Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Исследование химического и петрографического состава крепких песчаных горных пород.

2. Комплексное исследование физико-механических, технологических и фильтрационных свойств в крепких песчаных породах.

3. Исследование ослабления прочности массива крепких песчаных горных пород химическим методом с использованием различных типов раствора ПАВ.

4. Исследование дезагрегации массива крепких песчаных горных пород химическим методом с использованием раствора карбамида.

5. Исследование изменения прочности массива крепких песчаных горных пород химическим методом в режиме свободного насыщения и напорного нагнетания.

6. Выбор химически активных реагентов и разработка рекомендации по применению химически активных растворов для ослабления прочности крепких песчаных горных пород.

7. Разработка эффективных параметров, способа и рекомендации ослабления прочности крепких песчаных горных пород химическим методом с использованием раствора ПАВ и их промышленное внедрение.

2. Комплексное исследование физико-химических свойств массива крепких песчаных горных пород

2.1 Анализ химического и петрографического состава крепких песчаников

Крепкие песчаные горные породы являются наиболее распространенными породами. Они многообразны по петрографическим и физико-механическим свойствам. Подразделяются на мелкозернистые с размерами обломков 0,1-0,25 мм, среднезернистые с размерами обломков от 0,25-0,5 мм и крупнозернистый с размерами обломком 0,5 мм и выше.

Вещественно все песчаники представлены обломками полевого шпата и плагиоклаза, порфирита, кварца, сланцев различного состава, углистого материала, хлорита, карбоната, пластиночек слюды. Цементов служит глинистый материал, гидроокислы.

С целью подбора химических растворов для ослабления крепких песчаников проведена комплексная научно-исследовательская работа по определению их химического состава и типа цементирующего вещества.

Химический анализ проб и состав цемента проводился по известным методикам /97-99/.

Анализ полученных данных показывает, что состав песчаников состоит из одних и тех же элементов с преобладанием того или много минерала и вещественно представлен в основном кварцем, полевых шпатом, включениями сланца различного состава, а также углистым материалом. Химически осажденный материал, образующий цемент песчаников является важнейшим компонентом этих пород, так как состав и тип цемента породы находится в непосредственной связи с пористостью и крепостью.

Состав цемента песчаников различен и представлен в основном глинистый материал (гидрослюда, каолинит, монтмориллонит, бейделлит, их изменение формы), карбонат, серицит, тонкораспыленный углистый материал, оксиды и гидроксилы железа.

Карбонатные минералы относятся к наиболее распространенному компоненту цемента крепких песчаников.

Состав цемента влияет и на пористость и на проницаемость породы представляют больший интерес при изучении движения флюидов через породы. Растворяющее влияние зависит в значительной степени от состава исходного материала и обычно легко устанавливается при изучении песчаников в шлифах и выражается в изменение характера контакта между зернами.

На примере двух песчаников, отобранных на различных шахтах, обладающих различными физико-механическими свойствами, рассмотрим петрографическое описание их шлифов.

Общим для обеих проб песчаников является состав классического материала, который представлен обломками зерен кварца и полевых шпатов, а также обломками горных пород различного состава. Состав цемента представлен глинистым и карбонатным материалом. Главное различие между описанными песчаниками - тип цемента по взаимоотношению с обломками.

Лабораторными испытаниями установлено, что в пробе пространство между обломками выполнено не полностью и порода обладает более высокой пористостью. Обломки минералов и горных пород разъединены друг с другом и пространство между ними целиком выполнено карбонатным материалом, вследствие чего, песчаник обладает малой пористостью и повышенной механической прочностью.

Таким образом, цементирующее вещество является переменной составляющей песчаника при прочих равных условиях их химической дезагрегации. Наиболее благоприятен песчаник с контактово-поровым типом цемента и менее благоприятен песчаник с базальным типом цемента.

2.2 Исследование физико-механических и технологических свойств массива крепких песчаных горных пород

Физико-механические свойства крепких песчаных горных пород определяют по результатам исследования кернов, полученных при бурении геологоразведочных скважин. Пробы отбирались в количестве 10-15 кернов, диаметром 42-55 мм, из которых изготавливались образцы полуправильной формы по методике /100/, для определения их прочностных свойств.

Далее определялись пористости горных пород по методике /101/ на приборе СПВ-2. Принцип работы прибора основан на определении объема скелета образца породы по изменению давления, необходимого для сжатия воздуха в бюретке известного объема, присоединенного к камере с образцом. Исходной формулой для расчетов является формула закона Бойля-Мариотта.

После определения пористости породные образцы дробились до получения необходимой фракции и оценивали влажность по методике /102/.

Полученные данные показывают, что крепкие песчаные породы по гранулометрическому составу разделяются на мелко- и среднезернистые, их минеральный состав однообразен. Прочность песчаников почти не меняется и зависит от состава и типа цементирующей массы, находится в пределах 40,0-120,0МПа.

Менее прочны песчаники с глинисто карбонатным цементом. Однако характерной особенностью для исследованных песчаных горных пород является карбонатно-глинистый цемент. С увеличением количества карбонатов в цементе возрастает прочность песчаника. В табл.2.1 приведены изменения предела прочности на сжатие в зависимости от состава цемента.

