«МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НАПРАВЛЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ ...»

Министерство образования и наук

и РФ

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

На правах рукописи

Карасв Кирилл Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ

В УСЛОВИЯХ НАПРАВЛЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (открытая, подземная и строительная)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д-р техн. наук, профессор Латышев О. Г.

Екатеринбург 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………...……

1. АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ

БУРЕНИЯ (современное состояние исследований)…………………………………………. 1.1. Физические основы механического бурения горных пород ……………………..… 1.2. Фрактальные характеристики трещин………………………………………………… 1.3. Физико-химические основы действия поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера) ……………………………………………………………………….…………… 1.4. Опыт использования поверхностно-активных веществ в процессах горного производства …………………………………...………………….…………………………. 1.5. Основные направления исследований по использованию ПАВ при бурении горных пород ………………………………………………………………………………… 1.6. Цель и задачи исследований ……………………………………………………………

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА

СВОЙСТВА И СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД …………………………………………… 2.1. Изучаемые горные породы и методы исследований ………………………………… 2.2. Выбор поверхностно-активной среды …………………………………………….…... 2.2.1. Общие принципы выбора поверхностно-активной среды ……………….… 2.2.2. Определение контактной прочности горных пород как критерия выбора ПАВ ……………………………………………………………………………………. 2.2.3. Статистический анализ временной функции контактной прочности горных пород …………………………………………………………………………………… 2.2.4. Фрактальный анализ временных рядов контактной прочности ……………. 2.3. Влияние поверхностно-активных веществ на развитие трещиноватости горных пород.. 2.3.1. Методика изучения трещиноватости горных пород …………………………. 2.3.2. Экспериментальные исследования трещинной структуры горных пород … 2.3.3. Определение фрактальных характеристик трещиноватости горных пород.. 2.3.4. Оценка влияния поверхностно-активных веществ на развитие трещинной структуры горных пород ……………………………………………………………… 2.4. Упругие и пластические свойства горных пород ……………………….……………. 2.5. Прочностные характеристики горных пород …………………………….…………… 2.6. Прогнозирование изменения свойств и состояния горных пород под действием ПАВ.. ВЫВОДЫ ………………………………………………….…………………………………….. 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ………………….…. 3.1. Обоснование критериев эффективности процесса бурения ………………………... 3.1.1. Общие принципы формирования критериев эффективности ………………. 3.1.2. Производительность бурения горных пород ……………………………….… 3.1.3. Критерии износа и затупления бурового инструмента ……………………… 3.1.4. Критерии пылеобразование при бурении …………………………………….. 3.1.5. Оценка коэффициента неоднородности горных пород ……

3.2. Исследование дробления горных пород ударом …………………………………..…. 3.3. Лабораторные исследования процесса бурения ………………………………………. 3.4. Моделирование износа бурового инструмента ……………………..………………… 3.5. Математическая модель ударного бурения ……………………………..…………….. 3.5.1. Общая оценка буримости горных пород с промывкой растворами ПАВ ….. 3.5.2. Формирование модели …………………………………………...…………….. 3.5.3. Реализация модели и анализ результатов …………………………………….. ВЫВОДЫ ………………………………………………………………………………………..

4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ПРОГНОЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ ……………………………………………………………..………….. 4.1. Организация опытно-промышленных испытаний …………………………………… 4.2. Исследование механической скорости бурения ……………………………………… 4.3. Оценка износа и затупления бурового инструмента ………………………………… 4.4. Оценка запыленности шахтной атмосферы …………………………………………... 4.5. Прогноз буримости горных пород на основе имитационного моделирования …… 4.6. Элементы технологии и экологические аспекты применения ПАВ в процессе бурения …………………………………………………………………………….………… 4.7. Математическая модель оптимизации параметров проходческого цикла при использовании ПАВ ………………………………………………………………………… 4.7.1. Аналитическая модель процесса бурения шпуров ……………………..….… 4.7.2. Аналитическая модель процесса уборки породы ……………………….……. 4.7.3. Взаимосвязь параметров проходческих процессов (компоновка модели) …. 4.7.4. Реализация модели ……………………………………………………………… 4.7.5. Экономическая оценка технологии проходки …………………………..…… 4.8. Использование результатов работы ……………………………………….…………...

ВВЕДЕНИЕ

Определяющим процессом любой горной технологии является разрушение пород.

Применительно к подземной разработке прочных скальных пород наиболее распространенным, а подчас единственно возможным способом являются буровзрывные работы (БВР). По трудоемкости и времени процесс бурения составляет до половины общих затрат на строительство выработок и добычу полезных ископаемых. В этой связи главной задачей науки и практики является повышение эффективности указанного процесса.

Одним из наиболее перспективных направлений совершенствования процесса бурения является управление свойствами и состоянием горных пород. Эффективным инструментом этого служит использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). Основанное на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера) действие ПАВ сопровождается разупрочнением пород и другими эффектами, способствующими повышению эффективности их разрушения. Приоритет в обосновании и разработке данного направления принадлежит отечественным ученым. Имеется положительный опыт использования ПАВ при бурении в подземных условиях. Однако широкое применение поверхностно-активных веществ в горном деле сдерживается следующими факторами.

Избирательность действия ПАВ требует определения эффективных растворов и поддержания их оптимальной концентрации для данных пород и условий разрушения. В настоящее время нет достаточно работоспособной методики прогноза эффективности использования ПАВ в процессе бурения, без чего невозможно проектировать рациональные параметры технологии этого процесса. Достаточно хорошо изучено влияние ПАВ на прочностные и упругие свойства пород, но все это сделано на феноменологическом уровне, т. е.

имеется множество данных по конкретным породам, но нет ясной теоретической концепции, которая могла бы явиться основой прогноза. Общепризнано, что разрушаемость пород (особенно при бурении) определяется зарождением и развитием трещин. Поэтому требуются дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования развития трещинной структуры горных пород в поверхностно-активной среде. При этом необходимо учитывать и исследовать трещины как фрактальные объекты.

Таким образом, тема диссертационных исследований, направленных на решение указанных задач, является актуальной.

Объект исследований – процесс бурения в условиях направленного изменения свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами.

Предмет исследований – закономерности воздействия ПАВ на трещинную структуру и свойства горных пород, определяющие эффективность процесса бурения.

Цель работы – разработка метода прогноза эффективности использования ПАВ при бурении на основе моделирования процесса.

Основная идея работы заключается в использовании установленных закономерностей воздействия ПАВ на характеристики горных пород и процессов их разрушения для прогноза эффективности использования поверхностно-активных веществ при бурении шпуров.

Задачи исследований:

1. Разработка методики выбора эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации применительно к процессу бурения горных пород.

2. Исследование влияния ПАВ на характеристики трещинной структуры и свойства горных пород.

3. Моделирование процесса бурения.

4. Обоснование критериев эффективности процесса бурения на основе учета комплекса свойств пород и параметров технологии.

5. Анализ результатов опытно-промышленных испытаний и разработка методов прогноза эффективности использования ПАВ в процессе буровзрывных работ при проходке выработок.

Методы исследований: анализ теорий прочности и физики разрушения горных пород в процессе бурения; современные стандартные методики лабораторного определения свойств горных пород; люминесцентный метод дефектоскопии пород; моделирование процесса бурения; оценка результатов с позиций теории информации, физики разрушения горных пород и фрактальной геометрии.

Защищаемые научные положения:

1. Методика выбора эффективных для данных горно-геологических условий растворов ПАВ в их оптимальной концентрации, основанная на фрактальном тренд-анализе временных рядов контактной прочности, позволяет осуществлять прогноз изменения свойств горных пород в поверхностно-активной среде.

2. Прогноз результатов использования ПАВ в горной технологии основывается на критериях: эффективности бурения, стойкости бурового инструмента, пылеобразования, учитывающих взаимообусловленность параметров техники, технологии и комплекса свойств пород, адекватность которых подтверждается результатами моделирования процесса и промышленных экспериментов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждается: непротиворечивостью полученных результатов фундаментальным положениям физики разрушения горных пород и теорий бурения;

достаточным (с точки зрения заданного уровня надежности – 95 %) объемом и представительностью статистических выборок, явившихся основой для установления основных закономерностей, изложенных в работе; удовлетворительным соответствием прогнозных оценок результатам модулирования и опытно-промышленного бурения шпуров; апробацией и положительными результатами использования разработанных рекомендаций и методик.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- Разработана методика выбора оптимальных для данных пород растворов ПАВ, основанная на анализе временных рядов контактной прочности пород и отличающаяся комплексным использованием статистических и фрактальных (показатель Хрста) характеристик ряда.

- Определены закономерности трещинообразования и изменения свойств горных пород в поверхностно-активной среде, что создает основы моделирования процесса бурения.

- Разработана математическая модель разрушения пород единичным ударом бурового инструмента на основе описания работы ядра уплотнения на стадиях деформирования пород с учетом установленных закономерностей воздействия ПАВ на данные процессы.

- Обоснованы формулы критериев эффективности бурения шпуров с точки зрения производительности процесса, износа инструмента и выхода пыли на основе учета комплексной взаимообусловленности комплекса свойств пород, технологических параметров и действия поверхностно-активной среды.

- Разработана система прогнозных оценок, основанная на компьютерной модели оптимизации технологии проходки выработок, учитывающая положительные эффекты бурения шпуров с промывкой растворами ПАВ.

Практическая значимость работы заключается в разработке комплексной методики прогноза эффективности использования поверхностно-активных веществ в процессе бурения скальных пород, включающей выбор эффективных растворов ПАВ, оценку скорости бурения, износа и затупления бурового инструмента, пылеподавления. Это создает основу проектирования оптимальной технологии горных работ.

Личный вклад состоит в постановке задач исследований; непосредственном участии в лабораторных исследованиях трещинной структуры и свойств горных пород в поверхностноактивной среде; в осуществлении моделирования процесса бурения; в анализе результатов опытно-промышленных испытаний и разработке критериев эффективности использования ПАВ в процессе бурения; в формировании основных выводов и результатов работы.

Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации и методики переданы «Уралгипротранс», ООО «Унипромедь». Полученные теоретические и экспериментальные результаты использованы при подготовке учебников по дисциплинам: «Физика горных пород», «Моделирование физических процессов в горном деле», регламентируемым Федеральными государственными образовательными стандартами (ФГОС-3), а также при проведении занятий по данным курсам, в которых автор принимает непосредственное участие.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на III Всероссийской молодежной научно-практической конференция 10 – 13 февраля 2009 г. – г. Екатеринбург; на Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса – г. Санкт-Петербург ( г.); на IV Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», - г. Екатеринбург (2013 г); на Международной технической конференции «Теория и практика добычи, обработки и применения природного камня» г.

