WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

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;, сж – 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 сж) 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.

Рис. 1. Доля остаточной деформации при нагружении порфирита в AlCl3

Одним из общепринятых критериев потенциальной удароопасности горных пород является условие превышения доли упругих деформаций в общих на 70 % (у > 0,7общ) при нагружении пород до 80 % от их прочности. Это условие можно записать в виде где у – предел упругости породы. Тогда соотношение

(3)

предлагается использовать как прогнозную оценку потенциальной удароопасности горных пород. Отмеченные выше нами зависимости деформирования пород, выраженные в приведенных формулах, показывают, что обработка изученных пород растворами ПАВ выводит их из состояния потенциальной удароопасности.

Другим направлением по предотвращению горных ударов является снижение напряжений в приконтурном массиве, что может обеспечить релаксация напряжений, определяемая активизацией под действием ПАВ процессов ползучести горных пород. Экспериментальные определения реологических характеристик пород производились методом поперечного изгиба балок в режимах прямого и циклического нагружения. Для аппроксимации результатов использовалось уравнение наследственной ползучести Больцмана-Вольтерра со степенным ядром ползучести. Методической основой экспериментов послужили работы Ж.С. Ержанова, М.А. Колтунова, В.С. Ямщикова.

Обобщение результатов исследования известняков и эффузивных пород пироксен-плагиоклазового комплекса Североуральских бокситовых месторождений показывает, что действие ПАВ сопровождается увеличением ползучести пород от 2 до 7 раз. При этом меняется сам характер процесса. При нагружении пород в присутствии поверхностно-активной среды отчетливо проявляется двухстадийный характер ползучести (рис. 2), чего не наблюдается для пород в исходном состоянии. Данный факт, впервые обнаруженный О.Г. Латышевым, очевидно, отражает различие в механизмах ползучести на каждой стадии процесса. Поскольку ползучесть обусловлена развитием дефектности (трещиноватости) горных пород, нами проведено исследование данного вопроса для изучаемых пород с помощью люминесцентного микроскопического метода. По разработанной методике фиксации координат траектории трещин способами «циркуля» и «покрытия» (Р. Кроковер, С.С. Крылов, Б. Мальдельброт) нами определялась фрактальная размерность df каждой трещины и их истинная (фрактальная) длина

где L0 – линейный размер трещины; – принятый шаг измерений. Установлено, что под действием ПАВ заметно возрастает концентрация трещин. График приращения концентрации трещин dN разной длины приведен на рис. 3. Обращает на себя внимание сходная конфигурация графиков на рис. 2 и 3, что позволяет сопоставить характер ползучести с особенностями развития трещиноватости в ПАВ.

Рис. 2. Двухстадийный характер Рис. 3. Приращение концентрации трещин

ползучести горных пород в ПАВ различных размеров под действием ПАВ

Первая стадия ползучести хорошо описана в литературе (Ж.С. Ержанов, В.В. Ржевский и др.) и обусловлена межзеренным скольжением с образованием межкристаллических трещин. На рис. 3 это соответствует приращению концентрации микротрещин (левая ветвь графика). Правая ветвь графика (обозначенная жирной линией) отражает концентрацию трещин, испытавших приращение в ходе нагружения горных пород. Именно саморазвитие данных трещин под действием ПАВ определяет вторую более медленную стадию ползучести горных пород.

Установленные в ходе эксперимента параметры ядра ползучести и для исходных пород и обработанных раствором ПАВ позволяют количественно оценивать развитие деформации горных пород во времени. Причем для второй стадии ползучести пород в поверхностно-активной среде параметры и существенно меняют свое значение. Так, для исходных эффузивных пород СУБРа и обработанных растворами ПАВ параметры ядра ползучести соответственно составляют = 0,008; = 0,69 и = 0,011; = 0,43.

