Направленное изменение свойств и состояния скальных пород поверхностно-активными веществами при предотвращении горных ударов на рудниках урала

На правах рукописи

СЫНБУЛАТОВ Владимир Владимирович

НАПРАВЛЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ И СОСТОЯНИЯ

СКАЛЬНЫХ ПОРОД ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ

ВЕЩЕСТВАМИ ПРИ ПРЕДОТВРАЩЕНИИ ГОРНЫХ УДАРОВ

НА РУДНИКАХ УРАЛА

Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель -	доктор технических наук, профессор Латышев Олег Георгиевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Зотеев Олег Вадимович кандидат технических наук Аксенов Анатолий Аркадьевич
Ведущая организация -	ОАО «Институт Уралгипроруда»

Защита состоится «4» декабря 2008 г. в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, ауд. 2142. Телефон (343) 257-24-71.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

Уральского государственного горного университета

Автореферат диссертации разослан «___» октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Багазеев В. К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Увеличение глубины разработки месторождений связано с усложнением горно-геологической обстановки и динамическими проявлениями горного давления – горными ударами. В настоящее время большинство месторождений полезных ископаемых Урала признаны опасными по горным ударам.

Традиционные методы борьбы с горными ударами включают бурение разгрузочных скважин (щелей) и камуфлетное взрывание. Реализация этих методов связана с остановкой горных работ и отличается большими затратами труда и времени, что увеличивает себестоимость добываемого полезного ископаемого.

Одним из перспективных направлений борьбы с горными ударами является управление свойствами и состоянием пород поверхностно-активными веществами (ПАВ). Эффективность ПАВ как средства воздействия на свойства горных пород доказана, однако применительно к борьбе с горными ударами они не получили широкого распространения. Это обусловлено нерешенностью к настоящему времени следующих задач.

Прежде всего, это выбор эффективных для данных условий растворов ПАВ в их оптимальной концентрации; разработка методов насыщения и контроля процесса насыщения породных массивов активными растворами; определение критериев априорной оценки эффективности использования ПАВ для борьбы с горными ударами, включая традиционные методы – бурение разгрузочных скважин и камуфлетное взрывание.

Представленные исследования в значительной мере посвящены решению данных задач, что и определяет их актуальность.

Объект исследований – потенциально удароопасные горные породы Урала.

Предмет исследования – закономерности воздействия поверхностно-активных веществ на свойства и состояние скальных пород удароопасных месторождений.

Цель работы – совершенствование методов борьбы с горными ударами на рудниках Урала.

Идея работы – использование установленных закономерностей воздействия поверхностно-активных веществ на свойства и состояние скальных пород для повышения эффективности методов борьбы с горными ударами.

Основные задачи исследований:

1. Отработка способов и изучение трещиноватости горных пород с фрактальных позиций.

2. Выбор эффективных растворов ПАВ и определение их влияния на деформационные и реологические характеристики скальных пород.

3. Установление закономерностей насыщения горных пород активными растворами в их связи с фрактальными характеристиками трещин.

4. Разработка критериев эффективности использования поверхностно-активных веществ для борьбы с горными ударами, разработка методов прогноза.

Методы исследований: оригинальные методики изучения кинетики активных растворов с одновременным измерением скорости упругой волны и диэлектрической проницаемости горных пород; люминесцентный метод изучения трещин под микроскопом; оценка получаемых результатов с позиций теории вероятностей и математической статистики; аналитические исследования закономерностей на основе фундаментальных законов физики твердого тела (горных пород), теории размерностей и фрактальной геометрии; стандартные методики определения свойств горных пород.

Защищаемые научные положения:

1. Активизация под действием ПАВ ползучести горных пород обеспечивает снижение их удароопасности и определяется ослаблением межзеренных контактов и вторичным деформированием пород за счет процесса саморазвития трещин, характеристиками которых является их фрактальная размерность.

2. Кинетика насыщения горных пород растворами ПАВ реализуется в трех стадиях, последняя из которых определяется транспортом активных молекул по развивающимся трещинам и коррелирует с финальной стадией ползучести пород.

3. Прогнозирование эффективности использования поверхностно-активных веществ как средства борьбы с горными ударами базируется на системе аналитических критериев, которые представляют собой безразмерные комбинации параметров, в единой модели учитывающих взаимосвязь и взаимообусловленность изменяющихся свойств горных пород и технологических характеристик бурения разгрузочных скважин и камуфлетного взрывания.

Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается достаточным (для обеспечения принятой надежности – 95 %) объемом экспериментальных исследований; удовлетворительным соответствием аналитических расчетов с результатами шахтных испытаний по насыщению массива растворами ПАВ и бурению разгрузочных скважин (расхождение не превышает естественного разброса данных); непротиворечивостью полученных результатов фундаментальным положениям физики твердого тела (горных пород), теории размерностей и фрактальной геометрии.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

- Впервые установлена связь финальной стадии ползучести с фрактальными характеристиками трещин, развивающихся в напряженных горных породах под действием ПАВ.

- Определена взаимосвязь кинетики насыщения горных пород активными растворами с характером их ползучести и получены новые расчетные соотношения.

