания, адсорбции, капиллярной конденсации, электрокинетических явлений, массообмена, формирования смачивающих и адсорбционных пленок.

2. Определить степень гидрофильности горных пород и исходя и: этого и емкости поглощения, пористости, влажности и адсорбционно! способности определить эффективные модифицирующие дисперсионныЕ среды, изменяющие прочностные и деформационные свойства пород.

3. Исследовать основные закономерности поведения ищкости е пористой структуре горного массива - проницаемость, смачивание, впитывание и установить влияние массопереноса жидкости в порово?. пространстве порода и полноты заполнения порового пространства средой на изменение прочностных и деформационных характеристик породы.

4.. Изучить особенности физико-химического влияния среды и процессов формирования смачивающих пленок и адсорбции на процессы деформирования" и разрушения горных пород, установить влияние кинетических Факторов на разупрочнение горного массива. Установить особенности влияния разупрочняющих растворов на характер разрушения, его энергоемкость и износ породоразрушающего инструмента.

5. Выявить параметры воздействия на горный массив и установить взаимосвязь степени разупрочнения, кинетики взаимодействия жидкости с поверхность*) породы, а также структурных характеристик горного

массива с параметрами воздействия и характером разрушения. Разработать инженерный метод определения количественных значений технологических параметров обработки горного массива с целью его разупрочнения. обеспечивающего безвзрывную или комбинированную (совместное воздействие разупрочняющих растворов и ВВ) подготовку массива к экскавации, с учетом крепости пород, степени разупрочнения и возможностей применяемой экскавационной техники. Провести апробацию физико-химического способа разупрочнения горного массива на открытых работах и установить его эффективность. Разработать типовые регламенты технологического процесса подготовки массива для наиболее представительных пород с учетом применяемой экскавационной техники.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Физико-химическое разупрочнение природных трещиноватых дисперсных систем - горных пород - достигается за счет заполнения внут-рипорового пространства пород раствором и формирования смачивающих И адсорбционных пленок на межфазных границах, адсорбционного понижения поверхностной энергии материала при адсорбции молекул и ионов растворов на внутренней поверхности пород.

2. Состав, концентрация модификаторов поверхности твердой фазы - растворов электролитов и органических поверхностно-активных веществ. а также время их воздействия определяют степень изменения Прочностных и деформационных свойств горных пород и массива, характер разрушения породы и величину износа породоразрушающего инструмента при разрушении обработанного раствором массива - увеличение гидрофильности системы путем увеличения рН раствора и внесения ПАВ снижает прочность и увеличивает деформационные свойства пород и значительно уменьшает износ породоразрушающего инструмента, а наличие катионов придает разрушению более хрупкий характер.

3. Породы горного массива взаимодействуют с водными растворами модификаторов благодаря фильтрации, впитыванию и внутреннему массо-обмену, в процессе которых на поверхности Пород происходит формирование смачивающих пленок, при этом эффективное'смачивание пород в процессе пропитки и более полное заполнение порового Пространства породы обнаруживается при увеличении гидрофильности поверхности (снижение угла смачивания и увеличение рН раствора) и снижении поверхностного натяжения раствора (при снижении поверхностного натя-

жения растворов с 72 до 35 эрг/смг к уменьшении угла смачивания с 48 до 0 град незаполненный поровыЯ объем уменьшается Солее чем в 3 раза).

4. Использование органических ПАВ в процессе физико-химического взаимодействия водных растворов электролитов с породой способствует более быстрому и эффективному смачиванию поверхности пород и впитыванию раствора в трещины и поры, обеспечивая формирование адсорбционных и смачивающих пленок воды на поверхности породы, что в свою очередь оказывает влияние на проявление поверхностных сил и физико-механические свойства пород.

5. Степень разупрочнения горных пород зависит от степени заполнения порового пространства породы модифицирующим раствором: чем меньше незаполненный поровыЯ объем породи, тем.выше степень разупрочнения. Так, при уменьшении незаполненного порового объема до 1-2% прочность различных пород снижается в 1,6-3 раза и более.

6. При более полном заполнении порового пространства породы в процессе предварительной обработки горного массива модифицирующими растворами выполняются основные условия проявления эффекта Ребинде-ра - снижение поверхностной энергии материала за счет компенсации поверхностных сил молекулами среды и непременное наличие среды в зоне развития трещины, что проявляется в двух стадиях - постепенное зарождение и развитие "равновесных" микротрещин на основе локальной концентрации деформаций и напряжений, и относительно быстрое распространение трещин, утративших равновесность, вследствие механического воздействия на отдельность. Внутренний массообмен в горных породах в изотермических условиях проходит по следующей схеме: направление миграции катионов, анионов, молекул ПАВ, а также увеличение рН совпадает с направлением влагопереноса в материале.

7. Совокупность сведений о зависимости структуры и механических свойств пород от характера Физико-химических процессов, протекающих на поверхности раздела фаз в пористой среде пород горного массива, предопределяет получение количественных значений параметров направленного воздействия разупрочняющих растворов на физико-механические свойства пород массива, являющихся основой для разработки нетрадиционных, ресурсосберегающих, экологически чистых, в том числе безвзрывных, технологичных способов подготовки горного массива к экскавации существующими средствами.

8. Выбор разупрочняющего раствора и определение технологично -них параметров обработки горного массива на открытых разработках угольных месторождений осуществляется по разработанному методу, позволяющему на основании предварительных результатов исследования процесса разупрочнения, горно-геологических и данных БВР рассчитать все параметры технологии физико-химического разупрочнения количество раствора, глубину и сетку заливочных скзажии. время обработки и др., и обеспечить на практике равномерное распределении рас. Еора в трещиноватой пористой структура горного массива, заполнеши-порооого пространства породы, последующее Формирование смачивающих и адсорбционных пленок на внутренней поверхности породы, что обусловливает снижение прочностных свойств горных пород, снижение энергетических затрат при разрушении, улучшение экологических показателей и уменьшение абразивного износа. Предварительная обработка горных пород разупрочняющими растворами приводит к существенному уменьшения износа породоразрушающего инструмента. Относительный из нос уменьшается при увеличении степени разупрочнения и при внесении в состав модифицирующих растворов реагентов, способствующих Формированию смачивающих пленок и снижающих трение.

Обоснованность и достоверность, научных положений, вывода_и

апробированных методов исследования; оценкой изучаем*« явлений нес колькими независимыми методами: методическими предпосылками работы, основанными на использовании методов математической статистики для обработки результатов физико-химических исследований (коэффициент вариации не Солее 12% при надежности 0,995), изучения прочностных, деформационных и горно-технических свойств пород до и после обработки разупрочняющими растворами (коэффициент вариации не более ЯО"' при надежности 0.95); удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований, лабораторных и натурных испытаний большим объемом экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях; использованием результатов исследований и широко:1 апробации методов на открытых разработках угольных месторождений.

