Размещено на http://www.allbest.ru/

Навоийский горно-металлургический комбинат

Навоийский государственный горный институт

Горный факультет

Кафедра «Горное дело»

Направление бакалавриата - 5540200 «Горное дело»

Пояснительная записка

к научно-исследовательской выпускной квалификационной работе

на тему: Исследование взрывной технологии проходки горизонтальных подземных горных выработок предварительным ослаблением прочности крепких горных пород растворами ПАВ

Выпускник: Жуманов А.И.

Руководитель: проф. Норов Ю.Д.

Зав. кафедрой: к.т.н. Тухташев А.Б.

Навоий - 2012 г.

Навоийский горно-металлургический комбинат

Навоийский государственный горный институт

Факультет: «Горный» Кафедра: «Горное дело»

Направление бакалавриата - 5540200 «Горное дело»

Задание к выпускной квалификационной работе бакалавра Жуманова Алишера Исматилаевича

Тема работы: Исследование взрывной технологии проходки горизонтальных подземных горных выработок предварительным ослаблением прочности крепких горных пород растворами ПАВ

1. Утверждена приказом по институту

2. Срок сдачи студентом законченной работы 2012 г.

3. Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов) 1. Анализ состояния вопроса химического способа ослабления прочности массива горных пород при проведении подземных горных выработок. Цель и задачи исследований; 2. Комплексное исследование физико-химических свойств массива крепких песчаных горных пород; 3. Исследование изменения прочности крепких песчаных горных пород химическим методом с использованием поверхностно-активных веществ. 4. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)

Календарный план

№	Наименование этапов работы	Срок выполнения работы	Примечание
1.	Анализ состояния вопроса химического способа ослабления прочности массива горных пород при проведении подземных горных выработок цель и задачи исследований
2.	Комплексное исследование физико-химических свойств массива крепких песчаных горных пород
3.	Исследование изменения прочности крепких песчаных горных пород химическим методом с использованием поверхностно-активных веществ
4.	Заключение
5.	Оформление магистерской диссертации

Студент-выпускник: А.И. Жуманов

Руководитель: проф. Ю.Д. Норов

Оглавление

• Введение
• 1. Анализ состояния вопроса химического способа ослабления прочности массива горных пород при проведении подземных горных выработок. Цель и задачи исследований
• 1.1 Физико-механические свойства массива крепких песчаных горных пород
• 1.2 Анализ литературных данных, опубликованных способов ослабления прочности массива горных пород при проведении подземных горных выработок
• 1.3 Теоретическое обоснование возможности дезагрегации крепких песчаников при проведении подземных горных выработок
• 1.3.1 Физико-химическое воздействие растворов поверхностно-активных веществ на массив горных пород для ослабления их прочности
• 1.3.2 Дезагрегация массива горных пород из крепких песчаников химическим методом с использованием поверхностно-активных веществ
• 1.4 Цель и задачи исследований
• 2. Комплексное исследование физико-химических свойств массива крепких песчаных горных пород
• 2.1 Анализ химического и петрографического состава крепких песчаников
• 2.2 Исследование физико-механических и технологических свойств массива крепких песчаных горных пород
• 2.3 Комплексное исследование фильтрационных свойств массива крепких песчаных горных пород
• Выводы по главе 2
• 3. Исследование изменения прочности крепких песчаных горных пород химическим методом с использованием поверхностно-активных веществ
• 3.1 Методика комплексного исследования ослабления прочности массива крепких песчаных горных пород химическим методом с использованием различных типов растворов поверхностно-активных веществ
• 3.2 Исследование дезагрегации массива крепких песчаных горных пород химическим методом с использованием раствора карбамида
• 3.3 Исследование насыщения массива крепких песчаных горных пород химически активными растворами
• 3.4 Исследование изменения прочности массива крепких песчаных горных пород химическим методом в режиме свободного насыщения
• 3.5 Исследование изменения прочности массива крепких песчаных горных пород химическим методом в режиме напорного нагнетания
• 3.6 Выбор химически активных реагентов
• 3.7 Разработка рекомендации по применению химически активных растворов для ослабления прочности крепких песчаных горных пород
• Выводы по главе 3
• Заключение
• Литература

Введение

В основных направлениях экономического развития Республики Узбекистан предусмотрен подъем экономики страны, главным образом, за счет ускорения научно-технического прогресса и широкого внедрения ресурсосберегающих технологий. Поиск эффективных путей снижения энергоемкости разрушения массива горных пород является одним из главных направлений современных научных исследований в горной науке.

При выполнении поставленной задачи особое место отводится горно-добывающей промышленности, в особенности - разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом.

В настоящее время проблемы повышения эффективности подземных горных работ решаются путем создания и внедрения различных способов направленного воздействия на состояние массива с целью снижения его механической прочности.

Одним из современных способов воздействия на горный массив крепких песчаных горных пород является их предварительное ослабление прочности или снижение физико-механических свойств массива. Определенный интерес представляет применение химического способа воздействия на массив крепких песчаных горных пород для снижения их прочности за счет воздействия растворов поверхностно-активных веществ и электролитов, обеспечивающих снижение удельного расхода бурения и взрывчатых веществ, решение которых является актуальной задачей горного производства, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Цель работы - разработка способа ослабления прочности крепких песчаных горных пород химическим методом с применением раствора поверхностно-активных веществ (ПАВ), повышающих эффективность проведения подземных горных выработок и обеспечивающих снижение удельного расхода бурения и взрывчатых веществ (ВВ).

1. Анализ состояния вопроса химического способа ослабления прочности массива горных пород при проведении подземных горных выработок. Цель и задачи исследований

1.1 Физико-механические свойства массива крепких песчаных горных пород

Изучение горных пород по их физическим свойствам обусловливается наличием тесной связи между физическими, химическими, физико-химическими свойствами пород.

