автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Снижение энергоемкости процесса разрушения крепких горных пород резанием при воздействии поверхностно-активных веществ

v 1 v

- 1 Я«8 «96

Министерство топлива и энергетики РФ Российская Академия наук ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА им. А. А. СКОЧИНСКОГО

На правах рукописи Лариса Павловна ШОБОЛОВА

УДК 622.236:622.02:622.807.7+661.185.1

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЁМКОСТИ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД РЕЗАНИЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Специальность 05.15.11. — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1995

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

Официальные оппоненты: действительный член ГА РФ, проф., докт. техн. наук

Е. 3. Позин,

действительный член АЕН РФ, проф., докт. техн. наук

В. Ж. Арене, проф., докт. техн. наук А. В. Астахов.

Ведущее предприятие — ЦНИИПодземма^

Автореферат диссертации разослан «/_» 1995 г.

Защита диссертации состоится _» 1996* г.

-М-

ч на заседании специализированного совета Д.135.05.03 Института горного дела им. А. А. Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета Института горного дела им. А. А. Скочинского.

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

Ученый секретарь специализированного совета докт. техн. наук, проф.

Н. Ф. Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации изложены результаты исследований автора в период 1976 - 1994 гг., позволившие разработать научные основы измоиония горно-технологических свойств горных пород за счет эффективного применения ПАВ при работе проходческих комбайнов избирательного действия, оснащенных резцовым инструментом.

Актуальность работы. Одной из задач горного производства, требующей решения в ближайшее врет, является применение комбайнового способа разрушения пород большей прочности и абразивности. Перспективными планами развития горнопроходческих работ до 2000 года предусмотрено увеличение объемов комбайнового проведения выработок до В0% за счет использования проходческих комбайнов избирательного действия среднего типа с присечкой пород прочностью до 60 МПа и абразивностыо до 1В мг.

Наличие породных прослойков и включений большей прочности и абразивности влечет за собой повышение энергоемкости разрушения за счет снижения производительности комбайна и увеличение в несколько раз расхода инструмента. При этом резко возрастают динамические нагрузки на оборудование, что приводит к снижению надежности машин.

Энергоемкость разрушения горных пород определяется способом и средствами разрушения, а также физико-техническими свойствами разрушаемых пород. Возможен нетрадиционный подход к решению данной проблемы,заключающийся в целенаправленном снижении прочностных свойств породы, ее сопротивляемости разрушению за счет физико-химической обработки породы водными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ) и электролитов. В основу данного воздействия положен эффект адсорбционного понижения прочности, позволяющий снизить затраты энергии на разрушение пород и расширить диапазон применения существующих проходческих комбайнов избирательного действия на породы прочностью и абразивностыо выше паспортных в пределах номинальной мощности двигателя.

В связи с изложенным разработка- методов и способов изменения горно-технологических свойств углевмещакяцих пород на основе эффективного применения ПАВ для снижения энергоемкости разрушения

пород и технологических предложений по расширению применения проходческих комбайнов, оснащенных резцовым инструментом, имеет важное народнохозяйственное значение.

Цель диссертационной работы - решение проблемы снижения энер-гоомкости процесса разрушения крепких пород проходческими комбайнами, оснащенными резцовым инструментом, при воздействии ПАВ.

Идея работы - направленное снижение прочностных, деформационных и горно-технологических свойств пород за счет использования эффекта адсорбционного понижения их прочности.

Задачи исследований заключались в следувдом:

1. Определить параметры физико-химического взаимодействия.., IIAB с породой, позволяющие установить наличие молекулярного сродства между ними и выбрать раствор ПАВ оптимального состава. .

2. Исследовать изменение горно-технологических и деформацион-_ та свойств и энергоемкости разрушения гля пород, насыщенных до

разных уровней влагоемкости (от обработки поверхности породы до состояния ее предельного влагонасшдения) различными растворами ПАВ и электролитов.

3. Изучить микроструктурам особенности разрушения углевма-щшоиих пород различного минерального состава в присутствии раствора ПАВ.

4. Выбрать эффективный способ обработки породы раствором ПАВ применительно к работе резцового инструмента.

5. Количественно оцонить особенности механизма адсорбционного снижения прочности пород при работе резцового инструмента.

6. Исследовать изменение силовых и энергетических показателей процесса резания крепких горных пород поворотными и непово-ротнымп резцами в присутствии растворов IIAB и электролитов.

7. Провести шахтную апробацию рекомендованных составов раствора ПАВ, предназначенных для снижения энергоемкости разрушения пород проходческими комбайнами,оснащенными резцовым инструментом..

8. Разработать методические материалы по выбору раствора ПАВ оптимального состава и исследованию ого эффективности при разрушении крепких горних пород применительно к работе проходческих комбайнов избирательного действия, оснащениях резцовым инструментом.

Научные положения, выносимые на защиту:

I. Применение физико-химического разупрочнения крепких горных пород растворами ПАВ и электролитов при работе проходческих комбайнов избирательного действия обеспечивает значительное сни-2

Я0НИ9 энергоемкости процесса разрушения при соблюдении условия одновременного воздействия на породу разрушающей нагрузки и раствора ПАВ, обладающего молекулярным сродством с породой.

2. Степень моле!сулярного сродства между ПАВ и породой и выбор раствора ПАВ оптимального состава оценивается с помощью показателей,отражающих процесс физико-химического взаимодействия " ПАВ и породы на ме^азной границе, - по величине суспензионного эффекта, времени седиментации и времени впитывания.

3. Насыщение горних пород растворами ПАВ и электролитов до разных уровней влатлости (от обработки поверхности породы до состояния ее предельного влагонасыщения) обеспечивает снижение прочностных показателей в 1,6-3 и поверхностной энергии в 3-7 раз

4. Присутствие поверхностно-активной среды в зоне контакта резца с породой способствует повышению эффективности адсорбционного понижения прочности и расширению зоны предразрушения за счет проникновения раствора ПАВ_ в образовавшиеся при резании микротрещины. Подача раствора ПАВ оптимального состава под резец обеспечивает снижение силовых *и энергетических показателей в 1,6-1,9 раза.

5. Выбор раствора ПАВ оптимального состава и оценка эффективности его применения при разрушении крепких горных пород резанием осуществляются по разработанным методикам, -основанным на определении времени впитывания раствора ПАВ необработанной поверхностью породы, контактной прочности сухой породы и обработанной выбранным раствором ПАВ.

Объекты исследований - вмещающие породы различных угленосных регионов России, водные растворы ПАВ и электролитов.

Методы исследований включала экспериментальное исследоваяиэ прочностных, деформационных и горно-технологических свойств пород и физико-химического взаимодействия ПАВ и породы на межфазной границе, минералого-петрографическое исследование макро-и микроструктуры пород. ТеЬретические исследования и экспериментальные работы в лабораторных, стендовых и шахтных условиях выполнялись с привлечением комплекса апробированных известных и разработанных автором методик физичеокой химии, механики горных пород и математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

обеспечивается применением методика' проведения _комплексных

исследований, включающей физико-химические методы исследований взаимодействия ПАВ о породой (коэффициент вариации на более 10,5;?

при надежности О.У55); методы определения прочностных, дсформа-циошшх и горно-технологических свойств пород в воздушно-сухом состоянии и в присутствии ПАВ (коэффициент вариации не более 23$ при надежности 0,95); петрографические методы исследования шлифов, обработанных водой и раствором ПАВ; статистически обоснованным объемом лабораторных и стендовых испытания, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований, лабораторных, стендовых и шахтных испытаний.

Научная новизна работы:

1. Экспериментально установлены особенности применения ПАВ при механичоском разрушении горных пород и роль зоны предразру-ш8ш1я при адсорбционном понижении прочности.

2. Определены количественные зависимости влияния растворов ПАВ при насыщении ими пород на прочностные и деформационные характеристики.

3. Установлены количественные зависимости изменения контактно!! прочности, абразивности, энергоемкости разрушения и сопротивляемости пород резанию поворотными и неповоротными резцами в присутствии растворов ПАВ. _

4. Показаны микроструктурные особенности разрушения породы в присутствии ПАВ.

5. Разработшш методические материалы по выбору оптимального состава раствора ПАВ и оценке эффективности ого применения при работе проходческих комбайнов.

Практическая значимость работы состоят:

1. В снижении эпергоемкости процесса разрушения пород на 40~50£ за счет уменьшения прочности пород при деформировании и разрушении и сопротивляемости розашш в присутствии раствора ПАВ оптимального состава.

2. В расширении области применения комбайнов избирательного даПстпия, оснащенных резцовыми инструментами, на болео прочные п абразквныо породы.

3. В разработке способа физико-химического воздействия растворами ПАВ на разрушаемые породы при работо проходческого ком-, байна избирательного дойствия, оснащенного резцовым инструментом.

4. В разработке методических материалов по выбору ПАВ е исследованию эффективности их применения при механическом разрушении прочных пород.

Реализация работы. Практические рекомендации, разработанные автором, вошли: в "Методические указания по выбору поверхностно-активных веществ и исследованию их влияния на ослабление горных

пород применительно к работе проходческих комбайнов" (утверждены зам.директора ИГД им.А.А.Скочинского в 1983 г.); во "Временное руководство по исследованию эффективности применения ПАВ при механическом разрушении'горных пород" (утверждено зам.директора ИГД им.А.А.Скочинского в 1930 г.); в работу "Исследование закономерностей физико-химического воздействия на процесс разрушения крепких горних пород резцовым инструментом проходческих комбайнов избирательного действия", отмеченную на конкурсе Госкомитета по науке.и технике (1992 г.); в "Методическое руководство по исследованию эффективности применения ПАВ при механическом разрушении прочных пород" (утверждена генеральным директором компании "Росуголь" в 1995 г.).

Практическая значимость научных положений и выводов диссертации проверялась на шахтах им.М.В.Фрунзе ПО "Ровенькиантрацит", "Щумихинская" ПО "Кизелуголь", "Баренбург" ПО "Арктикуголь", "Северная" ПО "Воркутауголь" и на строительстве туннеля Зелен-» чукской ГЭС. Оценивалась эффективность влияния выбранных по разработанным методикам растворов ПАВ на~ технические характеристики". работы комбайнов типа 4ПП-2м, ГПКС, 1ПД-68 и Ш-5,6. Результаты шахтных испытаний и внедрение физико-химического разупрочнения горных пород при комбайновом проведении выработок подтвердили целесообразность и технологичность предлагаемого способа снижения энергоемкости процесса разрушения крепких пород.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты докладывались и обсуждались: на научном семинаре по проблеме "Новые процессы и способы производства работ в горном деле" (Люберцы, 1978); на IX конференция молодых ученых по проблемам разработки месторождений и обогащения полезных ископаемых (Москва, 1979); на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (Люберцы, 1979, 1983); на техсовете ПО "Орджоникидзеуголь" (Енакиево, 1979); на НТС по новой технике при ИГД им.А.А.Скочинского (Люберцы, 1980); на Техсовете при техническом директоре ПО "Ровенькиантрацит" (Ровеньки, 1981); на УП и УШ Всесоюзных научных конференциях вузов СССР о участием научно-исследовательских институтов (Моск.» ва, 1981, 1984); на Всесоюзной научно-исследовательской конференции "Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления" (Ленинград, 1982); яа Семинаре по коллоидной химии и физической механике (Москва,1984); на Совещании по диспергированию горных пород (Киев, 1984); на заседании Ученого совета ИГД име-

ми А.А.Скочннского (Люберцы, 1987); на Всесоюзном семинаре по разрушонига (Люберцы, 19в9); на УП Всесоюзной научной школе (Симферополь, 1990); на Всесоюзной конференции (Шебекино,1988); па X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 19УЗ); на научных семинарах отделений: технологии и комплексной механизации проведения горных выработок, общих проблем горного дела, проблем разрушения угля и горных пород, управления состоянием горного массива и отделения нетрадиционных способов добычи ИГД им.А.А.Скочинского (1976-1994).

