CC BY
0
УДК 622.02:531
ВЫБОР СПОСОБА УПРОЧНЕНИЯ РУДНОГО МАССИВА НА ОСНОВЕ ЕГО ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
Е.А. Ермолович, А.В. Овчинников, С.В. Донецкий, В.О. Гавриш
Исследовано влияние физических характеристик железно-слюдко-мартито-вой рыхлой руды на коэффициент фильтрации массива. Установлена его категория по водопроницаемости. Приводятся результаты экспериментальных исследований изменения значений коэффициента фильтрации образцов массива от влажности в ее диапазоне 0,05... 12 %. Изменения коэффициента фильтрации от влажности носят экстремальный характер и хорошо аппроксимируются полиномиальной функцией второго порядка с коэффициентом детерминации 0,97. Обоснован выбор способа упрочнения массива инъецированием полимерными растворами.
Ключевые слова: рыхлая руда, коэффициент фильтрации, влажность, гранулометрические параметры, упрочнение массива.
Обеспечивание устойчивости горных выработок и повышение прочности массива горных пород являются одними из наиболее актуальных и требующих решения задач.
Разработка месторождений полезных ископаемых характеризуется интенсификацией как проходческих, так и эксплуатационных горных работ, увеличением глубины их ведения, сложными горно-геологическими условиями, способствующими возникновению в массиве высоких напряжений и опасных динамических проявлений горного давления, потери устойчивости обнажающихся горных пород и обрушению в зонах ведения очистных и подготовительных работ [1].
Похожие условия характерны для шахт, разрабатывающих весьма неустойчивые рыхлые рудные массивы. В боках пройденных в них горизонтальных выработок разрушается порода отрывом приконтурных зон массива.
Результатами натурных исследований, проведенных на Яковлев-ском ГОКе [2], подтверждается, что потеря устойчивости приконтурного массива обусловлена образованием поверхностей сдвига в боках выработок, параметры которых зависят от деформационно-прочностных свойств руды. Разрушение рудного массива в боках выработок создает угрозу безопасности ведения горных работ и препятствует нормальному проведению технологических процессов, связанных с добычей руды.
Поиск эффективного способа повышения прочности массива горных пород начинается с определения его фильтрационных свойств, характеризуемых коэффициентом фильтрации, являющимся основным критерием для грамотного выбора способа упрочнения. Известно, что чем меньше коэффициент фильтрации породы, тем труднее осуществлять
инъекцию в массив химических растворов [3]. Согласно [4] по коэффициенту фильтрации грунты подразделяются на пять категорий по водопроницаемости, которые приведены в табл. 1.
Таблица 1
Классификация грунтов по водопроницаемости
Разновидность грунтов Коффициент фильтрации, м/сут.
Водонепроницаемый Менее 0,005
Слабоводопроницаемый От 0,005 до 0,3
Водопроницаемый От 0,3 до 3
Сильноводонепроницаемый От 3до 30
Очень сильноводонепроницаемый Более 30
Признано, что цементацию, глинизацию и битумизацию производят в песчаных, гравилистых и трещиноватых скальных породах с коэффициентом фильтрации Кф>50 м/сут. Цементный раствор не будет проникать в пустоты в рыхлой почве с эффективным размером менее 0,5 мм или плотной почве с эффективным размером менее 1,5 мм. Таким образом, цементное инъецирование не подходит для пород тоньше грубых песков [5, 6].
Однорастворную силикатизацию применяют для упрочнения песчаных массиов с Кф = 2-50 м/сут. Двухрастворный способ используют для закрепления мелких пылеватых песков с Кф = 0,5 - 5 м/сут. [7]. Смолиза-цию применяют для закрепления мелких песков с Кф>0,3 м/сут. [8]. Способы химического инъецирования были разработаны в ответ на необходимость закрепления, когда размеры пор в породе или грунте были слишком малы, чтобы позволить введение обычной суспензии портландцемента [9].
Для выбора эффективного способа упрочнения массива в прикон-турной зоне боков горизонтальной выработки, пройденной в рыхлой руде необходимо было проанализировать ее физическо-химические параметры.
