Устройство для интенсификации предварительного разупрочнения мёрзлых вскрышных пород на карьерах криолитозоны

Д.В. Хосоев , А.М. Бураков
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация
Горная Промышленность №6 / 2024 стр. 135-139

Резюме: Основные сложности разработки мерзлых грунтов в зимнее время связаны с самым верхним слоем, разупрочнением которого можно обеспечить оптимальные условия для его разработки. В статье проведено описание разработанного запатентованного устройства, которое может быть использовано при открытой разработке месторождений полезных ископаемых криолитозоны, обеспечивающее интенсификацию предварительного безвзрывного разупрочнения мерзлых вскрышных пород с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Подчеркивается, что технической задачей устройства является поддержание постоянного уровня раствора в скважинах без перелива с обеспечением непрерывного проникновения раствора ПАВ в трещины и поры массива за счет гидростатического давления самого раствора ПАВ. Для этого устройство снабжается перфорированным дозатором, обеспечивающим равномерное непрерывное поступление раствора ПАВ. В верхней части оболочки должно быть предусмотрено специальное отверстие или клапан для уравновешивания давления внутри ёмкости с атмосферным воздухом, а её нижняя часть для придания ей вертикальной устойчивости присыпается буровой мелочью. Отмечается недостаточная степень внедрения способов разупрочнения горных пород, базирующихся на использовании ПАВ, а также что предложенное устройство приведет к снижению их прочностных и деформационных свойств и позволит в определенных пределах управлять состоянием и свойствами разрабатываемого породного массива на карьерах северных регионов РФ.

Ключевые слова: полезная модель, вскрышные породы, объем скважины, концентрация, засоление мерзлых грунтов, температура замерзания, разупрочнение, карьеры, прочность, криолитозона, поверхностно-активные вещества

Благодарности: Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема, №122011800086-1 ЕГИСУ НИОКТР) с использованием оборудования ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН.

Для цитирования: Хосоев Д.В., Бураков А.М. Устройство для интенсификации предварительного разупрочнения мёрзлых вскрышных пород на карьерах криолитозоны. Горная промышленность. 2024;(6):135–139. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-6-135-139

Информация о статье

Поступила в редакцию: 07.10.2024

Поступила после рецензирования: 25.11.2024

Принята к публикации: 03.12.2024

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; https://orcid.org/0000-0002-1466-8509; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Бураков Александр Михайлович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация

Введение

Одним из наиболее перспективных направлений научных исследований в области горного дела является разработка методов управления свойствами и состоянием разрабатываемых горных массивов месторождений твердых полезных ископаемых. При этом повышение эффективности горных работ может быть достигнуто, в частности, снижением энергоемкости процессов механического разрушения горных пород, что может быть достигнуто использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1–4]. Растворы ПАВ за счет механизма адсорбции интенсивно проникают в трещины и на контакты минеральных зерен пород, снижая поверхностную энергию сцепления.

Их действие основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). Поэтому эффективность действия ПАВ зависит от величины свободной поверхности трещин и межзеренных контактов пород горного массива. Приоритет в развитии данного направления исследований принадлежит отечественным ученым (Ю.В. Горюнов, Ф.Д. Овчаренко, Н.В. Перцов, П.А. Ребиндер, Е.Д. Шукикин и др.).

ПАВ широко используются во многих областях промышленности, но в горном деле, в том числе в процессах разрушения пород, их применение носит весьма ограниченный характер. Немногочисленные работы в этом направлении не выходят, как правило, за рамки экспериментальных исследований. Применительно к процессам горного производства (бурение, резание, борьба с пылью), различным аспектам теории и практики использования ПАВ посвящены работы А.Д. Алексеева, Г.Я. Воронкова, И.И. Круглицкого, Н.В. Кусова, О.Г. Латышева, Г.И. Марцинкевича, Ю.И. Анистратова, О.А. Эдельштейна и др. С их участием также разработаны способы, технические решения и устройства, способствующие повышению эффективности использования методов разупрочнения горных пород, базирующихся на использовании ПАВ. Тем не менее их применение в условиях криолитозоны зачастую ограничено по ряду причин.

Результаты и их обсуждение

Основные сложности с разработкой мерзлых грунтов в зимнее время связаны с самым верхним слоем, разупрочнением которого можно обеспечить оптимальные условия для его разработки.

Характер физико-механических процессов, протекающих в месте контакта поверхностно-активной среды (раствора) с горной породой, определяет избирательность действия ПАВ. Как показывает опыт, неверно подобранные растворы ПАВ могут не только снижать эффективность разупрочняющих процессов, но и оказывать противоположное действие. В этой связи первоочередной задачей является выбор оптимального состава и концентрации растворов ПАВ.