1. Использование закономерностей поверхностных явлений и взаимодействия природных трещиноватых дисперсных пористых систем - горных пород с рядом соединений - модификаторов поверхности твердой фазы (водой, растворами электролитов, поверхностно-активных вещест-

обеспечиваются методической правильностью применения

вами) как регуляторов состояния горного массива и изменения физико-механических свойств горных пород с позиций воздействия таких модификаторов на гидрофильность (энергию связи твердой и жидкой фаз) и структуру дисперсных материалов, способствует выявлению основных факторов, определяющих эффективность снижения прочностных и изменения деформационных свойств горных пород, и разработке параметров способа физико-химического разупрочнения горного массива.

2. Использование комплексного характера исследований и сопоставление независимых данных измерения поверхностного натяжения бжг водных растворов с различным содержанием ПАВ и кальцинированной соды. угла смачивания созО этих водных растворов на породе с величиной остаточного незаполненного влагой порового объема пористого тела показало, что эффективное смачивание породы в процессе пропитки и более полное заполнение порового пространства породы обнаруживается при увеличении гидрофильности поверхности и снижении поверхностного натяжения раствора, т.е. при больших значениях бжг-созС1, при этом заполнение порового пространства пород увеличивается более чем в три раза.

3. Установлено, что внесение катионов электролита в дисперсную среду приводит № уменьшению прочности породы и незначительному увеличению деформационных свойств породы, увеличение гидрофильности системы и увеличение рН среды приводит к уменьшению прочности породы и заметному (в 3-5 раз) увеличению ее деформации. Установлено, что в процессе физико-химического взаимодействия водных растворов электролитов органические ПАВ, снижая поверхностное натяжение растворов электролитов и уменьшая угол смачивания, способствуют более быстрому и полному смачиванию поверхности материала и заполнению порового пространства породы, обеспечивая формирование адсорбционных и смачивающих пленок воды на породе.

4. Установлено, что внутренний массоперенос в породах, приводящий к увеличению содержания дисперсионной среды в пористой структуре породы, с повышением рН раствора увеличивается, направление миграции катионов, анионов, молекул ПАВ совпадает с направлением влагопереноса в материале. Вместе с тем эффект физико-химического разупрочнения при скорости разрушения более 1 м/с проявляется только при заблаговременной пропитке породы, когда инструмент взаимодействует с модифицированной поверхностью, а распространение трещины происходит по модифицированному материалу, и в месте зарождения

трещины, и по ходу ее развития возможно попадание дисперсионной среды на вновь образованную поверхность.

Установлено, что разупрочнение горных пород зависит от степени заполнения порового пространства породы модифицирующим раствором: чем меньше незаполненный поровый объем породы, тем выше степень разупрочнения.

5. Установлено, что относительный износ породоразрушающего инструмента при разрушении предварительно обработанных горных пород уменьшается при увеличении степени разупрочнения и внесении в состав модифицирующих растворов реагентов, способствующих формированию смачивающих пленок и снижающих трение. Износ углеродистой стали при разрушении предварительно разупрочненных пород уменьшается почти вдвое, а твердого сплава - в 5-10 раз по сравнению с износом при разрушении необработанной породы.

6. Для практического применения разупрочняющих растворов на открытых разработках угольных месторождений разработан метод определения параметров технологии обработки массива, обеспечивающих равномерное распределение раствора в пористой структуре горного массива, формирование смачивающих и адсорбционных пленок на внутренней поровой поверхности породы, что обусловливает снижение прочностных свойств горных пород и массива, энергетических затрат при разрушении и уменьшение абразивного износа.

Научное значение работы заключается в разработке способа использования закономерностей физико-химических явлений формирования смачивающих и адсорбционных пленок на внутренней поверхности горных пород, явлений массопереноса и заполнения внутреннего порового пространства пород для создания новых способов разупрочнения горного массива, а также в новизне конкретных результатов (перечисленных выше).

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Разработан и апробирован безвзрывной способ подготовки горной массы к экскавации на открытых разработках угольных месторождений. основанный на физико-химическом разупрочнении горных пород путем предварительной обработки горного массива разупрочняющими растворами.

2. Разработан и апробирован комбинированный способ подготовки крепких горных пород к экскавации, основанный на применении разупрочняющих растворов и пониженных (до 50%) зарядов ВВ.

3. В натурных условиях показана возможность применения способа физико-химического разупрочнения горного массива и подготовки горной массы к экскавации, позволяющий повысить качество добываемого и поставляемого потребителю угля, снизить издержки производства (затраты на подготовку горной массы к экскавации уменьшаются на 500 руб/м3 горной массы), сократить негативное воздействие на окружающую среду, повысить уровень организации работ на предприятии.

4. В рамках концепции развития открытого способа добычи угля в России разработаны типовые технологические регламенты безвзрывного и . комбинированного способов подготовки горной массы к экскавации, основанные на применении разупрочняющих растворов, с учетом механических и диалогических свойств горных пород и возможностей экска-вационной техники.

Реализация работы. С использованием результатов исследований разработаны концепция развития угледобывающей отрасли страны на планируемую перспективу до 2010 г.. методики проведения опытно-промышленной проверки эффективности физико-химического способа разупрочнения горного массива для ПО "Экибастуз" и концерна "Кузбассраз-резуголь", технологический регламент обработки горного массива (в том числе технологический регламент для участка КСМ-2000Р) для АООТ "Разрез "Талдщюкий".

Апробация работы. Научные результаты и основные положения работы были доложены и одобрены на трех международных симпозиумах и конгрессах(1994.1995,1997 гг.), на 11 Всесоюзных конференциях и отраслевых совещаниях (1978-1990 гг.). на научно-технических советах, на научных семинарах отделений открытых горных работ и нетрадиционных способов добычи ИГЛ им.А.А.Скочинского (1978-1997 гг.), семинарах кафедры коллоидной химии МГУ им. М.В.Ломоносова и отдела дисперсных систем ИФХ РАН (1983-1987 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликована.61 печатная работа. из которых 6 брошюр и шшг. Приоритет 9 изобретений защищен 7 авторским! свидетельствами и 2 патентами РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения, изложенных на 288 страницах машинописного (на ПК) текста, содержит 63 рисунка, 18 таблиц, список исполь-зованых источников из 306 работ отечественных и зарубежных авторов и приложешшй, включающих акты и протоколы испытаний способов подготовки массива в производственных условиях.

Автор признателен за поддержку и консультации академику РАН Е.И.Шемякину, академику АЕН К.Е.Виницкому. Автор благодарен за содействие и помощь Г. Й. Марцинкевичу, Р. М. Штейнцайгу. А. И. Шендерову и коллективам отделений нетрадиционных способов добычи, открытых работ и разрушения ИГД им. А. А. Скочинского. Автор отмечает, что успешному освоению и использованию нетрадиционных способов подготовки горного массива к экскавации способствовала активная позиция и творческое отношение инженерно-технического персонала разреза "Таллинский " и др.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ существующих методов разупрочнения горного массива. Выбор цели и обоснование задач исследования. Задача управления физико-механическими характеристиками пород горного массива с целью повышения эффективности экскавации на открытых работах сводится к снижению прочностных характеристик, изменению деформационных свойств породы и доведению.сопротивления.сдвигу .пород массива до уровня, позволяющего при развиваемом усилии резания' данной экскавационной техники обеспечивать высокие показатели экскавации. Помимо предварительного рыхления взрывным или механическим способом, разупрочнение горного массива можно осуществить путем введения в него другой разупрочняющей фазы. Горные породы являются пористыми гетерогенными дисперсными системами естественного происхождения с разнообразными химическим строением и структурой. При взаимодействии таких пористых тел с жидкими модифицирующими средами появляется необходимость адекватного описания свойств пород как физико-химических, систем, обладающих определенными специфическими свойствами поверхности, которые определяют наличие сложных поверхностных явлений, и протекание в них процессов фильтрации, смачивания, адсорбции, капиллярной конденсации, электрокинетических явлений и массообмена.