Под физическим свойством горной породы понимают ее специфическое поведение при воздействии на нее определенных физических полей или тел.

Основными физическими свойствами являются: пористость, влажность, проницаемость, прочность и др., характер и скорость изменение которых, зависит от условий их образования, минерального состава, структуры, текстуры, интенсивности воздействия, изменяющих физические свойства горных пород.

Анализ физико-механических свойств различных горных пород показал, что весьма часто породы одного и того же наименования существенно отличаются по прочностным и хрупко-пластическим свойствам. Так предел прочности при сжатии алевролитов колеблется от 50 до 104 МПа, известняков от 5 до 180 МПа, для гранитов от 40 до 300 МПа. Прочность при растяжении для песчаников от 0,4 до 35 МПа, для известняков от 0,4 до 20 МПа, для гранитов от 4 до 30 МПа.

Основными петрографическими факторами, влияющими на свойства пород, являются: минералогический состав (содержание в породе основных компонентов и связующей массы цемента); зернистость (колебания в размерах зерен); пористость (общая, открытая или сообщающаяся); морфология зерен; тип цемента, степень выветривания и вторичные изменения; примеси, включения, конкреции, структура и текстура; трещиноватость (особенно в массиве) /16-23/.

Осадочные породы. Минеральное вещество осадочных горных пород является продуктом механической дезинтеграции, окисления и гидролизе вещества материнских пород, а также химического и биохимического осаждения: минеральных солей из природных водных растворов. В составе продуктов механической дезинтеграции преобладают минералы каркасной структуры (кварц, полевые шпаты), а также обломки прочных и стойких против агентов выветривания горных пород.

Продукты механической дезинтеграции составляют основную массу обломочных горных пород. Вновь образованные компоненты осадочных пород представлены в основном минералами слоистой (группа глинистых минералов, хлориты и др.) островной (карбонаты, некоторые сульфаты) и координационной структур (галит, силвин).

В силу возрастания в составе аутигенных (особенно глинистых) минералов вызывает снижение показателей прочности и повышение деформируемости горной породы.

Следует заметить, что с изменением процентного соотношения аутогенных компонентов в составе осадочных пород, как правило, всегда происходят существенные изменения физических характеристик горных пород. Установлено, что самыми распространенными среди осадочных пород являются глины я аргиллиты, на втором месте стоят пески и песчаники, на третьем карбонатные породы (преимущественно известняки).

Песчаники - наиболее важные и широко распространенные осадочные породы. При появлении в них некоторого количества гальки они приближаются к конгломератам, а в случае присутствия значительного количества глинистого материала образуют переходы к глинистым сланцам /24-29/.

В описании обломочной породы обычно выделяют помимо обломочного зерна и цемент. Под названием «цемент» принято понимать содержащийся в обломочной породе аутогенный или тонкообломочный материал, скрепляющий между собой более крупные зерна.

Обломочные породы с кремнистым цементом наиболее прочны и устойчивы против выветривания. Сравнительно высокой прочностью характеризуются породы с карбонатным или железистым цементом. Поэтому обломочные породы, сцементированные кремнистым, карбонатным или железистым материалом и имеющие массивное сложение, относят к скальным породам. Конгломераты, песчаники и алевролиты с глинистым и гипсовым цементом относятся к полускальным породам; они имеют пониженную прочность и водонеустойчивы.

Прочностные свойства сцементированных обломочных пород в значительной степени определяются также соотношением обломочного и цементирующего материала, типом цементации и строением цемента.

Количество цементирующего материала может изменяться в породе в широких пределах - от единиц до нескольких десятков процентов. Чем больше цементирующего материала, тем прочнее, как правило, цементация породы. По отношению обломков и цементирующего материала выделяют следующие типы цементов /24-30/.

Базальный - обломки заключены в цементирующем материале (от 30 до 50% всей массы парады) и не соприкасаются друг с другом.

Выполнения пор - количество цементирующего вещества колеблется в значительных пределах в зависимости от объема поровых породы.

Планочный - количество цемента по сравнению с массой обломкой невелико (обычно менее 10% всего объема породы). Цементирующий материал покрывает тонким слоем все обломки, связывая их между собой; часть порового пространства между зернами остается незаполненной.

Контактовый - цементирующего вещества породе очень мало и развит лишь в местах соприкосновений обломков, поры остаются незаполненными.

Цементирующий материал может быть распределен в породе равномерно или неравномерно. В последнем случае в одной и той же породе на различных ее участках наблюдаются различные типы цементации (например, базальный и поровый).

Межзеренные связи в горных породах определяются физико-механическими свойствами цемента, заполняющего межзеранное пространство, условиями контакта зерен друг с другом и с цементом. При наличии базального цемента породы отличаются повышенной плотностью и, соответственно, пониженной пористостью, относительно однородным строением. Под действием разрушающей нагрузки эти породы обычно накапливают значительное количество энергии упругих деформаций, что приводит к хрупкому упругообразному разрушению.

Типы цемента и соответствующая им прочность показаны в табл. 1.1.

Существенное влияние на прочность породы оказывает строение вещества. Цемент может быть аморфным или кристаллическим. Аморфные цементы обычно мономинеральные, чаще всего они сложены опалом или фосфатом, кристаллические цементы образуют кальций, гипс, кварц и некоторые другие минералы.

Таблица 1.1. Зависимость прочности цементации от типа цемента

Тип цемента	Прочность цементации
Коррозийный	Цементация очень прочная.
Базальный	Цементация прочная.
Поровый	Прочность цементации может быть различной и зависит от объема поровых пространств
Контактовый	Цементация непрочная

Однако, с глубиной наблюдается уплотнение породы, вплоть до соприкосновения обломочных зерен между собой. Одновременно с уплотнением песчаник становится крупнозернистым, в результате перекристаллизации кварца.

