Физико-механические способы управления состоянием массива

Физико-химическое ослабление горных пород. В практике горных работ нередко приходится сталкиваться с необходимостью управления состоянием массива, в частности с изменением прочностных и деформационных свойств горных пород с целью их ослабления или упрочнения.

Предварительное ослабление горных пород, т. с. процесс, при котором показатели прочности физико-механических свойств массива снижаются, применяется при разрушении пород и углей, управлении кровлей, борьбе с выбросами породы, угля и газа и др.

В настоящее время в отечественной и зарубежной практике применяются различные способы ослабления пород: механические (нарезание или бурение щелей, нагнетание воды под высоким давлением, гидровзрывание, рыхление массива), термические (нагревание различными теплоносителями и охлаждение), химические, биологические и технологические.

Расчеты показывают, что энергозатраты на механическое ослабление пород составляют 400—450 кВт*ч/м3, на термическое— 250—350 кВт*ч/м3, в то время как на химическое ослабление— 10—100 кВт*ч/м3. Наиболее экономичным с точки зрения затрат энергии является химический способ ослабления пород, который представляет собой обработку горной породы растворами электролитов и поверхностно-активных веществ (ПАВ).

В зависимости от многочисленных и обычно взаимосвязанных физико-химических факторов влияния среды на механические свойства твердых тел может проявиться в различной степени и в разных формах, среди которых применительно к горным породам важнейшее значение имеют следующие:

- резкое уменьшение прочности, обусловленное облегчением зарождения и последующего распространения трещин при деформации твердых тел в присутствии сильно адсорбционно-активных сред. Такие эффекты наблюдаются при условии значительного снижения поверхностной энергии стенок зародышевой и растущей трещин, если обеспечен достаточный приток атомов НАВ к вершине трещины;

- появление склонности к самопроизвольному диспергированию на частицы коллоидных размеров — в предельном случае очень сильного снижения межфазной поверхностной энергии.

При рассмотрении ряда физико-химических факторов, присущих процессам адсорбционного понижении прочности, можно выделить следующие необходимые группы: химическое сродство твердого тела и поверхностно-активной среды; условия приложения нагрузки, т. е. условия деформации; состояние поверхности твердого тела, его дефектность.

Известно, что характер взаимодействия между атомами на межфазной границе твердое тело — жидкость, а также возможность существенного влияния межатомных связей в твердом теле обусловливаются химическим составом твердого тела и самой среды.

При присутствии необратимых химических реакций характер межатомных взаимодействий проявляется в изменении поверхности энергии на межфазной границе. С этой точки зрения возможно объяснение как универсальности, так и избирательности адсорбционного понижения прочности твердых тел, так как для проявления этого эффекта необходимо наличие определенного сродства граничащих фаз.

Поскольку горние породы являются системами, состоящими из двух и более компонент, т. с. гетерогенными системами, то подбору оптимальной среды следует уделять значительное внимание.

Особое место среди множества условий деформации и разрушения занимают условия распространения среды по стенкам развивающихся трещин в направлении зоны предразрушения. Немаловажная роль в процессе адсорбционного понижения прочности отводится времени предварительной выдержки образна в среде, количеству поверхностно-активного вещества, характеру его распределения на первоначальной и вновь образованной поверхностях, а также характеру и интенсивности напряженного состояния самого образца.

Как разрушение в обычных условиях, так и разрушение твердых тел в активной среде существенным образом связаны с кинетикой зарождения, развития, накопления разнообразных дефектов структуры, в том числе определенных дислокационных конфигураций, малых равновесных трещин, перерастающих в неравновесные трещины разрушения. Из предложенной Гриффитсом теории хрупкого разрушения, а также из анализа различных современных дислокационных моделей зарождения трещин следует, что прочность пропорциональна корню квадратному из величины поверхностной энергии. Для поликристаллических тел, обработанных поверхностно-активными средами, характерно распространение трещин в основном по межзеренным границам за счет ослабления межмолекулярных сил сцепления. Таким образом, механизм облегчения деформации и понижения прочности деформируемого тела в присутствии среды состоит в следующем:

- значительно понижается поверхностная энергия твердого тела, что соответственно уменьшает его прочность;

- силы сцепления между противоположными поверхностями микротрещин экранируются прослойками адсорбированных слоев понизителей прочности, затрудняющими смыкание зародышевых участков микротрещин после снятия внешних усилии;

- возникает активное расклинивающее действие самих адсорбционных прослоек в тех микротрещинах, куда они проникают.

