Применение методов физико-химического разупрочнения массивов крепких горных пород при работе мшин типа КСМ

А.Г.Кузнецов, технический директор ОАО «Разрез «Талдинский» Р.М.Штейнцайг, д.т.н, директор по открытым работам

ЗАО ФПК «ИнвестТЭК» Г. Я. Воронков, к. т.н., директор фирмы «Геотехпрогресс» А.И.Шендеров, к.т.н, завлабораторией ИГД им. А.А.Скочинского А.А.Александров, директор по открытым горным работам института «Гипроуголь»

Одним из приоритетных направлений технического перевооружения процессов открытой угледобычи является освоение в практике технологий поточного производства горных работ с использованием выемочно-погрузочных машин типа КСМ.

Комплексные технологические и эксплуатационные испытания первого в мировой практике экскаватора КСМ-2000Р были проведены в 1996-97 гг. на разрезе «Талдинский» в изменяющихся горнотехнических и климатических условиях.

Безвзрывная экскавация горных массивов подтвердила надежную, устойчивую и производительную эксплуатацию КСМ-2000Р при отработке пород, характеризующихся пределом прочности на сжатие осж до 120 МПа.

Вместе с тем, при работе КСМ-2000Р в забоях, представленных преимущественно крепкими литоло-гическими разностями имеет место интенсивное образование крупнокусковых отдельностей (рис. 1 и 2).

Визуальные наблюдения за рабочим процессом КСМ-2000Р при отработке сложноструктурных забоев крупноблочных, трещиноватых крепких горных пород позволяют следующим образом объяснить процесс образования крупнокусковых отдельностей.

При отработке единичного слоя, высота последнего в забоях крепких горных пород, как правило, не превышает 2.2 м (при паспортной высоте слоя 2.9 м). Некоторое уменьшение этого параметра на этапе опытно-промышленных испытаний КСМ-2000Р предопределено, главным образом, субъективными психологическими факторами - мировая практика горного машиностроения не знает прецедентов использования машин с роторным исполнительным органом в забоях, отрабатываемых по безвзрывной технологии и представленных породами со средневзвешенными значениями осж до 70 МПа.

В процессе отработки такого рода забоев крепких крупноблочных пород в верхней части слоя происходит выламывание крупнокусковых отдельностей, которые в хаотическом порядке размещаются перед рабочим органом, подвергаются многократным ударным воздействиям режущего инструмента (скорость резания на окружности роторных колес КСМ-2000Р достигает 1.6 м/сек) и, в конечном итоге, додрабливаются до размеров кусков, способных быть отгруженными ковшами роторных колес.

Чем меньше высота единичного отрабатываемого слоя, тем более интенсивно проявляется процесс образования крупнокускового материала при работе КСМ-2000Р - так, если при высоте слоя 2.0-2.2 м выламывание крупных кусков пород происходит, как правило, в верхней четверти слоя, то при высоте последнего до 0.7 м практически весь экскавируемый материал представляет собой крупнокусковые отдельности, причем их размеры тем больше, чем выше степень трещино-ватости горного массива. Выламывание крупнокусковых отдельностей происходит, в основном, по сети макротрещин, контактам напластований различных литотипов пород, по естественным нарушениям в массиве.

Фотопланиметрирование грансоста-ва горной массы непосредственно после гравитационной разгрузки ковшей (на плоскостях поперечных конвейерных питателей) позволяет определить среднемаксимальные значения диаметра условного куска крепких горных пород, составляющие 0.43-0.51 м.

При этом необходимо отметить, что на начальном этапе испытаний, когда поперечные питатели были оснащены лентами обычного типа, регистрировались многократные повреждения этих конвейерных лент вследствие падения достаточно с большой высоты (до 2.3 м) крупнокускового материала (например, отдельные куски крепких песчаников достигали размеров до dср=0.85—1.2 м).

Позднее фирмой KRUPP FORDER-TECHNIK поперечные питатели были модернизированы и заменены на питатели скребкового типа, оснащенные армированными лентами специального типа.

Проблема повышения надежности работы поперечного узла КСМ-2000Р была практически решена как с заменой питателей, так и в результате установки над верхней кромкой окружности рабочих колес отбойной балки пассивного типа, предотвращающей падение крупнокускового материала в зону разгрузки.