Если на глубине 450-530 м основной тип базальный, то на глубине 530 м - он поровый, на глубине 800-900 м порово-контактный, на глубине 1240 м - контактовый и глубже наблюдается вдавливание зерен одно в другое. Одновременно с изменением типа цементации меняется и состав цемента: от глинистого (глубина 450-530 м) до кварцевого (глубина 1400 м).

Кроме того, на прочность обломочных пород заметное влияние оказывает величина зерен. Как правило, породы, состояние из более мелких зерен, имеют большую прочность, чем породы такого же минерального состава, но более крупнозернистой структуры. Например, гравелистые песчаники б_сж=50-60МПа, мелкозернистые песчаники б_сж=100-110МПа. Среди обломочных сцементированных пород наиболее устойчивым и прочны равномерно-среднезернистые и мелкозернистые песчаники, а также алевролиты. Песчаники грубо- и крупнозернистой структуры менее прочны и выветриваются и разрушаются значительно легче. Однако следует заметить, что прямой математической зависимости, связывающей эти свойства, не существует /16/.

Известно, что в одной и той же породе как размеры минеральных зерен, так и характер скоплений цементирующего вещества и их распределение могут изменяться в весьма широких пределах. Исходя из этого, горная порода может рассматриваться как неоднородная среда. С неоднородностью состава и строения пород связана их пространственная неравнопрочность, т.е. неоднородность по упругим, пластическим, прочностным и другим физико-механическим свойствам /19,21,24/.

Известно, что горная порода представляет собой сложную деформированную систему, отдельные звенья которой, в виде минеральных зерен, скоплений цементирующего вещества и других элементарных образований могут быть распределены в объеме породы различным образом. Это распределение допускает существование в породе пустот и микропустот, называемых порами, определяющих компактность (сплоченность) ее структуры, а также трещин и микротрещин, с интенсивностью развития которых связывается степень разрушения породы /30-36/.

Одним из наиболее изученных физических параметров горных появляется пористость.

Пористость пород обусловлена наличием мелких пустот, занимающих пространство между отдельными зернами.

Величине пористости определяется коэффициентом пористости, выражающим отношение объема всех пор к общему породы.

Различают два вида пористости: абсолютную и эффективную. Абсолютная пористость определяется объемом всех содержащихся в породе пор. Эффективная пористость представляет собой объем лишь сообщающихся между собой пор, по которым возможно перемещение в передах воды, нефти и газа. С эффективной пористостью тесно связана проницаемость пород - способность их пропускать через себя жидкости или газа при наличии перепада давлений. Проницаемость зависит от свойства породы, так и от свойства жидкости или газа. Так, например, на проницаемость песков сильно влияют глинистые минералы.

Разные минералы глин неодинаково влияют на фильтрующие способности песчаных пород, в которых содержатся глины. Наибольшее влияние на проницаемость пород оказывают глины монтмориллонитовой группы. Так содержание 2% монтмориллонитовой глины в крупнозернистых песках снижает коэффициент проницаемости в 10 раз, содержание 3% этих глин уменьшает проницаемость в 30 раз. При содержание в песках 6-9% монтмориллоните породы практически связывается непроницаемыми.

Пески с содержанием каолиновых глин от 2-15% являются все же хорошо фильтрирующими породами. Известно, что монтмориллонит обладает способностью сильно набухать, а также адсорбировать. Монтмориллонит при изменениях содержания воды способен раздвигать и сдвигать расстояние между алюмокремниевыми пакетами его кристаллографической решетки /37-40/.

Рассматриваемое зерно, стремясь деформироваться под действием внешней силы, будет оказывать влияние на соседние зерна, и заставлять их вращаться, а в случае возможности (наличия пустот) перемещаться в направлении деформирующей силы. Этому препятствуют структурные связи, силы трения и статическое сопротивление зерен изменению первоначального положения. В случае преодоления этих сил наиболее прочные и мелкие зерна могут сохраняться, а более крупные и хрупкие дробятся. При этом могут происходить процессы пластинообразования, двойникования и др.

Таким образом, минеральное зерно вначале описываемого процесса оказывается в весьма сложном напряженном состоянии, причем в таком, которое препятствует развитию сдвигов. В этом и заключается причина высокой начальной прочности горных пород.

Переориентация и упорядочение расположения минеральных зерен, а также нарушение структурных связей должны облегчить деформацию породы. Таковая природа ослабления прочности массива крепких песчаных пород в процессе пластических деформаций /42, 43/.

песчаный горный химический

1.2 Анализ литературных данных, опубликованных способов ослабления прочности массива горных пород при проведении подземных горных выработок

Исследованиями установлено, что поиски технологических путей снижения энергоемкости разрушения массива горных пород, путем глубокого изучения закономерностей механизма их разрушения, открывающих пути энергоемкости, являются главным направлением современных исследований.

В настоящее время существует следующая классификация способов ослабления прочности массива крепких горных пород, которая приведена на рис. 1.1. В данной классификации перечислены применяемые в горной промышленности и находящиеся в стадии разработки способы ослаблений.

При выборе оптимального способа воздействия необходимо задаваться граничными условиями, учитывая свойства и структуру горной породы конечный желаемый результат.

Механические способы включают разрушение крепких горных пород взрывом, комбайнами, струей воды /12, 43-47/. При взрывном способе механические усилия создаются за счет ударных волн и волн напряжений, приводящих к росту и распространению трещин.

