CC BY
18
УДК 622.278
О. Г. Латышев, О. О. Анохина, В. В. Смнбулагов
УПРАВЛЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СКАЛЬНОГО МАССИВА КАК СПОСОБ БОРЬБЫ С ГОРНЫМИ УДАРАМИ'
Борьба с горными уларами осуществляется в двух основных направлениях - приведение горных пород в неудароопаснос состояние и снижение напряжений в приконтурном массиве (5]. Реализация этих направлений может быть связана с управлением свойствами удароопасных массивов. Эффективным средством направленного изменения свойств и состояния горных пород является обработка массива оптимально подобранными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ). Действие ПАВ основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера) [6], что сопровождается закономерным изменением практически всею комплекса механических характеристик горных перод. Для оценки этого эффекта нами проведена серия экспериментальных исследований горных пород Урала и Донбасса.
Определение ползучести производилось методом циклических испытаний балок прямоугольного сечения на изгиб (нагружение сосредоточенной нагрузкой в середине пролета балки 48 часов с последующей разгрузкой - 48 часов). Испытания производились на образцах в воздушно-сухом состоянии, насыщенных водой и соответствующими растворами ПАВ. По результатам исследования более 50 литотипов установлено следующее.
В соответствии с признанными критериями [1] горная порода считается потенциально уда-роопасной. если при нагружении ее до 80 % от предела прочности доля упругих деформаций превышает 70 % общих или работа упругих деформаций больше работы атастических. Построение по результатам испытаний на ползучесть изохронных кривых деформации, а также с гатичсс-кие испытания образцов при сжатии показывают, что подавляющее большинство скальных пород Урала по этим признакам относятся к категории потенциально удароопасных.
Действие поверхностно-активных веществ приводит к существенному (от 10 до 70%) снижению модуля упругости пород, что сопровождается увеличением мгновенного вслед за приложением нагрузки прогиба балок. Еще более заметно влияние ПАВ на характер последующего деформирования горных пород во времени [3]. Деформации собственно ползучести возрастают от 2 до 7 раз. Пластическое течение пород начинается уже при нагрузках, не превышающих половину- предела прочности. Доля упругих обратимых в общих деформациях составляет не более 50 %. Все это выводит горные породы из состояния потенциальной ударо-опасности.
Анализ экспериментальных данных показывает, что наиболее точно ползучесть горных пород можно описать у равнением Больцмана - Вольтерра в предположении линейного закона деформирования тел, обладающих свойством наследственности, со степенным ядром ползучести [2]: Ц/,т) = 5(/-ту, где а и 5 - параметры ядра ползучести. Причем для подавляющего большинства порол, обработанных растворами ПАВ, надежно фиксируется двухста-дийный характер ползучести (рис. 1). Пер-
1П *(с)
Рис. 1. Двухстадийный характер ползучести горных пород, обработанных раствором 11АВ
• Работа выполнена в соответствии с исследованиями по гранту Минобразования РФ.
вая стадия обусловлена классическим механизмом межзереиного скольжения. Акшвные молекулы раствора за счет двумерной миграции проникают в межзеренное пространстве, снижая прочность контакта минеральных зерен. Увлекаемые ими сольватныс слон жидкости играют роль смазки. Все это заметно активизирует процесс ползучести горных пород. Так. усредненные для эффузивных пород пирокссн-плагиоклазового состава значения параметров ядра ползучести составляют: а = 0,69; 8 = 0.008. Действие ПАВ (AICI, в концентрации 0.001 %) изменяет эти харакгеристи-ки: а = 0.43; б = 0.011.
Для горных пород в естественном состоянии процесс ползучести затухает в течение 24 - 48 часов. В присутствии активного раствора эта стадия ползучести реализуется в первые 5-20 минут. Затем насту пает более медленная вторая стадия ползучести с параметрами (в среднем для эффузивных пород): ос = 0,81 ; Ô = 0,020. Реализация этой стадии ползучести определяется развитием под действием Г1АВ существующих в горной породе трещин и зарождением новых. Проведенными (совместно с кафедрой коллоидной химии МГУ) исследованиями установлено [1], что под действием постоянной нагрузки за счет действия 11АВ концентрация трещин в рассматриваемых эффузивных породах возрастает с N= 1,25-10е 1/м1 до М= 4,47-10® 1/м\ а их удельная поверхность увеличивается соответственно с 2,25 до 8,34 м'/м\ т. е. почли в четыре раза. Причем величина вновь образованной в присутствии ПАВ удельной поверхности трещин прямо пропорциональна корню квадратному величины приложенных напряжений.