Дальнейший поиск путей совершенствования конструкции и улучшения качества рабочего процесса машин типа КСМ продолжается. В частности, на последующих образцах модернизированных машин КСМ-2000РМ предусмотрено увеличенное количество ковшей (соответственно, режущих кромок) и, тем самым, изменен механизм взаимодействия режущего инст-
румента с массивом горных пород.

В стадии опытно-промышленной проверки эффективности находятся и некоторые другие конструктивные решения, направленные на предотвращение образования и попадания крупнокускового материала на конвейерные тракты машин типа КСМ и сопряженно работающего транспортного оборудования непрерывного действия.

Вместе с тем, расчеты, подтвержденные результатами натурного эксперимента, показывают, что применение нетрадиционных физико-химических способов разупрочнения массива крепких горных пород существенно снижает вероятность образования крупнокускового материала при работе машин типа КСМ.

Упомянутая экспериментальная проверка эффективности физико-химических методов безвзрывной подготовки к экскавации массива крепких горных пород была проведена в августе 1997 года на разрезе «Талдинский».

Экспериментальный блок горных пород (рис.3) был представлен мелкозернистыми песчаниками (до 80%), темно-серыми алевролитами (до 10%), известковистыми сидеритизи-рованными аргиллитами (фрагментарно). Средневзвешенные значения предела прочности этих пород на сжатие и растяжение (ораст) соответственно составляют: 85 и 7.9 МПа; 57 и 6.8 МПа; 89 и 8.1 МПа.

Наиболее абразивными (до 4.5 мГ) породами были сидеритизированные известковистые аргиллиты, хотя испытаниями на абразивность для отдельных образцов песчаников были зарегистрированы значения до 7.0 мГ.

Методикой проведения эксперимента по определению возможности управления состоянием горного массива с целью предотвращения (многократного сокращения) образования крупнокускового материала при работе КСМ-2000Р было предусмотрено формирование двух зон экспериментального забоя (длина каждой из них по фронту примерно составляла 50-70 м).

Одна зона отрабатывалась традиционным для КСМ-2000Р способом; вторая зона предварительно обрабатывалась водными растворами поверхно-стноактивных веществ (ПАВ). Для этого горный массив обуривался заливочными скважинами глубиной до 1.0 м, диаметром 160 мм. Сетка скважин была близка к 1.3х1.3 м. Заливочные скважины безнапорно заполнялись водным раствором ПАВ (с помощью автоцистерны на базе БелАЗа грузоподъемностью 27 т). Водный раствор ПАВ приготавливался непосредственно в емкости автоцистерны из расчета 3 г ПАВ (в сухом веществе) на 1 м3 горной массы экспериментального блока. Расход воды при этом составлял в среднем 5 л на 1 м3 горной массы.

В течение 2-х суток после первичной заливки скважин происходил процесс пропитки горного массива (рис. 4 и 5). Затем зона экспериментального блока, обработанная водными растворами ПАВ, отрабатывалась КСМ-2000Р (при этом высота единичного слоя и ширина заходки были теми же, что и при отработке второй, контрольной зоны этого блока).

В ходе эксперимента регистрировались кусковатость горной массы и энергопотребление в рабочем процессе КСМ-2000Р. Как следует из диаграмм, представленных на рис. 6 и 7, вследствие предварительной физико-химической обработки горного массива [1; 2; 3; 4; 5], существенно сократился выход крупнокусковатого материала, значительно (в среднем на 23%) уменьшилась энергоемкость процесса экскавации.

Визуальными наблюдениями установлено, что даже в том случае, если имело место выламывание крупнокусковых отдельностей, буквально тут же происходило их вторичное додрабливание перед рабочим органом КСМ-2000Р. Это указывает на то, что за счет адсорбционных процессов на границе «водный раствор ПАВ - порода», при гравитационной пропитке горного массива имеет место раскрытие микротрещин отдельных блоков породы. Это хорошо иллюстрируется рис.5, где видно, что в ближней к заливочной скважине зоне структура материала существенно нарушена.

Таким образом, есть основания полагать успешными результаты опытной проверки эффективности методов физико-химического разупрочнения массивов крепких горных пород.