В случае комбайновой выемки пород исполнительные органы производят динамическое воздействие: шарошечные, ударно-поворотные, ударно-скалывающие, при этом разрушение крепких горных пород происходит путем сжатия и скола. Создание специальными исполнительными органами дополнительных поверхностей ослабления в горном массиве (врубы, щели) способствует повышению эффективности разрушения породы и снижению энергоемкости этого процесса, основные данные которых приведены в работах /9, 12, 19, 43-50/.

Гидравлический способ ослабления массива путем нагнетания воды под высоким давлением широко применяется при добыче угольных месторождений, которые применяются гораздо реже. В основе разрушения горной породы струей воды лежат напряжения, возникающие в породе вследствие большой кинетической энергии струи, подобной энергии удара, и приводящие к образованию серий микротрещин.

Ослабление горного массива взрывом широко применяется на открытых горных работах при рыхлении вскрышных и добычных уступов. Однако в настоящее время способ взрывного ослабления горного массива вытесняется более прогрессивными: гидравлическим или взрывогидравлическим.

Механические способы позволяют получить снижение прочностных показателей на 20-40%, но при этом требуются значительные энергетические затраты.



Рис 1.1. Классификация способов ослабления прочности крепких горных пород

Из термических способов следует отметить ослабление горного массива путем образования трещин за счет различных коэффициентов расширения (сжатия) кристаллов, слагающих породу. Известны работы /45, 51, 52/ по снижению сопротивляемости разрушению горных пород с помощью охлаждения, также известны /53-57/ ослабления прочности массива горных пород высокотемпературными теплоносителями, токами высокой частоты. Исследованиями установлено, что избирательное поглощение энергии отдельными минералами, химическим, фазовым и другими превращениями, которые приводят к снижению прочности горного массива вплоть до полного его разрушения зерен или ослаблению межкристаллических прочностных связей.

Многие исследователи /19,58,59/ склоняются в сторону способов разрушения массива горных пород, основанных на использовании высококонцентрированных потоков лазерного излучения.

В настоящее время ведутся работы по созданию проходческих буровзрывных машин с лазерным исполнительным органом, результатом использования которых являются: ослабление прочности массива горных пород за счет термических напряжений; за счет динамических эффектов при воздействии на нее импульсными лазерами; прорезание щелей в горном массиве лазерами непрерывного действия; комбинирование этих видов лазерного воздействия с механическим позволяет добиться более чем десятикратного уменьшения прочности массива горных пород.

Биологические способы ослабления прочности массива горных пород основаны на полном и быстром бактериальном растворении таких минералов как халькозин, ковеллин, борнит, сульфидов мышьяка, цинка и никеля. Для слабосвязанных зернистых пород цементирующее вещество, определяющее прочность породы, может быть разложено микроорганизмами, выделяющими продукты жизнедеятельности, которые придают горной массе повышенную подвижность. Биологический способ /20, 60/ предусматривает длительную региональную обработку массива, требует условий, невыполнение которых ведет к гибели бактерий.

На горно-технологические способы ослабления горного массива влияет: его состояние, глубина залегания, газонасыщенность, наличие в угольном пласте или контакте угля с породой более слабых прослойков и кливажа, а также технологические параметры, в связи с этим /60/ область применения этого способа ограничена.

Химические способы ослабления прочности горного массива /61-65/ включают применение поверхностно-активных веществ и электролитов в качестве понизителей прочности, а также растворение цементирующего вещества кислотами, которые снижают энергоемкость разрушения. Расчеты показывают /61/, что энергозатраты на химический, термический и механический способы ослабления прочности массива горных пород составляет соответственно 10-100 кВт.ч/м³; 250-350 кВт.ч/м³; 400-500 кВт.ч/м³.

1.3 Теоретическое обоснование возможности дезагрегации крепких песчаников при проведении подземных горных выработок

1.3.1 Физико-химическое воздействие растворов поверхностно-активных веществ на массив горных пород для ослабления их прочности

Физико-химическое ослабление прочности массива горных пород - процесс, при котором массив изменяет свои свойства в сторону снижения показатели прочности при воздействии водных растворов поверхностно активных веществ (ПАВ) и электролитов за счет физико-химических превращений взаимодействующих фаз в горных породах.

Явление понижения прочности твердых тел в присутствии ПАВ было обнаружено Ребиндером /66-68/ и получило название эффекта Ребиндера.

ПАВ это вещества с асимметрической молекулярной структурой, молекулы которых содержат одну или несколько гидрофильных групп и один или несколько гидрофобных радикалов. Такая структура, называемая дифильной, обусловливает поверхностную (адсорбционную) активность ПАВ, т.е. их способность концентрироваться на межфазных поверхностях раздела фаз (адсорбироваться), изменяя их свойства.

Эффект Ребиндера заключается в том, что при физико-химическом взаимодействии растворов ПАВ с поверхностью горной породы наблюдается снижение их прочностных свойств за счет адсорбции ПАВ на поверхности развивающихся микротрещин. Наибольший адсорбционный эффект наблюдался в том случае, когда возникающие в процессе разрушения новые поверхности успевали покрываться адсорбционными слоями /64, 65/. Процессы адсорбции из растворов ПАВ на границе твердое (адсорбент) - жидкость обусловливаются интенсивностью молекулярных силовых полей твердой и жидкой фаз на границе раздела. Различие в интенсивности силовых полей, т.е. разность полярностей двух фаз (растворителя и адсорбента), является причиной возникновения свободной энергии -б на границе, разделяющей эти фазы. Чем больше разность полярностей, а, следовательно, и величина - б, тем сильнее выражена тенденция к ее уменьшению.

