Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов прогнозирования и борьбы с горными ударами 7
1.1. Механизм горных ударов и их проявления на рудниках Урала ..7
1.2. Критерии прочности и разрушения горных пород 10
1.3. Методы прогнозирования и предотвращения горных ударов 15
1.4. Направленное изменение свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами 21
1.5. Методы изучения трещиноватости горных пород ..24
1.6. Увлажнение массива горных пород 27
1.7. Цель и задачи исследований 33
2. Исследование воздействия поверхностно-активных веществ на свойства и состояние горных пород 35
2.1. Объекты и методы исследований 35
2.2. Выбор эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации 43
2.3. Прочностные свойства горных пород 45
2.4. Деформационные характеристики горных пород 48
2.5. Реологические характеристики горных пород 58
2.6. Трещинная структура горных пород 68
2.7. Фрактальные свойства горных пород 77
2.8. Прогнозирование влияния поверхностно-активных веществ на состояние горных пород 82
Выводы 87
3. Исследование процесса насыщения горных пород активными растворами 89
3.1. Фильтрация растворов в породный массив „89
3.2. Опытное нагнетание активных растворов в породный массив 90
3.3. Кинетика насыщения горных пород активными растворами 93
3.4. Насыщение породного массива при бурении шпуров и скважин
с промывкой растворами ПАВ 107
3.5. Контроль процесса насыщения горных пород активными растворами 117
Выводы 129
4. Прогнозирование эффективности использования поверхностно-активных веществ для борьбы с горными ударами 131
4.1. Общие принципы прогнозирования 131
4.2. Оценка потенциальной удароопасности породного массива 134
4.3. Критерии эффективности бурения разгрузочных щелей и скважин 138
4.4. Опытно-промышленное бурение скважин 145
4.5. Критерий эффективности камуфлетного взрывания 148
4.6. Применение поверхностно-активных веществ 159
Заключение 166
Список использованных источников 169
- Критерии прочности и разрушения горных пород
- Выбор эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации
- Опытное нагнетание активных растворов в породный массив
- Оценка потенциальной удароопасности породного массива
Введение к работе
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 склонными и 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:
Отработка способов и изучение трещиноватости горных пород с фрактальных позиций.
Выбор эффективных растворов ПАВ и определение их влияния на деформационные и реологические характеристики скальных пород.
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:
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.
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 базируется на системе аналитических критериев, которые представляют собой безразмерные комбинации пара-
5 метров, 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 естественной вариации параметров данных процессов); 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 тех
нологического 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 экспериментальных исследованиях; в отработке методики люминесцентного микро-
скопического 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.); конференциях молодых ученых УГГУ, проводимых в рамках Уральской горнопромышленной декады в 2004-2008 гг.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах, включая одну монографию. Из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией.
Критерии прочности и разрушения горных пород
Как показал анализ уравнений энергетического баланса (1.1-1.6) возможность горного удара зависит от напряженного состояния массива и свойств горных пород. Поэтому необходимо более детально рассмотреть параметры, определяющие возможность возникновения удароопасной ситуации.
В настоящее время нет единой и всеобъемлющей теории прочности. Это обусловлено как многообразием горных пород, так и неопределенностью самого понятия «разрушение». Поэтому на практике используют частные (технические) критерии прочности, дающие приемлемые результаты при решении конкретных задач в данных условиях. К наиболее распространенным критериям прочности относятся следующие [55]: критерий наибольших нормальных напряжений (критерий Галилея); критерий наибольших деформаций (критерий Мариотта); критерий наибольших касательных напряжений (критерий Кулона); энергетический критерий; критерий Мора.