- Впервые установлена система уравнений, позволяющая прогнозировать степень насыщения породного массива поверхностно-активными веществами только за счет бурения разгрузочных скважин с промывкой растворами ПАВ.

- Обоснованы новые формулы критериев эффективности камуфлетного взрывания и бурения разгрузочных скважин, которые в единой модели учитывают изменяющиеся под действием ПАВ свойства горных пород и характеристики технологического процесса.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики использования поверхностно-активных веществ для борьбы с горными ударами; разработанная система критериев позволяет априорно оценивать эффективность применения ПАВ при бурении разгрузочных скважин и камуфлетном взрывании.

Личный вклад автора состоит: в его непосредственном участии в постановке задач, организации и проведении экспериментальных исследований; в отработке методики люминесцентного микроскопического метода изучения фрактальных характеристик трещиноватости горных пород; в анализе и обобщении результатов промышленных испытаний по нагнетанию в породный массив активных растворов и бурению разгрузочных скважин с промывкой растворами ПАВ; в аналитическом обосновании критериев эффективности камуфлетного взрывания и бурения разгрузочных скважин; в получении основных выводов и рекомендаций работы.

Реализация результатов работы. Комплексная методика выбора эффективных для борьбы с горными ударами растворов ПАВ в их оптимальной концентрации, а также Временные указания по бурению разгрузочных скважин с промывкой растворами поверхностно-активных веществ переданы для использования в ОАО «Институт Уралгипроруда», Институт горного дела УрО РАН, Уральский филиал ОАО ВНИМИ, ОАО «Севуралбокситруда», ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет».

Теоретические результаты и разработанная методика оценки фрактальных размерностей трещин, а также критерии эффективности бурения скважин и камуфлетного взрывания используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам: «Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании», «Методы и средства изучения быстропротекающих процессов». Автор непосредственно участвует в проведении данных занятий и в их методическом обеспечении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса высших учебных заведений, осуществляющих подготовку научно-педагогических кадров горно-геологического, нефтегазового и металлургического профиля (Санкт-Петербург, 2005 г.); II Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (Екатеринбург, 2007 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2008 г.); на конференциях молодых ученых УГГУ, проводимых в рамках Уральской горнопромышленной декады в 2004-2008 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах. Из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях Российской Федерации и одна монография.

Объем и структура работы. Объем диссертации 197 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков и 16 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 110 наименований и 5 Приложений.

Работа выполнена в рамках исследований по следующей тематике: «Управление свойствами и состоянием скальных горных пород поверхностно-активными веществами и проектирование оптимальных параметров их разработки в меняющихся горно-геологических условиях» (грант Минобразования РФ ТО2-04.4-3154, 2003-2004 гг.); «Изучение последствий и теоретические основы прогноза изменения геологической среды при подземных техногенных воздействиях» (задание Федерального агентства по образованию 1.13.05, 2005-2007 гг.); «Исследование фрактальных свойств и теоретические основы прогноза образования и развития трещин в процессах разрушения горных пород» (задание Федерального агентства по образованию, 2008-2010 гг.).

Основное содержание работы.

Большинство месторождений Урала на отрабатываемых в настоящее время глубинах относятся к опасным по горных ударам. Типичным представителем являются Североуральские бокситовые рудники (СУБР), где мероприятия по предотвращению горных ударов проводятся на постоянной основе. Поэтому большая часть исследований выполнена применительно к условиям данных месторождений.

Разработка мероприятий по предотвращению горных ударов ведется преимущественно в двух направлениях – приведение горных пород в неудароопасное состояние и снижение напряжений в приконтурном массиве. Одним из перспективных направлений повышения эффективности данных мероприятий является направленное изменение свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами (ПАВ). Их действие (эффект Ребиндера) носит универсальный характер и проявляется в изменении практически всего комплекса свойств горных пород (А.Д. Алексеев, Г.Я. Воронцов, Ю.В. Горюнов, И.И. Круглицкий, Н.Ф. Кусов, О.Г. Латышев, Г.И. Марцикевич, Ф.Д. Овчаренко, Н.В. Перцов, П.А. Ребиндер, Е.Д. Шукин, О.А. Эдельштейн и др.).

В основе эффекта Ребиндера лежит адсорбционное понижение поверхностной энергии тел. Поэтому эффективность действия ПАВ зависит от величины свободной поверхности трещин и межзеренных контактов. В свою очередь, воздействие активных растворов приводит к дальнейшему развитию трещин при нагружении горных пород. На кафедре шахтного строительства УГГУ при непосредственном участии автора разработан и опробован люминесцентный микроскопический метод изучения трещиноватости горных пород, который позволяет фиксировать общую картину трещиноватости и координаты отдельных трещин. Последнее особенно важно, поскольку дает возможность определять фрактальную (дробную) размерность трещин и оценивать их истинную геометрию.