- В связи с тем что процессы разрушения и перемещения разрушенного материала связаны с межфазными, поверхностными свойствами тел. становится очевидной возможность уменьшения энергоемкости разрушения за счет изменения природы физико-химических явлений на межфазных границах твердого тела и соответствующих характеристик состояния породы вследствие обработки внутрипоровой поверхности породы

- И -

модифицирующими растворами. Разрушение породы, как и любого твердого тела, является процессом развития новых поверхностей, сопровождающимся разрывом межатомных связей: энергия, затрачиваемая на разрушение, определяется энергией разрыва этих связей, т.е. свободной поверхностной энергией данного твердого тела (в расчете на единицу образующейся поверхности). Энергия разрыва связей частично компенсируется. если атомы твердого тела до разрушения и в процессе разрыва образуют новые связи с атомами (молекулами) среды, т.е. если происходит адсорбция соответствующих компонентов среды на вновь образующихся ячейках поверхности. При этом свободная поверхностная энергия данного тела и вместе с тем работа, затрачиваемая на его разрушение, могут существенно уменьшиться, что проявляется в понижении прочности и изменении деформационных свойств твердых тел.

Таким образом, совокупность сведений о зависимости структуры и механических свойств пород горного массива от физико-химических процессов, протекающих на поверхности раздела фаз в пористой среде породы, представляет собой основы физико-химической механики горного массива, на базе которых устанавливаются параметры направленного воздействия на физико-механические свойства пород горного массива, что позволяет разработать нетрадиционные, экологически чистые, в том числе безвзрывные, способы подготовки горного массива к экскавации существующими средствами.

Горные породы как природные дисперсные снстеми. Горные породы, угли и грунты являются природными гетерогенными дисперсны}«! системами. состоящими из твердой фазы (отдельные минералы, цемент, твердые каустобиолиты). жидкой фазы (вода, растворы) и газовой фазы в порах. Они имеют сильно развитую внутреннюю поверхность раздела между "фазами, что обусловливает наличие избытка свободной поверхностной энергии и связанную с ней повышенную химическую активность, высокую адсорбционную способность, а также довольно высокую зависимость многих физико-механических свойств такой системы от характера И свойств среды.

Термодинамические условия проявления эффекта Ребиндера могут в достаточно общем виде формулироваться просто: энергия межфазного взаимодействия твердого тела со средой должна бить того же порядка, что и энергия связей в самом твердом теле, тогда среда может оказывать существенное влияние на его механические свойства. Кинетика процесса, которая обычно является главным ключом расшифровки меха-

низнов, зависит, как правило, ,0т транспортной стадии, которая определяет не только эффективность процесса разупрочнения, но, при определенных условиях, и его отсутствие.

Из рассмотрения зависимости сил взаимодействия частиц от толщины жидкой прослойки, формируемой на поверхности породы, следу«;, что для изменения сил связи между частицами и управления структур;'и и прочностью такой пористой системы как горные породы необходим■• использовать добавки к дисперсионной среде, изменяющие заряд и;:.; гидрофильность поверхности частиц. Такими добавками могут служить соли, кислоты, щелочи и органические поверхностно-активные вещества (ПАВ). Экспериментально показано, что при применении добавок, разрушающих граничные слои воды под влиянием электролита, электростатическое взаимодействие уменьшается, в связи с этим прочность структуры горней породы, например, песчаника при действии раствора одновалентного электролита уменьшается (рис.1, кривая 2). при этом деформационные свойства изменяются кезачительно. Так как энергии взаимодействия гидрофильных предварительно прижатых частиц при действии полярной среды (воды) уменьшается с 40 до 0,01 эрг/о-г. воздействие на структурную составляющую поверхностных сил путе:-' увеличения гидрофильности системы также приводит к умень-

Рис.1. Диаграммы "напряжение-деформация" бсж- 4 деформирования образцов мелкозернистого песчаника при одноосном сжатии: 1 - воз душно-сухая порода. 2.3,4 - обработка раствором НаС1(0.05 масс.%). На0Н(0,01 масс.%) и ПАВ (ДБ, 0.1 масс.%) соответственно

шению прочности системы (кривая 3). Однако условия деформирования при гидрофилизации системы значительно изменяются - коэффициент пластичности увеличивается. Еще больше увеличивается деформация при обработке породы раствором ПАВ (кривая 4). В последнем случае помимо воздействия на структурную составляющую поверхностных сил проявляется увеличение отталкивания за счет увеличения стерической составляющей расклинивающего давления.

Водные растворы как модификаторы поверхности пород. Количественное содержание воды на поверхности пород и ее качественное состояние, с одной стороны, само по себе определяет многие свойства материала, а с другой - может быть изменено физико-химическими методами, что повлечет за собой изменение физико-механических свойств горных пород. Наличие в воде адсорбирующихся на поверхности материала и на границе вода-воздух веществ не только приводит к модификации поверхности пород, но также значительно меняет кинетику физико-химических процессов на поверхности материала.

Для изменения поверхностных свойств пород необходимо иметь в дисперсионной среде достаточное количество катионов, которые должны изменить и увеличить поглощающий комплекс породы. Донором таких катионов являются электролиты - вещества, которые при растворении распадаются на ионы.

О влиянии электролитов на элетроповерхностные свойства пород можно судить по результатам измерений ^-потенциала. Небольшие концентрации ИаС1 приводят сначала к увеличению дзета-потенциала, что связано с достройкой внутреннего слоя ионов, определяющего знак заряда. Дальнейшее увеличение концентрации электролита или добавка двухвалентного электролита приводит к уменьшению величины электрокинетического потенциала в силу сжатия диффузного слоя, образуемого противоионами. и проникновения их в адсорбционную часть двойного электрического слоя. Добавление трехвалентного электролита может привести к перезарядке двойного слоя. Внесение электролитов в дисперсионную среду пород горного массива оказывает значительное влияние на проявление электростатической составляющей поверхностных сил, что, как правило, приводит к снижению прочности породы и незначительному повышению деформационных свойств (см. кривую 2 на рис. 1).

Оценка электроповерхностного заряда некоторых пород и углей, сделанная на основе электрокинетических измерений, показывает, что

смещение рН среды в щелочную сторону приводит к более отрицательно му заряжанию поверхности, а следовательно, к увеличению гидратной оболочки воды, что приводит к повышению деформации .(см. кривую 3 на рис.1).