Теория Мора получила широкое распространение в инженерной практике. Основное ее положение Мора состоит в том, что разрушение тела обусловлено совместным действием касательных и нормальных напряжений. Рассмотренные выше критерии прочности повсеместно используется в горной практике, но никак не рассматривают физику процесса разрушения. Это ограничивает возможность прогнозирования и управления процессами. Теория, предложенная А. Гриффитсом, рассматривает именно физику процесса разрушения [55, 102]. Он предположил, что в твердом теле всегда присутствуют трещины, значительно снижающие его сопротивление нагрузкам. Сформулированный им критерий разрушения на основе соотношения скорости освобождения упругой энергии по мере роста трещины (трещинодвижущей силы) и сопротивления росту трещины имеет следующий вид где L - полудлина трещины; Е — модуль упругости; es - удельная поверхностная энергия тела. Уравнение (1.7.) описывает взаимосвязь между напряжением и критической длиной трещины, которая способна расти при данном напряжении. Несмотря на то, что напряжения концентрируются на каждой из множества трещин в реальном теле, разрушение начинается с роста единственной «критической» трещины. Из уравнения (1.7) длина критической трещины составит 24,= (1.8) 7Г-СГ Из этой формулы следует, что для поддержания роста трещины напряжения в теле можно снижать. Фактически это означает, что внешняя нагрузка уже не нужна. Для завершения процесса разрушения достаточно уже той упругой энергии, которая была запасена в теле к моменту достижения трещиной критической длины. Таким образом, теория Гриффитса объясняет катастрофический характер хрупкого разрушения, огромные ускорения при развитии трещины, невозможность остановить процесс роста трещины, если он уже прошел критическую точку. Данный механизм разрушения характерен для динамических проявлений горного давления (горных ударов).
Разрушающее напряжение (прочность при растяжении) в соответствии с критерием Гриффитса определится по формуле [2 Є (19) Согласно теории Гриффитса начавшийся рост «магистральной трещины» не остановим. Это справедливо для идеально однородных тел. В реальных же горных породах за счет локальных перенапряжений или поглощений других (докри-тических) трещин процесс роста «магистральной» трещины может протекать с затуханием. Рост трещины может прекратиться и при выходе ее на достаточно большие поры и пустоты из-за резкого снижения напряжений в устье трещины при увеличении радиуса ее кривизны.
Теория трещин Гриффитса точно описывает процесс разрушения хрупких аморфных тел типа стекла, но дает явно заниженные значения прочности для кристаллических тел, например, горных пород. Вместе с тем качественная картина роста трещины полностью соответствует представлениям теории Гриффитса. Первым нашел причину несоответствия теоретической и опытной прочности для кристаллических тел венгерский физик Орован. Она показал, что упругая энергия, которая высвобождается при росте трещин, расходуется не только на образование новых поверхностей, но также на пластические деформации поверхностного слоя трещины, обусловленные движением дислокаций [55].
Механизм пластической деформации состоит в следующем [48]. Внутри кристаллических зерен, которые слагают горную породу, существуют плоскости скольжения, где расстояние между соседними атомными плоскостями значительно больше, чем между атомами в других частях кристаллической решетки. Это определяет меньшую силу связи между атомами в таком ослабленном сечении. В общем случае плоскости скольжения составляют некоторый угол по отношению линии действия нагрузки на кристалл. Тогда в этих сечениях возникают касательные напряжения т, которые обеспечивают необратимый сдвиг частей кристалла. Рассмотренный механизм часто называют «внутризеренным скольжением».
Для горных пород преобладающим механизмом является «межзеренное скольжение», которое можно представить следующим образом. За счет разницы в упругих свойствах минеральных зерен, составляющих горную породу, при одной и той же нагрузке им свойственна неодинаковая деформация. Но поскольку в горной породе разные зерна деформируются совместно, то на контактах зерен возникают дополнительные напряжения. Если эти напряжения превысят прочность контакта, произойдет его разрушение и проскальзывание зерен. Такие необратимые изменения уже связаны с местным разрушением материала, т.е. с частичной потерей сплошности тела, и поэтому называются квазипластичными.
Теория Гриффитса констатирует наличие трещин в твердом теле, никак не объясняя их возникновения. Кроме того, теория не объясняет зависимости разрушающего напряжения от времени нагружения и вообще не учитывает фактор времени. Практика же показывает высокую значимость этого фактора [82, 91]. Основываясь на исследовании долговечности тел, Н. С. Журковым [67, 81] предложена кинетическая концепция прочности. Аналитически эта зависимость долговечности тел от действующего напряжения выражается формулой (1.10) 13 Мої д= о-ЄХР _ кТ где к— постоянная Больцмана; Т— абсолютная температура; ta tQ— Ю"13 с, - средний период собственных колебаний атомов. Функция 17(a) = UQ - ya выражает энергию активации процесса разрушения, т. е. энергию, необходимую для выхода атома из узла кристаллической решетки (потенциальный барьер). Данное выражение показывает, что с увеличением напряжений энергия активации и, следовательно, долговечность тела уменьшаются. Член ус выражает ту работу, которую в разрушении тела выполняет внешняя сила. Таким образом, приложение к горной породе внешней нагрузки вызывает напряжение межатомных связей. При этом за счет неоднородности строения реальных пород внешняя нагрузка распределяется неравномерно по связям - возникают локальные перенапряжения. В этих местах энергия активации распада межатомных связей понижается особенно сильно. Именно в этих местах наиболее интенсивно идут процессы термофлуктуационного разрыва напряженных связей. Здесь формируются очаги разрушения в виде накопления и объединения дефектов, в первую очередь дислокаций.