Пористость песчаных горных пород колеблется от 2,2 до 11,0. Причем низкая пористость характерна для сильно карбонизированных песчаников с базальным типом цемента. Содержание воды в песчаных горных породах или их влажность колеблется от 0,4 до 5%.

 Таблица 2.1. Петрографические и прочностные характеристики песчаников

Разновидность песчаников	Цемент	Предел прочности на сжатие, МПа
	Наименование	содержание глинистого материала, %	Содержание карбонатов, %
1	2	3	4	5
Мелкозернистый	Глинистый	20-30	5	53,0
		10-20	5	56,0
		1-5	5-10	68,0
	Карбонатный	1-5	10	94,0
Среднезернистый	Глинистый	15-20	5	52,0
		5-15	5	63,0
		1-5	10	78,0
	Карбонатный	1-5	10	89,0

2.3 Комплексное исследование фильтрационных свойств массива крепких песчаных горных пород

Эффективность воздействия химических растворов на массив определяется их свойствами, в которой производится нагнетание рабочей жидкости: пористостью, эффективной пористостью, влагонасыщением, газопроницаемостью.

Общая пориcтоcть образцов пород определялась по известной методике /49/ на приборе СПВ-2.

Эффективная пористость определялась из выражения:

(2.1)

где: Р_Н - вес насыщенного водой образца породы, кг;

Р_с - вес сухого образца породы, кг;

V - объем образца породы, м³

d_o - удельный вес раствора, кг/м³.

Проницаемость массива горных пород тесно связана с их пористостью. Проницаемость массива горных пород зависит не только от пористости, но и от характера распределения пор по размерам, морфологии порового пространства, минералогического состава и других факторов.

Проницаемость массива горных пород изучалась на приборе НВ-5M по методике /103/, который служит для определения газопроницаемости по скорости прохождения определенного объема воздуха при различных перепадах давления.

Проницаемость массива горных пород рассчитывали на основании полученной скорости истечения воздуха по формуле Дарси с введением поправок на среднее давление и на вязкость воздуха при комнатной температуре:

, (2.2)

где: К - проницаемость образца, по методу Дарси

V- объем воздуха, см³

t - время истечения

l - длина образца, см

F - площадь сечения образца, см²

- поправочный коэффициент.

Из табл.2.2 видно, что общая пористость песчаных горных пород изменяется от 3,3 до 12,0%, а эффективная пористость колеблется от 0,18 до 6,8%, Песчаные горные породы, имеющие низкую эффективную пористость, обладают малым фильтрационным объемом. У таких песчаников и коэффициент фильтрации на два порядка меньше. Как показано выше пористость песчаников зависит и от типа и состава цементации, поэтому представляет интерес исследования влагонасыщения образцов песчаников различного типа цементации.

Исследованиями /16/ установлено, что влагоемкость массива горных пород зависит от минерального и гранулометрического составов, структуры и текстуры пород.

Установлено, что влагоемкости массива некоторых песчаных горных пород во времени с различным типом цемента: глинисто-карбонатный и карбонатно-глинистый; и различной проницаемостью. Процесс насыщения породных образцов (рис.2.1) водой стабилизируется к 24 часам и через 48 часов прироста веса образцов практически не наблюдается.

Из рис.2.1 видно, что интенсивность процесса влагонасыщения для различных песчаных горных пород неодинакова. Кривые 1,2 характеризуют песчаные горные породы с контактово-поровым типом цемента, 3,4-с базальным типом цемента. Влагоемкость массива последних в 6-10 раз ниже, чем у песчаных горных пород с контактово-поровым цементом.

Объем жидкости, который может вместить массив зависит от эффективной пористости и определяется расчетным путем из формулы, приведенной в работе /104/.

1 - песчаник с глинисто-карбонатным цементом; 2, 3 - песчаник с карбонатно-глинистым цементом

Рис.2.1. Изменение веса образцов песчаников с различным типом цемента при насыщения их водой

 0, (2.3)

где: Q_общ - общий объем жидкости, закачанной в скважину, м³

R_эф - эффективный радиус увлажнения, м;

l_эф - длина фильтрующей части скважины, м;

m_эф - эффективная пористость

m_эф = (0,03-0,4)m_о.

Открытая пористость m_о массива песчаных горных пород (в долях единицы) изменяется от 0,022 до 0,11.

Выводы по главе 2

1. Установлено, что цементирующее вещество массива песчаных горных пород является переменной составляющей и их дезагрегация зависит от состава и типа цементации. Исследованиями также установлено, что при прочих равных условиях для химической дезагрегации наиболее благоприятен песчаник с контактовым типом цементации и менее благоприятен песчаник с базальным типом цементации.

2. Установлено, что характерный цемент массива песчаных горных пород - карбонатно-глинистый. Также установлено, что увеличение содержания карбонатов в составе цемента увеличивает прочность массива песчаных горных пород.

3. Определено, что открытая пористость массива песчаных горных пород составляет в долях единицы от 0,022 до 0,11, а эффективная пористость 0,03 - 0,4 от общей пористости.

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

Проводились исследования ослабления прочности массива крепких песчаных горных пород химическим методом с использованием раствора ПАВ. В экспериментах были использованы пробы из песчаных горных пород химико-минералогических компонентов, которые приведены в табл.3.1.