Екатеринбург (2014 г.); на ежегодных молодежных научно-практических конференциях Уральского государственного горного университета, Екатеринбург (2008-2014 гг.).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 15 научных работах. Из них 7 статей в ведущих рецензируемых научных изданиях.

1. АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ

1.1. Физические основы механического бурения горных пород Эффективность бурения определяется в первую очередь прочностью разрабатываемых пород. Проблема прочности очень сложна, и, по-видимому, в ближайшее время на построение единой и всеобъемлющей теории прочности не будет [62]. Это обусловлено как многообразием горных пород, так и неопределенностью самого понятия «разрушение». Например, хрупкие тела при определенном напряжении способны «взрывоподобно» распадаться на множество частей (диспергировать). Напротив, пластичные тела (например, влажная глина) даже при очень больших нагрузках не теряют сплошности, но при этом имеют весьма малую несущую способность.

В теоретических расчетах горную породу часто представляют непрерывной, однородной и изотропной средой. В этом случае прочность однозначно определяется силами взаимодействия между частицами тела. Такие расчеты показывают, что теоретическая прочность твердых тел составляет примерно десятую часть от модуля упругости материала:

0,1 E. Однако реальная (определенная в опыте) прочность на несколько порядков ниже теоретической. Это обусловлено многими факторами.

Горная порода представляет собой многокомпонентную (гетерогенную) систему с различными по свойствам минеральными зернами и цементирующим материалом. В соответствии с теорией Маргетройда при нагружении такой системы напряжения на упругих элементах будут повышаться за счет релаксации напряжений в вязкопластических областях [106]. Вследствие этого в горной породе возникают очаги перенапряжений.

Кристаллы, слагающие горную породу, не образуют идеально правильной упаковки атомов, а имеют множество дефектов, нарушающих межатомное взаимодействие. К их числу относятся [39]: тепловые колебания атомов, точечные (вакансии, атомы внедрения, примесные атомы) и линейные дефекты (дислокации).

Особую роль в формировании прочности твердых тел играют трещины. Впервые теоретические исследования прочности стеклянных нитей с надрезами (трещинами) провел А.

Гриффитс [62].

Теория, предложенная в 1921 году английским инженером Аланом Арнольдом Гриффитсом (1883-1963 гг.) [163], рассматривает именно физику процесса разрушения.

Опираясь на теоретические исследования Г. В. Колосова, определившего закономерности концентрации напряжений в окрестности трещины, Гриффитс сформулировал стройную теорию хрупкого разрушения тел. Он предположил, что в твердом теле всегда присутствуют трещины, значительно снижающие его сопротивление нагрузкам. Критерий прочности Гриффитса основан на равенстве трещинодвижущей силы:

и сопротивлению росту трещины:

где L – длина трещины; – действующее напряжение; E – модуль упругости; eS – удельная поверхностная энергия горных пород.

Разрушающее значение напряжения (прочность при растяжении) в соответствии с критерием Гриффитса, запишется в виде:

Теория Гриффитса с поправками Ирвина – Орована [44] достаточно точно описывает механизм разрушения горных пород. Однако не решает проблему прочности в целом в силу следующих присущих данной теории недостатков. В частности, теория Гриффитса постулирует наличие в разрушаемом теле трещин, никак не объясняя механизм их зарождения. А без наличия трещин теория просто не работает. Экспериментальные данные по разрушению горных пород [92, 145] показывают, что такие характеристики, как пределы упругости, прочности, текучести, явно нестабильны и их величина существенно зависит от условий нагружения тел.

Такое непостоянство указанных «пределов» указывает на какую-то общую физическую причину, делающую их неоднозначными, а принятую статическую модель – неполной. Отсюда следует, что разрушение материалов следует рассматривать как эволюционный процесс, развивающийся во времени.

Предпринимались попытки объяснить этот процесс в рамках классической теории хрупкого разрушения (теории Гриффитса). Так, Е. Орован [165] предположил, что временная зависимость прочности обусловлена адсорбцией молекул воды поверхностью трещин, что снижает поверхностную энергию тел es. В соответствии с концепцией Маргетройда [126] этот феномен определяется гетерогенным строением горных пород, вследствие чего с увеличением длительности нагружения происходит увеличение (концентрация) напряжений на более упругих элементах тела за счет разгрузки (релаксации) вязкопластических областей. Данные явления, несомненно, имеют место. Однако они не в состоянии полностью объяснить и, что главное, количественно описать процесс. Таким образом, зависимость прочности от времени нагружения невозможно понять с чисто статических позиций, принимая прочность как константу материала. Необходимо рассматривать процесс разрушения на атомно-молекулярном уровне.

Такие исследования впервые предпринял академик С. Н. Журков [40] в 50-х годах ХХ века. Он предложил кинетическую концепцию прочности и ввел понятие долговечности тела tд, т. е. время его жизни при данных условиях нагружения. Уравнение долговечности материала при постоянной температуре можно описать уравнением [126]:

где А и – константы материала.

Главным фактором снижения прочности во времени оказались тепловые колебания атомов в твердом теле. Их учет существенно меняет саму постановку задачи разработки теории прочности. Действительно, в этом случае внешней нагрузке сопротивляется уже не статичный ансамбль связанных атомов, а некоторая динамическая система, находящаяся в колебательном движении. Опытами на растяжение твердых тел самой различной структуры (моно- и поликристаллы, полимеры, композитные материалы) было установлено, что их прочность существенно зависит от температуры и времени нагружения. Характер этой зависимости показывает, что со временем в нагруженном теле идут процессы постепенного накопления элементарных актов разрушения. Например, после прерывания нагрузки по истечении какогото времени образец становится ослабленным и при дальнейшем нагружении его прочность снижается. При этом существенно, что темпы снижения прочности во времени зависят от температуры тела. Аналитически эта зависимость выражается формулой:

где k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.

Величина U ( ) может быть названа энергией активации процесса разрушения, т. е.

энергией, необходимой для отрыва атомов из узла кристаллической решетки (потенциальный барьер). Структура данной функции следующая:

где U0 – начальная энергия активации при отсутствии напряжений ( = 0).

Данное выражение показывает, что с увеличением напряжений энергия активации, а, следовательно, и долговечность тела уменьшаются. Внешняя сила ( ) напрягает связи между атомами и играет роль «вентиля», облегчая и направляя разрушающее действие тепловых флуктуаций. В отсутствие процессы ухода атомов из узла решетки за счет прихода Ефл уравновешиваются обратным приходом атомов из межузлия, т. е. данный процесс имеет ненаправленный характер. Член выражает ту работу, которую в разрушении тела выполняет внешняя сила (остальную часть работы, т. е. U0 -, выполняют тепловые флуктуации).

Рассмотренные выше теории и концепции прочности основываются на модели тела либо как однородной бесструктурной среды, либо как материала, имеющего структуру, но однородного по всему объему. Горные породы такими телами заведомо не являются. Они сложены различными по свойствам минеральными зернами, содержат макро дефекты в виде пор и различных включений, а также объекты различного агрегатного состояния (газы, жидкости). В этих условиях детерминированные теории прочности оказываются явно несостоятельными.

Разрушение горной породы (с позиций любой теории прочности) определяется действующими в ней напряжениями. Но в силу неоднородного строения пород локальные очаги концентрации напряжений распределены в ее объеме случайным образом. Поэтому прочность и разрушение горных пород необходимо рассматривать со статистических позиций. Такой подход оправдан и для большинства других, используемых человеком, материалов. Идея о статистической природе прочности впервые (в научном плане) была выдвинута отечественными учеными А. П. Александровым и Н. С. Журковым в 1933 г. [3]. Дальнейшее развитие статистической теории прочности отражено в работах В. Вейбулла [21], Т. А.

Канторовой и Я. И. Френкеля [47], С. Д. Волкова [25] и других исследователей.

Таким образом, описанные выше теории не позволяют достоверно рассчитывать прочность реальных пород. Поэтому в инженерной практике используют технические критерии прочности [51, 118].

Главным и наиболее употребительным в инженерной практике является критерий Мора. Условие разрушения определяется соотношением предельных касательных и В настоящее время теория Мора [97] получила широкое распространение в инженерной практике. Теория связывает предельные касательные и нормальные напряжения. При этом принимается, что прочность тел практически не зависит от величины промежуточного напряжения 2. Применительно к горным породам установлено [16, 117, 141, 142], что такое допущение дает ошибку не более 10-15 %. Это не превышает погрешности экспериментальных определений прочности пород.

Теории и концепции процесса механического бурения В общем случае разрушение горных пород происходит под действием сложного напряженного состояния, которое можно охарактеризовать совокупностью сжимающих, растягивающих и скалывающих напряжений. Исходя из предположения о равенстве вклада каждого вида напряжений в процессе разрушения пород, В. В. Ржевский и Г. Я. Новик [129] предложили обобщенный показатель относительной трудности разрушения:

где kc – коэффициент структурного ослабления массива;

- объемный вес горных пород.

А = 5 10-8 и В = 5 10-5 м – коэффициенты, введенные из соображений удобства классификации горных пород по разрушаемости. Данный обобщенный показатель может быть конкретизирован для различных способов разрушения, в частности, для бурения:

где А = 7 10-8 и В = 103 м.

Применительно к бурению, показателем, наиболее полно отражающим эффективность процесса, может служить скорость бурения Vб. Так, по данным разных авторов [8, 18, 129 и др.] для перфораторного бурения Vб связана со свойствами пород следующим образом:

где k – коэффициент, учитывающий конструктивные особенности бурового инструмента;

где f – коэффициент крепости горных пород, Vб – мм/мин;

где N – мощность перфоратора, кВт, d – диаметр буровой коронки, мм, fд – динамический коэффициент крепости;

где - угол приострения лезвия инструмента, fт – коэффициент трения инструмента о породу;

где А – энергия единичного удара, Дж, n – частота ударов в минуту, dш – диаметр шпура, мм;

где Vmax – показатель дробимости (по Л. И. Барону):

где Рк – контактная прочность горных пород.

Не меньшее количество таких статистических уравнений известно для вращательного, шарошечного и других способов бурения. Анализ этих уравнений показывает, что рассчитанные скорости бурения для одних и тех же пород и условий могут отличаться в несколько раз. Обращает на себя внимание и разный характер зависимостей. Все это становится понятным, если учесть, что уравнения найдены по опытным данным для конкретных пород, типов перфораторов, технологий бурения, включая условия работы, квалификацию бурильщиков и др. Поэтому каждое уравнение можно использовать лишь для тех условий, для которых оно найдено.