Публикации. Основные положения и выводы диссертации изложены в 40 печатных работах. По теме диссертации получено одно авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертация состоит из 7 разделов (включая введение), заключения, изложена на 230 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка,24 таблицы, список литературы из 193 наименований и 9 приложений, включающих минералого-петрографи-ческое описание ясслодуемых пород и акты о проведении шахтных исследований физико-химического разупрочнения горных пород при комбайновом проведении выработок.

содашш РАБОТЫ

Состояние вопроса

Парк проходческих комбайнов, применяющихся на угольных шахтах Российской Федерации, состоит из комбайнов избирательного действия со стреловидным исполнительным органом легкого и среднего типов, оснащенных резцовым инструментом, область применения которых ограничена малоабразивными породами прочностью до 60 ЫПа. В силу осложнящихся горно-гоологпчеоких условий, связанных о углублением разрабатываемых горизонтов, для эффективного проводе шш горно-подготовительных работ необходимы более мощные и энергопооружоннно комбайны, поскольку существующий парк проходческих комбайнов среднего класса при низкой надежности и долговечности в работе не в состоянии обеспочить проведение выработок с присечкой пород прочностью до йО МПа, площадью сечения 15-20 м2 в проходке.Модернизация существующих и разработка новых способов разрушения осуществляется главным образом в направлении совершенствования средств воздействия на породу, увеличения концентрации энергии на разрушаемой поверхности и снижения энерго-

емкости процесса разрушения. Однако новые способы разрушения, основанные на термическом, электрофизическом, виброимпульсном, гидромеханическом воздействии на породу с целью снижения энергоемкости разрушения находятся в стадии исследовательских работ и в связи с определенными сложностями применения их в подземных условиях вряд ли будут использованы в ближайшее время.

Удельная энергоемкость разрушения обусловлена способом разрушения, условиями работы машины, надежностью ее исполнительного органа и породоразрушащего инструмента, а также свойства/ли разрушаемой породы.

Энергоемкость разрушения - это работа, затрачиваемая на разрушение единицы объема породы до определенной степени дробимости и определяемая способом и средствами разрушения, а также физико-техничеокими свойствами разрушаемых пород. Из уравнения П.А.Ре-биядера

где А - работа разрушения, б - прочнооть породы, £ - модуль упругости, ]/■ - поверхностная энергия, Д - вновь образованная при разрушении поверхность, следует, что для снижения энергоемкости разрушения необходимо стремиться к снижению прочности породы, поверхностной энергии и образований новых поверхностей либо я увеличению модуля упругооти. В связи с указанным возможен нетрадиционный подход к решению данной проблемы, заключающийся в целенаправленном изменении свойств углевмещащих пород, снижении их сопротивляемости разрушению и • удельных затрат энергии на разрушение.

Из известных способов предварительного разупрочнения породного массива эффективным и целесообразным о технологической точки зрения может быть физико-химическое разупрочнение,в основу которого положен эффект адсорбционного понижения прочности, называемый эффектом Ребиндера. Значительный вклад в развитие этого направления в теоретическом и практическом аспектах внесли П.А.Ребиндер, Б.Д.Щукин, Н.В.Перцов, Б.В.Дерягин, Ю.В.Горюнов, В.В.Панаоюк, К.Ф.Яигач, Л.А.Шрейнер, А.Д.Алексеев, Б.Д.Сумм, Ю.Ф.Васючков, Н.Ф.Кусов, Н.В.Ножкин, Н.В.Чураев, О.А.Эделынтейн, Г.Я.Воронков, Г.И.Марцинкевич, А.С.Веотвуд, В.М.Муллер и др.

Опыт промышленного применения ПАВ при региональной предварительной обработке угольного и породного массивов с целью снижения пылеобразования при разрушении,борьбы о внезапными выбросами

и горными ударами, в нефтяном и геологоразведочном буронии показал избирательность действия поверхностно-активной среда, оцениваемую снижением прочностных показателе!! насыщенных растворами ПАВ пород, изменением механической скорости бурения, проходки на долото, износа бурового инструмента, скорости подвигашш забоя, энергоемкости разрушения и т.д.

Влияние среды на процесс механического разрушения связано пе с химическим взаимодействием ПАВ и породы,а с изменением поверх-ностлих свойств последней, вызванным адсорбцией молекул и ионов из среды развивающимися при деформировании и разрушении поверхностями. Следует отметить, что эти изменения носят обратимый характер. В присутствии адсорбционно-октивной среды (ААС) на поверхностях таких микротрещин образуется адсорбционный слой, физико-химические свойства которого в значительной степени определяют протекание процесса адсорбционного понижения прочности (АЛЛ) горных пород. При этом уменьшается овободная поверхностная энергия, обусловливягацач величину снижения работы образования новых поверхностей.Прочность связи адсорбционного слоя со свеве-образовониой поверхностью, определяемая свойствами адсорбента и едсорбата, оказывает влияние на эффективность протекания процесса АПП.

Из полученного П.А.Ребиндером и Е.Д.Щукиным соотношения, связывающего величину адсорбции о прочностью разрушаемого материала в зависимости от концентрации ПАВ в растворе,

Г ш-2—г _Р --— •

р[ ИТ е й(Ыс) '

где Г - адсорбция; 60 - свободная поверхностная энергия; й -универсальная газовая постоянная; Г - температура раствора; Р. и Р0 - прочность породи в присутствии среды и без нее; С - концентрация ПАВ в растворе, АПП может проявляться в большой степени при большей величине адсорбции.

Молекулы и ионы ПАВ, проникая в систему мнкротрещип, придаэт горным породам пра деформировали и разрушении новио свойства, на характерные для воздушно-сухого соотояния: прочность,пластичность, вязкооть, упругость порода могут изменяться в ппрокои диапазоне при сравнительно небольших изменениях внешней среды при разрушении. Исследованиями П.А.Ребиндера о Н.В.Перцова показано, что в зависимости от многочисленных и обычно взаимосвязанных физико-химических факторов влияние среды на указанные свой-

ства пород-может проявляться в различной степени и разних формах, важнейшими из которых являются:

пластифицирование за счет снижения поверхностного потенциального барьера при адсорбции, оказывающего существенное влияние на поведение дислокаций в поверхностном слое деформируемого тела;

резкое уменьшение прочности и возникновение хрупкости породы ' за счет облегчения и последующего распространения трещин разрушения при условии значительного снижения поверхностнЫГэнерпш отёяок зародышевой я растущей трещин, наличия молекул и ионов ПАВ в тупиковой чаоти трещины;

самопроизвольное диспергирование на частицы коллоидных размеров в предельном случае при условии снижения поверхностной энергии на 1-2 порядка.

Механизм действия поверхноотно-активной среды при механическом разрушении горных пород проявляется:

в понижения свободной поверхностной энергии, т.е. работы образования новых поверхностей при деформировании и разрушении;

в расклиниванием действии адсорбционного и диффузных ~ слоев, способствующих развитию и распространению уже образовавшихся микротрещин;

в экранирующем действии адсорбционного и диффузных слоев, снижающих оилы молекулярного сцепления;

в образовании двойного электрического слоя, величина и знак потенциала которого определяют прочность поверхностного слоя-в образце;

в снижении коэффициента трения пары порода - порода и порода - инструмент.

При изучении механизма адсорбционного понижения прочности нельзя провести четкие границы между указанными факторами, поэтому целесообразнее говорить не о проявлении какого-либо одного фактора, а лишь о преобладании той или иной формы влияния ореды на деформируемое тело. При этом следует отметить особенности адсорбционного понижения прочности, заключающиеся в быстрота протекания процесса, необходимости соблюдения условий одно-* временного воздействия на твердое тело активной среды и разрушающей нагрузки. Кроив того, эффективность действия адоорбционно-активной ореды зависит от характера трещинообразования в зоне предразрушения, определяемого технологией разрушения. Таким образом, для максимального проявления эффекта адсорбционного понижения прочности необходимо подобрать оптимальное сочетание

приложения разрушенной нагрузки (разрушающий инструмент, режим разрушения) и смачивающей способности ПАВ по отношению к данной порода, т.е. добиться достижения молекулярного сродства ПАВ и породы.

Благоприятными с этой точки зрения могут быть условия работы проходческого комбайна избирательного действия, оснащенного резцовым инструментом, при разрушении породы в присутствии адсорб-ционно-активной среды. Для любого типа породы можно подобрать такой состав ПАВ, применение которого в процессе разрушения позволит эффективно использовать зону предразрушения в подрезцо-вом пространстве. Молекулы и иош ПАВ, проникающие из раствора в глубь микротрещин и поддерживающие их в открытом состоянии, создают условия для роста микротрещин и снижения сопротивляемости породы разрушению.

Теоретический анализ физико-химического воздействия на горные породы

Анализ факторов, определяющих взаимодействие поверхностно-активной среды с породой при механическом разрушении, позволил все факторы, влияющие на процесс адсорбционного понижения прочности, разделить на 4 группы. К первой группе факторов относятся снижение поверхностной энергии породы при адсорбции ПАВ, температура среды, давление, обеспечение притока молекул и ионов ПАВ в тупиковую часть микротрещнны.

Вторая группа включает факторы, влияющие на поведение горной породи в поверхлостно-активной среде: пористость, гранулометрический и минералогический составы, влажность породы, текстура и структура, дефектность структуры и т.д.

К третьей группо относятся факторы,определяемые молзкулярным сродством породы и ПАВ: тип ПАВ, концентрация ПАВ б растворе, рН раствора,способность ПАВ к повышению лиофильноста поверхности породы при адсорбции па ной молекул и ионов.

Четвертая группа включает факторы, определяемые характером разрушающих нагрузок: вид напряженного состояния, зависимость нагрузки от времени ее действия на породу в присутствии ПАВ, скорость деформации и т.д.