Для твердых адсорбентов адсорбция имеет место на всей поверхности капилляров, трещин, пор, обычно превышающей во много раз величину видимой внешней поверхности. Процесс изменения концентрации в поверхностном слое, обусловленный молекулярными вандервиальсовыми силами, называется физической адсорбцией. В том случае, когда происходит образование поверхностного соединения в результате действия химических сил, процесс носит название хемосорбции.

Однако, нельзя говорить о резком разграничивании физических и химических сил. Тем не менее, в большинстве случаев природу явления можно установить, исследовав величину теплового эффекта процесса. При уменьшении свободной поверхностной энергии в процессе адсорбции выделяется теплота адсорбции. Исследованиями /43, 70, 71/ установлено, что при хемосорбции выделяется значительно большее количество тепла, чем в процессе физической адсорбции.

Адсорбция на поверхности раздела жидкость-твердое тело описывается уравнением Гиббса:

(1.1)

где Г - избыток вещества в мол на I м² поверхности раздела: а - активность растворенного вещества в растворе; для разбавленных растворов можно принять а равна концентрации с; R - газовая постоянная, равная 8,3110⁷ эрг/мольград (8,3110³ Дж/кмольград); Т - абсолютная температура, град.

Это фундаментальное уравнение, являясь приложением второго начала термодинамики к поверхностям раздела фаз, дает количественное выражение для распределения растворенного вещества между объемом и поверхностным слоем в результате самопроизвольных процессов, приводящих к уменьшению свободной поверхностной энергии.

Для поверхностно-активных веществ

,

следовательно, Г>0, т.е. адсорбция положительна. Величина производной, взятая с отрицательным знаком, называется поверхностной активностью(q)

, (1.2)

Исследованиями /72-74/ установлено, что поверхностная активность является мерой способности растворенного вещества понижать поверхностное натяжение и переходить из объема в поверхностный слой, т.е. адсорбироваться.

В процессе разрушения горной породы в ней на поверхности во внутренних частях появляются постепенно возрастающие трещины. Если разрушение происходит в вакууме, то эти трещины могут вновь смыкаться при удалении разрушающей силы и тело восстанавливается, если не произошло полного разделения его частей.

Согласно энергетической трактовке, эффект ослабления массива прочности горных пород характеризуется понижением работы на образование новых поверхностей твердого тела в процессе деформации и разрушения под влиянием формирующегося на них адсорбционного слоя.

По силовой трактовке проникновение адсорбционного слоя по поверхностям развивающего усилия, пропорционального двумерному давлению, т.е. понижения поверхностной энергии вдоль границы слоя (сферического препятствия).

Исследованиями /67, 68/ установлено, что все виды разрушения горных пород сводятся к следующей схеме: в процессе механического разрушения массива напряжения, возникающие в породе, приводят не только к разрушению поверхностного слоя, но и к образованию большой сети макро и микротрещин в более глубоких слоях, т.е. к образованию зоны нарушения, так называемой зоны предразрушения массива. Эффект адсорбционного понижения прочности связан с тем, в какой мере адсорбционные слои ПАВ из окружающей среды успевают проникнуть в развивающиеся дефекты, покрывая образующиеся в них новые поверхности твердого тела. С этим связаны и наблюдения, показывающие, что с возрастанием размеров адсорбирующихся молекул, когда их поверхностная активность в обычном смысле, т.е. адсорбция на свободных поверхностях твердого тела продолжает возрастать, адсорбционное понижение прочности может исчезнуть: размеры таких молекул уже не позволяют им проникнуть в устья раскрывающихся дефектов. По тем же причинам адсорбционное понижение прочности наблюдается лишь в условиях одновременного сочетания действия напряженного состояния, способствующего постепенному развитию дефектов, и наличия адсорбирующихся веществ с достаточной подвижностью молекул или атомов. ПАВ весьма малых размеров, например, поверхностно-активные металлы вызывают адсорбционное понижение прочности и облегчение деформации путем внутренней адсорбции на зародышевых поверхностях, развивающихся в объеме деформируемого тела.

Сильное адсорбционное понижение прочности горного массива может наблюдаться и в отсутствии внешних условий - под воздействием одних только, иногда незначительных, внутренних напряжений или даже в ненапряженном состояния - путем самопроизвольного диспергирования при понижении поверхностной энергии до очень низких (предельный случай очень сильной поверхностной активности).

При рассмотрении ряда физико-химических факторов, присущих процессам адсорбционного понижения прочности, можно выделить следующие необходимые группы: химическое средство твердого тела и поверхностно-активной среды; условия приложения нагрузки, т.е. его дефектность.

Механическая прочность адсорбционного слоя близка к прочности идеального кристалла /42/. Поэтому можно сделать вывод: раз образовавшись трещинообразное нарушение должно существовать достаточно долго (если успели произойти адсорбция, диффузия и т.д.). Исследованиями /66-69, 72-74/ установлено, что большая часть понижения поверхностной энергии приходится на мономолекулярную адсорбцию, то ПАВ способствует поддержанию нарушенной зоны в нарушенном состоянии, что согласуется с теорией П.А. Ребиндера и его наблюдениями.

Структурные факторы, влияющие на поведение горной породы в активной среде, чрезвычайно многообразны и взаимосвязаны с другими факторами, определяющими механизм адсорбционного понижения прочности под воздействием среды. К ним относятся пористость, гранулометрический и минералогический составы, влажность породы, и текстура, и структура, дефектность структуры и т.д.

Горные породы представляют собой сложные трехфазные системы, состоящие из твердого вещества, жидкости и газа. Количество, объем и структура пор и трещиноватость определяют механическими свойствами горных пород. Структурные дефекты способствуют зарождению микротрещин, поверхностно-активная среда облегчает и способствует их развитию и распространению.