По разработанной методике было исследовано 9 образцов андезитобальтовых туфов СУБРа. Обобщение результатов изучения процессов зарождения и развития трещин при нагружении горных пород в присутствии ПАВ позволяет сделать следующие выводы. Во всех диапазонах размеров трещин их концентрация в образцах, обработанных ПАВ, заметно выше, чем в необработанных. Более того, максимальный линейный размер трещин, образовавшихся при нагружении исходных пород, не превышает 630 мкм, в то время как под действием ПАВ в тех же условиях нагружения их длина доходит до 2500 мкм. Таким образом, во всех диапазонах размеров трещин их концентрация в образцах, нагружавшихся в ПАВ, заметно выше, чем в необработанных породах. Особо следует отметить изменение степени нарушенности пород (отношение удельной поверхности трещин к их дисперсности), которая возрастает в 6,7 раза.

В соответствии с общепринятым критерием (И.М. Петухов, П.Е. Егоров) горная порода считается потенциально удароопасной, если при нагружении до 80 % предела прочности доля ее упругих деформаций превышает 70 % от общих или работа упругих деформаций превышает работу пластических. По этим признакам большинство скальных пород Урала относятся к категории склонных к хрупкому разрушению (удароопасных). Действие ПАВ способно вывести горные породы из этого состояния. Нами проведены исследования деформационных характеристик основных литотипов пород СУБРа. Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы.

Насыщение горных пород растворами ПАВ приводит к существенному (от 25 до 60 %) снижению их прочности, уменьшению (на 30-50 %) модуля и предела упругости. При этом рост трещин и ослабление межзеренных контактов сопровождается подвижкой минеральных зерен и уплотнением пород при их циклическом нагружении. Это проявляется в нелинейном росте модуля деформации пород в каждом последующем цикле нагружения. Данная зависимость описывается уравнениями

(1)

где Е0 – начальный модуль упругости горных пород; а – безразмерный коэффициент, характеризующий асимптоту зависимости, т. е. предельно возможное увеличение относительно модуля деформации; b – безразмерный параметр, характеризующий скорость роста Е с нагрузкой;, сж – напряжение и прочность при сжатии пород. Указанные характеристики определены экспериментально для основных типов горных пород Североуральских бокситовых месторождений для различных растворов ПАВ и условий нагружения. Так, для известняков в растворе MgCl2 средние значения составляют: a = 1,27; b = 0,06; Е0 = 4,6 ГПа.

Мерой необратимых изменений, т. е. пластифицирования горных пород в ПАВ, служит величина их остаточной деформации

(2)

где коэффициент пропорциональности k зависит от активности раствора и степени его проникновения в горную породу (времени экспозиции). Расчет по приведенным формулам подтверждается экспериментальными данными и показывает экстремальный характер зависимости относительной доли остаточных деформаций от уровня приложенного напряжения. На рис. 1 показан типичный график для пироксен-плагиоклазового порфирита СУБРа. Характер графика отражает зависимости деформирования горных пород в активной среде. Начиная с некоторого уровня напряжений (на графики это 17 % от сж) в горной породе начинается межзеренное скольжение, приводящее к ее уплотнению и снижению доли остаточной деформации. Но уже при напряжениях в 40-50 % от прочности доля остаточных деформаций возрастает с ускоряющимся темпом. Это определяется развитием под действием ПАВ имеющихся в породе трещин и проникновением по ним активного раствора во все больший объем породы. Рост трещин подтвержден нами экспериментально с помощью люминесцентно-микроскопического метода.

Рис. 1. Доля остаточной деформации при нагружении порфирита в AlCl3

Одним из общепринятых критериев потенциальной удароопасности горных пород является условие превышения доли упругих деформаций в общих на 70 % (у > 0,7общ) при нагружении пород до 80 % от их прочности. Это условие можно записать в виде где у – предел упругости породы. Тогда соотношение

(3)

предлагается использовать как прогнозную оценку потенциальной удароопасности горных пород. Отмеченные выше нами зависимости деформирования пород, выраженные в приведенных формулах, показывают, что обработка изученных пород растворами ПАВ выводит их из состояния потенциальной удароопасности.

Другим направлением по предотвращению горных ударов является снижение напряжений в приконтурном массиве, что может обеспечить релаксация напряжений, определяемая активизацией под действием ПАВ процессов ползучести горных пород. Экспериментальные определения реологических характеристик пород производились методом поперечного изгиба балок в режимах прямого и циклического нагружения. Для аппроксимации результатов использовалось уравнение наследственной ползучести Больцмана-Вольтерра со степенным ядром ползучести. Методической основой экспериментов послужили работы Ж.С. Ержанова, М.А. Колтунова, В.С. Ямщикова.

Обобщение результатов исследования известняков и эффузивных пород пироксен-плагиоклазового комплекса Североуральских бокситовых месторождений показывает, что действие ПАВ сопровождается увеличением ползучести пород от 2 до 7 раз. При этом меняется сам характер процесса. При нагружении пород в присутствии поверхностно-активной среды отчетливо проявляется двухстадийный характер ползучести (рис. 2), чего не наблюдается для пород в исходном состоянии. Данный факт, впервые обнаруженный О.Г. Латышевым, очевидно, отражает различие в механизмах ползучести на каждой стадии процесса. Поскольку ползучесть обусловлена развитием дефектности (трещиноватости) горных пород, нами проведено исследование данного вопроса для изучаемых пород с помощью люминесцентного микроскопического метода. По разработанной методике фиксации координат траектории трещин способами «циркуля» и «покрытия» (Р. Кроковер, С.С. Крылов, Б. Мальдельброт) нами определялась фрактальная размерность df каждой трещины и их истинная (фрактальная) длина

где L0 – линейный размер трещины; – принятый шаг измерений. Установлено, что под действием ПАВ заметно возрастает концентрация трещин. График приращения концентрации трещин dN разной длины приведен на рис. 3. Обращает на себя внимание сходная конфигурация графиков на рис. 2 и 3, что позволяет сопоставить характер ползучести с особенностями развития трещиноватости в ПАВ.