Роль ПАВ в процессе физико-химического взаимодействия водных растворов многообразна. Прежде всего ПАВ. увеличивая гидрофильнооть поверхности пород, способствуют более быстрому и эффективному смачиванию поверхности материала и особенно малых пор, обеспечивая формирование адсорбционных и смачивающих пленок воды на породе. Таким образом, они способствуют транспорту воды и находящихся в ней катионов к поверхности породы, адсорбция которых приводит к сжатию диффузного слоя, что в свою очередь оказывает влияние на проявление поверхностных сил. Адсорбция молекул или ионов ПАВ на поверхности породы может способствовать пластификации материала (кривая 4 на рис.1). Для углей помимо этих функций ПАВ важна также его способность гидрофилизировать гидрофобные участки поверхности, их осуществляется путем адсорбции ПАВ на поверхности угольного вещества.

Равновесно жидкости в поровом пространстве горного массива. Взаимодействие пород горного массива с водными средами происходит благодаря протеканию процессов фильтрации и впитывания. Водный раствор, фильтруясь по трещинам, вследствие капиллярного впитывания заполняет поровое пространство массива. В процессе фильтрации и впитывания раствора на поверхности пород формируются смачивающие пленки, концентрация раствора при этом изменяетоя, могут происходить и структурные изменения в пористой структуре пород.

В фильтрационном насыщении массива наибольшее участие принимают пустотности размеров свыше 50 мкм, обеспечивая смачивание только примерно 10% внутренней поверхности массива; с учетом капиллярного насыщения величина обработанной поверхности увеличивается 'до 60% и более.

Влажность материала оказывает заметное влияние на скорость замены дисперсионной среды в пористом теле породы. Показано, что увеличение влажности породы приводит к тому, что время, в течение которого происходит замена воды раствором соли, увеличивается в несколько раз.

Комплексный характер исследования позволил использовать данные независимых измерений поверхностного натяжения бжг водных растворов

различным содержанием ПАВ и кальцинированной соды, угла смачивания созй этих водных растворов на породе и сопоставить их с величиной остаточного незаполненного влагой порового объема пористой породы (время нахождения породы в соответствующем растворе - один час). Поверхностное натяжение растворов изменялось от 72 до 35 эрг/смг, угол смачивания - от 48 до 0 град.

Рис.2. Поле корреляции значений заполненного порового объема ^ и напряжения смачивания б^-совй (»-раствор неонола. о-раствор

неонола и Ма2 С03).

Влияние б1Г-созй на величину заполненного раствором порового объема (пористость модели до впитывания была 28%) после пропитки показано на рис.2. Вагным свойством этой зависимости является уменьшение остаточного порового пространства пористого тела, незаполненного раствором, с увеличением б,г-соз0. Характер наблюдаемой зависимости дает основание предполагать повышение эффективности пропитки пористого тела - горного массива - с увеличением напряжения смачивания, т.е. эффективное смачивание породы в процессе пропитки и более полное заполнение порового пространства породы - наибольшее предельное влагонасыщение наблюдается при увеличении гидро-Флльности поверхности за счет наличия ПАВ и повышения рН среды.

В условиях перехода от обобщенного сжатия к обобщенному растяжению происходит увеличение скорости впитывания, при этом повышение энергии деформирования при сдвиге и растяжении также значительно интенсифицирует впитывание. Максимальному значению постоянной впитывания А будет соответствовать максимальное значение напряжения смачивания б|Г-созО.

Массоперенос в горных породах. Массосодержание пористой системы горной породы, оказывающее существенное влияние на ее механические и реологические свойства, определяется механизмами внутреннего массообмена и зависит от состояния равновесия жидкости в пористом теле породы. Показано, что с ростом заряда поверхности твердой Фазы увеличиваются содержание адсорбшюнно связанной воды и толщина смачивающих пленок. Установлено также, что одним из методов воздействия на заряд поверхности твердой фазы является изменение рН материала. поскольку реакция дисперсионной среды определяет степень ионизации функциональных групп материала. В связи с этим изменение относительного количества адсорбированной влаги на капиллярно-пористом материале, модифицированном кислотой, щелочью и выдержанном над водой таково: в материале с кислой реакцией вследствие уменьшения величины заряда поверхности адсорбированной воды становится меньше, что приводит к уменьшению влагосодержания; материал с повышенным значением рН вследствие увеличения отрицательного заряда поверхности способен иммобилизировать адсорбционно и осмотически большее количество воды.

Общая схема переноса модификаторов в породах в условиях изотермического массообмена сравнительно проста: направление миграции катионов и анионов, а также рН и ПАВ совпадает с направлением вла-гопереноса в материале. Обменная емкость всех пород увеличивается с повышением рН среды. Интенсификация ионообмена и снижение диффузии влаги с повышением рН способствуют уменьшению подвижности катионов с увеличением их валентности.

' Процессом, определяющим поступление активного вещества в зону разрушения, является поверхностная миграция. Достаточно низкая скорость миграции раствора ПАВ в зону разрушения (12-20 см/с) не позволяет эффективно использовать растворы ПАВ непосредственно в процессе разрушении горных пород при современных высоких скоростях разрушения (скорость разрушения углей и пород роторными экскаваторами на открытых разработках угольных месторождений достигает 1-3 м/с. а для машин послойного фрезерования - 1.5 м/с). При разрушении заблаговременно обработанного раствором модификаторов пористого материала резец взаимодействует с модифицированной поверхностью, трещины распространяются по модифицированным участкам породы, при этом в месте ее зарождения и образования внутрипоровый раствор имеет большую вероятность попасть на вновь образованную поверхность трещины разрушаемой породы и компенсировать избыток поверхностных сил.

- 17 -

Сизико-химическое влияние среды на процессы деформирования и разрушения горных пород. В условиях постоянства поверхностной энергии и модуля упругости прочность пород пропорциональна корню квадратному из обратной величины пустотности (трещиноватости. пористости. дефектности и пр.). которая в разной степени предоставляет жидкой среде возможность модифицировать внутреннюю поверхность порол за счет формирования адсорбционных и смачивающих пленок. В связи с этим величина разупрочнения горного массива зависит от степени за-

полнения порового пространства породы модифицирующим раствором: чем меньше незаполненный поровый. объем породы, тем выше степень разупрочнения (рис.3). >

Увеличение рН среды, приводящее к лиофилизации поверхности пород и к формированию смачивающих пленок, значительно повышает деформацию материала при разрушении. При этом деформация к моменту разрушения породы тем больше, чем больше рН среды. Одним из наиболее эффективных "понизителей" прочности при физико-химическом методе разупрочнения горных пород являются катионы, образующиеся при внесении в раствор различных солей. Катионы электролитов оказывают особо сильное влияние на электростатическую составляющую поверхностных сил.

При предварительной обработке горного массива адсорбционной средой выполняются основные условия проявления эффекта Ребиндера (снижение поверхностной энергии материала за счет компенсации поверхностных сил и непременное наличие среды в зоне развития трещины), который протекает в двух стадиях - постепенное зарождение и развитие неравновесных микротрещин на основе локальной концентрации деформаций и напряжений вследствие снижения поверхностной энергии материала и относительно быстрое распространение трещин, утративших равновесность, на все сечение отдельности породы при механическом воздействии.