Эффективности действия ПАВ в значительной степени зависит от молекулярного сродства ПАВ и горной породы, т.е. при подборе оптимального понизителя прочности следует учитывать минералогический состав породы. Наибольшей смачивающей способностью будут обладать лишь те ПАВ, близкие по химическому составу горным породам; за счет этого достигается максимальная скорость подвода ПАВ к устью вновь образованных трещин.

При разрушении и деформации горных пород происходит формирование структур различных порядков и их переход друг в друга. При этом разрушение происходит, когда какая-то структура (например, система микротрещин) становится неустойчивой. Влияние раствора ПАВ как раз и заключается в том, что они могут перевести структуру из состояния устойчивого равновесия в неустойчивое положение.

В настоящее время можно с уверенностью отметить, что практически для каждого материала можно найти среду, которая приводит к адсорбционному понижению его прочности.

Практически для всех видов твердых тел существуют родственные по химическому составу и строению среды, которые в значительной степени обеспечивают компенсацию обнажающихся при разрушения тела связей, т.е. сильно понижающих свободную энергию возникающей вновь поверхности и, тем самым, могут привести к резкому падения прочности данного твердого тела. Степень влияния среды связана многими обстоятельствами, в том числе с реальной дефектной данного твердого тела - наличием зародышей разрушения, развитию которых и превращению в трещины помогает среда.

Важную роль играют границы зерен; если в отсутствии активной среды разрушение имеет чаще всего транскристаллитный характер, то при контакте с поверхностно-активным веществом твердого тела происходит почти исключительно по границам зерен, которые являются дефектами, несущими избыток свободной энергии и, соответственно, местами адсорбции и каналами для распространения поверхностно-активных атомов.

Понижение прочности горной породы или облегчение процесса механического разрушения ее может произойти только в среде, обладающей высокой энергией смачивания по отношению к данной породе или содержащей вещества, способные адсорбироваться на поверхности породы. В процессе механического разрушения напряжения, возникающие в породе, приводят не только к разрушению поверхностного слоя, но и к образованию макро- и микротрещин в более глубоких слоях породы, т.е. к образованию зоны остаточных деформаций. Вследствие этого в указанной зоне прочность породы всегда в той или иной степени понижена по сравнению с первоначальной прочностью.

Если разрушение ведется в неактивной среде, то вслед за снятием нагрузки микротрещины закрываются и энергия, потраченная на их образование, будет потеряна.

В работах /72-82/, посвященных понижению прочности, указывается многостороннее промышленное значение этого физико-химического эффекта. Показано, что различные виды бурения в твердых породах могут быть облегчены и ускорены под воздействием адсорбции активной среды, являющейся понизителем прочности разрушаемой породы.

Авторами работ /40, 79, 80/ для скорейшего вскрытия пластов при бурении использование ПАВ позволило увеличить механическую скорость бурения по сравнению с водой на 30^%. Добавление сульфонала в промывочную жидкость увеличило механическую скорость при вращательном бурении по песчанику, мрамору и другим породам на 30-50%.

Наряду с адсорбционным действием понизителей прочности в облегчение диспергирования под влиянием добавок реагентов могут играть роль и чисто химические процессы в микротрещинах - гетерогенные химические реакции. При вступлении понизителей прочности в обменную химическую реакцию с горной породой облегчение диспергирования происходит за счет расширения микротрещин, вследствие химического растворения породы; с другой стороны, образующиеся продукты реакции могут давать обычный адсорбционный эффект понижения твердости, адсорбируясь на стенках микротрещин, например, соляная кислота.

Большой интерес представляют такие объемные химические реакции, когда понизитель прочности реагирует с одним из породообразующих минералов, находящихся в породе в виде мелких включений. В этом случае, наряду с адсорбционным действием на основные минералы породы реагент, вступая в микротрещинах в химическую реакцию с включениями и ослабляя этим связь между зернами основного минерала, будут облегчать разрушение породы. Пример действия соды при бурении в известняках и доломитах.

Адсорбционное понижение прочности, как и все другие адсорбционные эффекты, зависят от химического состава и физико-химического строения разрушаемого массива или обрабатываемого тела.

Песчаники обладают наиболее благоприятной структурой для действия понизителей прочности, а именно значительной пористостью и поэтому жидкость успевает проникнуть вглубь породы до ее момента разрушения. Для подбора понизителей прочности при бурении в песчаниках необходимо исходить не столько из минералогического состава зерен, которые по преимуществу являются зернами кварца, сколько из состава цементирующего вещества, так как цементы являются переменной составной частью песчаника. У различных пород понижение твердости достигается применением различных добавок.

Понизителями прочности могут быть соли (натрия, магния, алюминия), сода, едкий натр, а также такие адсорбирующие вещества как мыло, нафтеновые кислоты, технические продукты, содержащие углеводы. Так для карбонатных пород понизителем прочности являются щелочные электролиты с хлористым натрием концентрацией 0,1-0,25% и известь концентрацией 0,05-0,07%. Для глинистых пород (глинистые сланцы, аргиллиты и др.) - хлористый натрий с добавками соды концентрацией 0,25% /29,73/.

Анализ литературных данных показывает, что при воздействии растворов ПАВ и электролитов наблюдается адсорбционное снижение прочности массива горных пород, причем каждому типу пород соответствует свой наиболее эффективный компонент раствора.

1.3.2 Дезагрегация массива горных пород из крепких песчаников химическим методом с использованием поверхностно-активных веществ

Как известно, каждый песчаник состоит из минерального скелета и цементирующего вещества, а также пор и трещин, заполнение которых различными жидкостями предопределяет возможность изменения свойств массива. В результате этого заполнения порода становится многофазной средой, и свойства ее начинают зависать от всего комплекса входящих элементов и от их взаимодействия.