Руда железно-слюдко-мартитовая, рыхлая без структурных связей, предел прочности при сжатии 1,0 МПа [2]. На Яковлевском месторождении на долю рыхлых богатых железных руд данного типа приходится около 60 %.
Гранулометрический состав и содержание железа общего по фракциям приведены в табл. 2.
Анализ данных табл. 2 показывает, что 58,6 % частиц руды имеют размер менее 0,1 мм, т.е. относятся к пылеватым фракциям.
Кроме железа в образцах руды, отобранных из массива со стороны боков штрека, содержатся следующие главные компоненты: кремнезем -
0,48 %, глинозема - 0,48 %, серы - 0,071 %, оксида фосфора - 0,025 %,
Место отбора исследуемой пробы рыхлой железной руды представлено на рис. 1.
Таблица 2
Гранулометрический состав руды и содержание железа общего
по фракциям
Размер фракции, мм Долевое участие, % Бе, общ. %
0 < 0,1 58,6 67,44
0,1 < 0,15 3,7 66,88
0,15 < 0,2 3,4 66,05
0,2 < 0,5 3,9 65,93
0,5 < 0,63 2,0 64,7
0,63 < 1 6,0 64,71
1 < 2,5 10,7 62,45
2,5 < 8 9,9 63,1
8 < 10 1,2 61,03
> 10 0,6 58,73
в шахте Яковлевского ГОКа
Фильтрационные исследования проведены на образцах с естественной влажностью 6 %, а также на образцах с различным уровнем
влажности: воздушно-сухое состояние (гигроскопическая влажность 0,05 %), 3, 9, 13 % (полная влагоемкость). Необходимое для доувлажне-
ния руды количество воды определялось по формуле
Q = т
1+0,01 • ш.
• 0,0l(w - ),
(1)
для испытания, г; влажность образца
где 0 - количество воды, г; т1 - масса руды - гигроскопическая влажность руды, %; Ш -руды, %.
Рассчитанное количество воды добавлялось к исследуемому образцу рыхлой руды и тщательно перемешивалось шпателем в чаше затво-рения. Изучение водопроницаемости проводилось в приборе СОЮЗДОР-НИИ ПКФ-СД в соответствии с ГОСТ [10]. Фильтрационная трубка порциями заполнялась исследуемой породой и трамбовалась. При этом формировался образец высотой примерно 100 мм. В соответствии с ГОСТ [11] устанавливалась плотность образца. После водонасыщения образца фильтрационная трубка извлекалась из стакана с водой и испытания на фильтрацию проводились непосредственно на поддоне, так как время падения уровня воды до отметки 50 мм значительно превышало 10 минут [10]. Обработка результатов испытаний проводилась в соответствии с ГОСТ [10]. Результаты испытаний приведены в табл. 3.
Таблица 3
Влажность образца руды Ш, % Параметры для расчета коэффициента фильтрации Коэффициент фильтрации Кф, м/сут. Средний коэффициент фильтрации Кф, м/сут.
высота образца И, см градиент напора I объем воды V, см3 время 1;, сек
0,05 10,1 1 9,81 2360 0,13 0,14
10,1 2585 0,12
10,0 1896 0,16
3,0 10,0 1 9,81 1058 0,31 0,26
10,0 1257 0,26
10,0 1633 0,20
6,0 10,7 1 9,81 1070 0,30 0,32
10,5 908 0,34
9,0 10,4 1 9,81 1499 0,21 0,20
10,1 1615 0,19
10,0 1611 0,20
12,0 10,0 1 9,81 4946 0,067 0,06
10,0 5389 0,060
Для определения оптимального диапазона влажности, допускающего инъецирование в массив упрочняющих растворов, и для выбора способа упрочнения была установлена закономерность изменения среднего коэффициента фильтрации от влажности образцов руды (рис. 2), которая хорошо аппроксимируется полиноминальной функцией второго порядка с коэффициентами детерминации Я2 =0,97:
Кф = -0,0056 W2 + 0,0601 W + 0,1374 , (2)
где Кф - средний коэффициент фильтрации, м/сут.; W - влажность образцов руды, %.