закономерностей процесса разрушения. Однако разработка строгих аналитических методов расчета в силу сложности и неоднозначности реального механизма разрушения пород всегда связана с некоторыми (иногда спорными) допущениями и известной идеализацией объекта – горной породы. Это часто приводит к тому, что расчетные показатели существенно отличаются от данных практики. И, тем не менее, аналитический подход является более предпочтительным, ибо он позволяет учесть объективно действующие в природе закономерности.

Первая теоретическая схема ударного разрушения была предложена в конце XIX века Долежалеком (Чехословакия). Дальнейшее ее развитие связано с русским ученым Н.С.

Успенским (1909 г.) [136]. Данная теория основана на рассмотрении системы сил при внедрении в горную породу инструмента клиновидной формы, при этом физика разрушения пород под инструментом не рассматривается.

Теория Н. С. Успенского дает верные соотношения между силовыми характеристиками бурения, однако ее использование для конкретных расчетов ограничено в силу присущих ей недостатков. Во-первых, это наличие эмпирических коэффициентов, величину которых нельзя определить из общефизических представлений. В некоторых работах приводятся соответствующие рекомендации. Кроме того, теория не рассматривает физику процесса разрушения. В частности, используемые в расчетных формулах величины прочности на смятие и скалывание горных пород, не имеют ясного физического смысла. Однако достоверность расчетной схемы и корректность вывода основных соотношений позволяют использовать данную теорию как базовую при разработке методов проектирования процесса бурения.

Как показано Л. А. Шрейнером [149], разрушение горных пород механическим инструментов всегда связано с его внедрением в поверхность породы. При этом процесс можно представить как вдавливание плоского штампа в полубесконечное тело (упругое или упругопластичное полупространство). За счет действующей нагрузки под штампом образуется область объемного сжатия, называемая ядром уплотнения. Плодотворная идея об образовании и роли ядра уплотнения в процессе разрушения горных пород была высказана И. А. Остроушко [105].

В общем случае сжатое в продольном направлении ядро уплотнения расширяется в поперечном направлении. Возникающие вблизи этого ядра растягивающие напряжения и приводят к разрушению горной породы. Разрушение горной породы под инструментом происходит в результате комбинации скола (разрушение на вторую свободную поверхность, образованную в результате предыдущего акта разрушения) и выкола (разрушение на ту же поверхность, на которую приложена разрушающая сила).

Основываясь на работе ядра уплотнения, И. А. Остроушко [105] разработал теорию бурения, основные черты которой можно представить в следующем виде. Разрушение породы под штампом носит циклически-затухающий характер. В каждом цикле можно выделить несколько этапов. На первом этапе под действием осевой нагрузки PY возникает упругий прогиб породы под штампом. Деформация породы при этом соответствует закону Гука. На втором этапе, когда напряжения породы под штампом достигают предела упругости, в ней происходят необратимые изменения, заключающиеся в следующем. В площадках под углом 45 о касательные напряжения достигают максимума, и образуется система трещин. Деформация породы становится нелинейной. На третьем этапе под инструментом образуется ограниченное трещинами ядро уплотнения в объеме конуса. Горные породы в ядре находятся в условиях объемного сжатия. Расширяясь под действием нагрузки, ядро уплотнения выталкивает породу по трещинам. После этого ядро мгновенно разгружается, и объемное напряженное состояние переходит в одноосное. Запасенная в ядре уплотнения упругая энергия расходуется на разрушение и переизмельчение породы. Нагрузка резко падает и штамп заглубляется в породу на глубину h0. При этом под штампом в основании конуса разрушения остается переизмельченная порода. На четвертом этапе при движении инструмента происходит уплотнение разрушенной породы под штампом, что сопровождается возрастанием усилия PY. При этом уплотненная порода служит дополнительным рабочим телом, передающим нагрузку на окружающий массив. Затем цикл разрушения повторяется, но уже при большем осевом усилии, поскольку расходуется дополнительная энергия на уплотнение разрушенной породы под штампом и преодоление сил трения боковой поверхности штампа о породу. Число циклов разрушения зависит от величины осевого усилия и свойств горных пород. При этом от цикла к циклу сопротивление внедрению инструмента увеличивается, а объем разрушения, как и величина деформации, уменьшается.

Зная глубину и объем разрушения, можно теоретически определить требуемые для эффективного разрушения пород осевые усилия PY, энергоемкость разрушения, скорость бурения, параметры бурового инструмента и т. п. Однако приводить эти расчеты нецелесообразно в силу следующих причин. Данный расчет выполнен для первого цикла разрушения. Однако, как отмечает сам И. А. Остроушко, объемы разрушения в последующих циклах по мере углубления инструмента в массив уменьшаются и не имеют правильных геометрических форм, оконтуриваясь сложными поверхностями, которые зависят от свойств и реального строения горных пород и во многом носят случайный характер.

В простейшем случае скола на вторую свободную поверхность Ю. И. Протасов [114] предложил следующую модель разрушения горных пород. При внедрении силой F инструмента (штампа) в горную породу на величину h, под ним образуется ядро уплотнения объемом V0, где порода находится в состоянии всестороннего сжатия. По боковой поверхности ядра уплотнения возникает реакция массива Р, которая зависит от силы F и расстояния до свободной поверхности Н. Разрушение горной породы путем скола происходит по площадке S0 и объем разрушения составляет V.

Ядро уплотнения, расширяясь под действием силы F в направлении свободной поверхности, производит работу по отделению объема V от массива:

где k – коэффициент, учитывающий отличие реального поведения массива от идеально упругого; может интерпретироваться как коэффициент пластичности.

С другой стороны, работа ядра уплотнения определяется увеличением его объема:

где dVF и dVP – прирост объема ядра уплотнения, соответственно, от силы F и реакции отпора Из закона сохранения энергии можно записать для данной схемы разрушения уравнение энергетического баланса [114]:

где - коэффициент Пуассона горной породы;

А1 и В – ширина и длина лезвия инструмента;

0,1Е;

b – коэффициент формы объема V; для прямоугольной фигуры b = 1.

Из уравнения (1.18) можно определить величину отбиваемого объема породы:

Линейная скорость разрушения определится как Vб = V/ S t, где t – время единичного акта разрушения. Применительно к процессу перфораторного бурения S = d2/4 = В2/4 и t = 1/n, где n – частота ударов. Отсюда скорость бурения:

Нагружение массива, ограниченного одной свободной поверхностью, силой F при ограниченной площади ее приложения S приводит к местному разрушению горной породы – выколу. По схеме, предложенной Ю. И. Протасовым [114], под инструментом образуется первичное ядро уплотнения V01, деформация которого в поперечном направлении V1 вызывает ответную реакцию породы. При этом образуется вторичное ядро уплотнения V02, которое, расширяясь в направлении свободной поверхности, выталкивает из массива объем V породы.

Принятые Ю.И. Протасовым теоретические схемы скола и выкола, послужившие основой представленных уравнений, достаточно и идеализированы. Так ядро уплотнения имеет значительно более сложную форму. Вторая обнаженная поверхность, даже будучи строго перпендикулярной поверхности забоя, через 2 – 3 цикла разрушения преобразуется в наклонную плоскость с непредсказуемыми очертаниями. Кроме того, при выводе уравнений приняты допущения об идеальной однородности разрушаемого массива. В этой связи использовать математический аппарат тории Ю.И. Протасова для расчета конкретного процесса бурения вряд ли целесообразно. Однако теория впервые определила основные параметры разрушения в зависимости от свойств горных пород. Это дает уникальную возможность глубокого анализа физики процесса бурения. Количественные же соотношения можно вполне корректно использовать для относительных оценок параметров при изменении, например, свойств горных пород.

Таким образом, единой работоспособной теории бурения в настоящее время не создано.

Однако многочисленные исследования теории и практики процесса позволяют выбирать оптимальную для данных горно-геологических условий буровую технику и проектировать эффективные режимы ее работы.

Износ и затупление бурового инструмента В результате взаимодействия бурового инструмента с горной породой происходит износ рабочего органа инструмента, что приводит к его затуплению и значительному снижению производительности бурения. Кроме того, износ и замена инструмента сопровождается материальными затратами. Данный процесс можно представить в виде следующих совместных действий механизмов [9, 114, 134].

Первоначальный скол.

Если остро заточенный инструмент внедрять в горную породу с силой Ру, то на его острие возникнет напряжение равное Pу / S. Для идеально острого инструмента S 0, тогда, но никакой материал такой нагрузки не выдержит и произойдет скол острия.

Величина скола зависит от приложенной нагрузки и прочности инструмента:

где В – длина лезвия инструмента.

Из геометрических соображений с учетом выражения (1.21):

После первоначального скола при последующем движении (или ударе) инструмента происходит концентрация напряжений и скол на других острых выступающих частях до тех пор, пока лезвие инструмента не примет скругленную форму радиусом r. При этом за счет многократных сколов в материале инструмента могут возникнуть трещины, что ослабляет его сопротивляемость (т.е. прочность).

Образование пыли в процессе бурения Самой опасной для человека является пыль, состоящая на 70 – 80 % из частиц размер которых менее 10 мкм. Вдыхаемая рабочими пыль становится источником различных заболеваний (пневмокониоз, силикоз, антракоз и др.). Кроме того, угольная и сульфидная пыли способны взрываться, что приводит к катастрофическим последствиям.

Источником пыли при бурении являются следующие механизмы [114]: разрушение ядра переизмельчение разрушенной породы за счет движения бурового инструмента. Теория и практика показывают, что основная доля выхода пыли (85-92 %) является первый механизм, т.е.

работа ядра уплотнения. Запасенная упругая энергия и действующие в ядре напряжения значительно превышают энергоемкость и прочность горной породы при одноосном сжатии, вследствие чего порода в объеме ядра V0 измельчается до тонкой пыли, а движение разрушающего инструмента способствует переизмельчению породы.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) в зависимости от содержания SiO колеблется от 1 до 6 мг на 1 м3 рудничной атмосферы. Теоретически определить надежно количество образующейся при бурении пыли не возможно. Существующие эмпирические формулы получены для конкретных пород, типов бурения, технологии бурения, включая квалификацию бурильщиков и т.д. Кроме того, данные формулы изобилуют эмпирическими коэффициентами, однозначное определение которых практически невозможно. Однако, обобщив все данные можно сделать вывод, что пылеобразование обусловлено, главным образом, следующими параметрами:

где f – коэффициент крепости пород;

Vбур – скорость бурения;

d – диаметр шпуров или скважин.