Максимальный эффект адсорбционного понижения прочности может быть достигнут при условии оптимального сочетания указанных факторов, важнейшими из которых являются: наличие молекулярного

сродства; присутствие ПАВ в тупиковой части микротрецшш; приложений нагрузки, обеспечивающей соизмеримость скоростей образования новых поверхностей яра разрушении и формировании адсорбционного слоя;наличие дефектов структуры - концентраторов напряжений.

Разрушение твердых тел и пород, в частности в присутствии ААС, так же как а разрушение в обычных условиях, связано с кинетикой зарождения, развития и накопления разнообразных дефектов структуры. Все виды разрушения сводятоя к схеме, предложенной П.А.Ребиндером: в процессе механического разрушения напряжения, возникающие в породе,приводят не только к разрушению поверхностного слоя, но п к образованию большой сети макро- и микротрещин в более глубоких слоях, т.е. к образованию так называемой зоны прздразрушення. После снятия нагрузки происходит самозалечивание макротрещин под действием сил молекулярного сцепления и затраченная энергия переходит в тепловую. В присутствии адсорбцион-но-активной среды происходит интенсивное развитие зоны предраз-рушения: раскрытие и рост иикротрещия с меньшими энергетическими затратами по сравнению с разрушением без ААС.

При длительном контакте ПАВ "У породой возможно за счет ка-шшшрной пропитки и диффузионных процессов объемное' проникновение раствора ПАВ с попаданием его во внутренние дефекты структуры и микротрещины, которые при разрушении не закрываются; образовавшиеся на поверхностях адсорбционные слои выполняют роль экрана,способствующего увеличению подвижности дислокаций за счет снижения сил сцепления и внутреннего трения.

Одним из свойств породы, характеризующим любой процесс разрушения с образованием новых поверхностей, является трэщиностой-кость, определяемая вязкостью разрушения или поверхностной энергией, расходуемой йа образование микротрещин при деформировании и разрушении породы.Из-за сложностей практического использования данных характеристик в инженерных расчетах технологических параметров различных способов разрушения, связанных о отсутствием количественных значений Характеристик трещиностойкости горных пород, все большее распространение находят теоретические подходы я оценкам процессов разрушения о энергетических позиций.

Эффективная поверхностная энергия, определяющая сопротивляемость пород развития микротрещин, является мерой необратимой работы, затраченной на образование единицы поверхности, а скалярные величины коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) Кг , Кд и Кт, описывающие упругие поля вблизи вершины трещины, - количественной мерой характеристик напряженного состояния.

Согласно теории механики хрупкого разрушения в случав сложного напряяеиного состояния критерий развития трещины имеет вид

* «и * „г

- Л,

"1С '

где 1? - коэффициент Пуассона.

Для условий плоской деформации значение вязкости разрушения практически можно считать предельным значением К1 .Различие между ними аналогично разницо между прочностью материала и напряжением в области развития трещины. При этом коэффициент К1С представляет собой нижний предел эффективной вязкости разрушения и наравне с поверхностной энергией является константой для каждого материала. Если значонио КИП меньше критического, то развития трещин не происходит, в случае их равенства или превышения создаются условия для роста трещин. Таким образом, воздействуя на вязкость разрушения, можно создать благоприятные условия для .развития трещин.

В кончике микротрощины, заполненной раствором ПАВ, возникает расюшнивающео давление, облегчающее распространение трещины. Теоретическими исследованиями В.В.Панасюка показано,что вязкость разрушения К1С и поверхностная энергия, связанная с К1С в случав плоской деформации соотношением

где Е - модуль Юнга, в присутствии ААС понижаются за счет периодического роста микротрещины по мере продвижения адсорбционного слоя в тупиковую часть микротрещины.

При постановке задачи по разработке модели развития трещин зоны предразрушения при работе резцового инструмента в присутствии ПАВ в качестве исходных положений были приняты следующие. При разрушении пород резцовым инструментом образуется два основных типа трещин: параллельно свободной поверхности - трещины скола и по направлению в глубь массива - трещины предразрушения. Развивающиеся при этом внутренние иикротрецины, как правило, после снятия нагрузки закрываются.Присутствие воды либо раствора ПАВ изменяет картину развития микротрещин. Внутренние трещины при разрушении в присутствии ПАВ не закрываются за счет образовавшегося на берегах трещин адсорбционного слоя, выполняющего роль экрана.При этом изменяется трение между берегами внутренней 12

трещины и значение К1С. Наличие молекулярного сродства между раствором ПАВ и породой усиливает эти изменения, способствуя облегчению распространения трещины и уменьшению прочности породы в объеме, ограниченном размерами зоны предразрушения.

С физической точки зрения одним из элементов процесса разрушения породы является предварительное внедрение инструмента. В механической постановке задачи это аналогично внедрению жесткого штампа в полуплоскость, перед которым создается зона сжатия, а позади него - зона растяжения. В теории контактных задач доказано, что при движении штампа со скоростями, намного меньшими скорости распространения упругих волн в среде, штамп можно считать неподвижным.При внедрении штампа основные зоны интенсивного развития трещин предразрушения при воздействии ПАВ располагаются под передней и задней гранями штампа.Эти задачи в рамках плоской теории упругости были рассмотрены А.В.Старосельским при условии наличия раствора ПАВ в трещине.

На основании полученных А.В.Старосельским зависимостей, учитывающих затупление резца, режим резания, вязкость разрушения породы в присутствии ПАВ, нами определена глубина проникновения раствора ПАВ в равновесную трещину зоны предразрушения.

Установлено, что наличие в микротрещине жидкости, обеспечивающей снижение К1С в 1,4 раза по сравнению с воздушно-сухим соотоянием, способствует проникновению раствора при работе поворотных и неповоротных резцов в заданном режиме на глубину соответственно 1,5 и 2,3 толщины снимаемой стружки соответственно.

Таким образом, теоретические расчеты показывают, что трещины предразрушения в подрезцовой зоне в присутствии ААС оказывают влияние на изменение сопротивляемости породы разрушению при двух следующих проходах резца.

Разработка методики комплексных исследований взаимодействия поверхноотяо-активных сред о горными породил!

Для решения поставленных задач было необходимо разработать методику, позволяющую оценить степень молекулярного сродства ПАВ и породы, влияния свойств наоыщающей жидкости на влагоемкость породы и, как следствие,изменения горно-технологичеоких и деформационных овойотв разрушаемой породы. Далза по результатам ис-» следований было необходимо установить оптимальный состав раствора ПАВ, выбрать приемлемый способ осуществления взаимодействия

ПАВ с породой применительно к работе резцового инструмента с последующей проверкой получеши« зависимостей на полноразмерпом стенде и в шахтных условиях.

При разрушении породи в поверхностно-активной среде эффективность протекания процессов смачивания и понижения прочности устанавливается по методикам, позволяющим оценить ее' прямым или косвсншк образом. Так, определение молекулярного сродства ПАВ и породи возмогло косвенно оценить с помощью известных физико-химических методик по свойствам солъватной оболочки, состоящей из адсорбционного и диТФузтсс слоев.

Известно, что адсорбционное понижение прочности - это физи-_ ко-химичоский процесс, протекающий на межТазных границах системы глдкость - порода - воздух. Проявление закономерностей взаимодействия фаз с точки зрения физической химии одинаково как для разбавленных дисперсных систем типа суспензия, так и для концентрированных типа твердое тело. На данной основе разработаны многочисленные методики исследований в этой области.

Для оценки взаимодействия ПАВ с породой выбраны из числа ранее известных физико-химические методики определения суспензионного эффекта, времени седиментации, времени впитывания раствора ПАВ в порошок породы,а также разработанные автором методики определения времени впитывают раствора ПАВ в необработанную поверхность образца породы и микроструктурнах особенностей пород при разрушении в присутствии ПАВ. В основу этих методик положена способность ПАВ формировать адсорбционные и диффузные слои на поверхности твердого тела, толщина которых может характеризовать Ифективность действия ПАЗ - понизителя прочности.

Степень влияния растворов ПАВ на прочностные, деформационные и горно-технологическио свойства пород может быть установлена с помощью методик определения проделов прочности на одноосное сжатие и растяжение, пзгиб,деформационных свойств при постоянном контроле платности, величина которой зависит от свойств насшда-кмчей жидкости по отношонию к данной породе и времени их взаимодействия, а также методик определения контактной прочности, аброзивностц и сопротивляемости пород резанию в присутствии раствора I1AB. Указанные методика разработаны для пород, находящихся в воздуино-сухом состояшш; с целью их использования для решения поставленных задач в ходе проведения исследований были решены вопросы обработки породы раствором ПАВ, определения времени их взаимодействия я необходимого для обработки количества

Ï4

раствора. Проведение комплекса исследовании позволило получить достоверную количественную зависимость перечисленных свойств вмещающих пород от рй раствора, концентрации ПАВ в растворе, влажности испытуемой породы.времени последействия ПАВ на поверхность образца. Учитывая особенности механизма АПП при формировании адсорбционного слоя для имитации реальных условий попадания раствора ПАВ з раскрытую при разрушении микротрещину использована методика определения вязкости разрушения.

Таким образом, методика комплексных исследований взаимодействия раствора ПАВ с породой охватывает диапазон от изучения процессов их взаимодействия на межфазной границе твердое тело-жидкость, влияния ПАВ на микроструктурные особенности разрушения пород, прочностные, деформационные и горно-технологические свойства до оценки влияния проникновения ПАВ в раскрытую микротрещину на трещиностойкость породы^

На основании анализа факторов, определяющих область применения современных породопроходческах машин, яри исследовании влияния растворов ПАВ на прочностные, деформационные и горно-технологические свойства углешещающих пород целесообразно в качестве основного объекта исследования использовать песчаники с различным гранулометрическим,цементным составом, прочностью на сжатие 70-140 Ша, являющиеся типичными, для высоколитефицированных отложений угленосных регионов России.

При выборе ПАВ непременным условием является только физико-химическое взаимодействие ПАВ о породой без протекания химических реакций, приводящих к необратимым изменениям свойств самой породы.С экологической точки зрения используемые ПАВ должны быть нетоксичными, о высокой степенью биоразлагаемости, ~способными" к понижению прочности пород в диапазоне малых концентраций. При этом предполагается использовать водные растворы ПАВ. В зависимости от характера диссоциации ПАВ при растворении их в воде выделены следующие группы: анионоактивные.катионоактивные, неионо-генные и амфолитные ПАВ.

В основу выбора конкретных ПАВ по каждой группа положены: физико-химичеокие критерии оценки их эффективности,определяемые поверхностной активностью ПАВ на межфазной границе жидкость - газ (величина поверхностного натяжения менее 40-30 ыЛх/ы );

экологические гчритерии, определяемые нетоксичностью и высокой биоразлагаемоотью ПАВ;

экономические критерии, определяемые недефицитностью и невысокой стоимостью выбранных ПАВ.