Степень воздействия жидкости на горную породу может быть: статической и динамической. Статическое воздействие жидкости на породу приводит к ее набуханию, размягчению, растворению, а динамическое - к механическому разрушению и перемещению горных пород, закономерности которых приведены в работах /17, 19, 41/.

Первая стадия любого взаимодействия жидкости с твердым телом - смачивание, т.е. способность жидкости смачивать данную поверхность определяется молекулярным взаимодействием между жидкостью и поверхностью твердого тела, которую она смачивает. Это взаимодействие количественно характеризуется величиной краевого угла - , образующегося на твердой поверхности вдоль линейной границы раздела твердое тело - жидкость - газ.

Чем притяжение (адгезия) в этой системе больше, тем ниже его свободная поверхностная энергия на границе смачиваемое тело - смачивающая его жидкость. Это значит, что смачивание твердого тела тем полнее и лучше, чем больше работа адгезии жидкости к твердому телу и чем меньше работа когезии жидкости, а, следовательно, и ее поверхностное натяжение /74 , 84-86/.

Следующая стадия - заполнение эффективного порового пространства, увеличение трещиноватости, расслаиваемости пород, за счет ослабления связей между частицами (эффект Ребиндера). В процессе проникновения и заполнения рабочей жидкостью эффективного порового пространства может также происходить химическое взаимодействие, приводящее к частичному разрушению (растворения) цементирующих веществ породы /29, 61/.

Если на жидкость или газ, заполняющие сообщающиеся поровые пространства в пласте, действует внешняя сила, эти пластовые жидкости будут перемещаться в породе. Установившаяся скорость течения и его направление будут определяться, с одной стороны, различными физическими свойствами текущей среды (плотность, вязкость, сжимаемость, упругость и т.д., с другой стороны, характером и свойствами порового пространства, которые будут измеряться проницаемостью (пропускная способность породы). Чем больше подвижность жидкости насыщающей породу и чем выше адсорбционная способность и гидрофильность породы, тем сильнее разрушающее действие жидкости.

Известно, что изменение состава цемента меняется прочность горных пород. Наибольшей прочностью обладают песчаники с кремнистым цементом, затем идут песчаники с карбонатным цементом и совсем низкая прочность у песчаников с глинистым цементом. Однако прочность пород зависит и от величины и состава обломочного материала /25, 26, 30/.

Установлено, что минералогический состав пород оказывает влияние на характер движений в них жидкостей. На проницаемость песчаников оказывают влияние глинистые минералы. Разные глинистые минералы неодинаково оказывают свое влияние на фильтрующие способности пород. Наибольшее влияние на проницаемость пород оказывают глины монтмориллонитовой группы. Так содержание 2% монтмориллонитовой глины снижает проницаемость в 10 раз, а 6-9% монтмориллонита делают породу практически непроницаемой. Породы с содержанием каолиновых глин 2-15% являются хорошо фильтрующими породами /31, 37, 38/.

Установлено, что химические вещества, применяемые в горной и нефтедобывающей промышленностях (табл. 1.2) показывают, что химически активные вещества применяются в основном для растворения угля и увеличения нефтедобычи. Увеличение проницаемости горных пород за счет обработки их химическими растворами указывает на возможность дезагрегации горных пород.

Таблица 1.2. Применение ПАВ в горной нефтедобывающей промышленности

Реагент	Полученный эффект	Область использования
Раствор кислоты (органические и неорганические кислоты)	Растворение карбонатосодержащей породы; повышение проницаемости пласта, снижение прочности горных пород	Интенсификация нефтедобычи скважин
Формальдегид и смесь хлористого и фтористого аммония	Обработка песчаников с целью повышения проницаемости	Интенсификация нефтедобычи
Метилоформает и этилацетат	Нагревание пласта, гидролиз, кислотная обработка	Добыча угля растворением
Высокомолекулярный полиакриламидный полимер	Раскрытие трещин	Добыча угля растворением
Гидразин	Увеличение проницаемости в результате образования газообразной среды, снижения прочности горных пород	Интенсификация нефтедобычи. Управление труднообрушаемой кровлей
Перекись водорода, пе-рекиси щелочных ме-таллов или их смеси	Растворение органического вещества	Добыча угля растворением
Гидразин, мочевине, соли щелочных металлов низких карбоновых кислот	Образование промежу-точных продуктов с глинистыми минералами	Добыча угля растворением
Водорастворимое масло 0,5-3%; эмулсия, состоящая из гомологов бензоле и нафталина калия, хромолана, бутадиона, меркантро-бензолтиазола и сульфоната натрия	Растворение глинистых минералов	Добыча угля растворением
Кремнефтористая кислота 5-15%	Растворение карбонатных пород	Интенсификация нефтедобычи
Аммиак	Удаление серы, золы	Обогащение угля
Сульфосалициловая кислота	Растворение соединений железа. Увеличение проницаемости угольного пласта	Добыча угля
Хлористый калий	Увеличение проницаемости пласта	Добыча угля
Динатриевая соль этилен-диаминте-трауксусной кислоты, солянокислый анилин	Обработка карбонатного пласта, увеличение нефте-добычи	Интенсификация нефтедобычи

Так для растворения песчаника, содержащего более 10-15% карбонатов в цементирующем веществе, нефтяники применяют раствор соляной кислоты (HCl) или гидразина солянокислого (NH₂NH₂HCl).