Эффект использования ПАВ как средства борьбы с горными ударами основан на том, что за счет интенсификации ползучести уровень напряжений в приконтурном массиве снижается. Запасенная удароопасным массивом упругая энергия будет расходоваться на работу по росту трещин и связанну ю с этим пластическую деформацию, а не на катастрофическое хрупкое разрушение и выброс породы (горный удар). Эта работа определится дополнительным мгновенным деформированием массива за счет его пластифицирования в ПАВ (т. е. снижения модуля упругости с величины £0 до £1КВ) и собственно деформацией ползучести [3]:
Модуль упругости экспоненциально снижается с ростом концентрации трещин в горной породе Л'под действием ПАВ:
где «/-средний размер минеральных зерен горной породы.
Анализ полученных результатов показывает, что насыщение эффузивных пород Североуральских бокситовых месторождений 0,001 % раствором А1С1, при давлении в = 25 МПа, соответствующем условиям разработки на глубине 800 - 1000 м, увеличивает работу их деформирования в среднем с 55 до 76 кДж/м1, т. е. более чем в 1,4 раза. Интерпретация полученных уравнений с точки зрения релаксации напряжений позволяет предположить, что при тех же условиях и неизменной деформации пород действующие напряжения в приконтурном массиве уменьшаются за 6 часов с 25 до 21,8 МПа, за сутки - до 14,6 МПа и за двое суток - до 8,5 МПа, т. е. почти в три раза.
Таким образом, использование поверхностно-активных веществ способно уменьшить уровень напряжений в приконту рном массиве и перевести горные породы в неудароспасное состояние. Однако количественная оценка, этого эффекта получена при полном насыщении активными растворами разгруженных образцов в лабораторных условиях. Опыт борьбы с горными ударами показывает, что перенапряженный удароопасный массив практ ически не поддается увлажнению вследствие отсутствия свободных каналов для фильтрации воды. Добавка в воду малых количеств ПАВ резко увеличивает проникающую способность раствора [4]. Наиболее эффективно контроль насыщения массива порол можег осуществляться акустическим методом (рис. 2). Кинетику увлажнения пород можно отслеживать с помощью следующего соотношения:
где \\с - исходная (естественная) влажность горной породы; б? - соответствующая \Уе скорость продольной упругой волны в породе; ДС- приращение скорости волны в ходе насыщения породы;
(1)
EllAB=E0exp(-2i/,N),
(2)
W = Wf + (W^ - Wc + W„ )[1 -expHOO* • ЛС/С,)], (3)
- максимальная влагосмкость породы; - дополнительное поглощение породой и го раствора 11АВ; Ь - безразмерный коэффи-ок1гт, харакгеризующий интенсивность насыщения.
Коэффициент Ь не зависит от типа раствора и определяется только составом и сгро-ением горных пород. Его величина определена для основных типов потенциально ударо-опасных пород Урала и изменяется от 0,3 до 0.7. Остальные параметры уравнения (3) определяются в простейшем лабораторном эксперименте.
При использовании акустического контроля насыщения необходимо учитывать тот факт, что при использовании ПАВ на изменение скорости упругой волны влияют две разнонаправленные тенденции. С одной стороны, раствор, заполняя пустоты, увеличивает плотность горной породы, что сопровождается ростом скорости упругой волны. С другой стороны, как показано выше, действие ПАВ приводит к развитию трещиноватости пород и, следовательно, к снижению С. Экспериментальные результаты, приведенные на рис. 2. наглядно подтверждают данное обстоятельство. Действительно, добавка ПАВ (Л1СЦ - 0,001 %) увеличивает приникающую способность жидкости. Но при увеличении влажности породы в 1,5 раза приращение скорости волны даже меньше, чем при насыщении чистой водой.
Таким образом, возникает задача выделения и количественной оценки данных тенденций. Анализ и экспериментальная проверка различных методов влагометрии [7] показали, что наиболее приемлемым путем решения данной задачи является использование высокочастотного диэлектрического метода, основанного на зависимости относительной диэлектрической проницаемости с от влажности горных пород. Данный метод достаточно точен, и его результаты зависят только от наличия влаги и практически не искажаются различием в строении (третинозатости) горных пород.