На основании справочных данных, опыта применения ПАВ в различим технологических процессах, рекомендаций НИОПиК, ВШШАВ и вышеуказанных требований к исследованиям приняты 10 видов ПАВ и 4 электролита. Концентрации ПАВ в растворе не превышали концентрации критического мицеллообразования для каждого ПАВ и варьировались в диапазоне 0,05-0,5^, концентрации электролитов составляли 0,05-0,1;? вес.

Исследование взаимодействия растворов поверхностно-активных веществ о горными породами

В рояльных условиях горные породы находятся в постоянном контакте с жидкостью различного химического состава, присутствующей в связанном либо свободном состоянии, дидкости одного состава, но отличающиеся величиной рН, по-разному взаимодействуют с породой, переводя ее поверхность в лиофильную, способную поглощать жидкость, либо в лиоФобнуп, отталкивающую ее.

На величину предельного влагонасыщения образцов песчаника значительное влияние оказывает рН насыщашей жидкости. В сравнении с нейтральной средой (дистиллированная вода рН « 5*6) при насыщении песчаника раствором о рН» 3,3 (0,02£-ный раствор соляной кислоты) предельная влагоемкость увеличивается на 11% за счет частичного растворения карбонатов, присутствующих в породах угольной формации. Мелочная среда (0,05£-ний раствор углекислого натрия) способствует увеличению смачиваемости породы и значительному приросту влажности за счет разбухания даЭДузной оболочки, толщина которой зависит от величины рН.

Концентрация ПАВ в растворе и тип ПАВ влияют на предельную влажность породы. Для двух разновидностей песчаника,отличающихся минералогическим составом,плотностью упаковки зерен, количеством и качоством связувдего зерна цемента, ьлагопргемистостью при насыщении жидкостями, характер зависимости предельной влагоемкости образцов от концентрации ПАВ в насыщающем растворе одинаков. Для КМЦ (карбоксиметилцеллюлоза -N0,) оптимальной является концентрация 0,05%, для НЧК (нейтрализованный черный контакт) -0,1%, при которых предельная влагоемкость пород максимальна. Введение углекислого натрия в раствор НЧК придает данной зависим мости более плавный характер при увеличении предельной влагоем-кости песчаников в среднем еще на 5-12% I в диапазоне изменения концентрации 0,05-0,25$.

При обнажении поверхности массива порода контактирует с воздухом и теряет влагу. В связи с этим били проведены исследования кинетики насыщения растворами с различным р!1 и высушивания образцов песчаника при близкой к реальным условиям комнатной температуре.Интенсивность насыщения песчаника кислим и нейтральном растворами била практически одинакова при достижении предельной влажности 1,65 и 1,6% соответственно через 14 сут, в отличие от процесса насыщения образцов щелочным раствором через 6 ч влажность образцов составила 1,5$. С. течением времени кривая зависимости Елагонасшценля выполаживалась и достигала 2,08$ через 14 сут. Процесс высушивания при комнатной темпиратури предельно насыщенных указанными растворами образцов песчаника происходил по-разному. Через б ч влажность образцов, насыщенных нейтральным раствором, составляла 0,9%, кислим - 1,1, щелочным -1,5%, через сутки - 0,4; 0,8; 1,0% соответственно. По достижении влажности,равной влажности смоченных в растворе образцов ( ¿=0), последние досушивались в термошкафу при Т = 100+105° до постоянного веса. Время высушивания образцов от предельно насыщенного до воздушно-оухого состояния составило 144 ч для нейтрального, 168 ч для кислого и 264 ч для щелочного раствора. Это свидетельствует о степени прочности связи адсорбционного и диффузных слоев с поверхностью породы.

При капиллярном насыщении,насыщении под вакуумом и насыщении под давлением до 1,5 Ша после вакуумирования образцов песчаника о использованием щелочного раствора установлено, что способ насыщения не оказывает существенного влияния на предельную влажность и сказывается на интенсивности ' влагонасыщения в первие 2-3 ч, достигающей разницы в 20% 'для насыщения под давлением в сравнении с капиллярным насыщением в начальный период и в 21% через I ч после начала процесса.

По мере насыщения песчаников растворами с различным рН наблюдалось неравномерное изменение пределов прочности на одноосное сжатие и растяжение. • Максимальное снижение ёсж на 47$ и б^, - на 30% получено при насыщении песчаников до IV = 0,5$ щелочншл 'раствором. Испытания песчаников, насыщенных до уровней влажности 0,3; 0,9 и 1,3% раствором КМЦ концентрацией 0,05-0,25^, показали,что при минимальной концентрации ПАВ в растворе степень влагонасыщения влияет на изменение пределов прочности и для 6СЖ составляет соответственно 25; 38 и 28$, для - 8; 37 и 34$.

При 0,1?-ной концентрации КМЦ снижение составило 30-36? и гля (у - 24-32,1, при 0,25?! КМЦ в растворе - 23; 7; 4% и 17; 28? 34;; соответственно. Такая немонотонная зависимость объясняется изменением поверхностного натяжения системы жидкость-порода, определяемым концентрацией К.ГЦ в растворе. При концентрации КМЦ свыше 0,1? в растворе образуются мицеллы,способствующие снижению фактической концентрации ПАВ в растворе. При этом наблюдается кагущеесл увеличение прочности песчаников.

При насыщении песчшшка раствором ПЧК концентрацией 0,050,25;; до указанных уровней влажности наблюдалось максимальное снижение проделов прочности при концентрации ПАВ в растворе 0,1?, котороо составило для ^ж-35; 40; 51? и для - 48; 52; 6В? соответственно. Вводонио щелочной среды в раствор ПЧК способствовало снижению оптимальной концентрации в два раза для уровней влатности О,У и 1,3?. Пределы прочности песчаников, насыщенных этим раствором, составили соответственно для - 48 и 52? и <*р - 77 и 70? от прочности песчаника в воздушно-сухом состоянии. Таким образом, изменение влажности песчаников при взаимодействии их с растворш.ш ПАВ в зависимости от типа ПАВ и рН раствора способствует неравномерному изменению пределов прочности на сг.атио и растяжение, что находит свое отражение в изменении хрупкопластичных свойств породы и сопротявдения срезу,напряжения сцепления и угла внутреннего трония, определяемых при построении паспортов прочности для каждого режима воздействия. Так, при насыщении песчшшка центральным раствором до V/ ■ 0,1+0,3? отноше-нио « 2,72; до V/ - 0,48+0,7 - 2,5а и до V/ - 1,0+1,27?-

4,38; для 0,25?-ного раствора НЧК этот показатель равен 4,88; 4,02 и 4,61 соответственно при С1т/бр - 4,25 для песчаника в воздушно-сухом состоянии. Для указанных растворов изменения сопротивления срозу и напряжения сцепления составили при И' » 0,1* 0,3? 60 и 32,0? и 34,3 и 20,'; при IV «= 0,48+0,7? 65 и 47? я 43,3 и 3(3,5? и при IV- 1,0+1,27? 29 и 26? и 45,5 и 35? соответственно. Зависимости изменения угла внутреннего трония н отношения пределов прочности от влажности песчаника при насыщении аналогичны. Полученные результаты показывают, что при длительном контакте породы с ПАС в зависимости от ее влагоемкости и состава насыщающей жидкости на фоне снижения прочности могут быть усилв-ны хрупкие либо пластичные свойства породы.

¿ля придания породе хрупких свойств рекомендуется применять растворы ПАВ, способствующие снижению прочностных показателей

в 1.В-2 раза и поверхностной энергии или энергоемкости разруиш-ния в 3-4 раза при значениях деформации, не превышньщих 30 мк.

При испытаниях на изгиб песчаника с преобладанием хрупких свойств при сухом разрушении, насыщенного 0,1£-ным щелочным раствором сульфонола, получено снижение предела прочности на изгиб в 1,1-2 раза при увеличении максимального прогиба балочки в 1,21,5 раза. В статическом режиме деформирования этого песчаника, насыщенного водой, предел прочности на изгиб снижается на 2й/=, обработаннох'о щелочным раствором сульфонола - на 50/', щелочным раствором КМЦ - на 60$. При этом деформируемость песчаника, обработанного щелочным раствором КМЦ, увеличивается более чем в 4 раза. В реологическом режиме деформирования упруго-мгновенная деформация обработанного раствором КМЦ песчаника значительно выше, чем сухого. Для песчаника в воздушно-сухом состоянии разрушение происходило через 320-430 ч при нагрузке 1У-23 Н, насыщенные же образцы разрушались через 0,5-1,5 ч при 9-14 Н.

При циклических нагрузках приращение деформации при последующих циклах нагружения, начиная со второго, составило около 20$ для воздушно-сухого и 40$ для предельно насыщенного раствором сульфонола образцов песчаника. В сравнении с циклическим нагруженном воздушно-сухого песчаника интенсивность накоплений пластических деформаций по мере нагружения от цикла к циклу увеличивалась.

Исходя из теоретических исследований и уравнений Гриффитса, Ребиндера-Щукина и др., эффективность адсорбционного понижения прочности определяется, главным образом, величиной понижения поверхностной энергии при контакте породы с поверхностно-активной средой, которая, в свою очередь, определяет общую энергоемкость процесса разрушения._____________ — _

Исследованием влияния растворов КМЦ и НЧК на снижение поверхностной энергии при насыщении песчаников до различных уровней влагоемкооти установлено, что на величину снижения существенное влияние оказывает тип ПАВ и показатель влагоемкости разрушаемой породы. Так, по мере насыщения породы 0,1^-ным раствором НЧК от М« 0,15? до № = 1,47$ поверхностная энергия уменьшилась в 3,4 и 7,1 раза соответственно.

Учитывая избирательную способность ПАВ к адсорбционному понижению прочнооти пород, необходимо исходить из конкретных условий разрушения. ■ Эффективность действия растворов ПАВ может быть оценена по изменению свойств на межфазной границе воздух-

мщкость-порода. Образованные в процессе разрушения новые поверхности обладает повышенной проводимостью, и распространение пкпшной среди, формировании дпМузннх слоов, характеризуемых эл^ктрокинотическим потенциалом, происходят значительно быстрее, чем на "завотренпоП" поверхности. Согласно Л.Т.Кпрманскому, наибольший эффект сшкения прочности горних пород достигается up-.i увлажнении их растворами с большей диэлектрической постоянной, 0б0С1шчипаю!'(0й хорошую электропроводность на поверхности, что нтъто подтверждение в полученной нами зависимости контактно!) прочности породи от электропроводности раствора, иопсшьзуемого дтя смачнншшя en поверхности. Cimeime контактной прочности породи, обработанной раствором ПАВ, тем больше, чем больше л.тктропровпдность разупрочняэцего раствора.

Данный Факт модно объяснить ено и тем, что при мгновенном pospimo связей л породе поверхности образовавшихся микротренин представляют собой как бы мозаичную структуру, сложенную пз по-.'Ю-:пт^лыю и отрицательно зпрягонннх частиц.Присутствие раствора ПАВ в зтот момент способствует быстрой нейтрализации этих заря-дон мп счет большей адсорбции катионов и анионов из раствора.

