Влияние воздействий поверхностно-активных веществ на прочность образцов мерзлых вскрышных горных пород угольных месторождений криолитозоны

Д.В. Хосоев , В.В. Киселев
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация
Горная Промышленность №6 / 2023 стр. 162-165

Резюме: Жесткие климатические условия криолитозоны с продолжительным зимним периодом и наличием многолетней мерзлоты существенно замедляют ведение всех технологических процессов разработки месторождений открытым способом. Сопротивление копанию горной техникой промерзших горных пород на угольных разрезах может быть снижено путем их предварительного разупрочнения с применением поверхностно-активных веществ. В статье рассмотрено разупрочняющее влияние водных растворов поверхностно-активных веществ на образцы из мерзлых вскрышных пород. Авторы показывают, что обработка пород растворами оптимального состава и концентрации приводит к снижению их прочности, что позволяет повысить эффективность применения поточных технологий на базе роторно-конвейерных комплексов и горных комбайнов. Изложены экспериментальные данные прочностных характеристик искусственно изготовленных образцов из вскрышных пород Кангаласского угольного месторождения, насыщенных растворами поверхностно-активных веществ различной концентрации. Авторы отмечают, что наибольшее снижение прочности образцов достигается при применении водного раствора хлористого алюминия AlCl3×6H2O. Приведены результаты экспериментов, выполненных с целью установления зависимости влияния дистиллированной воды Н2О и растворов хлорида натрия NaCl различной концентрации на прочностные свойства мелкозернистых песчаников Эльгинского каменноугольного месторождения, которые подтверждают, что при температуре –10°С достигается максимальное снижение прочности образцов до 55%, а при понижении температуры с –10 до –20°С наблюдается незначительное повышение прочности образцов. Авторы высказывают предположение, что применение поверхностно-активных веществ позволит снизить прочность мерзлых вскрышных пород и тем самым обеспечить возможность их безвзрывной разработки..

Ключевые слова: угольное месторождение, поверхностно-активные вещества, образцы пород, горные комбайны, безвзрывная технология, криолитозона

Благодарности: Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема №0297-2021-0020, №0297-2021-0021, ЕГИСУ НИОКТР № 122011800086-1, №122011800083-0) с использованием оборудования ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН грант №13.ЦКП.21.0016.

Для цитирования: Хосоев Д.В., Киселев В.В. Влияние воздействий поверхностно-активных веществ на прочность образцов мерзлых вскрышных горных пород угольных месторождений криолитозоны. Горная промышленность. 2023;(6): 162–165. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-6-162-165

Информация о статье

Поступила в редакцию: 15.09.2023

Поступила после рецензирования: 24.10.2023

Принята к публикации: 03.11.2023

Информация об авторах

Хосоев Доржо Владимирович – ведущий инженер, Институт 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.

Киселев Валерий Васильевич – старший научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация

Введение

В настоящее время значительное число угольных месторождений Якутии разрабатывается открытым способом с применением цикличной технологии, автомобильного транспорта и буровзрывных работ, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду вредными выбросами. Одним из путей повышения рентабельности горнодобывающих предприятий является применение безвзрывных поточных технологий на базе роторно-конвейерных комплексов и горных комбайнов.

Большой рост сопротивления копанию при промерзании горных пород предопределяет необходимость их разупрочнения для ведения безвзрывной выемки. Эта проблема может быть решена применением поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1–3].

В работе [4] приведены результаты исследований, проведенных с целью продления сезона работы роторных экскаваторов на разрезе путем снижения прочности мерзлого массива вскрышных пород химическими способами. При проведении эксперимента в породный массив с влажностью от 20 до 50% непосредственно перед его промерзанием вводили соляную кислоту концентрации 0,25–1,0 Н для интервала температур от –0,5 до –25°С. Как показали результаты выполненных экспериментальных исследований, прочность пород, находящихся в мерзлом состоянии, при этом снизилась на 40–50%.