Каждая точка на графиках данных и последующих зависимостей получена, как среднее из двух-трех измерений (табл. 3).
Рис. 2. График зависимости изменений среднего коэффициента фильтрации от влажности образцов руды
Анализ полученных данных показал, что 58,6 % частиц руды имеют размер менее 0,1 мм и относятся к пылеватым фракциям. Это повлияло на водопроницаемость массива. В результате оценки зависимости коэффициента фильтрации от влажности установлено, что образцы рыхлой руды относятся к слабоводопроницаемым в воздушно-сухом состоянии до состояния максимального водонасыщения, за исключением естественной влажности 6 %, при которой массив является водопроницаемым. Это существенно влияет на выбор способа упрочнения массива. При таком значении коэффициента фильтрации в качестве способа упрочнения подходит только применение инъецирования полимерных растворов.
Список литературы
1. Выбор метода иньекционного упрочнения массива с предварительным торкретированием весьма неустойчивых горных пород / В.И.Го-лик, Ю.И. Разоренов, С.Г.Страданченко, З.М. Хашева // ГИАБ.1997. №4. С. 106-107.
2. Стрелецкий А.В. Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок под защитным перекрытием (на примере Яковлевского рудника): автореф. дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2013. 20 с.
3. Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве / Г.О. Смирнова [и др.]. Новосибирск, 2012. 75 с.
4. ГОСТ 25100-2020. Грунты. Классификация. М.: Стандарт-информ, 2020. 41 с.
5. Peck R. B., Hanson W. E., Thornburn T. H. Foundation engineering. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1974. 514 p.
6. Ермолович Е.А., Донецкий С.В., Ермолович О.В. Влияние фло-кулянтов на выбор способа закрепления гидрозакладочного массива. // ГИАБ. 2016. №10. С. 201-211.
7. Организация и технология ремонтно-строительных работ при реконструкции и капитальном ремонте гражданских зданий. Ч. 1. Общие сведения. Восстановление и усиление оснований и фундаментов: учеб. пособие / В.И. Леденев, И.В.Матвеева, Е.В. Аленичева, И.В. Гиясова. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. 100 с.
8. Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве / Г.О. Смирнова [и др.]. Новосибирск, 2012. 75 с.
9. Mackevicius Rimantas. Strengthening of permeable soils by grouting with modified polymer resins. Environmental engineering: The 8th International Conference (May 19-20, 2011, Vilnius, Lithuania) . Vilnius, 2011. Р.1128-1132.
10. ГОСТ 25584-2016 Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации. М.: Стандартинформ, 2019. 24 с.
11. ГОСТ 5180-2015 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: Стандартинформ, 2016. 20 с.
Ермолович Елена Ахмедовна, д-р техн. наук, профессор, профессор, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Овчинников Александр Владимирович, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Донецкий Сергей Владимирович, канд. техн. наук, donetskiy@,bsu.edu.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Гавриш Владислав Олегович, аспирант, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
SELECTION OF THE METHOD FOR ORE MASSIF HARDENING BASED ON ITS FILTRATION PROPERTIES
E.A. Ermolovich, A.V. Ovchinnikov, C.V.Donetskiy, V.O.Gavrish
The influence of the physical characteristics of iron-mica-martite, loose ore on the massif filtration coefficient is explored. The massif category for water permeability has been established. The results of experimental studies of changes in the values of the massif samples filtration coefficient from the humidity in the range of 0.05 ...12 % are presented. Filtration coefficient changes depending on humidity are extreme and are well approximated by a second-order polynomial function with a coefficient of determination of 0,97. The choice of method for hardening the massif by injection with polymer solutions is justified.
