Повышение эффективности разработки вскрышных пород и углей Эльгинского месторождения Якутии путем их разупрочнения с использованием поверхностно-активных веществ

С.В. Панишев, Д.В. Хосоев, А.И. Матвеев
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация
Горная Промышленность №1 / 2021 стр. 98-104

Резюме: Приведен анализ влияния физико-механических свойств разных литологических составов горных пород Эльгинского месторождения на производительность комбайна КСМ-2000Р. Установлено, что при крепости пород на сжатие до 40 МПа, к которым относятся угли и углистые алевролиты, производительность КСМ-2000Р составит 1400 м3/ч, при увеличении доли крепких компонентов в горных породах от 40 до 60 МПа до 40% (в основном алевролиты) можно ожидать уменьшения производительности до 1000 м3/ч и от 60 до 80 МПа до 33% – до 650 м3/ч. С увеличением прочностных свойств горных пород производительность комбайна может резко уменьшиться, особенно при эксплуатации его в зимний период. Значительный рост сопротивления копанию при промерзании пород и углей диктует необходимость их разупрочнения для обеспечения возможности безвзрывной отработки. Одним из решений этого вопроса может быть обработка горных пород поверхностно-активными веществами. Предложено использование поверхностно-активного вещества – раствора NaCl –для разупрочнения горных пород. После обработки данных пород поверхностно-активными веществами в условиях отрицательных температур до –20 °C, σсж снизилась на 30–50%, а σр уменьшилась примерно на 50% по всем породам. Как показали результаты исследований, применение поверхностно-активных веществ позволяет снизить прочность мерзлых пород и тем самым обеспечить их безвзрывную разработку с применением комбайнов типа КСМ.

Ключевые слова: многолетнемерзлые породы, комбайн, прочность пород, производительность, образцы, растворы, песчаники, разупрочнение, безвзрывная технология

Для цитирования: Панишев С.В., Хосоев Д.В., Матвеев А.И. Повышение эффективности разработки вскрышных пород и углей Эльгинского месторождения Якутии путем их разупрочнения с использованием поверхностно-активных веществ. Горная промышленность. 2021;(1):98–104. DOI: 10.30686/1609-9192-2021-1-98-104.

Информация о статье

Поступила в редакцию: 12.01.2021

Поступила после рецензирования: 20.01.2021

Принята к публикации: 26.01.2021

Информация об авторе

Панишев Сергей Викторович – ведущий научный сотруд ник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Си бирского отделения российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация; ORCID: https://orcid.org/0000-0001 6908-2495

Хосоев Доржо Владимирович – ведущий инженер, Ин ститут горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Матвеев Андрей Иннокентьевич – главный научный со трудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация; ORCID: https://orcid.org/0000-0002 4298-5990; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

В настоящее время на северо-востоке России ведется интенсивное освоение крупнейшего Эльгинского каменноугольного месторождения. Месторождение находится на юге Якутии в Токинском угольном районе Южно-Якутского бассейна. Общая площадь месторождения составляет 236 км2. Абсолютные отметки водоразделов составляют 1050–1400 м.

Климат района резко континентальный, характеризуется длительной, до 7 месяцев, холодной зимой и коротким, часто жарким летом. Среднегодовая температура воздуха –11 °С с колебаниями от –61 °С (декабрь–январь) до +36 °С (июль). Температура многолетнемерзлых пород колеблется в пределах от 0 до –3 °С, причем доминирует температура –1 °С. Коренные породы характеризуются низкой влажностью 1–2% [1].

Вскрышные породы представлены двумя типами: рыхлыми четвертичными отложениями и коренными, отнесенными по крепости к породам средней крепости (полускальные).

