Способ отработки уступов горных пород

 

Сущность изобретения: способ предусматривает разупрочнение горного массива с использованием раствора ПАВ, заливаемого в скважины, образованные в горном массиве. Скважины выполняют различной глубины и размещают в шахматном порядке, а раствор ПАВ заливают в объеме и концентрации согласно приведенным формулам. Заливка раствора ПАВ может осуществляться циклично или непрерывно, при этом количество циклов определяется по формуле. Раствор ПАВ заданной концентрации может быть получен непосредственно в скважине, для этого в скважину сначала заливают концентрированный раствор ПАВ, а затем водой разбавляют его до заданной концентрации. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке месторождений полезных ископаемых.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ отработки уступов горных пород, включающий бурение скважин, разупрочнение массива пород раствором ПАВ, заливаемым в скважины, последующую разработку и удаление пород [1] .

Однако этот известный способ не обладает достаточной эффективностью, является сложным в осуществлении, поскольку требуется устройство скважин для взрывчатых веществ и для раствора ПАВ; необходимы также значительные количества ВВ, ПАВ и воды.

Кроме того, при использовании способа ухудшается экологическая обстановка.

Эти недостатки приводят к увеличению затрат на отработку уступов и к ухудшению условий работ в целом.

Целью изобретения является снижение затрат на разработку при улучшении условий работы.

На фиг. 1 даны изотермы адсорбции алкилсульфоната натрия на угле (1) и углистом аргиллите (2) Экибастузского месторождения; на фиг. 2 - сопоставление независимо найденных значений понижения прочности и адсорбции ПАВ на угле (1) и углистом аргиллите (2); на фиг. 3 - определение количества циклов заливок (N) в зависимости от расстояния между скважинами (а) при различном коэффициенте К (для скважины диаметром d = 0,16 м). Для экибастузских углей и углистых пород К^I≈0,0137; на фиг. 4 - кривые впитывания в угли (1) и углистые аргиллиты (2) воды (а) и алкилсульфоната натрия (б); на фиг. 5 - изменение относительной энергоемкости выемки одной тонны горной массы по высоте забоя (экскаватор СРСК) (1 - целиковый забой, 2 - буровзрывная обработка, 3 - физико-химическая обработка раствором нейтрализованного гудрона).

Способ осуществляется следующим образом.

Сначала на кровле уступа горных пород, имеющего высоту Н, бурят скважины различной глубины, в том числе глубокие ( ≈2/3 H) и мелкие ( ≈1/3 H), причем чередуют их размещение в шахматном порядке.

Выбор такой схемы размещения скважин обусловлен тем, что изучение пропитки на моделях показало, что именно эта схема обладает наибольшей эффективностью, т. е. обеспечивает наиболее равномерную пропитку всего уступа.

При объеме уступа V м³ число скважин n на уступе составит n = , где а - расстояние между скважинами в ряду или между рядами скважин.

Затем в скважины заливают раствор ПАВ в заданном объеме, определяемом исходя из следующих условий.

Для достижения требуемого эффекта уступ должен быть обработан таким образом, чтобы все поровое пространство было заполнено раствором. Установлено, что при безнапорной практике до 50-60% объема пор участвует в насыщении водой. Кроме того, часть этого объема уже заполнена естественной влагой. Поэтому объем раствора, который может быть поглощен уступом, определяется по формуле: V_р= (0,5 κ-W)V K= α˙V˙K, где κ- пористость горной массы; W - естественная влажность; V - объем горной массы; К - коэффициент заполнения.

Величина α= (0,5 κ- W) может быть определена экспериментально путем взвешивания сухого Р_с, насыщенного раствором образца Р_н, как отношение α = , где V_o - объем образца; ρ_ж - плотность жидкости.

Коэффициент (К) изменяется в зависимости от трещиноватости массива, пористости, блочности, плотности. Так, например, для ненарушенного массива, сложенного из плотных пород, для обеспечения нужного снижения прочности должно быть обеспечено довольно высокое заполнение массива раствором (К ≈1). Для более рыхлых слабых пород, где имеются трещины, блоки, значения К < 1. Изучение впитывания раствора и снижения прочности показало, что для достижения эффекта адсорбционного снижения прочности величина К для разных пород и углей колеблется от 0,3 до 0,8.

