CC BY
27
СЕМИНАР 1
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
Г.Д. Замосковцева, Л.Г. Савинчук, А.В. Сараскин, Р.Ш. Мананов,
МГГМА им. Носова
ИНЪЕКЦИОННОЕ КРЕПЛЕНИЕ МЕТАСОМАТИТОВ ХИМИЧЕСКИМИ РАСТВОРАМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ НА ОСНОВЕ ОТХОПОВ КОКСОХИМИЧЕСКОГО И ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОПСТВА
Таблица №1
Интервальный вариационный ряд замеров ширины раскрытия трещин
азработка рациональной технологии ведения инъек-ционных работ возможна при наличии данных о месте поло-жения, размерах и свойствах инъектируемых горных пород, а именно, параметрах тре-щино-ватости. В настоящей работе проведен комплекс исследований по подбору оптимальных химических растворов для инъекционного крепления метасоматитов на Учалинском руднике.
Основное рудное тело Учалинского месторождения представлено крутопадающей линзообразной залежью, в которой длина, ширина и мощность относятся как 8:3:1. Простирание залежи близ-меридиональное по азимуту 3о. Северная часть рудной линзы отклонена от общего простирания на северо-запад на 340о, а ее южный фланг меняет направление на юго-восточное до 170о. Форма залежи меняется по простиранию и падению. Контакт рудного тела с
покрывающими породами кровли резкий, что особенно хорошо видно на его северном фланге. Граница сплошных руд с подстилающими их породами пилообразная. Кроме того, в отдельных зонах наблюдается постепенный переход сплошных руд в прожилково-вкрапленные, которые сменяются ниже по разрезу гидра-термально-измененными породами.
В метасоматическом ореоле, развитом преимущественно со стороны лежачего бока месторождения выявлено два типа зональности: 1-асимметричная, выра-
женная в смене кварц-серицит-хлоритовых метасоматитов кварц-серицитами и в уменьшении желе-зистости хлоритов (в целом магнезиальных: карундофиллита,
клинахлора, пенина) в направлении к рудной залежи; 2-
симметричная, заключающаяся в смене от центра рудоподводящих каналов к периферии следующих
зон: кварцевой, серицит-
кварцевой, хлорит-серицит-
кварцевой, пропилитовой. В кровле, отчасти в подошве рудной залежи залегают хлоритолиты.
Характерной особенностью геологического строения месторождения является широкое развитие сколовых, сколовых разрывных, сколовых сдвиговых, разрывных нарушений, повышенной трещинноватости и зеркал скольжения, сформировавшихся в течение длительного периода геологического развития региона. В местах зон дробления связность пород нарушена и сопровождается зонами оперяющей трещиннова-тости. Такие участки характеризуются слабой устойчивостью горных пород вокруг пройденных выработок /1/. Трещиноватость горных пород, слагающих Учалинское месторождение, составляет предмет специального изучения с точки зрения оценки возможности инъекции в них химических составов на основе полимеров. Массив горных пород Учалинского месторождения характеризуется наличием трещин различного порядка.
Интервальный вариационный ряд замеров ширины раскрытия трещин представлен в таблице№
1.
Данные таблицы№ 1 показывают, что с наибольшей вероятностью следует ожидать трещины по ширине раскрытия от 1 до 2 мм. Так как вероятность появления трещин шириной 1,00; 1,4; 1,8; 2,2 мм соответственно составляет: 0,32; 0,523; 0,745; 0,863, а трещин с раскрытием 2,6; 3,0; 3,4; 3,8 мм соответственно: 0,128; 0,06; 0,03; 0,01. Согласно классификации, предложенной авторами работы
потери воды и летучих веществ, а также в процессе остывания пород за счет уменьшения их объема; трещины тектонического происхождения; искусственные трещины (скол, отрыв), образующиеся в породах при ведении горных работ; трещины выветривания, величина раскрытия которых изменяется от 10-6 до 10-1 м относятся к трещинам третьего порядка. Эти трещины наиболее существенно влияют на процесс ослабления массива.
Установлено /3/, что во всех типах трещино-пористых коллекторов фильтрация происходит практически только по трещинам, а в поровых межтрещинных пространствах движение жидкости незначительно, поскольку трещинная проницаемость значительно выше проницаемости по-ровых каналов. Поэтому, рассматривая движение химических растворов на основе полимеров в трещиноватой среде, считаем, что фильтрация происходит по трещинам, которые, сообщаясь между собой, обусловливают перераспределение раствора между соседними трещинами.
Для оценки трещиноватых горных пород по фильтрационным и деформационным свойствам используем универсальный показатель - коэффициент струк-турного ослабления массива К, введенный К.В. Руппенейтом.
нии величины раскрытия трещин составляет 3,99 мм, а такие характеристики вариационного ряда как средневзвешенная, мода, медиана, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации соответственно равны: 1,55; 2,01; 1,8; 0,757 мм и 48,84%.