Следует также учитывать, что в эксперименте был отработан только верхний единичный слой экспериментального блока. Очевидно, что любой последующий более глубоким слои материала будет разу-прочняться еще более эффективно. Так, например, на рис.4 видно, что зона интенсивной пропитки (более темный материал) тем шире, чем глубже заложение естественных макротрещин в массиве. Следовательно, можно полагать, что при опережающей обработке не одного слоя, а уступа горных пород (например, высотой до 20-22 м) долевое участие хорошо разупрочненного материала будет многократно выше. При этом ранее проведенными экспериментами [3; 4] установлено, что с течением времени эффект разупрочнения не только не исчезает (за счет схлопывания ранее образованных микротрещин), но напротив усугубляется. Например, за счет воздействия атмосферных осадков, обеспечивающих дополнительную фильтрацию массива, содержащего некоторое количество ПАВ, что, по сути, означает дополнительную безнапорную пропитку горного массива растворами с меньшей концентрацией ПАВ.

По мнению операторов-машинистов КСМ-2000Р, при отработке предварительно разупрочненного массива несколько улучшается динамика рабочего процесса, хотя в ходе экспериментальной проверки текущие значения вибронагрузок инструментальным путем не регистрировались.

Также не представлялось возможным в ходе проведенного пионерного эксперимента установить влияние последствий физико-химической обработки горного массива на величину абразивного износа режущего инструмента: очевидно, что объем горной массы экспериментального блока для целей такого рода эксперимента был не представительным.

Вместе с тем, есть основания полагать, что абразивный износ резцов, установленных на ковшах КСМ-2000Р, при работе по скальным породам существенно (на 60-70%) будет снижен, на что указывают результаты как лабораторных, так и ранее проведенных натурных исследований [3; 4].

В ходе эксперимента на разрезе «Талдинский» в упоминавшихся зонах горного массива был произведен отбор представительных литотипов. Размер отобранных отдельностей при этом был не менее 0.4 м (среднеарифметическое значение трех измерений отобранных кусков горных пород).

Конечно, не следует ожидать, что в таких отдельностях в течение 2-х суток произойдут значительные изменения прочностных свойств. Вместе с тем, как следует из данных таблицы, эффект разупрочнения прослеживается даже в отдельных образцах пород.

Для контрольных проб представительных литологических разностей пористость оценивалась в среднем в 4.7% (коэффициент вариации 0.73); модуль
упругости 14000 кгс/см2 (Квар = 0.69); коэффициент Пуассона 0.25 (Квар = 0.81).

Имеющаяся информация о физико-механических свойствах характерных литотипов, слагающих массивы крепких горных пород на разрезе «Талдинский», эмпирические данные о влиянии физико-химических способов разупрочнения на степень ослабления структурных и прочностных показателей для представительного горного массива позволяют, с использованием разработанных инженерных методов расчета [4; 5], опре-
делить рациональный технологический регламент опережающей подготовки горного массива к выемке машинами типа КСМ-2000Р.

Так, при длине фронта горных работ 500 м для уступов высотой 22 м (при ширине заходки до 45 м) необходимо заложить примерно 8500 скважин глубиной не более 6.5 м (общий объем бурения составит около 55 тыс.пог.м). Расход ПАВ (в сухом веществе) не превысит 1.5 т; расход технической воды (уровень кислотности 5-7 ед.) не превысит 3 тыс.т.

Очевидно, что материальные затраты в основном процессе горного производства несколько возрастут при использовании методов физико-химического разупрочнения массива крепких вскрышных пород (стоимость 1 тонны ПАВ в ценах III кв. 1997 г. составляет около 10 млн.руб.).

Вместе с тем, следует полагать такого рода инженерные решения оправданными, поскольку представляется возможным улучшить стойкость режущего инструмента и, что особенно важно, предотвратить образование крупнокусковых отдельностей крепких вскрышных пород, что исключит предпосылки к повреждению рабочих поверхностей конвейерных трактов не только машин типа КСМ, но и сопряженно работающих конвейерно-от-вальных комплексов.