Таблица 3.1. Исходный химический состав песчаников

Цемент	Содержание химико-минералогических компонентов, %
	SiO2	Fe2O3	Al2O3	CaO	MgO
Карбонатно-глинистый	52,18	23,52	13,80	4,80	5,82
Глинисто- Карбонатный	63,54	8,9	16,66	2,20	3,67
Карбонатно-глинистый	60,40	9,4	16,66	5,54	7,0
Глинисто- Карбонатный	70,2	5,8	14,62	5,25	5,35

Определение химического состава породы осуществлялось согласно методике, установленной ГОСТ 10533-72. При этом содержание химико-минералогических компонентов оценивалось:

SiO₂ - весовых методом; Fe₂O₃; Al₂O₃; CaO; MgO - объемных методом.

Опыт по определению проводили следующим образом: 1 грамм породы фракцией 1,5 мм заливали химическим реагентом в объеме 50 мл. После истечения трех суток жидкость отфильтровывали, породу просушивали, затем определяли химический состав, результаты которого свидетельствовали о количестве вымытых компонентов и давали возможность выбора этих реагентов исходя из исходного содержания химико-минералогических компонентов в породе.

В табл.3.2 приведены результаты этих исследования, которые показывают, что растворы кислот при воздействии на песчаник вымывают соединения, содержащие железо (1,67 до 89,36%); кальция (от 33,85 до 90,42% ); магния (от 18,00 до 70,09%), а также алюминия (от 6,68 до 9,60%). Раствор карбамиды вызывает незначительные изменения в химическом составе породы. Следует отметить, что у выбранных кислот наилучшей реакционной способностью обладает раствор соляной кислоты.

Необходимо отметить, что между содержанием химико-минералогических компонентов породы и количеством вымытых компонентов в результате воздействия растворов кислот наблюдается определенная связь.

На основе корреляционного анализа получены следующие зависимости для комплексона

(3.1)

(3.2)

(3.3)

(3.4)

Таблица 3.2. Количество вымытых химико-минералогических компонентов из песчаных горных пород при воздействии химически активных растворов

№ п/п	Fe2O3, %	Al2O3, %	CaO, %	MgO, %
Раствор соляной кислоты 6%
1	55,83	5,72	90,42	67,13
2	48,65	9,60	77,27	64,58
3	37,93	0,68	87,20	70,09
4	89,36	4,08	87,36	64,29
Раствор сульфосалициловой кислоты 1%
5	14,50	0,00	44,30	28,00
6	5,00	9,96	81,53	20,79
7	10,34	0,00	63,11	41,12
8	40,43	2,04	68,41	64,29
Комплексон НТФ 0,5%
9	9,00	0,00	0,00	18,00
10	1,67	6,12	33,85	86,14
11	6,90	0,99	61,59	57,01
12	14,89	8,16	49,46	28,57
Раствор карбамида 2%
13	0,00	10,07	6,25	6,82
14	1,12	5,34	4,55	0,00
15	3,43	0,00	0,00	0,00
16	0,00	4,08	9,93	15,71
Вода
17	0,09	0,36	6,25	5,59
18	3,03	0,12	0,45	11,99
19	3,45	0,00	0,00	0,00
20	0,00	0,00	10,83	0,00

для сульфосалициловой кислоты

(3.5)

(3.6)

(3.7)

(3.8)

для соляной кислоты

(3.9)

(3.10)

(3.11)

где ; ; ; - содержание соответствующих химико-минералогический компонентов в породе, %.

Эти зависимости верны при следующих граничных условиях

5,80%23,50% (3.12)

13,80%16,66% (3.13)

2,20%5,54% (3.14)

3,64%7,00% (3.15)

Если в качестве критерия для выбора химически-активных реагентов, использовать количество вымытых химико-минералогических компонентов, то наиболее перспективным в этом плане является соляная кислота. Поэтому представляет интерес исследования по установлению времени воздействия растворов соляной кислоты на количество вымываемых химико-минералогических компонентов.

Суть эксперимента сводилась к следующему: 1 г породы фракцией 1,5 мм обрабатывали порциями по 10 мл раствора солярной кислоты различной концентрации, но истечении определенного времени оценивалось процентное содержание химико-минералогических компонентов в фильтрате.

Результаты этих исследований сведены в табл.3.3, которые показывают, что количество вымываемых химико-минералогических компонентов зависит от концентрации и времени воздействия реагента: в первые 30-60 мин происходит вымывание только карбонатных включений. Исключение составляет воздействие соляной кислоты концентрацией 8%, где к концу часа наблюдается вымывание соединений, содержащих железо. Дальнейшее увеличение времени воздействия приводит к вымыванию соединений, содержащих алюминий, железо. Причем явно наблюдается влияние исходных концентраций кислоты.

Например, для песчаных горных пород воздействия 0,5% соляной кислоты приводит к вымыванию соединений железа только после истечения 30-36 часов, а для концентрация 6-8% хватает 8 часов, т.е. увеличение концентрация кислоты приводит в первый момент к различному количеству вымытых соединения, но с увеличением времени начиная с концентрация кислоты количество вымытых минералов стабилизируется. При воздействии кислотами низких концентраций (0,5-2%) соединения, содержащие алюминии, вымываются раньше, чем соединения, содержащие железо. Что касается времени воздействия, то основная масса вымытых химико-минералогических компонентов приходится к концу 24 часов.