В статье [5] приведены результаты экспериментальных исследований прочностных характеристик мерзлых дисперсных грунтов (песок и суглинок) с добавлением ПАВ. В качестве ПАВ использовался поливиниловый спирт 2%-ной концентрации. Для определения значений прочности использовался метод шарикового штампа при воздействии постоянной нагрузки. Полученные данные позволили сделать вывод, что введение ПАВ оказывает разупрочняющее влияние на мерзлые грунты независимо от их типа. Кроме того, установлено, что изменение прочности мерзлых грунтов как песков, так и суглинков обусловлено структурными изменениями, происходящими при введении ПАВ.

Из химических способов разупрочнения грунтов наибольшее распространение получили способы, основанные на введении растворов хлористых солей [6]. Способы основаны на особенностях этих растворов размораживать лед, содержащийся в порах мерзлого грунта, переводя таким образом его в пластическое состояние. В то же время отмечается, что недостатками данного способа являются: большая трудоемкость реализации, сложность и длительность осуществления процесса, высокая стоимость из-за необходимости использования больших объемов концентрированных растворов солей.

Результаты и обсуждение

Ранее в ИГДС СО РАН были проведены исследования по определению прочности на сжатие замороженных образцов песчаников Кангаласского буроугольного месторождения, насыщенных рассолами минерализованных подземных вод кимберлитового карьера «Удачный» АК «АЛРОСА», имеющими температуру замерзания –20°С. Были изготовлены образцы кубической формы размерами 50×50×50 мм с 50%-ным и 30%-ным содержанием рассола от общей влажности песчаника, а также образцы из песчаника с естественной влажностью. Исследования проводились при температурах от –5 до –40°С на испытательной машине UTS-250.

Полученные результаты показали, что при температуре образцов –40°С песчаник, насыщенный рассолом с содержанием до 50%, имеет δсж = 0,761 МПа, а 30%-ный состав при той же температуре достигает δсж = 0,933 МПа. При температурах замораживания от –5 до –30°С рассолосодержащие образцы практически не смерзаются. Таким образом, был сделан вывод, что при более высокопроцентном содержании рассола в образце существенно снижаются его прочностные характеристики.

Кроме этого, были проведены лабораторные исследования на искусственных образцах, изготовленных из вскрышных пород Кангаласского буроугольного месторождения, с использованием растворов ПАВ различной концентрации: карбоната натрия Na2CO3, хлорида натрия NaCl и водного раствора хлористого алюминия AlCl3×6H2O. Исследования проводились по стандартной методике определения прочности на одноосное сжатие (ГОСТ 21153.2–75) на 10 образцах кубической формы размером 5х5 см, при отрицательных температурах в диапазоне от –3 до –20 °С [7].

Анализируя результаты исследований, можно сделать вывод, что применение вышеприведенных растворов ПАВ приводит к значительному снижению прочности образцов мерзлых дисперсных пород. При этом при повышении концентрации ПАВ снижение прочности образцов происходит более интенсивно, особенно в диапазоне невысоких отрицательных температур (от –3 до –5°С).

Наибольшее снижение прочности образцов отмечено при применении водного раствора хлористого алюминия AlCl3×6H2O. Так, при его использовании в 3%-ной концентрации при температуре –5°С их исходная прочность снижается в 4,5 раза, а при –20°С в 1,7 раза, что в среднем в 1,2–2,7 раза выше в сравнении с использованием растворов хлорида натрия NaCl и карбоната натрия Na2CO3 этой же концентрации.

В соответствии с разработанной методикой были также проведены эксперименты с целью установления зависимости влияния дистиллированной воды Н2О и растворов хлорида натрия NaCl различной концентрации на прочностные свойства мелкозернистых песчаников Эльгинского каменноугольного месторождения.

Определение показателей прочности на одноосное сжатие проводилось на гидравлическом прессе Toni NORM – 60 т. Для каждой серии экспериментов изготавливались пять-шесть образцов кубической формы размером 4×4 см.