Рис. 2. Двухстадийный характер Рис. 3. Приращение концентрации трещин

ползучести горных пород в ПАВ различных размеров под действием ПАВ

Первая стадия ползучести хорошо описана в литературе (Ж.С. Ержанов, В.В. Ржевский и др.) и обусловлена межзеренным скольжением с образованием межкристаллических трещин. На рис. 3 это соответствует приращению концентрации микротрещин (левая ветвь графика). Правая ветвь графика (обозначенная жирной линией) отражает концентрацию трещин, испытавших приращение в ходе нагружения горных пород. Именно саморазвитие данных трещин под действием ПАВ определяет вторую более медленную стадию ползучести горных пород.

Установленные в ходе эксперимента параметры ядра ползучести и для исходных пород и обработанных раствором ПАВ позволяют количественно оценивать развитие деформации горных пород во времени. Причем для второй стадии ползучести пород в поверхностно-активной среде параметры и существенно меняют свое значение. Так, для исходных эффузивных пород СУБРа и обработанных растворами ПАВ параметры ядра ползучести соответственно составляют = 0,008; = 0,69 и = 0,011; = 0,43.

Определенные в опыте закономерности роста концентрации трещин N под действием ПАВ позволяют прогнозировать эффективность использования поверхностно-активных веществ при предотвращении горных ударов. Пластифицирование горных пород в ПАВ приводит к необходимости совершать дополнительную работу (О.Г. Латышев):

, (4)

где d – средний размер минеральных зерен горной породы; N1 и N2 – концентрации трещин в породе, обработанной ПАВ, и в исходной горной породе; kпл – коэффициент пластичности породы, обработанной раствором ПАВ.

Активизации ползучести горных пород под действием ПАВ приводит к тому, то для ее реализации массив совершает работу А = А0 + Ап, складывающуюся из работы мгновенного деформирования и работы чистой ползучести . Тогда общая работа

. (5)

Полученные соотношения достаточно точно описывают опытные данные – погрешность не превышает 10 %. Для совершения этой работы породный массив расходует запасенную им упругую энергию, что сопровождается снижением его напряженности и уменьшением вероятности возникновения горных ударов. Предварительные расчеты, выполненные для эффузивных пород Североуральских бокситовых месторождений, при давлении 25 МПа, что соответствует условиям разработки на глубине 800-1000 м, показывают, что насыщение активными растворами ПАВ увеличивает работу их деформирования с 55 до 76 кДж/м3, т. е. более чем в 1,4 раза. Пересчет на процесс релаксации напряжений позволяет предположить, что действующие напряжения в приконтурном массиве, при тех же условиях и неизменной деформации пород, уменьшатся в приконтурном массиве за сутки с 25 до 14,6 МПа. Однако приведенные расчеты справедливы при строго фиксированной деформации, т. е. жесткой крепи. В реальных условиях массива релаксация напряжений должна определяется экспериментально.

Таким образом, активизация под действием ПАВ ползучести горных пород обеспечивает снижение их удароопасности и определяется ослаблением межзеренных контактов и вторичным деформированием пород за счет процесса саморазвития трещин, характеристиками которых является их фрактальная размерность.

Реализация рассмотренных эффектов действия поверхностно-активных веществ на горные породы требует изучения доставки растворов ПАВ в породный массив. Теория и практика нагнетания воды (предварительное увлажнение массивов) достаточно хорошо проработаны (И.И. Вахромеев, В.М. Шестаков, и др.), в том числе и нагнетания растворов ПАВ в целях профилактики горных ударов (А.Д. Алексеев). Проводились опытные закачки растворов ПАВ и в условиях шахт СУБРа (О.Г. Латышев). В этой связи задачей данной работы является изучение кинетики распространения активных растворов по микротрещинам, определяющей изменение свойств и состояния горных пород.

Анализ экспериментальных результатов изучения данного вопроса позволил выделить три стадии кинетики насыщения горных пород растворами ПАВ. Первая стадия соответствует фильтрации растворов по капиллярным трещинам шириной раскрытия 10-3 – 10-7 м. Кинетика растворов в этом случае описывается законами вязкого течения жидкости по капиллярам. Темп насыщения (прирост влажности W) на данной стадии описывается уравнением

(6)

при (7)

где R – величина раскрытия трещины (радиус капилляра); тж – поверхностное натяжение жидкости на поверхности трещины; - краевой угол смачивания; - коэффициент динамической вязкости.