Таблица 3.3. Количество вымытых компонентов в фильтрате при воздействии соляной кислоты

Время воздействия	Концентрация соляной кислоты, %	Вымывание химико-минералогических компонентов, %	Сумма элементов
		Fe2O3	Al2O3	CaO	MgO
0,50	0,5	-	-	2,03	1,55	3,58
	2,0	-	-	3,43	2,90	6,93
	4,0	-	-	4,34	3,50	7,84
	6,0	-	-	4,82	3,60	8,42
	8,0	-	-	5,04	4,00	9,04
1,00	0,5	-	-	2,80	2,10	4,90
	2,0	-	-	4,05	3,45	7,50
	4,0	-	-	4,65	3,65	8,30
	6,0	-	-	5,18	3,95	9,13
	8,0	-	-	3,32	4,20	9,52
8,00	0,5	-	-	3,20	2,80	6,00
	2,0	-	-	4,40	3,20	7,60
	4,0	-	-	4,45	3,45	8,70
	6,0	2,70	1,20	4,85	3,45	12,20
	8,0	5,21	1,19	4,80	3,50	14,70
15,00	0,5	-	-	3,55	2,85	6,42
	2,0	-	0,34	4,34	3,50	8,10
	4,0	-	1,10	4,55	4,25	9,90
	6,0	5,60	1,19	4,82	3,35	15,96
	8,0	7,60	1,70	4,97	4,45	18,72
24	0,5	-	-	3,50	2,90	6,40
	2,0	-	0,85	4,34	3,75	8,94
	4,0	6,00	1,23	4,55	4,25	16,00
	6,0	7,20	1,70	4,90	4,45	18,5
	8,0	9,60	1,87	5,04	4,70	21,2
30	0,5	-	0,40	3,30	2,80	8,50
	2,0	1,30	0,45	4,05	3,40	9,20
	4,0	7,10	1,05	4,55	4,10	18,80
	6,0	8,50	1,27	4,60	4,09	19,40
	8,0	10,00	2,40	4,90	4,50	21,80
36	0,5	0,20	0,50	3,20	2,70	6,60
	2,0	0,67	0,71	4,02	3,50	8,70
	4,0	7,22	1,07	4,32	4,09	16,70
	6,0	9,00	1,65	4,40	4,05	19,1
	8,0	9,60	2,92	4,50	4,48	21,50
0,50	0,5	-	-	2,32	2,25	4,56
	2,0	-	-	4,41	4,35	8,76
	4,0	-	-	4,76	4,80	9,56
	6,0	-	-	5,32	5,30	10,62
	8,0	-	-	5,95	5,35	11,50
1,00	0,5	-	-	3,22	2,25	5,47
	2,0	-	-	5,46	4,00	9,46
	4,0	-	-	5,67	4,10	9,77
	6,0	-	-	6,72	4,50	11,22
	8,0	4,00	-	6,79	4,60	15,39
8,00	0,5	-	-	2,60	3,50	6,10
	2,0	-	-	5,05	4,45	9,50
	4,0	3,44	-	5,46	4,50	13,40
	6,0	4,62	0,20	5,70	4,55	15,07
	8,0	5,85	0,38	6,50	4,70	17,63
15,00	0,5	-	-	3,50	3,20	6,70
	2,0	-	0,17	4,82	4,50	9,49
	4,0	5,80	0,34	5,04	4,65	15,83
	6,0	6,00	0,68	5,25	4,70	16,63
	8,0	6,40	0,68	5,39	4,75	17,22
24	0,5	-	-	4,27	3,50	7,77
	2,0	-	0,30	4,56	4,00	9,80
	4,0	7,40	0,51	4,76	4,15	16,72
	6,0	7,60	0,68	4,83	4,25	17,36
	8,0	7,80	0,68	4,90	4,35	17,73
30	0,5	-	-	4,35	3,45	7,80
	2,0	1,06	0,34	4,50	3,76	9,90
	4,0	7,57	0,55	4,70	3,98	16,80
	6,0	7,50	0,80	4,65	4,05	17,40
	8,0	8,00	0,95	4,80	4,05	17,80
36	0,5	-	-	4,20	3,50	7,70
	2,0	1,39	0,21	4,35	3,75	9,70
	4,0	7,65	0,45	4,50	3,80	16,40
	6,0	8,13	0,69	4,68	3,80	17,30
	8,0	8,07	0,78	4,80	3,95	17,60

3.2 Исследование дезагрегации массива крепких песчаных горных пород химическим методом с использованием раствора карбамида

Изменение прочностных свойств песчаника зависит от изменения прочности связи между слагающими его компонентами, т.е. от изменения агрегатного состояния цементирующего вещества.

Исследования в системе раствор карбамид-песчаник проводили согласно схеме, представленной на рис. 3.2. Анализ количества вымытых химико-минералогических компонентов песчаника раствором карбамида показывает, что раствор карбамида вызывает незначительное изменение в химическом составе песчаника.

Рентгеноструктурный анализ песчаника, обработанного и необработанного раствором карбамида не изменяет структуры песчаника /108/. Химический анализ фильтрата не показал никаких результатов, однако исследования, проведенные по определению остаточной концентрация карбамида в фильтрате после воздействия на песчаные горные породы по методике /109/ нефелометрическим способом на прибора ФЭК (рис.3.3) показывают, что концентрация раствора карбамида в системе раствор-песчаник со временем изменяется.