При воздействии напряженного состояния и адсорбционно-активных растворов процессы увеличения влажности и образования микроразрушений начинают развиваться одновременно, но на начальной стадии преобладает процесс увеличения влажности за счет заполнения порового пространства породы, а на конечной - усиливается процесс образования микроразрушений, так как путь для развивающейся трещины проходит по разупрочненной породе. Установлено влияние градиента температуры на физико-химическое разупрочнение породы.

Особенности разрушения разупрочненных горных пород в массиве. Процессы экскавации и другие физико-механические процессы я явления захватывают сравнительно большие объемы массива, содержащие, как правило, несколько элементов неоднородности - отдельностей, блоков, породных тел. ■ пропластков. пластов различного литологического состава. каждый из которых имеет свою трещиноватость, пустотность и напряженность. В этом случае прочность (сопротивление сдвигу) массива зависит не только от прочности пород в образце и прочности по трещинам, но также от сцепления между блоками, формы элементарных блоков, ограниченных трещинами, и соотношения размеров блоков и деформируемой области массива горных пород.

Обобщая известные к настоящему времени данные о характере деформирования и разрушения горных пород в массиве, можно считать установленной следующую последовательность разрушения пород в массиве породоразрушающим элементом (зубом ковша, резцом ротора или фрезы): сдвиг (в упругой стадии), отрыв, разрушение слабых блоков, поворот более прочных блоков горного массива, ограниченных трещинами. При более полном заполнении порового пространства пород разупрочня-рщей средой эффективность разупрочнения горного массива также достигает 0.5-0,7.

Прогнозирование прочности элементарного блока или массива до разупрочнения и после воздействия соответствующего разупрочняющего раствора при изменении линейных размеров структурных элементов в массиве в диапазоне 1-0,01 м (для ширины ковша, например. 2.5 м) показывает, что взрывной подготовки горного массива можно избежать, если подвергнуть уступ физико-химической обработке. После обработки разупрочняющим раствором развиваемое экскаватором усилие резания позволяет разрушать массив даже если величина блоков будет больше метра.

Средняя энергоемкость разрушения породоугольного блока, разуп-рочненного физико-химическим способом, не превышала 65 Вт-ч/т. блока, разрыхленного буровзрывным способом, - 90 Вт-ч/т, целика - более 180 Вт-ч/т. Производительность роторного экскаватора возрасталг с 3200 до 4300 т/ч при работе на блоке, разупрочненном физико-химическим способом. Пылеобразование при разрушении и перегрузка) уменьшается на 30-35%.

Изменение прочностных и деформационных свойств массива при обработке его разупрочняющими средами позволяет регулировать режим экскавации и увеличивать производительность экскаватора.

Для подготовки к экскавации горной массы крепких пород, когд; физико-химическое разупрочнение не достигает уровня усилия резани; экскаватора, можно использовать комбинированный способ подготовь массива - разупрочняющие растворы и ВВ. В этом случае экономия В: составляет до 50%, улучшаются экологические условия и др.

Износ инструмента, отнесенный к объему разрушенной породы значительно уменьшается при использовании разупрочняющих рас'творо по сравнении с износом инструмента при работе на необработанной по роде. Относительный износ особенно сильно уменьшается при внесени в состав разупрочняющих растворов реагентов, лиофилизирующих по верхность породы и способствующих формированию смачивающих и ад сорбционных пленок, что. естественно, снижает трение. При этом из нос стали при фиксированном напоре уменьшается почти в 2 раза, твердого сплава - в 5-10 раз.

Технология подготовки горного массива к экскавации. При праи тическом применении водных растворов ПАВ и электролитов, снижают* прочностные свойства горных пород, влияющих на снижение энергеп ческих затрат при разрушении и экскавации горного массива и умен* шающих абразивный износ, положительный эффект может быть достигну

при равномерном распределении упомянутого-раствора необходимой концентрации в пористой структуре горного массива, формировании смачивающих и адсорбционных пленок на внутренней поровой поверхности породы, что достигается выполнением ряда технологических операций, параметры которых определены с учетом структурных, физико-механических и других характеристик пород и массива.

При выполнении условия превышения средних значений усилий резания экскаватора над пределом прочности при сдвиге обработанного массива используется безвзрывное разупрочнение массива с применением выбранных разупрочняющих водных растворов. Эта технология, как правило, с успехом применяется на горных массивах, сложенных алевролитами. пористыми песчаниками, аргиллитами и углями, при использовании для экскавации современной выемочно-погрузочной техники -мехлопат и драглайнов.

Если выемке подлежит более крепкий массив, сложенный крепкими песчаниками или известняками, и физико-химическое разупрочнение на 30-50% еще не позволяет производить экскавацию и погрузку имеющимся экскаватором, т.е. условие превышения значений усилий резания экскаватора над пределом прочности массива при сдвиге не выполняется, то следует применять комбинированный способ разупрочнения с использованием зональной обработки массива разупрочняющими растворами и пониженных зарядов взрывчатых веществ. Последовательность технологических операций для таких технологий приведена в таблице. Установлены необходимые технические" средства, расчетным и экспериментальным путем определены параметры технологии обработки.

Разработанный инженерный метод расчета технологических параметров обработки горного массива позволяет на основе результатов испытаний пород, характеристик горного уступа и сведений о применяемой экскаваторной технике установить значения технологических параметров. Разработаны и защищены приоритетом технологические основы нетрадиционного способа управления состоянием и разупрочнения горного массива, позволяющего осуществлять безвзрывную и комбинированную подготовку горной массы к экскавации.

Для наиболее представительных пород некоторых угольных разрезов разработаны типовые технологические регламенты обработки горного массива.

Практика показывает, что применение опережающего физико-химического способа разупрочнения горного массива при сохранении

Технологические операции, технические средства и технологические параметры разупрочнения горных пород

Технологическая операция Технические средства и технологические параметры 1

Безвзрывное разупрочнение Еэ > 6СДВ _ „ Комбинированная технология Нэ<бсдв„

Зачистка поверхности уступа Бульдозер

Бурение заливочных скважин Бурение заливочных и взрывных скважин Буровые станки СВР, СБШ. Глубина заливочных скважин около 1/3-1/4 высоты уступа. При выполнении условияНэ>бсдвбурятся только заливочные скважины. Для комбинированного способа бурение заливочных скважин осуществляется на пересечении диагоналей квадратной или прямоугольной сетки взрывных скважин.

Приготовление разупрочняющего раствора ПАВ и соли в необходимом количестве загружаются в бак поливочной машины (УПМ), который заполняется водой. Раствор транспортируется на уступ.

Заливка раствора в скважины Осуществляется в заливочные скважины через шланг при помощи насоса на УПМ или самотеком..

Пропитка уступа Выдержка уступа во времени (2-7 суток)

Заряжание и взрывание уступа Параметры взрыва устанавливаются расчетом

Отработка разупрочненного уступа Отработка производится ранее определенным экскаватором

его макроструктуры (что недостижимо при буровзрывном рыхлении) обеспечивает сокращение разубоживания и потерь добываемого минерального сырья.