Расчет по формуле (7) может служить лишь приблизительной относительной оценкой процесса в силу отличия идеального капилляра от геометрии реальной трещины в горной породе. Экспериментальное определение коэффициента пропорциональности по кривым насыщения для различных пород и растворов показало, что его величина изменяется в пределах k1 = (4,9-6,5)10-6 с-1/2. Установлено, что для растворов ПАВ темп капиллярного насыщения k1 существенно выше, чем для чистой воды. Это обусловлено изменением за счет активизации молекул как поверхностного натяжения раствора тж, так и краевого угла смачивания. На данной стадии исследований разделить влияние этих факторов не представляется возможным. Принимая, что в единичной серии экспериментов изменение параметров и R пренебрежимо мало, относительную оценку изменения данных факторов можно произвести по формуле

(8)

В частности, для известняка Североуральских бокситовых месторождений добавка в жидкость 0,1 % MgCl2 увеличивает произведение в 1,27 раза.

Вторая стадия насыщения связана с двумерной миграцией активных растворов по трещинам и определяется в соответствии с теорией поверхностных явлений (П.А. Ребиндер. Н.В. Перцов) следующими механизмами. За счет разницы в концентрации движущегося по поверхности трещин одномолекулярного слоя активных молекул по закону Гиббса возникает движущая сила. Она заставляет молекулы ПАВ перемещаться до тех пор, пока раскрытие трещины не станет сопоставимым с размерами отдельной молекулы. Кроме того, активные молекулы разрывают мениск, образованный жидкой фазой в капиллярной трещине, и влекут за собой дополнительные (сольватные) слои жидкости. Темп насыщения на данной стадии пропорционален логарифму времени:

. (9)

Для изученных пород коэффициент k2 изменяется в широких пределах. За счет действия активных молекул его величина возрастает от 1,14 (порфирит) до 2,5 раз (известняк).

Третья стадия насыщения присуща только растворам ПАВ и определяется развитием трещин в активной среде. Темп насыщения линейно зависит от времени:

. (10)

Анализ опытных данных показал, что для всех изученных пород коэффициент корреляции зависимости не ниже 0,93. Коэффициент пропорциональности изменяется в интервале k3 = (0,35 – 2,75)10-3 1/сут.

Описанные выше результаты изучения фрактальных характеристик трещиноватости горных пород подтверждает факт саморазвития за счет ПАВ трещин и увеличения их концентрации, что обеспечивает дополнительные возможности фильтрации активных растворов. Причем темпы насыщения и развития второй стадии ползучести одного порядка, что свидетельствует о единстве их природы – развитие трещин.

Вклад каждой стадии в общий процесс насыщения аддитивен, что позволяет общим суммированием W1 + W2 + W3 определить количество проникающего в горную породу раствора ПАВ. Однако существенно разные механизмы насыщения на этих стадиях не позволяют точно описать процесс единым уравнением. Для практического использования результатов важно оценить максимальное количество проникающего в породы раствора, т. е. финишные участки кривых насыщения. В этом случае опытные данные надежно аппроксимируются гиперболической зависимостью вида:

(11)

где kПАВ – коэффициент активности раствора ПАВ, показывающий, во сколько раз увеличивается максимальная влагоемкость горных пород Wmax при введении в воду данного поверхностно-активного вещества; Тв – время, за которое влажность горных пород достигает половины максимальной величины при условии доминирования механизма насыщения третьей стадии насыщения. Асимптота графика зависимости (при t ) – kПАВWmax. По опытным данным способом «наименьших квадратов» параметры данного уравнения определены для всех принятых к изучению горных пород.

Полученные теоретические оценки позволяют прогнозировать ход насыщения породного массива при предварительном нагнетании в него растворов ПАВ. Однако такое нагнетание связано с остановкой горных работ и значительной трудоемкостью. Вместе с тем представляется очевидным, что уже в ходе бурения шпуров и скважин при добавлении в промывочную жидкость поверхностно-активных веществ раствор ПАВ частично проникает в массив, оказывая свое положительное действие. Для исследования и прогнозирования данного эффекта использованы результаты моделирования и опытно-промышленного бурения, полученные кафедрой шахтного строительства УГГУ. На основе решения задачи Буссинеска, имеющихся теоретических и экспериментальных результатах по физике бурения (Г.М. Крюков, О.Г. Латышев, Ю.И. Протасов, Л.А. Шрейнер и др.) установлены расчетные соотношения для оценки изменения радиуса зоны предразрушения R, возникающей под буровым инструментом, которую можно рассматривать как зону влияния скважины.

Принимая, что параметры техники и технологии бурения неизменны и поверхностно-активные вещества влияют только на свойства горных пород, получим нижнюю 1/р1/2 и верхнюю 1/р2/3 оценки увеличения зоны влияния скважины при снижении за счет ПАВ прочности пород при растяжении р. Учитывая, что р определяется в лабораторных экспериментах на образцах, более точную оценку можно получить в ходе непосредственного процесса бурения в шахтных условиях. Установлено, что величина R пропорциональна квадрату скорости механического бурения . Ранее выполненные опытно-промышленные испытания показали увеличение скорости бурения скважин станком НКР-100 с промывкой раствором ПАВ на 52 %.