Рис.3.2. Схема исследований в системе раствор карбамида - песчаник



Рис.3.3. Изменение концентрации в системе раствор карбамида - песчаник

1-исходная концентрация 8%; 2-6%; 3-4%; 4-2%

Анализ полученных данных показывает, что раствор карбамида повышает диспергирующую способность жидкости на 10-11. Это говорит о том, что раствор карбамида дезагрегирует песчаник как ПАВ.

3.3 Исследование насыщения массива крепких песчаных горных пород химически активными растворами

Механизм снижения прочности образцов пород при воздействии на них различных химических реагентов в зависимости от состава цемента можно наглядно показать по характеру изменения веса образцов в процессе взаимодействия.

Серия образцов, представленных кернами диаметром 52 им с различным типом цемента просушили при температуре 105°С до стабилизации веса и поместили в растворы химически активных веществ, а именно раствор карбамида, концентрации 4% растворы кислот: соляной 4%, сульфосалициловой 1%, НТФ - 0,5%. По истечении определенного времени замеряли вес образцов, на рис.3.4 и 3.5 представлено изменение веса образцов во времени с различным цементом: с карбонатно-глинистым и глинисто-карбонатным.

Анализ показывает, что при глинисто-карбонатном составе цемента при воздействии кислот с песчаником происходит в основном процесс насыщения, который полностью затушевывает процесс растворения. При этом снижение прочности песчаника происходит за счет его пропитки (эффект Ребиндера). Насыщение образцов раствором карбамида носит несколько иной характер: приросты веса идут почти по линейному закону и заканчиваются в течение 72 часов полной дезагрегацией образцов. Объяснить это можно тем, что глинистые минералы, взаимодействуя с раствором карбамида образует комплексы, разрушающие связи в песчанике.

Для песчаников с карбонатно-глинистым цементом при насыщении его раствором карбамида характер изменения веса образцов протекает аналогично таковому как и при взаимодействии кислот с песчаниками, имеющими глинисто-карбонатный цемент. Такой характер определяется незначительным содержанием глинистых минералов в цементирующем веществе.

Рис.3.4. Характер изменения веса образцов из карбонатно-глинистых цементов: 1- раствор карбамида; 2 - раствор сульфоцалициловой кислоты; 3- раствор соляной кислоты



Рис.3.5. Характер изменения веса образцов с глинисто-карбонатным цементом: 1 - раствор карбамида; раствор соляной кислоты; 3 - раствор комплексона НТФ

Характер изменения веса образцов песчаника при насыщении растворами кислот зависит от скорости взаимодействия с карбонатными соединениями. Так скорость растворения карбонатов раствором соляной кислоты (кривая 3 на рис.3.4) превышает скорость насыщения песчаника влагой, поэтому в первый момент времени наблюдается уменьшение веса образцов. Затем процесс растворения идет на убыль и во взаимодействии начинает преобладать процесс насыщения. Снижение прочности у таких песчаников происходит в основном, как за счет размыва минеральных включений, так и за счет насыщения.

3.4 Исследование изменения прочности массива крепких песчаных горных пород химическим методом в режиме свободного насыщения

Исследования проведены с целью проверки выбранных химических реагентов по критерию снижения прочности пород, а также для оценки степени влияния типа и состава цемента на уровень снижения прочности пород.

Для экспериментов использовались керны из песчаников диаметром 40-43 мм, высотой 15-20 мм. Образцы породы заливали различными жидкостями определенной концентрации, в количестве необходимом для полного вымывания минералов, способных к растворению.

На первом этапе исследовали изменение прочности песчаников при воздействии химически активных растворов во времени, результаты этих исследований представлены в табл.3.4.

Анализ данных показывает, что основное снижение прочности происходит в первые трое суток и стабилизируется на шестые. Наилучшей рабочей жидкостью для песчаников с глинисто-карбонатным цементом является раствор карбамида, при использовании которого происходит полная дезагрегация некоторых образцов песчаника.

Воздействие раствора карбамида на песчаники карбонатно-глинистым цементом сказывается значительно меньше, где снижение прочности породы при обработке раствором карбамида составляет всего 5-10%. При карбонатно-глинистом составе цемента максимальное снижение прочности достигается при использовании растворов соляной кислоты, комплексона НТФ сульфосалициловой кислоты.

Многочисленные испытания пород позволили установить для большей группы песчаников связь между исходным содержанием химико-минералогических компонентов и прочностью пород на сжатие в виде выражения:

, МПа (3.1)

Таблица 3.4. Изменение прочности песчаников во времени при воздействии различных химически активных реагентов