Выбор эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации
Методика выбора эффективной поверхностно-активной среды для управления свойствами с состоянием пород в горной технологии подробно отражена в работе [39]. Характер физико-механических процессов, протекающих в месте контакта поверхностно-активной среды с горной породой и, собственно, вызывающий эффект Ребиндера, определяет избирательность действия ПАВ [89]. Как показывает опыт, неверно подобранные активные растворы могут не только не способствовать повышению эффективности горных процессов, но и оказывать противоположное действие. В этой связи при проектировании горной технологии с использование поверхностно-активной среды первоочередной задачей является выбор оптимального состава и концентрации растворов ПАВ. Однако, не смотря на многолетний (с 30-х годов) опыт использования ПАВ в различных областях народного хозяйства, надежного теоретического инструмента выбора ПАВ для реального технологического процесса не создано. Повсеместно используется эмпирический подход. В настоящее время разными исследователями используются различные критерии эффективности ПАВ, главным недостатком которых является трудоемкость определений.
Объективно самым надежным способом выбора поверхностно-активной среды является ее опробование в реальном технологическом процессе. Однако высокая трудоемкость промышленных испытаний, огромное число известных ПАВ и необходимость выбора для них строго фиксированной концентрации делают такой путь практически нереализуемым. В этих условиях наиболее рациональным представляется следующий подход. Учитывая, что эффективность любых процессов разработки горных пород определяется комплексом их свойств, необходимо выбрать один, наиболее просто и быстро измеряемый и, в то же время, достаточно информативный показатель, который использовать затем для предварительного (экспрессного) выбора оптимальных ПАВ. Это позволит резко сократить круг исследуемых растворов. В последующем, сокращенное до разумного минимума число растворов ПАВ, исследовать на их эффективность в реальном процессе. В соответствии с механизмом эффекта Ребиндера действие ПАВ обусловлено поверхностными явлениями. Поэтому представляется целесообразным в качестве критерия эффективности раствора ПАВ принять степень изменения свойств именно поверхности горной породы. Наиболее надежным и простым способом оценки такого изменения является определение контактной прочности пород.
За счет адсорбции молекул ПАВ на внешней поверхности горной породы и на внутренней поверхности микротрещин, возникающих в процессе деформирования образца под штампом, происходит резкая потеря прочности поверхностного слоя, известная как «адсорбционное понижение твердости» [89]. Этот процесс начинается сразу вслед за соприкосновением горной породы с поверхностно-активной средой, и снижение контактной прочности достигает наибольшей величины (20-70 %) в течение первых 3-10 минут. Затем величина Рк начинает возрастать и в дальнейшем вновь, но уже с меньшей амплитудой, процесс повторяется. На рис. 2.1. представлен типичный график изменения контактной прочности на примере аркозового песчаника Донбасса при воздействии на него додецилсульфата натрия (ДС). Такой циклически затухающий характер изменения контактной прочности во времени действия ПАВ определяется кинетикой насыщения породы раствором и связанным с этим изменением механизма разрушения тела под штампом.
Указанные выше закономерности проявляются практически для всех изученных скальных пород и растворов ПАВ. Установленные зависимости Рк =J(t) представляют собой случайные реализации временного ряда контактной прочности горных пород. Обпгую изменчивость контактной прочности пород можно представить как Рк = Р (/) + є, где Р if) - закономерная и є - случайная составляющие временного ряда. Для такого рода данных наиболее эффективным инструментом исследований является аппарат тренд-анализа. Его реализация осуществлена в компьютерной программе, которая решает задачи проверки наличия закономерности в изменении Рк под действием ПАВ и определения уравнения тренда с оценкой его закономерной и случайной составляющих.
В качестве критерия выбора эффективного раствора ПАВ и его оптимальной концентрации принимается совокупность трех характеристик временных рядов контактной прочности: вероятность наличия тренда или процент его закономерной составляющей; максимальное снижение контактной прочности, определяемое сглаживающей функцией; темп снижения Рк со временем действия раствора. Эти характеристики автоматически вычисляются в компьютерной программе обработки данных.
