Исследование влияния поверхностно-активных веществ на прочность мерзлых пород Кангаласского месторождения
Д.В. Хосоев, ведущий инженер лаборатории «Открытые горные работы», ФГБУН «Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского» Сибирского отделения РАН
Поверхностно-активные вещества на основе Na2CO3, NaCl и AlCl3T6H2O позволяют снизить прочность мерзлых пород Кангаласского месторождения в несколько раз. Это позволяет вести безвзрывную разработку угля с применением современного горнодобычного оборудования. Показано, что наиболее перспективным в данных условиях является применение комбайнов нового поколения типа VASM, WSM, CSM.
В настоящее время большинство угольных месторождений Республики Саха (Якутия) разрабатывается с использованием цикличной технологии с буровзрывной подготовкой горной массы к выемке, при её автомобильном транспорте. При этом качественные показатели горного производства монотонно ухудшаются, растет загрязнение окружающей среды вредными выбросами. Одним из таких месторождений является Кангаласское буроугольное месторождение (Ленский бассейн), расположенное в 45 км от г. Якутск, разведанная площадь месторождения составляет 12,1 км2. Всего на площади месторождения выявлено более 5,2 млрд т энергетических углей.
Месторождение отрабатывается по комбинированной технологии: бестранспортная вскрыша – над пл. «Верхний», транспортная вскрыша – на отработке междупластья. Уголь из разреза вывозится автотранспортом потребителей. Годовая добыча угля в данное время составляет 160 тыс. т. На горных работах применяется буровзрывная подготовка массивов к выемке, используются экскаватор ЭШ-10/70 (бестранспортная вскрыша) и мехлопаты ЭКГ>5А на выемке междупластья и угля. Бурение скважин осуществляется станками СБШ-250МН, 3СБШ-200-60, СБР-160-А-24 и СВБ-2М.
Дальнейшее развитие Кангаласского разреза может быть связано с приходом железной дороги, когда значительно увеличатся его производственные мощности. Для этого возможно применение поточных технологий на базе роторно-конвейерных комплексов и погрузочно-выемочных машин – комбайнов типа VASM, WSM, КSM, которые являются одним из перспективных путей повышения эффективности производства на карьерах.
Одним из основных факторов, оказывающих преимущественное влияние на эффективность и надежность эксплуатации горнодобычного оборудования, являются прочностные свойства экскавируемых пород, в том числе и в зимний период года. Многолетнемерзлые горные породы в совокупности с низкими температурами воздуха оказывают существенное влияние на все технологические процессы разработки месторождений.
Прочность мерзлых дисперсных горных пород на порядок выше их прочности в талом состоянии, поэтому существующие технологии разработки предусматривают предварительное разупрочнение пород различными способами оттайки, либо рыхлением, с применением бульдозеров-рыхлителей или БВР [1]. Основные характеристики пород и угля месторождения приведены в табл. 1.
Все породы находятся в зоне многолетнемерзлых пород. Их температура колеблется в пределах от –2° до –3°С. Мощность деятельного слоя составляет 2–3 м.
Значительный рост сопротивления пород и углей копанию при их промерзании диктует необходимость применения мер по разупрочнению для обеспечения возможности безвзрывной выемки. Возможным решением этой задачи может быть использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). Основные сложности с разработкой мерзлых грунтов в зимнее время связаны с самым верхним, деятельным слоем, разупрочнением которого можно обеспечить оптимальные условия для его разработки.
В работе [2] рассмотрена возможность снижения прочности мерзлого массива химическим способом. При проведении эксперимента в грунт с влажностью от 20 до 50%, непосредственно перед его промерзанием вводили соляную кислоту концентрации 0,25–1,0 Н, для интервала температур разрабатываемого грунта от –0,5° до –25 °С. Как показали результаты выполненных экспериментальных исследований, прочность пород в мерзлом состоянии снизилась на 40–50%.
В.И. Штеле был получен патент на изобретение [3], сущность которого состоит в том, что ослабление мерзлых горных пород осуществляется за счет механического действия гидроразрыва и химического воздействия HCl.
Нами проведены лабораторные исследования по изменению прочности мерзлых дисперсных пород в диапазоне температур от –3 ° до –20 °С при воздействии ПАВ (Na2CO3, NaCl и AlCl3J6H2O) различной концентрации. Исследования проводились по стандартной методике определения прочности на одноосное сжатие (ГОСТ 21153.2-75) на 10 образцах мерзлых дисперсных пород для каждого параметра. В табл. 2 приведены значения прочности, состав ПАВ и их концентрация.
Данные табл. 2 показывают, что применение растворов ПАВ на основе Na2CO3, NaCl и AlCl3J6H2O приводит к значительному снижению прочности мерзлых дисперсных пород. Анализ полученных зависимостей (рис. 1) показывает, что при повышении концентрации ПАВ происходит снижение прочности образцов.
В интервале температуры от –5 ° до –20 °С и концентрации ПАВ 3–15% прочность при применении Na2CO3 снижается по отношению к исходному незасоленному грунту в 1,4–2 раза, а с NaCl в 2–5 раз. При использовании 10%-ного Na2CO3 в диапазоне температур от –3° до –5 °С, и 10%-ного NaCl в интервале температур от –3° до –10 °С прочность образцов снижается до 0.
Эксперименты показали, что при использовании трехпроцентного раствора AlCl3J6H2O наблюдается наибольшее снижение прочности образцов. Так, значения прочности снижаются при температуре –5 °С в 4,5 раза по сравнению с исходной, а при –20 °С в 1,7 раз. Полученные результаты снижения прочности образцов с применением трехпроцентного раствора AlCl3J6H2O сопоставимы со значениями прочности полученных при использовании 7%-ного NaCl и 15%-ного Na2CO3 (рис. 2).
Проведённые нами эксперименты подтвердили, что использование ПАВ позволяет снизить прочность мерзлых пород в несколько раз и тем самым обеспечить их безвзрывную разработку с применением современного горнодобычного оборудования. Наиболее перспективным в данных условиях является применение комбайнов нового поколения типа VASM, WSM, КSM. Благодаря высоким значениям развиваемых усилий резания эти машины могут успешно разрабатывать породы прочностью на сжатие до 60–80 МПа [4].
Выводы
1. Применение растворов ПАВ на основе Na2CO3, NaCl и AlCl3J6H2O приводит к значительному снижению прочности мерзлых дисперсных пород, при этом наибольшее разупрочнение образцов происходит в диапазоне температур от –3° до –5 °С.
2. При использовании AlCl3J6H2O наблюдается наибольшее снижение прочности образцов. Так, значения прочности при температуре –15 °С для трех процентного раствора AlCl3J6H2O соответствуют значениям прочности при 7%ном NaCl и 15%-ном Na2CO3.
Использованные источники:
1. Потемкин С.В. Оттайка мерзлых пород. - М.: Недра, 1991. - 160 с.
2. Шишкин, Ю.П. Экспериментальные исследования безвзрывного разупрочнения многолетне- мерзлых пород на алмазном месторождении / Шишкин Ю.П., Микулевич А.П., Бураков А.М. // Физико-технические проблемы. 1990, №5.
3. Патент №2012790 //В.И. Штеле. Способ разупрочнения мерзлых горных пород.
4. Мировая горная промышленность. История. Достижения. Производство/ М. НТЦ «Горное дело», 2005. - 520 с.