Результаты промышленной апробации безвзрыного и комбинированного способов подготовки указывают на благоприятное влияние физи-

ко-химического способа подготовки горной массы к экскавации на экологические последствия цикла горных работ, на состояние окружающей среды и показатели основных технологических процессов. В частности, установлено уменьшение энергоемкости выемки, увеличение производительности, уменьшение динамичности работы экскаватора и пылеобразо-вания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, выполненной на актуальную тему, в которой на основании проведенных экспериментальных исследований, теоретических обобщений и анализа опытно-промышленных работ разработан способ физико-химического разупрочнения горного массива, основанный на изменении природы физико-химических явлений на межфазных границах твердого тела, позволивший разработать технологию подготовки горной массы к экскавации на открытых горных работах. Совокупность результатов работы по созданию безвзрывного способа разупрочнения горного массива можно квалифицировать как решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Физико-химическое разупрочнение природных трещиноватых пористых дисперсных систем - горных пород - осуществляется за счет заполнения внутрипорового пространства пород раствором и формирования смачивающих и адсорбционных пленок на межфазных границах, адсорбционного понижения поверхностной энергии материала при адсорбции молекул и ионов растворов на внутренней поверхности пород.

2. Установлено, что закономерности формирования смачивающих и адсорбционных пленок на межфазных границах природных трещиноватых дисперсных пористых систем - горных пород - при взаимодействии их с водой, растворами электролитов и поверхностно-активных веществ как модификаторами поверхности твердой фазы определяют параметры физико-химического воздействие, характер и интенсивность изменения прочностных и деформационных свойств горных пород.

Показано, что взаимодействие поверхности породы с раствором солей благодаря адсорбции катионов приводит к изменению электростатической составляющей поверхностных сил, уменьшению прочности перо*

ды н относительно слабому изменению ее деформационных свойств. Воздействие на структурную составляющую проявления поверхностных сил путем увеличения смачиваемости и повышения гидрофильности системы также уменьшает прочность, но заметно увеличивает деформационные свойства горных пород.

3. Взаимодействие пород горного массива с водными растворами модификаторов осуществляется благодаря фильтрации, впитыванию и внутреннему массообмену, в процессе которых на поверхности пород происходит формирование смачивающих пленок. Показано, что эффективное смачивание пород в процессе пропитки и более полное заполнение, порового пространства породы возможны при увеличении гидрофильности поверхности (снижение угла смачивания и увеличение рН раствора) и снижении поверхностного натяжения раствора (при снижении поверхностного натяжения растворов с 72 до 35 эрг/смг и уменьшении угла смачивания с 48 до 0 град незаполненный поровый объем гидрофильной породы уменьшается более чем в 3 раза).

4. Органические ПАВ. повышая гидрофильность системы и снижая поверхностное натяжение растворов электролитов, способствуют более быстрому и эффективному смачиванию поверхности материала и заполнению внутрипорового пространства породы, обеспечивая формирование адсорбционных и смачивающих пленок воды на внутренней поверхности породы. Адсорбция молекул или ионов ПАВ на поверхности породы способствует увеличению деформации при разрушении породы. Для углей важна способность ПАВ гидрофилизировать гидрофобные участки поверхности, что осуществляется путем адсорбции ПАВ на поверхности угольного вещества.

5. Степень физико-химического разупрочнения горных пород зависит от степени заполнения порового пространства породы модифицирующим раствором: чем больше поровый объем породы заполнен дисперсионной средой, тем выше степень разупрочнения. Более полное заполнение порового пространства породы и эффективное смачивание пород в процессе пропитки наблюдается при максимально высоких значениях напряжения смачивания бжг-созО.

6. Более полное заполнение порового пространства породы при предварительной обработке горного массива, осуществляемое благодаря процессам массопереноса ^ фильтрации, капиллярного впитывания и внутреннего массообмена. обеспечивает выполнение основных условий проявления эффекта Ребиндера - снижение поверхностной энергии мате-

риала за счет компенсации поверхностных сил и непременное наличие среды в зоне развития трещины, что проявляется в двух стадиях -постепенное зарождение и развитие "равновесных" микротрещин на основе локальной концентрации деформаций и напряжений и относительно быстрое распространение трещин, утративших равновесность вследствие механического воздействия на отдельность модифицированной породы. Внутренний массообмен в горных породах в изотермических условиях происходит по следующей схеме: направление миграции катионов, анионов, молекул ПАВ, а также увеличение рН совпадают с направлением влагопереноса в материале. Такое перераспределение вещества в пористом пространстве породы приводит к снижению коэффициента хрупкости.

7. Совокупность сведений о структуре и зависимости механических свойств пород от характера физико-химических процессов, протекающих на поверхности раздела фаз в пористой среде пород горного Массива, позволяют получить количественные значения параметров направленного воздействия разупрочняющих растворов на физико-механические свойства пород массива (количество и концентрацию раствора, время взаимодействия и пр.), являющихся основой для разработки нетрадиционных, ресурсосберегающих, экологически чистых, в том числе безвзрывных, технологичных способов подготовки горного Массива к экскавации существующими средствами. Полезному применению результатов взаимодействия водных растворов модификаторов с породой с целью разупрочнения горного массива на открытых горных работах особенно способствует благоприятная совокупность физико-химических и механических условий: вскрышной или угольный уступ, имеющий развитую пористость, трещиноватость и высокую гидрофильность поверхности, находящийся в сложном напряженном состоянии с достаточно высокой концентрацией сдвиговых и растягивающих напряжений, подвергается равномерному воздействию специально подобранными водными растворами. Эта модифицирующая среды, содержащая в зависимости от последующего вида разрушения пород электролиты, органические ПАВ и добавки, повышающие рН среды, и обеспечивает более полное заполнение порово-го пространства породы и-формирование адсорбционных и смачивающих пленок на поверхности материала, что приводит к воздействию на по верхностные силы и соответствующее уменьшение прочностных свойств породы, снижение абразивного износа породоразрушающего инструмента.

8.' Разработанный инженерный метод определения вида, состава и расчета параметров технологических операций обеспечивает условия равномерного распределения раствора в трещиноватой пористой структуре горного массива, последующее формирование смачивающих и адсорбционных пленок на внутренней поверхности породы, что обусловливает снижение прочностных свойств горных пород и энергетических затрат на разрушение, а также уменьшение абразивного износа.

Проведенная широкая промышленная апробация способов подготовки массива (более 2,5 млн.м3) указывает на благоприятное влияние нового способа подготовки горной массы к экскавации на экологические последствия цикла горных работ, состояние окружающей среды и показатели основных технологических процессов. В частности, установлено уменьшение энергоемкости выемки (на 25%). увеличение производительности (на 40%), уменьшение динамичности работы экскаватора (на 40%). снижение пылеобразования при экскавации (на 20-30%) и положительное влияние на смежные технологические процессы. Физико-химическое разупрочнение угольного массива не оказывает заметного влияния на технологические свойства угля. Затраты на подготовку горной массы к экскавации физико-химическим способом по сравнению с ВВП снижаются на 0,5 тыс. руб. на 1 м3 горной массы.