Объективно самым надежным способом выбора ПАВ является опробование их составов в реальном технологическом процессе. Однако высокая трудоемкость промышленных испытаний при огромном количестве производимых ПАВ и необходимость выбора для каждого из них строго фиксированной концентрации делают такой путь практически нереализуемым.

Для этих целей ИГДС СО РАН было разработано устройство [5], технической задачей которого является обеспечение повышенной интенсивности процессов разупрочнения мерзлых горных пород путем обеспечения непрерывного проникновения раствора ПАВ в трещины и поры массива, окружающего каждую скважину, за счет гидростатического давления (веса) самого раствора.

Устройство по конструкции несложное (рис. 1) и может быть изготовлено кустарным способом в мастерских горного предприятия, состоит из емкости в виде картонного цилиндра, внутри которого размещена герметичная оболочка с горловиной, наполненная раствором NaCl в концентрации 15–75%. Устройство горловиной вставляется в устьевую часть предварительно пробуренной скважины.

Рис. 1 Устройство для непрерывного предварительного разупрочнения мёрзлых горных пород вокруг скважины: 1 – цилиндр; 2 – горловина; 3 – раствор ПАВ; 4 – скважина; 5 – перфорированный дозатор; 6 – клапан выравнивания давления; 7 – буровая мелочь

Fig. 1 Device for continuous preliminary softening of frozen rocks around the borehole: 1 - cylinder; 2 - neck; 3 - surfactant solution; 4 - borehole; 5 - perforated dispenser; 6 - pressure balance valve; 7 - drilling fines

Объём герметичной оболочки цилиндра должен превосходить объём скважины не менее чем в три раза, а высота цилиндра не менее чем в два раза его диаметр. Горловина оболочки оборудована перфорированным дозатором, обеспечивающим равномерное поступление раствора NaCl без его перелива из скважины. В верхней части оболочки должно быть предусмотрено специальное отверстие или клапан для уравновешивания давления внутри ёмкости с атмосферным воздухом, а её нижняя часть для придания ей вертикальной устойчивости присыпается буровой мелочью.

Пробуренные по расчетной схеме скважины перед установкой устройства на всю высоту заполняются раствором ПАВ. Находящийся в емкости раствор под действием собственного веса будет постепенно проникать в мерзлый горный массив вокруг скважин по имеющимся трещинам, пустотам и порам, взаимодействовать со льдом-цементом за счёт диффузии, изменяя фазовое равновесие системы лёд–вода–соль с его одновременным разупрочнением.

Как известно, при искусственном засолении мёрзлых и осадочных пород грунтов изменяются (как правило, снижаются) их физико-механические свойства. В частности, прочность дисперсных горных пород в зависимости от степени насыщения раствором NaCl в концентрации 15–20%, будет уменьшаться, темп изменения иллюстрируется графиками, представленными на рис. 2. Примерно такие же зависимости характерны для осадочных вскрышных пород большинства карьеров Севера.

Рис. 2 Снижение прочности на сжатие образцов грунтов, засоленных раствором поваренной соли: 1 – лессовидный суглинок w = 20%, Т = –20 °С; 2 – мелкозернистый песок w = 15%, Т = –20 °С; 3 – мелкозернистый песок w = 10%, Т = –10 °С).

Fig. 2 Decreasing compressive strength of soil samples salinized with the cooking salt solution: 1 – loess loam w = 20%, Т = –20°С; 2 – fine sand w = 15%, Т = –20°С; 3 – fine sand w = 10%, Т = –10°С).

Представленные на рисунке графики характеризуют снижение условно-мгновенной прочности на сжатие мелкозернистого песка и несвязного лессовидного суглинка при повышении концентрации раствора хлорида натрия, используемого в качестве ПАВ, и их первоначальной влажности. Отчетливо видно, что более резкое снижение прочности при одинаковой концентрации раствора соли, значениях влажности и отрицательной температуры наблюдается в грубодисперсных средах.

Для установления зависимости влияния растворов NaCl различной концентрации на прочностные свойства мерзлых вскрышных пород (различных типов мелкозернистых песчаников) Эльгинского месторождения были проведены эксперименты в соответствии с разработанной методикой, приведенной в работе [6].

Использовались растворы NaCl – 5-, 10- и 20%-ной концентрации. Определение прочности на одноосное сжатие проводилось на 5 образцах при отрицательных температурах (–5, –10 и –20 °С) на испытательной машине UTS –250.