Раствор ПАВ, заливаемый в скважины, должен иметь определенную концентрацию.

Концентрацию (С) раствора ПАВ определяют исходя из величин адсорбции ПАВ на углепородном массиве, молекулярного веса вещества ПАВ, характеристик трещиноватости массива и заданного понижения прочности по формуле: C = A-B, кг/м³ воды, где М - молекулярный вес ПАВ, b - характеристика трещиноватости; А и В - коэффициенты, определяемые на основе экспериментальных данных по снижению прочности в зависимости от адсорбции; - заданное снижение прочности горного массива.

Обосновывается указанная форма механизмом физико-химического разупрочнения, состоящего в том, что энергия, затрачиваемая на разрушение, обусловленная величиной свободной поверхностной энергии, снижается за счет адсорбции поверхностно-активных молекул или ионов на границе твердое тело - раствор. Количество адсорбированного ПАВ на угле и углистых породах определялось по разности концентраций его в исходном и отфильтрованном равновесном растворе, полученном после внесения дробленого угля или породы в исходный раствор.

На фиг. 1 представлены изотермы адсорбции анионактивного ПАВ - алкилсульфоната натрия на угле и углистом аргиллите. Для определения прочности угля и породы при действии адсорбирующих сред был выбран метод определения прочности на одноосное растяжение образцов неправильной формы сферическими инденторами (ГОСТ 21153-85). Предел прочности сухого угля достигал 1,56 МПа, углистого аргиллита - 4,0 МПа. Сопоставление данных по снижению прочности и адсорбции ПАВ показали, что имеется прямопропорциональная зависимость между квадратом изменения прочности и адсорбции (фиг. 2), что, в свою очередь, указывает на адсорбционный характер снижения прочности угля и породы в рамках схемы Гриффитса.

Исходя из данных (фиг. 1 и 2), устанавливается необходимая концентрация раствора, необходимого для пропитки уступа горного массива в безнапорном режиме.

При полной адсорбции активного вещества на угольном и породном массиве должно быть выполнено условие: Г˙S_пор.= C˙ε_пор. , или C = , где Г - удельная адсорбция, моль/м²;
С - концентрация раствора, моль/м³;
S_пор. - поверхность всех пор и трещин, м²;
ε_пор. - объем пор и трещин, м³.

При щелевых трещинах ε_пор. может быть определено, как ε_пор. = S_пор·b, где b - средняя толщина трещин. Тогда С = Г/b моль/м³.

Величину адсорбции данного вещества на известных углях и углистых породах можно определить, апроксимировав зависимость на фиг. 2 соотношением:
Г = MA-B, кг/м², где А и В - коэффициенты, определяемые из данных фиг. 1, 2;
- задаваемое снижение прочности материала;
М - молекулярный вес вещества или количество вещества, численно равное его молекулярному весу.

Из формул для С и Г следует, что необходимая концентрация раствора для адсорбционного понижения прочности может быть определена, как
C = A - B, кг/м³ воды.

При изучении изменения прочности экибастузских углей и углистых аргеллитов при действии алкилсульфоната натрия (фиг. 2) значения А = 0,88; В = 0,56˙10^-3 моль/м².

Значение b может быть определено как среднее значения зияния, определенное на основе микроскопического изучения шлифов или экспериментально по методикам. Для экибастузских углей и углистых пород среднее значение b = 3˙10^-5 м.

Приняв величину молекулярного веса адсорбирующегося вещества (алкилсульфонат натрия) М = 500 и заданное снижение прочности = 0,6, необходимая концентрация раствора С = 4,3 кг ПАВ/кг³ воды.

После определения объема и концентрации раствора ПАВ и числа скважин на уступе, осуществляют заливку раствора в скважины циклично или непрерывно.

Каждый цикл состоит из заливки порции раствора в скважину и его впитывания. Для плотного ненарушенного массива необходим режим пропитки с наименьшим гидростатическим давлением, т. е. режим капиллярной пропитки. Поэтому, режим заливки циклами более близок для таких уступов. В этом случае число циклов N равно:
N = = K , где К^I- коэффициент, зависящий от эффективной пористости и коэффициента К.