Таким образом, полученные данные о геометрических параметрах трещин позволяют прогнозировать возможность фильтрации химического раствора, на основе полимеров по метасамати-там. Однако, эффективность инъекционного крепления горных пород химическими растворами зависит от оптимального сочетания многих факторов: химическая
природа и структура молекул связующего компонента, природа и свойства растворителя, соотношение ком-понентов в растворе и его физические характеристики -плотность, вязкость, проникающая способность и другие.
В настоящей работе проведен комплекс исследований по подбору быстро полимеризующихся химических составов из числа вторичных продувов химических, нефтехимических и коксохимических производств. В ходе исследований установлено, что наибольшей эффективностью при креплении горных пород обладают композиции из полимера-основы и недефицитных растворителей, способных либо быстро
испаряться после инъектирования, либо сополимеризоваться с веществом-основой.
Механизм действия таких систем заключается в том, что в первом случае растворитель, выполняя роль жидкой несущей среды, испаряется после введения в трещины, а полимер-основа закрепляется на поверхности горной породы. При испарении молекулы растворителя частично увлекают с собой молекулы воды и частицы пыли, что способствует повышению адгезии полимера к поверхности породы и, следовательно, общей прочности крепления. Во втором случае имеет место совместная полимеризация вещества-основы и растворителя непосредственно после инъектирования в трещины. Катализаторами такой сополимеризации могут служить кислород воздуха и повышенная температура. В результате сопо-лимеризации происходит не только закрепление молекул химических соединений на поверхности породы, но и некоторое упрочнение самого сополимера в результате формирования его сетчатой пространственной структуры.
Для обеспечения прочного закрепления полимерных систем на поверхности метасоматитов при инъектировании молекулы веществ этих систем должны иметь, прежде всего, гетерополярное строение и определенный структурно-групповой состав. На рис. 1 представлены ИК-спектры таких систем.
Из рис. 1 видно, что в состав молекул полимерных композиций входят полосы поглощения следующих структурных групп:
3000-2900 см-1 1380-1360 см-1 -С-Н-связь алифатических структур;
3100-3080 см-1 -С-Н-связи ароматических и ненасыщенных структур, способных к полимеризации при определенных условиях;
1600-1500 см-1,1420-1410 см-1.
1310-1290 см-1 -колебания углеродного скелета в ароматическом кольце, указывающие на наличие ароматических и непредельных соединений;
/2/, эндогенные трещины, возни-
Данные таблицы№ 1 показы-
3200-3650 см-1, 3335-3030 см-1, 2200-2000 см-1, 1150-1080 см-1 -полосы поглощения, указывающие на присутствие кислород- и
азотсодержащих группировок,
способных закрепляться на поверхности минералов с образованием водородных связей.
Наряду с высокой адсорбционной способностью структурных групп химической композиции, обеспечивающей прочность её закрепления на поверхности мета-соматитов, большое значение
имеет вязкость раствора, определяющая его проникающую способность в трещины, концентрация полимера-основы, продолжительность её твердения в трещинах.
В работе изучены композиции полимера-основы с растворителями при содержании основного вещества от 10 до 25 % масс в интервале
вязкости от 0,8 до 5 сСт.
Показано (рис. 2), что вязкость системы сначала повышается пропорционально увеличению концен-
трации полимера-основы.
Затем, по мере приближения к пределу растворимости полимера рост вязкости снижается.
Однако, при концентрации полимера порядка 25 % вязкость резко возрастает, что, по-видимому, обусловлено вторичными явлениями структурирования раствора, за счет сил межмо-лекулярного взаимодействия полимера.
Наличие указанного явления позволяет практически использовать такие полимеры для инъек-тирования микро- макротрещин, варьируя в небольшом интервале концентрацию основного вещества.
Продолжительность полимери-
зации инъектированных в трещины растворов зависит от концентрации раствора, типа растворителя и глубины инъектирования. Исследования показали, что в зависимости от названных факторов продолжительность полимеризации до полного твердения (формирования объемной сетчатой структуры) колеблется от 10 до 30 мин.
При исследовании на прочность образцов пород, упрочненных химическими системами на основе полимера и растворителей (рис .3) установлено, что наиболее высокие значения прочности достигаются при использовании невязких систем (кривая 1) и систем I средней вязкости (кривая 3). Это обусловлено, по-видимому, значительной ролью подвижных молекул растворителя в подготовке поверхности породы к закреплению полимера и в образовании структурированных сополимеров в пространстве трещины.
Несмотря на одинаковый вид кривых набора прочности исследованных образцов, особое внимание обращает на себя кривая 5 наибольшей прочности. Усиление прочности для этого состава достигнуто за счет введения тонкодисперсных частиц неорганических соединений с полярным строением молекул, которые, по-видимому, служат армирующим каркасом при формировании объемных полимерных упрочняющих структур.