К перспективным с точки зрения экономии расходов и повышения технологичности разработки месторождения и добычи углей относится применение поточных технологий на базе роторно-конвейерных комплексов и погрузочных машин типа КСМ-2000Р. При одной и той же производительности масса машин типа КСМ меньше экскаватора ЭКГ в 4–6 раз, а усилие резания в 5–6 раз выше, чем у роторного экскаватора [2–6]. Эти машины имеют высокое усилие резания, что позволяет разрабатывать породы с пределом прочности на сжатие до 100 МПа и в принципе может исключить применение предварительной буровзрывной подготовки.

Материалы

В Институте горного дела Севера ЯНЦ СО РАН на основании физико-механических свойств вскрышных пород и угля с учетом усилий резания рабочего органа обоснована возможность применения комбайнов КСМ-2000Р на Эльгинском месторождении [7].

Расчеты показали зависимость производительности комбайна КСМ-2000Р от физико-механических свойств разных литологических составов горных пород Эльгинского месторождения (табл. 1). Установлено, что при крепости пород на сжатие до 40 МПа, к которым относятся угли и углистые алевролиты, производительность КСМ-2000Р составит 1400 м³/ч, при увеличении доли крепких компонентов в горных породах от 40 до 60 МПа до 40% (в основном алевролиты) можно ожидать уменьшения производительности до 1000 м³/ч и от 60 до 80 МПа до 33% – 650 м³/ч. При всем этом средняя производительность машины по вскрышным породам, содержащим высокую долю крепких компонентов, составила примерно 50% от паспортной. Вместе с тем показано, что с увеличением прочностных свойств горных пород производительность комбайна может резко уменьшиться. Это особенно актуально при эксплуатации горнодобычного оборудования в зимний период.

Таблица 1 Распределение коренных пород Эльгинского месторождения по уровню значений предела прочности при сжатии и производительность комбайна КСМ-2000Р

Table 1 Breakdown of the bedrocks at the Elginsky deposit by their compressive strength and performance of the KCM-2000P Continuous Surface Miner

Значительный рост сопротивления копанию при промерзании пород и углей диктует необходимость их разупрочнения для обеспечения возможности безвзрывной отработки. Решением этого вопроса может быть обработка горных пород поверхностно-активными веществами (ПАВ). В последние годы выполнен ряд исследовательских и опытно-промышленных работ по разработке и освоению в практике открытой угледобычи нетрадиционных физико-химических способов разупрочнения горного массива.

В зависимости от физико-механических свойств и строения горных пород использование ПАВ обеспечивает снижение их прочности (до 50%), уменьшение модуля упругости, появление заметной пластической деформации. Применение ПАВ позволяет для пород средней крепости вообще отказаться от взрывной подготовки массива [8]. Анализ выполненных исследований показывает, что в основном разупрочнение горных пород проводилось на эффузивных породах, известняках, гранитах, мраморе [9–11].

В некоторых работах рассмотрены вопросы использования ПАВ для разупрочнения мерзлых горных пород. Так, В.И. Штеле предложен способ, сущность которого состоит в том, что ослабление мерзлых пород осуществляется за счет механического действия гидроразрыва и химического воздействия соляной кислоты [12]. Также проведены исследования по снижению прочности мерзлых горных пород с применением соляной кислоты на алмазном месторождении [13]. Показано, что подавляющая часть пород карьера может быть существенно разупрочнена химическим путем, длительность сезона работы горного оборудования может быть увеличена на сроки, соответствующие объемам пропитки породы.

Методы физико-химического разупрочнения породно-угольных массивов прошли успешную апробацию на разрезе «Талдинский» в 1994–1996 гг. (табл. 2).

Таблица 2 Влияние физико-химической обработки горного массива на выход крупнокускового материала

Table 2 Impact of the physical and chemical treatment of the rock mass on the lump-coal yield

Для этого горный массив обуривался заливочными скважинами глубиной до 1,0 м, диаметром 160 мм. Сетка скважин была близка к 1,3*1,3 м. Заливочные скважины безнапорно заполнялись водным раствором ПАВ с помощью 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 двух суток после первичной заливки скважин происходил процесс пропитки горного массива. Затем зона экспериментального блока отрабатывалась КСМ-2000Р. результате существенно сократился выход крупнокускового материала, значительно (в среднем на 23%) уменьшилась энергоемкость процесса экскавации¹.