Увеличение за счет ПАВ зоны предразрушения под буровым инструментом создает дополнительные возможности проникновения активных растворов в породный массив, закономерности кинетики которого описаны выше. С учетом всех этих факторов по полученным соотношениям выполнена прогнозная оценка степени насыщения массива в ходе буровых работ при проходке квершлага по известнякам для условий Североуральских бокситовых месторождений. За период от начала бурения первых шпуров в забое до окончания заряжания породный массив насыщается раствором ПАВ до 68 % от максимально возможного значения.

Следующей задачей является разработка методики контроля процесса насыщения горных пород растворами ПАВ. Идея такой методики (О.Г. Латышев) заключается в непрерывном и параллельном измерении скорости упругой волны и относительной диэлектрической проницаемости горных пород массива в ходе его насыщения активными растворами. Последнее, т. е. измерение диэлектрической проницаемости, надежно фиксирует прирост влажности массива. измерение скорости упругой волны позволяет отслеживать развитие под действием ПАВ трещиноватости горных пород. Нами проведены экспериментальные исследования и уточнены параметры расчетных уравнений для принятых к изучению конкретных горных пород.

Таким образом, можно констатировать, что кинетика насыщения горных пород растворами ПАВ реализуется в трех стадиях, последняя из которых определяется транспортом активных молекул по развивающимся трещинам и коррелирует с финальной стадией ползучести пород.

Прогнозирование эффективности использования поверхностно-активных веществ как средства борьбы с горными ударами требует разработки критериев оценки, адекватно отражающих физические закономерности рассматриваемого явления или процесса. Анализ уравнений энергетического баланса горного удара (И.М. Петухов) и деформационных характеристик пород позволил получить прогнозную оценку их потенциальной удароопасности:

, (12)

где у – предел упругости; E – модуль упругости; Едеф – модуль общей деформации горной породы; сж – прочность горных пород при сжатии.

Проведенные исследования показывают, что оптимально подобранные растворы ПАВ выводят изученные горные породы из состояния потенциальной удароопасности.

Широко используемыми методами предотвращения горных ударов является бурение разгрузочных скважин и щелей. Организованные кафедрой шахтного строительства УГГУ опытно-промышленные испытания по бурению разгрузочных скважин станком НКР-100М (выработки гор. -860 м шахты «Ново-Кальинская» СУБРа) показали, что использование в качестве промывочной жидкости 0,001 % раствора AlCl3 позволило увеличить в среднем скорость бурения по порфиритам с 5,70 до 8,12 см/мин, т. е. на 42%. Для прогнозирования испльзвания ПАВ в различных горно-геологических условиях нами разработан критерий эффективности вращательно-ударного бурения.

Теория и практика буровых работ свидетельствуют о том, что производительность процесса определяется сложным взаимодействием и взаимообусловленностью параметров техники и технологии бурения Р и свойством разрушаемых пород W. Структура критерия принята в виде Для использования данного соотношения в качестве универсального критерия необходимо, чтобы образующие его параметры образовывали безразмерную комбинацию. С целью сравнительной оценки эффективности бурения пород в различных условиях и использования критерия как классификационного признака предусмотрена процедура его нормирования (О.Г. Латышев) путем приведения выражения к виду , где qi – нормирующий множитель, обеспечивающий приведение величины критерия к единому интервалу изменчивости для различных горно-геологических условий (нами принят ).

На основе анализа физики процессов бурения, имеющихся теоретических и эмпирических соотношений параметров бурения и свойств горных пород установлены наиболее значимые факторы, формирующие критерий . Применение аппарата теории размерностей позволило получить ряд безразмерных соотношений этих факторов. Окончательный выбор наиболее адекватного выражения критерия определился результатами опытно-промышленного бурения и выше приведенными исследованиями. Критерий эффективности бурения разгрузочных скважин:

(13)

где – объемная масса горной породы, Е – модуль упругости горной породы; kпл – коэффициент пластичности горной породы; n – частота ударов; Pу – осевое усилие подачи; Q – энергия удара; d – диаметр скважины; Pк – контактная прочность горной породы; fтр – коэффициент трения; сж, р и сдв – прочность горной породы при сжатии, растяжении и сдвиге.

Расчет величины критерия для различных горных пород и сопоставление его с результатами опытного бурения разгрузочных скважин позволили установить его связь со скоростью механического бурения:

(14)

где k – коэффициент условий бурения (для описанного выше опытно-промышленного эксперимента см/мин).

Другим способом предотвращения горных ударов является камуфлетное взрывание зарядов ВВ. Руководствуясь вышеизложенными соображениями, нами выполнен анализ физических закономерностей разрушения горных пород взрывом, получены безразмерные комбинации наиболее значимых параметров и обоснован критерий эффективности камуфлетного взрывания в виде:

(15)

где kн – коэффициент неоднородности пород; Mт – линейный модуль трещиноватости массива; Cр – скорость продольной волны в массиве; – КПД взрыва; ВВ – плотность ВВ; WВВ – потенциальная энергия ВВ; r – половина среднего расстояния между зарядами (радиус влияния заряда); L – глубина шпура или скважины; - коэффициент Пуассона; d – диаметр заряда (шпура или скважины); р и сдв – прочность горной породы при растяжении и сдвиге.