Для углей экибастузского месторождения К^I= 0,0137. В других случаях значения К в зависимости от пористости и коэффициента К колеблются от 0,002 до 0,025.

На фиг. 3 дана диаграмма для определения количества циклов заливок в зависимости от расстояния между скважинами при различных К для скважин диаметром d = 0,160 м.

При сетке скважин с расстоянием а = 4 м для экибастузских углей количество циклов заливок будет равно 8.

При этом общее время выдержки для впитывания всего раствора может быть установлено, как , где Н - высота уступа,
h - глубина скважины;
v_ф - скорость фильтрации.

Для экибастузского месторождения средний коэффициент фильтрации составляет v_ф = 1,2 м/сут.

При высоте уступа Н = 24 м и средней глубине скважин h = 12 м общее время выдержки составит 10 дней.

Для трещиноватых и пористых уступов более целесообразным будет режим с небольшим давлением. В этом случае, раствор ПАВ заливают в скважины непрерывно и поддерживают его уровень максимальным до расходования в полном объеме.

С целью более равномерной и быстрой пропитки горного массива возможна также цикличная заливка, при которой в скважины сначала заливают весь концентрированный раствор ПАВ, а затем - воды, до получения раствора ПАВ заданной, ранее определенной концентрации, в объеме, необходимом для обработки всего уступа. Для пропитки верхней части уступа на его поверхности между рядами скважин нарезают борозды, в которые заливают не более 1/4 части раствора, необходимого для пропитки уступа.

На фиг. 4 приведены кривые впитывания растворов различной концентрации в экибастузские угли.

Видно, что по мере впитывания скорость пропитки падает, что обусловлено протеканием адсорбции ионов ПАВ на поверхности пор и трещин угля. Через некоторое время при малых концентрациях скорость впитывания уменьшается до скорости впитывания воды. При высоких концентрациях раствора впитывание идет значительно быстрее. Пропитанная часть угля беспрепятственно подвергается адсорбции анионов ПАВ, что приводит к снижению прочности.

Для обеспечения такого режима в скважины помещают следующее количество ПАВ, разбавленного небольшим количеством воды.

В скважины глубиной 1/3Н вводят Q кг вещества
Q = , где С - концентрация раствора;
V_p - объем раствора для обработки всего уступа;
а - расстояние между скважинами;
Н - высота уступа;
V - объем уступа.

При сетке скважин 4х4 м, Q = 6,2 кг вещества ПАВ на скважину глубиной 1/3H. Для скважины глубиной 2/3H величина Q доходит до 12,4 кг.

В качестве примера осуществления предлагаемого способа применительно к экибастузскому угольному месторождению проведены следующие расчеты. Установлено, что отработка уступа экибастузских углей обеспечивается при коэффициенте К = = 0,45-0,55.

Тогда V_p = α˙V˙K = 216 м³.

Количество активного вещества, необходимого для обработки всего уступа, определяется как Q = C V_p = 4,3˙216 = 926 кг.

Удельный расход активного вещества на тонну угля (породы) для экибастузского месторождения составляет:
q_уд= = 0.013 кг/т·угля, где: ρ - плотность угля (породы).

Удельный расход воды Q_в составит:
Q_в= = 5,4 л/м³ горной массы.

Опытные работы проводились на разрезе "Богатырь" ПО "Экибастузуголь", где осуществлялось разупрочнение угольно-по- родных уступов предлагаемым методом. В течение всего времени было отработано более 100 тыс. т горной массы, разупрочненной предлагаемым способом. В качестве разупрочняющего вещества применялись отходы нефтехимического синтеза - нейтрализованные кислые гудроны горьковского завода нефтехимического синтеза, содержащие до 25% алкилсульфонатов натрия. Расчет вещества, его заправка, режим заполнения и отработки соответствовал приведенному выше примеру конкретного применения предлагаемого способа.