Опыт применения водных растворов ПАВ показал, что простота, безопасность, относительная дешевизна и полная экологическая чистота позволяют прогнозировать широкую перспективу их освоения в практике открытой угледобычи.

Даже относительно небольшое присутствие водных растворов в массиве крепких горных пород существенно сокращает износ режущего инструмента. Учитывая стоимость последнего, затраты на опережающую физико-химическую обработку горного массива представляются оправданными.

В ИГДС СО РАН авторами выполнены лабораторные исследования физико-механических свойств коренных горных пород Эльгинского месторождения. Отбор проб произведен на первоочередном участке отработки Эльгинского месторождения из междупластия Н16–Н15, горизонта 1065–1072.

Для определения плотности каждой петрографической разновидности горной породы отбирались куски камня общей массой не менее 1 кг. После подготовки образцов в соответствии с методикой с использованием мультипикнометра (Quantachrome USA) получены показатели истинной плотности исследуемых образцов: песчаники мелкозернистые – 3131 кг/м³, песчаники среднезернистые – 2994 кг/м³, а средняя их плотность соответственно равна 2633 кг/м³ и 2491 кг/м³.

Пористость горной породы определялась на основании предварительно установленных значений истинной и средней плотности. Пористость песчаников составила: для среднезернистых – 17%, для мелкозернистых – 16%. Водопоглощение и влажность горной породы определялись на 5 образцах кубической формы с ребром 40–50 мм. Проведенные эксперименты показали, что водопоглощение песчаников мелкозернистых – 2,7%, среднезернистых – 3,3% при влажности 2,0%.

Методика

Для установления зависимости влияния дистиллированной воды и растворов NaCl различной концентрации на прочностные свойства мелкозернистых песчаников Эльгинского месторождения и определения предела прочности на одноосное сжатие в соответствии с разработанной методикой проведены эксперименты:

Для исследований было произведено выпиливание образцов из 9 кусков камня (мелкозернистых песчаников) размерами примерно 200×200×110 мм (рис. 1).

Рис. 1 Пронумерованные куски (песчаника)

Fig. 1 Numbered lumps (sandstone)

Рис. 2 Маркированные образцы песчаника в соответствии с номером камня

Fig. 2 Marked sandstone samples according to the rock lump number

Из каждого куска камня выпиливалось максимально возможное количество кубиков с ребром 40 мм. Всего было выпилено 86 кубиков, каждый образец был промаркирован в соответствии с номером камня (рис. 2). № 1 – 7 шт., №2 – 18 шт., №3 – 20 шт., №4 – 8 шт., №5 – 18 шт., №6 – 8 шт., №7 – 10 шт., №8 – 1 шт., №9 – 8 шт.

Образцы правильной формы (40×40×40), изготовленные в лабораторных условиях путем обточки и шлифовки кубиков, вырезанных на камнерезной машине из кусков мелкозернистых песчаников, после суточной выстойки взвешиваются. Затем данные образцы высушиваются в сушильном шкафу в течение 8 ч при температуре 105 °С, после чего снова взвешиваются. Таким образом устанавливается естественное влагосодержание в воздушно-сухом состоянии.

Для обработки образцов ПАВ они предварительно помещаются в стеклянный сосуд и заливаются раствором определенной концентрации (5, 10 и 20%). При этом должно соблюдаться необходимое условие – наличие слоя раствора толщиной не менее 3 см над поверхностью образцов в сосуде. Для насыщения образцы выдерживаются в сосуде при таких условиях в течение 48 ч.

После насыщения образцы вновь взвешиваются для определения их влагоемкости и расчета открытой пористости β . Далее подготовленные образцы помещаются в морозильную камеру, где производится замораживание образцов до заданной отрицательной температуры. Выдерживание образцов в холодильной установке длится до тех пор, пока температура контрольного образца не уравнивается с заданной (–5 °С, –10 °С, –20 °С).