Предварительная обработка горных пород разупрочняющими растворами приводит к существенному уменьшению износа породоразрушающа-го инструмента. Износ углеродистой стали при разрушении предварительно разупрочненных пород уменьшается почти в два раза, а твердого сплава - в 5-10 раз по сравнению с износом на необработанной породе. Относительный износ уменьшается при увеличении степени разупрочнения и внесении в состав модифицирующих растворов реагентов, способствующих формированию смачивающих пленок и снижению трения..

Основные положения диссертации наложены в следуищих работах:

1. Воронков Г.Я. Роль сорбции в процессах взаимодействия жидких сред с углем // Методы и средства разрушения горных пород: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А. А. Скочинского, М.:. 1983.-ВЫП.215.- С. 14-20.

2. Воронков Г.Я. Нетрадиционный способ разупрочнения горного массива. // Научно-технич. информац, бюллетень ''Новые технологии".

- М.: Отд.Фонда по поддержке изобретений и новых технологий Международной академии информатизации, 1996. N 1,- С. 19-20.

3. Воронков Г.Я. Роль электроповерхностных и адсорбционных свойств в проявлении эффекта Ребиндера // Всесоюзная конференция по коллоидной химии природных дисперсных систем, 27-29 августа.

- Канев. 1987,- С. 35-37.

4. Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И. Изменение деформационных и прочностных свойств угля при взаимодействии с поверхностно-активными растворами// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.- 1986,- Н 5. - С. 81-88.

5. Технологические основы разупрочнения горных массивов на открытых разработках угольных месторождений /К. Е. Виницкий, Г.Я.Воронков, Г.И. Марцинкевич, А.И. тендеров. P.M.Штейнцайг. - М.: ИГД им. А. А. Скочинского. 1995. - 36 с.

6. Воронков Г.Я. Влияние кислотности среды на электроповерхностные свойства углей и пород // V совещание по химии и технологии твердого топлива "ХТТТ-88". - Н. 1988. - С. 34-36.

7. Разупрочнение угольного массива в схемах поточной технологии/Г. Я. Воронков. Г. И. Марцинкевич, P.M. Штейнцайг, В. Ф. Гашков. //Научно-технические достижения и передовой опыт в угольной промышленности: Информац. сборник. -М.: ЦНИЭИуголь, 1991. - Вып. 2.-С. 27-28.

8. Воронков Г.Я.. Марцинкевич Г.И.. Штейнцайг P.M. Разупрочлени е горного массива с использованием поверхностно-активных веществ/Лирный вестник.-М.: ИГД им.А.А.Скочинского. 1993. - N2 -С. 27-29.

9. Воронков Г. Я., Куссв Н. Ф.. Марцинкевич Г. И. Влияние сложного напряженного состояния на проявление поверхностных явлений в твердых телах// Физико- химическая механика и лиофильность дисперсных систем. - К.:- 1986.-Вып. 18. - С. 46-51.

10. Воронков Г.Я., Марцинкевич Г. И. Воздействие адсорбцион-но-активной среды на уголь в условиях сложного напряженного состояния // Вопросы управления состоянием горного массива: Науч.со-общ./Ин-т горн.дела им.А.А.Скочинского,- И.. 1984.-Вып.224.

С.30-35.

11. Воронков Г.Я.. Марцинкевич Г.И. Выбор оптимальных растворов поверхностно-активных веществ для управления прочностными и деформационными свойствами угля//Научн«е основы управления состоянием

горного массива: Науч.сообщ./ Ин-т горн.дела им.A.A.Скочинского. -М.. 1985.-ВЫП. 235. - С. 25-27.

12. Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И., Исаева H.D. Методологические основы выбора эффективных составов растворов для разупрочнения пород и углей //Известия ИГД им.А.А. Скочинского.-Н..1991. - N1,

- С.139-142.

13. Воронков Г.Я. Адсорбционно-активные жидкости в процессах нетрадиционной добычи угля // Создание технологии безлюдной выемки угля с применением средств роботизации производственных процессов: Тез.докл. Всесоюзн. конф. - М.: ЦНИЭИуголь, 1986. - С.46-47.

14. Воронков Г.Я.. Марцинкевич Г. И., Исаева Н. D. Адсорбция ПАВ Из растворов и снижение прочности угля// Способы и средства управления состоянием массива: Науч. сообщ. / Ин-т горн.дела им.А.А. Скочинского. - М., 1987. - С. 24-28.

15. Васильчиков Н.В., Воронков Г.Я. Некоторые аспекты применения химического способа разрушения угля в массиве// Методы разрушения горных пород, и их горнотехнологические свойства: Науч.сообщ. /Ин-т горн, дела им.А.А.Скочинского.-М..1981. Вып.197.-С.100-106

16. Воронков Г.Я., Кусов Н.Ф., Марцинкевич Г.И. Влияние газонасыщенности углей ha самопроизвольное диспергйрование//Разрушение углей й горных пород й их физико-механические свойства: Науч.сообщ. /Ин-т горн, дела им. А. А. Скочинского. -М.. 1982.- Вып. 207.-С.32-36.

17. Воронков Г.Я. Взаимодействие жидких сред с углем при физико-химических способах его добычи// Тез.докл. 3-й Всесоюзной конференции "Проблемы геотехнологии". - Черкассы, 1983. - С. 82-85.

18. Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И., Штейнцайг P.M. Использование физико-химической обработки горного массива для повышения эффективности взрыва на открытых горных работах//.Науч. • сообщ./ Ин-т горн, дела ИМ. A. A. Скочинского. -М., 1995, - Вып. 297. - С. 202-207.

19. Воронков Г.Я., Алхимова Г.Н. Воздействие мицеллярных систем на уголь при физико-химических методах его разрушения// Вопросы разрушения: Науч. сообщ. /Ин-т горн, дела им. А. А. Скочинского. -М., 1984.-ВЫП. 230. - С. 24-26.

20. Кусов Н.Ф., Воронков Г. Я.. Исаева Н.Ю. Набухание угля в адсорбционно-активных жидкостях// Тез. докл. 3-й Всесоюзной конференций "Проблемы геотехнологии". - Черкассы. 1983,- С.96-99.

21. Еоронков Г. Я.. МарШшкевич Г. И., Исаева Н. Ю. Впитывание растворов в уголь в условиях сложного напряженного состояния//На-уч.сообщ. Ин-т горн, дела им. А. А. Скочинского. М., 1986. -Вып.244,-С. 24-28.

22. Воронков Г.Л., Подображин С.Н.. Забурдяев Г.С. Выбор оптимальных концентраций водных растворов поверхностно-активных веществ для борьбы с пылью // Гез. докл.Всесоюзн.науч.-техн.конференции по борьбе с пылью и профилактике пневмокониозов на предприятиях угольной промышленности. -И.: ЦНИЭИУголь. 1979. - С.45-47.

