Экспериментальные исследования процесса вторичного смерзания горных пород в условиях минерализации поровой влаги Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

А.П. Винокуров

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВТОРИЧНОГО СМЕРЗАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ПОРОВОЙ ВЛАГИ

Лри разработке месторождений криолитозоны с увеличением мощностей горного производства возникает потребность в круглогодичной работе вскрышного и добычного оборудования. Предварительная подготовка вскрышных пород к экскавации, как правило, осуществляется с помощью буровзрывных работ. Особенностью производства вскрышных работ на месторождениях, расположенных в зоне распространения многолетней мерзлоты, является склонность горных пород к смерзанию после рыхления буровзрывными работами, что приводит к существенному снижению производительности оборудования вплоть до полной его остановки, простоям, росту себестоимости добычи полезного ископаемого. В этой связи на первый план выносится вопрос о разработке способов искусственного снижения прочности мерзлого массива или вторично смерзшихся (после взрывного разрушения) горных пород.

Известные существующие способы разупрочнения породы, не отвечают предъявляемым требованиям. Одним из возможных приемлемых способов может быть химическое разупрочнение горных пород.

Ранее, ИГДС СО РАН совместно с ИМ СО РАН проводился комплекс экспериментальных работ по применению без взрывного разупрочнения массива горных пород [1]. Впервые были проведены измерения длительной прочности мерзлых грунтов в зависимости от рН-уровня их порового раствора. По результатам исследования установлено, что в области низких значений рН происходит существенное разупрочнение мерзлых грунтов. Так при температурах массива пород -6,5 0С и -25 0С прочность снижается в 2 раза.

В настоящее время лабораторией ОГР ИГДС СО РАН были проведены исследования влияния минерализации поровой влаги на прочность смерзания образцов горных пород двумя способами: насыщением раствором соляной кислоты определенной концентра-

188

ции всего объема образцов песчаника, или только нанесением его на смораживаемые поверхности.

При первом способе образцы горной породы подвергались минерализации раствором соляной кислоты в концентрации установленной экспериментом. Исследования проводились на вскрышных породах Кангаласского месторождения - среднезернистых песчаниках влажностью WH =18,6 %. В породу добавлялась соляная кислота в количестве от 3 % до 15 % от общей влаги. Определение прочности смерзания образцов на сдвиг проводилось на испытательной машине UTS-250 для различных температур пород.

Экспериментальными исследованиями установлен характер изменения прочности вторичного смерзания взорванных многолет-немерзлых горных пород при различной степени минерализации поровой влаги. Установлено существенное снижение контактной прочности смерзания при увеличении концентрации раствора HCl.

минерализации, %

Рис. 1. Гистограмма прочности смерзания образцов горных пород от степени минерализации поровой влаги и температуры смораживания

Получены экспериментальные зависимости изменения прочности смерзания при повышении минерализации поровой влаги образцов горных пород путем их насыщения соляной кислотой в различном температурном режиме (рис. 1). Установлено, что зна-

189

чительное снижение прочности смерзания (в 5,5 раз) достигается уже при 3 % минерализации поровой влаги образцов, при их начальной температуре -5 0С. Дальнейшее увеличение минерализации также снижает прочность смерзания в различной степени, в зависимости от начальной температуры образцов. Так даже при температуре образцов -20 0С и степени их минерализации 10 % прочность смерзания снижается в 6 раз.

По второму способу исследование прочности смерзания вскрышных пород проводилось при увлажнении смораживаемых поверхностей минерализованным раствором. На основе экспериментальных исследований выполнена оценка влияния минерализации поровой влаги по плоскостям смораживания образцов породы на прочность смерзания. Непосредственно перед смораживанием на контактирующие поверхности наносится раствор соляной кислоты (HCl) в процентном соотношении установленном экспериментом. Процентная концентрация раствора соляной кислоты принималась от 15 % до 75 %.

Исследование прочности смерзания минерализованных по плоскости смораживания образцов размерами 50х50х50 мм проводилась на породе того же состава и влажности, что и в первом случае, с усилием нормального давления в 1 kN. Минерализация образцов горной породы производилась методом увлажнения контактирующих плоскостей, при изменении процентного соотношения соляной кислоты в растворе. В таблица представлены данные фактической минерализации плоскостей смораживания от исходной концентрации, учитывающие глубину растепленного слоя и количества находящейся в нем влаги.