Предлагаемая методика позволяет быстро и достаточно надежно выбирать оптимальную для данной горной породы поверхностно-активную среду. Однако критерий выбора - контактная прочность характеризует лишь одну из сторон поведения горной породы при ее разработке, а именно бурение, поскольку моделирует внедрение в породу инструмента. Поэтому контактную прочность предлагается использовать на первом этапе как экспрессный критерий. Для борьбы с горными ударами необходимо оценивать ПАВ по другим критериям, т.е. необходим второй этап выбора ПАВ (уточняющий первый метод) чему и посвящена данная работа.
Опытное нагнетание активных растворов в породный массив
Приведенный выше анализ закономерностей фильтрации растворов в породный массив показывает, что для монолитных удароопасных пород создание больших давлений нагнетания не приводит к заметному повышению эффективности процесса. Имеющийся на СУБРе опыт нагнетания (см. раздел 1.6) подтверждает этот вывод.
Таким образом, применительно к решаемым задачам нет необходимости в создании повышенных давлений нагнетания. Это значительно упрощает технологическую схему и снижает затраты на процесс. Кроме того, имеющиеся исследования [70] свидетельствуют, что низконапорное нагнетание обеспечивает наиболее равномерное увлажнение массива при максимальном значении дебита. Эффективность процесса существенно возрастает при многократном нагнетании. Действительно, за период между предыдущим и последующим циклами нагнетания активный раствор взаимодействует с горной породой и за счет сил горного давления способствует развитию трещиноватости массива. Поэтому при повторном насыщении раствор имеет возможность фильтроваться уже по вновь образованным каналам. При низконапорном нагнетании целесообразно использовать систему общешахтных трубопроводов воды и сжатого воздуха. Для поддержания заданной концентрации растворов ПАВ разработана и изготовлена дозирующе-подающая установка (ДПУ) на базе серийно изготовляемого дозатора-смачивателя ДСУ 4М. Эта установка позволяет осуществлять контроль состава и расхода растворов, создавать и автоматически поддерживать заданный напор независимо от колебаний давления и сжатого воздуха и воды в шахтных магистралях. Учитывая необходимость строгого поддержания необходимой концентрации раствора, нагнетание следует осуществлять по зажимной схеме, не предусматривающей возвращение избыточной части жидкости в расходную емкость.
Для опробования нагнетательного оборудования, отработки параметров насыщения породного массива на гор. -800 м шахты №12-12бис СУБРа кафедрой шахтного строительства проведено две серии опытного нагнетания растворов ПАВ [77]. Работы производились в забоях штрека, пройденного по пироксен-плагиоклазовым порфиритам. Используемое поверхностно-активное вещество — раствор А1С13 в концентрации 0,001 %.
Первая серия испытаний выполнена по схеме, представленной на рис. 3.1. Нагнетательные скважины бурились в два этапа — на глубину 500 мм диаметром 56 мм для установки кондуктора; рабочая часть до глубины 3,5 м диаметром 42 мм. Контрольные шпуры диаметром 42 мм бурились на глубину 1,7 м. В скважины устанавливались кондукторы (пакеры), для герметизации устья скважин закрепленные цементно-песчаным раствором. Время твердения раствора — 24 часа.
Испытания проводились в два этапа. На первом этапе в скважину №1 подавался раствор ПАВ под давлением 0,5 МПа. За время нагнетания 11 минут расход раствора составил 55 литров. На втором этапе через скважины №2 осуществлялось циклическое нагнетание раствора под давлением ОД; 0,2 и 0,3 МПа. Продолжительность каждого цикла нагнетания 10 минут с перерывами в 20-30 минут. Площадь рабочей части скважин F = 0,4 м". Расход раствора ПАВ в первом цикле 10 литров, во втором - 21 литр. В третьем цикле нагнетания через 4 минуты поя вилась течь из первого контрольного шпура, а через 2 минуты — из второго. Результаты опытов представлены в таблице 3.1. Средний коэффициент фильтрации, рассчитанный по формуле (1.20), составил 0,183 м/сут.
Полученные данные свидетельствуют об устойчивости результатов нагнетания при различных параметрах процесса. При повторных циклах темп насыщения несколько возрастает, что свидетельствует о повышении эффективности последующих стадий нагнетания. Это соответствует данным других исследований, отмеченным в первой главе.
Таким образом, результаты опытно-промышленных испытаний свидетельствуют о возможности достаточно успешного нагнетания растворов ПАВ в породный массив из забоя горной выработки. При этом, наибольший эффект дает серия последовательных циклов нагнетания.