23. Кусов Н. Ф.. Воронков Г. Я.. Исаева И.О. Влияние некоторых Факторов на скорость химического разрушения углей // Тез. докл. 7-л Всесоюзной конференции вузов СССР с участием НИИ "Комплексные исследования Физических свойств горных пород и процессов". - М.: МГИ, 1981. - С.50-51.

24. Воронков Г. Я., Подображин С.Н., Забурдяев Г. С. Выбор смачивателей для повышения эффективности гидрообеспнлевания в угольных ыахтах//Вопросн аэрологии угольных шахт: Науч. сообщ./Ин-т горн.дела им. А. А. Скочинского. -!•!., 1981. - Вып. 198. - С. 82-86.

25. Кинетика смачивания угольной пыли водными растворами поверхностно-активных веществ/И.Г.Ищук, С.Н.Подображин, Г.Я:Воронков, Г.С.Забурдяев//Борьба с силикозом. - М.: Паука, 1982. т. XI, -С. 18-23.

26. Физико-химическое воздействие на прочность горных пород//!!. Ф. Кусов, 0. А. Эдельитейн, Г. Я. Воронков. Л. П. Шоболова/- М.: ЦНИЭИУголь. 1980. - 28 с.

27. Кусов II.Ф.. Воронков Г.Я., Германович Л.И. О возможности самопроизвольного диспергирования угля //Научные основы разрушения угля и горных пород: Науч. сообщ./Ин-т горн.дела им.А.А.Скочинского, -И., 1979. -Вып. 179. - С. 37-45.

28. Кусов Н.Ф., Воронков Г.Я.. Марцинкевич Г.И. Эффективность создания и прогнозные оценки развития новых нетрадиционных способов добычи угля // Тез. докл. 3-й Всесоюзной конференции "Проблемы геотехнологии". - Черкассы. 1983. - С. 77-80.

29. Штейнцайг Р.М., Воронков Г.Я. Нетрадиционные, экологически чистые способы управления состоянием горного массива и разупрочнения пород. - М.: ЦНИЭИуголь. 1995. - 44 С.

30. Воронков Г. Я., Марцинкевич Г. И., Исаева Н.Ю. Изменение прочностных свойств угля и углевмещающих пород при пропитке и раз-

рушении их в присутствии растворов ПАВ// Молодые ученые - КАТЭКу: Тез. докл. науч.-практической конф. молодых ученых, 22-23 июня 1988. -.Красноярск, 1988. - С. 111-112.

Зх. Кусов Н.Ф.. Воронков Г.Я.. Эдельштейн O.A. Оптимизация физико-химического способа воздействия на прочностные свойства крепких горных пород// Теория и практика разрушения углей и горных пород: Материалы научного совета по проблеме "Новые процессы и способы производства работ в горном деле"/Ин-т горн.дела "м.А.А.Скочинс-кого. - М., 1978. - С. 31-32.

32. Кусов Н.Ф.. Воронков Г.Я., Германович Л.Н. Изучение самопроизвольного диспергирования порошка угля //Новые методы разрушения углей и горных пород: Науч.сообщ./Ин-т горн.дела им.А.А.Скочинско-го,- М., 1980,- Вып. 189. - С. 23-32.

33. Кусов Н.Ф., Марцинкевич Г.И., Воронков Г.Я. Оценка горно-технических условий диспергирования углей при воздействии поверхностно-активных веществ// Науч.сообщ./Ин-т.горн. дела им. А. А. Скочинского. - М.. 1986. -Вып. 246.- С.4-14.

34. Воронков Г.Я.. Подображин С.Н. Критерии эффективности гидрообработки массива//Науч.сообщ. /Ин-т горн.дела им.А.А.Скочинского. -М., 1982. Вып. 206. - С. 72-79.

35. Кусов Н.Ф., Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И. Изменение деформационных и прочностных свойств угля при физико-химическом воздействии в сложно-напряженном состоянии// Тез.докл. 8-й Всесоюзной конференции по механике горных пород.- Тбилиси. 1985.- С.44-46.

36. Кусов Н.Ф.. Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И. Взаимодействие адсорбционно-активных сред с углем в условиях сложно-напряженного состояния//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1985. -N 3,- С. 68-70.

37. Воронков Г.Я. Самопроизвольное диспергирование угля в условиях проявления горного давления // Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления. Всесоюзн.конф. ЛГИ им.Плеханова, -М.. 1982. - С. 56-58.

38. Воронков Г.Я., Иванушкин В.Г. Перспективные для гидрошахт физико-химические методы изменения прочности угля и пород // Второй семинар по научным исследованиям в области гидравлической добычи угля "Гидрошахты нового уровня". Новокузнецк.1988. - С. 25-26.

39.- Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И. Влияние физико-механических характеристик угля на возможность отработки газонасыщенных

пластов нетрадиционным способом с использованием поверхностно-активных веществ//Нетрадиционные способы добычи и использования угля: Науч. сообщ./Ин-т горн, дела им. Л. А. Скочинского. -М.. 1989. - С. 29-35.

40. Кусов Н. Ф.. Воронков Г.Я., Эдельштейн 0.А. Влияние среды на прочность горных пород//Добыча угля подземным способом:Науч.-техн. реф. сб. - М.: ЦШШУголь. 1979. N 7(151). - С. 17-19.

41. Виницкий К. Е., Штейнцайг Р. М., Воронков Г. Я. Об оценке воздействия технологических процессов на состояние окружающей среды // Уголь. - 1993. -Н 10. - С.42-44.

42. A.c. 836342 СССР. Состав для физико-химического разрушения твердых горючих полезных ископаемых /II. Ф. Кусов, Г. Я. Воронков

- Опубл. 10.06.81, Бюл. N 21.

43. Пат. 2009322 РФ. Способ обработки уступов массива горных пород /Г.Я.Воронков. P.M. Штейнцайг, А.И. тендеров, Марцинкевич Г.И.

- Приоритет 15.03.94.

44. Пат. по заявке N 94026109/03 РФ. Способ комбинированной подготовки породно-угольного массива/Г.Я.Воронков, К. Е. Виницкий, P.M.Штейнцайг. Г.II. Марцинкевич, А.И.Шендеров - Приоритет 12.02.96.

45. A.c. 772296 СССР. Способ добычи угля/Г.Я.Воронков. Н.Ф.Кусов - Приоритет от 16.04.79.

46. A.c. 853105 СССР. Способ добычи угля/Н.Ф.Кусов. Г.Я.Воронков - Опубл. 7.8.81. Бюл. II 29.

47. A.c.'989069 СССР. Способ подготовки мощного пласта к выемке/Г. Я. Воронков, Р. Г. Левинтант. А. А. Ликальтер - Опубл. 15.01.83; Бюлл.И 2.

48. A.c. 1375818 СССР. Способ выемки крутопадающих угольных пластов/Н.О.Кусов. Г.И.Марцинкевич. А.А.Кузнецов. Г.Я.Воронков -Опубл. 23. 02.88. Бюлл. N 7.

49. A.c. 1613611 СССР. Способ извлечения угля из газонасыщенного пласта/Н. Ф. Кусов. Г. Я. Воронков. Г. И. Марцинкевич Опубл. 15.12.90. БЮЛЛ. N 46.