На основе анализа параметров камуфлетного взрывания в реальных условиях и расчета для этих же условий величины установлено, что удельный расход ВВ экспоненциально связан с критерием эффективности

(16)

где – коэффициент условий взрывания, учитывающий конструкцию заряда ВВ, наличие свободных поверхностей, ступени замедления и др.

На основе проведенных исследований и расчета указанных критериев получена прогнозная оценка эффективности использования ПАВ для профилактики горных ударов.

Применительно к борьбе с горными ударами ПАВ могут быть использованы для повышения производительности бурения разгрузочных скважин (шпуров) и уменьшения удароопасности горных пород. В первом случае (процессы бурения) раствор ПАВ подается непосредственно на забой скважины (шпура) и поэтому отсутствует необходимость в предварительном насыщении массива горных пород. Во втором случае эффективности использования ПАВ зависит от времени контакта активных растворов с породой. Соответственно максимальный эффект от использования ПАВ достигается при полном насыщении пород, что связано с остановкой работ в забое и повышением трудоемкости. Расчетами установлено, что только за счет бурения с промывкой раствором ПАВ при проходческом цикле буровзрывных работ горизонтальной выработки такая горная порода, как известняк, только за время бурения и заряжания успевает пропитаться раствором до 68 % от максимально возможного значения. Кроме того, время бурения одной разгрузочной скважины диаметром 105 мм составляет несколько часов. За этот срок известняки практически полностью насыщаются раствором ПАВ, а менее проницаемые эффузивные породы способны увеличить свою влажность не менее чем на 30 %. Если учесть, что общее время бурения всех скважин, входящих в технологическую схему разгрузки массива, велико, то массив горных пород пропитается ПАВ практически до максимально возможного значения.

В итоге применение растворов ПАВ приводит как к повышению производительности бурения, так и к сокращению объемов бурения разгрузочных скважин за счет увеличения радиуса их влияния. В частности, расчет для порфиритов показал, что радиус влияния скважин увеличивается на 15-20 %. Следовательно, в такой же пропорции сократится число разгрузочных скважин.

Расчеты показали, что ориентировочная стоимость бурения 1 м скважины диаметром 105 мм станком НКР-100М составляет 60 руб. При этом учитывались такие показатели, как: заработная плата, амортизационные отчисления, стоимость бурового станка, его ремонт и содержание, производительность бурения, затраты на энергию и т. д.

Для примера возьмем типичную схему разгрузки целиков между параллельными выработками. В соответствии со схемой для разгрузки массива на 1 м выработки необходимо пробурить 4 скважины диаметром 100 мм при длине скважин до 20 м. За счет использования растворов ПАВ в качестве промывочной жидкости объемы бурения сокращаются с 4 до 3 скважин. Это позволит ориентировочно сократить стоимость бурения на 1200 руб. для разгрузки 1 м выработки (все расчеты приведены для уровня цен 2008 г.).

Таким образом, прогнозирование эффективности использования поверхностно-активных веществ как средства борьбы с горными ударами базируется на системе критериев, которые представляют собой безразмерные комбинации параметров, в единой модели учитывающих взаимосвязь и взаимообусловленность изменяющихся свойств горных пород и технологических характеристик бурения разгрузочных скважин и камуфлетного взрывания.

Заключение

В диссертации дано новое решение научно-практической задачи совершенствования методов предотвращения горных ударов путем направленного изменения свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами, имеющей существенное значение для безопасной разработки месторождений полезных ископаемых.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Мероприятия по предотвращению горных ударов преимущественно осуществляются в двух направлениях – уменьшение потенциальной удароопасности горных пород и снижение напряжении в приконтурном массиве. Использование поверхностно-активных веществ позволяет повысить эффективность данных мероприятий и в том, и в другом направлениях.

2. Обработка горных пород специально подобранными растворами ПАВ приводит к значительному (до 50 %) снижению прочности изученных пород, уменьшению их предела и модуля упругости, появлению заметной пластической деформации. Полученные соотношения позволяют количественно оценить данные явления в зависимости от уровня действующих напряжений. В качестве меры потенциальной удароопасности горных пород предлагаются соответствующие критерии, учитывающие изменение указанных свойств горных пород под действием ПАВ.

3. Действие поверхностно-активной среды сопровождается возрастанием деформации ползучести горных пород от 2 до 7 раз. При этом четко выделяются две стадии ползучести, для которых определены параметры и уравнения Больцмана. Первая стадия обусловлена классическим механизмом межзеренного скольжения; вторая стадия ползучести проявляется только в условиях действия ПАВ и определяется саморазвивающимся процессом роста трещин в горных породах. Полученная система уравнений позволяет осуществить количественную оценку данного процесса и прогнозировать эффективность использования ПАВ как средства предотвращения горных ударов.

4. Кинетика насыщения горных пород растворами ПАВ реализуется в три стадии:

- Первая стадия соответствует фильтрации активных растворов по капиллярным трещинам, темп которой пропорционален корню квадратному времени насыщения. Коэффициент пропорциональности определяется величиной раскрытия капилляра, краевым углом смачивания и поверхностным натяжением жидкости на границе с горной породой. Добавка в жидкость молекул ПАВ увеличивает темп фильтрации в среднем в 1,3 раза.