Определенные в опыте закономерности роста концентрации трещин N под действием ПАВ позволяют прогнозировать эффективность использования поверхностно-активных веществ при предотвращении горных ударов. Пластифицирование горных пород в ПАВ приводит к необходимости совершать дополнительную работу (О.Г. Латышев):

, (4)

где d – средний размер минеральных зерен горной породы; N1 и N2 – концентрации трещин в породе, обработанной ПАВ, и в исходной горной породе; kпл – коэффициент пластичности породы, обработанной раствором ПАВ.

Активизации ползучести горных пород под действием ПАВ приводит к тому, то для ее реализации массив совершает работу А = А0 + Ап, складывающуюся из работы мгновенного деформирования и работы чистой ползучести. Тогда общая работа

. (5)

Полученные соотношения достаточно точно описывают опытные данные – погрешность не превышает 10 %. Для совершения этой работы породный массив расходует запасенную им упругую энергию, что сопровождается снижением его напряженности и уменьшением вероятности возникновения горных ударов. Предварительные расчеты, выполненные для эффузивных пород Североуральских бокситовых месторождений, при давлении 25 МПа, что соответствует условиям разработки на глубине 800-1000 м, показывают, что насыщение активными растворами ПАВ увеличивает работу их деформирования с 55 до 76 кДж/м3, т. е. более чем в 1,4 раза. Пересчет на процесс релаксации напряжений позволяет предположить, что действующие напряжения в приконтурном массиве, при тех же условиях и неизменной деформации пород, уменьшатся в приконтурном массиве за сутки с 25 до 14,6 МПа. Однако приведенные расчеты справедливы при строго фиксированной деформации, т. е. жесткой крепи. В реальных условиях массива релаксация напряжений должна определяется экспериментально.

Таким образом, 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.

Реализация рассмотренных эффектов действия поверхностно-активных веществ на горные породы требует изучения доставки растворов ПАВ в породный массив. Теория и практика нагнетания воды (предварительное увлажнение массивов) достаточно хорошо проработаны (И.И. Вахромеев, В.М. Шестаков, и др.), в том числе и нагнетания растворов ПАВ в целях профилактики горных ударов (А.Д. Алексеев). Проводились опытные закачки растворов ПАВ и в условиях шахт СУБРа (О.Г. Латышев). В этой связи задачей данной работы является изучение кинетики распространения активных растворов по микротрещинам, определяющей изменение свойств и состояния горных пород.

Анализ экспериментальных результатов изучения данного вопроса позволил выделить три стадии кинетики насыщения горных пород растворами ПАВ. Первая стадия соответствует фильтрации растворов по капиллярным трещинам шириной раскрытия 10-3 – 10-7 м. Кинетика растворов в этом случае описывается законами вязкого течения жидкости по капиллярам. Темп насыщения (прирост влажности W) на данной стадии описывается уравнением

(6)

при (7)

где R – величина раскрытия трещины (радиус капилляра); тж – поверхностное натяжение жидкости на поверхности трещины; - краевой угол смачивания; - коэффициент динамической вязкости.

Расчет по формуле (7) может служить лишь приблизительной относительной оценкой процесса в силу отличия идеального капилляра от геометрии реальной трещины в горной породе. Экспериментальное определение коэффициента пропорциональности по кривым насыщения для различных пород и растворов показало, что его величина изменяется в пределах k1 = (4,9-6,5)10-6 с-1/2. Установлено, что для растворов ПАВ темп капиллярного насыщения k1 существенно выше, чем для чистой воды. Это обусловлено изменением за счет активизации молекул как поверхностного натяжения раствора тж, так и краевого угла смачивания. На данной стадии исследований разделить влияние этих факторов не представляется возможным. Принимая, что в единичной серии экспериментов изменение параметров и R пренебрежимо мало, относительную оценку изменения данных факторов можно произвести по формуле

(8)

В частности, для известняка Североуральских бокситовых месторождений добавка в жидкость 0,1 % MgCl2 увеличивает произведение в 1,27 раза.

Вторая стадия насыщения связана с двумерной миграцией активных растворов по трещинам и определяется в соответствии с теорией поверхностных явлений (П.А. Ребиндер. Н.В. Перцов) следующими механизмами. За счет разницы в концентрации движущегося по поверхности трещин одномолекулярного слоя активных молекул по закону Гиббса возникает движущая сила. Она заставляет молекулы ПАВ перемещаться до тех пор, пока раскрытие трещины не станет сопоставимым с размерами отдельной молекулы. Кроме того, активные молекулы разрывают мениск, образованный жидкой фазой в капиллярной трещине, и влекут за собой дополнительные (сольватные) слои жидкости. Темп насыщения на данной стадии пропорционален логарифму времени:

. (9)

Для изученных пород коэффициент k2 изменяется в широких пределах. За счет действия активных молекул его величина возрастает от 1,14 (порфирит) до 2,5 раз (известняк).

Третья стадия насыщения присуща только растворам ПАВ и определяется развитием трещин в активной среде. Темп насыщения линейно зависит от времени:

. (10)

Анализ опытных данных показал, что для всех изученных пород коэффициент корреляции зависимости не ниже 0,93. Коэффициент пропорциональности изменяется в интервале k3 = (0,35 – 2,75)10-3 1/сут.

Описанные выше результаты изучения фрактальных характеристик трещиноватости горных пород подтверждает факт саморазвития за счет ПАВ трещин и увеличения их концентрации, что обеспечивает дополнительные возможности фильтрации активных растворов. Причем темпы насыщения и развития второй стадии ползучести одного порядка, что свидетельствует о единстве их природы – развитие трещин.

Вклад каждой стадии в общий процесс насыщения аддитивен, что позволяет общим суммированием W1 + W2 + W3 определить количество проникающего в горную породу раствора ПАВ. Однако существенно разные механизмы насыщения на этих стадиях не позволяют точно описать процесс единым уравнением. Для практического использования результатов важно оценить максимальное количество проникающего в породы раствора, т. е. финишные участки кривых насыщения. В этом случае опытные данные надежно аппроксимируются гиперболической зависимостью вида:

(11)

где kПАВ – коэффициент активности раствора ПАВ, показывающий, во сколько раз увеличивается максимальная влагоемкость горных пород Wmax при введении в воду данного поверхностно-активного вещества; Тв – время, за которое влажность горных пород достигает половины максимальной величины при условии доминирования механизма насыщения третьей стадии насыщения. Асимптота графика зависимости (при t ) – kПАВWmax. По опытным данным способом «наименьших квадратов» параметры данного уравнения определены для всех принятых к изучению горных пород.

Полученные теоретические оценки позволяют прогнозировать ход насыщения породного массива при предварительном нагнетании в него растворов ПАВ. Однако такое нагнетание связано с остановкой горных работ и значительной трудоемкостью. Вместе с тем представляется очевидным, что уже в ходе бурения шпуров и скважин при добавлении в промывочную жидкость поверхностно-активных веществ раствор ПАВ частично проникает в массив, оказывая свое положительное действие. Для исследования и прогнозирования данного эффекта использованы результаты моделирования и опытно-промышленного бурения, полученные кафедрой шахтного строительства УГГУ. На основе решения задачи Буссинеска, имеющихся теоретических и экспериментальных результатах по физике бурения (Г.М. Крюков, О.Г. Латышев, Ю.И. Протасов, Л.А. Шрейнер и др.) установлены расчетные соотношения для оценки изменения радиуса зоны предразрушения R, возникающей под буровым инструментом, которую можно рассматривать как зону влияния скважины.

Принимая, что параметры техники и технологии бурения неизменны и поверхностно-активные вещества влияют только на свойства горных пород, получим нижнюю 1/р1/2 и верхнюю 1/р2/3 оценки увеличения зоны влияния скважины при снижении за счет ПАВ прочности пород при растяжении р. Учитывая, что р определяется в лабораторных экспериментах на образцах, более точную оценку можно получить в ходе непосредственного процесса бурения в шахтных условиях. Установлено, что величина R пропорциональна квадрату скорости механического бурения. Ранее выполненные опытно-промышленные испытания показали увеличение скорости бурения скважин станком НКР-100 с промывкой раствором ПАВ на 52 %.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»