CC BY
14
© Ю.А. Боровков, К.Л. Акопян, 2012
УДК 622.831.3:62-75
Ю.А. Боровков, К.Л. Акопян
СНИЖЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Рассмотрен характер изменения прочностных свойств горных пород путем развития трещин и зарождения микротрещин при применении ПАВ с целью предотвращения проявления горных ударов.
Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, трещина, пластические деформации, нагружение.
Увеличение глубины разработки месторождений связано с усложнением горно-геологической обстановки и динамическими проявлениями горного давления — горными ударами. В настоящее время большинство месторождений полезных ископаемых Урала признаны опасными по горным ударам.
Традиционные методы борьбы с горными ударами включают бурение разгрузочных скважин (щелей) и ка-муфлетное взрывание. Реализация этих методов связана с остановкой горных работ и отличается большими затратами труда и времени, что увеличивает себестоимость добываемого полезного ископаемого.
Одним из перспективных направлений борьбы с горными ударами является управление свойствами и состоянием пород поверхностно-активными веществами (ПАВ). Эффективность ПАВ как средства воздействия на свойства горных пород доказана, однако применительно к борьбе с горными ударами они не получили широкого распространения. Это обусловлено нерешенностью к настоящему времени следующих задач.
Прежде всего, это выбор эффективных для данных условий растворов
ПАВ в их оптимальной концентрации; разработка методов насыщения и контроля процесса насыщения породных массивов активными растворами; определение критериев априорной оценки эффективности использования ПАВ для борьбы с горными ударами, включая традиционные методы — бурение разгрузочных скважин и камуфлетное взрывание.
Разработка мероприятий по предотвращению горных ударов ведется преимущественно в двух направлениях — приведение горных пород в неудароопас-ное состояние и снижение напряжений в приконтурном массиве. Одним из перспективных направлений повышения эффективности данных мероприятий является направленное изменение свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами (ПАВ). Их действие (эффект Ребиндера) носит универсальный характер и проявляется в изменении практически всего комплекса свойств горных пород (А.Д. Алексеев, Г.Я. Воронцов, Ю.В. Горюнов, И.И. Круглицкий, Н.Ф. Кусов, О.Г. Латышев, Г.И. Марцикевич, Ф.Д. Овча-ренко, Н.В. Перцов, П.А. Ребиндер, Е.Д. Шукин, О.А. Эдельштейн и др.).
В основе эффекта Ребиндера лежит адсорбционное понижение по-
верхностной энергии тел. Поэтому эффективность действия ПАВ зависит от величины свободной поверхности трещин и межзеренных контактов. В свою очередь, воздействие активных растворов приводит к дальнейшему развитию трещин при на-гружении горных пород. Для определения развития и формы трещин используется люминесцентный микроскопический метод изучения трещи-новатости горных пород, который позволяет фиксировать общую картину трещиноватости и координаты отдельных трещин.
Нами было исследовано 15 образцов медно-никелевой руды из месторождения Шануч. Обобщение результатов изучения процессов зарождения и развития трещин при нагружении горных пород в присутствии ПАВ позволяет сделать следующие выводы. Во всех диапазонах размеров трещин их концентрация в образцах, обработанных ПАВ, заметно выше, чем в необработанных. Более того, максимальный линейный размер трещин, образовавшихся при нагружении исходных пород, не превышает 630 мкм, в то время как под действием ПАВ в тех же условиях нагружения их длина доходит до 2500 мкм. Таким образом, во всех диапазонах размеров трещин их концентрация в образцах, нагружавшихся в ПАВ, заметно выше, чем в необработанных породах. Особо следует отметить изменение степени нарушенности пород (отношение удельной поверхности трещин к их дисперсности), которая возрастает в 6,7 раза.
В соответствии с общепринятым критерием (И.М. Петухов, П.Е. Егоров) горная порода считается потенциально удароопасной, если при нагружении до 80 % предела прочности доля ее упругих деформаций превышает 70 % от общих или работа упру-
гих деформаций превышает работу пластических. По этим признакам большинство скальных пород Урала относятся к категории склонных к хрупкому разрушению (удароопасных) [1]. Действие ПАВ способно вывести горные породы из этого состояния. Нами проведены исследования деформационных характеристик основных пород месторождения Шануч. Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы.
Насыщение горных пород растворами ПАВ приводит к существенному (от 25 до 60 %) снижению их прочности, уменьшению (на 30—50 %) модуля и предела упругости. При этом рост трещин и ослабление межзерен-ных контактов сопровождается подвижкой минеральных зерен и уплотнением пород при их циклическом нагружении. Это проявляется в нелинейном росте модуля деформации пород в каждом последующем цикле нагружения. Данная зависимость описывается уравнениями
(1)
Е = Е0(а - Ь-^), и о
где Е0 — начальный модуль упругости горных пород; а — безразмерный коэффициент, характеризующий асимптоту зависимости, т. е. предельно возможное увеличение относительно модуля деформации; Ь — безразмерный параметр, характеризующий скорость роста Е с нагрузкой; о, ос — напряжение и прочность при сжатии пород.
Мерой необратимых изменений, т. е. пластифицирования горных пород в ПАВ, служит величина их остаточной деформации
(
еост = о'
1_
(2)
где коэффициент пропорциональности к зависит от активности раствора
5
1
10,0 3,0
ад
4,0
го 0,0
Г
/ !
1 /
ч V /
\ * --
-£- ЦТ!" .)
Рис. 1. Доля остаточной деформации при нагружении образца медно-никелевой руды А1С13
и степени его проникновения в горную породу (времени экспозиции). Расчет по приведенным формулам подтверждается экспериментальными данными и показывает экстремальный характер зависимости относительной доли остаточных деформаций от уровня приложенного напряжения. На рис. 1 показан график для медно-никелевой руды. Характер графика отражает зависимости деформирования горных пород в активной среде. Начиная с некоторого уровня напряжений (на графики это 17 % от ос) в горной породе начинается межзерен-ное скольжение, приводящее к ее уплотнению и снижению доли остаточной деформации. Но уже при напряжениях в 40—50 % от прочности доля остаточных деформаций возрастает с
ускоряющимся темпом. Это определяется развитием под действием ПАВ имеющихся в породе трещин и проникновением по ним активного раствора во все больший объем породы. Рост трещин подтвержден нами экспериментально с помощью люминес-центно-микроскопического метода.
Одним из общепринятых критериев потенциальной удароопасности горных пород является условие превышения доли упругих деформаций в общих на 70 % (еу > 0,7еобщ) при нагружении пород до 80 % от их прочности. Это условие можно записать в виде
Оу/Ео > 0,7 • 0,8 осж/Е = 0,56осж/Е,
где сту — предел упругости породы. Тогда предлагается использовать как прогнозную оценку потенциальной удароопасности горных пород соотношение
оуЕ
1,8—у-> 1.
ОсжЕо
(3)
Отмеченные выше нами зависимости деформирования пород, выраженные в приведенных формулах, показывают, что обработка изученных пород растворами ПАВ выводит их из состояния потенциальной удароопас-ности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сынбулатов В.В. Повышение эффек- Известия вузов. Горный журнал. — 2005. тивности предотвращения горных ударов // — №4. — С. 118-120. ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Боровков Ю.А., Акопян К.Л. — МГРИ — РГГРУ, е-шаП: [email protected].
_д