Фактическая минерализация образцов породы

Исходная концентрация раствора HCl, % Фактическая концентрация раствора HCl после взаимодействия с породной влагой, % Средняя концентрация раствора HCl в зоне смораживания, %

15 1,9-2,2 2,1

25 2,9-3,5 3,2

50 5,9-6,2 6,1

75 7,8-10,7 10,3

190

<ц3,32 " " раст ственное сос юр HCl - 50 т. шшШ ■ рас /о " ♦ 1 рас твор HCl - 1 твор HCl - 7 5% —А -ра 5% створ HCl - 25%

112365 1 997 " - -«2,05 9

iL»'.''' ч * 9 1,585

1,032 - . * -*L322 0 888 > - -*124 5 1,435- „ * '-- 1,17

* • . . 0,455 * ,0,786 * .0,68 0 4Я1

«»0,316 ■ - £2 - - - - 0,122 ■ - ♦ - - - - - - • 0,223 >0_076~ - - —— _ 0,087 : ,0

-20 -18 -16 -14 -12 -10

Температура пород, град.

3,5

2 5 ^ 2,5 S

S

2 Ü

1,5

0,5

о

я ff

о р

С

Рис. 2. Зависимость прочности смерзания пород от температуры при нанесении на смораживаемые поверхности раствора HCl различной концентрации

По результатам испытаний получены экспериментальные зависимости прочности смерзания при изменении концентрации раствора HCl в плоскости смерзания образцов горных пород в различном температурном режиме (рис. 2).

Установлено, что прочность смерзания образцов горной породы в естественном состоянии (без применения раствора соляной кислоты) имеет линейную зависимость и с понижением температуры с -5 0С до -20 0С возрастает в 2,8 раза.

При нанесении на смораживаемые поверхности раствора HCl в концентрациях от 15 % до 75 % происходит снижение прочности смерзания образцов вследствии взаимодействия раствора соляной кислоты с общим объёмом влаги растепленного слоя породы.

Исследованиями установлено, что снижение прочности смерзания в 1,7 раза происходит уже при нанесении 15 % (2,1 %-факт.) раствора HCl на смораживаемые поверхности образцов для температуры -50С, а с понижением до -20 0С в 1,4 раза. При 25 % (3,2 %-факт.) минерализации раствора и температуры -5 0С прочность снижается в 2,6 раза. Наиболее существенное снижение прочности (вплоть до талого состояния) в 13-

3

0

6

191

Рис. 3. Гистограмма изменения прочности смерзания горных пород при увлажнении смораживаемых поверхностей раствором HCl заданной концентрации от различных температур

20 раз при -5—10 0С происходит при минерализации 50 %-75 % (6,1 %-10,3 %-факт.) раствором HCl.

На гистограмме (рис. 3) представлена зависимость прочности смерзания пород с различной минерализацией по плоскостям смо-раживания в диапазоне отрицательных температур от -5 до -20 0С. Анализ гистограммы позволяет сделать вывод, что в интервале температуры массива -5—-7 0С при концентрации от 25 % до 50 % раствора HCl, нанесенного на смораживаемые поверхности образцов породы, прочность смерзания снижается соответственно в 2,6 и 13 раз. Применение же раствора 75 % концентрации для пород с температурой от -20 0С до -10 0С приводит к снижению прочности в 10 и более раз, а при температуре -5 0С образцы породы не смерзаются.

192

Исследованиями установлено, что изменение минерализации горных пород раствором соляной кислоты 3-х процентной концентрации приводит к снижению прочности смерзания в 2,6-2,8 раза для песчаных пород, имеющих температуру в массиве -5—7 0С.

Полученные зависимости позволяют обосновать необходимую концентрацию раствора кислоты в зависимости от температуры и влажности пород.

--СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шишкин Ю.П., Микулевич А.П., Бураков А.М. Экспериментальные исследования безвзрывного разупрочнения многолетнемерзлых пород на алмазоносном месторождении. - Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых №4. Новосибирск: "Наука", 1990, с. 79-84. ГйТ^

— Коротко об авторе -

Винокуров А.П. - научный сотрудник, ИГДС СО РАН.

- © В.Р. Винокуров, 2008

В.Р. Винокуров

ИСПЫТАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ С РАЗНОЙ ФОРМОЙ АКТИВАТОРОВ

~П лаборатории ОПИ ИГДС СО РАН разработаны несколько измельчительных аппаратов [1], основанных на многократном динамическом воздействии. Изобретения защищены патентами РФ.

193