Вид функции зависит от способа бурения. Наименьший выход пыли дает вращательное бурение, наибольшее – ударное и термическое. В общем случае оценкой пылеобразования может служить отношение объемов ядра уплотнения V0 и общего разрушения V. Это отношение можно преобразовать к следующему виду (по данным Ю.П. Протасова) [112]:

Выполненный анализ показывает, что эффективность бурения, с точки зрения производительности процесса, износа и затупления бурового инструмента, выхода пыли определяется совокупностью свойств разрабатываемых пород и режимными параметрами бурения.

Разрушение горных пород под буровым инструментом Характер разрушения определяется распределением напряжений при внедрении инструмента в горную породу. В простейшем случае моделью процесса может служить действие сосредоточенной силы Р на упругое полупространство. Анализ напряженного состояния такой модели, основывается на решении пространственной задачи французского физика Буссинеска [134].

Из этого решения следует, что по оси симметрии все нормальные напряжения являются сжимающими, т.е. горная порода находится в условиях объемного сжатия. В реальных условиях буровой инструмент имеет определенную форму и геометрические размеры, поэтому рассмотренную модель (условие сосредоточенной нагрузки) следует скорректировать.

Реальный буровой инструмент для различных способов бурения имеет сложную геометрию.

Однако исследованиями Л. А. Шрейнера [149] установлено, что качественно достоверные результаты можно получить, рассматривая внедрение в породу цилиндрического штампа с плоским основанием.

Распределение давления по плоскости контакта плоского основания цилиндрического штампа с горной породой не является равномерным и зависит от расстояния х от оси штампа [134].

Отсюда следует, что на оси штампа (при х = 0) давление будет наименьшим: (х = 0) = Р/2а2. На контуре контакта (при х = а) давление становится бесконечно большим: (х = 0).

Теория и практика исследования показывают, что на поверхности контакта штампа с породой вертикальные и горизонтальные напряжения максимальны и равны между собой: z = x = y = max, а касательные напряжения отсутствуют: = 0. Следовательно, тонкий приповерхностный слой горной породы находится в условиях равномерного всестороннего сжатия, т.е. разрушить не может. Однако, по мере удаления от поверхности контакта (Z > 0), нормальные напряжения убывают, причем горизонтальные напряжения (x = y) убывают более интенсивно, чем вертикальные z. Разница в нормальных напряжениях (в соответствии с теорией Мора) вызывает появление касательных напряжений. С увеличением этой разницы касательные напряжения растут, достигая максимума на глубине, примерно соответствующей радиусу штампа а. Именно эти касательные напряжения и определяют разрушение горной породы под штампом.

В общем случае, по скорости приложения нагрузки различают статическое и динамическое разрушение. При медленном статическом нагружении вследствие явлений упругого последействия, релаксации напряжений и конечной скорости движения и размножения дефектов структуры для разрушения тела требуется меньшая по величине нагрузка, чем в случае динамического (ударного) воздействия [62]. С этой точки зрения статическое разрушение пород энергетически более выгодно.

Однако преимущество ударного разрушения заключается в том, что за очень малый промежуток времени (10-4 – 10-5 с) возникающие в месте удара силы очень велики. Так при ударе молотком по наковальне возникает сила в десятки тонн, хотя сила, действующая на молоток во время его разгона перед ударом, составляет всего 2 кгс. Для получения такого же выигрыша в силе при статической нагрузке потребовался бы рычаг с соотношением плеч 1:5000. Например, при длине малого плеча см, большое плечо должно иметь длину 1 км [8, 13].

Независимо от конкретной техники и технологии ударного разрушения данный процесс можно представить как взаимный динамический контакт двух тел. Главной характеристикой удара является его импульс:

где Рср – средняя величина силы, возникающей на площадке контакта соударяющихся тел;

t – время такого контакта.

Как следует из выше изложенного анализа закономерностей механического бурения, основным фактором разрушения пород под инструментом является зарождение и развитие трещин. В скальных (кристаллических) горных породах такие трещины имеют сложную геометрию.

Трещины, как и любой природный объект, существуют в трехмерном мире. Поэтому любое тело имеет три измерения – длину, высоту и ширину. Положение тела описывается тремя независимыми переменными (координатами X, Y, Z) или степенями свободы. Такая размерность называется параметрической. Формализованным и более строгим с математической точки зрения является понятие топологической размерности d. Здесь размерность точки составляет d = 0, линии - d = 1, плоскости - d = 2 и объема - d = 3. В общем случае топология, являясь базой теории множеств, оперирует с любым n-мерным пространством.

Евклидова геометрия, основанная на представлении о размерности или числе измерений древнегреческих ученых (Пифагор, Аристотель и др.), всю природу сводит к чисто симметричным объектам: точке, линии, плоскости, объему. Поэтому при описании реальных тел всегда стремились представить их геометрию сочетанием этих простейших понятий. В действительности природа отвергает симметрию. Евклидовые формы – есть абстракция, не имеющая ничего общего с реальной природой. Еще во II веке н. э. греческий мыслитель Секст Эмпирик обратил внимание на ограниченность представлений о размерности как непременно целом числе. Он писал: «Геометры говорят, что линия есть длина без ширины, а мы, скептики, не можем понять длины, не имеющей ширины».

Таким образом, в природе существуют объекты, для точного измерения которых топологической размерности становится явно недостаточно. Впервые с этим фактом столкнулся англичанин Д. Ричардсон [56]. Пользуясь обычным циркулем, он измерял длину береговой линии Великобритании на картах разного масштаба. Он заметил, что чем меньше был раствор циркуля, тем все большие подробности побережья входили в измеряемую длину и результаты измерения непрерывно увеличивались. Причем он выявил, что рост длины береговой линии L подчиняется степенному закону (закон Ричардсона):

где - некоторая константа;

- отрицательный показатель степени.

Отсюда возник парадокс – береговая линия имеет бесконечную длину, хотя она, несомненно, замкнута. Как заметил Ричардсон, это уже не линия, но еще и не плоскость. Она является чем-то средним между одномерной и двумерной фигурами.

Основные идеи, положившие начало теории размерностей, были сформулированы еще в XIX веке Пуанкаре, Лебегом, Брауэром, Менгером. Связь размерности с геометрией окружающего мира и математический аппарат этой геометрии оформился в работах Кантора, Вейерштрассе, Пеано и др. Впервые понятие дробной размерности dH ввел Феликс Хаусдорф в 1919 году. В 1975 году Б. Мандельброт [93] назвал объекты с дробной размерностью df Бенуа Мандельброт дал общее определение: «Фракталом в узком смысле называется множество, размерность Хаусдорфа для которого строго больше его топологической размерности».

Данному определению соответствует реальный физический смысл, показывающий процесс усложнения объектов. Так, линию, изначально имеющую топологическую размерность d = 1, путем бесконечного числа изгибаний можно привести к предельному случаю, когда она полностью покроет некоторую конечную площадь c размерностью d = 2. Следовательно, в процессе таких изгибаний линия будет изменять свою размерность от 1 до 2. Примером изменения размерности d от 2 до 3 может служить превращение плоскости (например, скомканный носовой планок).

Вернемся к измерению длины береговой (фрактальной) линии. Из уравнения (1.77) следует:

где log = const.

где N( ) – число отрезков длиной, покрывающих всю линию.

Из уравнений (1.30 и 1.31) следует:

В соответствии с размерностью Хаусдорфа следовательно, Тогда из уравнений (1.32 и 1.34) получим:

Поскольку в уравнении (1.29) < 0, то размерность Хаусдорфа dH в уравнении (1.35) строго больше топологической размерности d береговой линии. Поэтому в соответствии с определением Мандельброта, такие линии являются фракталами. Подобные рассуждения будут, очевидно, справедливы и для любой произвольных очертаний трещины.

Термин «фрактал» (от лат. fractus – дробный) был введен в 1975 году Бенуа Мандельбротом. Типичным примером естественного фрактала может служить дерево или трещина, ствол которых разделяется на две ветви, которые в свою очередь разделяются еще на две и т. д. С точки зрения фрактальной геометрии плодотворно рассматривать следующие объекты [110]: линии берегов; рельеф местности; очертания облаков; турбулентные потоки;

организации живых систем; молекулы вещества; динамические системы с хаотическим поведением; частоту слов в текстах; структуры горных пород; дисперсные системы и др.

Таким образом, фрактальная размерность отражает реальную геометрию объектов и характеризует степень их изломанности. Так, длина фрактальной кривой зависит от шага измерений и определяется выражением: L() = a (1- df), где а – принятая мера длины. Тогда, чем больше фрактальная размерность лини, тем больше ее истинная длина. В работе [137] приводятся фрактальные размерности линии границ различных стран. Максимальная величина размерности (df = 1,52) отмечена для Норвегии с характерной изрезанностью ее берегов;

минимальная (df = 1,02) – для границы Южной Африки, большая часть которой проходит по пустыне и проведена в виде прямой линии.

1.3. Физико-химические основы действия поверхностно-активных веществ Эффективным средством воздействия на свойства и состояние горных пород являются поверхностно-активные вещества (ПАВ). Поверхностно-активными называют вещества, положительно адсорбирующиеся на поверхности раздела фаз, т. е. образующие на поверхности адсорбционный слой [140]. Физико-химические основы действия ПАВ разработаны проф. П. А.

Ребиндером и развиты в трудах его учеников и последователей [87, 122, 151, 154]. В них заложен теоретический фундамент для создания методов управления механическими свойствами материалов с помощью поверхностно-активных веществ. П. А. Ребиндер первым связал адсорбционные процессы, происходящие на поверхности раздела, с механическими свойствами твердых тел [124]. Впоследствии это явление было названо «эффектом Ребиндера» [35].

Адсорбция приводит к аномально высокой концентрации вещества (адсорбата) из газообразной или жидкой среды на поверхности ее раздела с жидкостью или твердым телом (адсорбентом) [140]. Молекулы адсорбата связываются с атомами поверхности дипольным (физическая адсорбция) или обменным взаимодействием (хемосорбция). При этом с ростом температуры скорость физической адсорбции уменьшается в силу увеличения подвижности молекул адсорбата, в то время как скорость хемосорбции обычно возрастает из-за ускорения химических реакций.