Результаты проведенных лабораторных исследований показали, что предварительное пропитывание образцов пород раствором хлорида натрия приводит к существенному уменьшению прочности в условиях отрицательных температур до –20 °С. В частности, прочность на сжатие снизилась на 30–50%, прочность на растяжение уменьшилась примерно на 50% по всем типам песчаников. Такое снижение прочностных характеристик пород после воздействия водных растворов ПАВ позволяет их перевести в категорию легко разрабатываемых, требующих гораздо меньших усилий при резании и, как следствие этого, энергетических затрат.

В работе [7] приведены сведения о выполненных экспериментальных работах по разупрочнению вскрышных пород в натурных условиях на опытном участке в районе карьера алмазосодержащей трубки «Юбилейная АК АЛРОСА». Параллельно с этим участком (в 10–12 м от него) был выбран такой же по площади контрольный. Работы выполнялись в период, наиболее близкий к началу промерзания сезонно-талого слоя пород: конец сентября – начало октября 1986 г. После удаления снежного покрова на каждом квадратном метре грунта пробивалось 15–20 лунок на глубину 12–15 см, в которые заливалась концентрированная соляная кислота в количестве, необходимом для обеспечения концентрации 0,5 и 0,05 Н. Оптимальный расход кислоты составляет, например, для получения концентрации 0,5 Н при влажности породы 30–35% около 50 л на 10 м² поверхности пород.

По результатам проведенных исследований было сделано заключение, что в целом степень разупрочнения различных групп пород в мерзлом состоянии соляной кислотой определенной концентрации примерно одинакова, прочность снизилась на 40–50%. Следовательно, химический метод разупрочнения может быть универсальным и применимым для всех вскрышных пород этого месторождения. Однако необходимо отметить, что использование концентрированной соляной кислоты требует применения дополнительных мер по защите от его агрессивного воздействия на оборудование, обслуживающий персонал и на окружающую среду. В связи с этим использование кислот в качестве ПАВ довольно проблематично.

В работе [8] были проведены исследования прочностных характеристик на образцах горных пород одного из золоторудных месторождений Забайкальского края как в естественном состоянии, так и после пропитки в водном растворе ПАВ в течение 48 ч. Процесс обработки полученных результатов испытаний включал в себя: вычисление среднего арифметического значения предела прочности при одноосном сжатии, вычисление среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации. Результаты определения прочности пород при одноосном сжатии приведены в табл. 1.

Таблица 1 Результаты определения предела прочности образцов при одноосном сжатии

Table 1 Results of determining uniaxial compressive strength of the specimens

Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод, что пропитка образцов водным раствором ПАВ привела к снижению их прочности на одноосное сжатие. Так, прочность березитов снизилась на 32,4% – с 135,3 до 91,4 МПа, кварц-гидрослюдистых метасоматитов – на 42,3%, с 107,9 до 62,3 МПа, хлоритов – на 21,2%, с 99,3 до 78,2 МПа, что подтверждает эффективность применения ПАВ.

Подобные исследования были также проведены на Талдинском угольном месторождении при пропитке породного массива раствором ПАВ через сеть скважин 1,3×1,3 м в течение двух суток, прочность на сжатие снизилась у аргиллитов и алевролитов с 90 до 70 МПа, а у мелкозернистых песчаников – с 93 до 60 МПа [9]. Тем самым также доказывается целесообразность использования ПАВ для разупрочнения породного массива.

Как известно, эффективность ПАВ во многом определяется температурными условиями, на основании литературных источников была составлена табл. 2. В ней приведены справочные данные по растворимости хлоридов натрия, кальция, калия и магния в зависимости от температуры. Знаком (*) отмечены концентрации и температуры, соответствующие точке эвтектики для каждой соли.

Таблица 2 Температура замерзания растворов противосмерзающихся реагентов, используемых в качестве ПАВ

Table 2 Freezing point of the antifreezing reagent solutions used as surfactants

Соль, будучи смешанной со льдом (в том числе в форме снега), вызывает его таяние (плавление). Образовавшийся водно-солевой раствор имеет температуру кристаллизации (замерзает) ниже 0 °C, которая зависит от количества соли в растворе (чем выше концентрация, тем ниже температура кристаллизации раствора).

Данные табл. 2 свидетельствуют, что наименее низкую температуру замерзания имеют хлориды магния.

Далее приведены результаты расчётов оптимальных параметров реализации предлагаемого устройства на практике для разупрочнения мёрзлых горных пород вокруг скважины в условиях карьеров криолитозоны.