Насыщение массива горных пород растворами ПАВ помимо непосредственно линейной фильтрации, т. е. ламинарного течения жидкости по открытым каналам, определяется и рядом других процессов. Несомненно, при увлажнении горных пород заметный вклад вносят явления смачивания, капиллярного поднятия, адсорбции молекул на поверхности трещин и др.
В общем случае степень проникновения активных растворов в горные породы определяется особенностями их строения и минерального состава, типом ПАВ и ха 94 рактером их взаимодействия с поверхностью трещин, пор и межзеренных контактов. Для изучения закономерностей данного процесса выполнена серия экспериментов по кинетике насыщения горных пород Североуральских бокситовых месторождений (СУБР) активными растворами. К исследованию приняты основные литотипы вмещающих пород СУБРа - органогенные известняки и эффузивные горные породы пироксен-плагиоклазового состава. В качестве активных растворов использовалась дистиллированная вода, органические ПАВ - додецилсульфат натрия (ДС) и растворы электролитов в оптимальных для данных пород концентрациях.
Ранее выполненными исследованиями [44] установлено, что в пределах по-грешности измерений скорость насыщения пород (объемом от 1 до 65 см ) не зависит от формы и размеров образца, а также от характера и степени его контакта с раствором, как при одностороннем, так и при объемном смачивании. Поэтому при проведении опытов данные факторы не учитывались. Определение влажности горных пород производилось стандартным весовым методом на аналитических весах АДВ-200 с точностью 0,001 г. Коэффициент вариации измерений, обусловленный петрографическими различиями проб не превышал 5 %.
Анализ результатов позволил установить следующие общие закономерности. Насыщение всех изученных горных пород растворами различных ПАВ имеет одинаковый характер (рис. 3.3, 3.4) — быстрый рост влажности в начале процесса с последующим замедлением темпа насыщения пород растворами. Различны лишь масштабы графиков. Для плотного однородного известняка с начальной (естественной) влажностью We = 0,02 % максимальное поглощение растворов не превышает 0,12 % (рис. 3.4). Для более пористого порфирита с We= 0,98 % предел насыщения составляет 1,5 % (рис. 3.3).
Оценка потенциальной удароопасности породного массива
Анализ уравнений энергетического баланса (раздел 1.1) показывает, что возможность горного удара зависит от свойств горных пород и напряженного состояния массива.
Потенциально удароопасными считаются горные породы [72], при нагру-жении которых до 80 % от их прочности доля упругих деформаций превышает 70 % от общих (sy є0бщ) или работа упругого деформирования составляет более половины общей работы по разрушению горной породы.
Согласно данным, приведенным в таблице 2.4 установлено следующее. Исходная порода (в состоянии естественной влажности) деформируется вплоть до разрушения без заметных (в пределах погрешности эксперимента) пластических деформаций. Действие ПАВ сопровождается снижением в 1,8-2,3 раза предела упругости и на 25-43 % модуля упругости. Наблюдается общий рост деформаций при уменьшении их упругой составляющей, т. е. происходит значительное пластифицирование горных пород, когда более половины общей энергоемкости разрушения приходится на необратимые (пластические) изменения в породе. Следовательно, введение в горные породы растворов ПАВ увеличивает интенсивность их пластифицирования до 35 %.
Другим условием потенциальной удароопасности пород является превышение работы упругих деформаций над работой пластических Ау Апл = Аобщ — Ау. Работа упругих деформаций Ау = зу2/2Е, общих - А0бщ = &пл(0,8асж)2/2.Е, где кпп — коэффициент пластичности горных пород. Отсюда условие удароопасности [51]
Данные выражения получены при определенных допущениях, однако, учитывая единство подхода, они могут вполне корректно использоваться как относительные прогнозные оценки устойчивости и удароопасности горных пород.
Выше приведенные результаты исследований влияния ПАВ на трещинова-тость и свойства горных пород, а также расчет по данным соотношениям показывают, что насыщение пород растворами поверхностно-активных веществ выводят их из состояния потенциальной удароопасности.