Зависимость количества адсорбированного вещества от концентрации его в растворе при постоянной температуре называется изотермой адсорбции. В общем случае на изотерме адсорбции выделяют три ее участка, соответствующие трем этапам адсорбции: образование мономолекулярного слоя, полимолекулярная сорбция, капиллярная конденсация [36]. На первом этапе молекулы адсорбата покрывают всю доступную им поверхность твердого тела (поверхность трещин и пор, контакты минеральных зерен), образуя одномолекулярный адсорбционный слой. Этот процесс приводит к уменьшению удельной поверхностной энергии тела eS. За счет этого возникает движущая сила, действующая в плоскости касательной к поверхности, отнесенной к единице длины контура, ограничивающего эту поверхность. Эта сила обусловливает движение адсорбированных молекул (двумерная миграция) по поверхности трещин до тех пор, пока размеры молекулы не будут сопоставимы с шириной раскрытия трещины. При этом в ее тупике создается двумерное давление, облегчающее разрушение тела и дальнейшее развитие трещины. Эта движущая сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность, может быть представлена как разность удельной поверхностной энергии тела в вакууме (о) и тела, покрытого адсорбционным слоем данной степени насыщения (г), т. е. РS = e S(O) – eS(Г) [86].

Внешняя поверхность такого одномолекулярного адсорбционного слоя может обладать значительной лиофильностью, т. е. молекулярным сродством к окружающей жидкости.

Поэтому поверхность трещин может связывать молекулярными силами не только адсорбционный слой, но и переходные сольватные слои жидкости (второй этап). При этом связь молекул с поверхностью убывает с увеличением расстояния от поверхности. Такие сольватные слои жидкости при деформации тела оказывают расклинивающее давление на стенки трещины [87]. Если поверхность тела смачивается жидкостью, то возможен третий этап – капиллярная конденсация пара в капиллярах, микротрещинах и на контактах зерен. Таким образом, даже незначительные добавки ПАВ способны резко усилить адсорбционную способность растворов и, следовательно, влиять на свойства и состояние горных пород.

В настоящее время известно достаточно большое число различных классификаций поверхностно-активных веществ: по механизму их действия [101], по характеру диссоциации [140], по токсичности [29] и др. По П. А. Ребиндеру [122] все ПАВ в соответствии с их состоянием в водных растворах можно разделить на две большие группы – полуколлоидные ПАВ, обладающие моющими свойствами (обычные и синтетические мыла) и ПАВ, образующие в воде истинные растворы (спирты, жирные кислоты, амины). Собственно поверхностноактивными веществами принято называть органические соединения с асимметричной молекулярной структурой, которые содержат атомные группы, резко отличающиеся характером взаимодействия с окружающей средой [140]. Так гидрофобная (лиофильная) часть молекул ПАВ включает один или несколько углеводородных радикалов (RCnH2n+1, RC6H5 и др.).

Гидрофильная часть таких молекул образует одну или несколько полярных групп (OH-, COOH-, NH2-, SO3- и др.). Именно такая, называемая дифильной, структура и обусловливает высокую адсорбционную способность ПАВ. Однако еще П. А. Ребиндером, а затем и другими исследователями, для воздействия на горные породы, помимо собственно поверхностноактивных веществ, широко использовались электролиты, растворы солей, расплавы и пр.

В основе действия ПАВ лежит адсорбционное понижение поверхностной энергии твердого тела и, связанное с этим, развитие микро- и макротрещиноватости, т. е. изменение параметров строения тела. В силу сложности этого явления (эффекта Ребиндера) до настоящего времени удовлетворительной теории, позволяющей количественно описать механизм действия ПАВ, не создано [107]. Однако большинство исследователей признают, что главным фактором, обусловливающим рост трещин, является облегчение разрыва связи между атомами при их контакте с атомом ПАВ под действием растягивающих напряжений. Дополнительный эффект (по схеме П. А. Ребиндера [123]) оказывает расклинивающее действие атомов при их двумерной миграции к устью трещины.

В целом, качественную картину зарождения и развития трещин в присутствии поверхностно-активной среды можно представить следующим образом. В соответствии с кинетической концепцией прочности, развиваемой коллективом ученых во главе с С. Н.

Журковым [129], энергия активации процесса разрушения U ( ) = U0 - определяется начальной энергией активации U0, т. е. энергией выхода атомов из узла кристаллической решетки (потенциальный барьер), действующим напряжением и активационным объемом.

Под действием ПАВ U0 меняется мало, но резко (в несколько раз) увеличивается активационный объем, отражающий те изменения в механизме разрыва связей, которые вызываются участием в этом процессе инородных атомов [151]. Вследствие облегчения разрыва межатомных связей происходит накопление нарушений и объединение их в зародышевые микротрещины. Благодаря высокой активности молекулы ПАВ проникают в эти микротрещины и, адсорбируясь на ее поверхности, уменьшают удельную поверхностную энергию горной породы eS. В соответствии с теорией хрупкого разрушения (А. Гриффитса) это сопровождается уменьшением прочности тела, а дополнительное давление молекул ПАВ в устье трещины и расклинивающее действие сольватных слоев жидкости еще больше активизирует процесс развития трещин.

Инициируемый ПАВ процесс трещинообразования существенно меняет саму структуру горной породы, а это неизбежно сказывается на величине практически всех ее свойств [129].

Кроме того, степень трещиноватости (нарушенности) влияет на показатели большинства горных процессов и определяет устойчивость пород в выработках. В этой связи большое значение приобретает количественная оценка трещинообразования в присутствии ПАВ и исследование зависимости данного процесса от условий протекания эффекта Ребиндера:

величины и характера напряженного состояния пород, типа и концентрации ПАВ, кинетики его проникновения в тело и т. п.

Большинство выполненных в данном направлении исследований [1, 36, 55, 87, 104, 122, 151, 162, 164] посвящено либо качественному описанию форм протекания эффекта Ребиндера, либо количественной оценке роста одиночной трещины в абстрактной модели в виде линейной цепочки атомов в металлах и других однородных материалах. Из исследований по горным породам следует отметить работу [117] по изучению закономерностей роста трещин при различных видах напряженного состояния массива. В трудах ИГД им. А. А. Скочинского [29] обсуждается механизм образования трещин под резцом угольного комбайна, предлагается методика расчета развития трещин предразрушения на основе математического моделирования задачи разрушения породы под штампом. А. Д. Алексеевым [5] рассмотрены модели адсорбции для аргиллитов и песчаников, отмечена неоднозначность влияния ПАВ на изменение перфторпеларгоновой кислоты им наблюдалось повышение удельной поверхностной энергии пород. Концентрация трещин в зависимости от вида напряженного состояния и работы деформирования углей исследована в работе [26]. Результаты получены на основе экспериментов по объемному нагружению кубических образцов в присутствии ПАВ. В работе [14] установлено и в [60] уточнено выражение для величины поверхностной энергии углей в данной активной среде, необходимой для того, чтобы трещина росла с заданной скоростью.

Основным процессом горной технологии является разрушение пород, связанное с таким фундаментальным понятием, как прочность. В соответствии с теорией хрупкого разрушения (А.

(eS / l)1/2, т. е. снижение удельной поверхностной энергии тела eS и рост длины Гриффитса) [ ] критической тещины l под действием ПАВ однозначно приводят к снижению прочности [ ].

Действительно, исследованиями [151] показано удовлетворительное соответствие реального разупрочнения некоторых металлов теории Гриффитса. По этой теории хрупкое разрушение тела определяется не общей его трещиноватостью, а ростом одной «магистральной» трещины.

Однако, по мнению многих исследователей [5, 43, 166, 168], разрушение при статических нагрузках является следствием роста общего числа статистически распределенных в материале трещин. Тогда критерием прочности может служить показатель общей нарушенности (дефектности) пород.

Явление снижения прочности в присутствии ПАВ детально изучено для металлов [33, 152, 155], ионных соединений [2], полимерных материалов и молекулярных кристаллов органических соединений [94, 102]. Экспериментальные результаты, полученные на твердых телах различной природы, послужили основой для развития Е. Д. Щукиным и В. И. Лихтманом [153] теории хрупко-пластичного разрушения. Согласно этой теории процесс разрушения кристаллов осуществляется в две стадии. На первой стадии происходит постепенное зарождение и развитие «равновесных» микротрещин в процессе пластической деформации, всегда предшествующей разрыву. На второй стадии наблюдается относительно быстрое распространение трещин, утративших равновесность, на все сечение кристалла.

Значительное число работ [5, 28, 29, 91, 100, 104, 148, 156, 157] посвящено экспериментальному изучению влияния поверхностно-активных сред на прочностные характеристики горных пород, преимущественно угольных месторождений страны.

Установлено, что во всех случаях прочность снижается от 15 до 70 %. Причем наибольшее снижение отмечается для прочности при сжатии, наименьшее – для прочности при растяжении.

На качественном уровне делаются выводы о зависимости процесса от типа и концентрации ПАВ, водородного показателя среды pH, влажности, времени контакта со средой и др. [156].

Однако строгих количественных соотношений между этими факторами до настоящего времени не установлено. Немногочисленные конкретные зависимости (например, взаимосвязь прочности пород и содержанием в них физически связанной воды [5]) носят частный характер и могут быть использованы лишь для определенных пород и условий.

Понижение поверхностной энергии при адсорбции ПАВ приводит не только к разупрочнению твердых тел, но и к их пластифицированию, т. е. к заметному росту доли необратимых пластических деформаций при воздействии нагрузки. Этот эффект отмечается как для металлов и молекулярных кристаллов [19, 20, 87, 94, 107], так и для горных пород [29, 30, 100, 104, 148].

Согласно теории адсорбционного пластифицирования, разработанной Е. Д. Щукиным [150], данный эффект обусловлен взаимодействием линейных дефектов – дислокаций со свободной поверхностью тела. Выход дислокации на поверхность, сопровождающийся образованием «ступеньки», т. е. единичный акт пластической деформации требует совершения работы b2eS, где b – вектор Бюргерса. Поэтому снижение поверхностной энергии eS под действием ПАВ приводит к облегчению пластифицирования тела. Однако такой механизм внутризеренного скольжения может вносить заметный вклад в деформируемость тел только при температурах в несколько сотен градусов [167]. Преобладающим механизмом пластической деформации для горных пород при невысоких температурах является межзеренное скольжение [129], обусловленное концентрацией напряжений на контактах минеральных зерен и разрушением этих контактов, т. е. образованием межкристаллических трещин. Очевидно, что активизация трещинообразования в горных породах под действием ПАВ способно значительно увеличить пластические деформации.

