Использование поверхностно-активных сред для направленного изменения свойств пород в процессах горного производства Латышев, Олег Георгиевич

Введение к работе

Актуальность работы. Увеличение глубины разработки, сопро
вождается усложнением горно-геологических условий,. увеличением
прочности пород, динамическими проявлениями горного давления -
горными ударами и выбросами. В таких условиях существенно снижа
ется эффективность и повышается трудоемкость процессов горного
производства. Одним из наиболее перспективных путей интенсифика
ции процессов строительства и эксплуатации шахт является направ
ленное изменение свойств и состояния разрабатываемого массива по
род.

Эффективным инструментом управления свойствами пород служит использование поверхностно-активных'сред (ПС), действие которых основано на - адсорбционном .понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). Возможность существенного изменения под действием ПС прочностных, упругих, реологических и горно-технических характеристик пород, сравнительно низкая стоимость ПС, минимум дополнительных затрат при их использовании и экологическая безопасность открывают широкие перспективы использования поверхностно-активных сред в . подземных-условиях.' Однако применение ПС в процессах строительства шахт и разработки месторождений до настоящего времени носит лишь эпизодический характер, а исследования, выполненные в данном направлении, зачастую посвящены одной, иногда достаточно узкой области применения ПС, тогда как объект воздействия - горный массив един для самых разных процессов горной технологии. Это дает возможность не только управлять параметрами отдельных процессов, но и повысить эффективность горной.технологии в целом как единой системы взаимосвязанных операций.' .

Все это определяет актуальность данных исследований, посвященных теоретическому обобщению и определению путей практического использования ПС в шахтных'условиях.

Работа выполнена на основании плана важнейших исследований, утвержденного Академией наук и ГКНТ СССР и по результатам хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ Уральской государственной горно-геологической.академии.

Целью работы является повышение эффективности и безопасности процессов шахтного строительства путем направленного изменения свойств горных пород с помощью поверхностно-активных сред.

Основная идея работы состоит в использовании основных закономерностей воздействия поверхностно-активных сред на свойства и состояние горных пород для оптимизации и повышения эффективности

всего комплекса взаимосвязанных процессов горной технологии. Задачи исследований:

1. Разработка методики и выбор эффективных поверхностно-активных сред в их оптимальной концентрации для конкретных типов горных пород.

2. Исследование и обоснование методов контроля процесса насыщения горных пород растворами ПС.

3. Установление закономерностей действия ПС на горные породы и обоснование методов контроля изменения их свойств и состояния под влиянием поверхностно-активных сред.

4. Обоснование и анализ системы количественных оценок влияния ПС на параметры процессов горной технологии.

5. Разработка методов оптимизации горной технологии как единой системы взаимосвязанных процессов, зависящих от действия ПС,

Методи и объекты исследования. В качестве основного методического принципа принят комплексный подход, заключающийся в рассмотрении строения, свойств, состояния горных пород и действующей на них поверхностно-активной среды как единой взаимосвязанной системы. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории физики горных пород кафедры шахтного строительства УГГГА, на кафедре коллоидной химии Московского государственного университета, стендах института НИПИГормаш и заключались в изучении строения горных пород по шлифам и люминесцентным методом, их физико-механических свойств по современным стандартным методикам, в моделировании процессов,бурения, резания и взрывания. Промышленные испытания выполнены на шахтах треста "Бокситстрой", ПО "Севуралбок-ситруда", ШПУ N10 треста "Горловскуглестрой". Для обработки и анализа результатов исследований использовались методы статистической проверки гипотез, дисперсионного и корреляционного анализов, а также методы анализа временных рядов.

Объекты исследований - горные породы Североуральских бокси
товых, Уэельгинского медноколчеданного месторождений, Горловского
региона Донбасса при воздействии на них различных поверхност
но-активных сред. '

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Зависимость контактной прочности от времени воздействия ПС на поверхность горной породы имеет циклически затухающий характер, где минимум первой полуволны соответствует максимальному эффекту действия ПС и в этом качестве служит критерием выбора оптимальной для данной породы поверхностно-активной среды.