Key words: filtration coefficient, humidity, granulometric parameters, hardening of the massif
Ermolovich Elena Akhmedovna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,
Ovchinnikov Aleksandr Vladimirovich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,
Donetskiy Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, do-netskiy@,bsu.edu.ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,
Gavrish Vladislav Olegovich, postgraduate, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod National Research University
Reference
1. The choice of a method of injection hardening of an array with preliminary shotcrete of highly unstable rocks / V.I.Golik, Yu.I. Razorenov, S.G.Stradanchenko, Z.M. Khasheva // GI-AB.1997. No. 4. pp. 106-107.
2. Streletsky A.V. Geomechanical substantiation of the stability of mine workings under protective overlap (using the example of the Yakovlevsky mine): author's abstract. dis. ... candidate of Technical Sciences. St. Petersburg, 2013. 20 p.
3. Soil strengthening by injection methods in construction / G.O. Smirnova [et al.]. Novosibirsk, 2012.75 p.
4. GOST 25100-2020. Soils. Classification. Moscow: Standartinform, 2020. 41 p.
5. Peck R. B., Hanson W. E., Thornburn T. H. Foundation engi-neering. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1974. 514 p.
6. Ermolovich E.A., Donetskiy S.V., Ermolovich O.V. Influence of flocculants on the choice of the method of fixing the hydraulic lining. // GIAB. 2016. No.10. pp. 201-211.
7. Organization and technology of repair and construction works during reconstruction and major repairs of civil buildings. Part 1. General information. Restoration and strengthening of foundations and foundations: studies. the manual / V.I. Ledenev, I.V.Matveeva, E.V. Alenicheva, I.V. Giyasova. Tambov: Publishing House of the Tambov State Technical University. unita, 2006. 100 p.
8. Soil strengthening by injection methods in construction / G.O. Smirnova [et al.]. Novosibirsk, 2012.75 p.
9. Mackevicius Rimantas. Strengthening of permeable soils by grouting with modified polymer resins. Environmental engineering: The 8th International Conference (May 19-20, 2011, Vilnius, Lithuania). Vilnius, 2011. p.1128-1132.
10. GOST 25584-2016 Soils. Methods of laboratory determination of the filtration coefficient. M.: Standartinform, 2019. 24 p.
11. GOST 5180-2015 Soils. Methods of laboratory determination of physical characteristics. M.: Standartinform, 2016. 20 p.
УДК 622.2
ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ЛИКВИДАЦИИ НЕГАЗОВЫХ
УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Г.В. Стась, Д.Н. Шкуратский, А.Н. Качурин, А.И. Болгова
Формирование аэрогазодинамических процессов, влияющих на содержание кислорода в атмосфере очистных и подготовительных забоев угольных шахт, обусловлено технологическими воздействиями на угольные пласты, активизирующими низкотемпературное окисление угля и вытеснение кислорода из проветриваемых объемов при экстренных газовыделениях на углекислотообильных шахтах, и при интенсивном выделении метана на метанообильных шахтах. В периоды экстренного выделения «мертвого воздуха» из выработанных пространств в углекислотообильных шахтах, обусловленного резким снижением статического давления воздуха в шахтах, происходит интенсивное обескислороживание атмосферы очистных и подготовительных участков, поэтому необходимо подавать дополнительное количество воздуха. Дополнительное количество воздуха изменяется от 40 до 90 % и более от расчетного значения при стабильном статическом давлении воздуха на шахте.
Ключевые слова: аэрогазодинамические процессы, кислород, аэрологическая безопасность, воздух, атмосферное давление, разбавление и поглощение кислорода, математическое моделирование.
Анализ данных по интенсивности загазирования горных выработок углекислотообильных шахт, которые относят к так называемым негазовым шахтам, свидетельствует о высоком уровне опасности по кислородному фактору. Это не соответствует перспективным планам развития угольной отрасли в Кузнецкщм, Донецком и Подмосковном угольных бассейнах. Например, Подмосковный бассейн всегда занимал особое место в угольной промышленности России в связи с географическим расположением его в центре Европейской части. Разведанные балансовые запасы бурого угля бассейна составляют 3,4 млрд тонн, часть которых сосредоточена в Тульской области - 1,4 млрд тонн. При этом, несмотря на снижение числа угледобывающих предприятий, нарушение газового со-