Адсорбционное понижение прочности и пластифицирование влечет за собой закономерное изменение и других свойств горных пород. Так по данным Дж. Вестбрука [19] действие адсорбированной воды приводит к экспоненциальному снижению твердости ионных и ковалентных кристаллов. Введение в воду незначительных добавок ПАВ уменьшает твердость до 18–45 % [61]. Увеличение дефектности пород и проникновение, благодаря ПАВ, молекул воды в мельчайшие трещины и поры сказывается на величине их упругих, акустических, электромагнитных характеристик [129].

1.4. Опыт использования поверхностно-активных веществ в процессах горного Поверхностно-активные вещества достаточно давно и успешно используются в различных областях человеческой деятельности: в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и др. Однако применение ПАВ в процессах строительства шахт и разработки месторождений полезных ископаемых до настоящего времени носит лишь эпизодический характер, часто не выходящий за рамки опытно-промышленных испытаний. Однако возможность существенного изменения под действием ПАВ прочностных, упругих, реологических и горно-технологических характеристик пород, сравнительно низкая стоимость ПАВ, минимум дополнительных затрат при их использовании и экологическая безопасность открывают широкие перспективы использования поверхностно-активных веществ в горной технологии.

К числу наиболее разработанных направлений можно отнести: флотацию, где ПАВ выполняют роль коллекторов, депрессоров, пенообразователей; создание буровых и тампонажных растворов; очистка промышленных стоков и утилизация шламов; повышение нефтеотдачи пластов; борьба с пожарами в угольных шахтах [101]. Первые исследования в области использования ПАВ для разрушения горных пород были выполнены еще в 30-х годах П. А. Ребиндером и Л. А. Шрейнером [125, 149] применительно к процессу бурения с поверхности. Однако, несмотря на положительные результаты, эти работы не получили широкого практического внедрения. По мнению Ф. Д. Овчаренко [101] это было связано с отсутствием в то время дешевых и эффективных ПАВ, а использование поверхностно-активных электролитов, имеющих резко выраженный концентрационный максимум эффективности действия, было затруднено в силу значительного многообразия буримых пород, влияния засоленных пластовых вод и некоторых методических ошибок при выборе и поддержании нужной концентрации раствора.

В настоящее время к хорошо разработанным направлениям использования ПАВ при бурении можно отнести проходку геологоразведочных скважин и нефтяное бурение. Так, при разведке твердых полезных ископаемых с пенообразующими ПАВ пробурено более 100 тыс. м скважин в различных геологических условиях [158]. При шарошечном бурении нефтяных скважин только в объединении «Башнефть» с добавками ПАВ (в основном типа ОП) бурят ежегодно до 150 скважин [54]. Пена используется, главным образом, для снижения гидростатического давления столба очистного агента и улучшения условий удаления из скважины бурового шлама. Но при этом получают и ряд сопутствующих эффектов: повышение устойчивости стенок скважины, уменьшение расхода долот и потребляемой мощности, увеличение механической скорости бурения (в среднем на 10 %).

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования [23, 113, 129, 134, 149] показывают, что эффективность бурения шпуров и скважин определяется комплексом механических свойств и, в первую очередь, твердостью и прочностью горных пород.

Способность ПАВ существенно уменьшать величину этих характеристик обусловливает хорошие перспективы использования поверхностно-активных сред в качестве промывочной жидкости при бурении, особенно в подземных условиях, где специфика технологии состоит в разработке однородных блоков или пластов. Последнее обстоятельство облегчает подбор оптимальных ПАВ, что влечет за собой повышение эффективности их действия.

Помимо повышения скорости бурения использование ПАВ дает ряд побочных, но не менее важных эффектов. Так, исследованиями Дж. Вестбрука [19] установлено, что активно воздействуя на ионные и ковалентные кристаллы, поверхностно-активные вещества не ухудшают свойств металла, а напротив, значительное снижение в ПАВ абразивности и твердости пород способно уменьшить расход бурового инструмента [18]. Эти же факторы способствуют снижению пылевыделения при бурении [112], а высокая адсорбционная способность ПАВ приводит к слипанию и удалению из рудничной атмосферы наиболее вредной для здоровья человека мелкодисперсной пыли [15, 32, 52, 109].

Исходя из общих соображений, можно считать, что применение ПАВ перспективно при любых способах механического разрушения горных пород. Так в США за счет использования водных растворов ПАВ удалось достичь 20-25 % ускорения и удешевления работы врубовой машины при проходке тоннелей [101]. Сотрудниками ИГД им. А. А. Скочинского [27, 61, 53, 148, 156] проводятся широкие исследования по применению адсорбционно-активных сред при разрушении горных пород и углей проходческими комбайнами избирательного действия, оснащенными резцовым инструментом и работающими по принципу хрупкого скола.

Использование ПАВ в этом случае позволяет [29]: расширить область применения комбайнов на породы с крепостью выше паспортной, снизить энергоемкость разрушения, повысить нагрузку на очистной забой. Так, по данным работы [45] предварительное увлажнение угольного пласта приводит к следующим эффектам: снижению потребляемой мощности струговых установок на 23-37 % при увеличении глубины резания на 26-82 %; увеличению скорости продвигания комбайна на 43,5 % при снижении потребляемой мощности электродвигателей на 15 -28 %; повышению производительности комбайна на 28,4 %;

снижению пылеобразования в 5-10 раз. Известно также использование поверхностно-активных веществ при вибрационном измельчении цементов, измельчении угля на электростанциях [138].

Однако в условиях подземной разработки рудных месторождений использование ПАВ не отмечается. Практически не известны и исследования влияния ПАВ на эффективность взрывного разрушения горных пород, которые позволили бы сделать сколько-нибудь надежные выводы.

Широкое применение поверхностно-активные вещества могут найти для управления состоянием горного массива. Так известно использование ПАВ для управления трудно обрушаемыми кровлями [146]. Многочисленные исследования посвящены использованию ПАВ для борьбы с внезапными выбросами угля, породы и газа [5, 24, 41, 53, 95, 100, 103, 108].

Таким образом, влияя на свойства горных пород, поверхностно-активные среды могут эффективно использоваться для направленного изменения свойств и состояния массива в различных процессах строительства шахт и разработки месторождений полезных ископаемых.

Однако многие исследования в этой области разбросаны по различным изданиям и часто труднодоступны для работников горной промышленности [101]. Кроме того, зачастую эти исследования посвящены одной, иногда достаточно узкой области применения ПАВ, тогда как объект воздействия – горный массив един для самых разных процессов горной технологии.

Действительно, насыщая массив растворами ПАВ при борьбе с горными ударами или выбросами, нельзя не учитывать влияния измененного состояния массива на эффективность последующих процессов: бурения, взрывной отбойки, погрузки горной массы, устойчивости выработки и др.

Коллективом кафедры шахтного строительства Уральского государственного горного университета (УГГУ) многие годы ведутся научные исследования в данном направлении [22, 62, 64, 65, 70, 71, 73, 76, 77, 78, 79, 84]. Основные достигнутые результаты состоят в следующем. Установлено, что повышение производительности бурения обусловлено не только (и даже не столько) уменьшением прочности и твердости пород под действием ПАВ, сколько общей системой взаимодействия горной породы, поверхностно-активной среды и разрушающего инструмента. При последовательном многократном действии инструмента на горную породу образуется достаточно обширная зона трещиноватости (зона предразрушения), куда проникают активные растворы, ослабляя массив на значительную глубину. Поэтому нет необходимости в предварительном насыщении разрабатываемого массива растворами ПАВ, что связано с остановкой работ и весьма существенными трудозатратами. Достаточно лишь подавать активные компоненты на забой шпура или скважины вместе с промывочной жидкостью.

В соответствии с разработанным и утвержденным «Временным руководством по организации процесса бурения с промывкой растворами ПАВ» проведена серия опытнопромышленных испытаний. В частности, осуществлено перфораторное бурение шпуров в девяти забоях горных выработок в различных породах и горно-геологических условиях Североуральских бокситовых месторождений и Горловского региона Донбасса.

Разрабатываемый массив представлен эффузивными породами пироксен-плагиоклазового состава, органогенными известняками и аркозовыми песчаниками с коэффициентом крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова от f = 7 до f = 18. Применяемые поверхностно-активные вещества: додецилсульфат натрия (ДС), AlCl3, MgCl2 в концентрации, соответственно 0,16%;

0,001% и 0,1%. Во всех случаях использование ПАВ существенно (от 21 до 53%) повышает чистую скорость бурения. При этом надежно установлено повышение эффективности использования ПАВ с увеличением крепости горных пород.

Важно отметить, что эффективность использования ПАВ не снижается даже при бурении вертикальных шпуров в подтопляемой части ствола. Так при бурении шпуров по песчаникам крепостью f = 11 в забое ствола №4 шахты им. Изотова (Донбасс) с использованием MgCl2 – 0,1% достигнуто среднее увеличение скорости бурения на 25%.

Максимальная эффективность использования ПАВ получена при бурении скважин станком НКР-100 с промывкой раствором AlCl3 – 0,001% по пироксен-плагиоклазовым порфиритам f = 14 (забой камеры кругового опрокида гор. –860 м шахты «Ново-Кальинская»). Скорость чистого бурения увеличилась на 53%.

С помощью моделирования на стендах института НИПИГормаш процесса резания бокситов и известняков СУБРа в различных режимах установлены расчетные соотношения между силовыми и энергетическими характеристиками процесса, свойствами горных пород и параметрами резания. Расчет и экспериментальные исследования показывают, что подача на рабочий орган комбайна 0,01% раствора AlCl3 в среднем на 20% уменьшает необходимые усилия резания боксита, что обеспечивает рост производительности отбойки в 1,6 раза. При этом увеличивается оптимальная величина шага резания, что ведет к сокращению расхода резцов. Область эффективного использования комбайнов расширяется до горных пород с коэффициентом крепости f = 10-12.

Проходка части выработок Екатеринбургского метрополитена осуществляется с помощью горнопроходческого комплекса фирмы «Вирт», работающего по принципу разрушения пород дисковыми шарошками. Комплексное исследование действия ПАВ на горные породы по трассе метрополитена также выявило их высокую эффективность. В частности, для разрабатываемых на данном этапе строительства гранитов использование сульфата натрия в концентрации 0,025% приводит к снижению их прочности и твердости от до 50%, уменьшению модуля упругости в среднем на 35%. Выполненный на базе расчетной методики В.В.Ржевского и теоретических соотношений Ю.И.Протасова прогноз показывает, что использование данного раствора ПАВ способно увеличить производительность проходческого комплекса в среднем в 1,2 раза.