На основе проведенных исследований и предложен для промышленной апробации базовый вариант полимерной композиции «Универсальная», разработаны технические условия на опытную партию и проведены предварительные исследования в условиях Учалинского рудника.
Предложенная композиция представляет собой прозрачную жидкость от светло-желтого до коричневого цвета, плотностью
0,88-1,10 г/см3 и содержанием пленкообразующего вещества 2025% масс. Температура застывания композиции не выше - 30°С. Продолжительность хранения в закрытой таре не ограничена. За-
Рис. 2 I
Рис. 3
твердевшая структура полимера нетоксична.
Для изучения проникающей способности этого раствора на сопряжении бурового орта 30-06 и погрузочного штрека № 3 БИС гор. 300 был выделен участок площадью 10 м2 На нем были пробурены шпуры диа-
1 - длина испытуемой части шпура, м.
Удельное поглощение породами химического раствора (полимерная композиция - универсальная) определяли при давлении 2; 4; 7 МПа. Результаты испытаний представлены в таблице № 2.
Таблица №2
Удельное поглощение породами полимерного раствора в зависимости от расстояния до контуров
Давление нагнетания, МПа Удельное поглощение химического раствора породными слоями в зависимости от расстояния до контуров, 1 м
0,6 1,5 2,0
2 0,6310-5 0,68-10-6 0,63-10-6
4 0,105-10-4 0,14-10-5 0.78-10-6
7 0,172-10-4 0,22-10-5 0,92-10-6
метром 40 мм с сеткой 0,8х0,8 м длиной 0,6: 1,5; 2; 3 м. Химический раствор испытывали в мета-соматитах, сильно рассланцован-ных темно-зелено-серого цвета с зеркалами скольжения и раскрытием трещин более 0,15 мм. Направление шпуров принимали нормальным к поверхности. Давление нагнетания меняли от 2 до 7 МПа. Перед подачей раствора в шпур, его очищали сжатым воздухом.
Удельный расход полимерного раствора, имеющего динамическую вязкость 1,2 сСт., определяем по формуле Н.Г. Трупака.
О
п = — (л/мин-м-мм.вод.ст.)
4 Р1
где О - расход химического (полимерного) раствора, л/мин; Р -давление нагнетания, мм. вод. ст.;
Результаты исследований,
представленные в таблицы № 2, описываются уравнением вида:
g = а + Ьр,
где а и Ь - эмпирические коэффициенты, зависящие от расстояния до контура выработки.
Полученное выражение свидетельствует, что удельное поглощение раствора породами массива с глубиной уменьшается, следовательно, и коэффициент фильтрации также будет уменьшаться. Однако, введение инъекции химическим раствором на основе полимерных отходов возможно па глубину 2 и более метров. Геометрические параметры трещин позволяют обоснованно установить взаимосвязь между радиусом инъекции и напряжением сдвига; динамической вязкостью; временем подачи раствора в шпур; его
количеством; коэффициентом структурного ослабления, который в свою очередь обусловливает рациональное ведение инъекционных работ химическим раствором.
Таким образом, в ходе испытаний получены положительные результаты при креплении слабых, трещинноватых, гидротермально измененных метасоматитов на глубину до 3 м при площади обнажения 10 м2.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о перспективности использования растворов на основе полимерной композиции «Универсаль-ная» как в базовом, так и в модифицированных вариантах для крепления метасоматитов, обладающих комплексом природных свойств, вследствие которых происходит разрушение горных выработок при их эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Минеральные ресурсы Учалин-
ского горно-обогати-тельного комбината / И.Б. Серавикин, П.И. Пирожок, В.Н. Скуратов и др. - Уфа:
Башк.кн.изд., 1994. - 328с.
2. Ржевский В.В., Кутузов Б.Н. и др. Методика сейсмического определения трещиноватых массивов горных пород на карьерах с целью оценки их взрываемости. - М. ИФЗ АН СССР, 1970. - 42с.
3. Ромм Е.С. Фильтрационные свойства трещиноватых горных пород. - М.: Недра, 1966. - 283с.
4. Трупак Н.Г. Специальные способы проведения горных выработок. - М.: Недра, 1975. -496с.
© Г.Д. Замосковцева, Л.Г. Савинчук, А.В. Сараскин, Р.Ш. Мананов,
Файл: ЗАМОСК~1
Каталог: в:\С диска по работе в универе\01АВ_99\01АБ4_99\Все
Шаблон: С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коаті^\Місго80Й\ШаблоньіШогта1Ло1т
Заголовок: Инъекционное крепление метасоматитов химическими растворами, полу-
ченными на основе отходов коксохимического и химического производства Содержание:
Автор: Гитис Л.Х.
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения:
Сохранил:
Полное время правки:
Дата печати:
При последней печати страниц: слов:
знаков:
12.05.1999 14:01:00 2
12.05.1999 14:01:00 Гитис Л.Х.
0 мин.
14.12.2008 20:25:00 5
2 120 (прибл.)
12 084 (прибл.)