- Вторая стадия определяется двумерной миграцией молекул по поверхности микротрещин и контактам минеральных зерен, а также вовлечением в процесс молекулами ПАВ сольватных слоев жидкости. Темп насыщения второй стадии пропорционален логарифму времени.

- Третья стадия насыщения присуща только растворам ПАВ и связана с саморазвитием трещин в активной среде. Темп насыщения линейно зависит от времени. Финишные участки кривых насыщения описываются уравнением гиперболы, параметры которого определены для основных изученных горных пород.

5. Частичное насыщение породного массива активным раствором возможно без предварительного нагнетания только за счет бурения шпуров и скважин с промывкой растворами ПАВ. Полученная на основе теоретических и экспериментальных исследований система прогнозных оценок позволяет рассчитывать зону влияния скважины (шпура) и долю проникновения активного раствора в породный массив.

6. Контроль процесса насыщения горных пород активными растворами осуществляется комплексным методом, включающим ультразвуковую дефектоскопию и высокочастотный диэлектрический метод оценки влажности. Установленные для конкретных горных пород параметры уравнений позволяют надежно контролировать насыщение массива растворами ПАВ.

7. Для прогнозирования эффективности использования ПАВ как средства профилактики горных ударов разработана система критериев, которые представляют собой безразмерные комбинации параметров, в единой модели учитывающих взаимосвязь и взаимообусловленность изменяющихся свойств горных пород, характеристик техники и технологии бурения разгрузочных скважин и камуфлетного взрывания. Адекватность и работоспособность критериев подтверждена результатами опытного бурения разгрузочных скважин станком НКР-100М в условиях шахт Североуральских бокситовых месторождений (СУБР).

8. Результаты исследований показывают, что насыщение горных пород растворами ПАВ переводит их в неудароопасное состояние, бурение разгрузочных скважин и щелей с использованием в качестве промывочной жидкости активных растворов повышает скорость механического бурения в среднем на 40 %, позволяет уменьшить объем бурения за счет увеличения радиуса влияния скважин на 10-20 %.

9. Разработанные Временное руководство по бурению разгрузочных скважин с промывкой растворами поверхностно-активных веществ и Методика контроля процесса насыщения горных пород растворами ПАВ» переданы для использования Институту горного дела УрО РАН, Уральскому филиалу ОАО ВНИМИ, ОАО «Севуралбокситруда». Результаты исследований используются в учебном процессе, в частности, при чтении лекций и выполнении курсового проекта по дисциплине «Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании».

Опубликованные работы по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Выбор поверхностно-активной среды для управления свойствами пород в горной технологии / О.Г. Латышев, А.С. Жилин, И.С. Осипов, В.В. Сынбулатов // Известия вузов. Горный журнал. – 2004. - № 6. – с. 117-121.

2. Сынбулатов В.В. Повышение эффективности предотвращения горных ударов // Известия вузов. Горный журнал. – 2005. – № 4. – С. 118-120.

3. Кинетика насыщения породного массива растворами поверхностно-активных веществ при бурении шпуров и скважин / О.Г. Латышев, В.В. Сынбулатов, И.С. Осипов // Известия вузов. Горный журнал. – 2008. – №3. – С. 123-129.

Статьи, опубликованные в других изданиях

1. Сынбулатов В.В. Методика исследования эффективности использования поверхностно-активных веществ для борьбы с горными ударами // Материалы Уральской горнопромышленной декады, 5-15 апреля 2004 г. – Екатеринбург: УГГУ, 2004. – С. 214-216.

2. Сынбулатов В.В. Направленное изменение деформационных характеристик горных пород поверхностно-активными веществами // Материалы Уральской горнопромышленной декады, 4-14 апреля 2005 г. – Екатеринбург: УГГУ, 2005. – С. 19-20.

3. Управление реологическими характеристиками скального массива как способ борьбы с горными ударами. О.Г. Латышев, О.О. Анохина, В.В. Сынбулатов // Известия Уральского государственного горного университета. Вып. 21. Серия: Горное дело. Екатеринбург 2005. – С. 69-72.

4. Сынбулатов В.В. Кинетика насыщения горных пород активными растворами // Материалы Уральской горнопромышленной декады, 3-13 апреля 2006 г. – Екатеринбург: УГГУ, 2006. – С. 19-20.

5. Сынбулатов В.В. Воздействие поверхностно-активных веществ на деформационные свойства скальных горных пород. Труды II Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений». – Екатеринбург, 2007. – С. 185-189.

6. Методика изучения фрактальных характеристик трещиноватости горных пород. О.Г. Латышев, В.В. Сынбулатов, И.С. Осипов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск: МГТУ, 2008. – С. 217-227.

7. Сынбулатов В.В. Опытное нагнетание активных растворов в породный массив // Материалы Уральской горнопромышленной декады, 14-23 апреля 2008 г. – Екатеринбург: УГГУ, 2008. – С. 103-104.

Подписано в печать Бумага писчая Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ

Формат 60х80 1/16. Печать на ризографе.

Отпечатано в лаборатории множительной техники УГГУ

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

Уральский государственный горный университет