При взрывном воздействии основным критерием разрушаемости горных пород является распределение в них микротрещин еще на стадии предшествующей разрушению. Действие поверхностно-активных веществ приводит как к быстрому росту существующих в породе трещин, так и к зарождению новых. Это выражается в увеличении их трещиноватости и нарушенности в 3 и более раза. Исследованиями установлена зависимость параметров взрывного разрушения от показателя дефектности горных пород, который может интерпретироваться как относительная концентрация в породе трещин размерами менее 2 мкм.

На основе изученных закономерностей распределения трещин в горных породах и полученных количественных соотношений установлено, что обработка разрушаемого массива оптимально подобранным раствором ПАВ позволяет не менее, чем в 1,4 раза снизить удельный расход ВВ. Соответственно, в такой же пропорции возможно уменьшение числа шпуров или скважин на забой.

Проблема выбора эффективных поверхностно-активных веществ Одной из главных черт эффекта Ребиндера является его избирательность. Она состоит в том, что существенное изменение свойств твердого тела может обеспечить только родственное данному телу поверхностно-активное вещество в его оптимальной концентрации. Так по представлениям П. А. Ребиндера [151] наиболее активными по отношению к телам с ионной или ионно-ковалентной связью являются полярные жидкости – расплавы солей или растворы электролитов. Для молекулярных кристаллов наибольший эффект достигается в органических жидкостях типа бензола, гептана, ацетона. В этой связи большое значение приобретает выбор эффективного ПАВ для конкретных горных пород. Однако по свидетельству Н. В. Перцова [107], несмотря на более, чем полувековой период исследований, надежного теоретического инструмента выбора оптимальной ПС для реального технологического процесса не создано.

Господствует эмпирический подход и в обозримом будущем изменения ситуации не предвидится.

В соответствии с существом эффекта Ребиндера – адсорбционным понижением прочности в качестве критерия эффективности может использоваться удельная адсорбция и, связанная с ней, мера поверхностной активности. Основным инструментом анализа при этом служит изотерма адсорбции [28, 55, 104]. Косвенной оценкой процесса взаимодействия твердого тела с ПАВ является время впитывания раствора в порошок горной породы [26, 90, 147]. Главный недостаток этих методов – не учет реального строения горных пород. В этой связи было предложено [147] определять время впитывания раствора ПАВ в необработанную поверхность породы.

Универсальным параметром, играющим решающую роль в процессе взаимодействия твердого тела со средой, является величина свободной поверхностной энергии тела.

Определение этой величины возможно методами одиночной трещины, затухающих колебаний, раскалывания, царапанья, абразивного шлифования, взаимного истирания и др. [59]. Наиболее распространенным является метод одиночной трещины, на поверхность которой наносят исследуемое ПАВ. Реализация метода может быть самой различной: растяжение полуплоскости или пластины с трещиной [5], раскалывание диска с трещиной [161], изгиб балки с трещиной (инженерный метод) [29], измерение скорости роста трещины [60]. В работе [111] предлагается оценивать эту величину по удельной энергоемкости разрушения и вновь образованной поверхности. При выборе ПАВ для борьбы с выбросами угля и газа рекомендуется [95, 100] комплексная оценка эффективности раствора методом абразивного шлифования с последующим испытанием балочки с трещиной на изгиб. Все перечисленные методы отличаются значительной трудоемкостью.

Эффективность действия среды зависит не только от химического состава тела и ПАВ, но и в значительной степени от условий деформирования горных пород [143]. Поэтому наиболее надежным и достоверным методом выбора ПАВ была бы оценка их эффективности в конкретных процессах горной технологии. Однако сложность проведения промышленных экспериментов, большое многообразие ПАВ, да еще в различных концентрациях, делают такую схему испытаний безнадежной. Более рациональным следует считать такой подход, при котором изучается воздействие ПАВ на свойства горных пород, определяющие параметры данного процесса. Наиболее распространенной реализацией такого подхода является исследование влияния ПАВ на прочностные характеристики горных пород [5, 28, 87]. Однако их определение требует длительных (как правило, несколько суток) испытаний, связанных с насыщением нагружаемых горных пород раствором. Последнее определяется особенностями строения, а также формой и размерами испытываемых образцов. Для того, чтобы исключить влияние данных факторов, представляется целесообразным воздействовать растворами ПАВ непосредственно на обнаженную поверхность горной породы и оценивать изменение свойств этой поверхности [76].

1.5. Основные направления исследований по использованию ПАВ при бурении горных Эффективность и сама целесообразность использования поверхностно-активных веществ в процессах горного производства определяется характером и степенью изменения свойств и состояния горного массива под действием ПАВ. Исключительная неоднородность и нестабильность горных пород по составу и строению [17] часто приводит к тому, что породы даже одного петрографического типа по разному реагируют на внешние воздействия не только в пределах месторождения или слоя, но и в отдельном забое горной выработки. Это не позволяет надеяться на установление однозначной априорной модели изменения свойств и состояния конкретных пород под действием ПАВ. В этой связи необходимым этапом исследований является разработка методов количественной оценки таких изменений.

Лабораторные методы определения свойств горных пород не обеспечивают нужной оперативности получения информации, ибо связаны с необходимостью отбора и доставки породных проб. Кроме того, результаты лабораторных определений относятся только к ограниченному объему пробы и не могут характеризовать состояние массива в целом. В свою очередь, непосредственные (натурные) измерения свойств в массиве отличаются высокой трудоемкостью и часто практически невозможны.

Перспективным направлением является разработка косвенного метода оценки свойств и состояния массива на основе установления взаимосвязей между отдельными характеристиками пород [129]. Зависимость между свойствами вытекает из самой природы горных пород, носит статистический характер и доказана многочисленными исследованиями [144]. Анализ уравнений взаимосвязи свойств пород, приведенных в обобщающих работах [23, 119, 139 и др.] показывает, что многообразие горных пород обусловливает неоднозначность зависимостей между их свойствами. Уравнения связи для одних и тех же пород различных месторождений дают на порядок отличающиеся результаты при существенной разнице самого характера приводимых зависимостей. Таким образом, для надежной косвенной оценки свойств и состояния массива необходимо установление взаимосвязи физических характеристик для конкретных горных пород.

В качестве критерия косвенной оценки свойств горных пород различными авторами используются разные характеристики: плотность пород [23, 135], скорость продольной волны [130, 144], теплопроводность и прочность при растяжении [135], твердость [38]. Все перечисленные критерии оценки свойств имеют свои несомненные достоинства, но их многообразие свидетельствует о том, что единого подхода к решению данной задачи не существует.

На кафедре шахтного строительства УГГУ под руководством профессора Латышева О.

Г. проводятся многолетние широкомасштабные исследования применения поверхностноактивных веществ в горном деле [62-85]. В частности, проведены опытно-промышленные эксперименты по бурению шпуров с промывкой растворами ПАВ в условиях проходки выработок на шахтах Урала и Донбасса. Получены положительные результаты. Установлено, что основным фактором эффективного использования ПАВ является активизация зарождения и развития трещин в зоне предразрушения под буровым инструментом. В кандидатских диссертациях И. С. Осипова, В. В. Сынбулатова, А. Н. Еремизина, выполненных под руководством О. Г. Латышева, развивается новое научное направление исследования фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород. Представленные в данной диссертации результаты направлены на развитие указанных выше исследований.

Выше приведенный анализ позволяет сделать следующие выводы. Эффективным средством направленного изменения свойств горных пород в процессе бурения является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). Механизм их действия основан на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера), что сопровождается разупрочнением и пластифицированием горных пород.

Важнейшей особенностью эффект Ребиндера является избирательность действия ПАВ, которая заключается в том, что только родственные химическому составу породы активные растворы в строго фиксированной концентрации способны дать требуемый результат. Поэтому первой задачей исследований является разработка методики выбора эффективных для данной породы растворов ПАВ в их оптимальной концентрации.

Воздействие ПАВ на горные породы, прежде всего, состоит в активизации процессов зарождения и развития трещин, что проявляется в изменении всего комплекса физических свойств горных пород. Эти явления определяют закономерности разрушения пород буровым инструментом и нуждаются в исследовании.

В отсутствие работоспособных теоретических методов расчета параметров процесса бурения основным способом являются экспериментальные исследования. Наиболее адекватную информацию дает моделирование различных сторон этого процесса. Теоретическим осмыслением его результатов может стать разработка математических моделей процесса.

Для успешного использования поверхностно-активных веществ в горной технологии необходима разработка критериев эффективности, учитывающие различные стороны процесса бурения: его производительность, износ и затупление бурового инструмента, образование и выход пыли. Разработка таких критериев возможна на основе использования теории размерностей, применительно к свойствам пород и технологическим параметрам процесса.

Структура и формулы критериев эффективности необходимо сопоставлять с результатами исследований реального бурения в производственных условиях. В качестве итога исследований предусматривается обоснование комплексной методики прогноза эффективности бурения в условиях направленного изменения свойств горных пород поверхностно-активными веществами.

Таким образом, целью данной работы является разработка методов прогноза эффективности использования ПАВ в процессе бурения на основе моделирования.

Для реализации данной цели требуется решение следующих задач:

1. Разработка методики выбора эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации применительно к процессу бурения горных пород.

2. Исследование влияния ПАВ на характеристики трещинной структуры и свойства горных пород.

3. Моделирование процесса бурения.

4. Обоснование критериев эффективности процесса бурения на основе учета комплекса свойств пород и параметров технологии.

5. Анализ результатов опытно-промышленных испытаний и разработка методов прогноза эффективности использования ПАВ в процессах буровзрывных работ при проходке выработок.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА

СВОЙСТВА И СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Представленные в диссертации исследования выполнены применительно к горным породам Североуральских бокситовых месторождений и Горловского региона Донбасса.

Отличительной особенностью горных пород указанных месторождений является их массивная текстура и отсутствие анизотропии свойств, во всяком случае, в масштабах, сопоставимых с размерами сечения горных выработок. Однако по изменчивости свойств, состава и строения данные породы представлены весьма широкой гаммой разновидностей осадочных, метаморфических и магматических образований. Поэтому для выбора оптимальной поверхностно-активной среды и оценки ее эффективности требуется выделение однородных по минеральному составу и свойствам представительных литотипов. Выполненные на кафедре шахтного строительства исследования [69] позволили выделить следующие основные группы пород.

Горные породы Североуральских бокситовых месторождений 1. Породы основного состава представлены эффузивными разностями группы габбробазальта: базальтовыми, диабазовыми и пироксен-плагиоклазовыми порфиритами. Породы от черного до темно-серого и серо-зеленого цвета. В целом породы изотропны по отношению к их свойствам. Главными породообразующими минералами являются основные плагиоклазы (андезин или лабрадор) – (Na, Ca) [AlSi3O8] и моноклинные пироксены – (Ca, Mg, Fe)2 [Si2O6].