Эффективными понизителями прочности в большинстве случаев являются обычные адсорбирующиеся электролиты хотя бы потому, что ионы малых размеров быстрее всего мигрируют в зону предразрушения и в микротрещины и таким образом глубже проникают в массив, обеспечивая значительный эффект даже при больших скоростях разрушения. Органические поверхностно-активные вещества с довольно крупными молекулами или большими органическими ионами менее эффективны, по зато дают большой эффект в понижении трепня, что благоприятно сказывается на износе породоразрушающих инструментов, а также на уменьшении энергоемкости процесса разрушения. Поэтому для достижения наибольшей эффективности следует применять определенные комбинации электролитов и поверхностно-активных веществ.

В последние годы поверхностно-активные вещества находят все более широкое применение в горной промышленности. Так, в условиях Башкирии с целью скорейшего вскрытия пластов при бурении были использованы растворы ПАВ, применение которых позволило увеличить механическую скорость бурения по сравнению с водой на 30%, с глинистыми растворами — в 3,5 раза. При добавлении в промывочную жидкость превацелла и сульфонала механическая скорость при вращательном бурении твердосплавными коронками по песчанику, мрамору и другим породам увеличилась на 30—50%.

Обработка выбросоопасного песчаника 0,05%-ным раствором карбоксиметилцеллюлозы позволила уменьшить предел прочности на сжатие в 2 раза, на растяжение — в 2,7 раза, на изгиб — в 1,7 раза по сравнению с аналогичными характеристиками сухих образцов. Применение электролитов и ПАВ позволяет увеличить дисперсность апатито-нефелиновой руды, известкового шпата, глинистого сланца, доломита и т. д., а также предотвращает слипание и смешивание взрывчатых веществ и горных пород, увеличивает пылеподавление и прочее.

В ИГД им. А.А. Скочинского были проведены исследования по влиянию растворов ПАВ на прочностные свойства горных пород. Для обработки поверхности образцов горных пород использовались три группы ПАВ: неионогенные, анионоактивные и катионоактивные. Была разработана методика подбора пары (поверхностно-активное вещество—порода), по которой при соответствующей концентрации и pH раствора наблюдается наибольшее снижение контактной прочности породы. Получено, что растворы неионогенных ПАВ снижают контактную прочность в среднем на 30%, растворы катионоактивных — на 15—20%, растворы анионоактивных — на 35—10%, причем добавки электролитов к этим растворам позволяют снизить контактную прочность для неионогенных ПАВ в среднем на 10%, катионоактивных — на 30—35%, а анионоактивных — на 45—55%.

Для выяснения возможности использования растворов ПАВ с целью понижения прочности при комбайновой проходке по крепким горным породам были проведены эксперименты, в результате которых усилия резания, подачи и боковые снижены в среднем на 20—25%.

Расчеты показывают, что коэффициент крепости f=8-10 песчаников можно снизить при действии оптимально подобранных физико-химических сред до f=4-5, что делает реальной и эффективной возможность применения проходческих комбайнов на крепких породах.

Химическое укрепление горных пород. В практике горних работ приходится сталкиваться с необходимостью улучшения свойств горних пород, т. е. их укрепления.

В настоящее время в отечественной и зарубежной практике при укреплении горних пород применяются следующие способы: цементация, силикатизация, замораживание, глинизация, битуминизация, торкретирование, электрохимический, термический и др. Каждый из этих способов имеет спою область применения.

Успехи химической промышленности, выпускающей органические соединения, обладающие высокими клеящими и водоустойчивыми свойствами с достаточной прочностью, позволили разработать и начать использование нового способа укрепления мелкозернистых тонкотрещиноватых пород растворами синтетических смол. В основе его лежит способность растворов синтетических смол под действием отвердителей образовывать прочные и водонепроницаемые соединения, которые связывают породы в сплошной монолитный массив.

Растворы смол найдут широкое применение в первую очередь для укрепления боковых пород, пород ложной кровли, сопряжений лав с выработками, целиков, а также для создания водонепроницаемых завес, сохранения водных режимов, покрытий поверхности выработок для различных целей и в борьбе с внезапными, выбросами и выделением метана, пучением пород и др.