- з -'2. Параллельное измерение скорости упругой волны и относительной диэлектрической проницаемости пород является основой контроля процесса насыщения горного массива растворами ПС, позво- ляющего выделить ту составляющую изменчивости скорости волны,- которая обусловлена только увеличением дефектности (трещиноватости) пород в поверхностно-активных средах.

3. Концентрация _трещин, образующихся при нагружении скальных пород в присутствии ПС, имеет логарифмически-линейное распределение по их длине, оценка параметров которого-по скорости упругой волны с учетом размеров минеральных зерен позволяет прогнозировать изменение свойств и состояния горных пород на основе установленной системы взаимосвязей механических характеристик пород, чувствительных к действию ПС. ' "

4. Повышение эффективности горно-проходческих процессов за счет использования поверхностно-активных сред можно априорно прогнозировать с помощью установленной системы оценок, достоверность и надежность которых подтверждена результатами моделирования и опытно-промышленных испытаний в шахтных условиях.

5. Взаимосвязь и взаимообусловленность горных процессов определяют кумулятивный эффект,действия-ПС, заключающийся в том, что суммарная эффективность использования поверхностно-активных сред в горной технологии превышает сумму повышения эффективности отдельных процессов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается: использованием фундаментальных теоретических положений физики горных пород, теории упругости, физической и коллоидной химии; достаточным (с точки зрения- заданой- надежности - 95%) объемом и представительностью статистических выборок, использованных для установления основных закономерностей воздействия ПС на свойства' горных пород и параметры процессов горной технологии; удовлетворительной сопоставимостью, подтвержденной методами статистической проверки гипотез, лабораторных и промышленных исследований; достаточно надежным соответствием результатов расчетных методов фактическим данным - расхождение не превышает доверительного интервала экспериментальных определений при уровне значимости 0.05; положительными результатами практического, использования ПС в процессах горного - производства.

Научная новизна:

1. Разработана методика выбора эффективных поверхностно-активных сред в их оптимальной концентрации, основанная на анализе

- 4 -временных рядов изменчивости контактной прочности горных'пород.

2. Установлены уравнения кинетики насыщения горных пород растворами ПС, параметры которых определяются степенью активности данного раствора, пористостью пород, удельной поверхностью минеральных зерен и характером цементирующего материала¹; разработана методика контроля процесса насыщения, позволяющая выделять и количественно оценивать эффекты замещения газа в порах раствором ПС и развития трещиноватости горных пород.

3. На основе изученных закономерностей распределения трещин в нагруженных в присутствии ПС горных породах заложена теоретическая основа методов контроля свойств и состояния массива при использовании поверхностно-активных сред в процессах горного производства.

4. Определена система оценок эффективности использования поверхностно-активных сред в процессах бурения, комбайнового резания, взрывного разрушения горных пород и борьбы с горными ударами, учитывающая физическую сущность данных процессов и основанная на изученных закономерностях влияния ПС на свойства пород, определяющие параметры этих процессов.

5. Предложены математическая модель и программа оптимизации параметров горной технологии, базирующиеся на анализе взаимосвязи и взаимообусловленности процессов подземной разработки месторождений полезных ископаемых;

Личный вклад автора заключается: в постановке цели, определении задач исследования и разработке методов их решения; организации, методическом руководстве и-личном участии в лабораторных и промышленных (шахтных) испытаниях; выполнении всех аналитических исследований; обобщении и теоретическом анализе экспериментов по определению трещиноватости горных пород,, нагруженных в присутствии ПС (МГУ), и усилий резания бокситов (НИПИГормаш); разработке методик выбора эффективных ПС, контроля процесса насыщения горных пород и контроля свойств и состояния горного массива; разработке математической модели, алгоритма и оптимизации параметров горных процессов при использовании поверхностно-активных сред.