Величины задаваемых отрицательных температур образцов Тоб принимаются от –5 °С до –20 °С. После подготовки образцов, о которой говорилось выше, проводятся исследования на испытательной машине UTS-250. Для этого образец породы устанавливается между нагрузочными пластинами машины и со скоростью 2 мм/мин по ГОСТ 21153.0–75. производится нагружение образца (рис. 3).

Рис. 3 Испытательная машина UTS-250 с образцом породы

Fig. 3 The UTS-250 Test Unit with a rock sample inside

Выбранную скорость нагружения сохраняют до разрушения образца. Испытательная машина UTS-250 предназначена исключительно для механических испытаний различных материалов и деталей, оснащена морозильной камерой с диапазоном отрицательных температур от 0 до –60 °С.

Определение прочности на одноосное сжатие проводилось на 5–6 образцах кубической формы размером 4х4 см, при комнатной температуре и при отрицательных температурах –5, –10 и –20 °С в воздушно-сухом состоянии, а также с использованием дистиллированной воды и хлорида натрия различной концентрации (NaCl – 5, 10 и 20%).

Проведенные эксперименты по определению прочности мелкозернистых песчаников Эльгинского месторождения позволили разделить испытываемые образцы на две группы: первая – менее прочные образцы, полученные из пород №1, №4, №5, №6, №7, №8 и №9 и №2, и вторая – более прочные образцы, изготовленные из пород №2 и №3, крепость которых выше по сравнению с остальными в 1,5–2 раза. Полученные прочностные данные образцов из второй группы имеют большой разброс и достоверность результатов не подтверждается статистической обработкой. Возможно, для этого необходим больший объем экспериментальных работ и данных. Дальнейший анализ проводился по менее прочным образцам из первой группы.

Обсуждение

Результаты экспериментов показывают, что применение дистиллированной воды и растворов NaCl различной концентрации приводит к значительному снижению прочности мелкозернистых песчаников (рис. 4). При использовании дистиллированной воды и растворов NaCl наибольшее снижение прочности образцов в 1,4–1,5 раза отмечено при температуре –10°С.

Рис. 4 Изменение прочности образцов при –10 °С

Fig. 4 Changes in the sample strength at –10 °С

При понижении температуры с –10 °С до –20 °С наблюдается незначительное повышение прочности образцов: на 15% без применения ПАВ, на 18% с Н2О, на 4% с NaCl-5%, на 14% с NaCl-10% и на 12% с NaCl-10%. Это объясняется тем, что при более интенсивном замерзании пород происходит увеличение их прочностных свойств и воздействие на них ПАВ заметно снижается.

Как показали результаты экспериментов, наиболее интенсивное разупрочнение образцов происходит в диапазоне температур от –5 °С до –10°С с использованием 10%-ного NaCl. Изменение прочности мелкозернистых песчаников в зависимости от температуры и применения NaCl объясняется тем, что при понижении температуры возрастают внутренние напряжения из-за интенсивного замерзания влаги и образования льда в порах и микротрещинах, и с появлением расклинивающего эффекта происходит снижение прочностных свойств.

В образцах, насыщенных дистиллированной водой, интенсивное замерзание воды происходит при температуре –10 °С. В образцах, насыщенных растворами солей, диапазон температуры интенсивных фазовых переходов смещается в зону более низких температур в зависимости от концентрации растворов. При дальнейшем понижении температуры поровый лед цементирует и упрочняет породу. При использовании дистиллированной воды и растворов NaCl различной концентрации прочность образцов по сравнению с прочностью образцов, испытанных при комнатной температуре, минимально снижается на 26% и максимально на 45%.