Степень развития диТфузшгх слоев оцониваетол по времени ося-цлнип частиц породи в суспензии. Результаты экспериментов по определения примени седиментации частиц породи в суспензиях, пригототеннпх на основе водных растворов ПАВ трех групп с различными концпптртиями и pil = 3+II, показали нплично корреляци-(i!iiio!t связи г:о-'5у измененном контактной прочности порода, обрп-rtoTiH'iott исслодуомт! раствором, и временем сединентагсш частиц этой породы в суспензии: чем больше вреаа седиментации, тем ооль'.о снияени'! контактной прочности. Па основании результатов псои'допаммч построена пкало реактивности ПАВ по времени седиментации частиц породи в рпаличтгх растворах,по которой к группе гпоьма :«.;1Жтирпих ИЛЬ, снт-агпих контактную прочность иослелу-'■мг-: песчаников на 4Q-50S, относятся шюоноактивтю вещества з ".■'•¡сны;1! cponn, имеяшо время седиментации 80-155 мин п облп-• г.-:-"е ■¡¡■ог.о^посты) формирования на поворхноота частиц моянмх '!м ■ ",-*3i!'ît< олопп. Полученная зависимость объясняется тем, что »,ti ¡•■'чюншс»: 1-ь процесса адсорбции молекул п ионов ГШ) из раствора нч пяв-'-рхно 1тп частиц определяется достаточным количеством ПАЗ в рлстнорс, активностью гю отношению к данной породе .степенью рп.т.'.тпя гидратной оболочки вокруг частицы. Поскольку последняя характеризует устойчивость суспензии, постольку время ее, седи-

мечтании л суспонпии является показателем степени изменения прочности прнпотзорхностного слоя пород».

Интенсивность процессов смачивания поверхности пороли ;тпд-коотьп л вштпишш ее зависит от еоотяля рас творя,. его свойств и свойств приповерхностного слоя увлажняемой породи, Необходпмнм условием повышения ^Тективности взаимодействия ПАВ - порода является их молекулярное сродство, мерой которого мокет служить степень виитшиш исследуемой жидкости непосредственно ой раздам пород». При шнтп.пшш щелочных растворов 1П1АВ,КПАВ и АПАВ в необработанную поверхность песчаники установлено, что максимум постоянной капиллярного вгаттлшш соотвотстпут раствору 1Г!К концентрацией 0,15?, способствующего снижению контактной прочности на 47% (рис.1).Зависимость постоянной капиллярного лшттания от времени впитывания раствора в необработанную поверхность песчаников о различной пористостью показывает, что чем 6o.tf.iiio постоянная капиллярного впитнвшшя, т.е. чем э-ЭДективнее действие раствора - по!шзитоля прочности, том меньше время втттания.

ВО 70 00 50

♦,0 »5 5,0 5,5 6,0 Л Ю',см/с"

Рис 1. И1Чснсние относитынюй контактной прочткти Рк песчаника а 1<кисич«тц о?я п'чтаянноц каттярно,™ впитывания л в проработанную по+гр\нжтъ ле/ух'ыраствора 011-7(\), котаиина (2) и Н 1К(?)

С разной скоростью происходит впитывание лсследуемнх растворов песчаниками перпендшгулярно и параллельно на пластованию. 1То дон-П1171 Г.А.Бабаляня и др. впитывание параллельно плгиастсвагпш но своей природе наиболее близко к условиям распространения шдкос-

' 1 >2

тр в микротрецшшх. Если по приблизительным расчетам скорость вдитщзащщ оптимального раствора в породу равна 0,5-0,6 мм/с, То в условиях раскрытой микротрещины со свежеобразованнши поверхностями такой процесс может протекать со.скоростью 25-. 30 ш/с,что согласуется о данными Л.Л.Капустина, В.Д.Левина и др.

При воздействии кислого, нейтрального и щелочного растворов величины снижения контактной прочности песчаника различны и составляют после одноразовой обработки поверхности образца в ¡шчалышй момент времени 0-5 мин для рН = 3 - 12-20$, рН = 6ч7 -30% р рН = 10,5 - 35-43$.

С течением времени наблюдается постепенное восстановление прочности песчаника за счет испарения раствора с его поверхности, что свидетельствует об обратимости процасоа адсорбционного понижения прочности. По истечении 30 мин после воздействия щелочного раствора разупрочнение породы составило 30%, для нейтрального и кислого растворов контактная прочность достигла 92-95% прочности воздушно-сухого песчаника. Из исследуемых электролитов более эффективным для создания щелочной ореды является углекиог лый натрий концентрацией 0,05$.

С целью выявления оптимальной концентрации и типа ПАВ нами проведены эксперименты по определению контактной прочности песчаников в присутствии щелочных растворов ПАЗ, принятых к исследованию. Из группы КЛАВ оптимальным для исследуемых песчаников является 0,1$-ный щелочной раствор катамина в интервале 0-5 мин., из неионогенных ПАВ - 0,05%-ный щелочной раотвор ОП-7, из анио-ноактивных - 0,1$-ный щелочной раствор НЧК. На основании анализа результатов проведенных исследований оптимальным понизителем прочности, отличающимся равномерным характером изменения показателя контактной прочности в диапазоне 0-30 мин на .42-47$, принят щелочной раствор НЧК. Спецификой проведения исследований влия-» ния растворов ПАВ и электролитов на изменение контактной проч^ ности является одноразовая обработка поверхнооти образца раотво-ром ПАВ о определением нагрузки выкола лунки сразу после обработки (0 мин) и через 5, 15 и 30 мин.Для большинства растворов максимальное снижение контактной прочности для среднезерниотых песчаников соответствует 5 мин после обработки, поверхнооти. С течением времени наблюдаетоя как бы увеличение - восотановление прочности. Кроме частичного испарения влаги из раствора ПАВ о поверхнооти образца, происходит проникновение раствора по капиллярам в микротрещинам.

При внедрении индентора в поверхность, покрытую слоои жидкости (0 мин), контактная прочность снижается на 20-35;'. Впитывание в нижо лежащие, чем глубина викола лунки, слон песчаника приводит к понижению контактной прочности до 50^ (5 мин) за счет снижения свободной поверхностной энергии в присутствии раствора ПАВ в кончике микротрещин, образующихся при выколе. Слодоватоль-но, наблюдается снижение нагрузки викола. Дальнейшее проникнове-нио раствора в образец приводит к равномерному распределению жидкости по объему: молекулы и ионы ПАВ присутствуют в процессе приложения нагрузки как бы внутри и снаружи микротрощинн. Это сказывается на величине нагрузки викола лунки - наблюдается как бы восстановление прочности образна.

При моханическом разрушении горных пород инструмент,находясь в контакте с породой, постепенно изнашивается и разрушается. На величину износа влияет множество факторов, определяющими из которых являются режим резания, минералогический состав, механические свойства разрушаемой породы п внешняя среда. Согласно механизму действия адсорбционио-активной среды на горгшо породы, присутствие растворов ПАВ может привести к уменьшению износа инструмента,по предположениям П.А.Ребиндера, Л.А.Шройнера и да., за счет адсорбционного понижения прочности горной породы, снижения коэффициента трония скольжения пари инструмент-порода и улучшения температурного режима работы инструмента.Подача щелочного раствора НЧК оптимальной концентрации в зену контакта "стержня с породой позволяет уменьпить пбразивность песчаников мелкозернистых и среднезернлстых разностей на 59 и 50,Ъ% при коэффициенте вариации 11,4 и 21,соответственно.Сопоставлением полученных при исследованиях результатов выявлено, что пбразивность породы снижается на 40-50£ под дойствием тех жидкостей, которые способствуют пониженно контактной прочности на 30-50$. Это дает основание предполагать, что в роалышх условиях при работе резца в присутствии раствора ПАВ эфЬект снижения абразивного износа может быть усилен.

Исследования влияния ПАВ на вязкость разрушения горных пород просолились с использованием оптимальных по составу и концентрации щелочных растворов ПАВ. При этом получено, что максимальное снижение вязкости разрушения песчаников на 30£ происходит под влиянием щелочного раствора НЧК, способствующего снижению контактной прочности и пределов прочности на одноосное сжатие и растяжение на 45-55^. С увеличением времени воздействия растворов

ПАВ на образцы песчаника эффективность их действия возрастает, что хорошо совпадает со снижением поверхностной энергии песчаников по мере насыщения их исследуемыми растворами. При этом чем эффективнее действие раствора ПАВ на породу, тем больше интенсивность снижения вязкости разрушения во времени.

При сравнительном рассмотрении шлифов II разновидностей углевмещающих пород, изготовленных в присутствии воды и раствор : ПАВ, установлено, что во всех без исключения шлифах, обработанных раствором ПАВ, площадь шлифа в 1,Ь-2,6 раза больше, чем у образцов, обработанных водой. Такое увеличение может быть объяснено большой сохранностью микроструктуры породи за счет проявления пластичных свойств.

Выявленные микроструктурные особенности разрушения пород в присутствии ПАВ отражаются на поведении пород при деформировании и разрушении при воздействии растворов ПАВ, обусловленном изменением хрупкопластичных, прочностных и горно-технологических свойств разрушаемых пород.

Рассмотрим результаты проведенных исследований влияния растворов ПАВ и электролитов на горно-технологические и деформации онные свойства применительно к разрушению горних пород комбайнами избирательного действия, оснащенными резцовим инструментом. Возможны два технологических варианта взаимодействия жидкости с породой: предварительное объемное насыщенно массива жидкостью через опережающие скважины с последующим механическим разрушением и обработка поверхности горного массива жидкостью при комбайновом проведении выработок.

В первом варианте в зависимости от режима подачи жидкости в массив происходит длительное капиллярное насыщение пород с заполнением пустот и пор жидкостью либо насыщение под давлением с образованием микро- и макротрещин. В диапазоне возможного для данной породы увеличения влажности по мере насыщения наблюдается при возрастании пластической деформации неоднозначное снижение пределов прочности на сжатие и растяжение с последующим их увеличением при определенной влажности. При этом за счет возможного увеличения вязкопластичных свойств породи при неравномерном снижении пределов прочности разрушение" массива резцовым инструментом может осуществляться с увеличенными силовыми и энергетическими показателями. Из-за сложностей контроля влажности при региональной обработке массива с точностью до 0,1-0,3$ его последующее комбайновое разрушение осуществляется с измененными, 24

но , неизвестными прочноотными и деформационными свойствами. В дшшом случае, как правило, преобладают эффекты облегчения выхода дислокаций на поверхность, связанные с увеличением пластичности породы. В процессе комбайнового разрушения предварительно обработанного жидкостью массива обязательно применение внешнего либо внутреннего орошения для борьбы с пнлеобразованием.