Научное значение работы состоит в разработке комплексного подхода к использованию поверхностно-активных сред, включающего выбор эффективных ПС, контроль процесса насыщения горных пород растворами, контроль свойств и состояния массива в ходе насыщения, ' количественную оценку эффективности использования ПС как. в отдельных процессах, так и всей горной технологии в целом. Научные результаты исследований могут быть полезны для уточнения ме-

- 5 -ханизма действия эффекта Ребиндера в таких неоднородных и многокомпонентных твердых телах, как горные породы.

Практическое значение работы состоит в методическом обеспечении использования ПС в горных процессах, предлагаемых способах и средствах воздействия растворами ПС на массив горных пород, позволяющих заметно увеличить скорость бурения и. резания пород, снизить затупление и расход бурового инструмента и резцов, улучшить пылеподавление, сократить удельный расход ВВ при взрывных работах, снизить трудоемкость мероприятий по борьбе с горными ударами.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Разработанное на основе данных исследований "Временное руководство по-организации процесса бурения с промывкой растворами ПС" принято к использованию в шахтостроительном тресте "Бокситстрой", ПО СУБР, ШПУ N10 треста "Горловскуглестрой"; применение предложенного способа бурения шпуров и скважин позволило на (16-52)% повысить скорость чистого бурения, на (20-40)% снизить-износ и затупление бурового инструмента, что в 1.5-3.0 раза увеличивает время работы коронок до их замены, уменьшение в 1.8-3.7 раза запыленность рудничной атмосфери.

"Методика оптимизации процессов проходки горных выработок с использованием ПС" утверждена и принята к внедрению в тресте "Бокситстрой" и ПО СУБР; в соответствии с расчетом использование новой оптимальной технологии при проходке вскрывающего квершлага гор.-860 м шахты "Ново-Кальинская" обеспечивает увеличение производительности труда с 3.4 до 4.45 м/чел-смен, увеличение скорости проходки на 43 м/мес, сокращение забойных затрат в 1.23 раза и общей стоимости 1 м квершлага на 11.3%.

Использование поверхностно-активных сред для борьбы с горными ударами на шахтах СУБРа в зависимости от категории удароопас-ности и принятой технологии позволяет (в соответствии с расчетом по- нормативам и ценам 1984 года) снизить затраты на противоударные мероприятия от 48 до 92 руб на 1 м выработки. "Методические указания по контролю свойств и состояния горного массива при его насыщении поверхностно-активными средами" утверждены главными инженерши треста "Бокситстрой", ПО СУБР и ШПУ N10 треста "Горловскуглестрой".

Элементы-теоретических и методических разработок диссертации внедрены в учебный процесс Уральской государственной горно-геологической академии при чтении курсов "Физика горных пород", "Исследование процессов подземного строительства" и при выполнении

_ ₆ - . студентами курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научной конференции вузов СССР "Физика горных пород и процессов" (Москва, 1974), на территориальном семинаре "Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования при проектировании проходки глубоких шахтных стволов" (Североуральск, 1974), на Всесоюзных научных конференциях вузов СССР "Комплексныеисследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва, 1977, 1984, 1987), на конференции "Изучение инженерно-геологических условий месторождений Урала различных генетических типов" (Свердловск, 1983), на Всесоюзном научно-техническом "семинаре "Проблемы горного давления на больших глубинах при ведении подземных и открытых работ" (Кривой Рог, 1990), на Российском совещании "Гидрогеология, инженерная геология и геоэкология месторождений полезных ископаемых" (Екатеринбург, 1994), на Российской конференции "Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов" (Москва, 1995), на научно-технических советах треста "Бокситстрой" (1989, 1990, 1991, 1992), ПО СУБР (1992, 1993), треста "Горловскуглестрой" (1992, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе .учебное пособие. Результаты исследований изложены в 10 научных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 331- странице машинописного текста, включая 74 рисунка, 24 таблицы, список литературы из 171 наименования и приложений.

Работа выполнена на кафедре шахтного строительства Уральской государственной горно-геологической академии по результатам 9 хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, в которых автор участвовал в качестве научного руководителя.