Немаловажным представляется также следующее обстоятельство, установленное по результатам исследований прочностных характеристик образцов горных пород (см. таблицу) - вследствие обработки массива горных пород водными растворами ПАВ, соотношение осж/ораст для отобранных образцов увеличивается в среднем на 18.5%.

Проведенными ранее исследованиями установлена взаимосвязь удельной энергоемкости W процесса экскавации КСМ-2000Р с прочностными характеристиками пород. Как следует из зависимости W = ^осж), график которой представлен на рис. 8, чем больше соотношение осж/ораст, тем меньше удельная энергоемкость процесса экскавации для пород с одинаковым значением осж. Например, для литотипов, характеризуемых пределом прочности на сжатие 40 МПа, удельная энергоемкость разрушения более хрупкого материала (график зависимости с индексом 1) примерно на 45% меньше, по сравнению с более вязко-пластичным материалом.

Таким образом, охрупчивание крепких вскрышных пород, имеющее место при обработке горного массива водными растворами ПАВ, позитивно отражается на энергосиловых показателях рабочего процесса машин типа «КСМ».

Резюмируя изложенное, есть основания полагать следующее:
1. Технологии открытых горных разработок, предусматривающие применение машин типа КСМ в комплексе с системами транспортного оборудования непрерывного действия, могут быть эффективны, в том числе при безвзрывной экскавации массивов крепких горных пород.

2. Модернизация рабочего оборудования первой опытно-промышленной машины КСМ-2000Р позволяет, в принципе, решить проблему борьбы с образованием крупнокусковых отдельностей в рабочем процессе экскавации как относительно хрупких пород с пределом прочности на сжатие до 120 МПа, так вязко-пластичных крепких литотипов, соотношение осж/ораст для которых не превышает 7 ед.

3. Дальнейшие пути поиска инженерных решений, направленных на повышение эффективности применения машин типа КСМ при отработке массивов крепких вскрышных пород, сопряжены с установлением рационального технологического регламента опережающей физико-химической обработки этих массивов разупрочня-ющими растворами ПАВ.

4. При безнапорной пропитке горного массива разупрочняющими растворами ПАВ представляется возможным предотвратить образование крупнокускового материала при работе машин типа КСМ (либо многократно сократить интенсивность его образования, в том случае, если речь идет об обработке пионерного единичного слоя), а также, существенно сократить энергозатраты в рабочем процессе экскавации крепких горных пород.

5. Предварительно установленные параметры процесса физико-химической обработки массивов крепких горных пород позволяют укруп-
ненно оценить сопутствующее удорожание горных работ.

Справочно. Как показывают расчеты, применительно к условиям разреза «Талдинский», при использовании методов физико-химического ослабления прочностных и структурных свойств массива горных пород, себестоимость 1 м3 вскрыши возрастает не более чем на 2.5%. При этом, очевидно, что это удорожание будет полностью нивелироваться повышением надежности работы выемочно-погрузочной машины и систем транспорта горной массы, соответствующим увеличением производительности комплексов механизации горных пород, сокращением энергоемкости рабочего процесса и прочее.

6. Даже относительно небольшое присутствие водных растворов в массиве крепких горных пород существенно сокращает абразивный износ режущего инструмента.

Список литературы

1. Воронков Г.Я., ШтейнцайгР.М., Шен-деров А.И., Марцинкевич Г.И. Способ отработки уступов массива горных пород. — Патент РФ № 2009322 от 15.03.94.

2. Воронков Г.Я., Виницкий К.Е., Штейнцайг Р.М., Марцинкевич Г. И., Шендеров А.И. Способ отработки уступов горных пород. - Патент РФ № 2079657 от 15.07.94.

3. ШтейнцайгР.М., Воронков Г.Я. Нетрадиционные, экологически чистые способы управления состоянием горного массива и разупрочнения пород. - М.: ЦНИЭИуголь, 1995, - 44 с.

4. Виницкий К.Е., Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И., Шендеров А.И., Штейнцайг Р.М. Технологические основы разупрочнения горных массивов на открытых разработках угольных месторождений. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1995. - 36 с.

5. Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И., Штейнцайг Р.М. Разупрочнение горного массива с использованием поверхностно-активных веществ. Горный вестник, ИГД им. А.А.Скочинского, №2, 1993, -

Журнал "Горная Промышленность" №4 1997