Диэлектрическая проницаемость определяется поляризацией минеральных зерен породы и дипольной поляризацией молекул раствора. Причем вклад каждого вида поляризации аддитивен, тогда е = е[я + а Щ где а - абсолютная скорость прироста диэлектрической проницаемости при увлажнении. Поскольку- для решения поставленной задачи требуется оценка лишь относительного прироста влажности, в качестве может быть принята диэлектрическая проницаемость горной породы в естественном состоянии (до увлажнения). Обозначив 5е = [(е - 8тУ8Т1>] 100 % и 1/а ■ р, получим
И'=Регп5£. (4)
Экспериментальная проверка данного соотношения показала, что в диапазоне изменения влажности от 0 до 15 % расхождение с опытными данными не превышает 5 %. Коэффициент пропорциональности ¿»остается неизменным (Ь= 0,044) при увлажнении различных пород, как водой, так и растворами ПАВ в различных концентрациях.
При начальной влажности массива 1Г ее относительное приращение А И/= IV- Ц/. Тогда уравнение (4) преобразуется к виду
ЛИ>= 0,044^„[(е-е,>/с,]100 % = 4,4(6,./е,)Де. (5) Если обозначить приращение скорости упругой волны за счет замещения газа в пустотах жидкостью как 8С( В), а ее уменьшение за счет развития трещиноватости пород за 8С (Л), то измеряемое в процессе насыщения массива приращение скорости упругой волны определится выражением
0,10 0,08 0,06
0,04 0,02
12 •>
У
I_/1 1 / 1 1 1 1 1—' 1
\ I \ Ул / д ±/
У/ \у 1 |
9 12 15 ¿С,%
Рис. 2. Зависимость изменения скорости упругой волны ЛСот влажности IVгорных пород: I - в воде; 2 - в ПАВ
Принимая, что насыщение пород чистой водой не приводит к развитию трещи но ватости. составляющую 8С ( IV) можно вычислить по уравнению (3) при \\ = 0. Если обозначить А И^ = И^ - IV, то уравнение преобразуется к виду
Д IV = А - ехр(-Я>С(Ю)). (7)
Учитывая соотношение (5), окончательно получим:
6С(ИО = -1п
1 Ш*™'*'
1—ш—г ' («)
По измеренному в процессе насыщения массива растворами ПАВ приращению скоросги волны 8С ш и известному 8С( И-) из соотношения (6) можно определить бС(/У). В свою очередь, исследованиями (5) установлено, что для изученных пород скорость продольной волны экспоненциально уменьшается с ростом концентрации трещин ДМ Для ее оценки можно использовать уравнение
АЛ' = {4,4-1п(100-8С(ЛО)}/</\ (9)
Таким образом, если при насыщении массива растворами ПАВ одновременно измерять относительное изменение скорости упругой волны бС^ и абсолютное приращение диэлектрической проницаемости горных пород Ас, то с помощью уравнений (5), (8), (6), (9) можно отслеживать как степень насыщения, так и рост трещиноватости обрабатываемого поверхностно-активными веществами породного массива. Это создает предпосылки для разработки технологии борьбы с горными ударами с помощью специально подобранных поверхностно-активных сред.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Влияние поверхностно-активных веществ на развитие трещиноватости нагруженных горных пород / Латышев О. Г.. Иванова Н. И., Иванова С. С., Псрцов Н. В. // Изв. вузов. Горный журнгл. 1988. № 12. С. 4-8.
2. Ержанов Ж. С. Теория ползучести и ее приложения. Алма-Ата: Наука. 1964. 176 с.
3. Латышев О. Г. Интенсификация ползучести горных порол под действием поверхностно-активных сред // Изв. вузов. Горный журнал. 1997. № 7-8. С. 1-5.
4. Латышев О. Г. Исследование и контроль увлажнения горных пород// Изв. вузов. Горный журнал. 1996. №12. С. 3-8.
5. Петухов И. М., Егоров П. В., Винокур Б. 111. Предотвращение горных удароз на рудниках. М.: Недра. 1984. 230 с.
6. Ребнндер П. А. Поверхностные явления, адсорбция и свойства адсорбционных слоев // Химия коллоидов. Л.: Госхимтехиздат. 1932. С. 184-285.
7. Ямщиков В. С. Контроль процессов горного производства. М.: Недра. 1989. 446 с.