Обработка поверхности горного массива жидкостью предусматривает ее присутствие в зоне контакта инструмента с породой и участие в образовании зоны предразрушения. При этом соблюдается условие максимального проявления эффекта адсорбционного понижения прочности в ограниченном размерами нижележащем слое относительно снимаемого режущим инструментом. Тагам образом, после снятия первого слоя дальнейшее резание будет осуществляться по подготовленной к разрушению породе с меньшими в 1,8-2 раза энергетическими затратами. Снижение показателей контактной прочности и абразивности в среднем на 40-50? при поверхностном смачивании породы раствором ПАВ . подтверждает преимущества данной схемы обработки горного массива жидкостями применительно к разрушению резанием. Кроме того, изменение горно-технологических свойств разрушаемой породы, вызывающее улучшение технических показателей работы комбайна, может быть использовано в качестве обратной связи породы о комбайном для автоматизации процесса подачи жид-, кости в зону разрушения. Применение этого способа технически оправдано благодаря наличию на комбайнах системы внутреннего или внешнего орошения, предназначенного для пнлеподавления в забое.

В связи с изложенным дальнейшие исследования влияния растворов ПАВ на сопротивляемость пород резанию осуществлялись с подачей жидкости в зону контакта резца с породой.

Исследование влияния растворов ПАВ на силовые и энергетические показатели процесса резания горных пород

Перспектива снижения показателей контактной прочности, абразивности, пределов прочности на одноосное сжатие, растяжение в изгиб яри воздействия растворов ПАВ на горные породы открывает возможность применения комбайнов избирательного действия, оснащенных резцовым инструментом, за счет расширения верхней границы их примененил в других прочностных диапазонах.

Одним из "основных показателей, комплексно характеризующих"~ многие технологические процессы проведения выработок, является энергоемкость разрушения горных пород.

В качестве критерия снижения энергоемкости разрушения введем коэффициент снижения энергоемкости разрушения (КСЭР):

А V/ '

гда А - энергия, затраченная на разрушение единицы объема породы до заданной степени дробления; V/ - соответствующая мощность; наличие шш отсутствие индекса "о" здесь и далее означает" соответственно отсутствие и присутствие ПАВ при разрушении.

Рассмотрим основное энергетическое уравнение в случае развития внутренних разрывов при разрушении тела: ¿Е + (1и.=* йА + ЛЦ+оЬ/, 1'дэ £ - кинетическая энергия единицы объема породы; и - полная внутренняя энергия единицы объема породы; с1А - приток энергии извне к единице объема породы за счет работы объемных и поверхностных микроскопических сил; йО - общий внешний приток тепла к единице объема породы; с1У - внешний приток энергии за счет особых микроскопических механизмов (химические воздействия на поверхности тела, электромагнитные внешние излучения и т.п.), отнесенные к единице объема. Данное уравнение относится к интервалу времени с££.

Полагая, что Ц = Ц, + 1Хг (и,- энергия деформации тела, И2

- энергия сцепления), и.г-у(1Е (у- плотность поверхностной энергии породы, сСб - прирост поверхности в результате разрушения единицы объема породы) и очитая с£(? »' сШ = 0 , имеем

¿Е + сШ, + ¿иг= ¿А Для стационарных процессов разрушения типа резания, сверления, вращательного бурения можно считать = ¿и, = о . Тогда Разделив обе части нас^, получаем выражение для мощности разрушения единицы объема породы: У/= X. По~вёличине энергоемкости-

а1 ае _.__

корректно сравнивать при постоянной величине Тогда,положив

= <х0 для пород в воздушно-оухом ооотоянии, а в присутствии ПАВ г-ос , находим КСЭР А/»-^2.

В олучае нестационарных процессов разрушения (взрыв, ударное бурение) КСЭР в зоне действия эффекта Ребиндера'можно оценить, воопользовавшиоь приведенным выше уравнением П.А. Ребиндера. Иоходя из соотношения Гриффитса <о0]&2* <х„/ос. и считая, что Е" Е0 (поокольку бг/гЕ характеризует работу деформации воего объема породы, тогда как ПАР адсорбируетоя только на свободной 26

поверхности), после преобразований вновь приходам к полученному нами соотношению для КСЭР.

Несмотря на то, что данное соотношение дает несколько завышенные значения КСЭР из-за неучета, например, пластических деформаций, определение его полезно для оценки пределов применимости способа физико-химического разупрочнения, при котором правильным подбором технологических параметров можно довести КСЭР до максимального уровня.

Для оценки реального КСЭР можно воспользоваться величиной, характеризующей процесс резания породы применительно к работе одиночного резца, например контактной прочностью, в присутствии ПАВ и без него. Исходя из соотношения А = - усилие подачи,

Б - площадь среза) и корреляционной зависимости Рч - Рк (0,25 + 0,0165 ), получаем N = РК0/РК .

Для установления оптимального состава жидкости, позволяющей достичь максимального снижения силовых и энергетических показателей процесса резания, определения глубины проникновения раствора ПАВ при разрушении породы резцовым инструментом были использованы: блок мелкозернистого песчаника прочностью 85 МПа, растворы НПАВ, АПАВ, КЛАВ и электролитов различной концентрации и рН, стенд на базе продольно-строгального станка для осуществления резания одиночным резцом,поворотные и неповоротные резцы, установка для подачи раствора ПАВ в зону резания и аппаратура для записи составляющих сопротивляемости резанию.

Резание производилось по повторной схеме в установившемся режиме резания, принятом при роботе проходческих комбайнов, с одной установка резца при постоянных углах установки и разворота в горизонтальной плоскости. За 100$ приняты усилия резания и подачи породы в воздушно-сухом состоянии. Для определения глубины проникновения раствора ПАВ в породу по образовавшимся при резании мдкротрещинам принята послойная схема резания. На каждый раствор ПАВ отведено 15 розов (по 5 резов на слой), из них 9 зачетных, расположенных такпм образом, чтобы исключить взаимное влияние исследуемых жидкостей соседних участков. После снятия трех слоев поверхность блока зачищалась и исследования продолжались по указанной схеме. Расшифровка осциллограмм с записью составляющих сопротивляемости резанию велась с помощью таблиц тарировки и тарпровочных кривых, полученных перед началом, в процессе и после окончания испытаний нагружением динамометра фиксированными статическими усилиями. Эффективность действия ПАВ

оценивалась по изменению сопротивляемости породы резанию с подачей жидкости в зону резания относительно воздушно-сухого состояния.

Время седиментации частиц в суспензии, определяющее устойчивость м толщину диффузных слоев,характеризует и прочность приповерхностного слоя породы, разрушаемой в присутствии раствора ПАВ. Для поворотных и неповоротных резцов снижение усилия резания под действием КЛАВ достигает 15-20$ при Ьсе3 = 20 мин; НПАВ - 25-35$ при = 25+45 мин; АПАВ - 35-55$ при Ьс13 = 45-95 мин. Таким образом, большее снижение усилия резания наблюдается в присутствии того раствора ПАВ, для которого Ьсед максимально, что согласуется о экспериментальными данными и теорией формирования адсорбционных и диффузных слоев на поверхности твердого тела.

Величина снижения прочностных свойств породы определяется также способностью раствора ПАВ к смачиванию и растеканию по разрушаемой породе. Анализ зависимости изменения относительного усилия резания в присутствии растворов ПАВ от времени впитывания этих растворов в необработанную поверхность породы показал, что наиболее эффективными понизителями прочности, снижающими/, усилив резания на 40$ и более, являются те растворы ПАВ, время впитывав ния которых равно 70-120 с.

При исследовании влияния рН раотвора на изменение усилия резания и усилия подачи при резании песчаника поворотными и неповоротными резцами по послойной схеме резания при условии обработки поверхности породы раствором только при снятии первого слоя установлено, что кислая среда яри работе поворотного резца практически не участвует в процессе разупрочнения - сопротивляемость резанию снижена для трех слоев на 1-5$. Для неповоротных резцов при снятии первого слоя сопротивляемооть резанию составила 81-86$, второго и третьего слоев - 95-96$. Согласно данным Ю.М.Чернобережского и др., кислая среда способствует сжатию диффузных слоев и снижению электрокинетического потенциала, а следовательно, и увеличению времени впитывания. Проявляющиеся при атом лиофобные свойства поверхности препятствуют проникновению раствора в нижележащие слои. Нейтральной ореде свойственна неравномерность изменения сопротивляемости пеочаника резанию по олоям. Пооле прохождения поворотным резцом I слоя дистиллированная вода, снижая усилие резания на 7$ и усилие подачи на 10$, по образовавшимся при разрушении микротрещинам'интенсивно проникает во П слой. Усилие резания для последнего составляет 71$, 2В

уошше подачи - 05? относительно значений для воздушно-сухого состояния. Для неповоротного резца зависимость аналогична. Вода при адсорбции на стенках микротрещин в связи с большим поверхностным натяжением на межфазной границе жидкость - газ имеет непрочный контакт. Вследствие этого вода под действием сил молекулярного сцепления выдавливается, микротрещины закрываются и интенсивность поступления воды к Ш слою снижается.

Ыелочяая среда переводит поверхность породы в лиофильнуп, способствуя большему проникновению раствора в глубь образца (Р, ■= 90?, Рч = 96?). При этом наблюдается повышенная насыщенность раствором П слоя, что приводит к некоторому увеличению усилия резания (Рд = 92?) при дальнейшем снижении усилия подачи до 92?. После прохождения П слоя щелочная среда проникает по микротрещинам к Ш слою, снижая усилив резания на 15? и усилие подачи на 12?. Для неповоротного резца эти показатели составили 9 и 6?; 16 и 24? и 9 и 7? соответственно для I, П и Ш слоев.

Полученные результаты свидетельствуют о способности щелочного раствора к проникновению в образец по образовавшимся при резании микротрещинам на трехкратную глубину резания за счет большей ак-^шшости_на магнатних границах системы жидкость - газ - порода.

При исследовании влияния концентрации ПАВ в щелочном растворе на изменение сопротивляемости песчаника резанию установлено, что изменение концентрации НПАВ от 0,05 до 0,5? для поворотного резца не влияет на снижение усилия резания, равное 25? при снижении усилия подачи на 5-10?. Для КЛАВ снижение усилия резания составило 36?, усилия подачи - 12-16?.Действие АПАВ способствует более эффективному разупрочнению породы: усилие резания снизилось до 56-60?, усилие подачи - в среднем до Ш?. На основании полученных данных для поворотного резца оптималышм принимается раствор концентрацией 0,1? АПАВ, обеспечивающей залас молекул ПАВ для адсорбции на образующихся при разрушении поверхностях.

При резании песчаника неповоротнш резцом в присутствии НПАВ зависимость сопротивляемости резанию не тлеет ярко выраженного концентрационного характера при снижении показателей на 5-17?. Для КЛАВ эффективность действия раствора при его концентрации 0,2-0,3? проявляется в снижении усилил резания в среднем на 23? и усилия подачи - на 12?. В диапазоне концентрации 0,3-0,5? для АПАВ усилия резания снижаются на 25-29?, усилия подачи - на 2627?. Таким образом, для неповоротного резца, отличающегося от поворотного более развитой поверхностью зоны предразрушения,

29

оптимальным по составу и концентрации является раствор АПАВ 0,3$.