Содержание плагиоклазов колеблется от 45 до 75 %, пироксенов – 10-30 %. В качестве акцессорных минералов отмечаются: магнезит – Fe3O4, кварц – SiO2 и др. Изученные разновидности характеризуются различной степенью измененности, выраженной в карбонатизации, хлоритизации, соссюритизации.

2. Вулканогенно-обломочные (пирокластические) породы. Содержат в своем составе как продукты эксплозивной (взрывной) вулканической деятельности, так и собственно осадочный обломочный материал. Вулканогенные компоненты представлены продуктами разрушения диабазовых или пироксен-плагиоклазовых порфиритов (литокласты), в меньших количествах вулканическим стеклом, а также обломками или идиоморфными кристаллами основного плагиоклаза и моноклинного пироксена (кристаллокласты). Собственно осадочный материал представлен в основном обломками кварца и полевого шпата - Ca [Al2Si2O8], Na [AlSi3O8]. По соотношению пирокластического и собственно осадочного обломочного материала можно выделить следующие группы вулканогенно-обломочных пород: туфы и туффиты; туфоосадочные породы (туфобрекчии, туфоконгломераты, туфопесчаники и туфоалевролиты).

3. Известняки. По структурно-генетической классификации исследованные породы можно отнести к органогенно-детритовым мраморизованным известнякам, почти нацело состоящим из кальцита – CaCO3. На фоне основной массы выделяются участки мелкозернистого мрамора (от нескольких процентов до 60-70 %). В качестве примеси (до 5-10 %) может присутствовать глиноподобный бурый или зеленый хлоритизированный материал, локализованный в межзеренном пространстве – (Mg, Fe)5Al [AlSi3O10] [OH]8. В подчиненных количествах встречается кремнистый пелитовый материал, битум, полевой шпат - K [AlSi3O8] и аутигенные образования кварца размером до 1 мм.

4. Бокситы. Промышленные запасы Североуральских месторождений слагают красные маркие и красные немаркие разновидности боксита. Основными породообразующими минералами являются гидроокислы алюминия – бмит AlO (OH) и диаспор HАlO2. Структура пород оолитовая или бобовая. Оолиты размером от доле миллиметра до 1,5-3 мм составляют от 20 до 70-75 % объема пород. Цементирующий материал в основном железистого состава с примесью кремнисто-карбонатного материала.

Горные породы Горловского региона Донбасса Вмещающие породы Горловского региона Донбасса (песчаники, алевролиты, углистоглинистые сланцы) представлены пробами с глубоких (более 1000 м) горизонтов шахт: им.

Ворошилова, им. Гаевого, «Кондратьевка Новая», им. Изотова, им. Гагарина, «Углегорская», «Кочегарка». К исследованию приняты наиболее прочные горные породы – тонко-, средне- и крупнозернистые аркозовые песчаники.

Породы псаммитовой структуры и слоистой текстуры состоят из обломочной части и цемента. Цемент контактового типа представлен в основном карбонатом, реже серицитом KAl2[Si3AlO10] [OH]2 и составляет от 15 до 25 % объема породы. Обломки в породах представлены слабо окатанными и хорошо отсортированными зернами кварца SiO2 (от 50 до % общего количества обломков), калиевого полевого шпата K [AlSi3O8] или альбита Na [AlSi3O10] (15-25 %), известняка CaCO3 (10-15 %), мусковита Kal2[AlSi3O10] [OH]2 (5-10 %). Размеры обломков от 0,05-0,1 мм (тонкозернистый песчаник) до 0,5-1,0 мм (крупнозернистый песчаник). В качестве акцессорных минералов могут присутствовать: турмалин (Na, Ca) (Mg, Al)6[B3Al3Si6(O, OH)30)], апатит Ca2[F, Cl(PO4)3], сфен CaTi [SiO4]O, циркон Zr [SiO4] и др. Средний минеральный состав песчаников: SiO2 – 62 %, Al2O3 – 13 %, Fe2O3 – 2 %, FeO – 3 %, MgO – 2 %, CaO – 7 %, Na2O – 2 %, CO2 – 3 % и др.

Исследованиями П. А. Ребиндера и его последователей [154] показано, что наибольший эффект действия поверхностно-активных веществ достигается при контакте твердого тела с родственной жидкой средой, близкой твердому телу по характеру межатомных взаимодействий.

Применительно к горным породам из собственно ПАВ хорошие результаты дают такие вещества, как синтанол, додецилсульфат натрия (ДС), ОП-7 и др.

Для рассматриваемых горных пород, которые в значительной мере сложены ионными кристаллами, родственными средами могут служить различные полярные жидкости, в частности, водные растворы солей. Активными окислителями являются галогены, реагирующие с подавляющим большинством химических элементов; причем их связи с металлами носят преимущественно ионный характер. Применительно к бокситосодержащим породам высокую активность могут проявлять хлористый алюминий и карбонат натрия. Подтверждением тому служит использование последнего при производстве алюминия.

Таким образом, анализ минерального и химического состава исследуемых горных пород позволил выбрать (с учетом стоимости и доступности) следующий ряд поверхностно-активных сред.

Поверхностно-активные вещества:

Алкилсульфонат натрия (АС) – [R] SO3Na (R от С10 до С13);

Додецилпиридиний хлористый (ДПХ);

Додецилсульфат натрия (ДС) – R-O-SO3Na;

Моноалкилфениловый эфир полиэтиленгликоля на основе полимердистиллята (ОП-7);

Синтанол – моноалкиловый эфир полиэтиленгликоля на основе первичных жирных Растворы электролитов:

Хлористый алюминий – AlCl3;

Углекислый калий – K2CO3;

Хлористый магний – MgCl2;

Углекислый натрий – Na2CO3;

Фтористый натрий – NaF.

Анализ физики процесса бурения (см. главу 1) позволил выделить свойства горных пород, определяющие эффективность данного процесса. Выбор методик определения свойств горных пород производился из условий их максимальной простоты и доступности и, в то же время, достаточной точности и надежности.

Определение механических свойств пород (плотностных, акустических, прочностных, деформационных, динамически упругих) производилось в соответствии с требованиями и рекомендациями, изложенными в [68, 88, 127], ГОСТ 5182-78, ГОСТ 21153.4-84, ГОСТ 12288-86.

Плотностные свойства. Объемная масса горных пород на образцах правильной формы определялась методом непосредственного измерения линейных размеров образца с последующим взвешиванием. Для образцов неправильной формы применялся метод гидростатического взвешивания.

Прочностные свойства. Пределы прочности пород при растяжении и сжатии определяются путем многократном раскалывании породных пластин клиньями и последующего раздавливания полученных кубиков полуправильной формы.

Определение акустических и упругих свойств. Скорость распространения упругих колебаний определялась с помощью импульсного ультразвукового прибора УКБ-1м путем измерения времени распространения сигнала (с точностью 0,1 мкс).

Деформационные свойства. Для измерений деформаций образцов статическим методом использовались индикаторы часового типа 2-ИГМ с ценой деления 0,002 мм. В зависимости от размеров образцов для создания нагрузок применялись механический пресс УМ-5 или гидравлический. Для обеспечения более точного прилегания торцов образцов к плитам пресса между образцом и плитами пресса помещались шлифованные пластины и центрирующая пята.

Абразивность горных пород определялась по методике Л.И.Барона [6] путем истирания о поверхность горной породы стержней диаметром 8 мм из стали-серебрянки У8А. Истирание производилось на сверлильном станке с частотой 400 об/мин при осевом давлении 150 Н. Время истирания – 10 мин сплошным торцом стержня и 10 мин торцом с отверстием диаметром 4 мм.

Обработка результатов экспериментов производилась в соответствии с рекомендациями ГОСТов и на основе аппарата теории вероятностей и математической статистки [4].

Контактная прочность определялась путем внедрения цилиндрического штампа в необработанную поверхность горной породы до образования хрупкого выкола в приконтактной зоне и измерении максимальной нагрузки, вызывающей разрушение. Описание методики приведено ниже.

2.2.1. Общие принципы выбора поверхностно-активной среды Теория и опыт использования поверхностно-активных веществ в различных областях народного хозяйства свидетельствует о необходимости проведения специальных исследований по выбору эффективных для данных условий ПАВ в их оптимальной концентрации. Это обусловлено высокой избирательностью активных растворов, заключающейся в наличии ярко выраженного максимума их эффективности [122, 149]. Особенно важен вопрос выбора ПАВ для таких изменчивых образований как горные породы. Неверно подобранный активный раствор не только может не оказать нужный эффект, но и привести к прямо противоположному результату [125].

По свидетельству Н. В. Перцова [107], несмотря на многочисленные исследования в данном направлении, надежного теоретического инструмента выбора оптимальных ПАВ для реального технологического процесса не создано. Господствует эмпирический подход и в обозримом будущем изменения ситуации не предвидится.

Эффект Ребиндера обусловлен адсорбционным понижением поверхностной энергии горных пород. Поэтому большинство используемых в настоящее время методов исследования эффективности ПАВ (см. главу 1) основаны на оценке величины этого показателя. Однако реализация указанных методов связана с большой трудоемкостью и длительностью испытаний, требует специально оснащенной лаборатории с квалифицированным персоналом. Кроме того, что особенно важно, никак не учитывается зависимость эффективности среды от вида и характера напряженного состояния горной породы в технологическом процессе.

В этой связи наиболее надежным способом оценки эффективности ПАВ является изучение их влияния на те свойства пород, которые прямо определяют параметры рассматриваемого горного процесса. Чаще всего это прочностные и деформационные характеристики. Однако их определение требует длительных (как правило, несколько суток) испытаний, связанных с насыщением нагружаемых горных пород раствором. Последнее определяется особенностями строения, а также формой и размерами испытываемых образцов.

О. Г. Латышевым [76] предложено в качестве экспрессной оценки эффективности действия ПАВ на различные по составу горные породы, а также для определения оптимальной концентрации растворов для конкретного типа пород использовать метод определения твердости (контактной прочности) смоченных с поверхности образцов. Исследованиями [134] установлено, что за счет адсорбции ПАВ на внешней поверхности породы и на внутренней поверхности микротрещин, возникающих в процессе деформирования тела, происходит резкая потеря прочности поверхностного слоя, названная «адсорбционным понижением твердости».

Тогда снижение контактной прочности горных пород в поверхностно-активной среде может служить мерой ее эффективности.