Продолжительность опыта, сут	Рабочие жидкости
	Вода	Соляная кислота - 6%	Карбамид - 2%	Сульфосалициловая кислота - 1%	Комплексон НТФ - 0,5%
	Предел прочности на сжатие (бсж), МПа
	до обработки	после обработки	до обработки	после обработки	до обработки	после обработки	до обработки	после обработки	до обработки	после обработки
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	45-55	30-38	45-55	45-52	45-55	30-35	45-55	45-50	45-55	44-50
3	-	20-26,5	-	40-45	«-»	-	«-»	33-46	«-»	33-46
6	-	17-20	«-»	38-42	«-»	-	«-»	«-»	«-»	«-»
10	-	«-»	«-»	«-»	«-»	-	«-»	«-»	«-»	«-»
1	100-120	100-120	100-120	80-100	100-120	80-100	100-120	65-90	100-120	100-120
3	«-»	100-110	«-»	70-80	«-»	70-80	«-»	60-80	«-»	100-110
6	«-»	«-»	«-»	65-75	«-»	«-»	«-»	50-65	«-»	90-100
10	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»
1	80-82	35-40	80-82	78-80	80-82	25	80-82	15-20	80-82	40-45
3	«-»	12-17	«-»	76-78	«-»	*	«-»	13-14	«-»	16-18
6	«-»	*	«-»	75-78	«-»	-	«-»	10-14	«-»	13-16
10	«-»	-	«-»	«-»	«-»	-	«-»	«-»	«-»	«-»
1	80-81	60-70	80-81	50-58	80-81	50-55	80-81	53-58	80-81	51-59
3	«-»	55-60	«-»	40-45	«-»	38-40	«-»	39-40	«-»	38-43
6	«-»	50-57	«-»	35-40	«-»	32-38	«-»	33-35	«-»	31-37
10	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»
1	55-60	52-55	55-60	10-15	55-60	50-55	55-60	25-31	55-60	15-25
3	«-»	«-»	«-»	5-10	«-»	«-»	«-»	20-27	«-»	10-20
6	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	5-10
10	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»	«-»

*-образец породы дезагрегировал

Анализ (3.1) показывает, что прочность песчаника в первую очередь зависит от содержания в них соединений кальция, а также магния и железа. Наличие соединений алюминия свидетельствует о присутствии в породе глин, которые ослабляет связи между минералами.

С учетом (3.1), данные табл.3.2 и 3.1 показывают, что наибольшей реакционной способностью к цементирующему веществу песчаников обладает раствор соляной кислоты. Однако величина снижения прочности породы не коррелирует с количеством вымытых компонентов. Например, снижение прочности породы при воздействии соляной кислоты составляет -5%, комплексона НТФ - 80%, сульфосалициловой кислоты - 80%. Данные свидетельствуют, что использование количества вымытых химико-минералогических компонентов в качестве критерия для выбора реагентов неприемлемо. Очевидно, что искомый критерий должен комплексно учитывать как свойства рабочей жидкости, так и разупрочняемой породы.

В принципе выбранные рабочие жидкости позволяют снизить прочность крепких песчаных горных пород любого химического состава на 80-90%. Главным условием достижения этих показателей является возможность проникновения химического реагента вглубь образца. Эти условия, как было показано ранее, определяются типом цементации, физическим отражением которых являются эффективная пористость и коэффициент проницаемости.

Так на опытах с образцами крепких песчаных горных пород и имеющих базальный тип цемента (m_эф=(0,18-0,3)% К_ф=110^-3 Дарси) наблюдалось следующее. После испытания пород на прочность на приборе БУ-39 визуально исследовались обломки пород для определения глубины проникновения рабочей жидкости. Было установлено, что глубина пропитки растворов соляной и сульфосалициловой кислоты, комплексоне НТФ составляет: вдоль напластования 4-8 мм и 2-4 мм поперек напластования.

Меньшее значение глубине пропитки соответствовала соляная кислота, у которой оказалась отрицательная поверхностная активность к этому песчанику. Интересно отметить, что обработанную кромку породы, в некоторых случаях можно было разрушить мускульным усилием рук. Таким образом, при измерении прочности пород с базальным типом цемента фиксировалась усредненное снижение прочности, которое объективно не отражало итог процесса.

3.5 Исследование изменения прочности массива крепких песчаных горных пород химическим методом в режиме напорного нагнетания

Для максимального приближения к натурным условиям, где породы находятся в объемном напряженном состоянии, в лабораторных условиях проводили опыты по воздействие рабочих жидкостей на образцы в режиме напорного нагнетания. При этом образцы находились в состоянии всестороннего обжатия.

Давление обжатия составляло 10МПа, что соответствует горному давлению на глубине 500м. Опыты ставились над образцами-кернами, длиною 140-150 мм. Методика работы на приборе приведена /107/. После обработки на приборе напорного нагнетания образцы разрезались на цилиндры высотою 20 мм, с целью определения глубины пропитки и изменения прочности песчаника по высоте керна.

В табл. 3.5 приведены результаты этих исследований. Значения прочности песчаников приведены только для пропитанной части. Анализ данных показывает, что глубина пропитки зависит от типа цементации: при банальном типе жидкость фактически не проникает в образец, при поровом и контактовом типе цемента наблюдается проникновение.

Таблица 3.5. Изменение прочности песчаников при воздействии химически активных растворов в режиме напорного нагнетания

Наименование рабочей жидкости	Время воздействия, суток	Глубина пропитки, 10-3 м	Предел прочности на сжатие, МПа	Снижение прочности, %	Давление нагнетания, МПа
			До обработки	После обработки		Исходное	Конечное
Сульфосалициловая кислота 1%	14	5	100-110	75-80	26,4	7,1	5,8
Вода	«-»	3	100-110	92-100	6,8	7,1	5,0
Вода	14	100	72-82	66-68	12,9	7,0	6,2
Карбамид 4%	«-»	100	84-88	22-61	30,0	7,2	3,5
Соляная кислота 10%	3	50	72-75	60-66	12,0	54	31
Соляная кислота 6%	6	140	68-72	15-35	52	7,0	3,0

Величина снижения прочности пород при такой схеме обработки образцов несколько ниже, чем при свободном насыщении, что объясняется уменьшением эффективной пористости при обжатии, и снижением доступности растворимых минералов рабочей жидкостью. Таким образом, проведенные исследования на приборе напорного нагнетания показали принципиальную возможность разупрочнения крепких осадочных пород, находящихся в условиях объемного напряженного состояния.