Эффективность снижения прочностных характеристик горного массива оценивалась по удельной энергоемкости выемки 1 т горной массы, полученной путем осциллографирования энергосиловых показателей процесса экскавации. Энергоемкость экскавации ненарушенного целикового массива на мощных роторных экскаваторах ЭРШРД-5000 и СРСК-2000 достигала 160-180 ; энергоемкость массивов, разупрочненных буровзрывным способом, достигала 110-120 . При физико-химической обработке массива средняя по всем слоям уступа энергоемкость была 75--90 , а для некоторых слоев доходила до 50 .

На фиг. 4 даны сравнительные данные по энергоемкости выемки горной массы по данным испытаний способа в ПО "Экибастузуголь" в 1990 г. (приложение 1). Видно, что по сравнению с целиковым массивом (кривая 1) энергоемкость выемки угля, обработанного раствором нейтрализованного гудрона (кривая 3), ниже и достигает в среднем 0,35. Буровзрывной способ (кривая 2) снижает прочность массива в среднем 0,55.

Таким образом, установлено снижение энергозатрат в рабочем процессе роторного экскаватора ЭРШРД-5000 в среднем до 0,5 вместо 0,6 при буровзрывной подготовке (относительно затрат при обработке необработанного целика). В рабочем процессе экскаватора СРСК-2000 установлено снижение энергозатрат в среднем до 0,4 вместо 0,6 при буровзрывной подготовке.

Динамика процесса имеет тенденцию к уменьшению динамических нагрузок, по сравнению с режимами забоев, разупрочненных буровзрывным способом.

Увлажнение отрабатываемого горного массива водным раствором ПАВ позволило снизить пылевыделение в рабочем процессе роторных экскаваторов (пылевыделение достигало 20 мг/м³ горной массы вместо 800 г/м3 при буровзрывной подготовке).

Экологическая обстановка была значительно улучшена за счет устранения взрывных работ и уменьшения пылевыделения. В связи с тем, что все ПАВ адсорбировалось на внутренней поверхности угольного уступа и, таким образом, связывалось, никаких выбросов и выделений в окружающую среду не было. Состав и концентрация применяемого вещества (нейтрализованного кислого гудрона) в воде водоемов хозяйственно-питьевого водоиспользования в процессе проведения испытаний и после соответствовали предъявляемым санитарно-гигиеническим и экологическим требованиям.

При этом расход гудрона достигал на 1 м³ горной массы, а удельный расход воды был 5 л/м³ горной массы. Расчеты показывают, что при цене гудрона 100 руб. /т себестоимость угля за счет отказа от ВВ уменьшится на 1,5-2 коп. /т угля.

Все это значительно повысит эффективность и улучшит условия отработки уступов горных пород. (56) Ржевский В. В. Открытые горные работы. - М. ; Недра, 1985, т. 1, с. 406-410.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОТРАБОТКИ УСТУПОВ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий бурение скважин на кровле уступа, разупрочнение массива пород раствором ПАВ, заливаемым в скважины, последующую разработку и удаление пород, отличающийся тем, что, с целью снижения затрат на отработку при улучшении условий работы, скважины бурят глубиной от 1/3 до 2/3 высоты уступа и чередуют их в шахматном порядке, объем заливки ПАВ определяют по формуле
V_p= α˙V˙K,
где V_р - объем раствора ПАВ для всех скважин, м³;
α - удельный объем пор, заполняемых раствором ПАВ в безнапорном режиме;
V - объем уступа горных пород, м³;
K - коэффициент заполнения массива (0,3 - 0,8);
а концентрацию ПАВ определяют из выражения
C = M/B[A - (P_x/P₀)²] · B, кг/м³,
где M - молекулярный вес ПАВ, кг/моль;
B - характеристика трещиноватости массива горных пород;
A и B - коэффициенты, определяемые на основе экспериментальных данных по снижению прочности в зависимости от адсорбции;
P_x/P₀ - заданное снижение прочности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заливку ПАВ проводят циклами, количество которых определяют из выражения
N = K¹ · a₂/d₂,
где a - расстояние между скважинами в ряду или между рядами, м;
d - диаметр скважины, м;
K¹ - коэффициент, зависящий от эффективности пористости и коэффициента K заполнения массива горных пород (0,002 - 0,025).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что раствор ПАВ заливают в скважины непрерывно и поддерживают его уровень максимальным до расходования в полном объеме.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5