Таблица 3 Статистическая достоверность результатов по сериям первой группы образцов
Table 3 Statistical reliability of the results for the series of the first group of samples

В табл. 3 показаны результаты статистической обработки проведенных экспериментов для первой группы образцов. Как показали результаты исследований, в большинстве случаев достоверность среднестатистических значений проведенных исследований является положительной. Опыт применения водных растворов ПАВ показал, что простота, безопасность, относительная дешевизна и полная экологическая чистота позволяют прогнозировать широкую перспективу их применения в практике открытой угледобычи.

Даже относительно небольшое присутствие водных растворов в разрабатываемом массиве крепких горных пород существенно сокращает износ режущего инструмента. Учитывая высокую стоимость последнего, затраты на опережающую физико-химическую обработку горного массива представляются оправданными.

Из анализа полученных результатов следует, что после обработки данных пород ПАВ, σсж снизилась на 30–50%, а σр уменьшилась примерно на 50% по всем породам. По известным формулам [14] ИГД им. А.А. Скочинского выполним расчет коэффициента хрупкости, удельной энергоемкости и соответственно производительности машины по этим породам, например, по песчаникам мелкозернистым:

1) ;

2)

3)

Полученные результаты расчетов приведены в табл. 4. На рис. 5 показана ожидаемая зависимость производительности комбайна КСМ-2000Р по различным слагающим вскрышным породам Эльгинского месторождения с применением ПАВ и без его использования.

Таблица 4 Влияние поверхностно-активных веществ на прочностные показатели пород Эльгинского месторождения

Table 4 Impact of surfactants on the strength properties of rocks from the Elginsky deposit

Рис. 5 Производительность комбайна КСМ-2000Р по вскрышным породам Эльгинского месторождения после обработки ПАВ и без ПАВ Типы пород: 1 – алевролиты (σсж – 46,3 МПа), 2 – гравелиты (σсж – 46,3 МПа), 3 – конгломераты (σсж – 32 МПа), 4 – песчаники крупнозернистые (σсж – 52 МПа), 5 – песчаники среднезернистые (σсж – 58,2 МПа), 6 – песчаники мелкозернистые (σсж – 60 МПа)

Fig. 5 Performance of the KSM-2000P Continuous Surface Miner on the overburden at the Elginsky deposit after surfactant treatment and without the surfactant treatment Types of rocks: 1 – aleurolites (compressive strength: 46.3 MPa), 2 – gravelstone (compressive strength: 46.3 MPa), 3 – conglomerates (compressive strength: 32 MPa), 4 – coarse sandstone (compressive strength: 52 MPa), 5 – medium-grained sandstone (compressive strength: 58.2 MPa), 6 – fine-grained sandstone (compressive strength: 60 MPa)

Заключение

Произведенные расчеты показали, что за счет применения безвзрывной опережающей обработки массива водными растворами поверхностно-активных веществ можно существенно повысить эффективность применения роторных комбайнов типа KSM на Эльгинском месторождении.

Так, например, по песчаникам (мелкозернистым, среднезернистым и крупнозернистым), которые составляют основную долю (около 70%) в коренных породах Эльгинского месторождения, производительность КСМ-2000Р, по расчетам, составит от 460 до 630 м3/ч. При условии применения ПАВ производительность КСМ-2000Р по песчаникам может возрасти от 750 м3/ч до 1100 м³/ч (80% от паспортной). Таким образом, производительность роторных комбайнов типа KSM по углям Эльгинского месторождения с учетом их прочностных характеристик и усилия резания машины будет обеспечена в паспортных пределах.

Полученные результаты имеют важное значение для разработки технологических мероприятий по снижению прочности многолетнемерзлых горных пород и повышению эффективности их разработки.

Выводы:

1. Экспериментальными исследованиями установлено, что прочность мелкозернистых песчаников Эльгинского месторождения значительно снижается при воздействии дистиллированной воды и растворов NaCl различной концентрации в диапазоне отрицательных температур.

2. Выявлено, что при температуре –10 °С достигается максимальное снижение прочности образцов – до 55%.

