На правах рукописи
СЫНБУЛАТОВ Владимир Владимирович
НАПРАВЛЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ И СОСТОЯНИЯ
СКАЛЬНЫХ ПОРОД ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ
ВЕЩЕСТВАМИ ПРИ ПРЕДОТВРАЩЕНИИ ГОРНЫХ УДАРОВ
НА РУДНИКАХ УРАЛА
Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Екатеринбург – 2008
Работа выполнена в ГОУ ВПО
«Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель -
|
доктор технических наук, профессор
Латышев Олег Георгиевич
|
Официальные оппоненты:
|
доктор технических наук, профессор
Зотеев Олег Вадимович
кандидат технических наук
Аксенов Анатолий Аркадьевич
|
Ведущая организация -
|
ОАО «Институт Уралгипроруда»
|
Защита состоится «4» декабря 2008 г. в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, ауд. 2142. Телефон (343) 257-24-71.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
Уральского государственного горного университета
Автореферат диссертации разослан «___» октября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
|
Багазеев В. К.
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
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 камуфлетное 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.
Представленные исследования в значительной мере посвящены решению данных задач, что и определяет их актуальность.
Объект исследований – потенциально удароопасные горные породы Урала.
Предмет исследования – закономерности воздействия поверхностно-активных веществ на свойства и состояние скальных пород удароопасных месторождений.
Цель работы – совершенствование методов борьбы с горными ударами на рудниках Урала.
Идея работы – использование установленных закономерностей воздействия поверхностно-активных веществ на свойства и состояние скальных пород для повышения эффективности методов борьбы с горными ударами.
Основные задачи исследований:
1. Отработка способов и изучение трещиноватости горных пород с фрактальных позиций.
2. Выбор эффективных растворов ПАВ и определение их влияния на деформационные и реологические характеристики скальных пород.
3. Установление закономерностей насыщения горных пород активными растворами в их связи с фрактальными характеристиками трещин.
4. Разработка критериев эффективности использования поверхностно-активных веществ для борьбы с горными ударами, разработка методов прогноза.
Методы исследований: оригинальные методики изучения кинетики активных растворов с одновременным измерением скорости упругой волны и диэлектрической проницаемости горных пород; люминесцентный метод изучения трещин под микроскопом; оценка получаемых результатов с позиций теории вероятностей и математической статистики; аналитические исследования закономерностей на основе фундаментальных законов физики твердого тела (горных пород), теории размерностей и фрактальной геометрии; стандартные методики определения свойств горных пород.
Защищаемые научные положения:
1. Активизация под действием ПАВ ползучести горных пород обеспечивает снижение их удароопасности и определяется ослаблением межзеренных контактов и вторичным деформированием пород за счет процесса саморазвития трещин, характеристиками которых является их фрактальная размерность.
2. Кинетика насыщения горных пород растворами ПАВ реализуется в трех стадиях, последняя из которых определяется транспортом активных молекул по развивающимся трещинам и коррелирует с финальной стадией ползучести пород.
3. Прогнозирование эффективности использования поверхностно-активных веществ как средства борьбы с горными ударами базируется на системе аналитических критериев, которые представляют собой безразмерные комбинации параметров, в единой модели учитывающих взаимосвязь и взаимообусловленность изменяющихся свойств горных пород и технологических характеристик бурения разгрузочных скважин и камуфлетного взрывания.
Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается достаточным (для обеспечения принятой надежности – 95 %) объемом экспериментальных исследований; удовлетворительным соответствием аналитических расчетов с результатами шахтных испытаний по насыщению массива растворами ПАВ и бурению разгрузочных скважин (расхождение не превышает естественного разброса данных); непротиворечивостью полученных результатов фундаментальным положениям физики твердого тела (горных пород), теории размерностей и фрактальной геометрии.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
- Впервые установлена связь финальной стадии ползучести с фрактальными характеристиками трещин, развивающихся в напряженных горных породах под действием ПАВ.
- Определена взаимосвязь кинетики насыщения горных пород активными растворами с характером их ползучести и получены новые расчетные соотношения.
- Впервые установлена система уравнений, позволяющая прогнозировать степень насыщения породного массива поверхностно-активными веществами только за счет бурения разгрузочных скважин с промывкой растворами ПАВ.
- Обоснованы новые формулы критериев эффективности камуфлетного взрывания и бурения разгрузочных скважин, которые в единой модели учитывают изменяющиеся под действием ПАВ свойства горных пород и характеристики технологического процесса.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики использования поверхностно-активных веществ для борьбы с горными ударами; разработанная система критериев позволяет априорно оценивать эффективность применения ПАВ при бурении разгрузочных скважин и камуфлетном взрывании.