Так, установлено, что склонность угля к реализации газодинамических процессов в первом приближении может характеризовать комплекс физических свойств:

где ор — предел прочности углей на разрыв, кгс/см2; х — коэффициент пластичности; в — коэффициент линейной газовой усадки; Е — модуль упругости, кгс/см2.

Изменяя комплексный показатель физических свойств в сторону увеличения прочности и пластичности, а также уменьшая коэффициент линейной газовой усадки путем обработки угля твердеющими композициями, можно уменьшить газодинамическую активность угля.

Результаты химического укрепления пород зависят от геологического строения и условий залегания пород, подлежащих укреплению, от коэффициента фильтрации, pH среды и ряда других факторов. Ho, в первую очередь, результаты укрепления будут зависеть от свойств раствора. Раствор должен иметь вязкость, позволяющую нагнетать раствор в породу на требуемое расстояние; отвердевать в требуемые сроки, а также повышать прочность и уменьшать водопроницаемость породы.

В результате реакции, происходящей между смолой, отвердителем и поверхностью зерен породы при нагнетании раствора в поры и трещины повышаются прочность и водонепроницаемость породы. Основное увеличение прочности породы при этом происходит за счет изменения физико-механических свойств вносимого реагента и связи его с частицами породы. Возрастание прочности также происходит за счет сил сцепления реагента с зернами породы при отвердении. Сцепление раствора с зернами породы зависит от физико-химических и петрографических свойств и влажности породы. Выбор прочностных свойств раствора должен производиться с учетом тех внешних нагрузок, которые будут воздействовать на укрепленную породу.

В ИГД им. А.А. Скочинского были подобраны составы растворов на основе мочевиноформальдегидной, меламиномочевино-формальдегидной и мочевино-формальдегидиоацетоновой смол; мочевиноформальдегидной смолы, модифицированной акриламидом, фурфуролом, поливиниловым спиртом, эпоксидной, полиэфирной и другими смолами. Песчаные породы, обработанные смолами, достигают прочности на сжатие более 110 кгс/см2, а коэффициент фильтрации уменьшается до 0,0023*10в-6 см/с. Были проведены исследования по определению возможности использования эпоксидных смол, модифицированных рядом веществ, для улучшения отдельных свойств раствора, например ПИ-4с, с содержанием 30% эпоксидной смолы.

Прочность на сжатие образцов раствора нa основе данной смолы достигает 300 кгс/см2, после 10 сут, прочность сцепления с породой — 50 кгс/см2.

В табл. VIII.2 приведены прочностные показатели образцов угля и песчаника шахт «Коксовая» производственного объединения «Прокопьевскуголь», обработанных растворами смол МФ-17 и крепителя М-3 с различными отвердителями.

Для приготовления и нагнетания растворов необходим комплекс оборудования, состоящий из оборудования для внедрения к извлечения инъекторов, насосной установки для нагнетания растворов, оборудования для приготовления раствора, инъекторов, арматуры для оборудования скважин, аппаратуры для контроля за параметрами нагнетания, качеством раствора и укрепления породы, запорной арматуры, шлангов и емкостей для хранения и перемешивания компонентов и раствора.

Из смол наиболее широкое применение получат карбамидные смолы как в чистом виде, так и модифицированные различными веществами. Эпоксидные смоли при модификации их более дешевыми веществами и небольших расходах будут применяться в случае необходимости придания породам высоких прочностей в короткие сроки. Во многих случаях найдут применение полиэфирные смолы для укрепления как сухих, так и влажных пород. Полиуретановые смолы обладают способностью значительно увеличиваться в объеме при отвердении, но не могут отвердевать во влажных породах, поэтому они будут использоваться для укрепления сухих пород.

Для укрепления пород, которые нельзя укрепить растворами, будут применяться газ или смесь газа с жидкостью. В настоящее время имеется несколько газов, с помощью которых можно укрепить породы. Некоторые газы вступают в реакцию с водой, находящейся в породе, что позволяет использовать их для укрепления обводненных пород. Для укрепления пород можно применять четыреххлористый кремний. В качестве сочетания жидкого реагента и газа можно применять сульфат алюминия и газообразный аммиак, хлорид бария и трехокись серы, ацетат свинца и сероводородную кислоту.

Широкое применение химического способа укрепления горных пород способствует повышению производительности труда и снижению травматизма на горных предприятиях.