3.6 Выбор химически активных реагентов

Как показали исследования влияния химически активных реагентов на прочность песчаника, выбор этих реагентов должен осуществляться с учетом не только химико-минералогического состава пород, но и свойств, характеризующих взаимодействие в системе горная порода - рабочая жидкость. Для анализа результатов снижения прочности при свободном насыщении песчаника растворами кислот привлечены показатель, характеризующий химико-минералогический состав, поверхностная активность и концентрация раствора кислот, а также коэффициент проницаемости.

При этом исследовалась зависимость вида

?,

где ? - снижение прочности породы при воздействии реагента, %; К_хмс - коэффициент, учитывающий исходный химико-минералогический состав пород; q - поверхностная активность рабочей жидкости на песчанике, 10^-3 Дарси; с - концентрация реагента, процент.

В качестве К_хмс использовалось соотношение:

,

взятое из выражения (3.1)

Определение поверхностной активности производилось согласно работе /74/ и вычислялось по формуле:

q = , (3.3)

где у_о - исходное поверхностное натяжение раствора, 10^-3 Н/м;

у_с - поверхностное натяжение после воздействия, 10^-3 Н/м;

с - концентрация раствора, Мг/г.

В табл. 3.6 приведены данные поверхностной активности химических растворов различной концентрации.

Анализ этих данных показывает, что рассматриваемые растворы обладают различной поверхностной активностью, причем наибольшие значения у растворов низких концентраций. В связи с этим представляет интерес сопоставление данных до поверхностной активности, рассматриваемых кислот с величиной

(?у_ф-?у_р).

?у_р - расчетное снижение прочности пород, полученное путем подстановки в (3.1) остаточных значений содержания химико-минералогических компонентов, определенных из табл.3.5.

Физический смысл этого сопоставления заключается в том, что мы наглядно представим, какие потери в снижении прочности пород будем иметь, если не учитывать поверхностную активность рабочей жидкости (рис.3.6).

Анализ показывает, что максимальное расхождение расчетного и фактического снижения прочности пород при воздействии на них растворов кислот наблюдается при отрицательных значениях поверхностной активности реагентов. При значениях поверхностной активности свыше 0,1 разница в показателях весьма мала.

Рис. 3.6. Снижение прочности пород при различных значениях поверхностей активности химических реагентов

Таблица 3.6. Поверхностная активность химических растворов

Концентрация раствора	До адсорбции	Поверхностная активность после адсорбции на песчаниках, Н/м•103
		Проба 1	Проба 2	Проба 3
Раствор соляной кислоты
0,5	-0,030	1,260	1,120	-0,634
2,0	-0,007	0,120	0,099	-0,123
4,0	-0,009	0,050	0,099	-0,112
6,0	-0,013	0,051	0,120	-0,065
8,0	-0,011	0,026

Подобные документы

• Теория горных машин

  Понятие и виды производительности горных машин, принципы и критерии ее оценки. Основные показатели качества и надежности горных машин, методика их расчета. Главные физико-механические свойства горных пород, их классификация по контактной прочности.
  
  реферат [25,6 K], добавлен 25.08.2013
  

• Влияние горного давления на отбойку породы

  Факторы, оказывающие влияние на разрушение горных пород. Определение мощности, затрачиваемой на разрушение горных пород инструментом режуще-скалывающего действия. Построение графиков изменения свойств пород в зависимости от скорости нагружения индентора.
  
  курсовая работа [1,8 M], добавлен 14.12.2010
  

• Особенности электроимпульсного бурения горных пород

  Электроимпульсное бурение, измерения в процессе бурения. Сравнение предложенного электроимпульсного породоразрушающего устройства и его прототипа. Разрушение горных пород и искусственных блоков с помощью электроизоляционных промывочных жидкостей и воды.
  
  реферат [280,3 K], добавлен 06.06.2014
  

• Проходка горных выработок

  Описание основных физико-механических свойств пород. Горная крепь и предъявляемые к ней требования. Способы и схемы проветривания подготовительных выработок. Способы проведения камер и материалы, применяемые для их крепления. Схемы углубки стволов.
  
  контрольная работа [2,5 M], добавлен 23.10.2009
  

• Технологии открытых горных разработок

  Определение параметров карьера, расчет граничной глубины открытой разработки. Вычисление объема горной массы в контурах карьера. Порядок подготовки горных пород к выемке буровзрывным способом. Выемочно-погрузочные работы и перемещение карьерных грузов.
  
  курсовая работа [1,0 M], добавлен 09.12.2010
  

• Механизация горных работ в условиях карьера "Жеголевский" ВАТ "Комсомольского Р/У"

  Подготовка горных пород к выемке на карьере "Жеголевский": организация производственного процесса, механизация выемочно-погрузочных работ, перемещение горной массы, отвалообразование. Расчет и выбор технологического оборудования, обслуживание и ремонт.
  