При исследованиях установлен нелинейный характер зависимости изменения сопротивляемости резанию для поворотных и неповороткых резцов под влиянием нейтральных и щелочных растворов АПАВ - НЧК и КМЦ . от их концентрации. Так, при работе поворотного резца в присутствии нейтрального раствора НЧК в диапазоне концентраций 0,05-0,5$ усилие резания онижается до 69-73$, щелочного раствори НЧК - до 45-50$. Усилив подачи изменяется нелинейно с ярко выраженным оптачумом при концентрации 0,1$ НЧК в нейтральной среда до 67$ и в щелочной до 73$ от данных в воздушно-сухом состоянии.

При резании песчаника неповоротным резцом эффективность действия растворов НЧК меньше, чем для поворотного резца. Воздействие щелочного раствора КМЦ более эффективно и имеет ярко выраженную концентрационную зависимость при 0,05 и 0,3$ КМЦ:снижение усилия резания, составляет 48 и 43$, уошшя подачи - 33 и 35$ соответственно.

Исследованиями изменения сопротивляемости песчаника резанию выбранными резцами при послойной схеме в присутствии дистиллиро™ ванной воды и оптималыии растворов ПАВ показано, что для пово™ ротного резца наиболее активной жидкостью в сравнении с дистиллированной водой является щелочной раствор НЧК концентрацией 0,1$, снижающий усилив резания при снятии трех слоев на 40; 47; 43$ и усилие подачи - на 18; 30; 6$. Для неповоротного резца максимальное ■ снижение усилия резания на 44; 50; 46$ и усилия подачи на 29-35-26$ соответствует воздействию щелочного раствора КМЦ концентрацией 0,3$(рио.2).

Полученные данные свидетельствуют о том, что молекулярное ородство жидкости и породы - необходимый, но не достаточный фактор проявления АЛЛ. Кроме этого, необходимо учитывать и особен-» нооти работы инструмента, проявляющиеся в образовании и развитии зоны предразрушвния.

Для обоих типов резцов под влиянием выбранных растворов резание осуществляется со сниженными удельными затратами энергии на разрушение дяявоех значений шага.резания в исследуемом диапазоне, Максимум снижения удельных затрат составил 38-41$ ~для поворотного резца в присутствии 0,1$-ного щелочного раствора НЧК для шага резания 10-20 мм и 37-39$ - для неповоротного резца в приоутотвии 0,3$-ного щелочного раотвора КМЦ при шага резания 45-50 мм.

Для подтверждения полученных результатов и использования их применительно к работе реального проходческого комбайна были 30

во

70

50

Ж

Рис. 2. Иыпениг относительных усший резана (а) и подачи (6) гЬя поворотных (I) и нспоеоротных (И) рпцо* в присутствии дистиллированной воды (1), 0,1%-ноеа раствора 114К (2) и 0,3%-хого раствора КМЦ (3) в щелочной среде при послойной схеме резания

проведены стендовые испытания разупрочнения породоцементного блока с / = в при разрушении его исполнительным органом проходческого комбайна ГПКС, оснащенного поворотными резцами. Подача жидкости в зону разрушения осуществлялась через внешнюю духу орошения под давлением до 5-7 ат. Оценка эффективности разупрочнения блока при резании в присутствии раствора ПАВ производилась по изменению мощности, потребляемой электродвигателем исполнительного органа комбайна,при работе с подачей жидкости и без нее. Постоянство параметров длины реза, скорости резания, скорости подачи режущей коронки, продолжительности одного реза обусловило достоверность такой оценки. Реп^рация_значений мощности осуществлялась одновременно осциллографом Н—117 и самопишущим ваттметром Н-348.

Согласно техническим характеристикам, комбайн ГПКС может относительно стабильно работать по породам о / «= 4+5 либо по углю о коэффициентом присечки пород с / < 6 до 30$. Разрушение данного блока практически сопряжено о большими динамическими нагрузками, поломкой резцов даже при малой глубине реза, превышением потребляемой мощности над номинальной для двигателя исполнительного органа. С~ подачей раствора ПЙГна забой дошамика резанияТ по данным измерений, уменьшилась, в 2-2,2 раза, потребляемая, мощность, а следовательно, и энергоемкость разрушения - в оред-ьем на 22$.

Относительно небольшое онижение регистрируемого параметра может быть объяснено тем, что подача раствора через внешнюю дугу орошения не обеспечивает в должной мере качество обработки забоя. < При втом определенная часть подаваемого раствора, отражаясь от корпуоа двухбарабанной поперечной резцовой головки, уменьшает объем раствора, необходимый для реализации эффекта АПП.

Шахтные испытания и внедрение физико-химического разупрочнения горных пород при комбайновом проведении выработок

При физико-химическом разупрочнении в процессе разрушения породы исполнительным органом комбайна осуществлялось одновре^ менное воздействие на нее резцового инструмента и раствора ПАВ. Это достигалось введением ПАВ в имеющуюся на комбайне систему водного орошения с помощью дозирующего устройства типа ДСУ-4 либо другой модификации. Заданная концентрация ПАВ в растворе

поддерживалась за счет использования в дозирующем устройство жиклера с определенным диаметром.

Эффективность физико-химического разупрочнения в шахтных условиях при срошашш забоя технической водой и раствором ПАВ устанавливалась методом сравнения данных по изменению определяемых прочностными показателями разрушаемой породы технически характеристик работа комбайна: скорости разрушения породы, потребляемой двигателем исполнительного органа мощности либо воли-чины тока в цепи двигателя исполнительного органа, временя разрушения и т.д.

Потребляемая мощность регистрировалась о помощью самопишущего ваттметра Н348 на контрольных участках в течение 30 мин.Скорость подачи комбайна определялась на участках выработки с известными горно-технологическими свойствами угля и пород с помощью лине Ига и секундомера.

При определении оптимального состава ослабляющей жидкости рекомендуется исходить из ассортимента ПАВ того региона, где'намечается применение физико-химического разупрочнения, о учетом мяпимальных экологических последствий воздействия на окружающую среду, максимальной эффективности снижения прочностных свойств разрушаемых пород и минимальных затрат на приобретение выбранных реагентов. •

Шахтные испытания физико-химического разупрочнения горшее пород была проведены в различных угольных регионах - ПО "Ровень-каантрацят", "Ккзвлугсль", "Арктикуголь", "Воркутауголь" - и на строительстве туннеля Зеленчукской ГЭС.

Несмотря на различные горно- и гидрогеологические условия, проведение испытаний показало, что применение растворов ПАВ оптимального состава в качество жидкости для орошения забоов при условия подачи ее в зону контакта режущего инструмента с породой способствует улучшению технических характеристик комбайнов 4Ш1-2м, ГПКС п КТ1-5.6 при разрушении пород, прочностью и абра-зивностью близких пли выше верхней границы применимости горных малин. При этом в сравнении с орошением забоя шахтной водой сни-зение потребляемой мощности на двигателе исполнительного органа в среднем составило 25$, энергоемкости разрушения - 40$ при уве^ личенян в среднем скорости разрушения на 20$ и производитель-поста комбайна на 25$. Применение рекомендованных растворов обеспечивает стабильную устойчивую работу комбайнов на породах я углях, по прочности и абразивности близких к верхней границе

их применимости, и способствует расширению области применения этих комбайнов на более прочные и абразивные породы: для комбайнов легкого типа - на породы о 70 Ш1а и а« 22 мг, для комбайнов среднего типа - на породы о 6СЗК< НО МПа и а« 27 мг.

Способ физико-химического разупрочнения горных пород и углей органически вписывается в существующую технологию проведения горных выработок и служит надежной основой создания энергосберегающей комбайновой технологии ведения горнопроходческих работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой обоснована и решена научная проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение и заключающаяся в разработке методов и способов изменения горно-технологических свойств углевмещающих пород на основе эффективного применения ПАВ для снижения энергоемкости разрушения пород и технологических пред-» ложений по расширению применения проходческих комбайнов, оснащенных резцовым инструментом.

Основные выводы и практические результаты работы:

1. Физико-химичеокое разупрочнение углевмещающих пород при разрушении резцовым инструментом осйовано "на радаональном-! использовании зоны предразрушения, заключается в подаче раствора ПАВ оптимального состава в зону контакта резца с породой и обеспечивает значительное снижение энергоемкооти разрушения породы при уоловии и за счет проникновения раствора в микротрещины. Данный опособ отличаетоя проототой технического и технологического пополнения.

2. Показано, что оценка параметров физико-химического взаимодействия ПАВ о породой для установления наличия их молекуляр-.. ного ородства должна производиться сопоставлением величин суо-пензионного эффекта, времени седиментации частиц породы в суспензии и времени впитывания раствора ' ПАВ поверхностью породы. Оптимальным понизителем прочнооти следует считать раствор ПАВ, обладающий по отношению к породе близким к нулю значением сус<* пензионного эффекта, максимальным временем седиментации и минимальным временем впитывания.

3. Установлены зависимости изменения горно-технологических овойств углевмещающих пород, обработанных растворами ПАВ и электролитов:

интенсивность насыщения и предельная влагоемкость определяются степенью молекулярного сродства ПАВ и породы: чем ближе они по своей природе, тем выше скорость впитывания раствора породой в начальный период и больше величина предельной влагоемкости;

по мере насыщения породы растворами ПАВ и электролитов оптимального состава от поверхностной обработки до состояния предельного вдагонасыщения пределы прочности на одноосное сжатие я растяжение снижаются в среднем в 1,4-1,6 раза. Оптимум соответствует снижению показателей в 1,8-2 раза при промежуточном эначении влагоемкости 0,5-0,6$;

при насыщении пород растворами ПАВ и электролитов до разных уровней влажности существенным образом изменяются хрупкопластич-шв свойства.Дяя увеличения хрупкости рекомендуется использовать раотворы ПАВ, способствующие снижению поверхностной энергии или энергоемкости разрушения породы в 3-7 раз при значениях деформации, не превышающих 10-30 мк;

при поверхностной одноразовой обработке породы раствором ПАВ характер зависимости изменения контактной прочности во времени после воздействия ПАВ аналогичен зависимости бсж= / (V/).

4. Применительно к работе резцового инструмента рациональ-нш способом взаимодействия раствора ПАВ о породой, обеспечивающим снижение прочностных свойств разрушаемой породы в 1,4-1,6 раза при незначительных изменениях хрупкопластичных свойств, следует считать,обработку поверхности породи жидкостью оптимального состава.

5. При изучении микроструктурных особенностей разрушения уг-левыещающих пород различного минералогического состава при воздействии раствора ПАВ выявлены основные формы адсорбционного понижения прочности,заключающиеся в пластифицировании органогенной части цемента и охрупчнвания кварцевых зерен и ахрэгатов с образованием межзерновых трещин и трещин по зерну. Установленные явления могут служить объяснением механизма снижения абразивно-сти песчаников в присутствии раствора ПАВ оптимального состава в 2-2,2 раза за счет подачи бго в зону истирания стержня о породу.