Как известно, горный массив находится в условиях объемного сжатия, этому напряженному состоянию соответствует определенный уровень трещиноватости и массив находится в равновесном состоянии. При насыщении массива растворами ПАВ уменьшается поверхностная энергия пород и возникает дополнительное давление в устье трещины. Это приводит к нарушению равновесия, происходит интенсивный рост трещин до тех пор, пока вновь не будет достигнуто равновесное состояние массива. Рост концентрации трещин под действием ПАВ с одной стороны и увеличение их размеров с другой, закономерно сопровождается снижением прочности пород. Однако это не влечет за собой катастрофического разрушения и выброса горных пород, поскольку действие жидкости приводит к активизации процесса меж-зеренного скольжения и росту пластических деформаций. В результате всего этого массив вынужден совершать дополнительную работу, связанную с образованием трещин, их смыканием и необратимыми (пластическими) деформациями ослабленных участков. В этой связи уменьшается накопленная в массиве упругая энергия, и соответственно снижается напряжение в приконтурном массиве.
Расчеты по уравнению (4.9), выполненные для эффузивных пород Североуральских бокситовых месторождений, при давлении 25 МПа, что соответствует условиям разработки на глубине 800-1000 м, показывают, что насыщение актив-ными растворами ПАВ увеличивает работу их деформирования с 55 до 76 кДж/м , 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 [53]. Однако приведенные расчеты основаны на принятых допущениях — справедливы при строго фиксированной деформации, т.е. жесткой крепи. В реальных условиях массива релаксация напряжений должна определяется экспериментально.
Максимальная эффективность ПАВ может быть достигнута при полном предварительном насыщении массива активным раствором. Этот процесс можно реализовать и контролировать (см. разделы 3.1.-3.5), однако это связано с остановкой работ в забое и повышением трудоемкости. Предварительные исследования показывают, что только за счет бурения разгрузочных скважин с промывкой растворами ПАВ может быть получен положительный эффект. Расчеты показали (см. раздел 3.4), что такая горная порода как известняк только за время бурения и заряжание успевает пропитаться раствором ПАВ до 68% от максимально возможного значения. Соответственно в такой же пропорции изменятся и свойства горной пород.
Бурение разгрузочных щелей и скважин производится, преимущественно, станками вращательно-ударного бурения типа НКР-100. В соответствии со структурой уравнения (4.1) для формирования критерия прогноза требуется установить влияние на характеристики процесса свойств разрушаемых пород и параметров его технологии и применяемой техники.
Как теория, так и практика показывают, что производительность (скорость) бурения обратно пропорциональна прочности пород РбУР 1/[ст] п. Для различных способов и условий бурения показатель степени п изменяется от 0,5 до 2. В качестве прочностной характеристики [а] в расчетных формулах используют коэффициент крепости прочность при растяжении ар, сжатии асж, сдвиге тсдв или их сочетание. Кроме того, на удаление разрушенной породы (шлама) нужны дополнительные затраты энергии, что требует учета объемного веса горных пород у.
Все горные породы по величине Пб подразделяются на 5 классов и 25 категорий. Породы с По 25 относят к внекатегорным. Однако все многообразие реальных процессов бурения, столь различных по своей физической природе, вряд ли возможно описать единым показателем. На это указывал и сам В. В. Ржевский [82], предлагая данный показатель лишь как относительную меру трудоемкости бурения. Считается, что скорость бурения обратно пропорциональна величине показателя 1. Однако применительно к современным станкам ударного бурения это справедливо для горных пород средней крепости и выше. В слабых трещиноватых породах энергия удара расходуется на переизмельчение породы и эффек 139 тивность процесса бурения резко падает. Напротив, при вращательном бурении показатель Пб может быть адекватной оценкой процесса лишь для пород невысокой крепости. В прочных породах объемное разрушение практически прекращается, и лезвия сверла работают в режиме истирания, мало зависящем от прочности горных пород. Таким образом, данный показатель нельзя использовать для расчета параметров конкретных способов бурения, но он весьма полезен для относительной оценки различных пород по сопротивляемости разрушению.
Большое влияние на энергоемкость и, следовательно, на производительность процессов бурения оказывает характер деформирования горных пород при разрушении. Снижение модуля упругости Е приводит к росту работы разрушения при той же прочности пород. Кроме того, часто снижение Е сопровождается появлением пластической деформации пород, что еще больше увеличивает энергоемкость их разрушения. Проигрыш в энергоемкости за счет пластифицирования горных пород можно оценить коэффициентом пластичности кт. В общем случае Рбур Е/кпп. Однако следует отметить, что не всегда повышение энергоемкости бурения ведет к снижению производительности процесса. Например, при вращательном бурении все более пластичных пород циклический режим хрупкого скола может переходить в процесс плавного снимания стружки, что сопровождается повышением эффективности процесса.