  дипломная работа [2,0 M], добавлен 22.11.2010
  

• Выбор и расчет оборудования комплекса механизации ОГР

  Характеристика сменной и годовой эксплуатационной производительности одноковшового экскаватора. Расчет производительности парка машин для подготовки горных пород к выемке. Исследование продолжительности погрузки, буровзрывной подготовки пород к выемке.
  
  контрольная работа [50,8 K], добавлен 23.03.2012
  

• Технологический расчет буровой скважины

  Проблемы строительства скважин на Карсовайском нефтегазовом месторождении по причине осыпей, обвалов и прихватоопасных зон. Литолого-стратиграфическая характеристика и физико-механические свойства горных пород по разрезу. Расчет конструкции скважины.
  
  курсовая работа [510,0 K], добавлен 16.09.2017
  

• Выбор комплекса оборудования для проведения горных выработок

  Горно-геологические условия участка проходки выработок. Способ и технология проходки. Расчет производительности проходческо-очистного комплекса и параметров крепления камеры продольного перегруза. Выбор комплекса оборудования для проведения выработок.
  
  курсовая работа [1,8 M], добавлен 21.12.2015
  

• Оборудование, применяющееся для добычи железной руды

  Буровзрывные работы как основной способ отбойки горных пород при проведении выработок и добыче руды. Классификация перфораторов - бурильных машин ударно-поворотного бурения, работающих на сжатом воздухе. Схема устройства переносного перфоратора.
  
  реферат [14,3 M], добавлен 28.02.2010
  

• Технология конструкционных материалов

  Классификация горных пород по происхождению. Свойства специальных портландцементов. Структура асфальтобетона, факторы, влияющие на его прочность и деформативность. Керамические изделия для облицовки зданий. Защита деревянных конструкций от возгорания.
  
  контрольная работа [399,2 K], добавлен 31.08.2011
  

• Расчет механизации доставки, откатки горной массы и стационарных установок для подземного рудника

  Технология ведения и комплексная механизация горных работ. Обоснование параметров горных выработок и скоростных режимов движения по ним рудничных самоходных машин. Определение продолжительности периода работы вентилятора главного проветривания.
  
  курсовая работа [395,0 K], добавлен 24.01.2022
  

• Декоративные свойства природного камня "Яшма"

  Классификация горных пород Южного Урала, их виды и применение. Декоративные свойства природного камня. Яшма в структуре лабораторных работ, его текстурно-текстурные особенности. Особенности обработки яшмы, возможные трудности и пути их преодоления.
  
  курсовая работа [65,0 K], добавлен 26.03.2011
  

• Разработка проекта автоматизированного проектирования конструкции и технологии изготовления редуктора мобильного бурового комплекса МБК 5.5

  Бурение как процесс разрушения горных пород при помощи специальной техники. Основные этапы, входящие в состав конструкторской подготовки производства. Особенности осуществления автоматизированного инженерного анализа конструкции механизма редуктора.
  
  дипломная работа [2,7 M], добавлен 27.10.2017
  

• Классификация дробилок

  Обзор особенностей строения дробилок, предназначенных для измельчения горных и каменных пород. Классификация дробильных машин по механико-конструктивным признакам и методу дробления камня: щековые, конусные, валковые, молотковые, центробежные, самоходные.
  
  реферат [29,9 K], добавлен 07.04.2015
  

• Проведение и крепление двухпутевого полевого штрека

  Горно-геологическая характеристика пересекаемых горных пород. Обоснование способа и средств проведения горной выработки: определение поперечного сечения, расчет паспорта буровзрывных работ, производительности комбайна. Охрана труда и техника безопасности.
  
  курсовая работа [122,7 K], добавлен 21.03.2013
  

• Классификация буровых скважин

  Текстура и структура как признаки строения осадочных горных пород. Понятие, элементы, виды и назначение буровых скважин, а также их классификация на различных этапах поиска, разведки и разработки нефтяного, газового или газоконденсатного месторождений.
  
  реферат [534,0 K], добавлен 29.06.2010
  

• Стационарные установки горных предприятий

  Горно-технологическая часть и механизация горных работ. Выбор и расчет схемы электроснабжения очистного участка. Правила безопасности при эксплуатации электрооборудования. Расчет затрат на материалы для текущего и капитального ремонтов оборудования.
  
  дипломная работа [3,0 M], добавлен 08.10.2022
  

• Технология монтажа конусной дробилки

  Машины предприятий нерудных строительных материалов. Специфика работы машин. Конусовидные дробилки горных пород средней и большой твёрдости. Процесс дробления. Установка и монтаж конусных дробилок. Организация монтажных работ. Дробилка СМД-17, СМД-18.
  
  курсовая работа [11,1 K], добавлен 18.09.2008
  

• Характеристика производственных процессов на Афанасьевском месторождении

  Общие сведения об Афанасьевском месторождении цементного сырья и доломитов. Положение месторождения, описание карьера. Подготовка горных пород к выемке. Схема выемочно-погрузочных работ на карьере. Способы отвальных работ, электроснабжение карьера.
  
  отчет по практике [23,9 K], добавлен 10.11.2013
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам