WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Увеличение за счет ПАВ зоны предразрушения под буровым инструментом создает дополнительные возможности проникновения активных растворов в породный массив, закономерности кинетики которого описаны выше. С учетом всех этих факторов по полученным соотношениям выполнена прогнозная оценка степени насыщения массива в ходе буровых работ при проходке квершлага по известнякам для условий Североуральских бокситовых месторождений. За период от начала бурения первых шпуров в забое до окончания заряжания породный массив насыщается раствором ПАВ до 68 % от максимально возможного значения.

Следующей задачей является разработка методики контроля процесса насыщения горных пород растворами ПАВ. Идея такой методики (О.Г. Латышев) заключается в непрерывном и параллельном измерении скорости упругой волны и относительной диэлектрической проницаемости горных пород массива в ходе его насыщения активными растворами. Последнее, т. е. измерение диэлектрической проницаемости, надежно фиксирует прирост влажности массива. измерение скорости упругой волны позволяет отслеживать развитие под действием ПАВ трещиноватости горных пород. Нами проведены экспериментальные исследования и уточнены параметры расчетных уравнений для принятых к изучению конкретных горных пород.

Таким образом, можно констатировать, что кинетика насыщения горных пород растворами ПАВ реализуется в трех стадиях, последняя из которых определяется транспортом активных молекул по развивающимся трещинам и коррелирует с финальной стадией ползучести пород.

Прогнозирование эффективности использования поверхностно-активных веществ как средства борьбы с горными ударами требует разработки критериев оценки, адекватно отражающих физические закономерности рассматриваемого явления или процесса. Анализ уравнений энергетического баланса горного удара (И.М. Петухов) и деформационных характеристик пород позволил получить прогнозную оценку их потенциальной удароопасности:

, (12)

где у – предел упругости; E – модуль упругости; Едеф – модуль общей деформации горной породы; сж – прочность горных пород при сжатии.

Проведенные исследования показывают, что оптимально подобранные растворы ПАВ выводят изученные горные породы из состояния потенциальной удароопасности.

Широко используемыми методами предотвращения горных ударов является бурение разгрузочных скважин и щелей. Организованные кафедрой шахтного строительства УГГУ опытно-промышленные испытания по бурению разгрузочных скважин станком НКР-100М (выработки гор. -860 м шахты «Ново-Кальинская» СУБРа) показали, что использование в качестве промывочной жидкости 0,001 % раствора AlCl3 позволило увеличить в среднем скорость бурения по порфиритам с 5,70 до 8,12 см/мин, т. е. на 42%. Для прогнозирования испльзвания ПАВ в различных горно-геологических условиях нами разработан критерий эффективности вращательно-ударного бурения.

Теория и практика буровых работ свидетельствуют о том, что производительность процесса определяется сложным взаимодействием и взаимообусловленностью параметров техники и технологии бурения Р и свойством разрушаемых пород W. Структура критерия принята в виде Для использования данного соотношения в качестве универсального критерия необходимо, чтобы образующие его параметры образовывали безразмерную комбинацию. С целью сравнительной оценки эффективности бурения пород в различных условиях и использования критерия как классификационного признака предусмотрена процедура его нормирования (О.Г. Латышев) путем приведения выражения к виду, где qi – нормирующий множитель, обеспечивающий приведение величины критерия к единому интервалу изменчивости для различных горно-геологических условий (нами принят ).

На основе анализа физики процессов бурения, имеющихся теоретических и эмпирических соотношений параметров бурения и свойств горных пород установлены наиболее значимые факторы, формирующие критерий. Применение аппарата теории размерностей позволило получить ряд безразмерных соотношений этих факторов. Окончательный выбор наиболее адекватного выражения критерия определился результатами опытно-промышленного бурения и выше приведенными исследованиями. Критерий эффективности бурения разгрузочных скважин:

(13)

где – объемная масса горной породы, Е – модуль упругости горной породы; kпл – коэффициент пластичности горной породы; n – частота ударов; Pу – осевое усилие подачи; Q – энергия удара; d – диаметр скважины; Pк – контактная прочность горной породы; fтр – коэффициент трения; сж, р и сдв – прочность горной породы при сжатии, растяжении и сдвиге.

Расчет величины критерия для различных горных пород и сопоставление его с результатами опытного бурения разгрузочных скважин позволили установить его связь со скоростью механического бурения:

(14)

где k – коэффициент условий бурения (для описанного выше опытно-промышленного эксперимента см/мин).

Другим способом предотвращения горных ударов является камуфлетное взрывание зарядов ВВ. Руководствуясь вышеизложенными соображениями, нами выполнен анализ физических закономерностей разрушения горных пород взрывом, получены безразмерные комбинации наиболее значимых параметров и обоснован критерий эффективности камуфлетного взрывания в виде:

(15)

где kн – коэффициент неоднородности пород; Mт – линейный модуль трещиноватости массива; Cр – скорость продольной волны в массиве; – КПД взрыва; ВВ – плотность ВВ; WВВ – потенциальная энергия ВВ; r – половина среднего расстояния между зарядами (радиус влияния заряда); L – глубина шпура или скважины; - коэффициент Пуассона; d – диаметр заряда (шпура или скважины); р и сдв – прочность горной породы при растяжении и сдвиге.

На основе анализа параметров камуфлетного взрывания в реальных условиях и расчета для этих же условий величины установлено, что удельный расход ВВ экспоненциально связан с критерием эффективности

(16)

где – коэффициент условий взрывания, учитывающий конструкцию заряда ВВ, наличие свободных поверхностей, ступени замедления и др.

На основе проведенных исследований и расчета указанных критериев получена прогнозная оценка эффективности использования ПАВ для профилактики горных ударов.

Применительно к борьбе с горными ударами ПАВ могут быть использованы для повышения производительности бурения разгрузочных скважин (шпуров) и уменьшения удароопасности горных пород. В первом случае (процессы бурения) раствор ПАВ подается непосредственно на забой скважины (шпура) и поэтому отсутствует необходимость в предварительном насыщении массива горных пород. Во втором случае эффективности использования ПАВ зависит от времени контакта активных растворов с породой. Соответственно максимальный эффект от использования ПАВ достигается при полном насыщении пород, что связано с остановкой работ в забое и повышением трудоемкости. Расчетами установлено, что только за счет бурения с промывкой раствором ПАВ при проходческом цикле буровзрывных работ горизонтальной выработки такая горная порода, как известняк, только за время бурения и заряжания успевает пропитаться раствором до 68 % от максимально возможного значения. Кроме того, время бурения одной разгрузочной скважины диаметром 105 мм составляет несколько часов. За этот срок известняки практически полностью насыщаются раствором ПАВ, а менее проницаемые эффузивные породы способны увеличить свою влажность не менее чем на 30 %. Если учесть, что общее время бурения всех скважин, входящих в технологическую схему разгрузки массива, велико, то массив горных пород пропитается ПАВ практически до максимально возможного значения.

В итоге применение растворов ПАВ приводит как к повышению производительности бурения, так и к сокращению объемов бурения разгрузочных скважин за счет увеличения радиуса их влияния. В частности, расчет для порфиритов показал, что радиус влияния скважин увеличивается на 15-20 %. Следовательно, в такой же пропорции сократится число разгрузочных скважин.

Расчеты показали, что ориентировочная стоимость бурения 1 м скважины диаметром 105 мм станком НКР-100М составляет 60 руб. При этом учитывались такие показатели, как: заработная плата, амортизационные отчисления, стоимость бурового станка, его ремонт и содержание, производительность бурения, затраты на энергию и т. д.

Для примера возьмем типичную схему разгрузки целиков между параллельными выработками. В соответствии со схемой для разгрузки массива на 1 м выработки необходимо пробурить 4 скважины диаметром 100 мм при длине скважин до 20 м. За счет использования растворов ПАВ в качестве промывочной жидкости объемы бурения сокращаются с 4 до 3 скважин. Это позволит ориентировочно сократить стоимость бурения на 1200 руб. для разгрузки 1 м выработки (все расчеты приведены для уровня цен 2008 г.).

Таким образом, прогнозирование эффективности использования поверхностно-активных веществ как средства борьбы с горными ударами базируется на системе критериев, которые представляют собой безразмерные комбинации параметров, в единой модели учитывающих взаимосвязь и взаимообусловленность изменяющихся свойств горных пород и технологических характеристик бурения разгрузочных скважин и камуфлетного взрывания.

Заключение

В диссертации дано новое решение научно-практической задачи совершенствования методов предотвращения горных ударов путем направленного изменения свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами, имеющей существенное значение для безопасной разработки месторождений полезных ископаемых.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Мероприятия по предотвращению горных ударов преимущественно осуществляются в двух направлениях – уменьшение потенциальной удароопасности горных пород и снижение напряжении в приконтурном массиве. Использование поверхностно-активных веществ позволяет повысить эффективность данных мероприятий и в том, и в другом направлениях.

2. Обработка горных пород специально подобранными растворами ПАВ приводит к значительному (до 50 %) снижению прочности изученных пород, уменьшению их предела и модуля упругости, появлению заметной пластической деформации. Полученные соотношения позволяют количественно оценить данные явления в зависимости от уровня действующих напряжений. В качестве меры потенциальной удароопасности горных пород предлагаются соответствующие критерии, учитывающие изменение указанных свойств горных пород под действием ПАВ.

3. Действие поверхностно-активной среды сопровождается возрастанием деформации ползучести горных пород от 2 до 7 раз. При этом четко выделяются две стадии ползучести, для которых определены параметры и уравнения Больцмана. Первая стадия обусловлена классическим механизмом межзеренного скольжения; вторая стадия ползучести проявляется только в условиях действия ПАВ и определяется саморазвивающимся процессом роста трещин в горных породах. Полученная система уравнений позволяет осуществить количественную оценку данного процесса и прогнозировать эффективность использования ПАВ как средства предотвращения горных ударов.

4. Кинетика насыщения горных пород растворами ПАВ реализуется в три стадии:

- Первая стадия соответствует фильтрации активных растворов по капиллярным трещинам, темп которой пропорционален корню квадратному времени насыщения. Коэффициент пропорциональности определяется величиной раскрытия капилляра, краевым углом смачивания и поверхностным натяжением жидкости на границе с горной породой. Добавка в жидкость молекул ПАВ увеличивает темп фильтрации в среднем в 1,3 раза.

- Вторая стадия определяется двумерной миграцией молекул по поверхности микротрещин и контактам минеральных зерен, а также вовлечением в процесс молекулами ПАВ сольватных слоев жидкости. Темп насыщения второй стадии пропорционален логарифму времени.

- Третья стадия насыщения присуща только растворам ПАВ и связана с саморазвитием трещин в активной среде. Темп насыщения линейно зависит от времени. Финишные участки кривых насыщения описываются уравнением гиперболы, параметры которого определены для основных изученных горных пород.

5. Частичное насыщение породного массива активным раствором возможно без предварительного нагнетания только за счет бурения шпуров и скважин с промывкой растворами ПАВ. Полученная на основе теоретических и экспериментальных исследований система прогнозных оценок позволяет рассчитывать зону влияния скважины (шпура) и долю проникновения активного раствора в породный массив.

6. Контроль процесса насыщения горных пород активными растворами осуществляется комплексным методом, включающим ультразвуковую дефектоскопию и высокочастотный диэлектрический метод оценки влажности. Установленные для конкретных горных пород параметры уравнений позволяют надежно контролировать насыщение массива растворами ПАВ.

7. Для прогнозирования эффективности использования ПАВ как средства профилактики горных ударов разработана система критериев, которые представляют собой безразмерные комбинации параметров, в единой модели учитывающих взаимосвязь и взаимообусловленность изменяющихся свойств горных пород, характеристик техники и технологии бурения разгрузочных скважин и камуфлетного взрывания. Адекватность и работоспособность критериев подтверждена результатами опытного бурения разгрузочных скважин станком НКР-100М в условиях шахт Североуральских бокситовых месторождений (СУБР).

8. Результаты исследований показывают, что насыщение горных пород растворами ПАВ переводит их в неудароопасное состояние, бурение разгрузочных скважин и щелей с использованием в качестве промывочной жидкости активных растворов повышает скорость механического бурения в среднем на 40 %, позволяет уменьшить объем бурения за счет увеличения радиуса влияния скважин на 10-20 %.

9. Разработанные Временное руководство по бурению разгрузочных скважин с промывкой растворами поверхностно-активных веществ и Методика контроля процесса насыщения горных пород растворами ПАВ» переданы для использования Институту горного дела УрО РАН, Уральскому филиалу ОАО ВНИМИ, ОАО «Севуралбокситруда». Результаты исследований используются в учебном процессе, в частности, при чтении лекций и выполнении курсового проекта по дисциплине «Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании».

Опубликованные работы по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Выбор поверхностно-активной среды для управления свойствами пород в горной технологии / О.Г. Латышев, А.С. Жилин, И.С. Осипов, В.В. Сынбулатов // Известия вузов. Горный журнал. – 2004. - № 6. – с. 117-121.

2. Сынбулатов В.В. Повышение эффективности предотвращения горных ударов // Известия вузов. Горный журнал. – 2005. – № 4. – С. 118-120.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






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