Основные реакции протекают в данном случае по схеме:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂

MgCO₃ + 2HCl = MgCl₂ + H₂O + CO₂ (1.3)

FeCO₃ + 2HCl = FeCl₂ + H₂O + CO₂

Выделяющийся углекислый газ увеличивает растворимость карбонатов, переводя их в растворимые гидрокарбонаты

CaCO₃ + CO₂ + H₂0 = Ca(HCO₃)₂

MgCO₃ + CO₂ + H₂0 = Mg(HCO₃)₂ (1.4)

В породах с малой проницаемостью и большим содержанием карбонатов целесообразно применение гидразина солянокислого /64/), который обладает большей смачивающей и адсорбционной способностью, чем раствор соляной кислоты. С увеличением в составе цементирующего вещества содержания инистых соединений падает растворимость карбонатов /65/. В таких случаях применяют смесь кислот: соляной и плавиковой, называемой глинокислотой.

Плавиковую кислоту можно заменить бифторидом натрия, обращение с которым значительно проще и который в соляно-кислой среде постепенно превращается в хлорид натрия с образованием фтористоводородной кислоты:

Na₂F₂ + 2HCl = 2NaCl + 2HF (1.5)

Процесс взаимодействия глинокислоты с породой сложен и может быть выражен следующими реакциями:

растворение кварца

SiO₂ + 4HF SiF₄ + 2H₂O (1.6)

разложение каолинита

K₄Al₂Si₂O₄ + 14HF 2AlF₃ + 2SiF₄ + 9H₂O (1.7)

Наибольший интерес для дезагрегации крепких песчаников представляют химические соединения из класса комплексонов, выпускаемые в промышленных масштабах /87-90/. Одним из таких соединений, представляющих интерес, является нитрилотриметил-фосфоновая кислота.

Реакции нитрилотриметилфосфоновой кислоты с соединениями, входящими в состав песчаников протекают по схеме:

где L - депротонированный остаток НТФ кислоты

б) аналогично «а» протекает реакция с соединениями алюминия;

в) Са²⁺ + H₆L [Ca(HL)]³ Ca(HL) Ca₃L (1.9)

аналогично «в» протекает реакция с соединениями магния.

Структурная формула НТФ кислоты имеет вид:

Применение сульфосалициловой кислоты для ослабления крепких песчаников возможно на образовании с железом ряда комплексных сомнений в зависимости от кислотности раствора /91,95/:

РН 1,8-2,5 - моносульфосалицилат железа буро-розового цвета

РН 4-8 - комплексный анион дисульфосалицилата бурового цвета

РН 8-11 - комплексный анион трисульфосалицилата железа желтого цвета

Анализ литературных источников /39,94-96/ показал возможность применения растворов карбамида для дезагрегации песчаников, с образованием промежуточных продуктов с глинистыми минералами.

Основными глинистыми минералами цементирующего вещества песчаников являются каолинит, гидрослюда, монтмориллонит, бейделлит и минералы их групп.

Минералы группы монтмориллонита имеют подвижную решетку (семь слоев в пакете), которая при увлажнении раздвигается вплоть до распадения минерала на элементарные ячейки. Минералы сильно набухают - на 200-700% к сухому весу. Для минералов этой группы характерна высокая десорбционная способность вследствие внутреннего замещения одних элементов другими, имеющими меньшую валентность.

Минералы группы гидрослюд или иллита обладают промежуточными свойствами между монтмориллонитами и минералами группы каолинита. Минералы группы каолинита (каолинит, галлуазий, анауксит) имеют прочную неподвижную решетку, в которой расстояние между пакетами при увлажнении не меняется, которые мало набухают. Для получения «набухающего» каолинита необходимо блокировать поверхности всех элементарных слоев. Выполнить это можно путем принудительного разрыва водородных связей, соединяющих смежные слои, и немедленного заполнения межслоевых пространств молекулами ПАВ, способных более прочно, чем молекулы воды соединяться со слоями с помощью новых водородных связей.

При весьма интенсивной механической обработке кристаллов в присутствии органических соединений структура каолинита может быть полностью разрушена с появлением совершенно нового вещества с новой структурой.

Например, при воздействии на каолинит ацетатом калия был получен органо-каолинитовый комплекс, и структура каолинита была разрушена /39/. С растворами слабых органических кислот каолинит также образовывает комплексы, приводящие к изменению его структуры. Глинистые минералы типа монтмориллонитовые комплексы с веществами: класса карбазидов. Определить глинистые минералы в песчанике возможно с помощью органических красителей.

Метод основан на способности глинистых минералов адсорбировать на своей поверхности органические красители - основные и кислотные /97, 98/. Эта способность различна у разных глинистых минералов, и обусловлена структурой их решетки (характером чередования тетраэдрических и октаэдрических слоев, их взаимной ориентировкой и изоморфными замещениями в этих слоях), определяющих величину и распределение отрицательных зарядов на поверхности частиц глинистых минералов.

Ионы, образующие поверхность глинистых частиц, расположены не беспорядочно, а в соответствии с геометрией их кристаллических решеток. Те ионы, из которых эта решетка построена, и те, что входят в нее на началах изоморфизма, определяют силовое электростатическое поле поверхности, которое и захватывает катионы красителей, связывая их более или менее прочно. В качестве органического красителя применяется метиленовый голубой.

Таким образом, выполненный анализ литературных и фондовых источников позволяет сделать выбор таких химически активных веществ как карбамид, соляная кислота, нитрилотриметилфосфоновая кислота, сульфосалициловая кислота, которые возможно применить для исследований по разупрочнению крепких песчаников. Кроме того, выпуск этих веществ осуществляет промышленностью в широких масштабах и потребность в них может быть легко удовлетворена.

1.4 Цель и задачи исследований

Целью магистерской диссертации является разработка способа ослабления прочности массива крепких песчаных горных пород химическим методом с применением различных типов раствора ПАВ, повышающих эффективность проведения подземных горных выработок и обеспечивающих снижение удельного расхода буровзрывных работ.

...