Личный вклад автора состоит: в его непосредственном участии в постановке задач, организации и проведении экспериментальных исследований; в отработке методики люминесцентного микроскопического метода изучения фрактальных характеристик трещиноватости горных пород; в анализе и обобщении результатов промышленных испытаний по нагнетанию в породный массив активных растворов и бурению разгрузочных скважин с промывкой растворами ПАВ; в аналитическом обосновании критериев эффективности камуфлетного взрывания и бурения разгрузочных скважин; в получении основных выводов и рекомендаций работы.
Реализация результатов работы. Комплексная методика выбора эффективных для борьбы с горными ударами растворов ПАВ в их оптимальной концентрации, а также Временные указания по бурению разгрузочных скважин с промывкой растворами поверхностно-активных веществ переданы для использования в ОАО «Институт Уралгипроруда», Институт горного дела УрО РАН, Уральский филиал ОАО ВНИМИ, ОАО «Севуралбокситруда», ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет».
Теоретические результаты и разработанная методика оценки фрактальных размерностей трещин, а также критерии эффективности бурения скважин и камуфлетного взрывания используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам: «Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании», «Методы и средства изучения быстропротекающих процессов». Автор непосредственно участвует в проведении данных занятий и в их методическом обеспечении.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса высших учебных заведений, осуществляющих подготовку научно-педагогических кадров горно-геологического, нефтегазового и металлургического профиля (Санкт-Петербург, 2005 г.); II Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (Екатеринбург, 2007 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2008 г.); на конференциях молодых ученых УГГУ, проводимых в рамках Уральской горнопромышленной декады в 2004-2008 гг.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах. Из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях Российской Федерации и одна монография.
Объем и структура работы. Объем диссертации 197 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков и 16 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 110 наименований и 5 Приложений.
Работа выполнена в рамках исследований по следующей тематике: «Управление свойствами и состоянием скальных горных пород поверхностно-активными веществами и проектирование оптимальных параметров их разработки в меняющихся горно-геологических условиях» (грант Минобразования РФ ТО2-04.4-3154, 2003-2004 гг.); «Изучение последствий и теоретические основы прогноза изменения геологической среды при подземных техногенных воздействиях» (задание Федерального агентства по образованию 1.13.05, 2005-2007 гг.); «Исследование фрактальных свойств и теоретические основы прогноза образования и развития трещин в процессах разрушения горных пород» (задание Федерального агентства по образованию, 2008-2010 гг.).
Основное содержание работы.
Большинство месторождений Урала на отрабатываемых в настоящее время глубинах относятся к опасным по горных ударам. Типичным представителем являются Североуральские бокситовые рудники (СУБР), где мероприятия по предотвращению горных ударов проводятся на постоянной основе. Поэтому большая часть исследований выполнена применительно к условиям данных месторождений.
Разработка мероприятий по предотвращению горных ударов ведется преимущественно в двух направлениях – приведение горных пород в неудароопасное 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. Овчаренко, Н.В. Перцов, П.А. Ребиндер, Е.Д. Шукин, О.А. Эдельштейн и др.).
В основе эффекта Ребиндера лежит адсорбционное понижение поверхностной 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 нагружении горных пород. На кафедре шахтного строительства УГГУ при непосредственном участии автора разработан и опробован люминесцентный микроскопический метод изучения трещиноватости горных пород, который позволяет фиксировать общую картину трещиноватости и координаты отдельных трещин. Последнее особенно важно, поскольку дает возможность определять фрактальную (дробную) размерность трещин и оценивать их истинную геометрию.
По разработанной методике было исследовано 9 образцов андезитобальтовых туфов СУБРа. 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 упругих деформаций превышает работу пластических. По этим признакам большинство скальных пород Урала относятся к категории склонных к хрупкому разрушению (удароопасных). Действие ПАВ способно вывести горные породы из этого состояния. Нами проведены исследования деформационных характеристик основных литотипов пород СУБРа. 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 межзеренных 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)
где Е0 – начальный модуль упругости горных пород; а – безразмерный коэффициент, характеризующий асимптоту зависимости, т. е. предельно возможное увеличение относительно модуля деформации; b – безразмерный параметр, характеризующий скорость роста Е с нагрузкой; σ, σсж – напряжение и прочность при сжатии пород. Указанные характеристики определены экспериментально для основных типов горных пород Североуральских бокситовых месторождений для различных растворов ПАВ и условий нагружения. Так, для известняков в растворе MgCl2 средние значения составляют: a = 1,27; b = 0,06; Е0 = 4,6 ГПа.
Мерой необратимых изменений, т. е. пластифицирования горных пород в ПАВ, служит величина их остаточной деформации
 (2)
где коэффициент пропорциональности k зависит от активности раствора 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 типичный график для пироксен-плагиоклазового порфирита СУБРа. Характер графика отражает зависимости деформирования горных пород в активной среде. Начиная с некоторого уровня напряжений (на графики это 17 % от σсж) в горной породе начинается межзеренное 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 люминесцентно-микроскопического метода.
 
|