Например, при длине скважины Lскв = 5 м с диаметром Dскв = 0,2 м, температуре горных пород вскрыши Tпор = –10 °С расстояние, на которое проникнет раствор NaCl в концентрации 16%, разупрочняющий мёрзлые горные породы, составит R ≈ 3,5 м.

Таким образом, есть основание утверждать, что предлагаемое устройство будет способствовать интенсификации предварительного разупрочнения мерзлых вскрышных пород при открытой разработке месторождений криолитозоны за счет воздействия водных растворов ПАВ, что к тому же позволит в определенных пределах управлять состоянием и свойствами горного массива, способствовать повышению эффективности ведения горных работ безвзрывной технологией.

Выводы

По мнению авторов, внедрение устройства позволит: – отказаться от дорогостоящих и небезопасных взрывных работ;

– обеспечить непрерывное, равномерное поступление раствора ПАВ в скважину через перфорированный дозатор, размещённый в горловине устройства;

– предотвратить переливание раствора ПАВ из скважины, снижая его расход;

– отказаться от постоянного присутствия людей на уступе карьера для дозалива скважин раствором;

– обеспечить увеличение производительности горных машин;

– уменьшить поступление токсичных газов и пыли в окружающую среду.

Список литературы

1. Латышев О.Г., Жилин А.С., Осипов И.С., Сынбулатов В.В., Латышев О.Г. Выбор поверхностно-активной среды для управления свойствами пород в горной технологии. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2004;(6):117–121. Latyshev O.G., Zhilin A.S., Osipov I.S., Synbulatov V.V. Selection of surfactant media to control rock properties in mining technology. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Gornyi Zhurnal. 2004;(6):117–121. (In Russ.)

2. Анистратов Ю.И., Штейнцаг Р.М., Воронков Г.Я., Кузнецов А.Г., Хаспеков П.Р. Перспективы расширения сферы применения безврывных технологий в открытой угледобыче. Горная промышленность. 1998;(2):14–19. Anistratov Yu.I., Shteintsag R.M., Voronkov G.Ya., Kuznetsov A.G., Khaspekov P.R. Prospects for expanding the scope of application of non-bursting technologies in open-pit coal mining. Russian Mining Industry. 1998;(2):14–19. (In Russ.)

3. 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. Norov Yu.D., Mardonov U.M., Toshev O.E. Studying the impact of aqueous surfactant solutions on changes in the rock mass strength. Gornyi Zhurnal. 2005;(3):15–16. (In Russ.)

4. Тошев О.Э., Ахтамов Ф.Э., Тошов С.Б., Элмуродова М.О.И., Сафаркулов М.Р.З. Физико-химическое воздействие растворов поверхностно-активных веществ на твердых полезных ископаемых для ослабления их прочностных характеристик. Universum: технические науки. 2021;(12-2):24–27. Toshev O.E., Akhtamof F.E., Toshov S.B., Elmurodova M.O.I., Safarkulov M.R.Z. Physico-chemical effects of surface-active solutions on solid fossils to weaken their strength characteristics. Universum: Tekhnicheskie Nauki. 2021;(12-2):24–27.

5. Хосоев Д.В., Каймонов М.В., Панишев С.В. Устройство для непрерывного предварительного разупрочнения мерзлых горных пород вокруг скважины. Патент №221470 РФ, МПК Е21С27/00; заявл. 24.04.2023; опубл. 08.11.2023, Бюл. №31.

6. 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. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-1-98-104 Panishev S.V., Hosoev D.V., Matveev A.I. Enhancing efficiency of overburden removal and coal mining at elginsky coal deposit in yakutia by their softening with surfactants. Russian Mining Industry. 2021;(1):98–104. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-1-98-104

7. 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. Shishkin Yu.P., Mikulevich A.P., Burakov A.M. Experimental studies of blast-free softening of perennially frozen rocks at a diamondiferous deposit. Fiziko-Texhnicheskiye Problemy Razrabbotki Poleznykh Iskopaemykh. 1990;(4):79–84. (In Russ.)

8. 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 Cheban A.Yu., Sekisov A.G., Rasskazov M.I., Tsoi D.I., Tereshkin A.A. Efficiency upgrading in selective mining of high-grade ore by means of preliminary physicochemical softening. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2022;(9):29–41. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_9_0_29

9. Штеинцайг Р.М. Пути повышения качества рабочего процесса машин типа КСМ-2000Р. Горная промышленность. 1998;(4):9–16. Shteintsaig R.M. Ways to improve the quality of the work process of machines such as KSM-2000R. Russian Mining Industry. 1998;(4):9–16. (In Russ.)