3. Образцы в воздушно-сухом состоянии при различных температурах имеют большую прочность, чем прочность, полученную при комнатной температуре. Так, при –5 °С она возросла с 79,6 до 104,7 МПа – на 25%, при –10 °С до 94,3 МПа – на 16% и при –20 °С до 108,6 МПа – на 27%.

4. Определено, что при снижении температуры с –10° до –20 °С наблюдается незначительное повышение прочности образцов: на 15% в воздушно-сухом состоянии, на 18% с Н2О, на 4% с NaCl–5%, на 14% с NaCl–10% и на 12% с NaCl–10%. Это объясняется тем, что при более интенсивном замерзании пород происходит увеличение их прочностных свойств, и воздействие на них ПАВ заметно снижается.

5. Для безвзрывной разработки вскрышных пород и угля из Эльгинского месторождения могут использоваться роторные комбайны типа KSM с применением ПАВ для разупрочнения более прочных пород.

¹ Опыт и перспективы применения КСМ-2000Р на разрезе «Талдинский». М.; 1997. 30 с.

Список литературы

1. Баулин А.В., Бабенко О.Б., Белинкин А.А. Освоение Эльгинского каменноугольного месторождения. Уголь. 2002;(1):22–23.

2. Малышев Ю.Н., Анистратов К.Ю., Анистратов Ю.А., Бызов В.Ф., Вилкул Ю.Г., Зайденварг В.Е. и др. (ред.) Мировая горная промышленность. История. Достижения. Производство. М.: Горное дело; 2005. 520 с.

3. Опарин В.Н. Безвзрывные технологии открытой добычи твердых полезных ископаемых. Новосибирск: Изд-во СО РАН; 2007. 336 с.

4. Лабутин В.Н. Безвзрывная технология добычи полезных ископаемых: состояние и перспективы. Оценка эффективности применения различных способов разрушения в технологиях открытых горных работ. ФТРПИ. 2004;(2)66–74.

5. Алешин Б.Г., Коваленко С.К., Виницкий К.Е., Шендеров А.И., Штейнцайг Р.М. Конструктивно-технологические особенности и перспективы применения машин типа КСМ на разрезах России. Горный вестник. 1996;(4):13–19.

6. Краснянский Г.Л., Штейнцайг Р.М, Рудольф В., Коваленко С.К. Опыт создания и перспективы освоение в горнодобывающей промышленности машин нового поколения КСМ-2000РМ. Уголь. 1998;(4):16–21.

7. Хосоев Д.В., Ермаков С.А. Оценка технологий разработки Эльгинского угольного месторождения. Уголь. 2009;(11):9–12.

8. Перспективы расширения безврывных технологий в открытой угледобыче. Горная промышленность. 1998;(2):14–19. Режим доступа: https://mining-media.ru/ru/article/karertekh/2084-perspektivy-rasshireniya-bezvzryvnykh-tekhnologij-v-otkrytojugledobyche

9. Норов Ю.Д., Мардонов У.М., Тошев О.Э. Изучение влияния водных растворов ПАВ на изменение прочности горного массива. Горный журнал. 2005;(3):15–16.

10. Латышев О.Г., Жилин А.С., Осипов И.С., Сынбулатов В.В. Выбор поверхностно-активной среды для управления свойствами пород в горной технологии. Горный журнал. 2004;(6):117–121.

11. Латышев О.Г. Разупрочнение горных пород. М.: Теплотехник; 2007. 660 с.

12. Штеле В.И. Патент №2012790 «Способы разупрочнения горных пород».

13. Шишкин Ю.П., Микулевич А.П., Бураков А.М. Экспериментальные исследования безвзрывного разупрочнения многолетне-мерзлых пород на алмазном месторождении. Физико-технические проблемы. 1990;(5).

14. Коваленко С.К. Интенсификация угледобычи на основе применения машин типа КСМ: применительно к условиям Талдинского каменноугольного месторождения: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.; 1998. 19 с.