Разработка методов физико-химического разупрочнения горного массива для повышения эффективности открытых работ Воронков, Георгий Яковлевич

Введение к работе

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

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

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

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

Задачи исследований заключаются в следующем:

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

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

3. Исследовать основные закономерности поведения кндкости t пористей структуре горного массива - проницаемость, смачивание, впитывание и установить влияние нассопереноса жидкости в поровог» пространстве порода и полноты заполнения порового пространства средой на изменение прочностных и деформационных характеристик породы.

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

5. Выявить параметры воздействия на горный массив и установить взаимосвязь степени разупрочнения, кинетики взаимодействия зкидкости с поверхностью породы, а также структурных характеристик горного

_. 4-

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

Научные положения, выносимые на зашиту.

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

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

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

жешш растворов с 72 ю 35 эрг/см^г к уменьшении угла смачивания с 48 до 0 град незаполненный поровыЯ объем уменьшается более чем в 3 раза).

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

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

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

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

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

Обоснованность и достоверность, научных положений, выводив и

рекомендации обеспечиваются методической правильностью примеиенин апробированных методов исследования; оценкой изучаемых явлений нес колькими независимыми методами: методическими предпосылками работы, основанными на использовании методов математической статистики для обработки результатов физико-химических исследований (коэффициент вариации не более 12% при надежности 0,995), изучения прочностных, деформационных и горно-технических свойств пород до и после обработки разупрочняющими растворами (коэффициент вариации не более ЯО"' при надежности 0,95); удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований, лабораторных и натурных испытании большим объемом экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях; использованием результатов исследований и широко:¹ апробации методов на открытых разработках угольных месторождений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

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

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

2. Использование комплексного характера исследований и сопоставление независимых данных измерения поверхностного натяжения б_жг водных растворов с различным содержанием ПАВ и кальцинированной соды, угла смачивания созО. этих водных растворов на породе с величиной остаточного незаполненного влагой порового объема пористого тела показало, что эффективное смачивание породы в процессе пропитки и более полное заполнение порового пространства породы обнаруживается при увеличении гидрофильности поверхности и снижении поверхностного натяжения раствора, т.е. при больших значениях 6„_r-cosQ, при этом заполнение порового пространства пород увеличивается более чем в три раза.

3. Установлено, что внесение катионов электролита в дисперсную среду приводит к- уменьшению прочности породы и незначительному увеличению деформационных свойств породы, увеличение гидрофильности системы и увеличение рН среды приводит к уменьшению прочности породы и заметному (в 3-5 раз) увеличению ее деформации. Установлено, что в процессе физико-химического взаимодействия водных растворов электролитов органические ПАВ, снижая поверхностное натяжение растворов электролитов и уменьшая угол смачивания, способствуют более быстрому и полному смачиванию поверхности материала и заполнению порового пространства породы, обеспечивая формирование адсорбционных и смачивающих пленок воды на породе.

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

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

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

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

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

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

Практическое значение работы состоит в следующем:

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

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

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

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

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

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

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

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

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