Исследования проводились при комнатной температуре (+20 °С) и при отрицательных температурах –5, –10 и –20°C в воздушно-сухом состоянии, а также с использованием, как уже говорилось, дистиллированной воды Н2О и хлорида натрия NaCl различной концентрации 5, 10 и 20%. В результате проведенных исследований установлено, что наиболее интенсивное разупрочнение образцов происходит в диапазоне температур от –5 до –10°C с использованием 10%-ного NaCl. Максимальное снижение прочности образцов в 1,4–1,5 раза отмечено при температуре –10 °C (рис. 1).

Рис. 1 Изменение прочности образцов песчаников Эльгинского каменноугольного месторождения на одноосное сжатие при различных температурах

Fig. 1 Variations in uniaxial compressive strength of sandstone samples from the Elga coal deposit at different temperatures

Было также подтверждено, что образцы в воздушно-сухом состоянии при различных отрицательных температурах имеют большую прочность, чем прочность, полученную при комнатной температуре. Так, при –5°С она возросла с 79 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% [8]. В образцах, насыщенных дистиллированной водой, интенсивное замерзание воды происходило при температуре –10°С, а в насыщенных растворами солей диапазон температур интенсивных фазовых переходов смещается в зону более низких температур в зависимости от концентрации растворов. При дальнейшем понижении температуры образуемый поровый лед цементирует и упрочняет песчаник.

Выводы

Проведенные исследования показали, что воздействие водных растворов ПАВ на образцы мерзлых вскрышных горных пород приводит к снижению прочностных свойств, что позволяет в определенных пределах управлять их состоянием и свойствами.

Есть основание утверждать, что использование ПАВ позволит снизить прочность мерзлых вскрышных пород на угольных разрезах криолитозоны и тем самым обеспечить их безвзрывную разработку с применением современного горнодобычного оборудования непрерывного действия, повышая темп ведения горных работ. Наиболее перспективным в данных условиях является применение горных комбайнов типа WSM, КSM, Tesmec RH. Благодаря высоким значениям развиваемых усилий резания эти машины могут успешно разрабатывать породы прочностью на сжатие до 60–80 МПа [9; 10].

Список литературы

1. 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.

2. Чебан А.Ю., Секисов А.Г., Рассказов М.И., Цой Д.И., Терешкина А.А. Повышение эффективности селективной выемки богатых руд путем их предварительного физико-химического разупрочнения. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(9):29–41. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_9_0_29

3. Курилко А.С., Ермаков С.А., Хохолов Ю.А., Каймонов М.В., Бураков А.М. Моделирование тепловых процессов в горном массиве при открытой разработке месторождений россыпей криолитозоны. Новосибирск: Гео; 2011. 139 с. Режим доступа: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-modelirovanie-teplovyh-processov-v-gornom-massive-pri-otkrytoy-razrabotke-r.pdf

4. Шишкин Ю.П., Микулевич А.П., Бураков А.М. Экспериментальные исследования безвзрывного разупрочнения многолетнемерзлых пород на алмазоносном месторождении. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1990;(4):79–84.

5. Ефимов В.М., Кравцова О.Н., Степанов А.В., Тимофеев А.В., Васильчук Ю.К., Таппырова Н.И. Исследование влияния поверхностно-активных веществ на прочность мерзлых грунтов криолитозоны Республики Саха (Якутия). Арктика и Антарктика. 2017;(4):80–85. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2017.4.25035

6. Черкашин В.А. Разработка мерзлых грунтов. Л.: Стройиздат; 1977. 215 с.

7. Хосоев Д.В. Исследование влияния поверхностно-активных веществ на прочность мерзлых пород Кангаласского месторождения. Горная промышленность. 2013;(5):88.

8. Панишев С.А., 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. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-1-98-104

9. Малышев Ю.Н., Анистратов К.Ю. (ред.) Мировая горная промышленность 2004–2005: история, достижения, производство. М.: Горное дело; 2005. Т. 1. 376 с.

10. Флавио В. Горные комбайны Tesmec Rock Hawg безопасное и экологическое фрезерование. Автосила. 2021;(8). Режим доступа: https://autosila24.ru/gortekh/85717-gornye-kombajny-tesmec-rock-hawg-bezopasnoe-i-ekologichnoe-poslojnoe-frezerovanie/