6. В результате математического моделирования установлено, что при заданных параметрах резания одиночна резцом в установившемся режиме и наличии в мшгротрещине поверхностно-активной среды, снижающей показатели прочности в 1,4 раза, глубина проникновения данного раствора ПАВ может достигать 1,5 толщины снимаемой стружки для поворотных резцов и 2,3 толщины стружки - для неповоротных резцов.

Экспериментально показано, что при послойной схеме резания с подачей раствора ПАВ оптимального состава в зону разрушения только при снятии первого слоя характер изменения усилий резания и энергозатрат на разрушение поворотными и неповоротными резцами аналогичен зависимостям; Рк = }[1) . При этом Рг и

в сравнении с воздушно-сухим резанием при снятии трех слоев снижается в среднем в 1,75 раза с оптимумом в 1,9 раза при резании второго слоя.

7. Экспериментально подтверждены особенности механизма вза-* имодействия ПАВ с породой применительно к работе резцового инструмента, заключающиеся:

в быстроте протекания процесса адсорбционного понижения прочности - при скорости резания 0,65 м/с по песчанику прочностью до 85 МПа усилие резания снижается в 1,6-1,9 раза на трехкратную глубину реза;

в использовании растворов малых концентраций ПАВ (0,1 -0,3$ вей) для достижения разупрочнения породы в 1,6-1,9 раза;,

в разрушении породы, разупрочненной при резании в установившемся режима как минимум двух предыдущих слоев,

8. Разработаны методические материалы по выбору растворов ПАВ оптимального состава и исследованию эффективности их применения при работе проходческих комбайнов, оснащенных резцовым инструментом. Выбранные по разработанным методикам растворы ПАВ апробированы в шахтных условиях различных угольных регионов. При . использовании внешней или внутренней системы орошения комбайна для подачи рекомендованного раствора в зону контакта резцов с породой скорость перемещения исполнительного органа по забою и производительность комбайна увеличиваются в среднем в 1,41,6 раза, энергоемкость разрушения присекаемых пород снижается в 1,4-2 раза. На основании результатов проведенных исследований установлен диапазон возможного расширения области применения проходческих комбайнов избирательного действия легкого

70 МПа, а < 22 мг) и среднего типов НО МПа, а < 27 мг).

9. По разработанной в ИЩ им.А.А.Скочинокого программе "Турист" оценены технико-экономические показатели горноподготовительных работ применительно к условиям ПО "Воркутауголь". Установлено, что при проведении выработок по породам о коэффициентом крепости 6 единиц комбайном 4ПП-2м использование физико-химического разупрочнения пород, способствующего снижению их прочностных, свойотв в среднем на 30-40$, позволяет снизить приведенные затраты на 2,2В руб/мэ (в ценах 1909 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Новые способы н средства разрушения (ослабления) горных пород /Обзор. - 1.1.: ЦНИЭИуголь,1978. - 32 с. (соавторы Н.Ф.Кусов, О.А.ЭдельштеЯн).

2. Влияние среды на прочность горных пород //Добыча угля подземным способом. - 1979. - !Ь 7. - С.15-16 (соавторы Н.Ф.Кусов, О.А.Эдельштейн, Г.Я.Воронков).

3. О возможности применения ПАВ при комбайновой проходов выработок //Совершенствование технологии и механизации добычи угля: Тез. докл. на I Всесоюзн. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов угольной промышленности, 14-16 мая 1979 г. - М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1979. - С.161-162.

4. Физико-химическое воздействие на прочность горных пород. - М.: ЩШЭИуголь, 1980. - 28 с. (соавторы Н.Ф.Кусов, О.А.Эдель-штейн, Г.Я.Воронков).

5. 0 воздействии поверхностно-активных веществ на горные породы //Науч. сообщ, /Ил-Т горн.дела им.А.А.Скочинского. - И., 1980. - Вып.189. - С.110-117 (соавтор О.А.ЭделызтеПн).

6. К оценке энергоемкости механического разрушения горных пород при физико-химическом воздействии // То же. - М., 1980,-Вып.190. - С.76-80 (соавторы Н.Ф.Кусов, О.А.ЭдельштеЯн, Л.Н.Германович) .

7. К оценке эффективности воздействия поверхностно-активных веществ на породу // Физико-технические проблемы добыча и обога-цепил полезных ископаемых. - М.:ИПК0Н АН СССР,1980. - С.137-141.

8. Сопротивляемость резанию песчаников в присутствии адсорб-ционно-активной среды // Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов: Тез. докл. на УП Всесоюзн. ко!1ф. вузов СССР с участком ЮМ. - М.: МГИ, 1981. - С.70 (соавтор О.А.ЭдельштеЯн).

9. К методико исследования влияния увлажнения на прочностныо свойства горных пород //Науч. сообщ./Ин-т горл.дола ш.А.А.Скочинского. - Ы., 1931. - Вып.202. - С,47-56 (соавтор О.А.Эдельштейн).

10. Разрушение крепких пород с примененном поверхностно-активных веществ /До же. - М., 1982. - Вып.212. - С.71-76 (соавторы Н.Ф.Кусов, О.А.Эдельштейн).

11. Разрушение песчаников в присутствии адсорбционно-актив-ных сред // То же. - М., 1983. - Внп.215. - С.10-14.

12. Шахтшэ испытания физико-химического ослабления пород // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. -Ï9U3. - № 3. - С.8-9.

13. Скорость прохождения продольных упругих волн в образцах песчаника при различных уровнях влагонасыщенля //То же. - 1983. - № 5..- С.18-19 (соавторы О.А.Эдельштейн, Ю.С.Макаров).

14. Методические указания по выбору поверхностно-активных веществ и исследованию их влияния на ослабление горных пород применительно к работе проходческих комбайнов. - M.j ИГД им.А.А.Скочинского, 1983. - II с.

15. Влияние степени влагонасыщения на прочностные и деформационные свойства горных пород //Тез.докл. на Всесоюзн.научгтехн. конф. молодых ученых и специалистов уг. пром.-сти. - М. : ИГД им. А.А.Скочинского, 1983. -С.115 (соавтор Ю.С.Макаров).

16. Изменение свойств горных пород под воздействием адсорб-ционно-активных сред //Науч. сообщ. /Ин-т горн, дела им.А.А.Скочинского. - M., 1984. - Вып.224. - С.80-86 (соавторы О.А.Эдельштейн, Ю.С.Макаров).

17. О связд электрокинетических и прочностных характеристик при взаимодействии горных пород и растворов ПАВ //То же. - М., 1984.'- Вып.230. - С.19-23 (соавтор О.А.Эдельштейн).

18. Исследование прочностных и деформационных свойств увлажненных поряд //То же. - M., 1985. - Вып.235. - С.90-96 (соавторы О.А.Эдельштейн, Ю.С.Макаров).

19. Влияние адсорбции среды на показатели разрушения.горных 1 пород при проходке.выработок //.То же. - M., 1985, - Вып.241. -С.51-55 (соавтор О.А.Эдельштейн).

20. О расширении области применения породопроходческих комбайнов при использовании ПАВ //То же. - M., 1986. - Вып.246.

С.27-31 (соавтор О.А.Эдельштейн).

21. Применение адоорбционно-активных сред для понижения сопротивляемости горных пород разрушейию // Физико-химическая механика и лиофильность дисперсных систем. - Киёв, 1986. -Вып. 18. - С.41-46 (соавторы H.Д.Кусов, О.А.Эдельштейн)._____

22. Изменение состояния горного массива при его физико-химической обработке // Способы и средства управления состоянием массива - М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1987. - С. 21-24 (соавтор О.А.Эдельштейн).

23. Разрушение крепких песчаников при воздействии адсорбци-онно-активных сред //Процессы и сродства разрушения угля и горных пород. - М.: ИЩ им. А.А.Скочинского, 1987. - С.46-50 (соавторы О.А.Эдельштейн, Ю.С.Макаров).

24. Интенсификация процесса разрушения горных пород с помощью ПАВ // Поверхностно-активные вещества и сырье для их производства: Тез.докл. на УП Всесоюзн. конф. - Шебекино, 1988. -С.457 (соавтор О.А.Эдельштейн).

25. О характере разрушения массива, обработанного поверх-. ноотно-активншш веществами //Нетрадиционные способы добычи и использования угля: Науч. сообщ. /Ин-т горн, дела им.А.А.Скочинского. - М., 1989. - С.63-66.

26. Применение растворов ПАВ для ослабления горных пород при механическом разрушений //Тез.докл. на конф. 28-30 мая 1990 г. -Красноярск, 1990. - С.22-23 ( соавторы A.B. Старосельский, О.А.Эдельштейн).

27. Влияние растворов ПАВ на процесс разрушения горных пород резанием // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Тез. докл. на УП Всесоюзн. науч. школе. - Симферополь, 1990. - С.187 (соавторы О.А.Эдельштейн, А.В.Старосельский).

28. О влиянии ПАВ на трещиностойкость крепких горных пород // ФТПРГШ. - 1990, - »5. - С.32-35 (соавторы А.В.Старосельский, С.Е.Чирков, О.А.Эдельштейн).

29. Временное руководство по исследованию эффективности применения ПАВ при механическом разрушении горных пород. - М.: ИГД пм.Л.А.Скочинского, 19Э0. - 31 с. (соавторы А.В.Старосельский, О.А.Эдельштейн, Ю.С.Макаров).

30. О влиянии поверхностно^активных ' сред на интенсивность механического разрушения горных пород // ДАН СССР. - Т.317. -JI 5. - М., 19Э1. - С. II50-II53 (соавторы А. В. Старосельский, О.А.Эдельштейн).

31. A.c. I647I35 РФ, МКИ 5E2IC 35/24. Способ управления нагрузкой угольного комбайна и устройство для его осуществления. Заявлено 19.10.89; Опубл. 7.05.91. Бюл. № 17. - 1991. - С.98 (соавторы О.А.Эдельштейн, В.Б.Солнцев).

32. Влияние поверхностно-активных сред на процесс механического разрушения горных пород//Тез.докл. на X Меддунар. конф. по механике горных пород. - М.: ИГОЮН РАН, 19ЭЗ. - С.86-87 (соавтор О.А.Эдельштейн).

33. Определение эффективности разрушения горных пород гидро-ыеханическими резцами с использованием поверхноотно - активных веществ // Науч.сообщ. /Ин-т горн.дела им.А.А.Скочинского. - М.,. 1994. - Вып.300. - С.163-167. (соавторы А.Б.Жабин, Н.Н.Катагаров).

34.. Методическое руководство по исследовании эффективности применения поверхностно-активных веществ при механическом разрух шении проч1шх пород. - М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1995. - 25 о.